4/A Optikai eszközök főoldal

Fénytani alapfogalmak:

A fényelektromos eszközök képesek elektromágneses sugárzást kibocsátani, amikor áram halad rajtuk keresztül v. elektromágneses sugárzás elnyelésével mérhető elektromos mennyiségek (áram, fesz., ellenállás-változás) előállítására. Fénykibocsátó eszközök: izzólámpa, LED, katódsugárcső, stb.

Fényelektromos eszközök: fotoellenállás, fotodióda, fototranzisztor, stb.

Elektromágneses sugárzás (fény) alatt a 0,3/1,5 µm hullám hosszúságú tartományt értjük

λ: fény hullámhossza

c: fény sebessége

f : fény frekije

A fény hullámhossz szerint 3 tartományra osztható: ultraibolya fény, látható fény, infravörös fény

Fényáram (fluxus) fény terjedésére merőleges tetszőleges felületen időegység alatt áthaladó fényenergia mennyiség

Fényerőség (jele: I) az a fényenergiai mennyiség, amelyet-meghatározott irányba –időegység alatt 1m sugarú gömb 1m ² felületen át kisugároz, ahol, ahol a térszög nagysága (candela)

megvilágítás erőssége (jele: E)

Fényelektromos jelenség

A fényelektromos jelenség alapja, az hogy az elektromágneses sugárzás energiát képes átadni a sugárzásnak kittet test elektronjainak. A megnövekedett energiájú elektron a vezetési sávba kerülhet, és mozgó töltéshordozóvá válhat v. a kilépési munkának megfelelő fékező potenciált leküzdve ki is, léphet a test belsejéből.

1. Fotóellenállás felépítése, működése:

A fotóellenállás egy záróréteg nélküli passzív félvezető elem, amely fénysugárzás hatására változtatja az ellenállását. Leggyakrabban alkalmazott kristályok (CdS), (PbS)(PbSe)(Se)(PbTe.). Az aktív félvezető-réteget vákuumban hordozóként szolgáló szigetelőanyagú felületre párologtatják, amelyre előzőleg rácsos fémcsíkot visznek fel. A felületét átlátszó lakkal védik. Megvilágítás nélkül a töltéshordozók nincsenek gerjesztve emiatt nagy az ellenállása. Megvilágítás alatt kisebb az értéke.

A fotóellenállás függ: a megvilágításától, nagy tartományok között mozog az értéke.

a szennyezettségtől és az alapanyagtól

a megvilágított felület nagyságától

a vezető pálya alakjától

a fény spektrális összetételétől

Jellemző értékek: R₀ sötétellenállás MΩ

R₁₀₀₀ villágoselllenállás

P_tot veszteségi tényező

U_a üzem fesz

t_r megszólalási idő

T_max környezeti hőmérséklet

Alkalmazások: a fotóellenállások alkalmazási lehetőségei igen szélesek. A fotóellenállások közül az kell, amelynek jellemzői az adott alkalmazáshoz szükségesek előnytelen tulajdonsága az ellenállások erős hőfüggése, másik előnytelen tulajdonsága a nagy tehetetetlensége, amely nem tesz gyors működést lehetővé. Alkalmas szabályzás és vezérlés technikai feladatok ellátására, megtaláljuk őket fénysorompókban, vészjelzőkben.

A PN-átmenet viselkedése fényhatás esetén

Ha a megvilágítás hatására megfelelő energiával rendelkező fotonok hatolnak be a PN-átmenetbe, akkor belső fényelektromos hatás következtében helyi töltéshordozó párok keletkeznek. A tértöltési tartományban jelenlevő villamos erőtér a keletkezett töltéshordozó párokat szétválasztja. A szétválasztott töltéshordozók kifelé folyó áramként megjelenhetnek a külső áramkörben. A fotoáram mind nyitóirányú, mind záróirányú külső feszültség esetén is záróirányban folyik.

2. Fotodiódák

Felépítése és működése

A fotodiódák különleges felépítésű félvezető diódák, amelyek PN-átmenete fénysugárzással megvilágítható. A fotodiódákat leggyakrabban záróirányban működtetik. Alapanyaguk szilícium, vagy germánium lehet. A diódát záróirányban polarizálva, a megvilágítás hatására záróirányú áramuk megnő. A zárási áram növekedése egyenesen arányos a megvilágítás erősségével.

A fotódióda S fényérzékenységét a zárási fotóáram és a megvilágítás hányadosaként határozzuk meg

Jellemző adatok

Fényérzékenység (S): megadja, hogy a zárási áram hány µA-rel növekszik a megvilágítás 1 lx-os növekedés hatására.

A megvilágítás nélküli állapotra érvényes az Id sötétáram, amelyet meghatározott zárófeszültség eseten adnak meg.

