- •Кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта»
- •Электроника Конспект лекций
- •Предисловие
- •Введение
- •Лекция 1. Полупроводниковые материалы, конструкция и свойстваp-nперехода
- •1.1. Полупроводниковые материалы
- •1.2. Получение односторонней проводимости
- •1.3. Виды пробояp-nперехода
- •1.4. Ёмкостиp-nперехода
- •1.5. Конструктивное исполнениеp-nперехода
- •Лекция 2. Полупроводниковые диоды, основные параметры и классификация. Режим нагрузки полупроводниковых диодов. Графический и аналитический методы расчёта схем
- •2.1. Полупроводниковые диоды
- •2.2. Классификация и система обозначения полупроводниковых диодов
- •2.3. Режим нагрузки полупроводниковых диодов
- •Лекция 3. Применение полупроводниковых диодов. Однофазные выпрямители
- •3.1. Классификация и основные параметры выпрямителей
- •3.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель
- •3.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель
- •3.3. Однофазный мостовой выпрямитель
- •Лекция 4. Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения. Работа выпрямителей на активно-ёмкостную нагрузку. Схемы с умножением напряжения
- •4.1. Пульсации выпрямленного напряжения
- •4.2. Сглаживающие фильтры
- •4.3. Работа выпрямителя на ёмкостный фильтр
- •4.4. Схемы с умножением напряжения
- •4.5. Внешняя характеристика выпрямителя с ёмкостным фильтром
- •Лекция 5. Полупроводниковые стабилитроны. Параметры, классификация, анализ работы схемы параметрического стабилизатора напряжения
- •5.1. Основные параметры стабилитронов
- •5.2. Классификация и система обозначения стабилитронов
- •5.3. Параметрический стабилизатор напряжения
- •5.4. Анализ работы схемы параметрического стабилизатора напряжения
- •Лекция 6. Транзисторы биполярные. Классификация, система обозначений, принцип действия, основные параметры, схемы включения и режимы работы
- •6.1. Биполярные транзисторы
- •6.2. Принцип действия биполярного транзистора
- •6.3. Схемы включения биполярного транзистора и их основные параметры
- •6.4. Режимы работы транзистора
- •Лекция 7. Статические характеристики транзисторов
- •7.1. Статические характеристики транзистора в схеме об
- •7.2. Статические характеристики транзистора в схеме оэ
- •7.3. Статические характеристики транзистора в схеме ок
- •Лекция 8. Работа транзистора в режиме нагрузки. Схема однокаскадного усилителя. Классы усиления
- •8.1. Работа транзистора в режиме нагрузки
- •8.2. Схема однокаскадного транзисторного усилителя
- •8.3. Класс усиления а
- •8.4. Класс усиления в
- •8.5. Класс усиления с
- •8.6. Класс усиленияD(ключевой режим работы транзистора)
- •Лекция 9. Влияние температуры на работу транзистора в режиме нагрузки. Схемы термостабилизации
- •9.1. Схема термостабилизации с оос по току базы
- •9.2. Схема термостабилизации с оос по напряжению база-эмиттер
- •Лекция 10. Влияние частоты усиливаемого сигнала на работу транзистора. Частотные характеристики однокаскадных транзисторных усилителей
- •10.1. Влияние частоты усиливаемого сигнала на работу транзистора
- •10.2. Схема и амплитудно-частотная характеристика усилителя оэ
- •10.3. Схема и амплитудно-частотная характеристика усилителя ок
- •10.4. Схема и амплитудно-частотная характеристика усилителя об
- •Лекция 11. Двухкаскадные усилители
- •11.1. Двухкаскадный усилитель оэ-оэ
- •11.2. Двухкаскадный усилитель ок-оэ (схема Дарлингтона)
- •11.3. Двухкаскадный усилитель оэ-об (каскодный усилитель)
- •11.4. Дифференциальный усилитель
- •Лекция 12. Полевые транзисторы. Классификация, принцип действия, основные параметры, схемы включения и режимы работы
- •12.1. Классификация полевых транзисторов
