Logo
Logo

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  2.50 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  1.00 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  1.50 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  1.50 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  0.50 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  1.50 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  1.50 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.