CW3L.pdf

(249 KB) Pobierz
Politechnika Gdańska
Katedra Inżynierii Elektrycznej Transportu
Wydział Mechaniczny
Kierunek: MECHATRONIKA
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
Ćwiczenie 3
Elementy optoelektroniczne i ich zastosowania
Gdańsk, 2008
817175955.045.png 817175955.046.png 817175955.047.png 817175955.048.png 817175955.001.png
 
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:
−
C
R
~
E
(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
2
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
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
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
3
817175955.002.png 817175955.003.png 817175955.004.png 817175955.005.png 817175955.006.png 817175955.007.png 817175955.008.png 817175955.009.png 817175955.010.png 817175955.011.png 817175955.012.png 817175955.013.png
 
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.
a)
b)
c)
d)
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
4
817175955.014.png 817175955.015.png 817175955.016.png 817175955.017.png 817175955.018.png 817175955.019.png 817175955.020.png 817175955.021.png 817175955.022.png 817175955.023.png 817175955.024.png 817175955.025.png 817175955.026.png 817175955.027.png 817175955.028.png 817175955.029.png 817175955.030.png 817175955.031.png 817175955.032.png 817175955.033.png 817175955.034.png 817175955.035.png 817175955.036.png 817175955.037.png 817175955.038.png 817175955.039.png 817175955.040.png
 
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
mA
+
+5V (inp)
P
Zasilacz
+5V
V (inp)
V
-
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.
5
817175955.041.png 817175955.042.png 817175955.043.png 817175955.044.png
Zgłoś jeśli naruszono regulamin