Elementy optoelektroniczne

Transkrypt

1 Temat i plan wykładu Elementy optoelektroniczne 1. Fotorezystor 2. Dioda elektroluminiscencyjna 3. Fotodioda 4. Fototranzystor 5. Transoptor ELEKTRONIKA Jakub Dawidziuk

2 Fotorezystory Budowa, materiały. CdS siarczek kadmu czuły na światło widzialne CdSe selenek kadmu, PbS siarczek ołowiu czułe na światło podczerwone Duża czułość Krótkie czasy ustalania i wysoki R ciemnej /R jasnej Czułe na podczerwień, szeroki zakres długości fal hν I U L obszar A

3 Fotorezystory Charakterystyka prądowo-napięciowa Na podstawie charakterystyki prądowo napięciowej fotorezystora dobiera się właściwy obszar jego pracy. Charakterystyki te są liniowe w dużym zakresie napięć i prądów. pomieszczenie od zacienionej strony w środku dnia 300 lx oświetlenie słoneczne terenu na zewnątrz (zachmurzone niebo) 5000 lx słoneczny letni dzień (czyste niebo) lx

4 Podstawowe parametry fotorezystora czułość widmowa jest to zależność rezystancji od natężenia oświetlenia, rezystancja fotorezystora zależy od materiału i sposóbu jego domieszkowania, współczynnik n=r ciemnej /R jasnej określany jako stosunek rezystancji ciemnej do rezystancji jasnej, określanej przy natężeniu oświetlenia równym 50 lx. Wartość rezystancji ciemnej zależy od stopnia czystości półprzewodnika. Jest ona około 1000 razy większa niż rezystancja przy oświetleniu 50 lx i zawiera się w przedziale od 10 6 Ω do Ω.

5 Zastosowania fotorezystorów Fotorezystory wykorzystuje się do: pomiarów małych natężeń oświetlenia, sterowania strumieniem świetlnym rezystancji, bezpośredniego sterowania przekaźników, pomiarów temperatury i ostrzegania w systemach przeciwpożarowych, wykrywania zanieczyszczeń rzek i zbiorników wodnych, detekcji strat ciepła przez izolację termiczną budynków, badania zasobów ziemi z samolotów i satelitów.

6 FR-wyłączniki zmierzchowe Układ z błędem?

7 Robot - photovore Robot, który jest zasilany przez baterie słoneczne i przesuwa się w kierunku światła, w celu naładowania baterii. photo (j. grecki - światło), vore (j. łaciński pochłonąć)

8 Robot - photovore

9 Dioda elektrolumiscencyjna Light Emitting Diode LED Zjawisko elektroluminescencji w diodach półprzewodnikowych polega na emitowaniu światła pod wpływem przepływającego prądu elektrycznego. Świecenie jest wynikiem rekombinacji promienistej nośników (dziur i elektronów) w przepustowo spolaryzowanym złączu p-n. Przechodzenie elektronów z wyższego poziomu energetycznego na niższy powoduje wydzielenie energii w postaci światła (fotonu).

10 Light Emitting Diode Dioda elektroluminescencyjna pracuje (świeci) przy polaryzacji w kierunku przewodzenia (+A, -K). a) b) LED w obwodzie prądu stałego Zasada działania LED

11 Light Emitting Diode LED emitują promieniowanie w zakresie widzialnym i podczerwonym, promieniowanie jest wytwarzane w wyniku rekombinacji dziur i elektronów, dioda świeci pod wpływem zewnętrznej energii elektrycznej, intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, LED pracują przy napięciach ok. 2 V z prądami od kilku do kilkunastu ma, co pozwala na współpracę w układach tranzystorowych, dioda pracuje przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia, zasada działania LED jest oparta na zjawisku elektroluminescencji.

