laboratorium optoelekktroniki - ETI PG

Katedra Optoelektroniki
Wydział Elektroniki Telekomunikacji
i Informatyki
Politechnika Gdańska
LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKI
ĆWICZENIE 1
ZRODLA SWIATLA
Gdańsk, 2005
ĆWICZENIE 1: ŹRÓDŁA ŚWIATŁA
2
1. Wstęp
Zasada działania półprzewodnikowych źródeł światła (LED-ów i diod laserowych
LD) jest bardzo podobna. Są to złącza półprzewodnikowe spolaryzowane w kierunku
przewodzenia, w których zachodzi rekombinacja promienista par elektron-dziura.
Każdy akt rekombinacji promienistej wyzwala kwant promieniowanie (foton) o energii
równej lub większej od szerokości przerwy energetycznej w półprzewodniku.
E p = hf =
hc
λ
(1)
gdzie:
h - stała Plancka
f - częstotliwość fotonu
λ - długość fali
c - prędkość światła
I
LED
LD
λ
Rys. 1: Widmo promieniowania diody LED i LD.
Diody elektroluminescencyjne
Dioda elektroluminescencyjna - LED (Light Emitting Diode) jest źródłem światła
wykorzystującym zjawisko emisji spontanicznej. Emisja spontaniczna jest emisją
nieuporządkowaną i zachodzi w rozbieżnych kierunkach.
Istotną wadą diod jest to, że emitują one dość szerokie widmo ciągłe z pewnego
przedziału długości fal (około 20nm). Zaletą diod LED w porównaniu z diodami
laserowy jest większa odporność i niezawodność na przeciążenia, mniejsza
wrażliwość na zmiany temperatury oraz niższy koszt.
Diody laserowe
Diody laserowe LD (Laser Diode), wykorzystuje zjawisko emisji wymuszonej
światła. Przy tym dla efektywnej generacji promieniowania wymuszonego gęstość
energii optycznej musi być odpowiednio wysoka, co uzyskuje się poprzez
umieszczenie obszaru aktywnego lasera między dwoma zwierciadłami. W ten
sposób tworzy się rezonator dla fali optycznej, w którym kumuluje się znaczna
energia optyczna w postaci fali stojącej.
POLITECHNIKA GDAŃSKA
KATEDRA OPTOELEKTRONIKI
ĆWICZENIE 1: ŹRÓDŁA ŚWIATŁA
3
Dla zainicjowania akcji laserowej prąd zasilający musi mieć odpowiednią wartość
zwaną prądem progowym Ip. Emisja wymuszona jest emisją w dużym stopniu
uporządkowana, a emitowana wiązka światła ma niewielką rozbieżność kątową
(zazwyczaj kilka stopni).
Podstawową zaletą diod laserowych jest ich wąskie widmo częstotliwościowe
promieniowania, rzędu kilku nanometrów lub nawet dziesiątych części nanometra.
Źródła żarowe
Najprostsze i najtańsze są źródła żarowe, w których metalowy żarnik ogrzewany
jest przez przepływający prąd elektryczny. Emitują one światło o widmie ciągłym
zależnym od temperatury żarnika. Ich wadą jest to, że światło wytwarzane przez
źródło żarowe trudno jest zogniskować i uzyskać stabilne widmo ze względu na duże
rozmiary.
Transoptor
Transoptor to izolowana elektrycznie para: źródło promieniowania i fotodetektor,
sprzężone optycznie i umieszczone we wspólnej obudowie.Jednym z parametrów
transoptora jest przekładnia prądowa, która jest definiowana jako stosunek prądu na
wyjściu układu (na wyjściu fotodetektora) do prądu na wejściu transoptora (prądu
sterującego źródłem światła).
2. Opis urządzenia
Urządzenie poniżej opisane pozwala przeprowadzić pomiary statycznych
charakterystyk prądowo-napięciowych trzech rodzajów źródeł, charakterystykę
prądowo-prądową (czyli przekładnię) transoptora oraz charakterystykę mocy
promieniowania diody laserowej w zależności od wartości prądu zasilania.
+12V
I
Zasilacz
U
d
z
220V Stabilizator
+12V
A
V
A
TRANSOPTOR
V
LED
LASER
500Ω
ŻARÓWKA
Rys. 2: Schemat ideowy układu pomiarowego.
POLITECHNIKA GDAŃSKA
KATEDRA OPTOELEKTRONIKI
V
ĆWICZENIE 1: ŹRÓDŁA ŚWIATŁA
4
Urządzenie pomiarowe przedstawione powyżej składa się z trzech bloków:
•
zasilacza ze stabilizatorem ( +12V ) - zasilanie całego układu
•
regulowanego źródła prądu Id
•
regulowanego źródła napięcia Uz
•
zestawu przełączników funkcyjnych dołączających w odpowiedni sposób
zasilanie oraz przyrządy pomiarowe do badanego układu. Sposób dołączenia
przyrządów przy pomiarze kolejnych charakterystyk przedstawiony jest na
schemacie.
