Dispozitivele optoelectronice - celula fotovoltaica, fotorezistorul, fotodioda, fototranzistorul, led-urile

Dispozitivele optoelectronice

Dispozitivele optoelectronice reprezinta elemente care transforma energia radiatiilor luminoase (sau a altor radiatii din spectrul invizibil) in energie electrica sau invers .

Celula fotovoltaica

Reprezinta un dispozitiv optoelectronic care nu necesita alimentarea de la o sursa de tensiune exterioara ,ea generand o anumita tensiune atunci cand este iluminata. 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 iluminarri mici,iar curentul care strabate terminalele celulei in timpul unui scurt circuit poarta denumirea de curent de scurt circuit si are o variatie pronuntata cu cat iluminarea este mai puternica. Daca in aplicatii dorim sa utilizam curentul unei astfel de celule se vor utiliza rezistori de sarcina mici ,iar daca dorim utilizarea tensiunii rezistorul de sarcina trebuie sa aiba o valoare mare. valoarea curentului des scurtcircuit depinde si de lungimea de unda a luminii(culoarea)care lumineaza fotocelula.

Fotorezistorul

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.

Interactiunea cu materialul semiconductor a radiatiei electro-magnetice absorbite poate determina ionizarea atomilor retelei si crearea de purtatori de sarcina liberi, fenomen ce poarta denumirea de efect fotoelectric . In cazul in care energia furnizata de fotoni electronilor de valenta este mai mare decat energia de legatura in materialul semiconductor, electronii de valenta sunt extrasi din material si emisi in mediul exterior (efect fotoelectric extern).
Daca energia captata de electroni de la fotoni este mai mica decat lucrul mecanic de extractie, dar suficienta pentru a crea purtatori liberi in materialul semiconductor prin ruperea unor legaturi din reteaua cristalina, fenomenul se numeste efect fotoelectric intern, iar conductivitatea suplimentara a semiconductorilor iradiat de lumina este numita fotoconductivitate . In acest caz, rezistenta electrica scade odata cu fluxul luminos incident, astfel incat un fotoconductor  este un solid bun izolator la intuneric, dar care este capabil sa conduca curentul electric cand este expus la lumina.
Efectul fotoelectric intern se poate produce prin mai multe mecanisme:
a) Absorbtia proprie (mecanismul intrinsec) reprezinta interactiunea elastica dintre un foton si un electron de valenta, in urma careia electronul trece in banda de conductie prin mecanismul intrinsec; se creeaza astfel perechi de goluri si electroni de conductie Absorbtia proprie poate avea loc numai daca energia fotonilor depaseste energia benzii interzise a semiconductorului
Pentru energii ale radiatiei mai mici decat acest prag energetic inferior (respectiv lungimi de unda ale radiatiei mai mari decat ), absorbtia directa [8] nu mai poate avea loc, semiconductorul fiind practic transparent pentru aceasta radiatie.

b) Absorbtia datorita impuritatilor (mecanismul extrinsec) reprezinta interactiunea elastica a fotonilor cu atomii de impuritate din semiconductor, prin care este posibila ionizarea acestora pe baza energiei primite de la fotoni; in acest mod iau nastere purtatorii mobili de sarcina de un singur tip (goluri in banda de valenta sau electroni in banda de conductie), dupa cum sunt ionizati atomii acceptori sau donori . Si in acest caz se defineste un prag inferior de declansare a absorbtiei, definit de energia de activare a impuritatilor ( sau , in functie de tipul mecanismului extrinsec - donor sau acceptor - de generare a purtatorilor), respectiv o lungime de unda limita .
Deoarece in mod uzual, impuritatile introduc nivele energetice locale in banda interzisa, rezulta un prag inferior mai coborat decat in cazul absorbtiei proprii, .
Rezistoarele dependente de fluxul luminos (fotorezistoarele) sunt componente a caror functionare se bazeaza pe efectul fotoelectric intern din semiconductoare. Simplificat, se poate arata dependenta rezistivitatii de intensitatea luminoasa.

Fotodioda

Din punct de vedere a structurii fizice fotodiodele nu difera fata de diodele obisnuite. Fotodioda este constituita insa dintr-o junctiune  pn de constructie speciala , astfle incat sa faca posibila incidenta razelor de lumina in domeniul zonei de difuziune a acesteia. In functionarea normala jonctiunea pn este polarizata invers cu ajutorul sursei externe E. Incidenta razelor de lumina in zona de difuziune determina o crestere a curentului invers.

