Курсовойпроект
Разработкаустройства лазерного дистанционного управления
по дисциплине
«Оптоэлектронныеи квантовые приборы и устройства»
Чита 2009
Содержание
Введение
1. Техническоезадание на курсовой проект
2. Описание ипринцип работы схемы
3. Графическиематериалы
4. Справочныеданные элементов
4.1 Фотодиод ФД256
4.2 Светодиод АЛ307ГМ
4.3 КП501А
4.4 IRF840
4.5 Цифровая микросхема К561ТМ2
4.6 К561
4.7 Корпус прямоугольный пластмассовый типа DIP14
4.8 Корпус прямоугольный пластмассовый типаSOIC-14
5. Расчеты
Заключение
Список литературы
Введение
Источник света в лазерной указке — полупроводниковый лазер — формируетузкий, почти не расходящийся луч. Диаметр создаваемого указкой яркого световогопятна даже на расстоянии в несколько десятков метров не превышает несколькихсантиметров. Это дает возможность дистанционно управлять несколькими прибораминезависимо, не применяя для этого никакого кодирования сигналов, а простонаводя луч указки на нужный фотоприемник. Сделать это с помощью обычных ИКизлучающих диодов или ламп накаливания практически невозможно.
1. Техническоезадание на курсовой проект
Разработать устройство,срабатывающее при освещении фотоприемника-светодиода лазерной указкой срасстояния до 3 м. (Лазерное дистанционное управление).
Параметры данногоустройства:
Напряжение 12В.
Необходимо рассчитать:
— Фототок фотодиодаФД256,
— Световой потокфотодиода ФД256,
— Световой потоксветодиода АЛ307ГМ,
— Телесный уголсветодиода АЛ307ГМ,
— Полный световой потоксветодиода АЛ307ГМ,
— Яркость светодиодаАЛ307ГМ,
— Светимость светодиодаАЛ307ГМ,
— Потребляемую мощностьодного светодиода АЛ307ГМ,
— Рассчитать транзисторы,
— Рассчитать делителинапряжения.
2. Описаниеи принцип работы схемы
Схемаприемника подаваемых лазерной указкой сигналов показана на рис. 1.
В качествефотодиода BL1 применен обыкновенной светодиод АЛЗО7БМ, обладающий достаточнойчувствительностью к лазерному излучению.
Натранзисторе VTI собран истоковый повторитель.
КонденсаторС3 защищает от помех.
Счетныйтриггер DD1.1 изменяет свое состояние при каждом положительном перепадеуровня напряжения на входе С.
Когда уровеньна прямом выходе триггера высокий, поступающее с него напряжение открываетполевой транзистор VT2, управляющий нагрузкой, включенной в цепь стока транзистора.Цепь С4R4служит для установки триггера при включении питания в состояние с низкимуровнем на прямом выходе. Это гарантирует, что после неожиданного перерыва вподаче питания транзистор VT2 будет закрыт, а нагрузка не включится«сама собой».
На рис. 2изображена односторонний печатная плата устройства, которую можно изготовить изфольгированного стеклотекстолита толщиной 1.5...2 мм.
Размерыпечатной платы: 30*45 мм.
Напряжение 12В подают от любого стабилизированного сетевого источника, гальванической илиаккумуляторной батареи. Ток, потребляемый собственно прибором, очень невелик. Полевойтранзистор VT2 указанного на схеме типа позволяет управлять нагрузкой,потребляющей ток до 8 А при напряжении до 500 В. Естественно для такой нагрузкипотребуется отдельный источник питаний. Если это сеть переменного тока, тоучасток сток—исток полевого транзистора включают в разрыв цепи нагрузки черездиодный выпрямительный мост на соответствующее напряжение и ток, обеспечивающийнужную полярность коммутируемого транзистором напряжения: плюс — на стоке,минус — на истоке, при токе нагрузки более 1.5А транзистор VT2 следует снабдитьтеплоотводом. Если достаточно управлять нагрузкой небольшой мощности, то итранзистор VT2 монет быть менее мощным.