20
30
40
Power
5
Gniazdo LEDa
0
0
10
+
V
mA
Żarówka
Gniazdo
diody laserowej
Przełączniki funkcyjne
LED
1
Regulacja
I lub U
Żarówka Transoptor LASER
2
3
4
Rys. 3: Wygląd panelu czołowego układu laboratoryjnego.
3. Zadania pomiarowe.
1. Pomierzyć charakterystykę statyczne U=f(I) wybranych przez prowadzącego diod
elektroluminescencyjnych.
2. Pomierzyć charakterystykę statyczną I=f(U) żarówki sygnalizacyjnej.
3. Pomierzyć charakterystykę statyczną (przekładnię prądowo – prądową) Io=f (Id)
transoptora.
4. Pomierzyć charakterystykę statyczną U=f(I) diody laserowej.
5. Pomierzyć charakterystykę mocy promieniowania diody laserowej Pe=f(I).
4. Sposób dokonywania pomiarów.
Włączyć zasilanie urządzenia, sprawdzić czy kontrolki w wyłączniku na tylnym
panelu i LED czerwony w przednim palą się. Podłączyć do gniazd bananowych
zewnętrzny woltomierz z zachowaniem polaryzacji: czarne gniazdo - minus miernika,
czerwone - plus.
Przełącznikiem funkcji załączać kolejno rodzaj pomiaru, i tak:
1. Pomiar charakterystyk diod LED.
Podłączyć wybraną diodę do zacisków. Potencjometrem można regulować
liniowo natężenie prądu w zakresie 0-30mA. Miernik (dołączony i wbudowany)
wskazują napięcie na diodzie i prąd przez nią płynący.
POLITECHNIKA GDAŃSKA
KATEDRA OPTOELEKTRONIKI
ĆWICZENIE 1: ŹRÓDŁA ŚWIATŁA
5
2. Pomiar charakterystyki żarówki.
Żarówka jest wbudowana w układ i podłączona. Potencjometrem można liniowo
regulować napięcie.
3. Pomiar charakterystyki transoptora.
Transoptor zamontowany jest wewnątrz układu i dołączany przełącznikiem
funkcyjnym. Potencjometrem regulujemy liniowo natężenie prądu w sensownym
zakresie. Miernik wbudowany (amperomierz) wskazuje prąd płynący przez diodę
elektroluminescencyjną transoptora natomiast woltomierz mierzy napięcie na
rezystorze 500Ω podłączonym do fototranzystora.
4. Pomiar charakterystyk diody laserowej.
Do gniazda znajdującego się bezpośrednio nad przyciskiem nr 4 (przełącznika
funkcyjnego) podłączyć wskaźnik laserowy - zaopatrzony w wtyczkę typu
mini-jack. Potencjometrem możemy regulować liniowo natężenie prądu
w zakresie 0-50mA. Miernik (dołączony i wbudowany) wskazują napięcie na
wskaźniku laserowym i prąd przez niego płynący. Miernik mocy promieniowania
pokazuje (w jednostkach umownych) aktualną moc świecenia diody laserowej.
Podczas pomiarów należy zwrócić uwagę na następujące zagadnienia:
• zaobserwować prąd świecenia diod LED i diody laserowej,
• zaobserwować próg akcji laserowej,
• zaobserwować spadki napięć (przy określonym prądzie) diod LED o różnych
długościach fal emitowanego światła,
• zaobserwować zmiany rezystancji badanej żarówki,
• biorąc pod uwagę ograniczone napięcie zasilające występujące w układzie należy
zastanowić się nad zakresem, w jakim ma sens dokonywanie pomiarów
transoptora.
5. Opracowanie wyników.
1. Wykonać wykresy charakterystyk statycznych LEDów. Na wykresach zaznaczyć
i opisać punkty charakterystyczne (np. próg świecenia).
2. Wyjaśnić, dlaczego diody LED przy określonym prądzie (identycznym dla
wszystkich badanych diod), nie wykazują identycznego spadku napięcia
(zależność od długości fali emitowanego promieniowania).
3. Wykreślić charakterystykę statyczną żarówki oraz wykonać wykres zależności
rezystancji od napięcia zasilania R=f(U). Opisać, w jakim zakresie rezystancja
żarówki ulegała zmianie. Wnioski uzasadnić teoretycznie.
4. Dla transoptora wykonać wykres zależności prąd wyjściowego od prądu
wejściowego oraz obliczyć przekładnię transoptora (Io/Id) (Io - prąd wyjściowy,
Id - prąd wejściowy). Podać zakres, w którym badany był transoptor wraz
z uzasadnieniem.
5. Wykonać wykres zależności napięcia od prądu oraz mocy promieniowania od
prądu dla diody laserowej. Na wykresach zaznaczyć próg akcji laserowej.
POLITECHNIKA GDAŃSKA
KATEDRA OPTOELEKTRONIKI