12 Light Emitting Diode Charakterystyki I(U) Wyprowadzenia elektrod I F =1-100mA U F =1,3-3V

13 Parametry elektryczne LED prąd przewodzenia 1-100mA (1,7A mocy), napięcie przewodzenia 1,5-4V, napięcie wsteczne 8-20V, moc strat 250mW-20W, częstotliwość graniczna 50kHz-10MHz - jest to częstotliwość, przy której moc promieniowania maleje do połowy swojej wartości maksymalnej, trwałość diod - około 10 5 godzin. Obudowy: metalowe, tworzywa sztuczne, przezroczyste, matowe, barwione.

14 Dioda punktowa i planarna - zastosowania Sterowanie wskaźnika α-numerycznego 7. segmentowego z kropką Pilot, myszka

15 Diody mocy LED - problemy Zmiana charakterystyki złącza p-n (kolor niebieski) przy zwiększeniu temperatury złącza.

16 Diody mocy LED problemy - rozwiązanie Żywotność diody LED w zależności od temperatury złącza oraz prądu przewodzenia (lampa XRE, temp. otoczenia 35 C) Źródło prądowe Przykładowa aplikacja zasilania diod LED, do ustawienia prądu stałego użyto zewnętrznego rezystora Rext.

17 Zamiennik LED klasycznej żarówki z gwintem E27 Aplikacja z użyciem sprzężenia zwrotnego dla uniezależnienia jasności świecenia diod od napięcia zasilania.

18 Dane: BZX84C6V8/350 mw LED HLMP-1700 I Fmax =7,5 ma, I Fmin =2 ma, V F =1,9 V R 2 =10 kω, V CC =12 V 11 V LED Sygnalizator progowy napięcia Detektor napięcia baterii Low Battery Detector I I I Z max Z min Z min = 350 6,8 = 0,1I I Z mw V Z max = 10mA I = 51,47 ma = 5,1 ma Z max (1) (2) (3) V R CC 3 = I Z R 3 + V Z R V = 11 6,8 = kω = 420Ω typ R 10 3 CC V I 3 Z Z = 430Ω (4) (5) V R + 1 V = CC R + R 1 2 ( 6,8) 1011 = 6,8 R 2 R 1 = R 2 ( V V ) CC V + kω = 6,17 kω typ R 1 + = 6,2kΩ (6) (7) V R CC 4 = V F + I F R + V CEsat 11 1,9 0,2 = kω = 4 4 8,9 4 R 4 = V CC V F kω = 2,225kΩtyp R I F V 4 CEsat = 2,2kΩ (8) (9) Przykład projektowania.

19 LED podsumowanie Zalety diod LED: niewielkie rozmiary, wysoka sprawność, duża wartość luminancji (miara natężenia oświetlenia padającego w danym kierunku, miara wrażenia wzrokowego), niskie zużycie energii elektrycznej, niewielka emisja ciepła, duża trwałość, duża wytrzymałość na uszkodzenia, możliwość uzyskania różnych barw światła, brak promieniowania UV.

20 Fotodioda-budowa, zasada działania U D hν 0 I VT D = I S e 1 I f

21 Fizyczne podstawy działania fotodiody Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwykła dioda krzemowa. Różnica jest w obudowie, gdyż znajduje się tam soczewka płaska lub wypukła, umożliwiająca oświetlenie jednego z obszarów złącza. Fotodiody wykonuje się z krzemu lub arsenku galu. Fotodiodę można traktować jako źródło prądu o wydajności zależnej od natężenia oświetlenia. Fotodiodę polaryzuje się zaporowo zewnętrznym źródłem napięcia. Pod wpływem oświetlenia przez fotodiodę płynie prąd wsteczny, który zwiększa się ze wzrostem oświetlenia. Przy braku oświetlenia przez fotodiodę płynie niewielki ciemny, prąd wsteczny wywołany generacją termiczną nośników. Prąd ten narasta liniowo wraz ze wzrostem wartości napięcia wstecznego.

