Sebastian Jaroszczuk 23.11.1998 Wrocław

III rok FIZYKA

prow. Dr F.Gołek

ĆWICZENIE NR 36

Temat :

Badanie transoptorów.

1. Dioda elektroluminescencyjna :

Diody elektroluminescencyjne (DEL) są optoelektronicznymi elementami półprzewodnikowymi opartymi na wykorzystaniu zjawiska promienistej rekombinacji nośników ładunków wstrzykiwanych przez złącze p-n, wyniku czego oddaje energię w postaci fotonów. Symbol graficzny wygląda następująco :

Diody te są spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Strumień światła emitowany przez diodę jest wprost proporcjonalny do natężenia napięcia przepływającego przez diodę. Najczęściej spotykane diody elektroluminescencyjne to te wykonane z arsenku galu; świecą wówczas na czerwono.

2. Fotodetektor :

Fotodetektory to elementy półprzewodnikowe, których działanie zależy od ich oświetlenia strumieniem światła. Jednym z fotodetektorów jest fotoogniwo, które zbudowane jest z elektrody metalowej, na której umieszczona jest warstwa półprzewodnika, która z kolei jest powleczona cienką warstwą złota pełniącą funkcję drugiej elektrody fotoogniwa:

Elektroda 1

Warstwa półprzewodnikowa

Elektroda 2

Fotoogniwo wykorzystuje efekt fotowoltaiczny (zjawisko fotoelektryczne). W przypadku ogniwa zwartego, prąd płynący przez ogniwo jest proporcjonalny do natężenia oświetlenia. Ze względu na liniowy charakter fotoogniwa nadają się świetnie jako elementy pomiarowe (np. w światłomierzach fotograficznych).

Innymi fotodetektorami jest :

• Fotorezystor - zmniejszający opór podczas oświetlenia;

• Fotodioda - spolaryzowana w kierunku zaporowym, której charakterystyka prądowo-napięciowa zależy od oświetlenia;

• Fototranzystor - którego baza zaczyna przewodzić pod wpływem strumienia światła.

3. Parametry elementów optoelektrycznych i metody ich pomiaru

• charakterystyka oświetleniowa fotodetektora (np. w przypadku fotoogniwa zależność prądu płynącego przez fotoogniwo od natężenia oświetlenia. Dodatkowym parametrem tutaj jest wartość oporu pomiędzy przeciwległymi biegunami fotoogniwa).

• charakterystyka prądowo-napięciowa, np. fotorezystora, która oczywiście zależy także od natężenia oświetlenia.

• częstotliwość graniczna jest to parametr określający maksymalną częstotliwość sygnału, z jaką dany fotoelement pracuje poprawnie, tzn. daje na wyjściu sygnał o tej samej częstotliwości.

4. Budowa i zastosowanie transoptorów :

Transoptor jest to para elementów optoelektronicznych, sprzężonych optycznie, umieszczonych we wspólnej obudowie. Składa się ze źródła promieniowania i fotodetektora, najczęściej diody świecącej i fototranzystora (np. z diody arsenkowo-galowej i fototranzystoru można zbudować element zwany transoporem. Obudowa nieprzepuszczająca światła zamyka diodę luminescencyjną połączoną cienkimi nitkami szklanymi z tranzystorem).

W przyrządy takich dioda pobudzona prądem wejściowym emituje promieniowanie kierowane włóknami szklanymi do fototranzystora. Prąd wyjściowy fototranzystora jest proporcjonalny do sygnału wejściowego na diodę. Taki układ nazywamy wzmacniaczem optycznym. Najważniejszymi parametrami pracy transoptorów są wzmocnienie

,

graniczna częstotliwość pracy f_gr , oraz wartość progowa napięcia wejściowego. f_gr jest taką częstotliwością sygnału wejściowego, która zaczyna generować stały sygnał na wyjściu. Wartość progowa napięcia wejściowego jest to napięcie, przy którym układ dopiero zaczyna prawidłowo pracować.

Transoptory, mówiąc ogólnie, pozwalają na przesyłanie sygnałów cyfrowych między układami o rozdzielonych masach. Za pomocą transoptora można przełączać sygnały analogowe, bez obawy pojawienia się efektów związanych z wstrzykiwaniem ładunku. Transoptory są wygodne w konstruowaniu układów o dużej precyzji oraz układów pracujących z bardzo słabymi sygnałami. Transoptory charakteryzują się następującymi typowymi parametrami:

dopuszczalna wartość skuteczna napięcia	2500 V
rezystancja izolacji	10^12 Ω
pojemność	< 1 pF

Wykonanie ćwiczenia :

Badany układ typu CNY17-3 zmontowałem według poniższego schematu :

Układ ten umożliwił mi obserwowanie na ekranie oscyloskopu w pozycji Y_A sygnału wejścia przed (pozycja 1) i za (pozycja 2) opornikiem R₁. Drugi obraz Y_B przedstawia sygnał wyjściowy.

W pierwszej części ćwiczenia posługiwałem się generatorem umożliwiającym zmianę częstotliwości sygnału sinusoidalnego.

Uzyskany obraz sygnału wejściowego w stanie podłączenia 1 wygląda następująco :

Przy ustawieniu oscyloskopu na wartości 0.5 V/cm , można odczytać wartość napięcia, która w naszym przypadku wynosiła 2,2 V. Przy zmianie stanu połączenia z 1 na 2, uzyskany obraz uległ zmianie względem poprzedniego. Różnice widać na poniższym wykresie :

Efektem przejścia przez dodatkowy opornik jest zniekształcenie przechodzącego sygnału w ujemnych wartościach. Nie wpływało to na dalsze wyniki, ponieważ dla tej części obraz sygnał wyjściowy był linią prostą. Obraz sygnału wyjściowego wyglądał następująco :

Korzystając z tego obrazu i kolejnych (dla innych częstotliwości), otrzymuje zastępujące zależności napięcia wyjściowego od częstotliwości przy stałym napięciu wejściowym :

Częstotliwość Hz	Napięcie wyjściowe		Napięcie wyjściowe
200	2,1
300	2
400	1,95
500	1,9
600	1,75
700	1,7
800	1,6
900	1,5
1000	1,45
1100	1,4
1200	1,35
1300	1,3
1400	1,25
1500	1,2
1600	1,15
1700	1,1
1800	1,05
1900	0,95
2000	0,8
2100	0,55
2200	0,45
2300	0,35
2400	0,3
2500	0,25
2600	0,2

Korzystając z otrzymanych wyników mogę sporządzić wykres zależności napięcia wyjściowego od zastosowanej częstotliwości transoptora. Wygląda on następująco :

W drugiej części doświadczenia wykorzystałem w badanym układzie generator sygnału prostokątnego. Dla trzech wybranych częstotliwości zbadałem sygnał wyjścia, który przyjmował następujący kształt :

• 
  dla częstotliwości od 500 do 1500 Hz

• 
  dla częstotliwości od 1500 do 5000 Hz

• 
  dla częstotliwości od 5 do 15 kHz

(widoczne dodatkowe linie poziome odcinają wysokość wykresu w wartościach 10% i 90%)

Korzystając ze wzory f_gr= 0.35 / t_r , znając wartość skali (1 cm - 10μs) otrzymałem następujące wartości częstotliwości granicznych :

Badana częstotliwość	Czas narastania tr [μs]	Częstotliwość graniczna
500-1500 1500-5000 5000-15000	24 22 18	0,014583 0,015909 0,019444

---