3734

ключатель режима работы 3 позволяет подключить к блоку питания лазер (положение переключателя – ЛД) или светодиоды (положение переключателя – СД, все три светодиода включены последовательно). Регулятор тока излучателя 4 обеспечивает регулировку тока излучателя, вращение верхней рукоятки задает грубую регулировку тока, вращение нижней рукоятки задает плавную подстройку тока до необходимого уровня. Увеличение тока излучателя происходит при повороте рукояток по часовой стрелке.

4

Рис. 3.1. Внешний вид лабораторной установки:

1 – измеритель тока излучателя; 2 – измеритель тока фотодиода; 3 – переключатель режима работы; 4 – регулятор тока излучателя

4.Порядок выполнения работы

1.Измерить ватт-амперные характеристики СД1, СД2, СД3.

Для этого установить переключатель режима работы 3 в положение СД, установить регулятор тока излучателя 4 в положение, соответствующее минимальному току излучателя, для чего повернуть обе рукоятки регулятора тока против часовой стрелки до упора. С помощью гибкого волоконно-оптического кабеля соединить адаптер светодиода

20

СД1 с адаптером фотодиода ФД (см. рис. 3.2, б). В этом случае излучение СД1 поступает на фотоприемник ФД. Ток фотоприемника ФД пропорционален мощности излучения светодиода. Провести измерение зависимости IФД от тока излучателя Iизл в диапазоне от минимального

значения Iизл до Iизл = 20 мА. Рекомендуемый шаг по Iизл составляет ~2 мА.

С помощью гибкого волоконно-оптического кабеля соединить адаптер светодиода СД2 с адаптером фотодиода ФД и измерить зависимость IФД (Iизл) для светодиода СД2 в том же диапазоне тока излучателя.

С помощью гибкого волоконно-оптического кабеля соединить адаптер светодиода СД3 с адаптером фотодиода ФД и измерить зависимость IФД (Iизл) для светодиода СД3 в том же диапазоне тока излучателя.

2. Измерить ватт-амперную характеристику ЛД.

Для этого установить регулятор тока излучателя 4 в положение, соответствующее минимальному току излучателя, для чего повернуть обе рукоятки регулятора тока против часовой стрелки до упора. Установить переключатель режима работы 3 в положение ЛД, в этом случае блок питания будет подключен к лазерному излучателю. С помощью гибкого волоконно-оптического кабеля соединить адаптер ЛД с адаптером фотодиода ФД (см. рис. 3.2, а). Провести измерение зависимости IФД от тока излучателя Iизл в диапазоне от минимального значения Iизл до Iизл = 120 мА. На первом этапе измерений до достижения порогового тока лазерной генерации рекомендуемый шаг по Iизл составляет ~10 мА. При достижении порога генерации ЛД, когда резко возрастает мощность излучения (резко возрастает IФД), необходимо снизить ток Iизл на ~10 мА и продолжить измерение зависимости IФД (Iизл) с меньшим шагом по Iизл. Рекомендуемый шаг по Iизл составляет

~2…3 мА.

3. Обработка экспериментальных данных:

а) полученные зависимости IФД (Iизл) для СД1, СД2, СД3 и ЛД необходимо пересчитать в ватт-амперные зависимости излучателей, т. е. в

зависимости Pизл (Iизл). Ток фотоприемника IФД пропорционален мощности оптического излучения:

здесь SI – токовая чувствительность фотодиода, а P*изл – мощность оптического излучения, поступающего на фотодиод.

21

Рис. 3.2. Коммутация лазерного диода (а) и светодиода (б) с фотодиодом с помощью гибкого волоконно-оптического кабеля

Параметр токовой чувствительности используемого в лабораторной работе фотодиода ФД24К составляет SI = 0.23 А/Вт для 0.65 мкм (излучатели СД1 и ЛД), SI = 0.18 А/Вт для 0.52 мкм (излучатель СД2) и SI = 0.22 А/Вт для 0.47 мкм (излучатели СД3). При передаче оптического излучения от излучателя к фотоприемнику в волоконнооптическом кабеле теряется значительная часть излучения. Коэффициент пропускания ВОК составляет ТС = 0.26.

