Dispozitive optoelectronice - fotoelementul, fotorezistenta, fotodioda

Fisa de documentare 5.1. Dispozitive optoelectronice

Dispozitivele optoelectronice reprezinta elemente care transforma energia radiatiilor luminoase (sau a altor radiatii din spectrul invizibil) in energie electrica sau invers. Transformarea energiei radiatiei electromagnetice in energie electrica si invers se face in mod direct, fara intermediul altor forme de energie. Fenomenele fizice fundamentale care stau la baza functionarii dispozitivelor optoelectronice sunt absorbtia radiatiei electromagnetice in corpul solid si recombinarea radiativa a purtatorilor de sarcina in semiconductor.

Dispozitivele optoelectronice se impart in doua mari categorii:

Fotoelementul, simbolizat in Fig. 5.1.1, reprezinta un dispozitiv optoelectronic care nu necesita alimentarea de la o sursa de tensiune exterioara, el generand o anumita tensiune atunci cand este iluminat. Valoarea tensiunii care este masurata pe o asemenea celula care nu este conectata intr-un circuit poarta denumirea de tensiune de circuit deschis si are o variatie pronuntata la iluminari mici, iar curentul care strabate terminalele celulei in timpul unui scurtcircuit poarta denumirea de curent de scurtcircuit si are o variatie pronuntata cu cat iluminarea este mai puternica. Cu cat aria unei celule este mai mare cu atat curentul de scurtcircuit este mai mare.

Fotorezistenta, simbolizata in Fig. 5.1.2, este formata dintr-o pelicula semiconductoare depusa prin evaporarea in vid pe un gratar metalic fixat in prealabil pe o placa izolatoare. Aceasta pelicula se protejeaza de obicei prin acoperire cu lac sau pelicula de masa plastic.

Acestea au proprietatea de a-si modifica valoarea rezistentei electrice sub actiunea fluxului luminos. Intr-un circuit care contine un astfel de dispozitiv alimentat de la o sursa de tensiune constanta, curentul va creste odata cu iluminarea fotorezistorului.

Variatia rezistentei lor cu temperature si inertia ridicata in functionare, constituie inconvenientele acestor dispozitive.

Principalii parametri ai fotorezistentei sunt:

Document online: Elaborarea dozajelor pentru mixturi asfaltice - stabilirea dozajului optim Eseu: Condensul - ce putem face pentru a micsora riscul aparitiei condensului?

Rezistenta de intuneric, (R₀);

Sensibilitatea, (S).

Fotodioda, simbolizata in Fig. 5.1.3 nu difera din punct de vedere a structurii fizice fata de diodele obisnuite. Fotodioda este constituita dintr-o jonctiune pn de constructie speciala, astfel incat sa faca posibila incidenta razelor de lumina in domeniul zonei de difuzie a acesteia. In functionarea normala jonctiunea pn este polarizata invers cu ajutorul unei sursei externe. Incidenta razelor de lumina in zona de difuzie determina o crestere a curentului invers. Pot fi folosite la frecvente de ordinul miilor de Hz.

Principalii parametrii ai unei fotodiode sunt:

Curentul de intuneric, (I_D);

Tensiunea inversa maxima, (U_RM);

Curentul de iluminare, (I_L);

Sensibilitatea, (S).

Fototranzistorul, simbolizat in Fig. 5.1.4, este format din trei zone (pnp sau npn) numite colector, baza si emitor. Zona sensibila la lumina formand-o jonctiune baza- colector. Spre deosebire de fotodiode fototranzistoarele realizeaza si o amplificare a curentului fotoelectric. Fluxul luminos are rolul curentului de baza de aceea fototranzistorul nu este prevazut cu terminalul pentru baza. In circuite fototranzistorul se monteaza in conexiune emitor comun, polarizarea facanduse ca si la tranzistor, emitorul la potentialul negativ iar colectorul la potentialul pozitiv pentru un tranzistor npn.

Inertia in functionare a fototranzistorului este mai mare decat a fotodiodei.

Fototiristorul este un dispozitiv optoelectronic realizat pe o structura de tiristor, a carui aprindere se face sub actiunea unui flux luminos. Si in acest caz tensiunea de amorsare scade cu cresterea intensitatii fluxului luminos.

Dioda electroluminiscenta (LED- ul), simbolizata in Fig. 5.2.1, numita LED-Light Emmiting Diode se bazeaza pe fenomenul invers fotodiodei. Culoarea luminii emise depinde de semiconductorul utilizat.

LED-urile pot fi folosite ca indicatoare numerice sau indicatoare optice pe panourile aparatelor. LED-ul emite lumina intr-o anumita banda foarte ingusta de lungimi de unda care este caracteristica unei anumite culori.

Pentru LED-uri RGB, poate fi un singur LED cu trei structuri (Red/Green/Blue) incorporate care sunt comandate pe trei linii separate de comanda a culorii, sau un “punct luminos', compus din structuri LED rosu/verde/albastru distincte. Prin comanda separata a fiecarei culori din cele trei se obtin peste 16 milioane de nuante (principiu care este utilizat si in monitoarele cu LED-uri

Parametrii electrici ai LED-urilor sunt identici cu cei ai diodelor:

Curentul direct, (I_F);

Tensiunea de deschidere a jonctiunii, (U_F);

Tensiunea inversa, (U_R).

Optocuplorul, simbolizat in Fig. 5.2.2, este ansamblul format dintr-un LED si un receptor luminos (fotodioda, fototranzistor) montat intr-o capsula comuna opaca.

Aceste dispozitive au o gama larga de aplicatii ele putand inlocuii relee, putand izola partea de forta de partea de comanda in sistemele automate si in multe alte aplicatii. Intr-un astfel de dispozitiv se transmit intr-un singur sens de la intrare la iesire.

De obicei randamente de transfer relativ ridicate se obtin in domeniul frecventelor infrarosii. Optocuploarele pot fi utilizate pentru transfer de semnale atat de curent continuu, cat si de curent alternativ, frecventa limita fiind ordinul zecilor de MHz.

Pe langa parametrii ce se refera separate la emitator si receptor, parametrii specifici optocuplorului sunt:

Tensiunea de lucru care este diferenta de potential intre emitor si receptor;

Factorul de transfer in curent care este egal cu raportul dintre variatia curentului la iesire si variatia curentului la intrare;

Timpul de raspuns care reprezinta timpul scurs intre momentul aplicarii semnalului luminos si cel la care fotocurentul creste pana la 0,1 din valoarea sa maxima.