9. Gyakorlat - Optoelektronikai áramköri elemek (Componente optoelectronice) (Optoelectronic devices) 1. Fénydiódák (LED-ek) Elnevezésük az angol Light Emitting Diode rövidítéséből származik. Áramköri jelölésüket az 1. ábra mutatja be. LED 1: Ábra. A LED áramköri jelölése Olyan diódák amelyek nyitó irányú áram hatására fényt bocsátanak ki. Különböző színű kivitelezésben gyártják: piros, narancs, sárga, zöld, kék, fehér és infravörös (IR). A kibocsátott fény színe az alapanyagtól függ. Általában gallium arzenid foszfidból készülnek. A gyakorlat során a többi optoelektronikai eszközt fehér színű LED segítségével világítjuk meg. A fénydiódákat a 2. ábrán látható módon egy ellenállással sorba kapcsolva használják. Az ellenállás áramkorlátozó szerepet tölt be. 2: Ábra. LED meghajtó áramkör 2. Fotoellenállások függ. Olyan félvezető eszközök amelyeknek elektromos ellenállása a megvilágítás erősségétől Áramköri jelölésük a 3. ábrán látható. 36
R1 3: Ábra. A fotóellenállás áramköri jelölése Az ellenállás értéke csökken a megvilágítás növekedésével. A legnagyobb ellenállásértéket sötét ellenállásnak, míg a legkisebb értéket világos ellenállásnak nevezzük. Alapanyaguk a kadnium-foszfid és a kadnium-szelenid. Állítsátok össze a gyakorlati standon az alábbi áramkört. A gyakorlat során a fehér LED tápfeszültségét változtatva növeljétek a megvilágítás erejét és ohmmérő segítségével mérjétek a fotóellenállás értékét. A mérési adatok alapján töltsétek ki az 1. táblázatot. U táp [V] 3 4 5 6 7 8 9 10 R[Ω] I LED [ma] 4: Ábra. A fotóellenállás jelleggörbéjének tanulmányozása 1. Táblázat: Mérési eredmények Ábrázoljátok grafikusan az ellenállás értékét a LED-en átfolyó áramerősség függvényében. 3. Fotodiódák Átlátszó üvegtokozással vagy műanyagtokozással ellátott diódák, amelyeknek a visszáramuk megvilágítás esetén megnő. Áramköri jelölésüket az alábbi ábra szemlélteti. PD 5: Ábra. A fotódióda áramköri jelölése 37
U AK = 0V esetén a fotódióda visszárama arányos a megvilágítás erősségével. Ezt a tulajdonságot kihasználva fotóvevőként használhatjuk. Erőteljes megvilágítás esetén a szilíciumból készült fotódiódák feszültsége kb. 0,5V. Így a fotódiódákat elektromos energia előállítására is használhatjuk. Erre a célra nagyfelületű fotódiódákat gyártanak (napelemek). Feléledési idejük kicsi, így gyors változásokra is érzékeny, határfrekvenciájuk 10MHz. Állítsátok össze a 6. ábrán látható kapcsolást, változtassátok a fehér LED tápfeszültségét a 2. táblázatban található értékek alapján és mérjétek voltmérő segítségével az ellenálláson leeső feszültséget. Töltsétek ki a mérési adatokkal a 2. táblázatot. Ismételjétek meg a méréseket a standon található infravörös tartományban működő LEDet és fotodiódát használva. 6: Ábra. A fotodiódák tanulmányozása U táp [V] 3 4 5 6 7 8 9 10 U R [V] I PD [μa] 2. Táblázat: Mérési eredmények 4. Fototranzisztorok Áramköri jelölésük a 7. ábrán látható. Q1 7: Ábra. A fototranzisztor egyezményes jele Működésüket a helyettesítő áramkör alapján tanulmányozhatjuk (8. ábra). 38
A B-C átmenet fotódiódaként működik. A megvilágítás hatására a fotódióda visszárama megnő. A tranzisztor bázisárama nem más mint a fotódióda visszárama, így a tranzisztor nyit és egy felerősített kollektoráramot enged át. Utáp[V] 3 4 5 6 7 8 9 10 U R [V] I LED [ma] 8: Ábra. A fototranzisztor helyettesítő áramköre 3. Táblázat: Mérési eredmények A fototranzisztor működése a 9. ábrán bemutatott áramkörrel tanulmányozható. 9: Ábra. A fototranzisztor tanulmányozása A mérési eredményeket foglaljátok a 3. táblázatba, majd ábrázoljátok grafikusan az U R = f(i LED ) görbét. 5. Optocsatolók (Fénycsatolók) A fénycsatolók, fénydióda és fototranzisztorból álló áramkörök. Integrált áramkör formában vannak kivitelezve. Alkalmasak analóg és digitális jelek átvitelére is. 3. Táblázat: Mérési eredmények 39
10. Ábra. Az optocsatoló tanulmányozása Valósítsátok meg a 10. ábrán látható kapcsolást és végezzétek el az alábbi táblázatba foglalt méréseket. Az U LED és az U CE tápfeszültségek 5V értékűek. Ábrázoljátok grafikusan az I C = f(i led ) görbét. I led [ma] 0,1 0,5 1 2 4 6 8 10 20 I C [ma] α[i C /I led ] 4. Táblázat: Mérési eredmények Az α áramcsatolási tényező viszonylag kicsi (0,1) ha fotodiódát használunk fényvevőnek, és nagyobb fototranzisztor használata estén (10..300). Jó hatásfok elérésére az optocsatolók infravörös (IR) tartományban működnek. 40