Методические указания Томск 2007 удк 621. 38 (стр. 7 из 9)
Рисунок 8
2. Перемычкой (87, ^ источников питания Е1, Е2) включите ключ и пронаблюдайте осциллографом напряжение на входе (29) и на выходе (77) схемы. Переместите перемычку в положение (87, -Е2) и выполняйте аналогичные действия. Сделайте выводы.
3. Вместо осциллографа в схему включите милливольтметр переменного тока В3-38. Перемычкой снова откройте ключ на VT3 и замерьте вольтметром входное и выходное напряжения. Полученные данные используйте для расчета сопротивления ключа в открытом состоянии.
4. Вновь подключите осциллограф на выход схемы и, увеличивая выходное напряжение с генератора, наблюдайте отсечку положительной полуволны сигнала. Объясните причину искажения формы выходного сигнала.
5.[6] Не разбирая схемы (рисунок 8) при выключенном источнике питания собрать схему (рисунок 9), обеспечивающую генерацию почти прямоугольных импульсов, используемых в дальнейшем в качестве напряжения управления ключа UУ. Включите осциллограф (64, 97), включите питание и пронаблюдайте выходной сигнал с генератора.
Рисунок 9
6.6 Подайте с генератора сигнал управления ключом, соединив гнезда 41 и 87. Пронаблюдайте осциллографом сигналы управления (64), входной (29) и выходной (77). Постройте временные диаграммы работы схемы последовательного ключа. Объясните, почему выходное напряжение генератора Г3-36 также промодулировано.
7.6 Перейдите вновь на ручное управление ключом и замерьте вольтметром В3-38 входное напряжение (29) в режимах закрытого UВХ з и открытого UВХ0 ключа на VT3. Зная R19 и сопротивление открытого ключа, определите выходное сопротивление Г3-36.
4. Контрольные вопросы
1. Какое соотношение между концентрациями основных носителей в слоях затвора и канала ПТ имеет место для транзистора с управляемым p-n-переходом?
2. Как имея выходные характеристики транзистора, построить семейство проходных (сток-затворных) характеристик?
3. Покажите определение дифференциальных параметров S Ri на семействе проходных ВАХ.
4. Покажите определение дифференциальных параметров S Ri на семействе выходных ВАХ.
5. Поясните, когда и почему ПТ может работать как источник тока.
6. Почему ПТ в режиме источника тока широко используется в параметрических стабилизаторах напряжения постоянного тока?
7. Как рассчитать дифференциальное сопротивление ПТ, когда он используется в схеме как источник тока?
8. Поясните условия, при которых полевой транзистор используется как электрически управляемое сопротивление.
9. Поясните методику расчета коэффициента передачи по напряжению и RП ПТ по данным эксперимента.
10.Как работает схема последовательного ключа на полевом транзисторе?
11.Дайте методику расчета сопротивления ключа на ПТ в открытом состоянии по данным эксперимента по рисунку 8.
5. Требования к отчету
Отчет должен содержать:
- цель работы;
- схемы проведенных экспериментов;
- результаты (таблицы, графики, расчеты, временные диаграммы, объяснения и т.д.);
- выводы.
Лабораторная работа 1.2.5.
Оптоэлектронная пара (светодиод-фотодиод)
Анализ фотодиодного и вентильного режимов
1. Цель работы:
- ознакомиться и получить навыки исследования и использования элементов оптоэлектроники – светодиода и фотодиода;
- освоить и получить навыки исследования параметров и характеристик фотодиодного оптрона.
2. Краткие сведения по подготовке к лабораторной работе
В настоящее время оптоэлектроника представляет собой вполне сформировавшуюся отрасль электронной техники. Область её применения - автоматика, телеметрия, связь, измерительная и вычислительная техника и др.
Основными элементами оптоэлектроники являются светодиоды, фотодиоды и оптроны[7]. Их определения в соответствии с ГОСТ 15133-77:
Светоизлучающий диод – полупроводниковый прибор, излучающий энергию в видимой области спектра в результате рекомбинации электронов и дырок.
Диод излучающий инфракрасный - полупроводниковый прибор, излучающий энергию в инфракрасной области спектра в результате рекомбинации электронов и дырок.
Оптопара – оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучателя и приемника излучения, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция.
Диодная оптопара – оптопара с приемником излучения, выполненном на основе фотодиода.
Фотодиод (по ГОСТ 21934-83)– полупроводниковый прибор с p-n-переходом между двумя типами полупроводника или между полупроводником и металлом, в котором поглощение излучения, происходящее в непосредственной близости перехода, вызывает фотогальванический эффект.
