ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

Для маркировки светоизлучающих приборов российского производства приняты две системы обозначений. Покажем их на примерах:

АЛС338Б (3ЛС338Б)

А – (или цифра 3) материал полупроводника (GaAs или GaP, GaAsP и т.д.);

Л – светоизлучающий диод;

С – матрица из светодиодов (например, цифровой индикатор из семи сегментов);

338 – порядковый номер разработки;

Б – группа. (А, Б, В, Г … – диоды одного типа, но различающиеся по некоторым параметрам).

КИПД05А-1К

К – прибор широкого (общепромышленного) назначения;

И – индикатор;

П – полупроводниковый;

Д – единичный светодиод (или М – для мнемонических табло, Т - линейная шкала из диодов, Ц – знакосинтезирующий индикатор;

05 – номер разработки;

А – группа (А, Б, В …);

1 – число диодов в индикаторе;

К – красный (или Л – зеленый, Г – голубой, Ж – желтый, Р – оранжевый, С – синий, М – многоцветный).

Основными параметрами светоизлучающих диодов являются:

· Сила света I_v – излучаемый диодом световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в направлении максимального излучения. Указывается при заданном значении прямого тока I_пр, мА и измеряется в милликанделах (мкд);

· Яркость L – величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности (для мнемонических и многосегментных индикаторов). Указывается при заданном значении прямого тока I_пр, мА и измеряется в кд/м².

· Мощность излучения (для излучающих диодов ИК-диапазона). Указывается при заданном значении I_пр, мА и измеряется в милливаттах (мВт);

· Постоянное прямое напряжение U_пр, В – значение напряжения на светодиоде при протекании заданного прямого тока;

· Максимум спектрального распределения λ_max, мкм – длина волны светового излучения, соответствующая максимуму спектральной характеристики светодиода;

· Спектральная характеристика светодиода – зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света (представляется графически);

· Световая (яркостная) характеристика – зависимость силы света от прямого тока (представляется графически);

· Диаграмма направленности – снижение силы света в зависимости от угла, под которым ведется наблюдение (излучение может быть узконаправленным или рассеянным);

· Вольтамперная характеристика – аналогична характеристике обычного диода;

· Зависимость силы света от температуры (в интервале рабочих температур I_v может меняться в 2÷3 раза, с повышением температуры сила света уменьшается);

Светоизлучающие диоды имеют большой разброс параметров от образца к образцу. Изготовителем указываются крайние значения параметров, являющиеся критерием годности при их производстве.

Предельно допустимые режимы эксплуатации – указываются максимальные значения прямого тока I_{пр, max}, мА, обратного напряжения U_обр, _max, В и др. параметры, при которых обеспечивается заданная надежность работы прибора.

Условное обозначение светодиода приведено на рис. 10.

Светодиоды в основном применяются как элементы индикации включения, готовности аппаратуры к работе, наличия напряжения питания в блоке, аварийной ситуации и других состояний.

Линейные шкалы (столбики из светодиодов) служат для отображения непрерывно изменяющейся информации – уровня звукового сигнала, уровня горючего в баке и т.д. Достоинства – наглядность отображения и быстрота восприятия информации.

Цифро-буквенные индикаторы используются в измерительной аппаратуре, устройствах автоматики и вычислительной техники. Наиболее часто используются индикаторы имеющие 7 сегментов на десятичный разряд (рис. 10,г).

Инфракрасные излучающие диоды (ИК-диоды) применяются в оптических каналах передачи информации (дистанционный пульт управления телевизора), линиях, требующих гальванической развязки, датчиках систем автоматики, охранной сигнализации и т.д. Излучение ИК-диода не может быть воспринято человеческим глазом, и регистрируется обычно фотодиодом или фототранзистором.

Ввиду нелинейности вольтамперной характеристики (резкого возрастания прямого тока при прямом напряжении выше 2÷3 В) светодиоды всегда подключают к источнику питания через балластное сопротивление (рис. 10,а,б), величина которого может быть найдена из соотношения

R_б = (Е–U_пр)/I_пр. (6)

Обычно информация, предназначенная для отображения цифровым или шкальным индикатором, поступает в двоичном коде. Для преобразования ее в натуральный для шкал или 7-сегментный код используются микросхемы – дешифраторы (рис. 10,в). Некоторые типы дешифраторов имеют токовые выходы (создают заданную величину тока, независимо от величины падения напряжения на диоде). В этом случае светодиоды индикатора можно подключать к выходам дешифратора без балластных резисторов (рис. 10,в).

