ОПТОЭЛЕКТРОНИКА И ИНДИКАТОРНАЯ ТЕХНИКАvenec.ulstu.ru/lib/disk/2016/215.pdf · 2016. 12. 9. · в том, что при падении света

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

И ИНДИКАТОРНАЯ ТЕХНИКА

Лабораторный практикум

для студентов, обучающихся по направлению

11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств»

3-е издание, переработанное и дополненное

Составитель М. К. Самохвалов

Ульяновск

УлГТУ

2016

2

УДК 621.2.473(076)

ББК 32.86я7

О-62

Рецензент В.А. Сергеев, д-р техн. наук, профессор, директор Ульяновского отде-ления Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН

Рекомендовано научно-методической комиссией радиотехнического

факультета в качестве лабораторного практикума

Оптоэлектроника и индикаторная техника : лабораторный

практикум для студентов, обучающихся по направлению 11.03.03 /

сост. М. К. Самохвалов. – 3-е изд., перераб. и доп. –- Ульяновск :

УлГТУ, 2016. – 43 с.

Лабораторный практикум составлен в соответствии с учебными про-

граммами дисциплин «Оптоэлектроника» и «Индикаторная техника». В практикуме приведены правила выполнения лабораторных работ и указа-ния мер по технике безопасности. В описании лабораторных работ указаны цель работы, общие сведения и методика исследований, порядок проведе-ния измерений и расчетов, содержание отчета и контрольные вопросы для самостоятельной работы студентов. Практикум содержит 6 лабораторных работ, в которых изучаются оптические параметры материалов, характери-стики источников и приемников излучения, индикаторов и оптронов.

Подготовлен на кафедре «Проектирование и технология электронных средств» с учетом требований образовательных модулей подготовки высо-коквалифицированных бакалавров в области разработки радиоэлектронных средств специального назначения для предприятия ОПК АО «Ульяновский механический завод»и в области разработки и производства сложных инте-гральных СВЧ устройств для предприятия ОПК АО «НПП «Завод Искра».

УДК 621.2.473 (076)

ББК 32.86я7

Самохвалов М. К., 2007 Самохвалов М. К., 2016, с изм.

Оформление. УлГТУ, 2016

О-62

3

СОДЕРЖАНИЕ

Введение . . . . . . . . . .. 4

Правила выполнения работ и техники безопасности . . .. 5

Лабораторная работа №1. «Исследование прохождения света

в различных средах» . . . . . . . .. 9

Лабораторная работа №2. «Исследование характеристик

фотоприемников» . . . . . . . .. 16


светоизлучающих диодов» . . . . . . . . 22


электролюминесцентных излучателей» . . . . . 27


оптронов» . . . . . . . . . . 32

Лабораторная работа №6. «Исследование характеристик солнечных

фотопреобразователей» . . . . . . . 37

4

ВВЕДЕНИЕ

Оптоэлектроника – направление электроники, охватывающее

вопросы оптических и электрических методов обработки, хранения

и передачи информации. Это направление возникло как этап развития

радиоэлектроники и вычислительной техники, тенденцией которых

является непрерывное усложнение систем при возрастании их ин-

формационных и технико-экономических показателей (увеличение

надежности, быстродействия, информационной емкости, уменьшение

размеров и веса и др.). Оптоэлектроника отличается наличием в цепи

сигнала оптического звена или оптической (фотонной) связи. Досто-

инства оптоэлектроники определяются в первую очередь преимуще-

ствами оптической связи по сравнению с электрической, а также теми

возможностями, которые открываются в результате использования

разнообразных физических явлений, обусловленных взаимодействием

световых полей с веществом.

В соответствии с местом дисциплин «Оптоэлектроника» и «Ин-

дикаторная техника» в учебном плане бакалавров по направлению

11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств» цель

лабораторных занятий заключается в изучении студентами физиче-

ских процессов преобразования электрических и оптических сигна-

лов, элементов и устройств, использующих эти преобразования, их

конструкции, свойств и параметров, назначение и области примене-

ния. Лабораторный практикум включает описание лабораторных ра-

бот по следующим разделам учебной программы: «Источники излу-

чения», «Приемники излучения», «Индикаторы», «Оптроны». При

выполнении работ изучаются физические эффекты и явления, исполь-

зуемые в оптоэлектронных приборах, свойства используемых мате-

риалов, конструкции устройств, их основные параметры и характери-

стики, особенности применения в электронных средствах.

5

ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ

И ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

Общие указания

1. При подготовке к работе ознакомиться с описанием лабора-

торной работы и установки (стенда), составить необходимые функ-

циональные и принципиальные схемы, выяснить назначение отдель-

ных элементов стенда и порядок включения, выполнить предусмот-

ренные описанием предварительные расчеты, ознакомиться с прибо-

рами, необходимыми для выполнения работы.

2. Перед выполнением работы каждый студент обязан предоста-

вить преподавателю заготовленную форму отчета, содержащего не-

обходимые расчеты, таблицы, функциональные и принципиальные

схемы, выполненные в соответствии со стандартами ЕСКД.

3. Выполнению работы предшествуют проверка готовности сту-

дента к работе. Проверка производится преподавателем в начале каж-

дого занятия в следующем порядке:

а) студент предъявляет все материалы, согласно п. 2;

б) если предъявленные материалы найдены удовлетворительны-

ми, студент получает вопросы по теме предстоящей работы;

в) при удовлетворительных ответах студент допускается к вы-

полнению работы.

4. Студенты, допущенные к выполнению работы, проделывают ее

в соответствии с описанием. Работа считается законченной после ут-

верждения полученных результатов преподавателем.

5. По окончании работы студент должен выключить все источни-

ки питания и приборы, отключить их от сети, разобрать схемы иссле-

дований на стенде и привести рабочее место в порядок.

6

6. Отчет по работе оформляется по установленному образцу.

Студент получает зачет по работе после представления оформленного

отчета и объяснения полученных результатов. Студент, не сдавший

отчета по проделанной работе, к последующей работе не допускается.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Описание явления и прибора, исследуемого в данной работе

(основные свойства, параметры, характеристики, применения).

2. Схема измерительной установки.

3. Краткое изложение сущности метода измерений.

4. Результаты измерений и вычислений в виде таблиц и графиков,

а также формулы с примерами расчетов.

5. Выводы по работе и критическая оценка полученных результа-

тов, исходя из сопоставления их со справочными данными и лекци-

онным материалом.

Библиографический список

1. Самохвалов, М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники :

учебное пособие / М. К. Самохвалов. – Ульяновск ; УлГТУ, 2015. –

223 с.

2. Игнатов, А. Н. Оптоэлектроника и нанофотоника : учебное по-

собие / А. Н. Игнатов. – Санкт-Петербург [и др.] : Лань, 2011. – 538 с.

3. Бугров, В. Е. Оптоэлектроника светодиодов : учебное пособие /

В. Е. Бугров, К. А. Виноградова. – Санкт-Петербург : НИУ ИТМО,

2013. – 174 с.

4. Ермаков, О. Н. Оптоэлектроника. Часть 1. Физические основы

полупроводниковой оптоэлектроники. Когерентная оптоэлектроника /

7

О. Н. Ермаков, А. Н. Пихтин, Ю. Ю. Протасов, С. А. Тарасов. – Моск-

ва : Янус-К, 2011. – 695 с.

5. Ермаков, О. Н. Оптоэлектроника. Часть 2. Оптроника / О. Н. Ер-

маков, А. Н. Пихтин, Ю. Ю. Протасов, С. А. Тарасов. – Москва :

Янус-К, 2011. – 616 с.

6. Игнатов, А.Н. Оптоэлектронные приборы и устройства : учеб-

ное пособие / А. Н. Игнатов – Москва : Эко-Трендз, 2006. – 269 с.

7. Максимова, О. В. Разработка методов анализа и синтеза тонко-

пленочных электролюминесцентных элементов в индикаторных уст-

ройствах / О. В. Максимова, М. К. Самохвалов. – Ульяновск : УлГТУ,

2010.– 100 с.

8. Юшин, А. М. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные ана-

логи: В 5 т. (Справочник). – Т. 5. Каталог / А. М. Юшин. – Москва :

РадиоСофт, 2005. – 511 с.

ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Несчастные случаи во время проведения лабораторных работ мо-

гут происходить чаще всего из-за несоблюдения правил техники

безопасности. Необходимо иметь в виду, что неаккуратность, невни-

мательность, незнание аппаратуры, спешка и недостаточная подго-

товка к работе могут повлечь за собой несчастный случай. От студен-

тов, работающих в лаборатории, требуется не нарушать самим и ос-

танавливать всех лиц, не выполняющих правила техники безопасно-

сти. Студенты, не выполняющие правила техники безопасности или

допустившие их нарушение, отстраняются от выполнения работ

и привлекаются к ответственности. Перед выполнением лабораторной

работы в целях исключения несчастных случаев, а также поломки

оборудования, каждый студент должен подробно ознакомиться с пра-

вилами техники безопасности.

8

ЗАПРЕЩАЕТСЯ:

- приступать к выполнению лабораторной работы без ознакомления с

правилами по техники безопасности;

- включать установки без разрешения учебного мастера;

- касаться нагретых частей лабораторной установки.

СТУДЕНТ ОБЯЗАН:

- знать места расположения и размещения средств огнетушения

и правила пользования ими;

- быть внимательным и аккуратным во время выполнения работы;

- не вмешиваться в работу студентов, выполняющих другую работу.

ПРАВИЛА ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ

С ЛАБОРАТОРНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ

Перед началом работы:

- подготовить рабочее место для безопасной работы, убрать все лиш-

ние предметы с лабораторной установки;

- проверить целостность заземления установки и надежность контакта

заземления.

После выполнения работы:

- по окончании работы или при длительном перерыве выключить ус-

тановку полностью;

- сдать свое рабочее место чистым и в полном порядке;

- сообщить преподавателю или учебному мастеру обо всех ненор-

мальностях во время работы установки.

ПРАВИЛА ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ:

- не производить ремонт установки и ее блоков;

- не открывать защитных стенок установки, не прикасаться к клеммам

и проводам;

- не производить замену плавких вставок и предохранителей;

- знать места расположения автоматов общего отключения и при не-

обходимости отключить напряжение.

9

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ СВЕТА

В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

Цель работы: Изучение пропускания оптического излучения различ-

ными материалами и причин потерь в объеме вещества и на границах раз-

дела сред.

Общие сведения

Пропусканием в оптике называют прохождение сквозь среду оптиче-

ского излучения без изменения набора частот составляющих его монохро-

матических компонентов. Различают: направленное пропускание, при ко-

тором рассеяние и поглощение света в среде отсутствует (пренебрежимо

мало); диффузное пропускание, при котором определяющим фактором яв-

ляется рассеяние, а преломление в среде и направленное пропускание не

играют заметной роли; смешанное пропускание – частично направленное

и частично диффузное. Особый вид диффузного пропускания – равномер-

но-диффузное, при котором пространственное распределение рассеянного

излучения таково, что яркость одинакова по всем направлениям.

Коэффициент пропускания среды T есть отношение потока излуче-

ния , прошедшего через среду, к потоку Ф0, падающему на ее поверх-

ность: Т = Ф/Ф0. Значение коэффициента пропускания объекта зависит как

от его размера, формы и состояния поверхности, так и от угла падения,

спектрального состава и поляризации излучения.

Прозрачностью среды называют отношение светового потока, про-

шедшего среду без изменения направления, к потоку, вошедшему в эту

среду в виде параллельного пучка. Высокой прозрачностью обладают сре-

10

ды со значительным и в основном направленным пропусканием оптиче-

ского излучения. В диапазоне видимого света сквозь тела из таких сред

при подходящих их геометрических формах предметы видны отчетливо.

Прозрачность отличают от пропускания вообще, так как среда может быть

непрозрачна, но в то же время пропускать рассеянный свет (например,

тонкие листы бумаги). Соответственно прозрачность связана только с ко-

эффициентом направленного (но не диффузного) пропускания. В слое

толщиной 1 см прозрачность оптического кварца около 0,999; оптического

стекла ~ 0,99 – 0,995. Причины, препятствующие прохождению света

сквозь среду, обусловлены взаимодействием оптического излучения с ве-

ществом, происходящим чаще всего без изменения длины волны излуче-

ния: поглощением, рассеянием и отражением света.

Отражение света представляет собой явление, заключающееся

в том, что при падении света из одной среды на границу ее раздела со вто-

рой средой взаимодействие света с веществом приводит к появлению све-

товой волны, распространяющейся от границы раздела обратно в первую

среду. Несамосветящиеся тела становятся видимыми вследствие отраже-

ния света от их поверхностей. Для зеркального отражения интенсивность

отраженного света зависит от угла падения и поляризации падающего пуч-

ка лучей и соотношения показателей преломления сред.

Рассеянием света называют изменение характеристик потока опти-

ческого излучения при его взаимодействии с веществом. Этими характери-

стиками могут быть пространственное распределение интенсивности, час-

тотный спектр, поляризация света. Часто рассеянием света называют толь-

ко обусловленное пространственной неоднородностью среды изменение

свечения среды. Вследствие обилия и разнообразия факторов, определяю-

щих рассеяние света (рассеяние Рэлея и Ми, молекулярное, комбинацион-

ное, томсоновское, вынужденное рассеяние, резонансная флуоресценция,

11

опалесценция и др.) весьма трудно развить одновременно единый и де-

тальный способ его описания для различных случаев. Поэтому обычно

рассматривают идеализированные ситуации с различной степенью адек-

ватностью самому явлению.

Поглощение света – уменьшение интенсивности оптического излуче-

ния, прошедшего через среду, за счет процессов его взаимодействия с веще-

ством. Световая энергия при поглощении света переходит в различные фор-

мы внутренней энергии сред; она может быть также частично переизлучена

средой на частотах, отличных от частот поглощенного излучения.

Оптические среды, пропускающие оптическое излучение, являются

необходимым элементом практически всех оптоэлектронных устройств,

в том числе и отдельных источников и приемников излучения. Поэтому

измерение коэффициентов пропускания и их спектральных зависимостей

является одной из важнейших задач при выборе материалов и конструкций

приборов. Особенно важное значение исследования пропускания света

имеют при разработках светофильтров, волоконно-оптических линий, оп-

тических транспарантов и др.

Методика выполнения работы

Спектрофотометр СФ-26 рассчитан для измерения коэффициента

пропускания исследуемого образца T , равного отношению интенсивности

потока излучения I , прошедшего через измеряемый образец, к интенсив-

ности потока излучения 0I , падающего на измеряемый образец или про-

шедшего через контрольный образец, коэффициент пропускания которого

принимается за единицу и выражается формулой

Т = ( I / I0) 100%.

