ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ

ПРИМЕНЕНИЕ ИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ

В предшествующих главах книги приводились основные обла­сти применения излучающих диодов. В настоящей главе рассмот­рим подробнее отдельные области применения приборов. Основной и наиболее массовой областью применения светоизлучающих дио­дов является сигнальная индикация. В этой области светоизлучаю­щие диоды конкурируют со сверхминиатюрными лампами накали­вания. Сравнение технических данных светоизлучающих диодов и сверхминиатюрных окрашенных ламп накаливания типа СМН6-80 позволяет сделать следующие выводы.

1. По входным электрическим параметрам светоизлучающие диоды в отличие от ламп накаливания хорошо согласуются с тран­зисторными полупроводниковыми схемами. Некоторые типы диодов могут успешно использоваться при весьма малых токах питания 1—5 мА.

2. По силе света на единицу проводимой мощности светоизлу­чающие диоды с красным свечением типа АЛ307КМ примерно в 4,5 раза превосходят лампу накаливания типа СМНК6-80 (лучшие образцы примерно в 7 раз); по световой отдаче также ймеется преимущество диодов, ио разница меньше. Превосходство светоиз­лучающих диодов над лампами в красной области спектра обуслов­лено, с одной стороны, наличием высокоэффективных диодов с крас­ным свечением, а с другой стороны, сильным поглощением излуче­ния ламп при применении красных фильтров.

Светоизлучающий диод с зеленым свечением типа АЛ307НМ по силе света на единицу подводимой мощности превосходит при­мерно в 2,5 раза силу света лампы типа СМН36-80; по световой от­даче лампа имеет преимущество перед диодом.

Светоизлучающий диод с желтым свечением типа АЛ307ЕМ уступает лампе накаливания типа СМНЖ6-80 в связи с тем, что в желтой области спектра поглощение света лампы цветным фильт­ром минимально.

При использовании светоизлучающих диодов с узкоиаправлен - ным излучением для индикации и подсветки постоянных надписей преимущества диодов перед лампами становятся более значитель­ными (см. данные табл. 8.1 для типов АЛ336К, И, Е). Так, по си­ле света на единицу подводимой мощности диод с красным све­чением типа АЛ336К превосходит лампу СМНК6-80 в 90 раз, диод с зеленым свечением типа АЛ336И соответствующую лампу СМН36-80 — в 27 раз, диод с желтым свечением типа АЛ336Е — лам­пу СМНЖ6-80 — примерно в 3 раза. Для лучших образцов превос­ходство еще выше. і

Более высокая сила света светоизлучающих диодов на единицу подводимой электрической мощности способствует сокращению расхода энергии на цели индикации и подсветки.

3. По габариту, занимаемому объему и массе диоды пример­но соответствуют лампам СМН6-80 и значительно миниатюрнее ламп в арматуре.

4. Срок службы светоизлучающих диодов (гарантируемый) по крайней мере в 5 раз больше срока службы ламп. Разница между реальными данными по сроку службы еще больше.

Следует отметить, что надежность светоизлучающих диодов значительно выше надежности ламп накаливания; так как критери­ем окончания срока службы диодов является снижение силы света до уровня 0,5 первоначального, а для ламп окончанием срока служ­бы является катастрофический отказ.

Сравнение диодов с лампами по устойчивости к механиче­ским воздействиям показывает, что светоизлучающие диоды зна­чительно устойчивее к ударным нагрузкам (для них допустимы многократные удары с ускорением до 150 g вместо 12 g для ламп, одиночные удары — до 1000 g) и к вибрационным нагрузкам (ус­корение до 40 g вместо 10 g для ламп, диапазон частот до 5000 Гц вместо 2000 Гц для ламп).

5. Рассеиваемая тепловая мощность ламп накаливания при­мерно на порядок превосходит рассеиваемую тепловую мощность светоизлучающих диодов. В связи с этим для диодов возможен более плотный монтаж, чем для ламп. Лампы накаливания нельзя располагать вблизи чувствительных к температуре схем.

6. Затраты на элемент индикации с учетом срока службы в случае применения светоизлучающих диодов значительно ниже, чем в случае применения ламп СМН6-80.

Существенное преимущество светоизлучающих диодов перед лампами — их высокое быстродействие (см. гл. 6). Из-за высокого быстродействия диоды могут использоваться в мультиплексном им­пульсном электрическом режиме, что позволяет создавать более экономичные схемы питания. 1

Важное достоинство светоизлучающих диодов — возможность управления цветом свечения (например, при использовании диодов типа АЛС331А).