A maximális érzékenység λES hullámhossza, amely Si-fotodiódák esetén λ≈0.85µm, Ge-fotodiódák esetén pedig λ≈1.5µm.

Az fg működési határfrekvencia

A Cs záróréteg-kapacitás.

A fotódiódák különösen jól alkalmazhatók fénymérésre. Sok helyen alkalmazzák még a szabályozás és vezérléstechnikában.

3. Fotótranzisztorok

Felépítés és működési elv:

A fotodiódák érzékenysége tovább növelhető a tranzisztorhatás alkalmazásával, egy bipoláris tranzisztor bázisárama I_B=0, a kollektoráram I_C=(B+1)*I_CB0, ahol I_CB0 a kollektor-bázis átmenet záróirányú árama. A záróirányban előfeszített PN-átmenet megfelelő megvilágítása esetén, a fellépő fényelektromos hatás révén keletkező töltéshordozók megnövelik ezt az áramot és I_B=0 beállításban ennek az áramnak a (B+1)-szerese jelenik meg a kollektorkörben.

Jellemző adatok és határértékek:

A fotótranzisztorok legfontosabb jellemző adatai:

- kollektoráram megvilágítás nélkül: I_Cd

- kollektoráram, adott megvilágítás és U_CE feszültség esetén: I_Cl

- fényérzékenység: S

- határfrekvencia: f_g

A fototranzisztorok többi jellemző adata és határértéke a hagyományos tranzisztorok jellemzőinek felel meg.

Alkalmazások:

A fototranzisztorok alkalmazási területei megegyeznek a fotodiódákéval. A fotodiódákhoz viszonyítva nagyobb érzékenységet, de alacsonyabb határfrekvenciát biztosítanak.

Fototranzisztoros fényvevők

4. Fénykibocsátó diódák (LED)

4.1. Felépítés és működési elv:

A fénykibocsátó diódák vagy fénydiódák speciális felépítésű diódák,

amelyek az elektromos energiát fényenergiává alakítják. Ha nyitóirányú

áram folyik keresztül a PN-átmeneten az N rétegből az elektronok

a P rétegbe, a P rétegből a lyukak az N rétegbe diffundálnak. A

félvezető felületéből kilépő sugárzás a nagyon vékony ( ≈1 um) P

rétegben keletkezik. A sugárzási rekombináció csak úgy jöhet létre,

ha az elektronok átkerülnek a nagyenergiájú vezetési sávból, a

kisebb energiájú vegyértéksávba.

Érdekes megjegyezni, hogy a fénykibocsátó diódában létrejövő

rekombinációk csupán 1%-a tekinthető sugárzási rekombinációnak

(amely fotonok kibocsátásával jár). Rekombinációk túlnyomó többsége nem jár fotonok kibocsátásával.

A vegyülettípusú félvezetők esetén (mint a gallium-arzenid, gallium-arzenid-

foszfid, gallium- foszfid). Ezért a fénykibocsátó diódák alapanyaga vegyület típus félvezető.

Megfigyelhető, hogy a legnagyobb hatásfokkal (1 - 5 %) az infravörös

fénydióda rendelkezik, a többi típusnál a hatásfok 0, 05 % alatt van.

Emiatt a fénydióda fénye erősebb megvilágítás mellett már látható.

Világítódiódák előnyös tulajdonságai:

-a hasznos kimeneti fényelőállításához alacsony áramot és feszültséget igényelnek;

-majdnem késedelem nélkül reagálnak a vezérlő jelre;

-nagyon kicsi helyen elférnek, ütésállók és élettartamuk nagyon nagy.

A 10. 22. ábra fénydióda munkapont bealítása

4.2. Jellemző adatok és határértékek:

Legfontosabb adatok:

-a világítófelület nagysága A, jellemző érték A ≈ 0. 5 + 30 mm²

-a fényerőség Iv, jellemző érték Iv ≈ 1+ 5 msd

-a fényáram, Φ , jellemző érték Φ ≈ 2 mlm

-kisugárzási szög α, jellemző érték α ≈ 30 / 60˚

Fontos háttérértékek:

-maximális nyitóirányú áram Ifmax ≈ 50 mA

-maximális tárófeszültség Umax ≈ 3V

-legnagyobb megengedet

veszteségi teljesítmény Ptot ≈ 120 mW

4.3. Alkalmazások:

A fénykibocsátó diódák elsődlegesen jelző és kijelző-elemként kerülnek

Felhasználásra különböző műszer-előlapokon. Megtaláljuk őket

Infravörös fénysorompók fényforrásaként. Közvetlenül illeszthetők

a legtöbb digitális áramkörcsaládhoz.

5. Optikai kijelzők:

A kijelzők digitális vagy analóg információkat vizuálisan jelenítek meg, több fajtája van:

· Izzólámpás kijelzők

· Fénydiódás kijelzők

· Folyadékkristályos kijelzők

· Katódsugárcsövek

Izzólámpás kijelzők

Előnyei: nagy fényerővel rendelkeznek.

Hátránya: nagy áramfelvétel és fogyasztás

Fénydiódás kijelzők és folyadékkristályos kijelzők

Előnyei: kis áram és fogyasztás

Hátránya: kis fényerő

Katódsugárcsövek

Előnyei: legjobb 2 dimenziós megjelenítés

Hátránya: nagy áramfelvétel és méret

Folyadékkristályos kijelzők:

Idegen névvel LCD-k Liquid Cristal Display. Lényege bizonyos anyagok feszültség hatására megváltoztatják optikai tulajdonságukat. Azaz ha egy ilyen átlátszó kristályt feszültség alá helyezünk akkor elsötétül. És ezt a tulajdonságát használjuk ki ezért a ledes kijelzőkkel szemben nem bocsát ki fényt, de ezt a tulajdonságát csak bizonyos hőmérséklet belül képes produkálni (-5-töl 65 ˚C-ig). két nagy csoportja van az LCD-knek:

Térvezérlésű folyadékkristályos kijelzők: A folyadékkristály elektromos szempontból nem vezető, és az optikai tulajdonságait az elektromos mező határozza meg.

Dinamikus szórás elvén működő kijelzőket: a folyadékkristály elektromosan vezető és a rákapcsolt változó feszültség hatására változtatja fényáteresztő tulajdonságát.

Numerikus kijelzők:

Ezeket a kijelzőket számok megjelenítésére alkalmas, ezek egy tokban külön szegmens elemek vannak és kivezetés csökkentés miatt az egyik kivezetés közösítve van. Egyik egyszerű változatta a hétszegmenses kijelző, a vezérlését hétszegmenses dekódolóval oldják meg.

Alfanumerikus kijelzők:

Az alfanumerikus kijelzők képesek már betűk megjelenítésére két fajtája van a 16-szegmenses és a mátrix. A mátrix vezérlését multiplexeléssel oldják meg.

Elektronsugárcsövek:

Felépítése.

Van egy elektronágyú, ami előállít egy elektronsugarat, amit vagy mágnesesen vagy, elektromosan eltérítünk, hogy egy világító ernyő bizonyos pontjára csapódjon, eközben a z elektron egy vákuum alatt lévő csőben halad.

Felhasználás:

Ha a vízszintes vagy horizontális eltérítést stabilan egy bizonyos jellel vezéreljük és a másik eltérítést, vertikálist (függőleges), akkor egy oszciloszkopot kapunk.

Oszcilloszkópokkal szembeni követelmények:

- legyen az elektronsugár eltérítése arányos a bemeneti jellel. Mert különben a megjelentett jel nem lesz hü az eredetihez.

- A gyors elektromos változásokat is jól kövesse az elektronsugár.

- A képernyőn éles kirajzolt, jól kivehető görbét kell kapnunk ennek feltétele a jól fókuszált elektronsugár, és akis áramerőség.

Fénycsatolók (Optikai csatolók)

5.1. Felépítés és működés

A fénycsatolók más néven optikai csatolók egy fénykibocsátó és egy fényérzékelő elemből állnak.

Kivitelezés szempontjából a fénykibocsátókat diszkrét- és integrált áramkörös formában is gyártják.

A fényérzékelő elem lehet fotodióda, fototranzisztor vagy Darlington-fototranzisztor.

A fénycsatolók elektronikus elemek között visszahatásmentes, galvanikusan leválasztott kapcsolatot tesznek lehetővé.

A fénycsatoló lehetővé teszi mind digitális, mind analóg jelek átvitelét.

5.2. Jellemző adatok és határértékek

A fénycsatoló egyik fontos jellemzője az α = I_ki/I_be, csatolási viszony, amelyet általában a fényérzékelő elem határoz meg. A fényérzékelő elem szerint:

o α ≈ 0,1 fotodióda esetén;

o α ≈ 10/300 fototranzisztor esetén;

o α ≈ 100/1000 Darlington-fototranzisztor esetén.

Fontos adata fénycsatolónak az:

U_is átütési szilárdság (U_is ≈ 500/10000 V között vannak)

f_g határfrekvencia (f_g 10 MHz)

A többi adat és határérték azonos a fénydiódára és a fényérzékelőre érvényes adattal.

3. Alkalmazások

A fénycsatolók minden olyan helyen alkalmazhatók, ahol elektronikai elemeket galvanikusan és visszahatásmentesen el kell választani.

Használják vezérlés- és szabályozástechnikai áramkörökben, különböző műszerekben, analóg és digitális jelátvitelben és az orvosi elektronikában (ahol különleges érintésvédelmi szabályok érvényesek).