Wykład 2 Elementy optoelektroniczne. 1. Diody elektroluminescencyjne (LED)

Transkrypt

1 Wykład 2 Elementy optoelektroniczne 1. Diody elektroluminescencyjne (LED) 1

2 Spsób włączenia i zasada działania diody elektroluminescencyjnej Złącze p-n diody polaryzuje się w kierunku przewodzenia (~2V). Światło wytwarzane jest przez diodę w wyniku rekombinacji dziur i elektronów w spolaryzowanym złączu; średni prąd przewodzenia ma. =hc/e g. Długość fali emitowanego promieniowania rośnie ze wzrostem temperatury złącza Charakterystyki widmowe różnych diód elektroluminescencyjnych 2

3 Charakterystyki napięciowo-prądowe diód elektroluminescencyjnych Charakterystyka kątowa promieniowania diody LED 3

4 4

5 2. Zestawy elementów wyświetlacza LED 5

6 Elektrody napylone na powierzchni szkła są tak wytrawione, że tworzą segmenty obrazowe. 3. Fotorezystor LDR light dependent resistor składa się z warstwy materiału półprzewodnikowego (CdS lub CdSe) z wyprowadzeniami elektrycznymi na końcach. Światło padając na półprzewodnik wytwarza pary elektron-dziura, przewodność materiału wzrasta. Przyłożenie napięcia do końców warstw powoduje polaryzację ruchu obu ładunków: elektrony przyciągane są do elektrody dodatniej, a dziury do ujemnej. Ruch obu ładunków (prąd fotoelektryczny) daje wzmocnienie fotoprzewodnictwa (fotoelektrony generują dalsze pary elektron-dziura). Tylko fotony o energii większej od przerwy zabronionej materiału półprzewodnika mogą wzbudzić elektrony graniczna długość fali. Czas odpowiedzi fotorezystora mieści się w granicach od dziesiątek do setek milisekund i zależy od rozmiaru fotorezystora. 6

7 4. Fototranzystor to element półprzewodnikowy o dwóch złączach pn. Prąd kolektora nie zależy od prądu bazy lecz od natężenia promieniowania, które oświetla obszar bazy. Oświetlenie fototranzystora powoduje wygenerowanie par elektron-dziura w warstwie (bazie fototranzystora) typu p. Elektrony - ujemne nośniki ładunku, wchodzą do obszaru kolektora dzięki polaryzacji zaporowej złącza kolektorowego. Dziury nie mogą przejść do obwodu emiterowego z powodu bariery potencjału występującej na złączu baza-emiter. Część z nich jednak przechodzi do emitera, gdyż mają dostatecznie dużą energię kinetyczną i tam ulegają rekombinacji. Natomiast dziury, które nie przeszły do emitera powiększają nieskompensowany ładunek dodatni, obniżając barierę energetyczną złącza emiterowego. W wyniku tego elektrony z obszaru n pokonują barierę zwiększając strumień elektronów przechodzących z emitera do bazy, a potem do kolektora. Elektrony te zwiększają prąd kolektora w znacznie większym stopniu, niż elektrony które powstały w wyniku generacji par elektron-dziura bezpośrednio w obszarze bazy pod wpływem oświetlenia. W ten sposób zachodzi wewnętrzne wzmocnienie prądu fotoelektrycznego I P =I ph = Przez fototranzystor nie oświetlony płynie niewielki prąd ciemny I CEO. Wada długi czas odpowiedzi i słaba liniowość. Fototranzystory FET - lepsza liniowość i krótszy czas odpowiedzi. Fotodarlington to układ dwóch fototranzystorów. 5. Fotoogniwa wytwarzane są w oparciu o złącza p-n, p-i-n lub struktury heterozłączowe. Pochłanianie światła następuje w obszarze n. Wygenerowane w tym obszarze nośniki mniejszościowe przyciągane są do obszaru typu p i dyfundują wgłąb. Tworzą one prąd fotoelektryczny, I P. Dzięki niemu obszar p ładuje się dodatnio, a n ujemnie i między elektrodami fotoogniwa powstaje różnica potencjałów. Wzrost różnicy potencjałów powoduje powstanie przeciwnie skjierowanego prądu dyfuzyjnego. Jeżeli ogniwo jest rozwarte to ustala się napięcie U oc, przy którym oba prądy są sobie równe. Jeżeli ogniwo zostanie 7

8 obciążone rezystancją zewnętrzną to napięcie spadnie poniżej U oc i prąd wypadkowy będzie różny od zera: I=I s [exp(u/n T )-1)-I p Przy zwarciu ogniwa (U=0) płynie prąd zwarcia I sc =I P. Przy rozwarciu ogniwa (I=0) i napięcie U=U oc : 8

9 Charakterystyki napięciowo-prądowe fotoogniwa przy braku oświetlenia (1) I przy oświetleniu (2). Zakreskowany protokąt oznacza maksymalną moc jaką można uzyskać z fotoogniwa Ze wzrostem oświetlenia, I P, rośnie siła elektromotoryczna fotoogniwa, która nie może przekroczyć wartości kontaktowej różnicy potencjałów złącza p-n: U ocmax =(W c -W v )/q. Maksymalną moc uzyskuje się dla określonego punktu pracy: I Q,U Q przy odpowiednio dobranej rezystancji obciążenia. Instalacja ogrzewania wody przez kolektor słoneczny 9

10 6. Fotokomórka szczelinowa Fotokomórka szczelinowa z wyjściem tranzystorowym NPN symbol nazwa szczelina CTR Ic[mA] Vceo[V] Cena[zł] GP1L50 Fotokomórka szczelinowa 3 mm 50% ,50 OPB610 Fotokomórka szczelinowa 4 mm 100% ,25 OPB960 Fotokomórka szczelinowa 3 mm ,85 ELITR8010 Fotokomórka szczelinowa 2 mm ,90 ELITR8102 Fotokomórka szczelinowa 3 mm ,25 ELITR8402 Fotokomórka szczelinowa 6 mm ,60 ELITR9608 Fotokomórka szczelinowa 5 mm ,45. 10

11 Fotoprzełącznik szczelinowy (fotokomórka); wyjście tranzystorowe z przerzutnikiem Schmitt'a - szerokość szczeliny: 15mm, 5 mm, - częstotliwość maksymalna: 3kHz; - głębokość: 11 mm - producent: OMRON symbol opis szczelina Cena[zł] SX461P11 Fotoprzełącznik szczelinowy (fotokomórka) 15mm 66,64. Przerzutnik Schmitta w fotokomórce odpowiada za przełączanie(gdy miedzy barierą nic nie ma podaje 1 a gdy coś jest miedzy widełkami podaje 0) Fotokomórka szczelinowa w zastosowaniu do myszki komputerowej 11

12 Składa się z dwóch elementów: źródła światła oraz fotodetektora (fotodioda, fototranzystor, fotorezystor). Stosuje się je do pomiaru i utrzymania stałej prędkości silnika elektrycznego w magnetofonie kasetowym, w aparatach cyfrowych do regulacji otwarcia przesłony, w systemach drzwi przesuwanych. 7. Fotokomórka refleksyjna Fotokomórki refleksyjne z wyjściem tranzystorowym NPN OPB715: Fotokomórka refleksyjna z wbudowaną logiką TTL. Odbiornik zamontowany jest w obudowie, która przepuszcza tylko światło podczerwone. Dioda IR ma wewnętrzne ograniczenie prądowe. Wyposażona w przewody o długości min. 457 mm. symbol nazwa ogniskowa Ic[mA] Id[mA] Nap. max.[v] Cena[zł] SG2BC Fotokomórka refleksyjna 1.1 mm ,99 OPB606 Fotokomórka refleksyjna 1.3 mm ,25 OPB607 Fotokomórka refleksyjna 1.3 mm OPB715 Fotokomórka refleksyjna 12.7 mm ,90. Jest czujnikiem optoelektronicznym, działającym na zasadzie przerwania strumienia światła wysłanego przez czujnik i odbitego od reflektora. Wykrycie przeszkody polega więc na przecięciu wiązki swiatła pomiędzy nadajnikiem (np.. dioda elektroluminescencyjna LED) i odbiornikiem (np. fotorezystor LDR). Korzystniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie diody na podczerwień (IR LED) oraz fototranzystora na 12

13 podczerwień. Fotokomórki refleksyjne stosowane są do kontroli położenia ruchomych części maszyn, identyfikacji obiektów (np. przesuwające się taśmy transportowe), określenia poziomu cieczy i materiałów sypkich. 8. Transoptor (fototranzystor sterowany diodą LED) Transoptory szczelinowe. Czujniki przeznaczone do zastosowań we wszelkich urządzeniach wymagających bezstykowej detekcji różnego typu obiektów. Długość fali 950 nm. symbol nazwa szczelina Ic[mA] Id[mA] TCST1000 Transoptor szczelinowy (=1103) Nap. max.[v] Cena[zł] ,30 TCST1018 Transoptor szczelinowy 4,65 TCST1103 TCST2000 TCST2103 Transoptor szczelinowy (=CNY36) Transoptor szczelinowy (=2103) Transoptor szczelinowy (=CNY37) , , ,25 TCST5123 Transoptor szczelinowy 5,25. 13

