Среднее Заочное отделение / 8 семестр / Оптоэлектроника / Оптоэлектроника Вариант 16
.pdfЗадание 1 1.13.1 Дать определение, что такое специальные виды оптопар (оптроны), показать
их классификацию и принцип работы. Параметры оптопар. Привести примеры конкретного прибора с его параметрами и характеристиками.
Ответ:
Оптопара или оптрон — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотоди- одов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и, как правило, объ- единённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании элек- трического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразо- вании обратно в электрический сигнал.
Классификация:
1) по степени интеграции:
-оптопары (или элементарные оптроны) — состоящие из двух и более элементов (в т. ч. собранные в одном корпусе);
-оптоэлектронные интегральные схемы, содержащие одну или несколько оптопар (с дополнительными компонентами, например, усилителями, или без них);
2) по типу оптического канала:
-с открытым оптическим каналом;
-с закрытым оптическим каналом;
3) по типу фотоприёмника:
-с фоторезистором (резисторные оптопары);
-с фотодиодом;
-с биполярным (обычным или составным) фототранзистором;
-с фотогальваническим генератором (солнечной батарейкой); такие оптроны обычно снабжаются обычным полевым транзистором, затвором которого управляет фотогальваниче- ский генератор;
-с фототиристором или фотосимистором;
4) по типу источников света:
-с миниатюрной лампой накаливания;
-с неоновой лампой;
-со светодиодом.
1
Впрактическом применении наибольшего распространения нашли оптроны (в по- следнее время приобрели название оптопары), в которых нет электрических связей между приемником и излучателем, а есть только оптическая связь. По сложности составляющих структурных схем в оптронных изделиях различают 2 группы приборов:
1) Оптопара – полупроводниковый оптическо-электронный прибор, в котором опти- ческая связь обеспечивает изоляцию входа и выхода излучающего и принимающего элемен- тов.
2) Электронно-оптическая микросхема, которая состоит из определенного количе- ства оптопар и так называемых усилителей, которые имеют электрическое соединение с эле- ментами оптронов.
Принцип работы оптопары Основное предназначение оптопары заключается в развязке сигнальных цепей галь-
ваническим методом.
Принцип действия оптопары для всех видов фотоприемников и излучательных эле- ментов практически одинаковый и состоит в следующем: формируемый электрический сиг- нал на входе в излучатель, трансформируется в поток света, который далее принимается фо- тоэлементом и меняет проводимость последнего – меняя его сопротивление.
Другими словами принцип действия оптрона заключается в двойном трансформиро- вании энергии.
Применение оптопар (оптронов) позволяет решать множество задач, в частности контроль значений параметров от различных датчиков – уровень, влажность, концентрация и т.д); использование в устройствах автоматики и релейных защит электрооборудования; в ди- агностических аппаратах. В тех или иных случаях схемы включения оптопар отличны друг от друга.
Устройство оптронов
Вкачестве излучателя используется светодиод, который размещается сверху в ме- таллическом корпусе. В нижней части расположен фотоприемник (кремниевый кристалл). Свободное пространство заполняется затвердевающей массой, которая полностью прозрач- на. Последняя покрыта отражателем для направления лучей, чтобы не рассеивались лучи за пределы зоны приемника.
Как правило, вывода оптронов заливаются жидким стеклом. Верхняя и нижняя часть крышки корпуса соединяются при помощи сварки.
Оптрон-резистор практически не отличается от вышеописанной конструкции. В нем используется в качестве излучателя лампа накала, а приемник выполнен из кадмия селени- стого.
2
В системе параметров оптопар выделяют:
Входные параметры (параметры излучателя):
Входной номинальный ток оптопары Iвх опт, мА; Входное напряжение Uвх, В при Iвх опт; Максимальный входной ток Iвх max, мА;
Максимальное входное обратное напряжение Uвх обр max, В;
Выходные параметры (параметры приемника):
Максимально допустимое обратное выходное напряжение Uвых обр max, В; Максимально допустимый выходной ток Iвых.
Выходной обратный ток (темновой) Iвых т. или ток утечки на выходе Iут при Iвх = 0 и заданном значении Uвых;
Выходное остаточное напряжение (на открытом фототранзисторе) Uост, В;
Передаточные характеристики:
Статический коэффициент передачи по току КI = Iвых/Iвх; Проходная емкость оптопары Свых–вх, пФ;
Время нарастания импульсного выходного тока Tнр, с; Время спада импульсного выходного тока Tсп, с;
Для тиристорной оптопары вместо коэффициента передачи по току приводят ток включения Iвкл.
Транзисторный оптрон PC817 является одним из самых распространенных потому, что он стоит практически в каждом импульсном блоке питания для гальванической развязки цепи обратной связи.
Для PC817 схема включения стандартная как для любого транзисторного оптрона: на входе нужно ограничивать ток — например с помощью резистора, на выходе также не стоит превышать ток.
