Katedra Awioniki i Sterowania

POLITECHNIKA RZESZOWSKA
Im. Ignacego Łukasiewicza
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Katedra Awioniki i Sterowania
Laboratorium Podstaw Elektroniki
Optoelementy, wyświetlacze, źródła światła.
1
1. WSTĘP TEORETYCZNY
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami optoelementów. Jednym z
elementów optoelektronicznych jest dioda elektroluminescencyjna LED, zwana
również diodą świecącą. Pracuje ona prawidłowo przy polaryzacji złącza w kierunku
przewodzenia, czyli w chwili, gdy na diodzie występuje spadek napięcia i możliwe
jest przewodzenie.
Zasada działania diod elektroluminescencyjnych jest oparta na zjawisku
elektroluminescencji, które polega na zamianie energii nośników ładunku
(elektronów) na energię promienistą (rekombinacja) i wyemitowaniu kwantu
promieniowania w postaci fotonu. Rekombinacja nośników ładunku zachodzi w
półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony przechodzą z wyższego na niższy poziom
energetyczny. Wtedy, podczas przejścia, energia elektronu zostaje zamieniona na
kwant promieniowania elektromagnetycznego. Długość fali emitowanego
promieniowania:
λ=ch/Wg
c - prędkość światła
h – stała Plancka
Wg – szerokość pasma zabronionego (lub różnica energii poziomów, między
którymi zachodzi rekombinacja)
Długość fali emitowanego promieniowania zwiększa się ze wzrostem temperatury
złącza. Diody emitują promieniowanie w bardzo wąskim przedziale widma: od 490
nm do 950 nm. Diody elektroluminescencyjne są wytwarzane z materiałów
półprzewodnikowych, takich jak: Ga As, Gap, GaAsP o odpowiednim
domieszkowaniu, charakteryzujących się dużą sprawnością emisji promieniowania.
Diody emitują promieniowanie o barwach: niebieskiej, żółtej, zielonej,
pomarańczowej, czerwonej. Produkuje się również diody świecące kilkoma kolorami.
Parametrami optycznymi diody LED są:
- strumień energetyczny (moc emitowana przez diodę) wyrażany w watach lub
strumień świetlny (moc emitowana przez diodę świecącą) wyrażany w lumenach
(lm). Wartość mocy emitowanej przez diodę rośnie ze wzrostem prądu
przewodzenia, a maleje ze wzrostem temperatury złącza
- natężenie promieniowania wyrażone w luksach (jednostka równa natężeniu
oświetlenia wytworzonego przez strumień świetlny 1lm x m^2)
- światłość (stosunek strumienia świetlnego do kąta bryłowego) wyrażana w
kandelach. Natężenie promieniowania i światłość zwiększają się ze wzrostem prądu
przewodzenia.
Zaletami diod elektroluminescencyjnych są:
mały pobór prądu, mała wartość napięcia zasilającego, duża sprawność, mała moc
strat, małe rozmiary, duża trwałość, duża wartość luminacji.
W
zależności
od
zakresu
emitowanego
promieniowania,
diody
elektroluminescencyjne można stosować jako: wskaźniki optyczne, wskaźniki stanów
logicznych, np. w kalkulatorach, zegarkach.
Diody elektroluminescencyjne mogą być sprzęgane z fotoodbiornikami, w celu
przesyłania sygnałów na drodze optycznej. W ten sposób uzyskujemy przekazywanie
sygnałów z jednego układu do drugiego, przy galwanicznym odseparowaniu tych
układów. Przez pojęcie separacji galwanicznej rozumiemy układ elektroniczny z
odpowiednio przetworzonym sygnałem przenoszonym drogą fotooptyczną oraz
2
zasilaniem przenoszonym drogą indukcji elektromagnetycznej, poprzez materiał
stanowiący izolację dla bezpośredniego przepływu prądu. Tak powstały przyrząd
nazywamy transoptorem (dioda i fotodetektor w jednej obudowie). Transoptor może
być zamknięty (transmisja promieniowania między diodą i fotodetektorem następuje
za pomocą światłowodu) lub otwarty (transmisja promieniowania między diodą i
fotodetektorem następuje w powietrzu). Elementy tego typu znajdują zastosowanie
m.in. w: układach automatyki i zdalnego sterowania, układach telekomunikacyjnych,
urządzeniach alarmowych, sygnalizacyjnych i kontrolno-pomiarowych.
Rys. 1 Schemat transoptorów:
a) z fotodiodą, b) z fototranzystorem.
a)
b)
2. OPIS UKŁADU
Układ pomiarowy składa się z multimetru, zasilacza, luksomierza, zestawu diod
elektroluminescencyjnych.
