СВЕТ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

В 1907 году английский инженер Раунд, трудившийся во всемирно известной лаборатории Маркони, случайно заметил, что у работающего детектора вокруг точечного контакта возникает свечение. Всерьез же заинтересовался этим физическим явлением и попытался найти ему практическое применение «непостижимо талантливый русский» — Олег Владимирович Лосев.

Обнаружив в 1922 году во время своих ночных радиовахт свечение кристаллического детектора, этот, тогда еще 18-летний, радиолюбитель не ограничился констатацией «странного» факта, а незамедлительно перешел к оригинальным экспериментам. Стремясь получить устойчивую генерацию кристалла, он пропускал через точечный контакт диодного детектора ток от батарейки. То есть имел дело ни с чем иным, как с прототипом полупроводникового прибора, названного впоследствии светодиодом. Весь мир заговорил об «эффекте Лосева», на практическое применение которого изобретатель успел получить (до своей гибели на войне в 1942 г.) четыре (!) патента.

С 1951 года центр по разработке «полупроводниковых лампочек», действующих на основе «эффекта Лосева», переместился в Америку, где его возглавил К.Леховец (США). В исследовании проблем, связанных со светодиодами, принял самое деятельное участие и «отец транзисторов» физик В.Шокли.

Вскоре выяснилось, что германий (Ge) и кремний (Si), на основе которых делаются полупроводниковые триоды, бесперспективны для светодиодов из-за слишком большой «работы выхода» и, соответственно, слабого испускания фотонов на p-n переходе (подробнее об этом в журнале «Моделист-конструктор» № 5 и 6 за 1996 г.). Успех же сопутствовал монокристаллам из сложных композитных полупроводников — соединений галлия (Ga), арсеникума (мышьяка — As), фосфора (P), индия (In), алюминия (Al), других элементов периодической системы Менделеева. В результате с конца 60-х годов светодиоды, став вполне технологичными приборами со стабильными параметрами, начали все активнее входить в нашу повседневную жизнь.

Типовой светодиод (А), его условное изображение (Б) и защита от перенапряжений параллельным подключением полупроводникового диода в «обратном» направлении (В):

1 — омический контакт (2 шт.); 2 — p-область активного элемента (чипа) из полупроводникового материала; 3 — p-n переход; 4 — n-область чипа; 5 — линза

Структурная схема самодельного светотелефона (А), принципиальные электрические схемы передатчика (Б) с семейством выходных характеристик (Г) и приемника (В)

В поперечном сечении кристалла любого из современных светодиодов можно выделить две области: с p-и n-проводимостью. Излучение светодиода — это результат рекомбинации (соединения) электронов и дырок на поверхности p-n перехода во время протекания сильного прямого тока («эффект Лосева»). Неосновные носители заряда (для процесса рекомбинации это электроны) поступают в р-область светодиода от источника электропитания. Чем больше сила тока в «прямом» направлении Iпр, тем больше приходит электронов и тем сильнее поток света, излучаемый с поверхности p-n перехода.

Что касается яркости, то для нее далеко не безразлична и оптическая прозрачность n-области (сверхтонкие пленки полупроводников вполне прозрачны). Ну а цвет (частота) излучения, имея четкую функциональную связь с энергией испускаемых фотонов, зависит от материалов полупроводниковых p-n переходов. В частности, чистый монокристалл GaAs дает инфракрасный луч, небольшая добавка Al и/или P меняет цвет излучения на красный. Зеленый свет испускает GaP. Использование же p-n перехода на основе композиции AlInGaP позволяет получать желтое или оранжевое излучение. Синие светодиоды запоздали лет на двадцать — используемые в них компоненты сложны и даже сейчас весьма дороги. Ну а светодиоды белого цвета (настоящие «полупроводниковые лампочки») существуют пока лишь в проектах.

Активный элемент — полупроводниковый монокристалл — в большинстве современных светодиодов используется в виде кубика (чипа) размерами 0,3×0,3×0,25 мм, содержащего р-п или гетеропереход и омические контакты. Однако выпускаются также светодиоды с двумя чипами (на разные цвета излучения) или одним, но имеющим пару p-n переходов, излучающих в двух спектральных полосах. В этом случае возможно управление цветом свечения. Встречаются и более сложные конструкции, со встроенными радиодеталями или микросхемой, позволяющие управлять питающим напряжением. Очень часто все это объединено в прозрачном пластмассовом корпусе (с колпачком в форме микролинзы или содержащим другие элементы концентрации излучения, повышения внешней оптической эффективности и формирования необходимой направленности излучения).