Таким образом, оптическая мощность излучателя Pизл и мощность излучения, поступающего на фотодиод P*изл связаны соотношением:

б) используя (3.4), рассчитать ватт-амперные зависимости Pизл (Iизл) для СД1, СД2, СД3 и ЛД и построить графики этих зависимостей;

в) исходя из данных графика ватт-амперной зависимости для лазерного диода определить значение порогового тока генерации Ith для данного излучателя. Для определения значения порогового тока на

22

графике необходимо построить прямую линию, аппроксимирующую генерационный участок ватт-амперной зависимости (рис. 3.3). Пересечение этой линии с осью абсцисс задает значение порогового тока лазера (рис. 3.3);

г) исходя из полученного значения Ith, рассчитать плотность порогового тока Jth , используя формулу

Здесь SLD – площадь лазерного полоска, SLD = W L, W – ширина полоска, W = 30 мкм, L – длина полоска (длина лазерного резонатора),

W = 600 мкм. Выразить параметр плотности порогового тока в единицах А/см2;

Рис. 3.3. Ватт-амперная зависимость для ЛД. Методика определения порогового тока ЛД

д) исходя из полученных ватт-амперных зависимостей Pизл (Iизл), провести расчет параметров внешней квантовой эффективности для СД1, СД2, СД3 и ЛД.

Расчет внешней квантовой эффективности провести по формуле

е) для ЛД рассчитать два значение e : 1) e в допороговой области Iизл < Ith; 2) в области генерационного режима работы лазера в интервале тока Ith … 1.1 Ith.

23

5.Контрольные вопросы

1.Принцип действия оптического квантового генератора.

2.Одномодовый и многомодовый режимы генерации.

3.Принцип действия полупроводникового инжекционного лазера.

4.Пороговый ток. Пути снижения порогового тока.

5.Преимущества полупроводниковых лазеров. Области их применения.

6.Недостатки полупроводниковых лазеров.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4

СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТОПАР (ОПТРОНОВ)

1. Цель работы

Ознакомиться с физическими принципами работы оптопар. Измерить статические характеристики оптопар и определить коэффициент передачи по току.

2. Принцип действия и конструкция оптопар

Оптопарой или элементарным оптроном называется оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприѐмного элементов, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция. Принцип действия оптронов основан на двойном преобразовании энергии. Энергия входного электрического сигнала преобразуется излучателем в оптическое излучение. Фотоприѐмник, поглощая часть этого излучения, осуществляет обратное преобразование оптического сигнала в электрический. Связи между излучателем и фотоприѐмником могут быть как электрическими, так и оптическими. В последнем случае важны свойства среды, посредством которой осуществляется оптическая связь. В качестве светопроводящей среды, соединяющей оптический излучатель и приѐмник, используют прозрачные компаунды, в том числе эпоксидные смолы, оптические клеи, вазелиноподобные полимеры и т. п. В состав оптоэлектронного прибора наряду с оптопарой могут входить допол-

24

нительные микроэлектронные или оптические элементы. Такие приборы часто называют оптронами. Этот термин употребляется и для элементарной оптопары с внутренней оптической связью.

По типу использованного в оптопаре фотоприѐмника оптопары подразделяют: а) на резисторные; б) диодные; в) транзисторные; г) тиристорные. Излучателем в оптопаре являются либо миниатюрные лампы накаливания (в резисторных), либо светодиоды.

По функциональному признаку оптроны можно разделить на следующие группы: а) информационные; б) управляющие; в) линейные; г) энергетические.

Основные достоинства оптопар заключаются в обеспечении сверхвысокой электрической изоляции входных и выходных каскадов, однонаправленности потока информации, отсутствия обратной связи с выхода на вход, невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей.

Недостатками оптронов являются: низкий КПД, обусловленный двойным преобразованием энергии и потерями в оптическом канале связи, сильная температурная зависимость параметров и высокий уровень шумов, конструктивно-технологическое несовершенство, обусловленное в основном использованием гибридных технологий при изготовлении оптронов.

При изготовлении оптопары также необходимо согласование фотоприѐмника и излучателя по спектральным характеристикам, по быстродействию, по температурным зависимостям и другими параметрам.

Параметры оптронов подразделяются на четыре группы: 1) входные (параметры излучателя); 2) выходные (параметры фотоприѐмника); 3) передаточные (параметры передачи сигнала с входа на выход); 4) параметры изоляции оптрона.

Входная и выходная цепи оптопар описываются стандартными параметрами излучателей и фотоприѐмников: номинальный входной ток, входное напряжение, входная и выходная ѐмкости (определяющие быстродействие прибора) и т. д. Задаются также предельные эксплуатационные параметры: максимальный входной ток и максимально допустимый выходной ток.

Передаточные параметры характеризуют эффективность передачи электрического сигнала с входа оптопары на выход. Основным параметром передаточных характеристик оптопар является коэффициент

25

передачи по току, который задаѐтся отношением приращения выходного тока к приращению входного тока:

Зависимость выходного тока от входного Iвых = f(Iвх) называется передаточной характеристикой. В общем случае эта зависимость является нелинейной, что обусловлено, в первую очередь, нелинейностью ватт-амперной характеристики излучателя.