Rys.2 Zestaw diod
3
Rys.3 Luksomierz LX-101 z osłoną
Rys.4 Zasilacz z multimetrem
Diody LED standardowo zasilane są prądem stałym. Do diod świecących przykłada
się napięcie w kierunku przewodzenia (napięcie dodatnie do anody i napięcie ujemne
do katody). Należy pamiętać o prawidłowej polaryzacji diody. Wyprowadzenie katody
jest zwykle krótsze niż anody. Prąd powinien być ograniczony rezystorem
szeregowym. Spadek napięcia w kierunku przewodzenia wynosi:
- 1,1 [V] dla GaAs (Arsenek Galu),
- 2 [V] dla GaAsP (Arsenofosforek Galu)
- 3 [V] dla Gap (Fosforek Galu).
Charakterystyka prądowo-napięciowa diody LED jest podobna do charakterystyki
diody prostowniczej. Z powodu dużego przyrostu wartości prądu przewodzenia diody,
przy niewielkim wzroście jej napięcia przewodzenia, stosuje się z nią szeregowo
rezystor. Dioda LED ma nieco wyższe napięcie przewodzenia, które wynosi 2V dla
diody czerwonej i 3V dla diody zielonej i żółtej. Diody LED maja niskie napięcia
zaporowe wahające się między 3-5V. Maksymalny prąd przewodzenia to 20 - 50mA,
zależnie od typu diody.
4
Rys. 5 Układ zasilania diody LED
Obliczanie rezystorów do zasilania diody LED.
Podstawą do obliczeń jest prawo Ohma. Ma ono postać: I = U/R , gdzie I to prąd w
amperach [A], U to napięcie w woltach [V] a R to opór w omach [Ω].
Za pomocą tego wzoru możemy obliczyć prąd płynący w obwodzie znając opór
obciążenia i napięcie przyłożone do tego obciążenia.
U = I*R - pozwalający na obliczenie napięcia U na obciążeniu o znanej wartości R,
przez które przepływa znany prąd I.
R = U/I - czyli obliczenie rezystancji obciążenia, gdy znamy pobór prądu, oraz
napięcia na zaciskach obciążenia R.
To prawo wystarczy do obliczenia układów zasilania diody LED.
Wyróżniamy trzy sposoby połączenia układu - szeregowy, równoległy i mieszany,
czyli szeregowo - równoległy. W naszym przypadku dioda jest połączona szeregowo
z rezystorem.
Ważną sprawą jest spadek napięcia na złączu diody, a także maksymalny prąd jaki
może przez to złącze przepływać. Oczywiście można sięgać po katalogi, ale przyjęło
się, że bezpieczny prąd dla pojedynczej diody to 20mA, czyli 0,02A. Dla różnych
materiałów, czyli dla różnych kolorów świecenia spadek napięć na złączach diod jest
inny, i tak:
Kolory: czerwony, żółty, pomarańczowy i zielony - spadek napięcia 2.0 - 2,2V.
Kolory: niebieski, biały - spadek napięcia 3.5 - 4V
Zakładam, ze napięcie Vcc wynosi 24V. Przyjmujemy, że dioda jest koloru zielonego.
Maksymalny prąd jaki może przepływać przez strukturę wynosi 20mA, a spadek
napięcia na niej 2V.
Od napięcia zasilania, czyli przyjętego 24V odejmujemy spadek napięcia na diodzie i
otrzymujemy:
24V-2V=22V
Wniosek - na rezystorze R musimy przy prądzie struktury 20mA otrzymać spadek
22V
Korzystam z:
R=U/I
Podstawiając otrzymamy:
R=22V/0,02A
R=1100Ω
Rezystory są produkowane według szeregów i najbliższy z najmniejszego szeregu
rezystor ma wartość 1,2kΩ, czyli 1200Ω
5
3. PRZEBIEG ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO
- Połączyć układ z diodą według schematu (rys.5)
- Podłączoną diodę należy umieścić pod osłoną (rys.3)
- Na górnej powierzchni osłony położyć końcówkę z czujnikiem od luksomierza
(rys.3)
- Ustawić odpowiedni zakres luksomierza w celu odczytu wskazań przyrządu
Zakres I: X1 LUX 0-1 999lx
Zakres II: X10 LUX 2 000-19 990lx
Zakres III:X100 LUX 20 000-50 000lx
- Płynnie zwiększać napięcie z zasilacza
- Odczytać napięcie z multimetru
- Odczytać wskazania luksomierza
- Czynności powtórzyć dla zestawu diod i diody super jasnej.
4. WYKONANIE SPRAWOZDANIA
Dla zestawu diod określić zależność natężenia promieniowania świetlnego
(mierzonego przy użyciu luksomierza) od regulowanego napięcia (mierzonego za
pomocą multimetru i podawanego z wykorzystaniem zasilacza).
6