Прямой ток инфракрасного светодиода

Диоды излучающие ИК диапазона

Излучающие диоды инфракрасного диапазона нашли широкое применение в аппаратуре ночного видения, инфракрасного освещения, видеонаблюдения, дистанционного управления, в оптической связи в телевизионных системах, и др.

Важнейший параметр всех ИК-диодов – это величины мощности и силы излучения в сочетании со значениями длины волны. Основные длины волн излучения ИК-диодов: 805±10, 870±20 и 940±10 нм.

На принципиальных схемах ИК диоды обозначают так же, как и светодиоды, с которыми по своей сути они имеют много общего. Рассмотрим их основные справочные характеристики и параметры.

Максимальный импульсный ток – токовый номинал, обычно в мА, который можно пропускать через ИК диод с коэффициентом заполнения не более 10%. Его значение может в десять и даже более раз превышать постоянный прямой ток.
Рабочая длина волны – наверное главный параметр любого светодиода, в том числе инфракрасного. В справочнике на ИК диод указывается её значение в нм, при котором будет осуществляться максимальная амплитуда излучения. Так как ИК диод не способен работать строго на одной длине волны, принято указывать ширину спектра ИК излучения, которая говорит об имеющемся отклонении от заявленной частоты. Чем уже диапазон, тем больше мощности собирается на рабочей частоте.
Номинальный прямой ток – номинал постоянного ток, гарантирующий заявленную мощность излучения. Он же является максимально допустимым током.
Обратное напряжение – максимум напряжения обратной полярности, которое можно приложить к p-n-переходу, чтоб он оказался под обратным смещением. Имеются экземпляры с обратным напряжением не более 1В.
Прямое напряжение – падение напряжения на ИК-диоде в открытом состоянии при протекании через него номинального тока. Для ИК диодов его значение обычно не превышает 2 Вольт и зависит от химического состава полупроводника. Например, U_ПР АЛ118А=1,7 В, U_ПР L-53F3BT=1,2 В.

ИК излучающие диоды одной серии выпускаются с разным углом рассеивания, что отображается на их маркировке. Необходимость в однотипных ИК диодах с узким (15°) и широким (70°) углом распределения светового потока вызвана их различной сферой использования в науке и технике. Кроме основных характеристик ИК диодов, имеется ряд дополнительных параметров, на которые необходимо обратить пристальное внимание при проектировании схем работающих в импульсном режиме, а также в экстремальных условиях окружающей среды. О допустимых временных и температурных интервалах для пайки можно узнать из справочника на инфракрасный светодиод.

При ремонте часто возникает необходимость проверки работоспособности ИК-светодиодов. Если ИК-диод потерял мощность, то обыкновенная прозвонка мультиметром, ни­чего не даст. Методика проверки следующая:

ИК светодиодов в современной электронике огромная куча. Каждому отдельному экземпляру присущи свои особенности и черты. Но в целом, все ИК диоды инфракрасного диапазона можно разделить на следующие группы:

Слаботочные ИК диоды используются для работы на токах не превышающих 50 мА и их мощность излучения до 100 мВт. Зарубежные образцы изготавливаются в овальном корпусе 3 и 5 мм, который в точности повторяет размеры стандартного двух выводного индикаторного светодиода. Цвет линзы – от полностью прозрачного до полупрозрачного жёлтого или голубого оттенка. ИК диоды российского производства до настоящего времени выпускают в миниатюрном корпусе: 3Л107А, АЛ118А. Более мощные ИК диоды изготавливают как в DIP корпусе, так и в smd исполнении. Например, SFH4715S от Osram в smd варианте.

Инфракрасные светодиоды на микроконтроллере

Если проанализировать характер изменения ВАХ у светодиодов разного цвета, то можно заметить любопытную закономерность — прямое напряжение U_n? изменяется пропорционально цветовой гамме радуги. На краях видимой части спектра находятся светодиоды красного (1.6 В) и синего (3.5 В) цвета. Между ними располагаются светодиоды остальных цветовых оттенков. Прямые напряжения на светодиодах математически возрастают согласно известной скороговорке: «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан» (красный-оранжевый-жёлто/зелёный-голубой-синий-фиолетовый). Связано это с физикой полупроводниковых материалов, точнее, с разной шириной запрещённой зоны у применяемых в излучателях сплавах.

Логично предположить, что светодиоды, генерирующие излучение в «невидимом» инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн, должны иметь прямое напряжение U_np в районе 0.9…1.2 В. Действительно, применяемые в обычных телевизионных ПДУ инфракрасные светодиоды имеют ВАХ с точкой подъёма характеристики U_np = 1 В. Особенностью этих светодиодов являются большие допустимые постоянные (25…100 мА) и импульсные (0.5…1 А) прямые токи. Как следствие, для коммутации ИК-светодиодов требуются мощные ключи.

На Рис. 2.32, a…x показаны схемы подключения ИК-светодиодов к MK. В большинстве случаев используется импульсный режим работы и транзисторные ключи. Это необходимо для увеличения мощности излучения, дальности действия, а также для улучшения помехозащищённости от внешних световых пульсаций, создаваемых, например, электрическими лампами.

Рис. 2.32. Схемы подключения ИК-светодиодов к MK (начало):

а) прямое подключение ИК-светодиода HL1 к MK. Параллельное соединение двух и более линий облегчает токовую нагрузку. Дальность действия 1…2 м (регулируется резистором R1)

б) увеличение числа резисторов нивелирует разброс ВАХ линий MK, которые должны работать синхронно во времени. Дальность действия 2…3 м (регулируется резисторами R1…Rn)

в)типовая схема включения ИК-светодиода HL1 через мощный транзистор VT1 структуры п—р—п. Резистор R2 определяет ток в импульсе порядка нескольких сотен миллиампер. «Крейсерская» дальность действия до 6 м. Встречаются схемы с применением транзистора VT1 2SC1652, при этом надо установить R_x = 470 Ом и R₂ = 1 Ом; О

О Рис. 2.32. Схемы подключения ИК-светодиодов к MK (продолжение):

г) стабилизация тока через ИК-светодиод HL1 производится элементами VD1, VD2, VT1, R2. Прямой ток через светодиод вычисляется по формуле /_ПР[мА] = 700 / Л₂[Ом], где число «700» означает разницу в милливольтах между падением напряжения на двух диодах VD1, VD2 и на переходе «база — эмиттер» транзистора VT1;

д) шунтирование ИК-светодиода HL1 сравнительно низкоомным резистором R2 увеличивает крутизну фронтов передаваемых сигналов. Происходит это из-за более быстрого разряда внутренней ёмкости светодиода HL1

е) стабилизация тока через ИК-светодиод HL1 производится элементами VD1, R1 VT1, R3. Резистором R1 регулируется ток через светодиод HL1. Аналогичную регулировку можно осуществить и резистором R3, но физически это сделать намного труднее из-за дефицитности подборного ряда дробных омических сопротивлений;

ж) подключение ИК-светодиода HL1 через мощный транзистор VT1 структуры р—п—р. Питание батарейное 3 В, поэтому в цепи коллектора VT1 допускается отсутствие токо ограничительного резистора. Степень насыщения транзистора VT1 (а значит и быстродействие) можно регулировать резистором R1. Конденсаторы C1…C3 накапливают энергию. Параллельное соединение трёх конденсаторов эффективно снижает их общее динамическое сопротивление;

з)аналогично Рис. 2.32, ж, но с другим способом включения резистора R1, который обеспечивает запирание транзистора VT1 при рестарте MK или в случае, когда линия порта имеет выход с открытым стоком. В некритичных ситуациях резистор R1 может отсутствовать; О

О Рис. 2.32. Схемы подключения ИК-светодиодов к MK (продолжение):

и) накопительная цепочка R2, C1 увеличивает амплитуду импульса тока, протекающего через светодиод HL1 Это полезно при большом внутреннем сопротивлении источника питания. Транзисторы K77, VT2 обеспечивают высокий общий коэффициент усиления, чтобы гарантированно пропускать большой коллекторный ток и снизить нагрузку на выход MK;

к) увеличение излучаемой мощности при помощи последовательного включения двух светодиодов HL1, HL2. Накопительный конденсатор C1 обязателен при батарейном питании. Резистор R3 ограничивает импульсный ток и определяет дальность действия излучения;

л) схема Т. Гизбертса. Малая длительность фронта спада и нарастания излучаемых импульсов 40 нс достигается за счёт применения быстродействующих ИК-светодиодов HL1, HL2 и шунтирования их низкоомными резисторами R2, R3. Выходные линии MK запараллелены, чтобы ускорить разряд ёмкости полевого транзистора VT1

м) аналогично Рис. 2.32, к, но с транзистором VT1 структуры р—п—р. Желательно подобрать транзистор с максимально высоким коэффициентом передачи Л_21Э* Если поставить транзистор VT1 KT972, то сопротивление резистора R1 надо увеличить до 2…4 кОм;

н) двух транзисторный электронный ключ позволяет использовать транзистор КГ2структуры р—п—р с низким коэффициентом усиления Н_21Э. Резистор R2 закрывает транзистор VT1 в момент рестарта MK, а резистор R3 закрывает транзистор VT2 при НИЗКОМ уровне на выходе MK; О

О Рис. 2.32. Схемы подключения ИК-светодиодов к MK <продолжение):

о) обычный «видимый» светодиод HL1 визуально индицирует невидимые вспышки, излучаемые ИК-светодиодами HL2, HL3. Цепочка R2, C1 накапливает энергию между вспышками. Резистор R3 ограничивает импульсный ток через транзистор VT2. Резистор R4 выбирается так, чтобы обеспечить полное открывание транзистора VT2 при включении транзистора VT1 ВЫСОКИМ уровнем с выхода MK;

п) транзисторы K77, VT2 образуют логическую схему «И», что используется для программной модуляции излучения ИК-светодиода HL1. Модулирующие импульсные сигналы могут формироваться на верхнем и на нижнем выходе MK как раздельно, так и одновременно;

р)дискретная регулировка тока через ИК-светодиод HL1 при помощи четырёхразрядного ЦАП на транзисторах VT1… VT4 и резисторах R5…R8. Сопротивления резисторов R5…R8отличаются друг от друга в 2 раза, следовательно можно получить 16 градаций яркости излучения;

с) увеличение излучаемой мощности происходит благодаря параллельно-последовательному включению ИК-светодиодов HL . Их количество в каждой из двух веток ориентировочно 2…8, что определяется напряжением питания и сопротивлением резисторов R3, R4 О

О Рис. 2.32. Схемы подключения ИК-светодиодов к MK (окончание):

т)оптоэлектронное реле на основе ИК-светодиодов. Излучатели HL1…HL5 и фотоприёмники BLL..BL5 применяются абсолютно одинаковые, что указывает на их физическую обратимость. Ток через открытый транзистор VT1 выбирается резистором R2 в пределах 20…50 мА;

у)двухступенчатое управление ИК-светодиодами HL1, HL2. Сначала открывается транзистор VT1 НИЗКИМ уровнем на верхней линии MK, а затем транзистор VT2 (импульсно);

ф) качественное управление быстродействующим ИК-светодиодом HL1 требует специальной схемотехники. В частности, применяются транзисторные ключи VT1..VT4, рабочие точки которых стабилизируются при помощи ОУ DA1

x) выходная часть имитатора пульта ДУ. Импульсы информационной огибающей формируются на выходе MK. Высокочастотное заполнение 36…40 кГц обеспечивает таймер DA1. Резистор R2 настраивается методом вилки по безошибочной передаче ИК-сигналов.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Технические характеристики и параметры светодиодов

Существует множество светодиодов различных форм, размеров, мощностей. Однако любой светодиод — это всегда полупроводниковый прибор, в основе которого — прохождение тока через p-n-переход в прямом направлении, вызывающее оптическое излучение (видимый свет).

Принципиально все светодиоды характеризуются рядом конкретных технических характеристик, электрических и световых, о которых мы и поговорим далее. Данные характеристики вы сможете найти в даташите (в технической документации) на светодиод.

Электрические характеристики — это: прямой ток, прямое падение напряжения, максимальное обратное напряжение, максимальная рассеиваемая мощность, вольт-амперная характеристика. Световые параметры — это: световой поток, сила света, угол рассеяния, цвет (или длина волны), цветовая температура, световая отдача.

Прямой номинальный ток (If – forward current)

Номинальный прямой ток — это ток, при прохождении которого через данный светодиод в прямом направлении, производитель гарантирует паспортные световые параметры данного источника света. Другими словами, это рабочий ток светодиода, при котором светодиод точно не перегорит, и сможет нормально работать на протяжении всего срока эксплуатации. В этих условиях p-n-переход не будет пробит и не перегреется.

Кроме номинального тока есть еще такой параметр, как пиковый прямой ток (Ifp – peak forward current) – максимальный ток, который можно пропускать через переход лишь импульсами длительностью по 100 мкс при коэффициенте заполнения не более DC = 0.1 (точные данные — см.даташит). Теоретически максимальный ток — это предельный ток, который кристалл может выдерживать лишь кратковременно.

На практике величина номинального прямого тока зависит от размера кристалла, от типа полупроводника, и лежит в диапазоне от единиц микроампер до десятков миллиампер (для светодиодных сборок типа COB — еще больше).

Прямое падение напряжения (Vf – forward voltage)

Прямое падение напряжения на p-n-переходе, вызывающее номинальный ток светодиода. Напряжение прикладывается к светодиоду так, что анод имеет положительный потенциал относительно катода. В зависимости от химического состава полупроводника, от длины волны оптического излучения, различаются и прямые падения напряжения на переходе.

Кстати, по прямому падению напряжения можно определить химический состав полупроводника. А вот приблизительные диапазоны прямых падений напряжений для различных длин волн (цветов света светодиодов):

Инфракрасные светодиоды с длиной волны более 760 нм на базе арсенида галлия имеют характерное падение напряжения менее 1,9 В.

Красные (например галлия фосфид — от 610 нм до 760 нм) — от 1,63 до 2,03 В.

Оранжевые (галлия фосфид — от 590 до 610 нм) — от 2,03 до 2,1 В.

Желтые (галлия фосфид, от 570 до 590 нм) — от 2,1 до 2,18 В.

Зеленый (галлия фосфид, от 500 до 570 нм) — от 1,9 до 4 В.

Синий (селенид цинка, от 450 до 500 нм) — от 2,48 до 3,7 В.

Фиолетовый (индия-галлия нитрид, от 400 до 450 нм) — от 2,76 до 4 В.

Ультрафиолетовый (нитрид бора, 215 нм) — от 3,1 до 4,4 В.

Белые (синий или фиолетовый с люминофором) — около 3,5 В.

Максимальное обратное напряжение (Vr – reverse voltage)

Максимальное обратное напряжение светодиода, как и любого светодиода, — это такое напряжение, при прикладывании которого к p-n-переходу в обратной полярности (когда потенциал катода больше потенциала анода) происходит пробой кристалла, и светодиод выходит из строя. Подавляющее большинство светодиодов имеют обратное максимальное напряжение в районе 5 В. Для сборок COB – еще больше, а для инфракрасных светодиодов бывает и до 1-2 вольт.

Максимальная мощность рассеяния (Pd — total power dissipation)

Эта характеристика измеряется при температуре окружающей среды в 25°C. Это та мощность (зачастую в мВт), которую корпус светодиода еще способен рассеивать непрерывно, и не перегорит. Она вычисляется как произведение падения напряжения на текущий через кристалл ток. Если это значение будет превышено (произведение напряжения на ток), то очень скоро кристалл будет пробит, произойдет его тепловое разрушение.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ — график)

Нелинейная зависимость тока через p-n-переход от приложенного к переходу напряжения, называется вольт-амперной характеристикой (сокращенно — ВАХ) светодиода. Эта зависимость изображается в даташите графически, и по имеющемуся в распоряжении графику можно очень просто увидеть, какой ток при каком напряжении пойдет через кристалл светодиода.

Характер ВАХ зависит от химического состава кристалла. ВАХ оказывается очень полезна при проектировании электронных устройств со светодиодами, ведь благодаря ей можно без поведения практических измерений узнать, какое напряжение необходимо приложить к светодиоду, чтобы получить заданный ток. Еще с помощью ВАХ можно более точно подобрать к диоду токоограничительный резистор.

Сила света, световой поток (luminous intensity, luminous flux)

Световые (оптические) параметры светодиодов измеряются еще на стадии их производства, при нормальных условиях и на номинальном токе через переход. Температура окружающей среды принимается равной 25°C, устанавливается номинальный ток, и измеряются сила света (в Кд — кандела) или световой поток (в Лм — люмен).

Под световым потоком в один люмен понимают световой поток, испускаемый точечным изотропным источником с силой света, равной одной канделе, в телесный угол в один стерадиан.

Слаботочные светодиоды характеризуются непосредственно силой света, которая указывается в милликанделах. Кандела — это единица силы света, а одна кандела — это сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Другими словами, сила света количественно отражает интенсивность светового потока в определенном направлении. Чем меньше угол рассеяния — тем больше будет сила света светодиода при одном и том же световом потоке. Например сверхъяркие светодиоды обладают силой света в 10 и более кандел.

Угол рассеяния светодиода (Viewing angle)

Эта характеристика часто описывается в документации на светодиоды как «двойной угол половинной яркости тэта», и измеряется в градусах (deg-degrees-градусы). Название именно таково, поскольку светодиод как правило имеет фокусирующую линзу, и яркость не по всему углу рассеяния получится равномерной.

Вообще этот параметр может лежать в диапазоне от 15 до 140°. У SMD светодиодов этот угол шире, чем у выводных собратьев. Например 120° для светодиода в корпусе SMD 3528 — это нормально.

Длина волны света (Dominant Wavelength)

Измеряется в нанометрах. Характеризует цвет излучаемого светодиодом света, который в свою очередь зависит от длины волны и от химического состава полупроводникового кристалла.

Инфракрасное излучение имеет длину волны более 760 нм, красный цвет — от 610 нм до 760 нм, желтый — от 570 до 590 нм, фиолетовый — от 400 до 450 нм, ультрафиолетовый — менее 400 нм. Белый свет выделяется при помощи люминофоров из ультрафиолетового, фиолетового или синего.

Цветовая температура (CCT — Color Temperature)

Данная характеристика задается в документации на белые светодиоды и измеряется в кельвинах (К). Холодный белый (около 6000К), теплый белый (около 3000К), белый (около 4500К) — точно показывает оттенок белого света.

В зависимости от цветовой температуры, цветопередача будет разной, и воспринимается человеком белый цвет с разной цветовой температурой — по разному. Теплый свет более комфортен, он лучше подойдет для дома, холодный — больше подходит общественным помещениям.

Для светодиодов, применяемых для освещения сегодня, данная характеристика находится в районе 100 Лм/Вт. Мощные модели светодиодных источников света превзошли компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), и достигают 150 и более Лм/Вт. По сравнению с лампами накаливания, светодиоды превосходят их по световой отдаче более чем в 5 раз.

В принципе, световая отдача численно показывает, насколько эффективен источник света в плане энергопотребления: сколько ватт требуется для получения определенного количество света — сколько люмен наватт.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

ИК светодиоды: область применения, разновидности и основные технические характеристики

Инфракрасный (ИК) излучающий диод представляет собой полупроводниковый прибор, рабочий спектр которого расположен в ближней области инфракрасного излучения: от 760 до 1400 нм. В интернете часто встречается термин «ИК светодиод», хотя свет, видимый человеческим глазом, он не излучает. То есть в рамках физической оптики этот термин неверен, в широком же смысле название применимо. Стоит отметить, что во время работы некоторых ИК излучающих диодов можно наблюдать слабое красное свечение, что объясняется размытостью спектральной характеристики на границе с видимым диапазоном.

Не стоит путать ИК светодиоды с лазерными диодами инфракрасного излучения. Принцип действия и технические параметры этих приборов сильно отличаются.

Область применения

На том, какими бывают инфракрасные светодиоды и где применяются, остановимся подробнее. Многие из нас ежедневно сталкиваются с ними, не подозревая об этом. Конечно же, речь идёт о пультах дистанционного управления (ПДУ), одним из важнейших элементов которого является ИК излучающий диод. Благодаря своей надёжности и дешевизне метод передачи управляющего сигнала с помощью инфракрасного излучения получил огромное распространение в быту. Главным образом такие пульты применяются для управления работой телевизоров, кондиционеров, медиа проигрывателей. В момент нажатия кнопки на ПДУ ИК светодиод излучает модулированный (зашифрованный) сигнал, который принимает и затем распознаёт фотодиод, встроенный в корпус бытовой техники. В охранной сфере большой популярностью пользуются видеокамеры с инфракрасной подсветкой. Видеонаблюдение, дополненное ИК подсветкой, позволяет организовать круглосуточный контроль охраняемого объекта, независимо от погодных условий. В данном случае ИК светодиоды могут быть встроены в видеокамеру либо установлены в её рабочей зоне в виде отдельного прибора – инфракрасного прожектора. Применение в прожекторах мощных ИК светодиодов позволяет осуществлять надёжный контроль прилегающей территории.

На этом их сфера применения не ограничивается. Весьма эффективным оказалось применение ИК излучающих диодов в приборах ночного видения (ПНВ), где они выполняют функцию подсветки. С помощью такого прибора человек может различать предметы на достаточно большом расстоянии в тёмное время суток. Устройства ночного видения востребованы в военной сфере, а также для скрытого ночного наблюдения.

Разновидности ИК излучающих диодов

Ассортимент светодиодов работающих в инфракрасном спектре насчитывает десятки позиций. Каждому отдельному экземпляру присущи определённые особенности. Но в целом, все полупроводниковые диоды ИК диапазона можно разделить по следующим критериям:

• мощности излучения или максимальному прямому току;
• назначению;
• форм-фактору.

Слаботочные ИК светодиоды предназначены для работы на токах не более 50 мА и характеризуются мощностью излучения до 100 мВт. Импортные образцы изготавливаются в овальном корпусе 3 и 5 мм, который в точности повторяет размеры обычного двухвыводного индикаторного светодиода. Цвет линзы – от прозрачного (water clear) до полупрозрачного голубого или жёлтого оттенка. ИК излучающие диоды российского производства до сих пор производят в миниатюрном корпусе: 3Л107А, АЛ118А. Приборы большой мощности выпускают как в DIP корпусе, так и по технологии smd. Например, SFH4715S от Osram в smd корпусе.

Технические характеристики

На электрических схемах ИК излучающие диоды обозначают так же, как и светодиоды, с которыми они имеют много общего. Рассмотрим их основные технические характеристики.

Рабочая длина волны – основной параметр любого светодиода, в том числе инфракрасного. В паспорте на прибор указывается её значение в нм, при котором достигается наибольшая амплитуда излучения.

Так как ИК светодиод не может работать только на одной длине волны, принято указывать ширину спектра излучения, которая свидетельствует об имеющемся отклонении от заявленной длины волны (частоты). Чем уже диапазон излучения, тем больше мощности сконцентрировано на рабочей частоте.

Номинальный прямой ток – постоянный ток, при котором гарантирована заявленная мощность излучения. Он же является максимально допустимым током.

Максимальный импульсный ток – ток, который можно пропускать через прибор с коэффициентом заполнения не более 10%. Его значение может в десять раз превышать постоянный прямой ток.

Прямое напряжение – падение напряжения на приборе в открытом состоянии при протекании номинального тока. Для ИК диодов его значение не превышает 2В и зависит от химического состава кристалла. Например, UПР АЛ118А=1,7В, UПР L-53F3BT=1,2В.

Обратное напряжение – максимальное напряжение обратной полярности, которое может быть приложено к p-n-переходу. Существуют экземпляры с обратным напряжением не более 1В.

ИК излучающие диоды одной серии могут выпускаться с разным углом рассеивания, что отображается в их маркировке. Необходимость в однотипных приборах с узким (15°) и широким (70°) углом распределения потока излучения вызвана их различной сферой применения.

Кроме основных характеристик, существует ряд дополнительных параметров, на которые следует обращать внимание при проектировании схем для работы в импульсном режиме, а также в условиях окружающей среды, отличных от нормальных. Перед проведением паяльных работ следует ознакомиться с рекомендациями производителя о соблюдении температурного режима во время пайки. О допустимых временных и температурных интервалах можно узнать из datasheet на инфракрасный светодиод.

Источник мощных оптических импульсов на диодах инфракрасного диапазона длин волн

Развитие указанных систем предъявляет к характеристикам импульсных оптических генераторов всевозрастающие требования, что вызывает необходимость проведения исследований с целью усовершенствования оптических излучателей и источников их накачки. Одним из важнейших элементов в источниках мощных оптических импульсов являются излучающие диоды, например ИК-диапазона.

Тенденцией современного развития излучателей является увеличение генерируемой мощности, которое достигается за счет увеличения прямого тока, улучшения технологии изготовления, повышения эффективности генерации и вывода излучения из кристалла диода и т. п. Повышение мощности ИК-излучения светодиодами обеспечивается за счет увеличения прямого тока.

Общеизвестно, что с ростом прямого тока интенсивность излучения мощных ИК-диодов растет сублинейно. Для режимов постоянного прямого тока в подавляющем большинстве случаев эта сублинейность является следствием разогрева активной области протекающим током. Однако в случае квазихолодного режима, т. е. при большой скважности импульсного режима работы, разогрев диода практически исключен. Для гетероструктур InGaAsP/InP эта сублинейность интерпретируется как результат конкуренции безызлучательных потерь вследствие Оже-рекомбинации и утечки избыточных носителей из активной области в эмиттерные слои [4, 5]. При рассмотрении стационарного баланса рекомбинационных процессов в активной области кристалла расчетным путем и экспериментально были определены коэффициенты основных рекомбинационных процессов и установлены их зависимости от концентрации инжектированных носителей заряда и состава активной области. Коэффициент Оже-рекомбинации увеличивается более чем на порядок с переходом от структур с . = 1,06 мкм к структурам с . = 1,55 мкм.

Исследование характеристик светодиодов в режиме одиночных токовых импульсов больших амплитуд имеет большую актуальность.

Излучающие диоды (ИД) АЛ148А (.. 870 нм) разработаны для систем связи с открытыми атмосферными каналами передачи информации [2]. В «нормальных», паспортных режимах такой ИД (рис. 1) имеет мощность излучения при прямом постоянном токе 1 А не менее 150 мВт (типовые значения 170–200 мВт), импульсную мощность излучения при токе 6 А не менее 700 мВт (типовые значения 800–1000 мВт), полуширину диаграммы направленности 20–30°. Диод собран на медном держателе, обеспечивающем тепловое сопротивление 5–9 К/Вт.

Рис. 1. Внешний вид излучающего диода АЛ148А

Пиковая мощность излучения диода АЛ148А может быть увеличена в десятки раз при соответствующем увеличении скважности прямого импульсного тока. Увеличение скважности импульсной последовательности тока позволяет существенно улучшить технико-экономические параметры ИК-трансивера в целом: увеличить дальность действия светового потока; уменьшить стоимость за счет упрощения оптической части устройства; снизить требования к фотоприемнику; существенно компенсировать временное ухудшение условий распространения излучения на трассе (увеличение влажности, дождь, туман, дым, снегопад и т. п.).

Кроме того, существует класс задач, в которых предельная пиковая мощность излучения является основным параметром ИК-излучателя и системы в целом. Прежде всего, это устройства, в которых по одиночному прошедшему или отраженному импульсу излучения проводится измерение параметров подвижного или нестационарного объекта (среды, процесса), необходимых для принятия оперативного решения.

Геометрия вывода излучения в диодах АЛ148А такова, что при одинаковой плотности рабочих токов поток мощности излучения через световыводящее окно диода на два-три порядка меньше, чем через зеркала импульсных лазерных диодов. Если в качестве обобщенной оценки ориентироваться на предельные плотности рабочих токов импульсных лазерных диодов, то предельный ток для диода АЛ148 должен составлять 200 А при длительности импульса 100 нс и 600 А при длительности 25 нс.

Очевидно, что измерения характеристик диодов в таких режимах имеют особенности. При проведении экспериментов использовался разработанный генератор, несколько модификаций фотоприемников и различные схемы измерения. Разработанный источник может использоваться в качестве базового блока в разработках:

• локационных систем с наносекундным разрешением во времени;
• в различных метрологических установках, приборах экологического контроля атмосферы, водных и лесных массивов;
• всепогодных оптических локаторов, в том числе для средств передвижения (измерение параметров движения, обнаружение препятствий);
• различных охранных устройств и неконтактных датчиков и т. д.

Рис. 2 Структурная схема генератора импульсов накачки

Структурная схема генератора импульсов накачки приведена на рис. 2, его внешний вид — на рис. 3.

Рис. 3. Внешний вид генератора импульсов накачки

В состав генератора импульсов тока накачки входят следующие устройства:

• Генератор импульсной последовательности, вырабатывающий импульсы с регулируемой частотой 0,1–10 кГц. Работа генератора синхронизируется с внешним устройством при частоте синхроимпульсов выше внутренней частоты генератора.
• Формирователь синхроимпульса ТТЛ-уровня для синхронизации с внешними устройствами.
• Электронная линия задержки, обеспечивающая задержку выходного импульса относительно синхроимпульса, предназначенная для синхронизации генератора с внешними устройствами.
• Формирователь необходимой длительности импульса.
• Импульсный ключ на основе мощных полевых транзисторов, вырабатывающий импульс тока накачки светодиода с заданной длительностью.

Для исследования технических параметров импульсных светодиодов предусмотрены четыре внешних регулировки параметров импульсов: регулировка частоты следования импульсов, управление задержкой импульса синхронизации, регулировка длительности вырабатываемого импульса, регулировка амплитуды импульса накачки. В ходе исследования производился контроль формы импульса тока через нагрузку — оптический излучатель.

Технические характеристики генератора импульсов накачки:

• время нарастания и спада выходных импульсов 10–15 нс;
• длительность формируемых импульсов от 50 нс до 50 мкс;
• выходной ток до 300 А на нагрузке 0,2 Ом.

Экспериментально снимались эпюры напряжений на излучающем диоде АЛ148А (или его эквиваленте при настройке) и на токоизмерительном резисторе. Для области токов 10–250 А величина токоизмерительного резистора выбиралась равной 0,05 Ом.

Форма импульсов излучения измерялась фотоприемниками на основе фотодиодов ФД-256 и трансимпедансными усилителями с верхней частотой пропускания до 330 МГц или ФЭУ-28 с временным делителем (F_B≅120 МГц). Временные характеристики оптического тракта тестировались импульсами полупроводникового лазера (длительность τи≤300 пс, мощность излучения Р_из∼1 Вт). Амплитудная калибровка оптических трактов проводилась по реперным точкам ВТАХ диода, полученным по измерениям в фотометрическом шаре. Работа фотоприемников на линейном участке обеспечивалась ослаблением излучения посредством наборов светофильтров, калиброванных для области 0,7–1,0 мкм.

Поскольку в РБТ ток I_d через диод ограничивается последовательным сопротивлением диода (сопротивления объема полупроводника, омических контактов rd, токоподводящих выводов и пр.), то основная часть токового импульса возбуждения рассеивается на этом последовательном сопротивлении. Обычно его определяют экспериментально как дифференциальное по наклону ВАХ. Это формальный параметр эквивалентной схемы диода, величина которого зависит от прямого тока. С ростом прямого тока дифференциальное сопротивление резко уменьшается за счет увеличения концентрации носителей заряда в базовых областях диода. Однако физическое содержание этого параметра сложнее, чем просто модуляция проводимости различных областей полупроводниковой структуры, так как с ростом плотности прямого тока увеличивается диффузионное падение напряжения на градиенте концентрации основных носителей заряда [7]. Из-за наличия последовательного сопротивления в РБТ внешняя квантовая эффективность электролюминесценции (или КПД) излучающего диода (светодиода) с ростом прямого тока уменьшается пропорционально величине тока с сохранением линейности ВТАХ.

Рис. 4. Переходные характеристики излучающего диода АЛ148А при возбуждении прямоугольным токовым импульсом (Iпр.и>10 А)

Излучающие ИК-диоды АЛ148А имеют достаточно высокое быстродействие. Длительность фронта нарастания импульса излучения по уровню 0,1–0,9 не превышает 20 нс (рис. 4, кривая 2). Отсюда следует, что для полного использования амплитуды электрического импульса возбуждения необходимо, чтобы его длительность была не менее ∼65 нс (рис. 4, t_2(мин)).

Рис. 5. ВТАХ излучающего диода:
кривые 1, 2 — rd = 0,092 Ом;
3 — rd = 0,14 Ом;
1 — импульсный ток;
2, 3 — постоянный ток

Ниже приведены характеристики излучающего диода АЛ148А в режиме больших прямых токов (РБТ) (рис. 5, 6). В частности, представлены результаты измерений вольтамперных (ВАХ) и ваттамперных (ВТАХ) характеристик диодов в диапазоне токов до 200–250 А и пиковой мощности излучения до 30 Вт (рис. 6). На рис. 5 наблюдается разница в излучаемой мощности в импульсном режиме (кривая 1) и на постоянном токе (кривая 2). Видно, что ИД с меньшим сопротивлением r_d, при меньшей начальной эффективности электролюминесценции сохраняет линейность ВТАХ (кривая 1) до больших токов. На рис. 6 для примера приведена ВТАХ мощного красного светодиода ТОМ 120 К (кривая 3).

Экспериментальные значения ряда параметров в РБТ типичного излучающего диода АЛ148А приведены в таблице. Диод имеет полуширину диаграммы направленности 20–30°, последовательное дифференциальное сопротивление 0,1 Ом. Измерения выполнены на частотах следования импульсов 10–5000 кГц при длительности токового импульса 50 нс. Видно, что для получения высокой мощности излучения приходится жертвовать значением КПД. Собственно, такая зависимость КПД от тока наблюдается для всех излучающих (и вообще полупроводниковых) приборов, где последовательно с рабочим переходом имеется «паразитное» последовательное сопротивление.

Рис. 6. Зависимость пиковой мощности излучения от тока: кривая 1 — rd= 0,092 Ом; 2 — rd = 0,14 Ом; 3 — ТОМ 120 К, λ = 0,66 мкм, rd= 0,2 Ом

Таким образом, достигнута пиковая мощность излучения диода АЛ148А более 30 Вт. По виду ВАХ и ВТАХ типичных диодов режим импульсных токов (200–250 А) не является предельным. С учетом специфики РБТ на основе диода АЛ148А возможна доработка излучающего ИК-диода для режима большого сигнала с пиковой мощностью излучения в десятки–сотни ват.

В заключение отметим, что мощные однокристальные излучающие диоды, по-видимому, всегда будут проигрывать многокристальным вариантам прибора [1, 3, 8] по КПД. Однако по скоростным параметрам, надежности, габаритам, технологичности и ценовым характеристикам они имеют преимущества.