ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ЧитГУ)

Институт  технологических и транспортных систем

(ИТиТС)

Заочный факультет

Кафедра физики и техники связи

(ФиТС) 
 
 
 
 
 
 
 

РАСЧЕТ  ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

СВЕТОДИОДНОГО МОДУЛЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ОСВЕЩЕНИЯ САДОВОГО УЧАСТКА 

Курсовой  проект

по дисциплине: «Оптоэлектронные и квантовые

приборы и устройства» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: ст. гр. ТКз-05

                             Антипов Э.П.

                             Проверил: доцент

                             кафедры ФиТС

              Цыпылов Ю.А. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Чита 2010

Содержание

           Введение………………………………………………………………………….3

1.   Теоретическая часть………………………….…………..……………..4
2. Основные характеристики и параметры светодиодов……………….7
3. Расчет и проектирование ……………………………………………...8
4.   Практическая часть……………………….…………....……………...21
5. Принципиальная схема……………………………………………….26

            Заключение………………………………………………….…..……...………28

Список  использованных источников…………...………………………….....29 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

       С момента изобретения электричества, остро стоит проблема его экономии. Экономия электрической энергии ежегодно позволяет значительно снизить расходы в любом масштабе, будь то отдельная квартира, предприятие, или даже государство.

     Отдельно  стоит проблема снижения энергопотребления  в устройствах мобильных, не привязанных  в электрической сети, и питающихся от автономного источника питания. Запас энергии в таком источнике  питания далеко не бесконечен, и  снижение нагрузки, позволяет продлить время автономной работы, тем самым  расширить сферу применения прибора.

     Наиболее  перспективными источниками излучения  для оптоэлектроники являются светодиоды. Такими их делают малые габариты и  масса (излучающие площади 0,2...0,1 мм 52 0 и менее), большой срок службы, измеряемый годами и даже десятками лет (10 54 0...10 55 0 ч), высокое быстродействие, не уступающее интегральным схемам (10 5-9 0...10 5-5 0 с), низкие рабочие напряжения (1,6...2,5 В), малая потребляемая мощность (20...600 мВт), возможность получения излучения заданного спектрального состава (от синего до красного в видимой части спектра и ближнего инфракрасного излучения). Они используются в качестве источника излучения для управления фотоприёмниками в оптронах, для представления цифро-буквенной информации в калькуляторах и дисплеях, для ввода информации в компьютерах и пр. 
 
 

1 Теоретическая часть

       Светодиод представляет собой гомо- или гетеро-pn-переход, прохождение тока через который в прямом направлении сопровождается генерацией в полупроводнике излучения. Излучение является следствием инжекционной люминесценции - рекомбинации инжектированных через pn-переход эмиттером неосновных носителей тока (электронов) с основными носителями тока в базе (дырками) (люминесценция - испускание света веществом, не требующее для этого нагрева вещества; инжекционная э электролюминесценция означает, что люминесценция стимулирована электрическим током).

     Электролюминесценция  может быть вызвана также сильным  электрическим полем, как в случае электролюминесцентных конденсаторов  с диэлектриком из порошка сернистого цинка (предпробойная электролюминесценция Дестрио).

     Светодиоды  для видимого и ближнего инфракрасного  излучения изготавливаются главным  образом из монокристаллов материалов типа A 5III 0B 5V 0: фосфида галия, арсенида галия и более сложных соединений: GaAs 41-x 0P 4x 0 , Ga 41-x 0Al 4x 0As , где x - доля содержания того или другого элемента в соединении.

     Для получения требуемого цвета свечения материалы сильно легируются соответствующими примесями или их состав сильно варьируется. Так, для получения красного излучения  фосфид галия легируется цинком и  кислородом, для получения зелёного - азотом.

     Если  в GaAs 41-x 0P 4x 0 x=0,39 , то светодиод излучает красный свет с  7l 0=660 нм, если x=0,5...0,75, то янтарный с 7 l 0=610 нм.

     Из  простого соотношения, связывающего длину  волны излучения с шириной  запрещённой зоны полупроводника, 7 l 0[нм] = 1234/ 7e 0 [эВ] следует, что видимое излучение с 7 l, 0720 нм можно получить лишь от широкозонных полупроводников с шириной запрещённой зоны 7 e. 01,72 эВ. У арсенида галия при комнатной температуре 7 e 0=1,38 эВ. Поэтому светодиоды из арсенида галия излучают невидимое, инфракрасное излучение с  7l 0=900 нм. У фосфида галия  7e 0=2,19 эВ. Он может уже излучать видимый свет с длиной волны 7 l. 0565 нм, что соответствует желто-зелёному свечению. Как преобразователь электрической энергии в световую, светодиод характеризуется внешней эффективностью (или к.п.д.).

     Эффективность светодиодов невелика 7 h, 00,1 (10%). В большинстве случаев она не превышает 0,5...5%. Это обусловлено тем, что свет трудно вывести из полупроводника наружу. При высоком значении коэффициентов преломления используемых проводников (для арсенида галия n=3,3 для воздуха - 1) значительная часть рекобинационного излучения отражается от границы раздела полупроводник-воздух, возвращается в полупроводник и поглощается в нём, превращаясь в тепло. Поэтому сравнительно невелики средние яркости светодиодов и их выходные мощности: L 4ф 0=10...10 53 0 кд/м 52 0, I 4ф 0=10 5-1 0...10 52 0 мкд, P 4ф 0=10 5-1 0...10 52 0 МВт. По этим параметрам они уступают лампочкам накаливания, по остальным - превосходят их.