PC817 характеристики:
1)Характеристики светодиода: Прямой ток — 50 мА; Пиковый прямой ток — 1 А; Обратное напряжение — 6 В; Рассеяние мощности — 70 мВт.
2)Характеристики фототранзистора: Напряжение коллектор-эмиттер — 35 В; Напряжение эмиттер-коллектор — 6 В; Ток коллектора — 50 мА;
3
Мощность рассеяния коллектора — 150 мВт.
1.13.2 Какая длина волны соответствует верхней границе оптического диапазона:
а) 0,1 мкм; б) 0,5 мкм; в) 1 мм; г) 10 мм?
Ответ:
Оптическим диапазоном спектра электромагнитных колебаний принято считать диа- пазон колебаний с длиной волны от 1 мм до 1 нм. Выбираем вариант в) 1 мм.
1.13.3 Какие два условия необходимо выполнить для возникновения лазерной гене-
рации:
а) баланс фаз; б) баланс амплитуд; в) использование элемента накачки; г) использо- вание оптического резонатора?
Ответ:
в) использование элемента накачки; г) использование оптического резонатора.
1.13.4 В какой области фотоносители перемещаются, используя механизм дрейфа: а) в области оптических контактов; б) в области p-n-перехода; в) в пассивной p-
области; г) в пассивной n-области?
Ответ:
б) в области p-n-перехода.
1.13.5 При каком напряжении светодиод эффективно излучает:
а) Uобр = 5 В; б) Uпр = 5 В; в) Uобр = 2 В; г) Uпр = 2 В?
Ответ:
г) Uпр = 2 В
4
Задание 2.
21. Выпишите величины Uпр и Uобр светодиода
Ответ:
Номинальный прямой ток — это ток, при прохождении которого через данный све- тодиод в прямом направлении, производитель гарантирует паспортные световые параметры данного источника света. Другими словами, это рабочий ток светодиода, при котором свето- диод точно не перегорит, и сможет нормально работать на протяжении всего срока эксплуа- тации. В этих условиях p-n-переход не будет пробит и не перегреется.
Таблица 1 – Величины прямого напряжения для разных цветовых характеристик
По сути падение напряжения здесь – минимальное напряжение зажигания диода. При меньшем напряжении, у источника питания, тока не будет и диод просто не загорится. У мощных осветительных светодиодов падение напряжения может составлять десятки вольт, но это значит лишь, что внутри кристалла много последовательно-параллельных сборок дио- дов.
Любой диод светится в зависимости от протекающего тока. По сути это токовый прибор. Падение напряжения получается автоматически. Ток мы задаем сами. Современные индикаторные диоды более-менее начинают светиться при токе 1 мА, а при 10 мА уже вы- жигают глаза. Для мощных осветительных диодов надо смотреть документацию.
Максимальное обратное напряжение светодиода, как и любого светодиода, - это та- кое напряжение, при прикладывании которого к p-n-переходу в обратной полярности (когда потенциал катода больше потенциала анода) происходит пробой кристалла, и светодиод вы-
5
ходит из строя. Подавляющее большинство светодиодов имеют обратное максимальное напряжение в районе 5 В. Для сборок COB – еще больше, а для инфракрасных светодиодов бывает и до 1-2 вольт. Максимальное обратное напряжение превышать нельзя.
29. Характеристики и параметры светодиодов
Ответ:
Светодиодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобра- зования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения. При проте- кании через диод прямого тока происходит инжекция неосновных носителей заряда (элек- тронов или дырок) в базовую область диодной структуры Процесс самопроизвольной реком- бинаци инжектированных неосновных носителей заряда, происходящих как в базовой обла- сти, так и в самом p-n переходе, сопровождается переходом их с высокого энергетического уровня на более низкий; при этом избыточная энергия выделяется путем излучения кванта света.
Конструкция и технология изготовителя.
Из-за высокого показателя преломления полупроводника, большая часть всех кван- тов света испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела полупроводника с окружающим воздухом. При отражении, в полупроводнике может происходить поглощение квантов света. Через границу раздела проходит лишь та небольшая доля света, которая пада- ет на границу раздела под углом меньше критического угла полного внутреннего отражения.
ϕKP = arcsin 1
NR
NR -коэффициент преломления света в полупроводнике.
Таким образом, из светодиода, имеющего простейшую структуру, в окружающее пространство выходят только сотые доли всех квантов света.
Рисунок 1 - Плоская планарная структура светодиода
6
При использовании более сложных конструкций удаётся увеличить выход квантов света в окружающее пространство.
R ³ NR
R NRср
Рисунок 2 - Полусферическая структура светодиода
- стекло или пластик
Рисунок 3 - Плоская структура с полусферическим покрытием светодиода
В светодиоде с полусферической структурой для всей поверхности угол падения квантов света оказывается меньше критического угла полного внутреннего отражения при
большом отношении радиусов R и r, то есть при R ³ NR .
R NRср
Однако в светодиоде с полусферической конструкцией несколько увеличиваются потери квантов света в результате поглощения в самом полупроводнике из-за увеличения длины пути квантов света от места возникновения до поверхности.
