V1.7 Optoelektronik - public.fh

V1.7 Optoelektronik
1 Theorie
Lumineszenzdioden (Leuchtdioden) sind in modernen elektronischen Anzeigen für Zahlen und
Text in vielfältiger Form zu finden. Sie ersetzen heute an vielen Stellen auch bereits Glühlampen
für Beleuchtungs- und Anzeigezwecke. Halbleiter-Photoempfänger werden zur Lichtmessung,
als Dämmerungsschalter oder in Videoaufnahmegeräten eingesetzt. Ein optoelektronisches
Koppelelement aus Leuchtdiode und Photoempfänger dient anstelle von Transformatoren zur
isolierten Signalübertragung. Im Versuch werden einige Eigenschaften von Leuchtdioden und
Optokopplern untersucht.
1.1 Lumineszenzdiode (LED)
Unter einer Lumineszenzdiode (Leuchtdiode) versteht man eine Halbleiterdiode, meistens aus
Legierungen von Galliumarsenid, in der bei einem Stromfluss in Durchlassrichtung durch
Injektionslumineszenz Ladungsträger derart angeregt werden, daß sie anschließend in der Sperrschicht strahlend rekombinieren und so eine inkohärente (Licht-) Strahlung erzeugen. Damit
entsteht ein Selektivstrahler, d.h. ein Strahler mit einer bevorzugten Wellenlänge (= Farbe), weil
die Emissionswellenlänge λ = h⋅c/WG
vom Bandabstand des Halbleiters WG
und damit von den Emissions- und
Absorptionseigenschaften des Halbleitermaterials abhängt. Liegt die Strahlung im
sichtbaren Bereich (rot/gelb/ grün/blau),
spricht man von Leuchtdioden oder LEDs
(engl. Light Emitting Diodes). Liegt das
Strahlungsmaximum im Infrarot-Bereich,
wie es häufig für Lichtschranken oder
Optokoppler eingesetzt wird, spricht man
von IREDs (engl. InfraRed Emitting
Diodes).
Die Materialauswahl der Halbleiterschichten bei der Herstellung bestimmt
die Farbe und die Durchlassspannung des
Abb. 1 statische Spannung/Strom-Kennlinien von LEDs Elements. Vor allem grüne, gelbe und
blaue Dioden haben größere Flussspannungen im Bereich von 1,8...2,5 Volt bei IF=10 mA. Der Temperaturbeiwert dieser Flussspannung liegt bei ca. –2,2 mV/K. Lumineszenzdioden haben eine Sperrspannung von nur ca.
3...8 Volt, deren Überschreitung zur Zerstörung des Elements führt.
Der optische Brechungsindex n des Halbleitermaterials Galliumarsenid ist wesentlich höher als
der von Luft und der meisten Kunststoffe, so dass durch Brechung und Reflexion nur ein Teil der
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erzeugten Leuchtdichte von dem LED-Chip nach außen dringt. Bei der vom Betrachter empfundenen Leuchtdichte ist auch die spektrale Helligkeitsempfindlichkeit des menschlichen Auges
(rot/gelb/grün) zu berücksichtigen.
Bei großen Stromdichten im LED Chip verschiebt sich der Farbeindruck, d.h. das Maximum der
spektralen Verteilung verschiebt sich geringfügig zu größeren Wellenlängen hin (Rotverschiebung). Steigt die Chiptemperatur, sinkt der Wirkungsgrad der Lichterzeugung erheblich.
Gleichzeitig steigt die Alterung der LED, die unter normalen Betriebsbedingungen zu einem
Absinken der Helligkeit auf die Hälfte in ca.20 Betriebsjahren führt.
1.2 Multiplex-Betrieb
Bei Ziffern- und Textanzeigen werden viele LEDs zusammengeschaltet, um ein gut lesbares Bild
zu zeigen, Ziffern als 7 Segmente und Dezimalpunkt, Textanzeigen als 18...108 Leuchtelemente.