Измерение производится по методу электрической автокомпенсации.

12

В монохроматический поток излучения поочередно вводятся контрольный

и измеряемый образцы. При введении контрольного образца стрелка изме-

рительного прибора устанавливается на делении «100» регулировкой ши-

рины щели, и значение установившегося при этом светового потока при-

нимают за 100% пропускания. При введении в поток излучения измеряе-

мого образца стрелка измерительного прибора отклоняется пропорцио-

нально изменению потока, величина коэффициента пропускания отсчиты-

вается по шкале в процентах.

Рис. 1. Спектрофотометр СФ-26:

1 – переключение положения шторки; 2 – диапазон излучения; 3 – установка

длины волны излучения; 4 – установка множителя шкалы измерений; 5 – перемещение

образца; 6 – компенсация показаний шкалы; 7 – установка ширины щели

Порядок выполнения работы

1. Подготовка к работе.

1.1. Установите в рабочее положение фотоэлемент и источник излу-

чения, соответствующие выбранному спектральному диапазону.

1.2. Закройте фотоэлемент, поставив рукоятку (см. рис. 1) шторки

в положение ЗАКР.

13

1.3. Включите тумблер СЕТЬ, после чего должны загореться сигналь-

ная лампа Д или Н в соответствии с выбранным источником излучения.

1.4. Стабильная работа спектрофотометра обеспечивается через 0,2 – 1

час после включения.

1.5. Для включения после лампы накаливания дейтериевой лампы пе-

реключите конденсатор рукояткой 2 (см. рис. 1); после минутного прогре-

ва лампа автоматически загорается, одновременно загорается и соответст-

вующая индикаторная лампа на передней панели.

1.6. Выключение спектрофотометра производите тумблером СЕТЬ.

1.7. Получить у преподавателя задание по работе: исследуемый обра-

зец и диапазон длин волн.

2. Подготовка к измерению.

(Внимание: Измерение коэффициентов пропускания производится

при плотно закрытой крышке кюветного отделения!)

2.1. Установите рукоятку КОМПЕНСАЦИЯ в положение «0».

2.2. Установите требуемую длину волны, вращая рукоятку 3 в сторону

увеличения длин волн. Если при этом шкала повернется на большую вели-

чину, то возвратите ее назад на 3-5 нм и снова подведите к требуемому де-

лению.

2.3. Установите рукоятку ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ в положение «1»

(рабочее положение). Если поток излучения недостаточен и измеряемый

и контрольный образцы значительно поглощают излучение, установите

рукоятку в положение «2», «3» или «4». При работе в положениях КА-

ЛИБР и «x0,01» рукоятки 4 рукоятку ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ установите

также в одно из положений «2», «3», «4».

14

3. Измерение коэффициента пропускания.

3.1. Установите на пути потока излучения контрольный образец, пе-

ремещая каретку рукояткой 5. При отсутствии контрольного образца за

100% пропускания принимается значение светового потока, проходящего

через свободное окно держателя фильтров.

3.2. Установите рукоятку 6 в положение «x1».

3.3. Установите рукояткой НУЛЬ стрелку прибора на ноль.

3.4. Откройте фотоэлемент, установив рукоятку 1 шторки в положе-

ние ОТКР.

3.5. Установите стрелку измерительного прибора на деление «100»,

вращая рукоятку 7 механизма изменения ширины щели.

3.6. Установите в рабочее положение измеряемый образец, перемещая

каретку рукояткой 7, и снимите отсчет по шкале пропускания Т.

3.7. Выделите из потока излучения измеряемый образец и введите

контрольный образец, при этом стрелка измерительного прибора должна

вернуться на деление «100».

3.8. Повторить измерения для других заданных длин волн. Результаты

измерений занести в таблицу )T,( .

4. Учет потерь на отражение от поверхности исследуемого образца.

4.1. Если при измерении коэффициента пропускания материала об-

разца необходимо учитывать потери на отражение от обеих его поверхно-

стей или от поверхностей кюветы, то это делают по формуле

2r1

TT

,

где T – коэффициент пропускания исследуемого образца для данной дли-

ны волны, измеренной на спектрофотометре; r – коэффициент отражения

поверхности образца или кюветы при перпендикулярном падении света.

15

Значение r определяется по формуле Френеля

2

1n

1nr

,

где n – показатель преломления материала образца для 9,589 нм ( Dn ).

4.2. Если требуется более высокая точность измерений пропускания

вещества в кювете, то следует учитывать разность пропускания кювет.

5. Оформление результатов измерений

5.1. Результаты измерений коэффициента пропускания оформить

в виде таблицы, в которой каждому значению длины волны излучения со-

ответствует полученное значение коэффициента пропускания.

5.2. При необходимости произвести учет потерь на отражение и до-

полнить таблицу измерений рассчитанными значениями коэффициента

пропускания с учетом потерь на отражение.

5.3. Построить графики зависимости коэффициента пропускания от

длины волны в заданном диапазоне для исследованного образца без учета

и с учетом потерь на отражение.

Вопросы для самостоятельной работы

1. Направленное и диффузное пропускание света веществом.

2. Поглощение света в веществе. Закон Бугера–Ламберта. Влияние аг-

регатного состояния вещества на коэффициент поглощения.

3. Рассеяние света в веществе. Мутные среды. Виды рассеяния. Рэле-

евское и молекулярное рассеяние.

4. Отражение света от границы прозрачных диэлектриков. Формулы

Френеля, полное внутреннее отражение.

5. Привести примеры пассивных и активных оптических сред, приме-

няемых в оптоэлектронных устройствах.

16


ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК

ФОТОПРИЕМНИКОВ

Цель работы: Изучение воздействия оптического излучения и пара-

метров приборов для обнаружения и регистрации излучения.


Фотоприемник, или более широко – приемник оптического излуче-

ния, представляет собой прибор, в котором под действием оптического из-

лучения происходят изменения, позволяющие обнаружить это излучение

и измерить его характеристики.

Энергию электромагнитного излучения, облучающего приемный эле-

мент, можно разделить на отраженную, поглощенную и проходящую через

материал. Для фотоприемников, преобразующих энергию электромагнит-

ного излучения в электрическую, желательно, чтобы в объеме материала

поглощалась возможно большая часть падающего излучения. Наиболее

распространенными являются фотоприемники на основе полупроводнико-

вых материалов.

Поглощаемые полупроводником кванты излучения освобождают но-

сители заряда любого из атомов решетки либо из атомов примеси. Если

энергия, которую фотон сообщает электрону, достаточна для того, чтобы

электрон покинул пределы вещества, мы имеем дело с внешним фотоэф-

фектом. Если в результате взаимодействия фотона с атомом освобожда-

ются носители заряда, перемещающиеся в электрическом поле, мы имеем

дело с внутренним фотоэффектом. В полупроводниках внутренний фо-

17

тоэффект проявляется в виде увеличения их удельной проводимости во

время облучения (фотопроводимости).

Фотоприемники с внутренним фотоэффектом чувствительны в любой

области спектра, они могут иметь и селективную спектральную характери-

стику. Такие фотоприемники, используемые в некогерентных оптоэлек-

тронных системах прямого детектирования, получили широкое распро-

странение благодаря их универсальности, простоте реализации, схемной

минимизации, возможности микроминиатюризации и интеграции, что по-

зволяет также создавать на их основе многоэлементные матричные или

мозаичные структуры. Технология их типична для технологии полупро-

водниковых приборов и интегральных схем.