Чтобы кванты энергии – фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответство- вали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть относительно большой (Еg > 1,8 эВ). Исходя из этого ограничения, для изготовления светодиодов используются следующие полупроводниковые материалы: фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC), твердые растворы: галлий—мышьяк—фосфор (GaAsP) и гал- лий—мышьяк—алюминий (GaAsAl), а также нитрид галлия (GaN), который имеет наиболь- шую ширину запрещенной зоны (Eg > 3,4 эВ), что позволяет получать излучение в коротко- волновой части видимого спектра вплоть до фиолетового.
Путем добавления в полупроводниковый материал атомов веществ-активаторов можно изменять в некоторых пределах цвет излучения светодиода. Например, на основе фосфида галлия, легированного определенным количеством цинка, кислорода или азота, по-
7
лучают светодиоды зеленого, желтого и красного цветов свечения. Тройные соединения GaAsP и GaAsAl используют, в основном, для получения светодиодов красного цвета свече- ния.
Обычно излучение светодиодов является монохроматическим с оговоренной для каждого типа максимальной длиной волны, имеющий незначительный разброс внутри каж- дого типа. Светодиоды с управляемым цветом свечения изготавливаются на основе двух све- тоизлучающих переходов, один из которых имеет резко выраженный максимум спектраль- ной характеристики в красной полосе, другой — в зеленой. При совместной работе цвет ре- зультирующего излучения зависит от соотношения токов через переходы. Основным техно- логическим методом изготовления светодиодов является метод эпитаксиального наращива- ния. Это жидкофазная эпитаксия или эпитаксия из газовой фазы. В некоторых случаях, в ос- новном, при использовании карбида кремния, применяется метод диффузии примесей (ак- цепторных или донорных) из газовой фазы, проводящийся внутри кварцевых ампул.
Одним из основных параметров светодиодов является: яркость — величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности (измеряется в канделах на квад- ратный метр).
Спектральная характеристика светодиода выражает зависимость интенсивности из- лучения от длины волны излучаемого света и дает представление о цвете свечения светодио- да. Длина волны излучаемого света определяется разностью энергий двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов на излучательном этапе процесса рекомбинации и определяется исходным полупроводниковым материалом и легирующими примесями.
Излучение светодиода также характеризуется диаграммой направленности (угол по- ловинной яркости), которая определятся конструкцией светодиода, наличием линзы и опти- ческими свойствами защищающего кристалл материала (измеряется в градусах). Излучение светодиода может быть узконаправленным или рассеянным.
Основные параметры светодиодов зависят от окружающей температуры. С увеличе- нием температуры яркость (сила света), а также падение напряжения на светодиоде умень- шается. Зависимость яркости от температуры практически линейная, в интервале рабочей температуры может изменяться в 2-3 раза. Промышленные светодиоды имеют сравнительно большой разброс параметров и характеристик от образца к образцу.
Светодиоды, применяемые в наружной рекламе, должны соответствовать самым вы- соким требованиям к зависимости яркости от температуры окружающей среды и выдержи- вать диапазон температур от –40°С до +80°С, не изменяя яркости (силы света). Такие пара- метры светодиодов могут обеспечить только фирмы-лидеры в своей области, работающие на
8
самом современном высокотехнологичном оборудовании и использующие самые современ- ные технологии.
Светодиоды обладают высоким быстродействием. Излучение нарастает за время ме- нее 10-8с после подачи импульса прямого тока, что делает их незаменимыми в световой ре- кламе, несущей быстро сменяемую информацию.
По внешнему конструктивному признаку светодиоды подразделяются на приборы в металлических корпусах со стеклянной линзой (обладают весьма острой направленностью излучения) и пластмассовых корпусах из оптически прозрачного, чаще цветного компаунда, создающего рассеянное излучение. Именно эти светодиоды и применяются в наружной и ин- терьерной рекламе, обеспечивая одновременно и достаточную яркость, и максимально воз- можный угол просмотра.
9
Задание 3 16 Частотный ресурс открытого пространства (атмосферного, морского и космиче-
ского).
Ответ:
Радиоволны (радиочастоты), используемые в радиотехнике, занимают спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0,1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее – спектр ультрафиолетовых, рент- геновских и гамма лучей – все это электромагнитные колебания одной природы, отличаю- щиеся только длиной волны и, следовательно, частотой.
Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Обла- сти следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются.
Но эти диапазоны весьма обширны и, в свою очередь, разбиты на участки, куда вхо- дят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны, диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радио- локации и радионавигации и т.д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты. Реально для целей радиосвязи используются колебания в частотном диапазон от 10 кГц до 100 ГГц. Использование для связи того или иного интервала частот зависит от многих факторов, в частности от условий распространения радиоволн разных диапазонов, требуемой дальности связи, реализуемости величин мощностей передатчиков в выбранном интервале частот и др.
Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.
Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хоро- ший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волна (выше частота).
Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяет- ся во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится при-
10