Приведенные выше данные показывают, что полупроводнико­вые светоизлучающие диоды по силе света иа единицу подводимой электрической мощности, световой отдаче, надежности, сроку служ­бы, устойчивости к механическим воздействиям, рассеиваемой теп­ловой мощности, быстродействию, стоимости существенно превосхо­дят сверхминиатюрные лампы накаливания. Не вызывает сомнения, что в ближайшем будущем светоизлучающие диоды заменят лам­пы накаливания в качестве элементов индикации в большинстве ви­дов аппаратуры.

Работа [146] посвящена рассмотрению возможных способов возбуждения светоизлучающего диода от ТТЛ-схем. Приводится таблица, содержащая восемь способов возбуждения диодов, рас­смотрены свойственные им ограничения и указаны основные тех­нические показатели.

Для маркировки фотопленок чаще всего применяют светоизлу­чающие диоды с зеленым свечением (например, типа АЛЮ2В), так как в этой области спектра фотопленки весьма чувствительны. Дио­ды работают в импульсном режиме питания при увеличенной амп­литуде тока для повышения скорости процесса маркировки.

Излучение - светоизлучающих диодов с красным свечением со­гласуется по спектру с областью максимальной чувствительности фоторезисторов из смеси соединений CdS—CdSe или CdSe—ZnSe [112]. В связи с этим могут быть созданы резисторные оптроны, использующие в качестве излучателей бескорпусиые светоизлучаю­щие диоды (например, из GaP типа АЛ301Б [112]).

Светоизлучающие диоды достаточно широко используются в фо­тографической технике. Например, отечественный фотоэкспонометр высокого класса «Свердловск-4» выполнен с индикацией по свето­излучающему диоду, что упрощает и ускоряет процесс измерения экспозиции.

В новых разработках фотоаппаратов используется несколько способов отображения экспозиционных параметров [147], напри­мер: свечение светоизлучающего диода с желтым свечением сигна­лизирует о передержке, с красным свечением — о недодержке; пра­вильная экспозиция — одновременное свечение диодов; оба светоиз­лучающих диода наблюдаются в видоискателе фотоаппарата.

Фотоаппарат «Сигнал-рапид», выпускаемый в Советском Союзе, содержит полуавтоматическую установку экспозиционных парамет­ров с использованием светоизлучающих диодов с красным и зеле­ным свечением. В визире фотоаппарата «Фуджнка-901ST» при на­жатии на спусковую кнопку появляются цифровые значения эф­фективной выдержки, представляемые цифровым индикатором. Цифровая информация делает работу с таким фотоаппаратом бо­лее удобной.

Весьма важный вопрос применения цифровых индикаторов — использование оптимальных схем управления. В работе [148] прове­ден анализ схем управления индикаторами.

С точки зрения принципа построения схем часть их предназ иачеиа для поразрядного управления индикаторами, другая часть— для мультиплексного (в первом случае каждый экземпляр семисег­ментного индикатора управляется отдельной схемой; во втором — набор индикаторов управляется общей схемой, к которой поочеред­но подключается по одному индикатору). Схемы поразрядного и мультиплексного управления имеют свои предпочтительные области применения.

Поразрядные нитегральиые схемы управлення обладают пре­имуществами перед мультиплексными, если входная цифровая ин­формация подается на схему в виде набора независимых параллель­ных сигналов. В этих случаях преобразование параллельного кода в последовательно-параллельный, необходимый для мультиплексного управления, требует применения дополнительных сложных микро­схем.

Важное преимущество поразрядных схем — существенно боль­шая унификация, так как каждый разряд индикатора управляется однотипной схемой. В мультиплексном варианте управления инди­каторы управляются набором различных схем, которые не удастся объединить в единую монолитную микросхему. Разнотипность мик­росхем понижает надежность и снижает экономические показатели (при прочих равных условиях).

Мультиплексные схемы управления целесообразно применять в тех случаях, когда входная цифровая информация подается на схему в виде набора последовательно-параллельных сигналов с по­следовательностью, задаваемой низкочастотным генератором. Такой вид входных информационных сигналов формируется в специализи­рованных монолитных микросхемах, предназначенных для исполь­зования в отдельных изделиях высокой серийности (микрокалькуля торы, цифровые часы).

Диодные источники инфракрасного излучения находят широкое применение в различных фотоэлектрических устройствах. Эта об­ласть применения охватывает внешние устройства вычислительной техники (ввод информации в ЭВМ и воспроизведение информации с

перфокарт и перфолент), системы автоматического управления, уст­ройства контроля положения, угла поворота, состояния поверхности объектов, устройства контроля вибрации, заполнения объемов жид костью и т. п.