Быстродействие оптопары характеризуется временем переключения. Параметрами электрической изоляции оптронов являются максимально допустимое пиковое Uпик и статическое напряжение изоляции Uиз между входом и выходом, сопротивление изоляции, проходная ѐмкость и максимально допустимая скорость нарастания выходного напряжения (dU/dt)max.

Резистивные оптопары характеризуются линейностью и симметричностью выходной характеристики, отсутствием внутренних ЭДС и низким уровнем шумов.

Недостатками резистивных оптопар являются их низкое быстродействие и существенная температурная зависимость параметров. Темновой ток фоторезистора обычно составляет единицы микроампер. Проводимость фоторезистора пропорциональна мощности излучателя, следовательно, модулируя ток через излучатель, можно управлять проводимостью фоторезистора.

Свойства фоторезистора не зависят от полярности напряжения, что позволяет включать их при измерении постоянного или низкочастотного сигнала в цепь с переменным напряжением. Эти оптопары применяются преимущественно в схемах коммутации люминесцентных индикаторов, схемах автоматической регулировки усиления, схемах межкаскадной связи и т. д.

Диодные оптопары работают в двух режимах: 1) фотогенераторном и 2) диодном, или преобразования тока. Диодные оптопары характеризуются высоким быстродействием, малыми темновыми токами в выходной цепи и обеспечивают полную электрическую развязку входа и выхода.

Применяются диодные оптопары как элементы гальванической развязки, элементы согласования периферийных линий с центральным процессором ЭВМ, а также низковольтного блока с высоковольтным; в схемах защиты от перегрузки и в качестве импульсного трансформатора.

26

3. Описание лабораторной установки

Схема лабораторной установки представлена на рис. 4.1. Лабораторная установка содержит две диодные оптопары, миллиамперметр (мА), позволяющий измерять входной ток излучателя, микроамперметр (мкА), измеряющий выходной ток фотоприемника, переменное нагрузочное сопротивление Rн, задающее ток излучателя, ограничивающие сопротивления Rогр, которые устанавливают максимальное значение тока на оптопарах при нулевом значении Rн, и тумблеры: Т1 – включающий питание оптопар, Т2 – включающий измерительные приборы, Т3 – переключающий оптопары в цепи измерения. Оптопары размещены в едином блоке (рис. 4.2).

Рис. 4.1. Схема лабораторной установки

Миллиамперметр измеряет входной ток оптронов Iвх в диапазо-

не 0…200 мА, последняя цифра индикатора задает десятые доли мА.

Микроамперметр измеряет выходной ток оптронов Iвых в диапазоне 0…2000 мА, последняя цифра индикатора задает единицы микроамперметра.

27

Рис. 4.2. Измерительный модуль лабораторной установки

4.Порядок выполнения работы

1.Для исследования передаточной характеристики диодной оптопары включить питание (Т1) и измеряющие приборы (Т2).

2.Выбрать диодную оптопару (Т3), снять еѐ передаточную харак-

теристику и построить график Iвых = f(Iвх). Измерения производить в диапазоне от минимального до максимального значения, с рекомен-

дуемым шагом 2 мА.

3.Выбрать вторую диодную оптопару (Т3) и провести действия, описанные в п. 2.

4.По графикам определить коэффициенты передачи по току опто-

пар в процентах: K = Iвых / Iвх.

5.Контрольные вопросы

1.Объяснить принцип действия и конструкции оптопар.

2.Основные параметры оптопар.

3.Принцип действия резистивной оптопары: еѐ достоинства и недостатки.

4.Принцип действия диодной оптопары: еѐ достоинства и недос-

татки.

5.Работа фотодиода в генераторном и диодном режимах.

6.Область применения оптопар.

28

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА

1. Цель работы

Исследование основных характеристик кремниевого солнечного элемента. В работе необходимо провести измерение зависимости фототока кремниевого солнечного элемента (СЭ) от мощности оптического излучения, вольт-амперной характеристики солнечного элемента и определить коэффициент полезного действия кремниевого солнечного элемента.

2. Краткая характеристика солнечных элементов

Основная часть энергии солнечного излучения, прошедшего сквозь земную атмосферу, сосредоточена в интервале длин волн от 0.2 до 2 мкм. На рис. 5.1 и 5.2 представлены спектральное распределение числа фотонов солнечного излучения, падающих за 1 с на площадь 1 см2 и спектральная плотность удельной мощности солнечного излучения в летний период в полдень на широте 50°. Зависимости приведены для интервала длин волн 0.2…1.2 мкм. Полная удельная

29