3.5.4. Описание установки

Схема измерения представлена на рис. 3.18. Генератор 1 импульсного электрического сигнала вырабатывает периодический сигнал для включения светодиода 2. Частота f , период T повторения импульса изменяется с помощью плавной и ступенчатой регулировки на генераторе 1.

Рис. 3.18. Блок-схема испытаний

Световой сигнал светодиода 2 облучает фотодиод 6 (ФД), фоторезистор 3 или приемный элемент (фотодиод) люксметра 5.

Если импульсный свет облучает фотодиод, работающий в режиме фотогенератора, то на контактах ФД появляется импульс ЭДС U_хх (напряжения холостого хода), регистрируемый осциллографом 4. Форма импульсного сигнала ЭДС фотодиода близка к прямоугольной, время импульса t_и определяется как длительность импульса на уровне 0,5U₀ (рис. 3.19, д).

При испытании фоторезистора 3, последний включается в цепь постоянного тока (рис. 3.18). Источник 7 постоянного ЭДС Е_п предназначен для формирования тока в цепи фоторезистора. В том случае, когда импульсный свет падает на фоторезистор 3, в цепи возникает импульсный фототок (рис. 3.19, в), обусловленный модуляцией (изменением) проводимости материала.

Сила тока через фоторезистор может быть измерена приборами, который включается последовательно с фоторезистором.

Если в цепи фоторезистора протекает постоянный фототок, то можно использовать амперметр постоянного тока. Если фототок – импульсный, то следует применять амперметр электромагнитной системы, измеряющий действующее значение тока.

Если амперметр отсутствует, то ток в цепи фоторезистора может быть оценен по результатам эксперимента. В данном случае последовательно с фоторезистором включено измерительное сопротивление R_изм = 3000 Ом, с которого снимается напряжение U_Rизм, которое имеет постоянную (в отсутствие импульса света) и импульсную составляющую (при импульсном облучении). Форма напряжения U_Rизм регистрируется с помощью осциллографа 4. Зная параметры ЭДС Е_п источника питания постоянного тока, величину тока I_ф, протекающего в цепи фоторезистора, величину измерительного резистора R_изм, можно рассчитать значение сопротивления фоторезистора R_ф= по постоянному току при различных условиях облучения.

Рис. 3.19. Осциллограммы импульсных сигналов

Светодиод 6, который управляется электрическим импульсом от генератора, заключен в корпус (вилку) стандартного разъема (радиочастотного соединителя). Оптический сигнал от светодиода передается через оптико-волоконный кабель к фотодиоду или фотосопротивлению с помощью второй половины (розетки) стандартного разъема, закрепленного на корпусе блока (рис. 3.18).

Для определения освещенности, которую создает излучение светодиода на поверхности фотодиода или фоторезистора, может использоваться люксметр 5, с помощью которого производится контроль освещенности объектов (в люксах) на градуированном приборе.

С помощью осциллографа можно измерить параметры импульсного светового сигнала, к которым относятся: период сигнала (импульса) Т, частоту сигнала f = 1/Т, время импульса t_и, величины скважности q = T/t_и и заполнения импульсов  = 1/q; время переднего фронта t_ф, время среза t_с (задний фронт) (рис. 3.19, д).

В первом приближении световой поток Ф(t) оптического импульса (рис. 3.19, а) светодиода 2 имеет форму прямоугольного сигнала.

Фотодиоды являются быстродействующими оптическими фотоприемниками, в которых время рекомбинации носителей мало (время жизни  - микросекунды и доли микросекунд), поэтому, как правило, импульс фото-ЭДС U_хх, снимаемый с фотодиода, характеризуется малыми временами переднего фронта и среза (рис. 3.19, б, д).

Для фоторезисторов характерны значительные времена рекомбинации носителей, а, значит, большие значения постоянной времени  (до миллисекунд). Поэтому, когда происходит облучение фоторезистора, передний фронт и срез импульса тока, протекающего при импульсном облучении, будут отличаться от прямоугольной формы (рис. 3.19, г, д), т.к. неравновесные носители заряда появляются и исчезают по экспоненциальному закону, описываемому соотношениями (3.7) и (3.8).

Заметим, что через время, равное (4-5) после прекращения облучения, процесс рекомбинации носителей полностью завершен (рис. 3.5, д).

Протекая через измерительное сопротивление R_изм (рис. 3.18), импульсный фототок I_ф(t) (рис. 3.19, в) создает на данном резисторе импульсное напряжение U_R(t) (г), пропорциональное току I_ф(t). Форма и параметры этого напряжения, подаваемого вход Y осциллографа, могут быть изучены в процессе испытаний.

Поскольку при импульсном освещении средний фототок отличается от темнового тока, в целом фототок I_ф(t) и напряжение U_R(t) имеют постоянные (I_ф=; U_R=) и переменные (I_ф≈; U_R≈) составляющие (рис. 3.19, в, г, д), которые могут быть оценены независимо.

Методика определения значений постоянных и переменных составляющих с помощью осциллографа описана ниже.

Величина может быть рассчитана из соотношения (3.23) и оценки формы напряжения U_R≈(t) импульсного сигнала, снимаемого с резистора R_изм и пропорционального фототоку фоторезистора I_ф≈(t).

Согласно процедуре, описанной выше, постоянная времени  рассчитывается как время, в течение которого напряжение импульсного U_R≈(t) сигнала уменьшается в е (2,71) раз от максимального значения, наблюдаемого на экране осциллографа (рис. 3.15, е; 3.19, д): U_R≈(t₀)/U_R≈(t₀ + ) = 2,71.

Световой поток Ф, падающий на фотодиод, определяется:

Ф = ЕS, лм, (3.32)

где Е  освещенность, лк, S – площадь чувствительной поверхности фотодиода, S  10^–6 м^3.

Величина удельной интегральной чувствительности фотодиода может быть оценена по соотношениям (3.26) – (3.27).

Конструкция стенда может быть представлена следующим образом (рис. 3.20). В состав схемы входят следующие кабели:

I – контроль выходного сигнала (подключается к осциллографу к входу Y; может иметь синхронизирующий контакт, подключаемый к входу Х);

II – кабель питания импульсного светодиода от генератора импульсов.

III – кабель питания (постоянное напряжение до 15 В) от источника постоянного напряжения к гнезду питания фоторезистора.

IY – оптико-волоконный кабель для передачи светового сигнала от источника (светодиода) к приемнику излучения (фотодиоду или фоторезистору).

Электрический импульсный сигнал от генератора (рис. 3.18) поступает на светодиод. Фотодиод и фоторезистор, помещенные в розетки корпусов радиочастотных разъемов, облучаются оптическими импульсами светодиода.

Рис. 3.20. Блок фотодиода и фоторезистора с кабелями

В зависимости от положения переключателя П (рис. 3.6) к осциллографу подключаются фотодиод или резистор R_изм, напряжение на которых анализируется по осциллограммам.