1. Блок-схема лабораторной установки

Лабораторная установка позволяет измерять силу излучения I_еmaxсветодиода в максимуме диаграммы направленности в зависимости от установленного интерфейсной программой токаI_LEDчерез светодиод. Излучение светодиода через коллиматор попадает на кремниевыйp-i-nфотодиод с известной спектральной характеристикой (Рис. 5.2.), причем ось симметрии светодиода и коллиматора совпадают. НапряжениеU_outна сопротивлении нагрузкиR_Lфотодиода измеряется с помощью вольтметра. Так как фотодиод регистрирует оптическое излучение в пределах телесного угла, определяемого площадьюAего фоточувствительной области и расстояниемLдо светодиода, то сила излученияI_еmaxсветодиода в максимуме диаграммы направленности излучения может быть определена по следующей формуле:

1. , (1.1)

2. (1.2)

где S^*– интегральная чувствительность кремниевогоp-i-nфотодиода к излучению исследуемого светодиода,S() – спектральная характеристика монохроматической токовой чувствительности кремниевогоp-i-nфотодиода (Рис. 5.2.),P_0() – относительная спектральная характеристика светодиода (Рис. 4.2.).

2. Спектральная характеристика кремниевого p-I-nфотодиода

Зная силу излучения светодиода в максимуме диаграммы направленности и его спектральную характеристику можно определить силу света в максимуме диаграммы направленности светодиода:

1. , (2.1)

где K– видность излучения светодиода, определяющая световой эквивалент потока излучения светодиода, то есть она характеризует эффективность воздействия энергии излучения светодиода на глаз человека. Для нормального дневного зрения на длине волны, соответствующей максимальной чувствительности глаза (555 нм), мощность излучения 1 Вт эквивалентна световому потоку величиной 683 лм, то естьК₅₅₅= 683 лм/Вт. Для немонохроматического излучения светодиода видностьKопределяется выражением:

2. ,(2.2)

где V() –относительная спектральная характеристика чувствительности глаза человека (Рис. 5.3.).

3. Относительная спектральная характеристика монохроматической чувствительности глаза человека

В стенде лабораторной установки сопротивление нагрузки R_Lфотодиода равняется 10 кОм, площадьAфоточувствительной области кремниевогоp-i-n фотодиода равна 7.5 мм², длинаLколлиматора (расстояние между светодиодом и фотодиодом) равна 8.5 см. В спектральном диапазоне излучения исследуемого светодиода от 615 до 703 нм относительная спектральная характеристика монохроматической чувствительности глаза человекаV(), относительная спектральной характеристика светодиодаP_0(), и спектральная характеристика чувствительностиS() кремниевогоp-i-nфотодиода аппроксимируются следующими функциями:

1. , (3.1)

2. , (3.2)

3. , (3.3)

где длина волны выражается в микрометрах.

Лабораторная установка включается в следующем порядке:

4. Заземлить стенд, вольтметр и персональный компьютер.

5. Подсоединить стенд к COM-порту компьютера с помощью ноль модемного кабеля.

6. Подключить блок питания к стенду при нахождении кнопки включения стенда в положении “Выкл.”.

7. Подключить блок питания стенда к электрической сети 100-240 В, 50/60 Гц.

8. Включить стенд (перевести кнопку включения стенда в положение “Вкл.”). Индикатор на кнопке включения стенда указывает на наличие напряжения питания на стенде.

9. Включить компьютер и запустить интерфейсную программу, управляющую стендом.

10. Выбрать в интерфейсной программе номер COM-порта, к которому подключен стенд, и произвести соединение интерфейсной программы со стендом нажатием кнопки “F9” на клавиатуре компьютера. Интерфейсная программа произведет диагностику работы стенда и при успешном соединении выведет сообщение “Соединение сCOMxустановлено”, где “х” – номерCOM-порта, к которому подключен стенд.

11. Если самодиагностика стенда не выявила ошибок, включить вольтметр и подключить его к выходному электрическому разъему фотодиода на стенде.

6. Порядок выполнения работы

   1. Ознакомиться с лабораторной установкой.

   2. Включить приборы в указанном выше порядке.

   3. Ознакомиться с работой интерфейсной программы.

   4. С помощью относительной спектральной характеристики светодиода (Рис. 4.2.), аппроксимируемой функцией 5.5(3.2), и спектральной характеристики чувствительности кремниевого p-i-nфотодиода (Рис. 5.2.), аппроксимируемой функцией 5.5(3.3), рассчитать по формуле 5.5(1.2) интегральную чувствительностьS^*кремниевогоp-i-nфотодиода к излучению исследуемого светодиода.

   5. Установить при помощи интерфейсной программы напряжение питания фотодиода -5 В.

   6. Установить при помощи интерфейсной программы ток светодиода 0 мА.

   7. Измерить напряжение U_outна сопротивлении нагрузкиR_Lфотодиода с помощью вольтметра. Записать результат измерения напряжения.

   8. Повторить измерение по пп. Рис. 6.6.-Рис. 6.7. для различных токов через светодиод в диапазоне от максимального до минимального значения, установленного интерфейсной программой.

   9. Для уменьшения ошибок измерений повторить измерения не менее 5 раз.

   10. Произвести обработку экспериментальных данных и оценить случайную погрешность измерения силы излучения I_emaxв максимуме диаграммы направленности светодиода, рассчитываемую по формуле 5.5(1.1), для доверительной вероятностиP= 0.95, при этом значения сопротивления нагрузкиR_L, интегральной чувствительностиS^*и площадьAфоточувствительной области фотодиода, а также расстояниеLмежду светодиодом и фотодиодом, считать постоянными величинами.

   11. Построить токовую характеристику силы излучения I_emaxв максимуме диаграммы направленности светодиода.

   12. С помощью относительной спектральной характеристики светодиода (Рис. 4.2.), аппроксимируемой функцией 5.5(3.2), и относительной спектральной характеристики монохроматической чувствительности глаза человека (Рис. 5.3.), аппроксимируемой функцией 5.5(3.1), рассчитать по формуле 5.5(2.2) видность Kизлучения светодиода, определяющую световой эквивалент потока излучения светодиода.

   13. С помощью формулы 5.5(2.1) построить токовую характеристику силы света I_maxв максимуме диаграммы направленности светодиода.

7. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

• название работы, ф.и.о. студента и номер группы;

• таблицы с экспериментальными данными;

• обработку экспериментальных данных;

• значение интегральной чувствительности кремниевого p-i-nфотодиода к излучению исследуемого светодиода;

• токовую характеристику силы излучения в максимуме диаграммы направленности светодиода;

• значение видности излучения светодиода;

• токовую характеристику силы света в максимуме диаграммы направленности светодиода;

• выводы.