22 Fizyczne podstawy działania fotodiody Przy oświetleniu fotodiody w pobliżu jej powierzchni są generowane pary nośników dziura-elektron. Obszar ładunku przestrzennego i związana z nim bariera potencjału uniemożliwiają przepływ nośników większościowych, natomiast nośniki mniejszościowe (tj. dziury w obszarze n i elektrony w obszarze p) dyfundują do obszaru ładunku przestrzennego, są przyspieszane i pokonują złącze. Przez złącze płynie dodatkowy prąd fotoelektryczny I f. Prąd ten jest proporcjonalny do mocy promieniowania padającego na jej powierzchnię, nie zależy od napięcia wstecznej polaryzacji i wartości obciążenia.

23 Fotodioda charakterystyki I(U) E natężenie oświetlenia Przez złącze płynie prąd fotoelektryczny. Prąd ten jest proporcjonalny do mocy promieniowania padającego na jej powierzchnię, nie zależy od napięcia wstecznej polaryzacji i wartości obciążenia.

24 Parametry fotodiody maksymalne napięcie wsteczne U Rmax = V, maksymalny prąd ciemny I R0max = 1 100nA, czułość na moc promieniowania S pe = 0,3 1A/W, czułość na natężenie oświetlenia S EV = nA/lx. Zaletą fotodiody jest duża częstotliwość pracy 10 MHz (pin 1 GHz) Natomiast wadą jest dość silna zależność prądu fotodiody od temperatury.

25 Zastosowania fotodiody w urządzeniach komutacji optycznej, w układach zdalnego sterowania, w szybkich przetwornikach analogowo cyfrowych, w układach pomiarowych wielkości elektrycznych i nieelektrycznych np. do pomiaru wymiarów, odległości, stężeń i zanieczyszczeń roztworów, częstotliwości i amplitudy drgań, naprężeń itp.

26 Fotodioda jako fotodetektor przetwornik prąd-napięcie łącze światłowodowe odporność światłowodów na zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne

27 Model fotoogniwa = = 1 0 T V D U S D e I I hν f V T U D S D I e I I h = 1 0 ν Fotoogniwo, bateria słoneczna, 1m 2 ~ 300W, η=15% + = = = 1 ln 0 0 S f T f f D D I I V U U U I

28 Charakterystyka I-V rzeczywistego ogniwa słonecznego oraz mocy generowanej przez ogniwo w funkcji napięcia Voc - napięcie obwodu otwartego (ang. Open Circuit Voltage), I sc - prąd zwarcia (ang. Short Circuit Current), FF - współczynnik wypełnienia (ang. Fill Factor) MPP - moc w maksymalnym punkcie pracy (ang. Maximum Power Point), sprawność (ang. Efficiency) P 0 moc promieniowania oświetlającego powierzchnię ogniwa.

29 Ogniwo fotowoltaiczne - przykład Światło pada na fotodiodę, w której do złącza pn przyłożono ujemną polaryzację, przy czym uzyskano fotoprąd I f =10 8 I s.. Oblicz SEM dla T=300K. I D I f = 0 U D = U f 0 U f = VT ln + 1 IS V T = kt q = 25 mv U f = 25 mv ln 10 I 8 S I S + 1 = 0,47V

30 Ogniwo fotowoltaiczne - przykład Średnia wartość nasłonecznienia padającego na 1m 2 Ziemi wynosi 500W. Sprawność konwersji η=15%. Obliczyć powierzchnię baterii PV potrzebnej do zasilania 100 W żarówki. η = P P P 1 W 2 2 P1 = 500 A m 2 1 m 2 = ηp = η A 500W 100 A = = 0, ,3m