Основные этапы оптоэлектронного преобразования включают в себя

следующие эффекты: поглощение энергии излучения, генерация носителей,

внутреннее усиление и формирование выходного сигнала. Последний опре-

деляет условия согласования фотоприемника с нагрузкой, включая входные

цепи усилителей для случая внешнего усиления сигнала фотоответа.

Внутренний фотоэффект позволяет создавать фотоприемники с боль-

шим внутренним усилением фототока (фоторезисторы, лавинные фото-

диоды), реализовывать большое быстродействие (pin-диоды, диоды Шотт-

ки), сопрягать с фотодетектором усилительные и ключевые элементы (фо-

тотранзисторы, фототиристоры и др.).

К фотоприемникам как преобразователям оптических сигналов в оп-

тоэлектронике предъявляют следующие требования:

1. Спектральное распределение фоточувствительности, соответст-

вующее спектральной характеристике источника излучения.

2. Высокая фоточувствительность, определяющая минимальный уро-

вень входного сигнала при заданном уровне выходного.

18

3. Низкий уровень шумов в заданной полосе частот и заданном коэф-

фициенте усиления, что определяет низкий порог чувствительности и вы-

сокую обнаружительную способность.

4. Заданные электрические параметры: сопротивление, емкость, на-

пряжение и ток, определяющие согласование фотоприемника с нагрузкой.

5. Широкая полоса пропускания и большой динамический диапазон

по оптическому входу и по электрическому выходу, что обуславливает

большое быстродействие и возможности аналогового преобразования.


Фотоприемник как преобразователь энергии излучения является важ-

нейшим элементом любого оптоэлектронного изделия. Именно он осуще-

ствляет связь между оптической и электрической частями прибора. Фото-

приемник выбирают исходя из требований ко всему оптоэлектронному из-

делию, т. е. в основе конструирования оптопары, оптоэлектронной микро-

схемы лежит выбор приемника излучения. Поэтому система его парамет-

ров должна строиться на принципах фотоэлектрического преобразования

и обеспечивать наилучшее согласование в технологическом цикле излуча-

теля и фотоприемника, а также достижение заданных параметров изделия

в целом.

Свойства приемников излучения наиболее полно могут быть описаны

системой характеристик, выражающих зависимость величины сигнала на

выходе фотоприемника от различных факторов: величины, спектрального

состава и частоты модуляции возбуждающего излучения, температуры ок-

ружающей среды, напряжения питания, наличия фоновых сигналов и др.

Основными характеристиками фотоприемников являются:

– энергетическая или световая, определяющая зависимость величины

фототока или фотонапряжения от освещенности;

19

– спектральная, выражающая зависимость выходного сигнала от дли-

ны волны возбуждающего излучения при его постоянном уровне;

– зависимость выходного сигнала от частоты модуляции потока излу-

чения;

– вольт-амперная – зависимость общего тока через приемник (фотото-

ка и темнового тока) от величины приложенных напряжений;

– характеристика управления фотоприемника, например зависимость

напряжения включения фототиристора от управляющего светового излу-

чения.

В ряде случаев проектирования оптоэлектронных устройств достаточ-

но вместо перечисленных характеристик иметь набор (систему) парамет-

ров, выражающих свойства фотоприемника при определенных питающих

напряжениях и режимах эксплуатации.

В данной работе изучаются световые характеристики фоторезистора,

фотодиода и фототранзистора с помощью измерения зависимости фотосо-

противления и фототока от освещенности.


Исследуются характеристики фоторезистора ФСК-1Г, фотодиода

ФД-2 и фототранзистора ФТГ-3. В качестве источника света используется

лампа накаливания, яркость свечения регулируется резистором 0R . Осве-

щенность измеряется с помощью люксметра.

Для проведения исследований используется лабораторный стенд, схе-

ма которого представлена на рис. 2.

20

Рис. 2. Схема лабораторного стенда:

ИП – источник питания, ИС – источник света (лампочка накаливания); RO – рези-стор, регулирующий яркость свечения; ФР – фоторезистор; ФД – фотодиод; ФТ – фото-

транзистор; Ом – омметр; мА – миллиамперметр; Л – люксметр 1. Изучение свойств фоторезистора.

1.1. Измерить омметром темновое сопротивление фоторезистора. Пе-

реключатель режимов измерения поставить в положение «Rx», переключа-

тель режимов работы – в положение «R = f(E) фоторезистора».

1.2. Увеличивая яркость свечения лампы, измерить сопротивление

фоторезистора.

1.3. Построить график зависимость отношения темнового сопротив-

ления к световому от освещенности.

2. Изучение свойств фотодиода.

2.1. Переключатель режимов измерения поставить в положение «-»,

переключатель диапазонов измерения – в положение «30 В», переключа-

тель режимов работы – в положение «Установка напряжения на фотодио-

де». Установить значение напряжения на фотодиоде в диапазоне 8…15 В.

21

2.2. Измерить миллиамперметром темновой ток. Для этого поставить

переключатель диапазонов измерения в положение «0,3 мА», переключа-

тель режимов работы – в положение «I = f(E) фотодиода».

2.3. Увеличивая яркость свечения лампы, измерить ток через фотоди-

од. Построить график зависимости тока от освещенности.

3. Изучение свойств фототранзистора.

3.1. Переключатель режимов измерения поставить в положение «–»,

переключатель диапазонов измерения – в положение «30 В», переключа-

тель режимов работы – в положение «Установка напряжения на фототран-

зисторе». Установить значение выходного напряжения фототранзистора в

диапазоне 8…15 В.

3.2. Измерить значение выходного темнового тока. Переключатель

диапазонов измерения поставить в положение «0,3 мА» или «3 мА», пере-

ключатель режимов работы – в положение «I = f(E) фототранзистора».

Увеличивая яркость лампы, измерить выходной ток фототранзистора.

3.3. Построить график зависимости выходного тока фототранзистора

от освещенности.


1. Явление внутреннего фотоэффекта. Виды фотоприемников.

2. Основные характеристики и области применения фотоприемников.

3. Основные параметры фоторезисторов.

4. Основные типы и параметры фотодиодов.

5. Основные параметры фототранзисторов.

6. Применение фотоприемников.

22



СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

Цель работы: Изучение явления генерации света в полупроводниках

и характеристик светодиодов.


Светоизлучающим диодом называется полупроводниковый диод,

предназначенный для преобразования электрической энергии в энергию

некогерентного светового излучения. При протекании через диод прямого

тока происходит инжекция неосновных носителей заряда в базовую об-

ласть диодной структуры. Процесс самопроизвольной рекомбинации ин-

жектированных неосновных носителей заряда, происходящий как в базо-

вой области, так и в самом p-n переходе, сопровождается их переходом с

высокого энергетического уровня на более низкий; при этом избыточная

энергия выделяется путем излучения кванта света. Длина волны излучения

связана с изменением энергии электрона E соотношением: Ehc ,

где h – постоянная Планка; c – скорость света.

Диапазон длин волн видимого глазом света составляет 0,45 – 0,68

мкм, а E равно ширине запрещенной зоны gE полупроводника, на осно-

ве которого изготовлен светоизлучающий диод. Чтобы фотоны, образо-

вавшиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света,

ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть отно-

сительно большой ( 8,1Eg эВ). Исходя из этого ограничения для изготов-

ления светоизлучающих диодов используют следующие полупроводнико-

23

вые материалы: фосфид галлия (GaP), твердые растворы (GaAsP, AlGaAs),

а также нитрид галлия (GaN), который имеет наибольшую ширину запре-

щенной зоны ( 4,3Eg эВ), что позволяет получать излучение в коротко-

волновой части видимого спектра вплоть до фиолетового. Задавая состав

твердого раствора, можно изменять в достаточно широких пределах цвет

излучения диода, так для создания высокоэффективных светодиодов крас-

ного и зеленого цветов свечения в основном применяют твердые растворы

фосфидов алюминия-галлия-индия (AlGaInP), для создания светодиодов

синего цветов свечения применяют твердые растворы нитридов индия-

галлия (InGaN).

По конструктивному признаку выпускаемые светодиоды подразделя-

ются на приборы в металлических корпусах со стеклянной линзой (обла-

дают весьма острой направленностью излучения), в пластмассовых корпу-

сах из оптически прозрачного компаунда, создающего рассеянное излуче-

ние; и бескорпусные, во избежание механических повреждений и загряз-

нения поверхности поставляемые в специальной таре-спутнике (при мон-

таже их приклеивают).

Светоизлучающие диоды применяются в индикаторной и осветитель-

ной технике, а также в системах передачи сигналов. В качестве индикато-

ров их применяют как в виде одиночных светодиодов (например, индика-

тор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенно-

цифрового табло (например, цифры на часах). Массив светодиодов ис-

пользуется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы

часто называют светодиодными кластерами.

В индикаторной технике светодиоды применяют также для подсветки

жидкокристаллических экранов в мобильных телефонах, мониторах, теле-

визорах.

24

В светотехнике мощные светодиоды используются в уличном, про-

мышленном, бытовом освещении, в светофорах и дорожных знаках.

В качестве источников оптического излучения для передачи сигналов

по оптоволокну, в атмосферных линиях связи и пультах дистанционного

управления и в оптронах в основном применяют инжекционные диоды,

излучающие в инфракрасном диапазоне.


Основными параметрами промышленных светоизлучающих диодов

являются:

1. Сила света VI – излучаемый диодом световой поток на единицу те-

лесного угла в направлении, перпендикулярном плоскости излучающего

кристалла. Указывается при заданном значении прямого тока и измеряется

в канделах.

2. Яркость B – величина, равная отношению силы света к площади

светящейся поверхности. Измеряется в канделах на квадратный метр при

заданном значении прямого тока через диод.

3. Постоянное прямое напряжение ПРU – значение напряжения на

светодиоде при протекании прямого тока.

4. Максимально допустимый постоянный прямой ток ПРMAXI – макси-

мальное значение постоянного прямого тока, при котором обеспечивается

заданная надежность при длительной работе диода.

5. Максимальное допустимое обратное постоянное напряжение

ОБРMAXU – максимальное значение постоянного напряжения, приложенного

к диоду, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной

работе.

25

6. Максимальное допустимое обратное импульсное напряжение

.MAX.И.ОБРU – максимальное пиковое значение обратного напряжения на

светодиоде, включая как однократные выбросы, так и периодически по-

вторяющиеся.

7. Максимум спектрального распределения MAX – длина волны излуче-

ния, соответствующая максимуму спектральной характеристики излучения.

Характеристикой диода как источника света является зависимость яр-

кости от прямого тока, т. е. )I(fB ПР – яркостная характеристика, или за-

висимость силы света от прямого тока, )I(fI ПР – световая характеристи-

ка. Пространственное распределение излучения диода характеризуется

диаграммой направленности или углом излучения, которые определяются

конструктивными особенностями кристалла (чипа) и диода, наличием лин-

зы, оптическими свойствами защищающего кристалл материала.


1. Собрать лабораторный стенд по схеме, представленной на рис. 3.

(светодиоды, источник питания и измерительный прибор соединены в од-

ном корпусе, фотоэлемент люксметра совмещается с окном корпуса).

Рис. 3. Схема измерительной установки:

БП – источник питания (Б5-49); mA – миллиамперметр; СД – светодиод; Л – люксметр

26

2. Произвести измерения зависимости освещенности E площадки фо-

тоэлемента люксметра от тока I через светодиод красного цвета свечения

до максимального значения 20I мА. Результаты измерений занести в

таблицу 1.

Таблица 1

I , мА E, лк VI , мкд

3. Рассчитать значение силы света светодиода по формуле:

SEIv ,

где S – площадь приемной площадки фотоэлемента люксметра. Рас-

считанные значения занести в таблицу 1.

4. Повторить измерения для светодиода зеленого цвета свечения.

5. Построить графики зависимости силы света светодиодов от рабоче-

го тока (световые характеристики).


1. Электролюминесценция в p-n переходах. Внутренний квантовый

выход.

2. Зависимость генерируемого светодиодом светового потока от при-

ложенного напряжения и температуры.

3. Спектральные характеристики и быстродействие светодиодов.

4. Потери на поглощение и отражение в излучающих диодах.

5. Материалы и конструкции инжекционных излучающих диодов.

6. Применение инжекционных излучающих диодов.

27



ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Цель работы: Исследование процессов преобразования электриче-

ской энергии в световое излучение и характеристик электролюминесцент-

ных излучателей.


Люминесценцией называется излучение, избыточное над тепловым

при данной температуре и продолжающееся после прекращения возбужде-

ния в течение времени, превышающего период световой волны ( 1410 с).

Обычно эта задержка реакции люминесцирующего вещества (люминофо-

ра) на прекращение возбуждения значительно больше и является харак-

терной для люминесценции, отражая процессы преобразования энергии

в люминофоре.

Электролюминесценция представляет собой один из видов люминес-

ценции, возникающей при электрическом возбуждении, когда происходит

непосредственное преобразование энергии электрического поля в излуче-

ние. Электролюминесценция газообразных веществ (свечение газового

разряда) известна давно и находит широкое применение в газоразрядных

источниках света. К настоящему времени электролюминесценция наблю-

дается у многих полупроводниковых веществ, у некоторых диэлектриков

и ряда органических материалов. Различают два вида электролюминесцен-

ции: инжекционную, возникающую в p-n переходах при инжекции неос-

новных носителей, и предпробойную, возникающую в сильных полях,

близких к тем, при которых происходит электрический пробой. Инжекци-

28

онная люминесценция имеет место в излучающих диодах. Предпробойная

люминесценция используется в электролюминесцентных устройствах на

основе порошковых и тонкопленочных люминофоров, возбуждаемых по-

стоянным и переменным напряжением. Наиболее распространено возбуж-

дение переменным напряжением пленочных излучателей, в которых лю-

минофор изолирован от электродов, поэтому такие приборы получили на-

звание электролюминесцентных конденсаторов.

