Ćwiczenie. Parametry dynamiczne detektorów i diod LED. Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi parametrami dynamicznymi diod LED oraz detektorów. Poznanie możliwych do uzyskania szybkości działania diod LED i detektorów. Zapoznanie się z jednym ze sposobów modulacji światła, doborem punktu pracy diody LED i detektorów. Dodatkowo student zapozna się z charakterystykami widmowymi różnych źródeł światła, np. diody LED, lasera półprzewodnikowego, żarówki żarowej, rtęciowej,sodowej i energooszczędnej oraz świetlówki.. Budowa układu Schemat układu zasilania diod LED pokazano na Rys.. Na jednej płytce połączone są różne diody LED, które przełącza się przestawiając zworkę. Zw LED L ED Zw LED L ED Z as AC Zw LED3 Zworka amp L ED3 Z as DC C 00pF C 470uF U Led Zw LED4 K L ED4 Zw LED5 L ED5 Zw LED6 L ED6 Zw LED7 L ED7 Zw LED8 L ED8 Zw LED9 L ED9 Zw LED0 L ED0 Masa R pom Rysunek. Schemat połączenia diod LED. 0.47 Rysunek. Widok płytki drukowanej z diodami LED. Schemat układu zasilania detektorów pokazano na Rys.3. Na jednej płytce połączone są różne detektory światłą, które przełącza się przestawiając zworkę. 7
Rysunek 3. Schemat połączenia detektorów. Rysunek 4. Widok płytki drukowanej z detektorami. 8
3. Przygotowanie do zajęć. Przygotowanie do zajęć szacuje się na do 3 godzin. 3.. Materiały źródłowe. [] Wykład z Optoelektroniki. [] A. Pawlaczyk, Elementy i układy optoelektroniczne, WKiŁ, Warszawa 984, strony: 5-59, -4, 5-3, 4-57. [3] M. Rusek, J. Pasierbiński, Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa, 99, strony: 8-0. [4] U. Tietrze, Ch. Schenk, Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa, 996, strony: 8-9. [5] K. BOOT, S. Hill, Optoelektronika, WKiŁ, Warszawa, 00, strony: 6-0, 95-05, 07-09, 58-89, 38-40. [6] B. Ziętek, Optoelektronika,WUMK, Toruń 005, strony:443-477 3.. Pytania kontrolne.. Rozkład widmowy promieniowania elektromagnetycznego, długość fali a częstotliwość. Podstawowe jednostki świetlne i energetyczne promieniowania: Natężenie napromieniowania, Natężenie promieniowania, Strumień świetlny, Natężenie oświetlenia, Światłość, Luminancja (jasność) 3. Widmowy rozkład diod LED, laserów i żarówek. 4. Szybkości działania różnych detektorów, diod LED 5. Zasilanie diod LED punkt pracy, modulacja. 6. Modulacja światła 4. Przebieg ćwiczenia 4.. Wyznaczenie maksymalnej szybkości działania diod LED. 4... Podłączenie układu 4...Podłączenie detektora Jako detektor należy podłączyć diodę PIN najszybszy z dostępnych detektorów. W tym celu przepinamy odpowiednią zworkę. Podłączamy zasilanie DC = 6 V do zacisków Zas DC oraz amperomierz (lub zworkę) do zacisków Amper. Pomiar wpływu światła z diody LED monitorujemy za pomocą oscyloskopu mierząc spadek napięcia na rezystorze kω (prąd) pomiędzy zaciskami Masa i UR. 4...Podłączenie Diod LED Podłączyć napięcie DC do zacisków Mod DC (tak by nie przekroczyć prądu diody 0 ma) Podłączyć napięcie AC do zacisków Mod AC z generatora Podłączyć amperomierz do zacisków Amp (rozewrzeć zworkę) Podłączyć -gi kanał oscyloskopu pomiędzy Masę a zacisk UR 4... Dobór punktu pracy Diod LED Dobrać napięcie zasilania DC tak, by dioda pracowała powyżej napięcia progowego (prąd diody 5-7 ma) Dobrać amplitudę napięcia Modulacji AC tak, by dioda przez cały czas pracowała powyżej swojego napięcia progowego (przy modulacji sygnałem sinusoidalnym sprawdzi spadek napięcia na diodzie LED powinien być quasi-sinusoidalny, amplituda napięcia modulacji dziesiątki mv. 4... Przebieg pomiarów 9