Малогабаритные фотопреобразователн вал — цифра находят применение во многих устройствах для измерения длины и углов [149]. Эти преобразователи позволяют повысить производитель­ность измерений, исключить субъективные ошибки оператора и автоматизировать обработку полученных результатов. Из-за не­большого габарита и веса, а также высокого быстродействия, эти фотопреобразователи широко используют в приборостроении. До­стигнутая в [149] погрешность измерения линейных перемещений, не превышает ±0,3 мкм.

Перспективная область применения ИК диодов — передача звука ЯК лучом. Фирма «Лев Опто» разработала телевизор с ин­фракрасным передатчиком звука. Этот передатчик содержит не­сколько ИК диодов, излучение которых модулируется сигналами звукового сопровождения. Сигнал воспринимается фотодиодом, вмонтированным в оголовье наушников телезрителя. Способ пере­дачи звука от телевизора к наушникам телезрителя по ИК лучу имеет ряд достоинств. Во-первых, отсутствует соединительный шнур, мешающий телезрителю-. Во-вторых, телезритель с наушниками мо­жет свободно перемещаться по комнате, но при этом звук пропа­дать не будет, поскольку ИК лучи отражаются от каждой поверх­ности - л заполняют все пространство комнаты. Кроме того, можно полностью убрать громкость звука в телевизоре и прослушивать звуковое сопровождение передачи, не мешая присутствующим в комнате. В наушниках имеется свой регулятор громкости. Передат­чик ИК лучей содержит, как правило, несколько ИК диодов. Мощ­ности излучения около 60 мВт достаточно для облучения комнаты среднего размера. Кремниевый планарный р—і—n-диод приемного устройства наушников имеет площадь активной поверхиости 3X3 мм.

Передача звука ИК лучом находит также другие эффективные применения. В работе [150] сообщается о создании переговорных устройств с переносом звука ИК излучением, использующих два канала. Там же сообщается об устройствах дистанционного управ леиия приборами.

Важным направлением применения ИК диодов является накачка твердотельных лазеров. Лазеры на основе алюмо-иттриевого граната, активированного неодимом (YAG : Nd), имеют интенсивные полосы поглощения в удобной для накачки ИК диодами спектральной об­ласти 0,8—0,9 мкм. Замена используемых в настоящее время для накачки лазеров недолговечных ламп на эффективные и долговеч­ные диоды инфракрасного диапазона обеспечит значительный про­гресс в использовании'лазеров YAG : Nd.

В ряде работ для иакачки использовались ИК Диоды полусфе­рической конструкции с т]вв каждого диода около 6 %. При этом - коэффициент накачки системы составил 29 %. В работе [151] по­казано, что для накачки YAG: Nd могут быть успешно использо­ваны плоские трехслойиые гетеродиоды в системе AlAs—GaAs. Для накачки стержня 0 3 мм и длиной 65 мм было отобрано 117 дио­дов с т]вн в области токов 1—4 А в пределах 1,1—1,2 % (без им­мерсии). Квантовый выход излучения для всей системы иакачки в присутствии иммерсионной среды' (а-моиобромнафталии с пока­зателем преломления я=1,65) при токе 3,5 А составлял около 3 %. Коэффициент накачки лазера составил около 25 %. Пороговый уровень накачки при комиатиой температуре достигался при токе через диоды около 3,5 А. Мощность излучения диодов была при этом примерно 15 Вт. Мощность, поглощаемая стержнем, состав­ляла около 3,5 Вт. Выходная мощность излучения лазера была не­велика (примерно 20 мВт в одну сторону) в связи с малым пре­вышением мощности накачки над порогом.

Излучающие диоды инфракрасного диапазона находят также применение во влагометрии. Принцип использования излучающих диодов для влагометрии следующий: через исследуемый материал пропускают излучение двух длин волн, одна из которых соответст­вует резонансному максимуму поглощения паров воды (примерно 1,85 мкм), другая лежит вне этого максимума (это излучение яв­ляется опорным). Интенсивность этих двух лучей измеряется срав­нительно на выходе с помощью фотоприемников. В качестве излу­чателей на длину волны излучения 1,8—1,85 мкм могут быть ис­пользованы ИК диоды из Gai_j:Al*Sb и Gai_xInxSb, а в качестве фотоприемиика на эту длину волны излучения — приемники из PbS.

На описанном выше принципе основан также метод контроля содержания в воздухе побочных продуктов ряда технологических процессов, таких как пары агрессивных и ядовитых жидкостей, вредных газов, дыма и т. п.