Фотодиоды, светодиоды и светодиодные индикаторы, диодные оптроны

Фотодиоды. Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор с р-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 р-n-перехода 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 р-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 р-n-перехода уменьшается, и ток в нагрузке R_H 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 Up - напряжение, рекомендуемое для надежной работы диода; максимально допустимое напряжение U_max - напря­жение, при превышении которого может произойти разрушение фотодиода; - 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; Sинт 3,75 мА/лм; U_max = 20 В, = (-60 + +85)° С. Конструктивное оформление диода приведено на рис. 13, где 1 — фокусирующая линза; 2 — кристалл полупроводника; 3 — кристаллодержатель; 4 — корпус; 5 — изолирующее основание; б — внешний вывод. Линза l 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 Iпр.мах; диапазон рабочих температур Т

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

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 Uп.

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, 3, 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 (5x7) или 100 (10x10). Подавая напряжение на определенные точки, получают изображение какой-либо цифры или графического знака, например, знака суммы .

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 2x2x1 мм, снабженную четырьмя гибкими выводами.