     Светодиод - миниатюрный твердотельный источник света. У него отсутствует отпаянная  колба как у лампы накаливания. У него нет нити накала, а значит отсутствует время разогрева  и микрофонный эффект. Он более  стоек к механическим ударам и  вибрациям.

     Излучение светодиода весьма близко к монохроматическому в пределах 7 Dl 0=40...100 нм. Это снижает фоновые шумы источника по сравнению со случаем применения фильтров для монохроматизации излучения немонохроматического источника.

     1.1. Конструкция светодиодов.

     В излучателе плоской конструкции  излучающий переход выполнен или  диффузией, или эпитаксией. Штриховыми линиями показаны лучи, которые из-за полного внутреннего отражения  от границы раздела не выходят  из кристалла. Из кристалла выходят  только те лучи, которые с нормалью составляют угол  7Q, 0arcsin n 41 0/n 42 0. Для арсенида галия и фосфида галия - это конус с углом у вершины не более 35 5o 0. Такая конструкция является самой дешёвой и простой. Однако она наименее эффективна, ей соответствует узкая диаграмма направленности излучения .

     Геометрические  размеры полусферической конструкции  светодиода таковы, что R 7. 0r 77 0(n 42 0/n 41 0). В этом случае всё излучение попадает на границу раздела под углом, совпадающим с нормалью, и полностью выходит наружу. Эффективность полусферической конструкции - самая высокая. Она примерно в десять раз превышает эффективность плоской конструкции. Однако она намного дороже и сложнее в изготовлении.

     Плоский кристалл светодиода может быть покрыт каплей эпоксидной смолы, выполняющей  роль линзы. Смола имеет коэффициент  преломления промежуточный между  воздухом и кристаллом.

     Это позволяет несколько увеличить  светящуюся поверхность диода.

     В последнем случае смола подкрашивается под цвет излучения светодиода. Большинство  сигнальных и отображающих светодиодов  выполняется такой конструкции.

     Светодиоды  могут изготавливаться и бескорпусными. Тогда их размеры определяются размерами  кристалла (0,4 7& 00,4 мм 52 0).

     1.2  Основные характеристики  и параметры светодиодов 

       Параметры светодиодов

     Сила  света l_V — излучаемый диодом световой поток, приходящий на единицу телесного угла в направлении, перпендикулярном к плоскости излучающего кристалла. Указывается при заданном значении прямого тока и измеряется в канделах (кд).

     Яркость излучения L — величина, равная отношению силы света к площади светящейся поверхности. Она измеряется в канделах на квадратный метр (кд/м²) при заданном значении прямого тока через диод.

     Постоянное  прямое напряжение U — значение напряжения на СИД при протекании постоянного прямого тока.

     Максимально допустимый постоянный прямой ток 1^_пю — максимальное значение постоянного прямого тока, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе диода.

     Максимально допустимое обратное напряжение £/₀бр_тах — максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к диоду, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе.

     Максимально допустимое обратное импульсное напряжение (/„бримп — максимальное пиковое значение обратного напряжения на светодиоде, включая как однократные выбросы, так и периодически повторяющиеся.

     Максимальное  спектральное распределение  Х_тт — длина волны излучения, соответствующая максимуму спектральной характеристики излучения СИД.

2 РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ

     2.1 Основные параметры светодиода

     Uгас.  – напряжение гасящее; 

     Uпит.  – напряжение питания; 

     Uсв. – напряжение светодиода;

     Iсв. – ток светодиода ;

Rсв. – нагрузочный резистор светодиода;

Есв. –  эффективность светодиода;

F – световой поток;

Р –  мощность;

Ω –  телесный угол;

α –  угол наблюдения;

     I – сила света.

     2.2 Расчет светодиода

Исходные  данные: 

Ток светодиода – 20 mA;

напряжение  сети – 9 В;

напряжение  светодиода – 3,6 В;

угол  наблюдения – 15°;

сила  света – 6,4 кд

     2.3 Расчет эффективности светодиода

     Эффективность E светодиодов (далее СИД) определяется отношением светового потока F, производимого  СИД к «закачанной» в него мощности P. Это общая эффективность, включающая в себя энергетическую эффективность  самого СИД, зависящую от физики работы, материала и конструкции СИД  и световую эффективность зрения для спектра излучения данного  СИД. Общая эффективность измеряется в люменах (лм) на ватт (Вт): 

     E=F/P, лм/Вт (2.1) 

     Но, так как производители указывают, как правило, в качестве основного  светотехнического параметра СИД  силу света I, измеряемую в канделах, то нужно пересчитать канделы  в люмены. Сила света определяет пространственную плотность (интенсивность) светового потока (luminous intensity): 

     I=F/Ω,  лм/ср (2.2) 

     где Ω – телесный угол, измеряемый в  стерадианах (ср).

     2.4 Расчет телесного угла