CW3L.pdf

Politechnika Gdańska

Katedra Inżynierii Elektrycznej Transportu

Wydział Mechaniczny

Kierunek: MECHATRONIKA

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

Ćwiczenie 3

Elementy optoelektroniczne i ich zastosowania

Gdańsk, 2008

1. Cel ćwiczenia

• zapoznanie się z budową i charakterystyką fotorezystora,

• zapoznanie się z budową i właściwościami wybranych diod elektroluminescencyjnych

(LED);

• zapoznanie się z budową, zasadą działania oraz właściwościami statycznymi i

dynamicznymi wybranych transoptorów;

• zapoznanie się z zasadą działania łącza światłowodowego.

2. Wstęp

Elementy półprzewodnikowe, wykazujące wpływ padającego na nie promieniowania

świetlnego na ich charakterystykę napięciową-prądową, nazywamy elementami

fotoelektrycznymi lub optoelektronicznymi. Zmiana własności elektrycznych jest wynikiem

generacji swobodnych nośników prądu pod wpływem zaabsorbowanej energii fotonów. Do

podstawowych elementów fotoelektrycznych zaliczamy: fotorezystory, fotodiody,

fototranzystory. W innych elementach zachodzi proces odwrotny tzn. pod wpływem

dostarczonej energii elektrycznej do złącza pn (przepływ prądu) następuje rekombinacja par

elektron-dziura, a część wytworzonej przy tym energii oddawana jest w postaci

promieniowania świetlnego; element taki nazywamy diodą elektroluminescencyjną (diodą

świecącą) – popularnie określa się ją skrótem LED (ang. Light-Emitting Diode).

Umieszczenie blisko siebie w jednej obudowie diody LED jako fotonadajnika i

fotoodbiornika – z reguły fototranzystora lub fotodiody – daje w efekcie przyrząd zwany

transoptorem; służy on do transmisji sygnałów między dwoma obwodami elektrycznymi na

drodze optycznej, a więc z zachowaniem izolacji galwanicznej między tymi obwodami.

Jeżeli dla zmniejszenia strat strumienia światła między fotonadajnikiem i

fotoodbiornikiem zastosujemy światłowód, uzyskujemy tzw. łącze światłowodowe. Pozwala

to przesyłać sygnał na drodze optycznej na znaczne odległości. Jest to wykorzystywane w

sieciach komputerowych, w tym również do cyfrowej transmisji sygnałów telefonicznych i

wizyjnych, ale także do sterowania elementami półprzewodnikowymi w przekształtnikach

energoelektronicznych pracujących przy wysokim poziomie napięcia rzędu kilowoltów. Długi

odcinek światłowodu zapewnia niezbędną ze względów bezpieczeństwa przerwę izolacyjną

między obwodem mocy o obwodem sterowania, a ponadto nie jest podatny na zakłócenia

elektromagnetyczne generowane w obwodzie mocy.

Cechą charakterystyczną fotorezystora jest zmiana rezystancji pod wpływem

oświetlenia, zależność można opisać wzorem:

−

(1)

gdzie: R – rezystancja, E – natężenie oświetlenia, C – współczynnik zależny od typu

fotorezystora (0,5< C <1). Jak wynika z (1) ze wzrostem natężenia oświetlenia rezystancja

fotorezystora maleje. Typowe katalogowe parametry fotorezystorów to: napięcie

maksymalne, moc maksymalna, czułość (zmiana R przy jednostkowej zmianie E wyrażona w

Ω/lx), rezystancja ciemna (przy braku oświetlenia) i jasna, stała czasowa (czas ustalania się

rezystancji po skokowej zmianie oświetlenia – typowo: ułamek sekundy).

W fotodiodzie pod wpływem padającego światła następuje generacja par swobodnych

nośników – dziur i elektronów – w obydwu obszarach złącza pn. Stosunkowo niewielka

koncentracja dodatkowo wytworzonych nośników nawet przy silnym oświetleniu praktycznie

nie zmienia całkowitej koncentracji nośników większościowych w danym obszarze

(elektronów po stronie n i dziur po stronie p), gdyż ich koncentracja pierwotna jest bardzo

duża. Dlatego charakterystyka napięciowo-prądowa fotodiody ma w kierunku przewodzenia

przebieg zbliżony do charakterystyk zwykłych diod półprzewodnikowych (I ćwiartka układu

współrzędnych). Zmienia się natomiast w znacznym stopniu koncentracja nośników

mniejszościowych, które odpowiadają za prąd wsteczny. Prąd przy polaryzacji diody w

kierunku zaporowym rośnie w przybliżeniu wprost proporcjonalnie do natężenia oświetlenia

(III ćwiartka układu współrzędnych); jest to podstawowy obszar pracy w większości

zastosowań fotodiody. Dla punktów pracy leżących w IV ćwiartce układu współrzędnych

element ten staje się fotoogniwem (na tej zasadzie działa bateria słoneczna) – pod wpływem

oświetlenia na jej zaciskach pojawia się napięcie, zaś po dołączeniu obciążenia płynie prąd

zgodny z kierunkiem napięcia tzn. fotodioda wytwarza energię elektryczną. Przykładowe

charakterystyki fotodiody przedstawiono na rys. 1. Typowe katalogowe parametry fotodiod

to: maksymalne napięcie wsteczne, prąd fotoelektryczny (wsteczny) przy E = 1000 lx, moc

maksymalna, czułość (zmiana prądu przy jednostkowej zmianie E wyrażona w A/lx), zakres

długości fali promieniowania, na który dioda reaguje i długość fali dla maksymalnej czułości.

I A

U AK

E 3 >E 2 >E 1 >E 0

E 0

E 1

E 2

E 3

U AK

Rys. 1. Rodzina charakterystyk fotodiody; E - natężenie oświetlenia

Fototranzystor jest rodzajem tranzystora, w którym jedno złącze kolektor-baza jest

fotodiodą. Dzięki temu pod wpływem oświetlenia pojawia się prąd bazy, co – dzięki efektowi

tranzystorowemu – wywołuje przepływ znacznie większego prądu kolektora, zależnego od

natężenia oświetlenia. Na rys. 2 przedstawiono charakterystyki wyjściowe fototranzystora –

jak widać rolę prądu bazy przejmuje tu natężenie oświetlenia. Czas narastania prądu w

fototranzystorze pod wpływem oświetlenia jest znacznie większy niż w fotodiodzie – jest to

element o mniejszej szybkości reakcji, wartości prądu są znacznie większe.

I C

E 3 >E 2 >E 1 >E 0

U CE

E 3

E 2

E 1

E 0

U CE

Rys. 2. Rodzina charakterystyk wyjściowych fototranzystora; E - natężenie oświetlenia

Niekiedy fototranzystor ma wyprowadzoną bazę, co pozwala sterować prądem

kolektora także elektrycznie – jak w zwykłym tranzystorze. Typowe katalogowe parametry

fototranzystorów to: maksymalne napięcie kolektor-emiter, maksymalny prąd kolektora, moc

maksymalna, czułość (zmiana prądu kolektora przy jednostkowej zmianie E wyrażona w

A/lx), prąd ciemny, prąd fotoelektryczny (przy E = 1000 lx), charakterystyka widmowa, czas

narastania i opadania dla sygnału wejściowego impulsowego.

Dioda świecąca (LED) przy przepływie prądu w kierunku przewodzenia emituje

energię w postaci ciepła oraz – w części – w postaci promieniowania elektromagnetycznego

(światło) o długości fali w zakresie widzialnym lub w podczerwieni – od ok. 460 nm do 950

nm. Barwa zależy głównie od użytych materiałów. Spadek napięcia przy przewodzeniu diody

LED jest z reguły znacznie większy niż dla diod prostowniczych lub przełączających –

typowo mieści się w przedziale od 1,2 V do 4 V. Diody te mają bardzo niskie napięcie

przebicia przy polaryzacji w kierunku zaporowym – rzędu kilku woltów. Cechuje je ponadto

duża szybkość działania – czas opóźnienia impulsu świetlnego względem impulsu prądowego

jest rzędu od piko- do nanosekund. Typowe katalogowe parametry diod LED to: maksymalny

i nominalny prąd przewodzenia, maksymalne napięcie wsteczne, napięcie w kierunku

przewodzenia, długość fali promieniowania, jasność wyrażona w cd, dla diod o

ukierunkowanej wiązce promieniowania – także jej kąt bryłowy.

Transoptor to zespół diody LED i fotodiody lub fototranzystora, dobranych pod kątem

tej samej długości fali emitowanego i odbieranego promieniowania, umieszczonych w jednej

wspólnej obudowie – najczęściej mającej postać układu scalonego. Z reguły obydwa

elementy są zasilane z różnych źródeł i występują w różnych, nie połączonych galwanicznie

obwodach. Pozwalają zatem przekazywać sygnał (pomiarowy, sterujący, dane w linii

przesyłowej) między dwoma układami pracującymi przy różnym poziomie potencjału oraz

zasilanych innym napięciem. Dane techniczne transoptora obejmują parametry obydwu

zastosowanych w nim elementów (nie podaje się z reguły długości fali gdyż elementy muszą

być dobrane zgodnie pod tym względem), dochodzi natomiast przekładnia prądowa (CTR –

ang. Current Transfer Ratio) – stosunek prądu wyjściowego do wejściowego oraz napięcie

izolacji między wejściem i wyjściem. Dla zwiększenia przekładni prądowej po stronie

wyjścia stosuje się niekiedy tranzystor w układzie Darlington, zaś w transoptorach

dedykowanych do pracy w układach cyfrowych – bramkę logiczną. Najczęściej spotykane

konfiguracje przedstawiono na rys. 3.