31 Dołączenie instalacji pozyskiwania energii z modułów fotowoltaicznych do sieci energetycznej

32 Generator PV na stropodachu WE PB wraz z Wykonawcą 20 grudnia 2012 Jakub Dawidziuk 13 listopada 2015

33 Fototranzystory zasada działania

34 Fototranzystory Fototranzystorem nazywamy element półprzewodnikowy z dwoma złączami p-n. Działa tak samo jak tranzystor z tą różnicą, że prąd kolektora nie zależy od prądu bazy, lecz od natężenia promieniowania oświetlającego obszar bazy. Oświetlenie wpływa na rezystancję obszaru emiterbaza. Wykorzystuje się tu zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, tj. zjawisko fotoprzewodnictwa. Fotoprzewodnictwo polega na zwiększaniu przewodnictwa elektrycznego pod wpływem energii promienistej powodującej jonizacje atomów w ciele stałym, wskutek czego zwiększa się liczba swobodnych elektronów powstających w półprzewodniku.

35 Fototranzystory zasada działania Oświetlenie fototranzystora powoduje wygenerowanie par elektrondziura w warstwie typu p. Elektrony jako ujemne nośniki ładunku przechodzą do obszaru kolektora dzięki polaryzacji zaporowej złącza kolektorowego. Dziury nie mogą przejść do obwodu emiterowego z powodu istniejącej bariery potencjału 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 powiększają nieskompensowany ładunek dodatni, obniżając barierę energetyczną złącza emiterowego. W wyniku czego 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. Przez fototranzystor nie oświetlony płynie niewielki prąd ciemny I CEO.

36 Fototranzystory zasada działania Prąd jasny kolektor-emiter fototranzystora w OE I = βi + C CE0 W fototranzystorach końcówka bazy może być wyprowadzona na zewnątrz obudowy lub nie, dlatego też fototranzystor może pracować jako: fotoogniwo, wykorzystuje się złącze kolektor-baza, f fotodioda, wykorzystane jest złącze kolektor-baza przy polaryzacji zaporowej, fototranzystor bez wyprowadzonej końcówki bazy w tym przypadku pracuje jako normalny fototranzystor, fototranzystor z wyprowadzoną końcówką bazy można go niezależnie sterować optycznie i elektrycznie. I

37 Charakterystyka prądowo-napięciowa i czułości widmowej

38 Właściwości fototranzystorów Zalety: duża czułość dzięki wzmocnieniu prądu fotoelekrycznego, możliwość sterowania elektrycznego i świetlnego. Wada-niska częstotliwość graniczna około 300 khz, w układzie Darlingtona-około 30 khz. Zastosowanie: układy automatyki i zdalnego sterowania, układy pomiarowe wielkości elektrycznych i nieelektrycznych, przetworniki analogowo cyfrowe, układy łączy optoelektronicznych, czytniki taśm i kart kodowych itp.

39 Proste przetworniki fotoelektryczne U wy = U CC βri f U wy = βri f

40 Transoptory Fotoodbiorniki możemy sprzęgać z diodami elektroluminescencyjnymi, w celu przesłania sygnałów na drodze optycznej. W ten sposób uzyskujemy przekazywanie sygnałów z jednego układu do drugiego, przy galwanicznym odseparowaniu tych układów. Tak powstały przyrząd nazywamy transoptorem (dioda i fotodetektor w różnych obudowach) lub łączem optoelektronicznym (dioda i fotodetektor w jednej obudowie). Budowa transoptora 1 fotoemiter, 2 fotodetektor, 3 światłowód, 4 obudowa. Transoptor jest półprzewodnikowym elementem optoelektronicznym, składającym się z co najmniej jednego fotoemitera i co najmniej jednego fotodetektora, umieszczonych we wspólnej obudowie.

41 Transoptory brak połączeń galwanicznych we-wy fotoemiter-led w zakresie podczerwieni fotodetektor-często fotodioda, fototranzystor, fototyrystor, fototriak, fotodarlington, fotodioda i tranzystor, bramka logiczna, komparator, fotorezystor

42 Charakterystyka wejściowa i wyjściowa transoptora CNY17-3 Wytrzymałość izolacji kilkaset woltów lub kilka kv