Методические указания Томск 2007 удк 621. 38 (стр. 8 из 9)
Вольт – амперная характеристика светодиода аналогична вольт – амперной характеристике кремниевого диода: она имеет круто возрастающую прямую ветвь.Включение. Инжекционные светодиоды являются токовыми приборами, питать и управлять которыми необходимо с помощью источников тока. На рисунке 2 представлен наиболее простой случай включения светодиода. Также светодиод включают в цепь управляющего транзистора (как биполярного, так и полевого), служащего в этом случае генератором тока.
Применение. Светодиоды используются в качестве источника излучения для управления фотоприемниками в оптронах, для индикации состояния электронных схем, для представления цифро-буквенной информации и пр.
2.2. Фотодиоды
Принцип действия. Фотодиоды (ФД) - полупроводниковые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте, использующие одностороннюю проводимость p-n-перехода, при освещении которого появляется ЭДС (фотогальванический режим) или при наличии питания изменяется обратный ток (фотодиодный режим).
Односторонняя проводимость (вентильный фотоэффект) возникает при освещении одной или обеих областей p-n-перехода. Рассмотрим режимы работы ФД. При работе ФД в фотогальваническом режиме в освещенной n-области образуются новые носители заряда- электроны и дырки (как показано на рисунке 3,а). они диффундируют к p-n-переходу, где неосновные носители- дырки- переходят в р-область (обратный ток неосновных носителей),а электроны, для которых диффузионное поле p-n-перехода будет запирающим, остаются в n-области.
 |
При подключении к контактам ФД нагрузки (на рисунке 3,б) и при отсутствии освещения через p-n-переход и нагрузочное сопротивление потечет темновой ток Iт . Освещение вызывает дополнительный фототок неосновных носителей Iф=SIФ.
Рисунок 3
Таким образом, ФД в фотогальваническом режиме непосредственно преобразует энергию света в электрическую энергию. В фотодиодном режиме к ФД прикладывают обратное напряжение (как показано на рисунке 3, в), и при отсутствии освещения через p-n-переход и сопротивление нагрузки потечет темновой ток Iт. При освещении же n-области через p-n-переход и сопротивление нагрузки потечет дополнительный дырочный фототок неосновных носителей Iф. Суммарный ток в цепи складывается из темнового тока и фототока неосновных носителей. ВАХ фотодиода показаны на рисунок 3,г. На них проведены нагрузочные прямые для фотогальванического (вентильного) режима: кз(RH= 0), хх(RH = ¥), произвольных нагрузок RH1, RH2. В режиме холостого хода при изменении светового потока Ф на зажимах «солнечной батареи» напряжение меняется (показано точками). В режиме короткого замыкания внутренним сопротивлением миллиамперметра при изменении Ф изменяется ток (указано крестиками). В фотодиодном режиме при фиксированном Е1 ток и падение напряжения ФД изменяется (показано черточками) при вариациях Ф (рисунок 3,г).
Фотогальванический режим не требует источника питания и обеспечивает существенно меньшие шумы, т.е. большую обнаружительную способность. ФД в фотогальваническом режиме обладают малым внутреннем сопротивлением. ФД в фотодиодном режиме обладают значительным внутренним сопротивлением.
Применение. Основное назначение фотодиодов- рабочие элементы приемных устройств, например систем контроля, дальномеров, оптической связи в видимой и инфракрасных областях, когда необходимо детектировать слабые оптические сигналы. Также фотодиоды могут использоваться как преобразователи солнечной энергии (солнечные батареи), а также в системах фотоэлектрической автоматики и в измерительной технике.
2.3. Оптроны
Оптрон состоит из прибора, излучающего фотоны, фотоприемника и оптически прозрачной среды, объединенных в одном корпусе. Источником фотонов может служить лампа накаливания, неоновая лампа или светодиод. Оптической средой может быть воздух, стекло, пластмасса или волоконно-оптический световод. В качестве фотоприемника используются фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, полевой фототранзистор, интегральная структура «фотодиод-усилитель». В зависимости от совокупности характеристик используемой оптронной пары – можно получить разнообразные входные, выходные и передаточные характеристики.