Светодиоды HL1— НL3 нужны для удобства«прицеливания» в темном помещении. Их располагают в вершинахнебольшого равностороннего треугольника вокруг фотоприемника BL1. Чтобы включитьнагрузку, достаточно «чиркнуть » по фотоприемнику лучом указки. Такая же повторнаяоперация отключит нагрузку.
Устройствоуверенно срабатывает при освещении фотоприемника-светодиода лазерной указкой срасстояния до 3м, не реагируя на обычное дневное освещение и насравнительно слабое ИК излучение стандартного ПДУ (если конечно, не подноситьпульт вплотную к фотоприемнику). Если такой дальности действия недостаточно,можно заменить светодиод более чувствительным «настоящим” фотодиодом, например,ФД25Б. Дальность возрастет как минимум до 5м.
3. Графическиематериалы
Принципиальная схемаустройства
/>
Рис. 1. Принципиальнаясхема
Рисунок печатной платы
/>
Рис. 2. Печатная платаустройства
Размещение элементов напечатной плате
/>
Рис. 3. Размещениеэлементов на печатной плате
4. Справочные данные элементов
4.1Фотодиод ФД256
Фотодиодом называютполупроводниковый диод, в котором под действием падающего на него световогопотока образуются подвижные носители зарядов, создающие дополнительный ток(фототок) через обратно смещенный р-п переход.
Полупроводниковыйфотодиод – этополупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности.
Величина, на которуювозрастает обратный ток, называется фототоком.
Свойства фотодиода можноохарактеризовать следующими характеристиками.
а) вольт-ампернаяхарактеристикафотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световомпотоке и темнового тока Iтемнот напряжения.
б) световаяхарактеристикафотодиода, то есть зависимость фототока от освещенности, соответствует прямойпропорциональности фототока от освещенности. Это обусловлено тем, что толщинабазы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителейзаряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе,принимают участие в образовании фототока.
г) спектральнаяхарактеристика фотодиода – это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод.Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной зоны, прималых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влиянияповерхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантовсвета. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базыи от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральнойхарактеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициентапоглощения.
д) постоянная времени – это время, в течение которогофототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в ераз (63%) по отношению к установившемуся значению.
е) темновоесопротивление –сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
ж) интегральнаячувствительность
K = Iф/Е,
Где Iф –фототок,
/> – освещенность.
Основныепараметры:
Iтемн — Темновой ток
Sинт — Интегральная токоваячувствительность
Uном — Номинальное рабочее напряжение
Наименование
Iтемн., мкА
Sинт., мкА/лк
Uном., В ФД256 0,005 0,6 10
/>
Важная особенностьфотодиодов – высокоебыстродействие. Они могут работать на частотах до нескольких миллионов герц.Фотодиоды обычно изготовляют из германия или кремния.
Фотодиод являетсяпотенциально широкополосным приемником. Этим и обуславливается его повсеместноеприменение.
4.2 СветодиодАЛ307ГМ
Светодиоды,или светоизлучающие диоды (СИД, в английском варианте LED — light emittingdiode)— полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропусканиичерез него электрического тока. Работа основана на физическом явлениивозникновения светового излучения при прохождении электрического тока черезp-n-переход. Цвет свечения (длина волны максимума спектра излучения)определяется типом используемых полупроводниковых материалов, образующихp-n-переход.
Диодысветоизлучающие, с рассеянным излучением, эпитаксиальные. Изготовляются наоснове соединений галлий-алюминий-мышьяк и фосфида галлия.
А- арсенидгаллия,
Л –индикатор,
307 – номерразработки,
Масса диодане более 0,35 г.
Выпускаются впластмассовом корпусе с гибкими выводами.