Bei einer größeren Anzahl von Ziffern oder Buchstaben würde die einzelne Ansteuerung der
LEDs zu einer sehr großen Anzahlen von Ansteuerleitungen führen.
Eine Alternative besteht darin, die Elemente nicht gleichzeitig, sondern schnell nacheinander anzusteuern. Ein flimmerfreies Bild der Gesamtanzeige wird dann erreicht, wenn jedes Element
mindestens 30x pro Sekunde angesteuert wird. Um den mittleren Helligkeitseindruck zu
behalten, muss der Leuchtstrom des einzelnen Elements für die kurze Einschaltzeit entsprechend
erhöht werden. So können die LEDs von 8..10 Anzeigeelementen in Zeilen (7 Segmente) und
Spalten (Ziffern) angeordnet werden (Matrix). So
erhält man eine stark verringerte Anzahl Steuerleitungen, die dafür mit hohen Impulsströmen
angesteuert werden. Diese Betriebsart ist dann
möglich, wenn LEDs, die für einen mittleren
Strom von 20..50 mA spezifiziert sind, auch einen
Spitzenstrom von 100...150 mA ohne
Beschädigung vertragen, solange der zulässige
Abb. 2 Multiplex-Anzeige mit LEDs
Maximalwert des Stroms und vor allem die
(“gemeinsame Kathode”)
Bauteiltemperatur nicht überschritten wird.
1.3 Chip-Temperatur-Messung
Der Leistungsumsatz in Halbleitern geschieht zum größten Teil in der Sperrschicht- (bei Dioden)
oder der Kanalzone (bei FETs), einem räumlich sehr begrenzten Bezirk, in dem Leistungsdichten
größer als in Herd-Kochplatten auftreten können. Eine örtliche Überhitzung kann auftreten, ohne
dass davon am äußeren Gehäuse schon etwas zu bemerken wäre.
Eine Möglichkeit, direkt in der Nähe der Wärmequelle zu messen, besteht darin, den Temperaturbeiwert der Durchlassspannung auszuwerten. Lässt man einen kleinen konstanten Strom
durch eine Diode fließen, so hängt die gemessene Durchlassspannung nur noch von der Sperrschicht-Temperatur ab. Kennt man den Wert bei Raumtemperatur, so kann man aus der
Änderung dieser Spannung auf die Chip-Temperatur schließen. Bei modernen CPU-Bausteinen
wird häufig eine zusätzliche Diode auf dem Chip integriert und diese Diodenspannung über ein
eigenen Anschlusspin zur genauen Temperaturmessung des Chips herausgeführt.
1.4 Photodiode
Eine Fotodiode ist ein Halbleiter-PN- oder MOS-Übergang, in dem durch Strahlungseinfall mit
ausreichender Energie mittels des Fotosperrschichteffekts eine Wandlung der optischen Energie
in ein elektrisches Signal erfolgt. Dabei werden die optisch erzeugten Elektronen-Loch-Paare
durch das lokale elektrische Feld der Raumladungszone getrennt, so dass eine Fotospannung und
ein Fotostrom entsteht, den man an den äußeren Klemmen messen kann. Der Fotostrom hängt
über den Absorptionskoeffizienten vom Material und der Wellenlänge des einfallenden Lichtes
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ab. Durch eine Antireflexschicht wird häufig versucht, möglichst viel Licht in den Chip
eindringen zu lassen. Die in einem Datenblatt angegebene Empfindlichkeit hängt vom Diodenmaterial, dem Aufbau der Diodenschichten, der Wellenlänge des Lichtes und der Chipgröße ab.
Bei einem Fototransistor ist die in Sperrichtung gepolte Kollektor-Basis-Diode großflächig
ausgeführt und wirkt als Fotodiode. Ein durch Beleuchtung erzeugter Fotostrom wird über die
Stromverstärkung B des Transistors intern verstärkt, ist deswegen viel größer als der einer
Diode. Der Basisanschluss bleibt meist offen oder wird nicht aus dem Gehäuse herausgeführt.