Принцип работы любого оптрона основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик. Электрический сигнал на излучатель может поступать как от внешнего источника, так и по цепи электрической связи от фотоприемника. Световой сигнал на фотоприемник может поступать также как извне, так и по цепи оптической связи от излучателя. Таким образом, и светоизлучатель и фотоприемник могут выступать в качестве элементов электрической и оптической цепей. Возможность реализации прямых и обратных, положительных и отрицательных связей между этими элементами по цепям обоих видов предопределяет ширину функциональных возможностей оптронов.
Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.
Излучатель
При разработке излучателя для оптрона основная трудность заключается в оптимизации его согласования с фотоприемником. К параметрам, подлежащим оптимизации, относятся коэффициент усиления, ширина полосы частот, размеры оптического окна, электрические характеристики. Наиболее распространенными электронными парами, применяемыми в оптронах, являются GaAs-светодиоды и фотоприемники на основе кремния, которые хорошо согласуются между собой по спектральным характеристикам.
Оптическая среда
При выборе оптической среды её изолирующие свойства играют определяющую роль. В качестве передающей среды могут быть использованы газовый промежуток (в том числе воздушный), различные иммерсионные, согласующиеся среды: полимерные органические оптические лаки и клеи, низкотемпературные халькогенидные стекла и, наконец, стекловолоконные линии: жесткие стержни и гибкие жгуты. Оптическая среда выбирается таким образом, чтобы она обеспечивала оптическое согласование обоих элементов и не вносила заметных потерь при передаче света.
Фотоприемник
Кремневые фотоприемники являются хорошими приемниками излучения, однако для получения сигналов требуемого уровня необходимо использовать дополнительные усилители. Повышать коэффициент усиления целесообразнее помещая усилительный элемент внутри корпуса оптрона.
Разновидности оптронов
Основным универсальным видом излучателя, используемым в оптронах, является светодиод, поэтому оптроны получают название от вида фотоприемника. Например, используемый в лабораторной работе диодный оптрон – оптрон, у которого излучателем является светодиод, а приемник выполнен на основе фотодиода.
Достоинства и недостатки оптронов
Достоинства этих приборов базируются на общем оптоэлектронном принципе использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации. Основные из них:
· возможность обеспечения идеальной электрической (гальванической) развязки между входом и выходом;
· однонаправленность распространения информации по оптическому каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излучатель;
· широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низких частот; возможность передачи по оптронной цепи как импульсного, так и постоянной составляющей;
· возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия на материал оптического канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков, а также разнообразных приборов для передачи информации,
Оптронам присущи и определенные недостатки:
· значительная потребляемая мощность, обусловленная необходимостью двойного преобразования энергии и невысокими КПД этих переходов;
· более или менее заметная временная деградация (ухудшение) параметров;
· повышенная чувствительность параметров и характеристик к воздействию повышенной температуры и проникающей ядерной радиации;
· относительно высокий уровень собственных шумов, обусловленный, как и два предыдущих недостатка, особенностями физики светодиодов;
· сложность реализации обратных связей, вызванная электрической разобщенностью входной и выходной цепей.
Параметры и характеристики
Система параметров оптопар формируется из четырех групп параметров и режимов:
1. Входные параметры (характеризуют входную цепь оптрона):
· Входной ток Iвх;
· Выходной ток Iвых;
· Выходная емкость Свх.
2. Выходные параметры (характеризуют выходную цепь оптрона):
· Максимальное допустимое обратное выходное напряжение Uвых. обр
· Максимальный допустимый выходной ток Iвых. макс
· Темновой ток на выходе Iт. вых.
· Выходная емкость Cвых.
3. Параметры передаточной характеристики (характеризуют степень воздействия излучателя на фотоприемник):
· Коэффициент передачи тока KI;
· Граничная частота fгр.
· Время нарастания (спада) tнар(сп),время задержки tзд;
4. Параметры гальванической развязки (показывают, насколько приближается оптрон к идеальному элементу развязки):
· Максимальное допустимое пиковое напряжение между входом и выходом Uразв.
· Максимальное допустимое напряжение между входом и выходом Uразв. макс.
· Сопротивление гальванической развязки Rразв.