Sygnał modulujący przełączyć na napięcie prostokątne. Wyznaczyć maksymalną częstotliwość pracy diod LED dostępnych na płytce (założyć, że ograniczenia wynikają z szybkości działania diod LED) odczyt z oscyloskopu Amplituda 90% 0% td tr ton ts tf toff Czas t on czas włączenia, t on =t d +t r t d czas opóźnienia t r czas narostu t s czas przełączania t f czas opadania t p czas trwania impulsu liczony od chwili, gdy impuls narośniedo 50% swojej wartości maksymalnej do chwili, w której impuls opadnie do 50% maksymalnej wartości Maksymalną częstotliwość działania diody f g wyznaczamy dla sygnału, którego: f g =0,35/t r lub f g =0,35/t f lub sygnał spada o 3dB. Zmierzyć czas narostu i czas opadania poszczególnych diod LED odczyt z oscyloskopu. Czasy narostu i opadania mierzymy od 0 do 90% maksymalnej wartości amplitudy. 4... Wpływ punktu pracy na maksymalną częstotliwość pracy Sprawdzić szybkość działania wybranej diody modulując tak napięcie sterujące, by napięcie na diodzie spadało poniżej napięcia progowego diody ustawić napięcie stałe Mod DC poniżej napięcia progowego i zwiększyć napięcie Mod AC. 4.. Pomiar szybkości działania detektorów 4... Zmienić detektor przełączając zworkę na płytce z detektorami 0
Pomiary powtórzyć dla wszystkich detektorów dostępnych na płytce (punkt 4.. bez 4...) 4.3. Pomiar długości fali emitowanej przez różne źródła światłą (wszystkie grupy wykonują pomiar na stanowisku - Instrukcja A) Wykonać pomiary długości emitowanej fali wszystkich dostępnych na stanowisku źródeł światła spektrometrem dostępnym na osobnym stanowisku. 5. Wnioski Sprawozdanie powinno zawierać:. Tabelę z wynikami pomiarów maksymalnych częstotliwości pracy, czasów narostu i czasów opadania diod LED (Tabela.). Tabelę z wynikami pomiarów maksymalnych częstotliwości pracy, czasów narostu i czasów opadania detektorów (Tabela.) 3. Charakterystyki widmowe różnych źródeł światła 4. Wnioski i spostrzeżenia
Tabela. Parametry dynamiczne diod LED (pomiar z fotodiodą PIN) LED LED LED 3 LED 4 LED 5 LED 6 LED 7 U DC >U prog U DC <U prog Tabela. Parametry dynamiczne detektorów Fotodioda PIN Fotorezystor Fototranzystor Fototranzystor 3 Fotodioda LED LED LED 3 LED 4 LED 5 LED 6 LED 7
Ćwiczenie A pomiar parametrów spektralnych różnych źródeł światła Pomiar charakterystyk spektralnych różnych źródła światła. Pomiary przeprowadzamy na oddzielnym stanowisku czas pomiarów: nie więcej niż 0 minut (stanowisku musi być dostępne dla wszystkich grup laboratoryjnych).. Pomiar spektrografem USB4000... Uruchomić program SPECTRASUITE skrót na pólpicie.. Następnie należy wybrać: File/New/Spectrum Graph. Pojawi się okienko pomiarowe, gdzie można obserwować widmo sygnału optycznego jakie dociera do detektora przez dołączany światłowód..3. Następnie skierować końcówkę światłowodu w kierunku badanego źródła światła. W zależności od natężenia światła ustawić czas próbkowania (Integration time w lewym górnym rogu) tak, by sygnał był dużo większy od szumu, a z drugiej strony nie był obcinany nasyceniem fotodetektora..4. Dobrać skalę x i y za pomocą przycisków powyżej wykresu.5. Włączyć pojedynczy pomiar za pomocą przycisku 3
.6. Jeżeli na jednym wykresie chcemy umieścić więcej przebiegów klikamy ikonę Spectrum Graph lub wciskamy CTRL + G. Na wykresie pojawi się kolejny przebieg.. Przebieg pomiarów... Zdjąć charakterystyki spektralne dostępnych na stanowisku źródeł światła... Przeprowadzić dyskusję na temat otrzymanych wyników. 4