Все арсенид-галлиевые светодиоды имеют сходные электрические параметры. Для этих полупроводниковых приборов характерно достаточно большое прямое (открывающее) падение напряжения Uпр = 1,8…2,2 В. Но, к сожалению, допустимое обратное (пробивное) напряжение Uo6p тоже составляет несколько вольт. И это приходится учитывать, защищая светодиоды от опасных перенапряжений дополнительным вводом кремниевого диода в «обратном» включении.

Как правило, светодиоду, работающему индикатором, достаточно 1—2 мА. Ну а там, где требуется большая яркость свечения (сконцентрированного, скажем, в узком луче), используют специальные полупроводниковые (в том числе лазерные!) приборы или повышают ток стандартного светодиода со встроенной линзочкой, не забывая о соблюдении теплового режима. При Iсд, равном, например, 50 мА, на светодиоде средней яркости будет рассеиваться порядка 100 мВт. Причем затраты на излучение составляют лишь единицы мВт, остальную мощность приходится от светодиода отводить, не допуская перегрева кристалла.

От первых светодиодов могли получать силу света, не превышающую несколько десятков микрокандел (candela — свеча). Сейчас же не дефицит даже сверхъяркие светодиоды, для которых и 3,5 кд — не предел. В расчете на использование достаточно распространенных полупроводниковых приборов разработан, в частности, и оригинальный самодельный светотелефон. С помощью двух таких аппаратов легко организовать, например, собственную световую связь — прообраз промышленной лазерной.

Анализ принципиальной электрической схемы передающего канала светотелефона лучше, начать со светоизлучателя VD4 — относительно недорогого светодиода L-1513SRC-E, выпускаемого фирмой Knightbright. Этот светодиод диаметром 5 мм способен создавать направленное красное излучение с силой света 3,5 кд. Его линейный модулятор яркости выполнен на операционном усилителе ОУ типа К140УД7 (К153УД2). Причем в варианте конструкции, вынесенном на суд читателей любимого мною журнала, этот «операционник» работает как преобразователь напряжения сигнала Uc в ток нагрузки Iн, равный Iсд светоизлучателя.

Действительно, для высококачественного ОУ напряжение управления, наблюдаемое между входами, можно считать нулевым. А это означает, что падение напряжения на резисторе-датчике РД (R10) при протекании тока нагрузки практически должно быть равно напряжению сигнала, то есть Uc = Upд = lсдRpд. Отсюда легко вычислить и ток, протекающий через светодиод: Iсд = Uc/Rрд. Крутизна же усиления каскада, соответственно, составит S = I/Uс = 1/Rрд.

По семейству типовых характеристик светодиода L-1513SRC-E можно найти и оптимальный режим питания светоизлучателя VD4 током Iсд. При Rрд порядка 1 Ом (а именно таков номинал у схемного R10) крутизна S составит 1 А/В. Сопротивление резистора-ограничителя тока R9 равно 45 Ом, минимальный (пороговый) ток Iмин = 30 мА, предельный ток Iмакс = 80 мА. Рабочая точка РТ выбрана посредине линейного участка диаграммы. Для обеспечения такого режима на+вход ОУ DA2 потребовалось подать потенциал сдвига Uсдв = 55 мВ с наложением на него сигнала амплитудой Uc(t) = ±25 мВ. А поскольку выходной ток ОУ общего применения не может превысить 25 мА, в контур обратной связи добавлен усилитель тока — транзистор средней мощности VT1.

Чтобы на +входє рассмотренного ОУ сформировать нужный сигнал с требуемым потенциалом сдвига, использован суммирующий инвертирующий усилитель DA1. Причем последний выполнен так, чтобы в точке «сигма» сходились два тока: через R6 — lc(t) «Звук», а через резистор R7 — tсдв «Сдвиг».

Будучи по знаку отрицательными, эти токи подводятся к -входу DA1. Протекая через резистор обратной связи R8, они дадут на +выходе DA2 требуемую композицию Uсдв и Uc(t) положительной полярности.

Цепочка R1-VD1-VD2-VD3-R5 — это источник вспомогательных потенциалов и токов, нужных для правильной работы схемы, в котором светодиоды использованы как неплохие низковольтные стабилитроны на 1,8 В. В частности, от диода VD3 через потенциометр R4 взяты -0,5 В, чтобы направить в точку «сигма» необходимый там ток сдвига. Диоды VD1 и VD2 способны обеспечить питающим напряжением 3,6 В «электретник» (вариант конденсаторного микрофона со встроенным полевым транзистором) ВМ1 типа НМО-0603В. Ведь у этого высокочувствительного преобразователя звуковых колебаний в электрические — минимальный расход электроэнергии (ток питания порядка 0,5 мА). Амплитуду же звукового тока, приходящего от электретного микрофона в точку «сигма», можно регулировать резистором R3.

Под стать и принципиальная электрическая схема приемного канала светотелефона. Фотоприемником красного модулированного луча служит фототранзистор VT2 типа КТФ102 с нагрузкой R11. Транзисторы VT3 — VT5 и сопутствующие детали составляют схему простейшего УНЧ с выходной мощностью примерно 100 мВт. Динамик ВА1 — любого типа (лишь бы он был 8-омным и малогабаритным). Конденсатор С9 работает во входной цепи транзисторов VT4 и VT5. В зарубежной литературе демонстрируемый здесь эффект перекрестной обратной связи образно называют «bootstrapping», что иногда переводят как «шнуровка ботинка».

Изготовление светотелефонного аппарата в условиях домашней мастерской — дело хотя и трудоемкое, но вполне посильное даже начинающим радиолюбителям. Наиболее сложен монтаж оптико-механического блока (ОМБ), справится с которым поможет технология, опубликованная в журнале «Моделист-конструктор» № 10’98 (стр. 17).

Конечно же, габариты и особенности монтажа ОМБ во многом зависят от объектива. Желательно короткофокусного, без регулировки по дальности (как в фото-аппаратах-«мыльницах»). Учитывая, что для организации светотелефонной линии двусторонней связи требуются два приемопередающих аппарата, следует приобрести для них два объектива. Так же, как и сверхъяркие светодиоды L-1513SRC-E, фототранзисторы КТФ102, другие «попарно» используемые полупроводниковые приборы.

Оптико-механический блок:

1 — луч, идущий по оптической оси; 2 — объектив; 3 — передняя панель; 4 — несущая рамка; 5 — шпилька М4 (4 шт.); 6 — гайка М4 (8 шт.); 7 — крепежный брусок; 8 — верхняя панель; 9 — динамик; 10 — монтажная плата с отверстиями; 11 — центральный узел монтажа (со сверхъярким светодиодом и фототранзистором); 12 — нижняя панель; 13 — элементы электропитания 1,5 В; 14 — кнопка «Передача-нажать»; 15 — тумблер «Вкл.»; 16 — гибкий микрофонный экранированный шнур; 17 — электретный микрофон

Монтажная плата со стороны радиодеталей и пайки

Изготавливая ОМБ, светоизлучатель и фотоприемник следует размещать в центре монтажной платы. Но так, чтобы их кристаллы, находясь в фокальной плоскости объектива, располагались как можно ближе к оптической оси (то есть занимали центр кадра). А для стяжки всей конструкции и юстировки «дальше — ближе» положения платы надо предусмотреть в ОМБ по четыре шпильки М4 с регулировочными гайками. Саму же фокусирующую оптику рекомендуется плотно, совсем как шуруп, ввернуть в аккуратное (выполненное под диаметр резьбы на оправе объектива) отверстие на передней деревянной панели.

Важная деталь ОМБ — несущая рамка. Ее надо выпилить из дубовой или буковой паркетины и прикрепить клеем «88» к тыльной стороне передней панели. Под шпильки М4 (длина каждой из них должна в два раза превышать фокусное расстояние объектива) сделать соответствующие резьбовые отверстия М4. Ввернуть на клее «88» в рамку все стойки, на них надеть монтажную плату и зафиксировать внутренними и наружными гайками. Затем перейти к верхнему накладному узлу — панели с динамиком, тумблером электропитания S1 «Вкл.» и кнопкой S2 «Передача-нажать».

Источники электропитания располагаются в фанерном «подвале», крепление которого аналогично креплению верхнего накладного узла. Гальванические элементы соединены в батареи пайкой (подобно тому, как это выполнено в разработке, опубликованной в журнале «Моделист-конструктор» № 10 за 1998 год).

Учитывая, что «плюсовая шестивольтная» батарея расходуется быстрее, чем «минусовая трехвольтная» — уж таковы особенности самодельного светотелефона, рекомендуется по возможности (особенно при энергоемкой наладке аппарата) использовать лабораторный источник питания +6 В, снабженный миллиамперметром на 100 мА. Причем электрический монтаж, настройку передатчика и приемника на этапе отладок и экспериментов лучше всего выполнять шаг за шагом на двух комплектах: вначале неполных (для односторонней), а потом — полных (для двухсторонней связи).

В любом случае это будут параллельные работы на двух аппаратах, для которых необходимо иметь по монтажной плате размерами 90x70x1,5 мм из нефольгированного текстолита или любого прочного листового электроизолятора, вплоть до электрокартона. В двух платах сразу, временно «прихватив» их клеем «Момент», надо просверлить сетку отверстий (сверлом диаметром 0,9 мм с шагом 2,5 мм). Разметка — при помощи чертилки (20 колонок и, соответственно, 30 рядов). Сверлить лучше на малых оборотах дрели, подтачивая время от времени алмазным надфилем режущие кромки микросверла. Кроме того, сверлятся еще четыре отверстия для прохода стоек-шпилек М4.

Как указывалось ранее, светоизлучатель и фототранзистор следует разместить в центре каждой из плат, между отверстиями под шпильки и по возможности ближе друг к другу. Далее имеет смысл на одной половине платы № 1 полностью смонтировать приемник излучения. Он должен заработать сразу, если будет собран без ошибок и из исправных радиодеталей.

На подключение к источнику электропитания динамик такого приемника обязательно отзовется легким шумом. Ну а если установить смонтированную плату в ОМБ № 1 и направить его объектив на экран работающего телевизора, из того же динамика раздастся «рычание» кадровой развертки. Более того, наличие столь стабильного сигнала позволит в случае необходимости подрегулировать и сам УНЧ.

Полный электрический монтаж светопередатчика для «одностороннего командного» светотелефона (как и начальных работ по двусторонней связи) осуществляется на плате № 2. Причем сборку и проверку рекомендуется вести покаскадно. Дело продвигается споро, если при этом не допускаются ошибки и используются надежные детали.

Подавая сперва заниженное (до 3 В) «двуполярное» питание, внимательно следят за показаниями лабораторного миллиамперметра. Убеждаются, что потребляемый ток «в норме». Затем Uпит увеличивают до 6 В и изменением сопротивления переменного резистора «Сдвиг» добиваются угасания светоизлучателя (движок вверху по схеме) или, наоборот, увеличения его яркости (движок внизу), не допуская, чтобы потребляемый ток превышал 60 мА. Переменным резистором «Звук» регулируют глубину модуляции, ориентируясь на большее или меньшее мерцание луча.

После установки светопередатчика в ОМБ № 2 начинают эксперименты по односторонней «командной» связи. «Прицелиться» через два объектива и попасть лучом от передатчика № 2 на фототранзистор приемника № 1 не так-то просто. Связь-то экспериментальная, к тому же остронаправленная! Однако при проведении настроек (да и во время эксплуатации) нельзя допускать, чтобы сверхъяркий луч хотя бы на миг попал в глаза. Особенно от более мощного, чем в данной разработке, с ветоизлучателя.

Добившись звукового отклика от аппарата № 1, регулируют качество эффекта переменными резисторами «Сдвиг» и «Звук» аппарата № 2. Затем переходят к до-монтажу приемника № 2 и передатчика № 1. В результате получают канал двусторонней светотелефонной связи, где приемники находятся в постоянно включенном состоянии. Любой из светоизлучателей, находясь в режиме ожидания, включается по мере надобности: кнопкой «Передача-нажать» на соответствующем аппарате. Одновременно с этим отсоединяется от источника электропитания располагающийся с ним на одной плате приемник. Тумблер «Вкл.» служит для включения и отключения аппарата.

В. ШИЛО, радиоинженер