14 Transoptor Fotoodbiornik sprzężony z diodą elektroluminescencyjną pozwala galwanicznie odseparować dwa układy elektryczne. Jeżeli dioda i fotodetektor znajdują się w różnych obudowach to powstały przyrząd nazywamy transoptorem, a jeśli zamknięte są w jednej obudowie łączem optoelektronicznym. Jeżeli transmisja promieniowania między diodą i fotodetektorem następuje za pomocą światłowodu to transoptor jest zamknięty, a jeśli nastepuje w powietrzu transoptor otwarty. Rolę emitera w transoptorze spełania najczęściej dioda elektroluminescencyjna z arsenku galu. Na wyjściu transoptora może znajdować się fotodioda lub fototranzystor. Charakterystyka przejściowa (prąd wyjściowy fototranzystora w funkcji prądu wejściowego przewodzenia fotodiody) transoptora dioda elektroluminescencyjna fototranzystor 14

15 Z nachylenia powyższej charakterystyki można wyznaczyć wzmocnienie transoptora przekładnię prądową CTR: CTR=I o /I i. Innym parametrem transoptora jest napięcie stałe izolacji U IO (lub zmienne U io ) dopuszczalna wartość napięcia przyłożonego między końcówki wejściowe i wyjściowe, nie powodujaca przebicia elektrycznego izolacji transoptora. W transoptorach refleksyjnych promieniowanie wysyłane przez fotoemiter odbija się od przedmiotu zewnętrznego i powraca do fotodetektora; w transoptorze szczelinowym (stosowanym np. w prędkościomierzu rowerowym) strumień światła może być przerwany mechanicznie przez przedmiot wsuwany pomiędzy fotodetektor i fotoemiter. Transoptory stosuje się do galwanicznego rozdzielania obwodów elektrycznych (technika wysokich napięć), w technice pomiarowej i automatyce, w sprzęcie komputerowym, w sprzęcie telekomunikacyjnym. Spełniają one również rolę potencjometrów bezstykowych oraz przekaźników optoelektronicznych wykorzystywanych przy konstrukcji klawiatury kalkulatorów i komputerów. W układach sygnalizacyjnych i zabezpieczających transoptory wykorzystywane są jako wyłączniki krańcowe, czujniki otworów, czujniki położenia oraz wskaźniki poziomu cieczy. Fototranzystory, fotodarlington 9. Optotriak (triak sterowany dioda LED) jest to element elektroniczny składający się z diody elektroluminescencyjnej i triaka zamkniętych w jednej obudowie. Zasada działania polega na wysterowywaniu triaka za pomocą diody. Jego zasada działania jest podobna do zasady działania 15

16 transoptora tyle, że optotriaki stosuje się do obwodów prądu przemiennego, a nie stałego ponieważ potrzebuje zerowego napięcia aby się wyłączyć. Optotriak jest to w zasadzie normalny triak tyle że z galwanicznym odseparowaniem wejścia od wyjścia co jest bardzo ważne w układach wysokich napięć. 1 dioda nadawcza LED; 2 przezroczysta warstwa izolacyjna, 3 dioda odbiorcza, 4 układ wykrywający napięcie w obwodzie zewnętrznym bliskie zeru i sterujący bramką triaka małej mocy; 5 - triak małej mocy umożliwiający sterowanie triakiem o dowolnej mocy Układ wyzwala triaki tylko w momencie kiedy przebieg sygnału sterowanego przechodzi przez wartość bliską zeru; za każdym razem gdy zmienia sie polaryzacja sygnału sterowanego na przeciwną powoduje to włączenie triaków w ściśle określonych momentach. Oznacza to, że nie ma możliwości chaotycznego włączania się triaka ponieważ układ jest zsynchronizowany ze zmianami napięcia sterowanego. Zaletą tego typu układu jest możliwość eliminacji zakłóceń radioelektrycznych, które powstają wtedy, gdy steruje się urządzeniami zawierającymi indukcyjność. Uniwersalny moduł wykonawczy: optotriak + triak do sterowania urządzeniami 230V za pomocą mikron trolera 16

17 10. Przekaźniki kontaktronowe Przekaźnik kontaktronowy Umożliwiaja odizolowanie obwodu zewnętrznego względem obwodu wyzwalającego przekaźnik. Przełączaja zarówno prądy zmiennne jak i stałe, jednak ze względu na zastosowanie do ich konstrukcji elementów ruchomych w postaci styków, są wolniejsze i droższe, a także szybciej się zużywają niż triaki. Ze względu na duży pobór pradu przez obwód sterujący przekaźnika stosuje się w tym obwodzie tranzystory przełączające (kluczujące), zabezpieczajace np. komputer czy telewizor przed napięciami wstecznymi. Przekaźnik: kontaktronowy; Ucewki :12V DC; Styki: SPST-NO; 10VA Symbol produktu: R1-1A1200 Producent: RAYEX ELECTRONIC Symbol oryginalny: R1-1A1200 Ilość: Ceny netto [PLN]:

18 Komórka Pockelsa 11. Komórka Pockelsa stosowana jest jako zewnętrzny modulator. Konieczność stosowania zewnętrznych modulatorów wynika ze zjawiska chirpu (zmiany długości fali światła lasera półprzewodnikowego modulowanego bezpośrednio) oraz z zasady działania danego lasera (lasery gazowe: hel-neon i argonowo-jonowy zapis wzorca płyty kompaktowej, nie mogą być modulowane bezpośrednio). Materiał izotropowy komórki bez przyłożonego zewnętrznego pola elektrycznego, staje się anizotropowym (dwójłomnym) po jego przyłożeniu. Wiązka wyjściowa zmienia się od wartości minimalnej, gdy nie przyłożone jest żadne pole elektryczne, do maksymalnej po przyłożeniu tzw. napięcia półfalowego. Zależność natężenia światła od napięcia pola elektrycznego ma charakter nieliniowy i dla małych napięć jest proporcjonalna do U 2. Stąd pomiędzy pierwszy polaryzator i komórkę Pockelsa wprowadza się płytkę ćwierćfalową, która powoduje, że na wyjściu komórki, gdy nie jest przyłożone żadne napięcie, natężenie wiązki światła jest połową natężenia wejściowego. Przesuwamy więc w ten sposób zmianę napięcia zewnętrznego na liniowy zakres zależności natężenia wiązki od napięcia. Głównymi ograniczeniami maksymalnej częstotliwości działania modulatorów elektrooptycznych są pojemność modulatora oraz czas potrzebny światłu na przejście przez kryształ: 1/f m >>Ln/c. 18

19 12. Izolatory optyczne (rotatory Faradaya) przeciwdziałają odbiciom wstecznym światła od niejednorodności (np. złącza) toru światłowodowego (szum interferometryczny). Wykorzystuje się tu efekt Faradaya skręcenie płaszczyzny polaryzacji światła fali, która przechodzi przez ośrodek magnetooptyczny. Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji liniowo spolaryzowanej fali optycznej jest proporcjonalny do długości ośrodka i wartości podłużnego pola magnetycznego. Współczynnikiem proporcjonalności jest stała Verdeta ośrodka. Światło odbite jest częściowo przepuszczane przez polaryzator wyjściowy i po ponownym skręceniu płaszczyzny polaryzacji o 45 o przez ośrodek magnetooptyczny całkowicie blokowane przez polaryzator wyjściowy. Od izolatorów optycznych wymaga się małej tłumienności wtrąceniowej (straty <1 db), dużej izolacji (stosunek mocy odbitej do mocy przepuszczanej na wejście >30 db) i łatwości sprzężenia ze światłowodem. Schemat blokowy lampy błyskowej Lampa błyskowa to urządzenie, które wyzwala wiązkę światła niezbędną do oświetlenia fotografowanego obiektu. Jako źródło światła wykorzystuje się lampę ksenonową, zwana palnikiem i jej trwający ok. 1/1000 s błysk, będący rezultatem wyładowania elektrycznego w lampie. Energia impulsu świetlnego dostarczana jest z naładowanego do kilkuset woltów kondensatora, w którego obwód 19

20 włączone jest uzwojenie pierwotne transformatora impulsowego o przekładni 1:40. Impuls z transformatora wchodząc na elektrodę zapłonową lampy osiąga wartość kilkunastu kilowoltów, powodując lokalną jonizację gazu w lampie. Jonizacja inicjuje wyładowanie oślepiający błysk o energii kilkudziesięciu dżuli. 13. Fotocela to urządzenie służące do wyzwalania lampy błyskowej błyskiem innej lampy. Łączy się ją z lampą, którą chcemy wyzwolić poprzez kabel synchronizacyjny lub gorącą stopkę. Fotocela synchronizuje wyzwolenie błysku lamp zewnętrznych na pierwszy lub drugi błysk lampy aparatu. Fotocela 20