Sapientia EMTE
Analóg elektronika gyakorlatok
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 Olyan félvezető eszközök amelyeknek elektromos ellenállása a megvilágítás erősségétől függ. Áramköri jelölésük a 3. ábrán látható.
36
Sapientia EMTE
Analóg elektronika gyakorlatok 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.
4: Ábra. A fotóellenállás jelleggörbéjének tanulmányozása
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. Utáp[V]
3
4
5
6
7
8
9
10
R[Ω] ILED[mA] 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
Sapientia EMTE
Analóg elektronika gyakorlatok
UAK = 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
Utáp[V]
3
4
5
6
7
8
9
10
UR[V] IPD[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
Sapientia EMTE
Analóg elektronika gyakorlatok
8: Ábra. A fototranzisztor helyettesítő áramköre
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
UR[V] ILED[mA] 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 UR = f(ILED) 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
Sapientia EMTE
Analóg elektronika gyakorlatok
10. Ábra. Az optocsatoló tanulmányozása
Valósítsátok meg a 10. ábrán látható kapcsolást és végezzétek el az alábbi táblázatba foglalt méréseket. Az ULED és az UCE tápfeszültségek 5V értékűek. Ábrázoljátok grafikusan az IC = f(Iled) görbét. Iled[mA]
0,1
0,5
1
2
4
6
8
10
20
IC[mA] α[IC/Iled] 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