I w y

+U z

I w e

I w y

I w e

I w y

I w e

I we

I w y

GND

Rys. 3. Typowe struktury transoptorów diodą LED na wejściu i z układem wyjściowym

zawierającym: a) fotodiodę, b) fototranzystor (opcjonalnie z wyprowadzoną bazą), c)

fototranzystor w układzie Darlington, d) fotodiodę i bramkę logiczną (wyjście cyfrowe)

Łącze światłowodowe ma strukturę podobną do transoptora, przy czym fotonadajnik i

fotoodbiornik są oddzielnymi układami znajdującymi się w dużej odległości od siebie, a

przesyłanie sygnałów świetlnych odbywa się przez światłowód, pełniący rolę prowadnicy

światła. Nadajnik i odbiornik mają specjalne otwory, umożliwiające wprowadzenie i szczelne

zamocowanie specjalnej zatrzaskowej końcówki światłowodu. Światłowody wykonane są ze

specjalnych tworzyw sztucznych lub szkła kwarcowego odpowiednio domieszkowanego; te

drugie umożliwiają przesyłanie sygnałów optycznych na odległości rzędu 100 km.

3. Przebieg ćwiczenia

Schemat ideowy układu laboratoryjnego przedstawiono na rys. 7 na końcu instrukcji.

W zestawie znajdują się: łącze światłowodowe (nadajnik HFBR-1521, odbiornik HFBR-2521,

odcinek światło-wodu z odpowiednimi zakończeniami), cztery transoptory o różnych

parametrach (6N137, 4N25, 4N32, PC817), cztery diody LED o różnych wymiarach, barwach

emitowanego światła i jasnościach, fotorezystor. Do wyboru elementu badanego służą zworki,

które należy umieścić w odpowiednim miejscu w polach łączeniowych JP1 (wybór jednego z

10-ciu elementów od strony wejścia) i JP2 (wybór odbiornika światłowodu lub jednego z

czterech transpotorów od strony wyjścia). Dodatkowo, ze względu na inne parametry

prądowe układu nadajnika i odbiornika światłowodu, występują pojedyncze pola łączeniowe

JP3 i JP4. Jeżeli badane jest łącze światłowodowe, należy umieścić zworkę w polu JP3 (piny

zwarte), usuwając ją z pola JP4 (piny rozwarte). Równocześnie należy zewrzeć zworkami

pierwszą parę pinów w polu JP1 oraz JP2. W przypadku badania wszystkich pozostałych

elementów zworkę z pola JP3 należy usunąć, umieszczając ją w polu JP4, natomiast w polach

JP1 i JP2 ustawić zworki w tym samym położeniu dla badania transoptora (np. zwarta druga

para pinów od góry w obydwu polach), zaś dla badania diody LED lub fotorezystora zworkę

umieścić tylko w polu JP1 w jednej z pozycji od 6 do 10 od góry. Na schemacie na rys. 7

przedstawiono przykładowo ustawienie zworek dla badania transoptora typu 4N25. Dla

przeprowadzenia badań do układu należy doprowadzić zasilanie dla obydwu obwodów

(wejściowego „inp” i wyjściowego „out”) korzystając z zasilaczy o napięciu +5V.

Umieszczony w obwodzie potencjometr P pozwala na zmiany wartości prądu badanego

elementu (dla transoptorów i łącza światłowodowego dotyczy to tylko strony wejściowej tzn.

diody LED).

Badanie diod elektroluminescencyjnych LED i fotorezystora należy przeprowadzić w

układzie przedstawionym na rys. 4.

Układ

laboratoryjny

+5V (inp)

Zasilacz

+5V

V (inp)

GND (inp)

Rys. 4. Obwód do badania charakterystyk statycznych diod LED i fotorezystora

Zmieniając ustawienie potencjometru P (w całym zakresie zmian rezystancji) należy

mierzyć prąd i napięcie badanego elementu. Dla diod zaobserwować, przy jakiej wartości

prądu dioda LED zaczyna w zauważalnym stopniu emitować promieniowanie, zmierzyć

napięcie na diodzie przy przewodzeniu. Dla fotorezystora ustawić potencjometr w skrajnym

położeniu, przy którym prąd osiąga największą wartość. Zmierzyć prąd i napięcie w stanie

ciemnym (zasłonić fotorezystor palcem), przy oświetleniu naturalnym oraz przy oświetleniu

skupionym (latarką); obliczyć rezystancję dla tych przypadków.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: