Изучение характеристик светодиода

В.И. Плющаев

УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Учебно-методическое пособие

для студентов дневного и заочного обучения

по специальности
250503 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования»

Н. Новгород

Издательство ФБОУ ВПО «ВГАВТ»

Н. Новгород, 2015

УДК 621.3

П40

Плющаев В.И.

Устройства отображения информации: Учебно-методическое пособие для студентов дневного и заочного обучения по специальностям 250503 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования» / В.И. Плющаев – Н. Новгород: Издательство ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2015. – ___с.

Учебно-методическое пособие предназначено для обучения студентов очного и заочного методам проектирования и эксплуатации современных устройств отображения информации.

Рекомендовано к изданию кафедрой радиоэлектроники (протокол № от __.__.2014г.).

© ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2015

1.Полупроводниковые индикаторы

(светодиоды)

Светодиоды широко используются для индикация состояния приборов и аппаратуры, подсвета надписей и кнопок, создание шкал и информационных табло. Светодиоды обладают малым потреблением, имеют высокую надежность, малые габариты и вес, высокую яркость и ремонтопригодность.

Светодиод представляет собой излучающий р-n - переход, излучение в котором возникает в результате рекомбинации носителей зарядов (электронов и дырок) при прямом смещении р-n- перехода. Рекомбинация возникает в примыкающих к переходу слоях, ширина которых определяется диффузионными длинами Ln и Lp. При рекомбинации (переходе электрона из зоны проводимости в валентную зону) выделяется энергия, определяемая разностью энергий рекомбинирующих частиц (электрона и дырки). В большинстве полупроводников этот процесс осуществляется через примесные центры (ловушки) расположенные в середине запрещенной зоны. Энергия выделяется в виде тепловой энергии (фононов) и передается атомам кристаллической решетки. Такая рекомбинация называется безызлучательной. В определенных материалах (например, GaAs, GaSb, InAs, InSb и др.) наблюдаются переходы из зоны проводимости в валентную зону типа зона-зона (рис. 1.1).

При таких переходах выделяются фотоны. Энергия фотона равна разности энергий электрона в зоне проводимости и в валентной зоне. Фотоны с энергией большей (ΔЕ + 2δЕ) в основном поглощаются, переводя электроны из валентной зоны в зону проводимости. Фотоны с энергией от ΔЕ до (ΔЕ + 2δЕ) поглотиться не могут, т.к. верхняя часть валентной зоны свободна (электроны ушли в зону проводимости), а нижняя часть зоны проводимости заполнена. Таким образом, р-n – переход прозрачен для фотонов, энергия которых лежит в указанном интервале.

Рис. 1.1. Энергетическая диаграмма

Излучение возможно в узком диапазоне частот, соответствующем ширине запрещенной зоны ΔЕ с шириной спектра, определяемой величиной δЕ. Энергия фотона примерно равна

hν = hc/λ ≈ ΔE,

где ν – частота;

с – скорость света;

h – постоянная Планка.

Подставив в формулу постоянные величины, можно определить ширину запрещенной зоны (в электрон-вольтах), для получения излучения с длиной волны (в микрометрах):

ΔE ≈1,23 / λ.

Таким образом, для излучения видимого света (длина волны от 0,38 до 0,78 мкм) полупроводник должен иметь

ΔE >1,7 эВ.

Германий и кремний непригодны для производства светодиодов, т.к. ширина запрещенной зоны у них слишком мала. Спектральные характеристики светодиодов, изготовленных из разных материалов, приведены на рис.1.2.

Рис. 1.2. Спектральные характеристики светодиодов

Не все фотоны могут покинуть объем полупроводника – часть фотонов отражается от поверхности и поглощается в объеме полупроводника. Отношение числа фотонов излученных во внешнее пространство к числу зарядов, инжектированных через р-n - переход, называется квантовым выходом. Обычно значение квантового выхода составляет (0.1 – 30) %.

Яркость свечения светодиода пропорциональна числу зарядов, инжектированных р-n – переходом. Для получения приемлемых значений яркости необходимо обеспечить плотность тока через переход не менее 30 А/см². Эти значения достигаются при токах через диод в интервале 5 -100 мА. Основной характеристикой светодиода является яркостная характеристика (рис. 1.3). Ее можно апроксимировать функцией

,

где В – яркость светодиода;

I_Д - ток светодиода;

γ = 0,5 – 0,9 для светодиодов из GaP, γ = 1 – 3 для светодиода из GaAs.

Характеристика имеет линейный участок, в пределах которого яркость меняется в 10 – 100 раз. Пороговое значение тока I_пор для разных типов светодиодов лежит в пределах 0,1 – 2,5 мА.

Рис. 1.3. Люкс-амперная (яркостная) характеристика

Простейшая схема подключения светодиода к источнику напряжения приведена на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Схема включения светодиода

Поскольку светодиоды изготавливаются из материалов имеющих разную ширину запрещенной зоны, их вольт-амперные характеристики отличаются друг от друга. Чем шире запрещенная зона, тем большее прямое падение напряжения на диоде (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Вольт-амперные характеристики светодиодов,

выполненных из разных материалов

Величина ограничивающего резистора R (рис. 1.4) определяется выражением:

R = (U – U_пр) / I_пр.

Напряжение U_пр и ток I_пр определяются по вольт-амперной характеристике светодиода (рис. 1.5). Учитывая наличие допусков на величины U, Uпp, R минимальное и максимальное значения Iпр могут быть определены из соотношений

I _пр.min =(U_min – U_{пр max})/R_max,

I _пр.max =(U_max – U_{пр min})/R_min .

Путем изменения напряжения источника питания и сопротивления R и ужесточения допусков на них необходимо обеспечивать, чтобы I_{пр мax} не превышал максимально допустимого по паспорту значения I_пр и чтобы I_{пр мin} обеспечивал минимально допустимую яркость свечения светодиода.

При необходимости подключения к одному источнику питания

светодиодов различных цветов свечения (красного, зеленого, желтого) сопротивления токоограничивающих резисторов в связи с различием U_пp рассчитываются для светодиодов каждого цвета отдельно. Один из вариантов такого подключения представлен на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Параллельное включение светодиодов

Полупроводниковые индикаторы могут работать в статическом и динамическом режимах работы.

Статический режим. В этом режиме ток через светодиоды протекает в течении всего времени отображения информации. Часто для управления светодиодами используются ТТЛ микросхемы с открытым коллектором (например, К155ЛА8 на рис. 1.7а, К555ЛА6 и др.). Типовые схемы подключения приведены на рис. 1.7б,в.

Рис. 1.7. Управление светодиодом микросхемой с открытым

транзистором

В схеме на рис. 1.7б включение светодиода происходит при переключении сигнала на входе микросхемы с логической 1 на логический 0.При этом выходной транзистор микросхемы закрывается, ток через светодиод протекает через внешний ограничивающий резистор. В схеме на рис. 1.7в светодиод включается при смене входного сигнала с 0 на 1. При этом выходной транзистор открывается, ток от источника протекает по цепи источник питания - ограничивающий резистор – светодиод – транзистор - корпус.

При необходимости управления группой светодиодов (например 8 элементов в семисегментном индикаторе) используются дешифраторы (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Управление семисегментным индикатором с помощью

дешифратора

Динамический режим. При одновременном включении большого количества светодиодных индикаторов устройства отображения потребляют значительную мощность. Для снижения энергопотребления питание на индикаторы подается поочередно. Учитывая инерционность зрения для обеспечения восприятия информации без миганий, необходимо частоту возобновления информации для индикаторов, размещаемых на неподвижных объектах, поддерживать на уровне 100 Гц. Для приборов индикации, размещаемых на подвижных объектах, подверженных вибрациям, частота возобновления информации поддерживается на уровне, в 5 раз превышающем уровень вибрации. На рис. 1.9 показана схема подключения нескольких семисегментных индикаторов. Катоды индикаторов с помощью независимых ключей А1 – Аn подключаются к общей шине. Одноименные сегменты всех индикаторов соединены между собой. Рассмотрим вариант 1 (рис. 1.9). Ключ А1 замкнут, ключи А2 – An разомкнуты, на сегменты а и b всех индикаторов подается управляющее напряжение (логическая 1). В этом случае зажгутся только сегменты a и b первого индикатора (закрашены на рис. 1.9). Если замкнут только ключ An (остальные разомкнуты), на сегменты k всех индикаторов подается логическая единица, то зажженным окажется только сегмент k последнего индикатора (вариант 2 на рис. 1.9). Здесь же приведена диаграмма работы устройства с динамической индикацией.