Das Maximum der spektralen Empfindlichkeit einer Silizium-Fotodiode liegt im roten und
infraroten Bereich. Durch konstruktive Maßnahmen und Filter kann sie auch für sichtbares Licht
eingesetzt werden. Bei optischen Koppelelementen (Optokopplern) sind der optische Sender
(IRED) und der Fotoempfänger aufeinander abgestimmt.
1.5 Versuchsanordnung zur LED-Temperaturmessung
Für den Test der LED wird ein Prüfgerät mit zwei Stromquellen eingesetzt - eine einstellbare
Quelle IT von 0 bis zu 150 mA, die über einen Schalter auf die zu testende LED geschaltet
werden kann, und eine weitere Stromquelle mit
einem geringen Strom zur Chip-Temperaturmessung. Nach dem Betätigen des Tasters wird
der Umschalter für eine feste Zeit aktiviert.
Bei der Versuchsanordnung im Prüfgerät
werden 2 baugleiche Leuchtdioden in Reihe
geschaltet eingesetzt. Eine wird intern zur
Messung der erzeugten Leuchtdichte Φ eingesetzt, die andere zur Messung der I/U-Kennlinie
Abb. 3 Anordnung der Stromquellen (schematisch)
und optischer Sichtbarkeit in der Frontplatte des
Gerätes.
Bei einem zugeschalteten erhöhten Stromfluß IT durch die LEDs zeigt sich zuerst die
„kalte“ Durchlassspannung ULED, die dann
wegen der Eigenerwärmung des LED-Chips
sinkt.
Nach dem Ausschalten zeigt die LED die
merklich kleinere „heiße“ Durchlassspannung beim Ruhestrom (0,5 mA) als
Funktion der eigenen Chip-Temperatur im
Ausschaltaugenblick, die dann durch Abkühlung wieder ansteigt.
Abb. 4 Zeitverlauf der Durchlass-Spannung
einer LED während der Einschaltzeit
1.6 Optokoppler
Ein Optokoppler ist eine vorgefertigte Kombination einer LED oder IRED mit
einer Fotodiode oder häufiger einem Fototransistor in einem Gehäuse. Sie
dienen zur Signalübertragung (digital, auch analog) zwischen getrennten Stromkreisen und haben daher eine Isolationsspannung zwischen Eingang und Ausgang von mehreren 100..1000 Volt. Das Ausgangssignal IA ist ein Transistorstrom (Emitterstrom) bei offenem Basisanschluß, wenn der Kollektor an eine
Versorgungsspannung von 5 V angeschlossen ist. Zur Kennzeichnung des statischen
Übertragungsverhaltens wird ein Stromübertragungsfaktor (CTR, current transfer ratio) definiert,
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der das Verhältnis von verursachtem Empfängerstrom / LED-Senderstrom in % ausdrückt. Je
nach Bauform liegt der Wert bei ..10..500 %, er kann arbeitspunktabhängig sein.
1.7 LED als Taschenlampe
Moderne einfarbige oder weiße LEDs haben eine so hohe Leuchtdichte und einen so hohen
Wirkungsgrad, dass es möglich ist, sie an Stelle von Glühlampen für Beleuchtungszwecke
einzusetzen. Die relativ hohe Durchflussspannung von 2,2.. 3,5 Volt erfordert bei Batteriebetrieb
mehrere Zellen und einen Vorwiderstand zur Begrenzung des Stroms bei veränderlicher
Batteriespannung. Das ist häufig sehr unwirtschaftlich und wird daher zunehmend durch
Schaltungen mit einer Batteriezelle und einem
Spannungswandler ersetzt, der die zu niedrige
Batteriespannung auf die Flussspannung der LED
bringt.
In einem solchen Wandler wird eine Spule L als
Energiespeicher verwendet. Ein Transistorschalter S
kann den Anschluss der Spule mit dem Minuspol der
Batterie verbinden, so dass die volle konstante
Abb. 5 Stromkreis in der Ladephase
Batteriespannung (ca. 1,2..1,5 V) an der Spule liegt.
