Светодиоды

В этом эксперименте изучаются электрические и тепловые свойства светодиодов (LED). Для измерения температуры светодиода используйте коэффициенты, найденные в части B.1 Эксперимента №1. Электрическая схема, используемая в эксперименте, приведена на рисунке 2.1. Инструкция по работе с оборудованием находится в описании Эксперимента №1.

В этом эксперименте мы будем исследовать зависимость напряжения от тока через светодиод и от его температуры \(T_\mathrm{J}\):

\[U_\mathrm{LED}=\mathrm{function}(I_\mathrm{LED},\:T_\mathrm{J}).\]

Внимание: На светодиод можно подавать либо постоянный ток либо короткие прямоугольные импульсы тока. В случае импульсов можно считать, что они достаточно короткие, поэтому можно пренебречь нагреванием светодиода за счет протекающего через него тока (например если использовать импульсы длиной 1 мс с промежутком между измерениями как минимум 100 мс). Тогда можно считать, что температура светодиода равна температуре платы \(T_J=T_{PCB}\). Если же через светодиод течет постоянный ток, его температура больше температуры платы \(T_J>T_{PCB}\) и можно вычислить тепловое сопротивление между светодиодом и платой (PCB) \(\frac{\Delta T}{P}\). Оно рассчитывается по формуле следующим образом:

\[\frac{\Delta T}{P}=\frac{(T_\mathrm{J}-T_\mathrm{PCB})}{P},\]

где \(P\) – электрическая мощность при разных значениях \(I_\mathrm{LED}\).

Часть А. ВАХ при различных температурах (5.0 баллов)

Физический механизм нагрева один и тот же в Эксперименте №1 и в Эксперименте №2. Используйте результаты Эксперимента №1, чтобы связать напряжение на термисторе с его температурой. В качестве альтернативного варианта вы можете использовать приближенную формулу:

\[T(U)=\frac{3500}{9.9-\ln(\frac{1}{U}-0.3)},\]

где \(T\) – температура термистора в кельвинах, \(U\) – напряжение на термисторе в вольтах.

A1. Используйте импульсный режим. Снимите зависимость тока \(I_\mathrm{LED\_pulsed}(U_\mathrm{LED\_pulsed}, T)\) в интервале от 3 мА до 50 мА при комнатной температуре, а также при 40, 60 и 80 °C. Постройте все эти зависимости на одном графике.

A2. В листе ответов заполните таблицу значений \(U_\mathrm{LED\_pulsed}\) при значениях тока через светодиод \(I_\mathrm{LED\_pulsed}\) 3, 10, 20, 40 мА при комнатной температуре, при 40, 60 и 80 °C.

A3. Постройте график напряжения на диоде \(U_\mathrm{LED\_pulsed}(I_\mathrm{LED\_pulsed},T)\) (в точках, указанных в пункте A.2) и вычислите приближенно (графически) коэффициенты линейной зависимости напряжения от температуры (\(\Delta U(I)/\Delta T\)) при значениях тока 3, 10, 20 и 40 мА.

Часть B. ВАХ на постоянном токе (3.5 балла)

B1. Снимите зависимость тока через диод \(I_\mathrm{LED\_continuous}(U_\mathrm{LED\_continuous})\) от напряжения в интервале от 3 мА до 50 мА при выключенном нагревателе в режиме постоянного тока и постройте график. В листе ответов также запишите значения \(U_\mathrm{LED\_continuous}\), температуры светодиода \(T_J\), температуры платы \(T_\mathrm{PCB}\) и разности напряжений \(\Delta U= U_\mathrm{LED\_pulsed} - U_\mathrm{LED\_continuous}\) при значениях тока 3, 10, 20 и 40 мА.

B2. Сопротивление светодиода непостоянно (зависит от тока), поэтому вводится термин дифференциальное сопротивление \(\frac{\mathrm{d}U}{\mathrm{d}I}\). Используя график из B.1, оцените значение обратного дифференциального сопротивления \(1/(\frac{\mathrm{d}U}{\mathrm{d}I})=\frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}U}\). В листе ответов запишите значения \(\frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}U}\) при значениях тока 3, 10, 20 и 40 мА. Проведите касательные в этих точках на графике.

B3. Вычислите разность температур \(\Delta T(P)\) между непрерывно работающим светодиодом (температура \(T_\mathrm{J}\)) и температурой платы (\(T_\mathrm{PCB}\)) как функцию электрической мощности \(P\) (при значениях тока 3, 10, 20 и 40 мА). Вычислите приближенно (с помощью графика) тепловое сопротивление светодиода \(\frac{\Delta T}{P}\), запишите его в листе ответов.

Примечание: Можно считать, что вся электрическая энергия, потребленная светодиодом переходит в тепло, а энергией светового излучения можно пренебречь.

Часть C. Зависимость тока через светодиод от температуры (1.5 балла)

Обычно через светодиод пускается постоянный ток, а не подается постоянное напряжение. Предположим, что вместо этого на диод подано постоянное напряжение, отвечающее номинальному току 20 мА, которое вы измерили в части B.1.

C1. Используя характеристики фотодиода, найденные в части B, оцените ток, который фактически течет через фотодиод, если напряжение поддерживается постоянным (используйте значение \(U(\mathrm{20mA})\) из B.1), а температура платы равна 0 °C и 40 °C.