Рис. 1.9. Динамическая индикация

Время протекания тока через светящийся элемент обратно пропорционально количеству индикаторов в устройстве, поэтому значение среднего прямого тока сегментов и яркость их свечения сокращаются. Для поддержания яркости свечения на прежнем уровне

необходимо сохранять средний прямой ток за счет увеличения импульсного тока. Кроме того, с возрастанием пикового тока светодиодов светоотдача на единицу тока увеличивается. Таким образом, для обеспечения одной и той же яркости свечения индикатора при управлении им в динамическом режиме расходуется меньшая мощность, чем в статическом непрерывном режиме.

Рассмотренные схемы подключения светодиодов и индикаторов относятся к классу так называемой прямой адресации. Однако реализация прямой адресации для большого количества элементов сталкивается с большими технологическими трудностями (слишком большое количество проводников). В этом случае используется матричная адресация. Элементы индикации (светодиоды) располагаются на пересечении строк и столбцов (рис. 1.20). По такой технологии строятся как знакосинтезирующие индикаторы, так и большие информационные экраны. При замкнутом ключе А1 и поданной на верхнюю шину логической единице зажигается светодиод VD1. При замкнутом ключе А2 и поданной на нижнюю шину логической 1 зажигается светодиод VD4.

Рис. 1.20. Матричная адресация

Лабораторная работа №1.1

Изучение характеристик светодиода

Цель работы:получить практические навыки экспериментальных исследований полупроводниковых приборов (светодиодов).

Схема для исследования люкс-амперной характеристики светодиода представлена на рис. 1.21. С помощью переменного резистора меняется ток светодиода, что приводит к изменению освещенности, создаваемой светодиодом. Освещенность, создаваемая светодиодом, измеряется с помощью люкс-метра.

Порядок выполнения:

1. Собрать схему установки (рис. 1.21).

2. Меняя с помощью переменного резистора ток светодиода, снять зависимость освещенности, создаваемой светодиодом от протекающего через него тока.

3. Построить полученную зависимость.

Рис. 1.21. Схема для исследования люкс-амперной характеристики светодиода

Схема для исследования освещенности, создаваемой светодиодом, работающим в импульсном режиме, приведена на рис. 1.22. Генератор подает на диод импульсное напряжение с изменяемой скважностью s = T / tи и амплитудой (рис. 1.22). Контроль параметров импульсного питания (амплитуды, периода, длительности импульсов) производится с помощью осциллографа.

Порядок выполнения:

1. Собрать схему установки (рис. 1.22).

2. Выставить на генераторе заданную амплитуду сигнала и частоту, снять зависимость освещенности, создаваемой светодиодом, от скважности питающего напряжения. Характеристики снять для трех значений амплитуды и двух значений частоты (в диапазоне от 50 до 200 Гц).

3. Выставить на генераторе заданную скважность сигнала и частоту, снять зависимость освещенности, создаваемой светодиодом, от амплитуды питающего напряжения. Характеристики снять для двух значений скважности и двух значений частоты (в диапазоне от 50 до 200 Гц).

4. Построить полученные зависимости.

Рис. 1.22. Схема для исследования освещенности, создаваемой

светодиодом, работающим в импульсном режиме

Отчет должен содержать:

- схемы измерений;

-таблицы экспериментальных данных;

-графики полученных зависимостей.

Лабораторная работа №1.2

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: