Светодиоды

Светодиоды изготавливаются не на основе кремния или германия, как большинство полупроводниковых элементов, а на основе арсенида-фосфида галлия (с валентной связью типа А₃В₅). Эти диоды излучают свет при протекании через них прямого тока. Область спектрального излучения диодов имеет довольно узкие границы. Ее положение зависит от используемого полупроводникового материала. Условное обозначение светодиода показано на рис. 10.

Рис. 10. Условное обозначение светодиода

Основные параметры светодиодов приведены в таблице [2].

Основные параметры светодиодов

Цвет свечения	Длина волны (в точке максимума интенсивности излучения), нм	Материал полупроводника	Прямое падение напряжения при токе 10 мА, В	Сила света при токе 10 мА и угле излучения ±45º, мкд	Мощность излучения при токе 10 мА, мкВт
Инфра-красный	900	Арсенид галлия	1,3...1,5	–	100...500
Красный	655	Арсенид-фосфид галлия	1,6...1,8	0,4...1	1...2
Оранжевый	635	Арсенид-фосфид галлия	2,0...2,2	2...4	5...10
Желтый	583	Арсенид-фосфид галлия	2,0...2,2	1...3	3...8
Зеленый	565	Фосфид галлия	2,2...2,4	0,5... 3	1,5...8

Коэффициент полезного действия инфракрасных светодиодов составляет 1–5 %, у остальных типов светодиодов он не превышает 0,05 %. Яркость свечения в широком диапазоне пропорциональна прямому току светодиода. Тока в несколько миллиампер уже достаточно для отчетливой индикации, поэтому светодиоды удобно использовать в качестве элементов индикации в полупроводниковых схемах. Светодиодные индикаторы изготавливаются в виде семисегментных или точечных матриц.

Следует отметить, что в последнее время широкое распространение получили сверхъяркие светодиоды и светодиодные индикаторы с мощностью излучения в несколько десятков и даже сотен мВт.

3. Основные характеристики и параметры усилителей

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления входных электрических сигналов по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Усилитель включает в себя нелинейный элемент, управляемый входным электрическим сигналом , источник питания и нагрузочное устройство с сопротивлением (рис. 11).

Рис. 11. Структурная схема усилительного устройства

Входной сигнал управляет параметрами нелинейного элемента. В качестве нелинейного элемента используются электровакуумные приборы, транзисторы и другие элементы.

Классификация усилителей производится по многим признакам:

• по виду усиливаемого сигнала они делятся на усилители гармонических и импульсных сигналов;

• по типу усиливаемого сигнала усилители подразделяют на усилители напряжения, тока и мощности;

• по диапазону усиливаемых частот различают усилители постоянного тока и усилители переменного тока. В свою очередь усилители переменного тока в зависимости от диапазона усиливаемых частот делятся на усилители низкой частоты (УНЧ), высокой частоты (УВЧ), широкополосные и избирательные усилители;

• по виду нагрузки различают усилители с активной, с активно-индук­тив­ной и емкостной нагрузкой.

Усилители могут быть однокаскадными и многокаскадными с гальванической, емкостной и индуктивной связью.

В зависимости от режима работы можно выделить два класса усилителей: усилители с линейным режимом работы и усилители с нелинейным режимом работы.

Основными характеристиками любого усилителя являются:

• амплитудная характеристика, которая представляет собой зависимость: . Для линейных усилителей это прямая, проходящая через начало координат (рис. 12);

Рис. 12. Пример амплитудной характеристики усилителей

• амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) отражает зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты (рис. 13). Реально в усилителях из-за наличия паразитных емкостей и индуктивностей различные частоты усиливаются неодинаково;

• фазочастотная характеристика (ФЧХ) отражает зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного сигнала (рис.13);

Рис. 13. Пример АЧХ (рисунок слева) и ФЧХ (рисунок справа) усилителей

• переходная характеристика – отражает реакцию усилителя на единичный скачок входного напряжения. Переходная характеристика определяется по ее изображению на экране осциллографа при подаче на вход усилителя входного сигнала прямоугольной формы. Процесс изменения выходного сигнала может быть колебательным (кривая 1 на рис. 14) либо апериодичным (кривая 2 на рис. 14).

Рис. 14. Пример переходных характеристик усилителей

Важнейшими параметрами усилителя являются:

• коэффициенты усиления по току , напряжению и мощности :

где ,,,,, – действующие значения токов напряжений и мощностей на входах и выходах усилителя;

• полоса пропускания усилителя (рис. 15) характеризует частотные свойства усилителя. Измеряется на уровне 0,707 от ,;

Рис. 15. Определение полосы пропускания по АЧХ усилителя

• входное и выходное сопротивление необходимо учитывать при согласовании с источником входного сигнала и с нагрузкой. В общем случае значение входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией частоты:

;

• выходная мощность усилителя – это мощность, которая выделяется на нагрузке;

• искажения сигналов в усилителе – это отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала. Различают два вида искажений: статические (нелинейные) и динамические (линейные).

Нелинейные искажения возникают в усилите за счет работы его на нелинейном участке ВАХ. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник:

,

где – амплитуда n-й гармоники, – амплитуда основной гармоники выходного сигнала.

Линейные искажения определяются амплитудно-частотной характеристикой усилителя и количественно оцениваются коэффициентами частотных искажений на низких и высоких частотах.

Для получения высоких коэффициентов усиления в состав усилителя входит обычно несколько каскадов. Первым каскадом, как правило, является предварительный усилитель, затем идут промежуточный усилитель и усилитель мощности. Предварительный усилитель обеспечивает связь источника сигнала с усилителем. Он должен иметь большое входное сопротивление для того, чтобы не ослаблять входной сигнал. Промежуточный усилитель обеспечивает основное усиление, а усилитель мощности обеспечивает заданную выходную мощность.