Фотодиоды, светодиоды и светодиодные индикаторы, диодные оптроны

Фотодиоды. Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор с p-n-переходом, в котором специальным подбором химиче­ского состава исходных материалов добиваются высокой чувстви­тельности к воздействию светового потока. В отсутствие света фото­диод и обычный выпрямительный полупроводниковый диод не отли­чаются по своим физическим свойствам и имеют сходные вольтамперные характеристики. При воздействии света по обе стороны p-n­перехода возникают пары свободных носителей зарядов – элект­ронов и дырок, на выводах фотодиода появляется разность потенци­алов порядка 0,4 В. При подключении к выводам фотодиода внеш­ней нагрузки (рис. 12, а) в ее цепи возникает электрический ток. Плотность этого тока невелика и составляет всего 5–15 мА/см² рабочей поверхности фотодиода. Такой режим работы фотодиода называется вентильным и используется для непосредствен­ного преобразования в солнечных батареях световой энергии Солн­ца в электрическую.

В устройствах автоматики фотодиоды работают с внешним источ­ником питания (рис. 12, б) при обратном напряжении на p-n-переходе. Такой режим называется фотодиодным. Фотодиод, включен­ный в электрическую цепь в непроводящем направлении, ведет себя как резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от интенсивности освещения. С увеличением яркости светового потока обратное сопротивление p-n-перехода уменьшается, и ток в нагруз­ке R _Н возрастает. Основными параметрами фотодиода в этом режи­ме являются: интегральная токовая чувствительность S _ИНТ — отношение фототока к вызвавшему его потоку излучения; темновой ток I _T — ток фотодиода при отсутствии освещения; рабочее напря­жение питания U _P–напряжение, рекомендуемое для надежной работы диода; максимально допустимое напряжение U _max – напря­жение, при превышении которого может произойти разрушение фо­тодиода; ∆ T – диапазон рабочих температур.

Промышленностью выпускаются германиевые и кремниевые фо­тодиоды. Интегральная чувствительность германиевых фотодиодов имеет порядок 10—20 мА/лм. У кремниевых она в несколько раз меньше. Однако кремниевые фотодиоды отличаются лучшей стабильностью параметров, значительно меньшей величиной темнового тока и способны работать в широком диапазоне температуры. Например, типовой кремниевый фотодиод ФД265 имеет следующие параметры: I _T £ 10^-4 мА при U _P = (4±1) В; S _ИНТ ³ 3,75 мА/лм; U _max = 20 В, ∆ T = (–60 ÷ +85)° С. Конструктивное оформление диода приведено на рис. 13, где 1 — фокусирующая линза; 2 — кристалл полупроводника; 3 — кристаллодержатель; 4 — корпус; 5 — изолирующее основание; 6 — внешний вывод. Линза 1 предназначена для фокусировки светового потока на кристалле полупроводника.

Светодиоды и светодиодные индикаторы. В отличие от фотодиода светодиод сам излучает свет при протекании через него прямого тока (прямая ветвь вольт-амперной характеристики). При включении светодиода в непроводящем направлении (обратная ветвь) ток через светодиод не протекает и его свечение отсутствует. В зависимости от химического состава материала полупроводника светодиоды излучают свечение красного, оранжевого, желтого или зеленого цвета. Кроме того, изготавливаются светодиоды с переменным цветом свечения. Они имеют два р-n-перехода с разным цветом свечения. Общий цвет зависит от соотношения токов, протекающих через эти переходы. Конструктивно светодиоды оформлены в виде бусин, миниатюрных лампочек, прозрачных колпачков, которые светятся при протекании через них тока. Основными параметрами светодиода являются: сила света I _V — световой поток, излучаемый светодиодом, приходящийся на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном к плоскости излучающего кристалла; цвет свечения; постоянное прямое напряжение U _ПР — значение напряжения на светодиоде при протекании прямого тока; максимально допустимые Обратное Напряжение U _ОБР.MAX и постоянный прямой ток I _ПР.MAX; диапазон рабочих температур ∆ T.

Основные параметры некоторых типов светодиодов, выпускаемых серийно, приведены в табл. 3. Таблица 3

Тип свето­диода	Цвет свечения	I ПР, мА	I V, мкд	U ПР, В	Корпус
ЗЛ341А	Красный		0,15	2,8	Металлостеклянный
ЗЛ341В	Зеленый		0,15	2,8	»
ЗЛ341Д	Желтый		0,15	2,8	»
АЛ301Б	Красный		0,10	2.8	Бескорпусное исполнение
АЛС331А	Красный, зеленый		0,60	4,0	Металлостеклянный

Примечание: Для всех типов элементов U _ОБР.MAX = 2 В; I _ПР.MAX = 11 мA; ∆ T = (–60÷ +70)°С.

На рис. 14 приведены одна из возможных схем включения свето­диода и примерный вид конструктивного оформления. Диод VD1 не является принципиально необходимым и выполняет лишь защит­ную функцию, предотвращая попадание на светодиод VD2 выбросов обратного напряжения источника U _П.

Кроме светодиодов, используемых в качестве точечных источни­ков видимого света, выпускают цифровые, знаковые, линейные и матричные светодиодные индикаторы. Цифровые и знаковые индика­торы могут быть одно- и многоразрядными. Одноразрядный индика­тор (рис. 15, а)позволяет высвечивать арабские цифры от 0 до 9, десятичную запятую и отдельные буквы русского алфавита А, Б, Г, Е, З, О, П, Р, С, У, Ч. Высота знака определяется типом индикатора и заключена в пределах от 2,5 до 25 мм. Многоразрядные индикато­ры (3–5, 7, 9 и 16 разрядов) отображают целый ряд горизонтально расположенных чисел или цифро-буквенных сочетаний (рис. 15,6). Все цифры или буквы составляются из семи линейных элементов, каждый из которых представляет собой отдельный светодиод.

Линейный индикатор высвечивает изображение в виде пяти па­раллельных линий. Цвет свечения – красный или зеленый. Матрич­ный (буквенно-цифровой) индикатор (рис. 15, в) имеет индикацион­ное поле, состоящее из дискретных светящихся точек. Точек может быть или 35 (5×7) или 100 (10×10). Подавая напряжение на опре­деленные точки, получают изображение какой-либо цифры или гра­фического знака, например, знака суммы S.

Основными параметрами большинства светодиодных индикато­ров, как и обычных светодиодов, являются сила света, цвет свечения, постоянное прямое напряжение, максимально допустимый прямой ток, диапазон рабочих температур.

Диодные оптроны. Светодиод, конструктивно объединенный с фотодиодом, образует так называемую оптронную пару, или просто оптрон (рис. 16). Передача сигнала в оптроне осуществляется луча­ми света, поэтому входная (1-4)и выходная (2-3)цепи оптрона прак­тически полностью изолированы друг от друга. Это свойство опт­ронов используется в устройствах автоматики во всех тех случаях, когда электрическая связь между различными частями их схемы не­желательна (например, на электровозах для изоляции низковольт­ных измерительных устройств от высоковольтных элементов). Про­мышленностью выпускаются оптроны в круглых металлостеклянных корпусах, в пластмассовых корпусах и в бескорпусном исполнении. В последнем случае оптрон (например, типа АОД201А) представля­ет собой миниатюрную непрозрачную таблетку размерами 2×2×1 мм, снабженную четырьмя гибкими выводами.

Дата добавления: 2013-12-13