2.1. Светодиоды
Принцип работы. Светодиод представляет собой излучающий p-n-переход, свечение в котором возникает вследствие рекомбинаций носителей заряда (электронов и дырок). Оно наблюдается при смещении перехода в прямом направлении. Прохождение тока через p-n-переход в прямом направлении сопровождается рекомбинацией инжектированных неосновных носителей заряда. Состояние полупроводника, которое возникает при инжекции неосновных носителей заряда через p-n-переход и характеризуется наличием в зоне проводимости значительного количества электронов, а в валентной зоне - большого числа дырок, не является достаточно устойчивым, и поэтому наблюдается непрерывный переход электронов из зоны проводимости в валентную зону. Рекомбинация происходит в примыкающих к переходу слоях. Этот процесс в большинстве полупроводников осуществляется через примесные центры, расположенные вблизи середины запрещенной зоны, и является безызлучательным. В процессе каждой рекомбинации выделяется энергия, определяемая разницей энергий между уровнями рекомбинирующих частиц и выделяемая в виде тепловой энергии (фонона). Эта энергия передается атомам решетки при безызлучательной рекомбинации. Однако в ряде случаев процесс рекомбинации сопровождается выделением кванта света- фотона. Это обусловлено тем, что в определенных материалах (GaAs, GaSb, InAs, InSb и т. д) переход из зоны проводимости в валентную зону относится к числу переходов типа зона- зона. При этом примесные центры не играют существенной роли и при рекомбинациях происходит выделение фотонов и возникает некогерентное свечение люминесценции. Фотон, испущенный при переходе электрона, может вызвать индуцированное излучение идентичного фотона, заставив ещё один электрон перейти в валентную зону. Излучение возможно только в узком диапазоне частот, соответствующем энергии запрещенной зоны ΔЕ с шириной спектра, обусловленной этой зоной.
Яркость свечения светодиода примерно пропорциональна числу зарядов, инжектированных p-n-переходом. При этом для получения приемлемых значений необходимо обеспечить значительную плотность тока, протекающего через p-n-переход (не менее 30 А/см2). При обычно используемых размерах это приводит к необходимости пропускать через переход ток порядка 5-100 mA, что требует значительных затрат электрической мощности на питание инжекционного диода. При малых токах инжекции (1-2 mA) пропорциональность между током и светом нарушается, так как начинают сказываться конкурирующие безызлучательные рекомбинационные процессы.
Разновидности светодиодов. По спектральному диапазону и, как следствие, по основному функциональному назначению светодиоды подразделяются на две группы:
- светодиоды видимого диапазона спектра (СИД), предназначенные для устройств визуального отображения информации;
- полупроводниковые ИК-излучатели, называемые обычно ИК-светодиодами, предназначенные для работы с физическими приемниками, главным образом в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), оптопарах, оптических ЗУ.
Параметры и характеристики. Система параметров светодиодов следует из их функционального назначения и из физических принципов работы.
Интенсивность излучения характеризует мощность излучения Pизл (ИК-светодиоды); сила света Iν (СИД). Спектральные свойства излучения определяются длиной волны, соответствующей максимуму спектра излучения λмакс. Для СИД спектральным параметром является цвет свечения.
Быстродействие излучателя обычно определяется импульсными параметрами: временем нарастания (спада) импульса излучения при скачкообразном включении (выключении) импульса накачки tнар(сп) и временем задержки импульса излучения tзд. Эти параметры измеряются, как принято в радиотехнике, по уровням 0.1 и 0.9 фронта и среза. Иногда в качестве параметра быстродействия используется постоянная времени релаксации свечения τрел, определяемая по изменению интенсивности излучения в е раз.
Как элемент электрической цепи светодиод характеризуется падением прямого напряжения Uпр при заданном прямом токе Iпр, а также максимально допустимыми режимами (непрерывными и импульсными) по току, обратному напряжению, мощности рассеивания.
К важнейшим эксплуатационным параметрам относятся крайние значения рабочих температур Тмин и Тмакс и гарантированная долговечность tD, определяемая по 10, 30 или 50%-ному спаду интенсивности излучения.
Основная характеристика инжекционного светодиода- люкс – амперная, показанная на рисунке 1. Она имеет нелинейный начальный участок, характеризуемый низкими выходными яркостями, и практически линейный участок, в пределах которого яркость изменяется в 10-100 раз. Этот участок чаще всего и используется в качестве рабочего.