Корпус диодовАЛ307хМ:
/>
Рис. 4.Корпус диодов АЛ307хМ
Электрическиеи световые параметры
Цвет свечения:
АЛ307ГМ….зеленый
Сила света, не менее:
АЛ307ГМ….1,5 мкд
Длина волны излучения вмаксимуме спектральной плотности:
АЛ307ГМ….0,566 мкм
Постоянное прямоенапряжение, не более:
АЛ307ГМ….2,8 В
Предельныеэксплуатационные данные
Постоянное обратноенапряжение
АЛ307ГМ… 2В
Постоянный прямой ток:
АЛ307ГМ….22 мА
Температура окружающейсреды
АЛ307ГМ….-60… +70 °С
4.3 КП501А
ZVN2120 высоковольтныйполевой МОП-транзистор, используемый в качестве ключа для аналоговых средствсвязи.
Структура: N-FET
Максимальное напряжение сток-исток Uси, В: 240
Максимальный ток сток-исток при 25 С Iси макс., А: -
Максимальное напряжение затвор-исток Uзи макс., В: 1
Сопротивление канала в открытом состоянии Rси вкл., мОм: -
Максимальная рассеиваемая мощность Pси макс., Вт: 0.5
Крутизна характеристики S, мА/В: 100
Корпус: TO-92
Производитель: Россия
/>
/>
Рис. Выходнаяхарактеристика
/>
4.4 IRF840
Структура: N-канал
Максимальное напряжение сток-исток Uси, В: 500
Максимальный ток сток-исток при 25 С Iси макс… А: 8
Сопротивление канала в открытом состоянии Rси вкл., мОм: 850
Особенности: -
Корпус: TO220AB
Крутизна характеристики S, мА/В: 4900
Максимальное напряжение затвор-исток Uзи макс., В: 4
Максимальная рассеиваемая мощность Pси макс… Вт: 125
/>
/>
/>
4.5 Цифроваямикросхема К561ТМ2
Из многочисленных серийцифровых микросхем на полевых транзисторах наибольшее распространение получилисерии микросхем КНОП. Сокращение КПОП – это начальные буквы четырех слов изполного определения: комплементарные полевые транзисторы со структурой металл –окисел – полупроводник. Слово комплементарный переводится как взаимнодополняющий. Так называют пару транзисторов, сходных по абсолютным значениямпараметров, но с полупроводниковыми структурами, взаимно отображенными как бы ввиде негатива и позитива. В биполярной схемотехнике — это транзисторы n-p-n и p-n-p, в полевой p-канальные и n-канальные.
Микросхема К561ТМ2используется дляизмерительных устройств, систем связи, вычислительной техники, других устройствобработки цифровой информации.
Микросхема К561ТМ2 содержит два D-триггера, два входа асинхронного управления: R и S(рис. )
Триггерпереключается по положительному перепаду на тактовом входе С, при этомлогический уровень, присутствующий на входе D, передается на вход Q.
Входы сброса R и установки S триггера независимы оттактового входа С и имеют высокие активные уровни.
/>
Uи.п. – напряжение питания,
Q,/>– окончательные выходные уровни (Q=B или H />=H илиB) после прихода тактового импульса (перепада),
С – вход тактовыхимпульсов,
R — асинхронный сброс данных триггера,
D – вход данных триггера,
S – установка триггера.
Рис… Цоколевка
4.6 К561
Uп, В
U/>вых, В
U/>вых, В Uп max, B tзд, мс Рпотр, мВт +3-+15 Uп 0.01 2.5 160
10/>
Uп – напряжение питания,
U/>вых – выходное напряжение логической1,
U/>вых — выходное напряжение логического0,
Uп max – наибольшее значение напряжения на входе МС, прикотором не происходит изменение уровня выходного напряжения,
tзд- интервал времени между фронтомвходного и выходного импульсов,
Рпотр – потребляемаямощность,
Подробное описание марки:Корпус 201.14-1 ЗНАЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ приведены в НКУ при Uпит. 10В Максимальное выходное напряжение низкого уровня, В, не более 1.0 Максимальное выходное напряжение высокого уровня, В, не менее 9.0 Входной ток низкого и высокого уровня, мкА, не более 0.3 Выходной ток низкого уровня, мА, не менее 0.9 Выходной ток высокого уровня, мА, не менее 0.6 Ток потребления, мкА, не более 20.0 Задержка сигнала при выключении, нс, не более 150.0 Задержка сигнала при включении, нс, не более 150.0 Входная ёмкость, пФ, не более 10.0
Электрическиепараметры микросхемы:
U0вых, В, не более 0.05
U1вых, В, не менее 9.95 Входной ток, мкА ±0.1 Ток потребления (макс) в состоянии покоя, мкА 0.01 Выходной ток, мА 0.9
Предельно допустимыеэлектрические режимы эксплуатации:Напряжение источника питания 3...18 В Входное напряжение 2.5...18.5 В Мощность рассеяния на один корпус 700 мВт Рабочая температура окружающей среды -40...+85 °С
Временные и частотныепареметры при Un=10В:Время задержки фронта импульса 80 нс Длительность фронта импульса 50 нс Минимальная длительность тактового импульса 40 нс Минимальный фронт тактового импульса, макс 10 нс Минимальное время установки 15 нс Максимальная тактовая частота 12.5 МГц
Uи.п.
I/>вх, мкА, не менее
I/>вх, мкА, не более
U/>вых, В, не менее
U/>вых, В, не менее
I/>пот, мкА, не более
I/>пот, мкА, не более
I/>вых, мА
I/>вых, мА
+3…+15
-0.05
1
2.9
7.2
6
6
0.6
0.25
/>
Зарубежныйаналог К561ТМ2 – CD4013
К- дляаппаратуры широкого применения,
5- группа потехнологическому признаку (полупроводниковые),
61 – номерразработки в серии
ТМ2-функциональная подгруппа (два D – триггера).
Тип логики: КМОП-логика
/>
Вывод 7 — общий; вывод 14 — +Uи.п.
4.7 Корпуспрямоугольный пластмассовый типа DIP14
/>
4.8Корпус прямоугольный пластмассовый типа SOIC-14
/>
5. Расчеты
Фототокрассчитывается как:
Iф =К*Е,
Рассчитаемфототок в трех случаях:
при дневномосвещении (Е1=300 лк) ,
при ночномосвещении (Е2=0.25 лк),
при освещениифотодиода лазерной указкой (Е3=7000 лк).
Iф1=К*Е1=0.6 мкА/лк*300 лк=180 мкА,
Iф2=К*Е2=0.6 мкА/лк*0.25 лк=0.15 мкА,
Iф3=К*Е3=0.6 мкА/лк*7000 лк=4200 мкА.
Рассчитаем световой поток:
Ф=Е*S,
Где Е – освещенность,
S – площадь поверхности на которуюпадает световой поток.
S=/>=4*3,14*(2*10/>)/>=50.24*10/>м/>,
Ф1=Е1*S=300 лк *50.24*10/>м/>=15.072 млм,
Ф2=Е2*S=0.25 лк*50.24*10/>м/>=12.56мклм,
Ф3=Е3*S=7000 лк*50.24*10/>м/>=351.68млм.
Рассчитаем мощность:
Р=U*Iф,
P1= U*Iф1=10В*180мкА=1.8 мВт,
P2= U*Iф2=10В*0.15 мкА=1.5 мкВт,
P3= U*Iф3=10В*4200 мкА=42 мВт.
Фотодиод BL1 и резистор R2 представляют собой делитель напряжения.
Напряжение Uпит=12В.
Необходимо рассчитатьнапряжение на R2.
Сначала рассчитаемсопротивление фотодиода (в трех случаях):
R ф1=Uфотодиода/Iф1=10 В/180 мкА=55.55 кОм,
R ф2=Uфотодиода/Iф2=10 В/0.15 мкА=66.66 МОм,
R ф3=Uфотодиода/Iф3=10 В/4200 мкА=2.3 кОм.
Ток через сопротивленияRф и R2, будет равен:
I=Uпит/(R ф+R2),
R2=1 МОм
I Rф1 и R2=12 В/(55.55 кОм +1МОм)=11.3мкА,
I Rф2 и R2=12 В/(66.66 МОм +1МОм)=0.2мкА,
I Rф3 и R2=12 В/(2.3 кОм +1МОм)=11.972мкА.
Напряжение насопротивлении R2 будет равно:
U21=I Rф1 и R2*R2=11.3 мкА*1МОм=11.3 В,
U22=I Rф2 и R2*R2=0.2 мкА *1МОм=0.2 В,
U23=I Rф3 и R2*R2=11.972 мкА *1МОм=11.972 В.
По выходнойхарактеристике полевого транзистора КП501А рассчитаем значения напряжений прикоторых он открыт или закрыт.
В ключевых схемах ПТуправляется двумя уровнями Uзи:при одном он закрыт, а при другом открыт. В открытом состоянии рабочая точкаобычно находится на крутом участке ВАХ для заданного Uзи.
На стокзатворной(входной) характеристике выбираем линейный участок и рабочую точку.
/>
Рис. Входнаяхарактеричтика
Согласно характеристике:
Uзи min=3В,
Uзи max=4В.
Теперь на стоковой(выходной) характеристике отметим:
Напряжение питания Uпит.=12 В,
Uпит/Rн=12В/100 Ом=0.12 А.
/>
Рис… Выходнаяхарактеристика
Согласно характеристике:
При Uси=6 В транзистор открыт,
При Uси=10 В транзистор закрыт.
Uси от 0 В до 6 В – напряжениенасыщения транзистора.
Uси от 10 В до 12 В – приращениенапряжения транзистора.
Так как светодиодявляется полупроводниковым прибором, и пропускает электрический ток только водном направлении, то при включении в цепь необходимо соблюдать полярность.Светодиод имеет два вывода, один из которых катод (»минус"), а другой- анод («плюс»).
/>
Зависимости тока отнапряжения при прямом (синяя кривая) и обратном (красная кривая) включенияхпоказаны на следующем рисунке. Не трудно определить, что каждому значениюнапряжения соответствует своя величина тока, протекающего через диод. Чем вышенапряжение, тем выше значение тока (и тем выше яркость). Для каждого светодиодасуществуют допустимые значения напряжения питания Umax и Umaxобр (соответственнодля прямого и обратного включений). При подаче напряжений свыше этих значенийнаступает электрический пробой, в результате которого светодиод выходит изстроя. Существует и минимальное значение напряжения питания Umin, при которомнаблюдается свечение светодиода. Диапазон питающих напряжений между Umin и Umaxназывается «рабочей» зоной, так как именно здесь обеспечиваетсяработа светодиода.
/>
Светодиоды относятся ктакому типу электронных компонентов которому, для долгой и стабильной работы,важно не только правильное напряжение, но и оптимальная сила тока — так чтовсегда, при подключении светодиода, нужно их подключать через соответствующийрезистор.
Светодиод будет светитьтолько при прямом включении.
При обратном включениисветодиод светить не будет. Более того, возможен выход из строя светодиода прималых допустимых значениях обратного напряжения.
Рассчитаем ток в цепи сосветодиодами:
I=(Uпит-(Uпрямоенапряжение светодиода*3))/R,
I=(12 В-2.8В*3)/100 Ом=0.036 А=36 мА
C помощью резистора R1 можно регулировать яркостьсветодиодом, а также данный резистор используется для надежности.
Рассчитаем мощностьодного светодиода:
P=U*I=2.8*0.022=0.0616Вт=61.6 мВт.
Рассчитаем телесный угол:
Ω=2π (1 —cos(θ/2)),
Ω=2π (1 —cos(10/2))= 2*3.14 (1 — cos(10/2))=0.0238 ср
Где θ – уголраскрыва диаграммы направленности излучения.
Рассчитаем световойпоток:
Ф= Iv ×Ω,
Ф=1500 мккд*0.0238=34.5мклм
Где Iv — силасвета светодиода.
Рассчитаем полныйсветовой поток:
Ф0=4*/>* Iv,
Ф0=4*3.14*1500 мккд=18.8млм
Рассчитаем яркость:
В/>=I/S*cos/>,
Пусть cos/>=1, тогда
В/>=1500 мккд/4*3.14*(3*10/>)/>=13.3 кд/м/>
Цепь R5-R6 представляет собой делитель напряжения.
Напряжение на ножке №1микросхемы К561ТМ2 U/>вых=7.2 В.
Ток через сопротивленияR5 и R6, будет равен:
I=U/(R5+R6)
R5=100 Ом
R6=820 кОм
I=7.2/(100+820000)=8.779 мкА
I=8.779 мкА
Напряжение насопротивлении R6 будет равно:
U6=I*R6
U6=8.779 мкА * 820 кОм=7.1 В
В ключевых схемах ПТуправляется двумя уровнями Uзи:при одном он закрыт, а при другом открыт. В открытом состоянии рабочая точкаобычно находится на крутом участке ВАХ для заданного Uзи.
Т.к. напряжение на R5 составляет 0.1 В, заменим резистор R5 на резистор с большимсопротивлением так, чтобы на резисторе R6 было напряжение 4 В.
I=U/R6=7,2 В/820кОм=4.8 мкА,
R5=U/I-R6=7,2В/4.8 мкА-820 кОм=656 кОм.
Рассчитаем мощностьтранзистора:
Р=U*I=4 В*4.8 мкА=19.2 мкВт.
Заключение
В данной работепредставлены справочные материалы по:
— ФД256 (фотодиод),
— АЛ307ГМ (светодиод),
-К501А (полевойтранзистор),
-IRF840 (полевой транзистор),
-К561ТМ2 (цифроваямикросхема).
В данной работе были рассчитаны:
— Фототок фотодиодаФД256,
— Световой потокфотодиода ФД256,
— Световой потоксветодиода АЛ307ГМ,
— Телесный уголсветодиода АЛ307ГМ,
— Полный световой потоксветодиода АЛ307ГМ,
— Яркость светодиодаАЛ307ГМ,
— Светимость светодиодаАЛ307ГМ,
— Потребляемую мощностьодного светодиода АЛ307ГМ,
— Рассчитать транзисторы,
— Рассчитать делителинапряжения.
Списоклитературы
1. Журнал Радио №82006, стр. 55
2. Масленников М.Ю.,Соболев Е.А., Соколов Г.В., Справочник разработчика и конструктора РЭА.Элементная база. Книга 1.
3. Шило В.Л.Популярные цифровые микросхемы, М., Изд. “Радио и связь”,1987
4. Першин В.Т.Основы радиоэлектроники и схемотехники: учебное пособие для студентов вузов/В.Т. Першин.– Ростов н/Д: Феникс, 2006.– 544
5. Гребнев А.К. идр. Оптоэлектронные элементы и устройства/ А.К. Гребнев, В.Н. Гридин, В.П.Дмитриев; Под. ред. Ю.В. Гуляева.– М.: Радио и связь, 1998. – 336 с.: ил.
6. Пасынков В.В.,Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. 7-е изд., испр.–Спб.: Лань, 2003. – 480 с.: ил.
7. Мусаев Э.С.Оптоэлектронные устройства на полупроводниковых излучателях. – М.: Радио исвязь, 2004. –208 с.: ил.