- •12.2. Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющимp-n переходом
- •12.3. Устройство и принцип действия полевых транзисторов с изолированным затвором
- •12.4. Основные параметры полевых транзисторов
- •12.5. Схемы включения полевого транзистора и их основные параметры
- •Лекция 13. Работа полевого транзистора в режиме нагрузки. Схема однокаскадного усилителя. Влияние температуры. Частотные и шумовые характеристики
- •13.1. Работа полевого транзистора в режиме нагрузки
- •13.2. Влияние температуры на работу полевого транзистора
- •13.3. Частотные характеристики полевых транзисторов
- •13.4. Шумовые характеристики полевых транзисторов
- •Лекция 14. Тиристоры, принцип работы, классификация и основные параметры
- •14.1. Устройство и принцип работы тиристора
- •14.2. Переходные процессы при открывании и закрывании тиристора
- •14.3. Влияние скорости нарастания прямого напряжения на работу тиристора
- •14.4. Классификация и система условных обозначений
- •Лекция 15. Применение динисторов и не запираемых тиристоров. Генератор пилообразного напряжения. Регулируемый выпрямитель. Закрывание тиристора в цепи постоянного тока
- •15.1. Генератор пилообразного напряжения (гпн)
- •15.2. Схема управления тиристором
- •15.3. Применение тиристоров. Управляемый выпрямитель
- •15.4. Закрывание тиристора в цепи постоянного тока
- •Лекция 16. Запираемые тиристоры. Симметричные тиристоры – симисторы
- •16.1. Запираемые тиристоры
- •16.2. Симметричные тиристоры – симисторы
- •16.3. Применение симисторов. Регулятор переменного напряжения
- •Лекция 17. Светодиоды. Фотодиоды. Оптоэлектронные устройства
- •17.1. Светодиоды
- •17.2. Фотодиоды
- •17.3. Оптроны
- •Лекция 18. Аналоговые интегральные микросхемы
- •18.1. Классификация аналоговых интегральных микросхем
- •18.2. Применение аналоговых интегральных микросхем
- •Библиографический список
Лекция 17. Светодиоды. Фотодиоды. Оптоэлектронные устройства
17.1. Светодиоды
Светодиодом (LED англ. Light-emitting diode) называется полупроводниковый прибор с одним p-nпереходом, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в световое излучение (излучающий некогерентный свет). Считается, что первый светодиод, излучающий свет в видимом диапазоне спектра, был изготовлен в 1962 году в университете Иллинойса группой, которой руководил Ник Холоньяк.
Условное графическое обозначение, структура и внешний вид светодиода представлены на рис. 17.1.
а) |
б) |
в) |
Рис. 17.1. Светодиод:
а условное графическое обозначение; б – структура; в – внешний вид
При прямом включении p-nперехода и пропуске прямого тока в процессе рекомбинации происходит переход электрона с высокого энергетического уровня в зоне проводимости (n) на низкий в валентной зоне (p). Разность энергий выделяется в виде кванта света (фотона). Диаграмма энергетических уровней в полупроводнике представлена на рис. 17.2.
Рис. 17.2. Диаграмма энергетических уровней в полупроводнике
Длина волны излучения определяется выражением
, (17.1)
где h– постоянная Планка,h= 4,13510-15эВс;
с- скорость света;
W– ширина запрещённой зоны.
Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Для видимой части светового спектра 770…400 нм. Основным цветам соответствуют следующие границы длин волн:
фиолетовый: 390—440 нм; синий: 440—480 нм; голубой: 480—510 нм; зелёный: 510—550 нм; |
жёлто-зелёный: 550—575 нм; жёлтый: 575—585 нм; оранжевый: 585—620 нм; красный: 620—770 нм. |
Такие длины волн соответствуют разности энергий электрона W1,6…3,1 эВ. Следовательно, для получения видимого излучения ширина запрещённой зоныWв полупроводнике должна быть более 1,6 эВ. Германий и кремний имеютW< 1,3 эВ, поэтому светодиоды из таких материалов сделать нельзя.
Для светодиодов применяют другие полупроводниковые материалы, например:
арсенид галлия (GaAs) – инфракрасное излучение;
арсенид галлия, легированный алюминием (AlGaAs) – красное свечение;
арсенид галлия, легированный фосфором (GaAsP) – оранжевое свечение;
фосфид галлия, легированный алюминием и индием (AlGaInP) – жёлтое свечение;
фосфид галлия, легированныйN – зелёное свечение;
карбид кремния (SiC), легированный (InGaN) – синее свечение.
При работе на светодиод следует подавать прямое напряжение. Схема включения светодиода в цепь постоянного тока и его вольтамперная характеристика представлены на рис. 17.3.
а) |
б) |
Рис. 17.3. Схема включения светодиода (а) и его вольтамперная характеристика (б)
В лекции 2 приведена система обозначений полупроводниковых диодов в соответствии с отраслевым стандартом ОСТ 11336.038 – 81 и его последующими редакциями. Стандарт определяет основные параметры светодиодов. Пример величин основных параметров для некоторых типов светодиодов представлен в таблице 17.1.
Таблица 17.1
Основные параметры светодиодов
Тип |
Цвет свечения |
Сила света, мкд (при токе, мА) |
Uпр, В, не более |
Iпр.макс, мА |
Максимум спектрального распределения, мкм |
АЛ307А |
красный |
0,15 (10) |
2 |
20 |
0,666 |
АЛ307В |
зелёный |
0,4 (20) |
2,8 |
22 |
0,57 |
КЛ101Б |
жёлтый |
0,15 (20) |
5,5 |
20 |
0,6 |
АЛ107А |
инфракрасный |
Мощность излучения 60 мВт |
2 |
100 |
0,9…1,2 |
Более подробные сведения о цветных светодиодах приведены в литературе [4, 13].
Существуют также сверх яркие белые светодиоды, применяемые для освещения. Они представляют собой полупроводниковый кристалл, излучающий ультрафиолетовое свечение, на поверхность которого наносится люминофор. Для получения требуемого угла излучения света применяется первичная оптика – линза (рис. 17.4).
а) |
б) |
Рис. 17.4. Конструкция (а) и внешний вид (б) белого светодиода
Излучение белых светодиодов характеризуются цветовой температурой. Она указывает только на спектральное распределение энергии излучения, а не на температуру источника. Цветовая температура выражается в кельвинах (К). При большем значении световой температуры излучение характеризуется синеватым оттенком, при меньшем - желтоватым и даже красноватым (рис. 17.5).
Рис. 17.5. зависимость оттенка белого света от световой температуры
Ток через белый светодиод составляет от 50 мА до 1 А при прямом напряжении от 3 до 3,6 В. Таким образом, мощность светодиода от 0,15 до 3,6 Вт. 30% этой мощности идёт на световое излучение, 70% выделяется в виде тепла. Для сравнения самая лучшая лампа накаливания выделяет в виде тепла 95% мощности, а люминесцентная лампа 80 - 85%. Для эффективного отвода выделяющегося тепла печатная плата для монтажа белых светодиодов выполняется из алюминия.
К преимуществам белых светодиодов как источников света следует отнести мгновенный (без разогрева) выход на рабочий режим, длительный срок службы, отсутствие пульсаций светового потока (питание светодиодов постоянным током).
Светодиод, как и любой полупроводник, обладает отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, то есть с ростом температуры увеличивается прямой ток и снижается прямое напряжение светодиода. Поэтому применять для питания светодиодов стабилизатор напряжения (см. лекцию 5) нежелательно. Чтобы обеспечить нормальную работу светодиодов в широком диапазоне температур следует стабилизировать ток через них. Для этой цели применяется широтно-импульсный стабилизатор с обратной связью по току нагрузки [1].
Работа светодиода зависит от температуры кристалла. С увеличением температуры яркость (сила света), а также падение напряжения на светодиоде уменьшается. Зависимость яркости от температуры практически линейная, в интервале рабочей температуры может изменяться в 2-3 раза. Также с ростом температуры снижается срок службы. Для сверх ярких светодиодов, номинальный ресурс не бывает выше 50…60 тыс. часов, цифра 100 000 часов может относиться только к индикаторным светодиодам.