Порошковый светоизлучающий элемент представляет собой много-

слойную структуру на прозрачном основании: стеклянной пластине или

полимерной пленке. Люминесцентный слой состоит из порошкообразного

люминофора с органическим или неорганическим связующим. Толщина

слоя составляет 300-100 мкм, содержание связующего 30-50%, размер зе-

рен порошка 1-10 мкм. В основном в качестве люминофоров используется

сульфид цинка и кадмия и сульфоселенидные соединения, а также сульфи-

ды кальция и стронция. В качестве активаторов применяют медь, марга-

нец, серебро, свинец и другие вещества, которые вводятся в люминофоры

в количестве от единиц до сотых долей процента. Цвет свечения люмино-

фора определяется типом и количеством вводимой примеси, легирование

медью приводит к увеличению яркости излучения и повышению эффек-

тивности электролюминесценции. В качестве связующего используются

диэлектрические лаки на основе эпоксидных смол, цианэтилцеллюлозы

и др., а также стеклоэмалевое связующее. Светотехнические характеристи-

ки излучателей зависят от конструктивно-технологических и эксплуатаци-

онных факторов. К конструктивно-технологическим относят тип люмино-

фора, размер зерен порошка, тип связующего, толщину и содержание лю-

минесцентного слоя. К эксплуатационным факторам относят амплитуду

и частоту возбуждающего напряжения, температуру и др. Возбуждение

электролюминесценции в порошковых излучателях производят напряже-

29

нием 50-300 В частотой 50-5000 Гц. Яркость излучения составляет от 5 до

150 3мкд . Отечественной промышленностью выпускались электролюми-

несцентные индикаторы типа ИТЭЛ, ИЭМ, МЭЛ и др., используемые в ка-

честве источников света, цифровых индикаторов, мнемонических и графи-

ческих малоформатных экранов.

К недостаткам порошковых электролюминесцентных индикаторов

относят ограниченные значения яркости и небольшой срок службы, кото-

рый во многом обусловлен диффузией меди и других примесей, долговеч-

ность приборов не превышает 2-3 тысяч часов.

Исследование тонкопленочных источников излучения были начаты

позже, чем порошковых люминофоров. Успехи в технологии получения

тонких пленок, а также разработка структур, в которых слой люминофора

расположен между двумя более тонкими слоями диэлектрика, позволили

создать в 1974 году излучатели, которые имеют более высокую яркость

и срок службы по сравнению с порошковыми. Сущность явления электро-

люминесценции в тонких пленках не отличается принципиально от анало-

гичного эффекта в порошковых люминофорах, но по сравнению с порош-

ковыми изолированные пленки люминофора обладают следующими осо-

бенностями. Из-за малой толщины пленок не требуется специальных мер

для концентрации поля в узких слоях люминофора, поэтому одна из функ-

ций меди – создание в кристаллах люминесцентных материалов барьерных

областей толщиной около 0,1 мкм – отпадает. Соответственно исчезают

и процессы старения, связанные с диффузией меди, срок службы тонкоп-

леночных индикаторов может достигать 105 часов. Эффективность элек-

тролюминесценции не превышает нескольких процентов, но яркость мо-

жет быть очень высокой. Они имеют высокую разрешающую способность,

устойчивость к тепловым и радиационным воздействиям, большой угол

обзора, что делает их перспективными для создания экранов.

30


Основной характеристикой электролюминесцентных источников све-

та является вольт-яркостная характеристика. Значение яркости излучате-

лей зависит как от свойств люминофоров и конструктивных параметров

структуры, так и от условий возбуждения. С увеличением амплитуды на-

пряжения для вольт-яркостных характеристик наблюдается насыщение яр-

кости. С ростом частоты переменного напряжения насыщение происходит

при меньших его значениях, и величина максимальной яркости возрастает.

Эффективность процессов преобразования электрической энергии

в излучение характеризуется коэффициентом светоотдачи электролюми-

несцентного излучателя. В данной работе изучается зависимость светоот-

дачи порошковых электролюминесцентных конденсаторов от условий воз-

буждения: амплитуды и частоты переменного напряжения.


1. Собрать измерительный стенд по схеме, представленной на рис. 4.

Рис. 4. Схема измерительной установки:

Г – генератор; V – вольтметр; R1 и R2 - делитель напряжения; СИ- измерительный конденсатор; ЭЛК – электролюминесцентный конденсатор;

Л – люксметр; О – осциллограф

31

2. Для нескольких указанных преподавателем значений частоты f из-

мерить люксметром зависимость освещенности E на от приложенного на-

пряжения V. Зарисовать на кальку петли гистерезиса на экране осцилло-

графа. Рассчитать площадь петли гистерезиса. Результаты измерений зане-

сти в табл. 2.

Таблица 2

f, кГц V, В E, лк S, 2см B, 2мкд Blg P, Вт Ф, лм η,

лм/Вт

3. Рассчитать значение яркости свечение EB и светового потока

ЛSE2 , где ЛS – площадь приемной площадки люксметра.

4. Рассчитать значение потребляемой мощности электролюминес-

центным конденсатором: fCmmSP uyx (Вт), где S – площадь петли

гистерезиса ( 2см ), xm и ym – масштаб по осям x и y осциллографа ( смВ ),

uC – емкость измерительного конденсатора (Ф), f – частота (Гц).

5. Вычислить значения светоотдачи электролюминесцентного конден-

сатора для различных значений частоты и напряжения η=Ф/Р, Втлм .

6. Построить графики зависимости )V(Blg , )V( и )B( .


1. Инжекционная и предпробойная электролюминесценция.

2. Фотометрические и энергетические величины, характеризующие

световое излучение, их взаимосвязь.

3. Порошковые и тонкопленочные электролюминесцентные конденса-

торы. Основные характеристики и параметры.

4. Применение электролюминесцентных конденсаторов.

32


ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТРОНОВ

Цель работы: Изучение преобразования информации и энергии

в различных оптопарах.


Оптрон – это прибор, содержащий источник и приемник излучения,

которые оптически и конструктивно связаны. Источниками света могут

служить лампы накаливания, неоновые лампы, электролюминесцентные

излучатели, однако в большинстве случаев ими являются излучающие

диоды. В качестве приемника излучения используют фоторезисторы, фо-

тодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Средой оптического канала,

связывающего излучатель и приемник, служат воздух, стекло, пластмасса

и другие прозрачные вещества. Элементарный оптрон, содержащий один

источник и один приемник излучения, называют также оптопарой. При

объединении в микросхему вместе с одним или несколькими согласующи-

ми или усиливающими устройствами, оптопары образуют оптоэлектрон-

ную интегральную микросхему.

В оптронах происходит двойное преобразование энергии. Входной

электрический сигнал (характеризующийся силой тока или напряжением)

преобразуется источником излучения в световой, который передается за-

тем по оптическому каналу к фотоприемнику. Фотоприемник осуществля-

ет обратное превращение светового сигнала в электрический. Для согласо-

вания параметров оптронов с другими элементами электронных схем мо-

гут использоваться дополнительные входные и выходные устройства.

33

Оптроны, в которых фотоприемник и излучатель электрически не со-

единены, могут использоваться для гальванической развязки цепи. Однако

введение электрической, а также оптической обратной связи между ком-

понентами оптрона способно существенно расширить его возможности.

В этом случае он может быть использован как прибор, позволяющий гене-

рировать и усиливать электрические и оптические сигналы, как запоми-

нающее устройство и т. д. Кроме того, оптрон характеризуется следующи-

ми достоинствами: высокой помехозащищенностью (поскольку его опти-

ческий канал невосприимчив воздействию посторонних электромагнитных

полей), а также однонаправленностью передачи оптического сигнала; ши-

рокой частотной полосой пропускания и, в частности, способностью пре-

образовывать и передавать не только импульсные сигналы, но и постоян-

ную составляющую; совместимостью с другими изделиями полупроводни-

ковой микроэлектроники.

Среди недостатков, присущих современным оптронам, необходимо

отметить их низкий КПД, что связано с большими потерями энергии при

преобразовании электрического сигнала в оптический и обратно. К недос-

таткам относится определенное конструкторско-технологическое несо-

вершенство современных оптронов. Выпускаемые приборы изготавливают

по гибридной технологии, при этом в одном устройстве необходимо до-

вольно точно совмещать разнородные элементы – излучатель и фотопри-

емник. Перечисленные недостатки ограничивают область применения оп-

тронов, однако, по мере совершенствования материалов и технологии, ре-

шения ряда схемотехнических задач эти недостатки проявляются все

в меньшей степени.

При классификации изделий оптронной техники учитываются два

момента: тип фотоприемного устройства и конструктивные особенности

прибора в целом. Выбор первого классификационного признака обуслов-

34

лен тем, что практически у всех оптронов на входе помещен светодиод,

и функциональные возможности прибора определяются выходными харак-

теристиками фотоприемного устройства. В качестве второго признака

принято конструктивное исполнение, которое определяет специфику при-

менения оптрона. Используя конструктивно-схемотехнический принцип

классификации, логично выделить три основные группы изделий оптрон-

ной техники: оптопары (элементарные оптроны), оптоэлектронные (оп-

тронные) интегральные микросхемы и специальные виды оптронов. К ка-

ждой из этих групп относится большое число видов приборов.

Конструктивно оптроны выполняются в корпусах как дискретные по-

лупроводниковые приборы и микросхемы. Элементы оптронов разнород-

ны по спектральным характеристикам, электрическим параметрам (уровни

токов и напряжений), технологии изготовления, допустимым условиям

эксплуатации. Поэтому при конструировании оптронов необходимо согла-

сование его элементов по параметрам подбором составляющих в паре

и (или) схемным решением.

Широко применяются также оптроны с открытым оптическим кана-

лом, в которых в зазор между излучателем и приемником имеется доступ

извне. Они используются в бесконтактной дистанционной технике в каче-

стве индикаторов положения объектов и состояния их поверхности. Оп-

троны с открытым оптическим каналом, доступным для механического

воздействия (перекрытия), используются как датчики во всевозможных де-

текторах наличия (например, детектор бумаги в принтере), датчиках конца

(или начала), датчиках уровня жидкости, счетчиках и дискретных спидо-

метрах на их базе (например, в координатных счетчиках в механической

мыши, в анемометрах и др.). Отражательные оптроны используются в дат-

чиках движения и перемещения, в том числе скорости вращения, сканерах

штрих-кодов и других устройствах считывания информации и др.

35


Элементарный оптрон является четырехполюсным прибором, свойст-

ва которого определяются тремя основными характеристиками – входной,

передаточной и выходной. Входной является вольт-амперная характери-

стика излучателя, выходной – соответствующая характеристика фотопри-

емника (при заданном токе на входе оптопары). Передаточной характери-

стикой называют зависимость тока 2I на выходе оптрона от тока 1I на его

входе. Параметром, тесно связанным с зависимостью )I(I 12 и часто ис-

пользуемым на практике, является коэффициент передачи по току (стати-

ческий) 121 IIK (когда существенен темновой ток ТI на выходе фото-

приемника, 1Т21 I)II(K ). Для большинства типов оптопар 1K являет-

ся паспортным параметром, причем он может составлять от 0,5% (диодные

пары) до ~ 1000% (транзисторные оптопары с составным фоторезистором).

Для тиристорных оптопар, работающих в ключевом режиме, коэффициент

передачи по току не используется в качестве параметра.

В данной работе изучаются передаточные характеристики и коэффи-

циенты передачи по току диодных, транзисторных и тиристорных оптопар.


1. Измерение зависимости коэффициента передачи тока при изменении

входного тока для диодной оптопары АОД101Б.

1.1. Установить переключатель в положение «АОД».

1.2. Установить максимальный ток на входе ВХI оптопары резистора

регулятором тока, снять показания выходного тока оптопары ВЫХI .

1.3. Установить значение Jвх= 0. Изменяя входной ток с интервалом

1 мА, снять показания выходного тока оптопары.

36

1.4. Вычислить коэффициент передачи по току по формуле

ВХВЫХ1 IIK .

1.5. Построить график зависимости Jвых от Jвх.

2. Измерение зависимости выходного тока от входного тока для тран-

зисторной оптопары АОТ123Г.

2.1. Установить переключатель в положение «АОТ».

2.2. Установить значение входного тока 0IВХ регулятором Jвх. Изме-

няя входной ток с интервалом 1мА, измерить значение входного тока Jвых.

2.3. Вычислить коэффициент передачи по току.


3. Измерение зависимости выходного тока от входного тока для тири-

сторной оптопары АОУ103Б.

3.1. Установить переключатель П1 в положение «АОУ».

3.2. Установить значение входного тока 0IВХ регулятором Jвх. Изме-

няя входной ток с интервалом 1мА, измерить значение входного тока Jвых.



1. Элементы оптопары. Требования к источникам, средам, приемникам.

2. Характеристики и параметры оптронов.

3. Провести сравнение характеристик и параметров резисторных, ди-

одных, транзисторных и тиристорных оптопар.

4. Оптроны с открытым оптическим каналом.

5. Оптоэлектронные микросхемы.

7. Применение оптронов.

37



СОЛНЕЧНЫХ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Цель работы: Исследование явления преобразования оптического из-

лучения в электрическую энергию в солнечных элементах.


Солнечные фотопреобразователи (элементы, батареи) представляют

собой полупроводниковые фотодиоды, оптимизированные для прямого

преобразования излучения Солнца в электрическую энергию. Солнечные

элементы работают только в фотовентильном режиме, функционально вы-

ступая в качестве источников питания. Если снять ВАХ элемента солнеч-

ной батареи в темновом режиме и при освещении, то получатся два графи-

ка зависимости тока от напряжения (рис. 5).

Рис. 5. ВАХ солнечного элемента в темноте и при освещении:

UXX – напряжение холостого хода (размыкания); IКЗ – ток короткого замыкания контактов в цепи без участия нагрузочного сопротивления; JФ – обратный фототок

38

При отсутствии внешнего напряжения активный режим ВАХ солнеч-

ного элемента будет соответствовать отрицательной области тока и поло-

жительной области напряжения. Здесь же указаны характеристические

точки напряжения холостого хода , тока короткого замыкания и значения

обратного фототока.

Основными параметрами солнечного элемента являются:

– максимальная отдаваемая в нагрузку электрическая мощность MAXP ;

– коэффициент полезного действия CMAX PP , AP CC , где CP – ин-

тегральная мощность солнечного излучения на элементе; ρС – плотность

мощности излучения; A – площадь фоточувствительной поверхности;

– ЭДС холостого хода (разомкнутой цепи) ХХU ;

– ток короткого замыкания (максимальный фототок) КЗI ;

– последовательное сопротивление nR ;

– коэффициент формы КЗХХMAX IUPa , характеризующий откло-

нение вида функции )I(fU от идеального прямоугольника;

– максимальная степень концентрации излучения, при которой эле-

мент сохраняет эффективность преобразование ССКMAXK , где СК –

плотность мощности сконцентрированного солнечного излучения.

В процессе эксплуатации для значений рабочего напряжения и тока

справедливы неравенства ХХРАБ UU и КЗРАБ II .

Другие параметры фотодиодов, такие, как уровень шумов, емкость,

постоянная времени релаксации и т. п., для солнечных элементов несуще-

ственны. Наиболее часто применяемыми материалами в солнечных эле-

ментах является кремний, монокристаллический и аморфный (КПД до

20%); арсенид галлия (КПД до 25%); селенид меди-индия и др. Использу-

ют также многослойные элементы, в гетероструктурах А3В5 достигнут

КПД более 40%.

39


Исследование сводится к изучению зависимости вольт-амперной ха-

рактеристики диода от освещенности. Если все излучение поглощается,

для плотности тока короткого замыкания КЗj , ( 2смА ) можно записать:

d108j2

1

x

x

C4КЗ ,

где – длина волны излучения, мкм; пределы интегрирования х1 и х2 оп-

ределяются коротковолновой и длинноволновой границами спектра по-

глощения материала; ρС – плотность мощности излучения, мВт , C –

спектральная плотность мощности излучения, 12 мкмсммВт . Числен-

ное интегрирование с учетом распределения спектральной плотности из-

лучения для 100С 2сммВт позволяет получить теоретически предель-

ное значение 40jКЗ 2сммА для кремниевого фотопреобразователя.

При наличии освещения выражение для вольт-амперной характери-

стики солнечного элемента имеет вид:

СВS I1kTqUexpII ,

где СВI – световой ток; SI – обратный ток насыщения. Знак СВI взят отри-

цательным, так как он создан неосновными носителями. Тогда напряжение

холостого хода (в разомкнутой цепи при 0I ):

S

СВ

S

СВХХ I

Iln

q

kT1

I

Iln

q

kTU

,

а мощность на выходе: UI1kTqUexpUIUIp СВS

Эта мощность достигает максимального значения MAXP , когда 0UP .

q

kT

kT

qU1ln

q

kTUIP MAX

ХХСВMAX ,

где MAXU – соответствующее MAXP напряжение.

40

ЭДС и внутреннее сопротивление солнечного элемента определяют

измерением двух значений тока на разных нагрузочных сопротивлениях:

rR

UI

1

ХХ1 ;

rR

UI

2

ХХ2 , rIUUrIU 22ХХ11 ,

где 1I , 2I и 1U , 2U – соответственно, токи, протекающие через нагрузоч-

ные сопротивления 1R , 2R и падения напряжения на этих сопротивлениях.

Отсюда:

12

21

II

UUr

, 12

1221ХХ II

IUIUU

Мощность падающего на элемент света рассчитывают, определяя ос-

вещенность приемной площадки E: AEKPC , где 3106,1K лмВт –

средний световой эквивалент мощности.


1. Определение основных параметров солнечной батареи.

Рис. 6. Схема измерительного стенда:

СБ – солнечная батарея; 1–5 – переключатель количества элементов;

mA – миллиамперметр; V – вольтметр; RН – сопротивление нагрузки

41

1.1. Установить источник света в положение, соответствующее мини-

мальной освещенности. С помощью люксметра измерить освещенность

вблизи поверхности солнечных элементов. Рассчитать величину светового

потока и плотность мощности светового излучения PC по формулам:

Ф = E·S и PC = K·Ф,

где 5,1S 2см – площадь поверхности элемента; 3106,1K лмВт –

средний световой эквивалент мощности. Результаты расчета занести

в табл. 3.

Таблица 3

№

п/п

E ,

лк

,

лм

I51,

мА

I52,

мА

U51,

мВ

U52,

мВ 5r ,

Ом

Uхх5,

В

I11,

мА

I12,

мА

U11,

мВ

U12,

мВ

1r ,

Ом

Uxx1,

В

1.2. Переключатель S поставить в положение 5, соответствующее пол-

ному включению батареи. Для некоторых двух средних значений сопро-

тивления нагрузочного резистора НR произвести измерения тока I51, I52

и напряжения U51, U52. Результаты занести в таблицу 3.

1.3. Произвести расчет ЭДС Uxx и внутреннего сопротивления r сол-

нечного фотопреобразователя, занести данные в таблицу 3.

1.4. Переключатель S поставить в положение 1, соответствующее

включению одного элемента, и произвести измерения и расчеты по пп. 1.2

и 1.3.

1.5. Установить источник освещения в следующие положения (25; 15;

10; 5 см) и повторить измерение и расчеты по пп. 1.2 – 4. Данные занести

в табл. 3.

2. Исследование вольт-амперных характеристик солнечных элементов.

2.1. Выполнить действия по п. 1.1. Переключатель S поставить в поло-

жение 5, соответствующее полному включению батареи.

42

2.2. Поставить резистор НR в положение с минимальным сопротивле-

нием. Измерить значения тока и напряжения. Рассчитать величину полез-

ной электрической мощности батареи: UIP .

2.3. Переключатель S поставить в положение 1, соответствующее

включению одного элемента, и выполнить измерения тока и напряжения

и расчет мощности.

2.4. Провести измерения и расчеты по пп. 2.2, 2.3, 2.4 для 8 – 10 значе-

ний сопротивления, включая максимальное значение, соответствующее ра-

зомкнутой цепи. Результаты занести в табл. 4.

Таблица 4

№ п/п 5I , мА 5U , мВ P , мВт 1I , мА 1U , мВ P , мВт

min 1

2÷10

max 1

2÷10

2.5. Выбрать из полученных рассчитанных значений полезной электри-

ческой мощности maxP и вычислить величину коэффициента формы

КЗХХmax IUPa .

2.6. Рассчитать КПД преобразователя энергии по формуле:

Cmax PPКПД .

2.7. Установить источник освещения на расстоянии 5 см от батареи

и повторить действия по пп. 2.2 – 2.6. Результаты занести в табл. 4.

Примечание. Если в качестве источника света используется лампа нака-

ливания мощностью 100 Вт, для определения освещенности в зависимости

от расстояния между лампой и батареей использовать табл. 5.

43

Таблица 5

d , см 5 10 15 20 25 30 35 40 45

310E , лк 30 12 6 4 3 2,2 1,9 1,5 1,1


1. Поглощение оптического излучения и световая генерация носите-

лей заряда в полупроводниковом p-n переходе.

2. Вольт-амперная характеристика фотодиода при освещении.

3. Основные параметры солнечных элементов.

4. Влияние концентрации солнечного излучения на характеристики

фотопреобразователей.

5. Разновидности солнечных элементов.

6. Применение солнечных фотопреобразователей.

44

Учебное электронное издание

Оптоэлектроника и индикаторная техника

Лабораторный практикум для студентов, обучающихся

по направлению 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств»

Составитель САМОХВАЛОВ Михаил Константинович

ЭИ № 794. Объем данных 0,75 Мб.

Редактор Н. А. Евдокимова

Печатное издание Подписано в печать 06.12.2016. Формат 60×84/16.

Усл. печ. л. 2,56. Тираж 60 экз. Заказ 1092.

Ульяновский государственный технический университет 432027, Ульяновск, Северный Венец, 32.

ИПК “Венец” УлГТУ, Ульяновск, Северный Венец, 32. Тел.: (8422) 778-113

E-mail: [email protected] http://www.venec.ulstu.ru

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА И ИНДИКАТОРНАЯ ТЕХНИКАvenec.ulstu.ru/lib/disk/2016/215.pdf · 2016. 12. 9. · в том, что при падении света

Documents