ОПТОПАРЫ

Комбинацией опто и фотоэлектронных приборов является оптопара (оптрон). Структура оптопары приведена на рис. 11. В ней входной электрический сигнал I_вх преобразуется в оптический сигнал Ф, в качестве преобразователя обычно используют светодиод или полупроводниковый лазер (излучатель). Оптический сигнал Ф распространяется через оптический канал. Канал может быть открытым (вакуум, газ или жидкость) и закрытым (оптический световод). На выходе оптического канала имеется фотоэлектронный преобразователь – фотоприемник (фоторезистор, фотодиод, фототранзистор или фототиристор) в котором оптический сигнал Ф преобразуется в электрический I_вых. Двойное преобразование входного сигнала I→Ф и Ф→I позволяет получить практически идеальную гальваническую развязку входного и выходного сигналов, невосприимчивость оптических каналов к электромагнитным помехам, однонаправленность потока информации, отсутствие обратной связи с выхода на вход и широкую полосу пропускания. К недостаткам оптопар следует отнести нелинейность их проходных характеристик, низкий КПД, температурную зависимость параметров, и высокий уровень собственных шумов.

В диодной оптопаре (рис. 12,а, 13,а) излучателем служит инфракрасный светодиод на основе арсенида галлия, фотоприемный элемент – фотодиод на основе кремния. Максимум спектральной характеристики GaAs светодиода расположен около λ_max ≈ 1 мкм. При облучении фотодиода инфракрасным светом с λ ~ 1 мкм в нем возникает генерация пар носителей заряда – электронов и дырок (внутренний фотоэффект). Интенсивность генерации пропорциональна силе света и, следовательно, входному току оптопары (току через светодиод). Свободные электроны и дырки разделяются электрическим полем p–n-перехода фотодиода и заряжают p-область положительно, а n-область отрицательно. На выходных клеммах оптопары появляется фото-ЭДС U_хх. Описанный режим работы оптопары называется фотогенераторным режимом. Передаточная характеристика оптопары в фотогенераторном режиме нелинейна: при увеличении входного тока фото-ЭДС приближается к контактной разности потенциалов на p–n-переходе U_хх ≤ 0.5÷0.6 В.

Оптроны обычно используются в фотодиодном режиме (рис. 12,а). К фотодиоду оптопары прикладывают обратное напряжение U_обр > 0.5 В. Электроны и дырки, генерируемые излучением, увеличивают обратный ток I₀ p–n-перехода:

I_вых = I₀ + I_{фототок} ≈ I_{фототок}.

Передаточная характеристика в фотодиодном режиме I_вых = f(I_вх) практически линейна. Коэффициент передачи по току диодных оптопар

K_I = I_вых/ I_вх (7)

составляет единицы процентов и примерно равен значению внешнего квантового выхода светодиода.

В транзисторной оптопаре (рис. 12,б, 13,в) светодиод конструктивно расположен так, что излучение направляется в базовую область фототранзистора. При отсутствии света в цепи коллектора фототранзистора протекает ток I_тем ≈ h_21э I_ко, где I_ко – обратный ток p–n-перехода база-коллектор.

Для уменьшения темнового тока между выводами базы и эмиттера фототранзистора включается внешний резистор с сопротивлением 0.1÷1.0 МОм. При облучении светом в базовой области генерируются пары электрон-дырка. Электроны втягиваются в область коллектора полем обратносмещенного перехода база-коллектор. Дырки остаются в базе и увеличивают ее потенциал, что приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу. Соотношение между фототоками коллектора I_вых и базы

I_вых = h_21э I_ф.б, (8)

где h_21э – коэффициент передачи тока базы транзистора (h_21э ≈ 10²), I_ф.б – генерируемый излучением фототок в базе транзистора (дырочная составляющая фототока).

Фототранзистор обладает внутренним усилением фототока. Коэффициент передачи по току транзисторных оптопар K_I = I_вых/ I_вх имеет величину порядка единицы. Передаточная характеристика транзисторной оптопары I_вых = f(I_вх) нелинейна. Транзисторные оптопары применяют обычно в ключевом режиме для передачи импульсных сигналов рис. 12,б.

Транзисторные оптопары используют для гальванической развязки логических цепей управления от высоковольтных цепей нагрузок большой мощности: для управления мощными тиристорами, в устройствах защиты вторичных источников питания и т.д.