Damit steigt der Spulenstrom IL durch den
geschlossenen Schalter S linear an:
dI
=−
L
dT
U
Batt .
L
Ein Maschenumlauf I ergibt die Beziehung
U
BATT .
+L
dI
L
dt
=0
Wird der Schalter S nach der Zeit t1 geöffnet, so will
der Strom weiterfließen und dabei abnehmen.. Die
Spannung an der Spule ändert daher ihr Vorzeichen
und addiert sich nun zur Batteriespannung, bis die
Flussspannung der LED (ca. 2,2 V) erreicht ist und der
Spulenstrom ILED (abnehmend) durch die LED fließt.
Der Maschenumlauf II ergibt sich zu
U
Batt .
+ L⋅
dI
LED
dt
+U
F ( LED )
=0
Die Spule „entlädt“ sich durch die LED. Abhängig von
den
Werten
der
Abb. 6 Zeitverläufe Ströme, Spannungen
Batterieund Diodenspannung kann die Zeitfunktion des
LED-Stroms in den Phasen I und II
unterschiedliche Steigungen haben. Wird zum
Zeitpunkt t2 der Schalter S geschlossen und die
Spule wieder an die Batteriespannung gelegt, kann
sie wieder „aufgeladen“ werden.
Abb. 7 Stromkreis in der Entladephase
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Optoelektronik
Die aufgenommene elektrische Leistung der LED ist das Produkt der am Bauteil messbaren Zeitfunktionen u(t) und i(t). Durch den differentiellen Innenwiderstand der LED und einen
Messwiderstand RM in Verbindung mit dem abfallenden Stromwert –dI/dt zeigt der Spannungszeitverlauf der LED eine fallende Dachschräge. Je nach Arbeitspunkt der Wandlerschaltung
kann der Spulenstrom IL am Ende einer Periode auf null fallen (Dreieckform) oder einen festen
Minimalwert (Trapezform) haben, der in den Zeitabschnitten jeweils linear steigt und fällt. Für
den Wirkungsgrad des LED-Stroms ist letzterer Zustand sogar günstiger.
Im stetigen Betrieb der Wandlerschaltung ergeben
sich zeitveränderliche Signalformen. Die mittlere
von der LED aufgenommene Leistung P ergibt sich
durch das Integral über das Produkt der Zeitfunktionen.
t
P
LED
1
= ∫ u (t ) ⋅ i (t )dt
Tt
1
0
Die Zeitfunktionen können in der Theorie und in der
Praxis als abschnittsweise linear angenommen
werden.
Der Wirkungsgrad der Wandlerschaltung ist das
Verhältnis der an die LED abgegebenen Leistung P
zu der aufgenommenen Gleichstromleistung der
ganzen Schaltung. Dabei ist wegen der niedrigen
Werte der Versorgungsspannung beim Einsatz von
Digitalmultimetern auf spannungsrichtige Messung
zu achten.
Abb. 8 Oszilloskopbild mit Zeitbezug
Bei der Musterschaltung sind die Messpunkte für die LED-Spannung und den LED-Strom auf
jeweils eine Buchse herausgeführt. Zur Strommessung dient ein 2,2 Ohm-Widerstand, sein Wert
muss bei der Auswertung des LED-Strom-Signals berücksichtigt werden. Wegen des gemeinsamen Bezugspotentials am Kathodenanschluss der LED muss das Vorzeichen des auf dem
Oszilloskop angezeigten LED-Stroms korrigiert werden.
Die Induktivität L der Spule kann
näherungsweise über die Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt bei einer gegebenen
an der Spule liegenden Spannung UL
errechnet werden.
L= U ⋅
L
∆t
∆i
Dabei kann für die Bestimmung der
Umlaufspannung im Ladekreis (Masche I)
die Flussspannung des Transistors S mit
etwa 0,1 Volt angenommen werden.
.
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Abb. 9 Anschluss an die Versuchsschaltung
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Laborbericht Optoelektronik
1.7 Optoelektronik
2 Vorbereitung
In dem Laborversuch wird die ‚statische‘ Strom-/Spannungskennlinie einer LED bis zu großen
Strömen ausgemessen. An einer zweiten baugleichen in Reihe geschalteten LED2 wird dabei mit
einer internen Zusatzschaltung unter Einsatz einer Fotodiode der erzeugte Lichtstrom Φ indirekt
gemessen.
(1) Machen Sie sich mit den zu untersuchenden Bauelementen vertraut. Ermitteln Sie den
notwendigen LED-Segment-Strom für eine sechsstellige Multiplex-Anzeige wie oben
skizziert, wenn der gemittelte LED-Strom bei 20 mA liegt. Skizzieren Sie den Zeitverlauf des
LED-Stroms, wenn jede Ziffer 80x pro Sekunde angesteuert wird (Zeitmaßstab).
(2) Skizzieren Sie einen prinzipiellen Messaufbau zur punktweisen Messung der Strom/Spannungskennlinie einer LED und gleichzeitiger Messung der Chip-Temperatur.
Bereiten Sie eine Tabelle zur Messung von Strom, Spannung, Temperaturspannung,
Temperatur, Lichtstrom-Spannung U(Φ) für einen LED-Strom von 3...150 mA vor.
(3) Skizzieren Sie den Messaufbau zur Messung des Wirkungsgrades des LED-Spannungswandlers. Entwickeln Sie den Berechnungsgang zur Ermittlung der Leistung P der LED aus
den mit dem Oszilloskop zu messenden Werten für Strom (I(tx)) und Spannung.(U(tx)).
3 Durchführung
Messung der statischen Strom-/Spannungskennlinie und der Chip-Temperatur
(3.1) Stellen Sie am Messaufbau „optische Bauelemente“ den LED-Strom auf Null (Linksanschlag) und schalten Sie das Gerät ein. Durch LED1 fließt nun der konstante
Temperaturmessstrom I0, etwa 0,5 mA. Bei dieser geringen Verlustleistung kann die
Erwärmung der LED durch den Messstrom vernachlässigt werden.
Messen Sie nun zuerst die Spannung an der Leuchtdiode (ULED1) mit einem angeschlossenen
Digitalvoltmeter. Dieser Spannungswert bildet den „Referenzwert“ bei Zimmertemperatur
entsprechend 25°C. Berechnen Sie im Voraus mit einem Temperaturbeiwert von dU/dT = –
2,20 mV/K die Spannung an LED1, die bei einer Chip-Temperatur von 110°C zu erwarten
ist (maximaler Grenzwert).
(3.2) Zur Messung der I-/U-Kennlinie, der Chip-Temperatur und der Leuchtdichte Φ stellen Sie
zuerst den LED-Strom ein (0...150 mA in 10 mA-Schritten) und betätigen danach den
Taster „Messimpuls“. Hierdurch wird der eingestellte Strom für ca. 5 sec. auf die LED
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Laborbericht Optoelektronik
geschaltet, danach folgt eine „Zwangspause“ von ca. 10 s., während dieser Zeit ist der
Taster wirkungslos.
Da der Halbleiter-Chip der LED sich relativ schnell erwärmt und abkühlt, empfiehlt es sich
zum leichteren Ablesen der Temperaturspannung, das Multimeter am Laborplatz auf
automatische Minimal-/Maximalwert-Messung zu schalten. Dieser Modus wird eingestellt:
1)
FUNCTION so oft drücken, bis im Display [A-H] blinkt.
2)
SET/RESET drücken, [R-H] blinkt.
3)
UP bzw. DOWN drücken, bis der richtige Messbereich (x.xxx V=) eingestellt ist
(normalerweise nicht mehr nötig).
4)
SET/RESET drücken, das Multimeter zeigt nun am unteren Rand Minimalwert,
Durchschnittswert und Maximalwert an.
Dabei ist zu beachten, dass es keine Reset-Taste gibt, die nur diese drei Werte zurücksetzt; durch
drücken von SET/RESET wird das gesamte Multimeter wieder in den normalen Messmodus
zurückgesetzt. Trotzdem muss nicht vor jeder Messung das Multimeter neu eingestellt werden, da
bei einem höheren Strom (nächster Messwert) auch die Durchlassspannung der LED höher ist.
Die LED in der Frontplatte hat bei großen Strömen eine solche
Leuchtdichte, daß beim Hineinstarren in das Licht
Augenschäden zu befürchten sind. Vermeiden Sie unbedingt
das Hineinschauen in die LED bei großen Messströmen !
Mit der Fotospannung U(Φ) ist ein Referenzwert für die Helligkeit der LED bei einem Wert
des Durchlassstroms ILED herausgeführt. Bitte messen Sie jeweils den Anfangswert von U(Φ)
während der Einschaltzeit, um Erwärmungseffekte zu vermeiden.
Notieren Sie für die Messpunkte die erforderlichen Messwerte innerhalb der zulässigen Testzykluszeit, bei Erwärmung je nachdem die Anfangs- oder Endwerte.
Messungen am LED-Spannungswandler
(3.3)
Verbinden Sie die das Niederspannungsnetzgerät mit den Strom- und Spannungsmessern
und mit dem LED-Spannungswandler zur Messung der aufgenommenen Leistung
(spannungsrichtige Messung). Schließen Sie die beiden Kanäle des Oszilloskops an die
Anschlüsse für die LED-Strom- und Spannungsmessung.
Ermitteln Sie bei den Eingangsspannungen UE =
0,8 V / 1,0 V / 1,2 V / 1,4 V mit dem Oszilloskop
die Messwerte für die Periodendauer T und die
gekennzeichneten Punkte im Signalverlauf.für den
LED-Strom und die LED-Spannung.unter
Verwendung der Cursor-Funktion des Oszilloskops.
Ermitteln Sie vor dem Abschluss der Messungen
zur Überprüfung aus Ihren gemessenen Werten den
Wirkungsgrad η als LED-Leistung/ aufgenommene
Leistung für den Eingangswert UE = 1,0 Volt.
Ermitteln Sie einen Schätzwert für die Induktivität L aus den Werten der Stromänderung,
der Spannung an der Spule und der Pulsdauer.
(3.4)
(3.5)
(3.6)
.
Bei höheren Stromwerten kann die Leuchtdichte der LED Ihre
Netzhaut gefährden, wenn Sie in die LED direkt hineinschauen.
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Laborbericht Optoelektronik
4 Auswertung
(1) Verhalten der LED
Stellen Sie die gemessenen Kennlinienwerte als
• IF/UF-Diagramm (statische Kennlinie),
• Chiptemperatur über dem Durchlass-Strom IF bis 150 mA,
• Lichtstrom-Spannung U(Φ) über IF (beginnend mit dem Anfangswert von Φ = 0),
• Lichtstrom-Spannung U(Φ) über der aufgenommen Leistung P = IF⋅UF,
dar.
Empfehlen Sie Bereiche, wo LEDs am besten betrieben werden können.
(2) Verhalten des LED-Spannungswandlers
• Berechnen Sie die Werte der aufgenommenen Gleichstromleistung P für die vier
Eingangsspannungen.
• Berechnen Sie die LED-Leistungen mit dem Integral über das Produkt aus der StromZeitfunktion und. der Spannungs-Zeitfunktion.
• Berechnen Sie den Wirkungsgrad der Schaltung für die verschiedenen
Eingangsspannungen.
• Zeichnen Sie ein Diagramm für den Wirkungsgrad als Funktion der
Eingangsspannung.Wirkungsgrad η = f(UE).
• Diskutieren Sie kurz die Konsequenzen für einen praktischen Einsatz. Vergleichen Sie
die Ergebnisse mit einem Aufbau mit UE = 3 Volt (2 Batterien) und einem
Vorwiderstand von 39 Ω.
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