Concentratia purtatorilor liberi care apar prin efectul fotoelectric datorita absorbtiei radiatiei este mult mai mare decat concentratia purtatorilor minoritari. La dioda din cauza polarizarii in sens direct curentul este dat de curentii de difuzie; la fotodioda curentii de difuzie nu depind de fluxul luminos din aceasta cauza ea trebuie polarizata in sens invers pentru a anula curentii de difuzie. Conditia ca purtatorii majoritari sa participe la conductia curentului electric, adica sa traverseze bariera de sarcina spatiala este ca campul rezultat (epsilon) sa se deplaseze in sens invers, curentul prin fotodioda depinde doar de concentratia purtatorilor minoritari generati pe cale termica sau prin efect fotoelectric. Deoarece curentul prin fotodioda nu depinde de tensiunea de polarizare inversa aplicata intre Anod si Catod ea se comporta ca un generator de curent al carui curent depinde de fluxul luminos incident Sub influenta unui flux luminos exterior la bornele fotoelementului ia nastere o tensiune elector-motoare (T. E. M. ) Rezistenta de sarcina conectata la bornele fotoelementului este parcursa de un curent electric care arata ca fotoelementul este un generator de tensiune care poate debita o anumita putere. Acesta (fotoelementul) converteste direct energie luminoasa in energie electrica, din aceasta cauza se mai numeste si baterie solara ()

Fototranzistorul

Acestea ca si tranzistoarele bipolare sunt formate din trei zone numite colector, baza emitor, zona sensibila la lumina formand o jonctiune baza colector. Spre deosebire de fotodiode, fototranzistoarele  realizeaza si o amplificare a curentului electric. Fluxul luminos are rolul curentului de baza de aceea fototranzistorul nu este prevazut cu terminalul pentru baza.In circuite fototranzistorul se monteaza in circuit in conexiune emitor comun, polarizarea facandu-se ca si la tranzistor, emitorul la potentialul negativ iar colectorul la potentialul pozitiv pentru un tranzistor npn.

Sistemele de alimentare neconectate la retea pentru consumatori cu un consum mediu de putere, de la cativa wati la cateva mii de wati, constau, in general, din sisteme de stocare electrochimice sau din motoare alimentate de combustibili fosili care actioneaza un generator. Durata de viata a acestor sisteme, impactul ecologic si costul ridicat al bateriilor fac ca stocarea electrochimica a energiei sa nu fie foarte atractiva. Inconvenientele folosirii instalatiilor cu combustie includ folosirea combustibililor fosili (de obicei), zgomote, emisii toxice, necesitatea aprovizionarii cu combustibil si costuri mari pentru intretinere.
Inconvenientele surselor de energie electrica independente clasice au dat deja o pozitie solida pe piata surselor comerciale neconectate la retea, generatoarelor fotovoltaice. De exemplu, multe produse si sisteme pentru telecomunicatii, protectia catodica impotriva coroziunii, tehnologii de masurare si sisteme de semnalizare sunt alimentate fotovoltaic. Un volum mare de vanzari se obtine, de asemenea, ca urmare a folosirii generatoarelor fotovoltaice pentru electrificarea rurala. In tari ca Indonezia, Mexic sau Kenia, s-a creat o piata stabila datorita instalarii a zeci de mii de "Sisteme de case solare" SHS (Solar Home Systems).
Descriere - panouri fotovoltaice
Panourile fotovoltaice sunt elemente de producere a energiei electrice prin utilizarea energiei luminoase (fotoni).Din punct de vedere fizic, celula fotovoltaica este o dioda tip p- n de suprafata mare, cu jontiunea pozitionata aproape de partea superioara. Celula converteste luminozitatea solara in energie electrica. Mai multe astfel de celule sunt asamblate intr-un modul de o anumita putere.
Mai concret, o celula solara consta din doua sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai intalnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsa intre 0,001 si 0,2 mm si sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma jonctiuni "p" si "n". Aceasta structura e similara cu a unei diode. Cand stratul de siliciu este expus la lumina se va produce o "agitatie" a electronilor din material si va fi generat un curent electric.
Celulele, numite si celule fotovoltaice, au de obicei o suprafata foarte mica si curentul generat de o singura celula este mic dar combinatii serie, paralel ale acestor celule pot produce curenti suficient de mari pentru a putea fi utilizati in practica. Pentru aceasta, celulele sunt incapsulate in panouri care le ofera rezistenta mecanica si la intemperii.
Celula fotovoltaica Panou fotovoltaic
Celulele fotovoltaice sunt de mai multe tipuri: monocristaline, policristaline, tip film, amorfe, sferice si concentrate.
Cele mai bune celule sunt cele monocristaline dar si cele mai scumpe. Celulele policristaline au gradul de conversie mai mic, dar sunt mai ieftine, reducandu-se astfel substantial costul pe Watt instalat, fiind mult mai raspandite.
Un sistem clasic fotovoltaic insular este alcatuit din urmatoarele componente:
-panouri fotovoltaice,
-regulatorul de incarcare al bateriilor,
-grupul de baterii de 12, 24 sau 48 V DC
-invertor, ce tranforma curentul continuu DC in curent alternativ AC
Se pot realiza sisteme ce pot diverta energia produsa (surplusul de energie) in retea.
Un astfel de sistem este compus din:
- panouri fotovoltaice pentru conectare la retea
- invertor pentru divertare in retea
- contor electric pentru a masura cantitatea de energie produsa si livrata in retea.

Led-urile

Diodele electroluminescente (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 opticepe 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)

Utilitatea in domeniul electronicelor si nu numai:

Denumirea de mouse provine din limba engleza (mouse) si inseamna soarece. Aceasta denumire a fost atribuita deoarece firul modelelor timpurii semana cu coada unui soarece si pentru ca miscarea cursorului pe ecran seamana cu miscarea unui soarece.

Functionarea unui maus este urmatoarea .
Miscarea mausului invarte bila.
Cilindrii X si Y apuca bila si transfera miscarea.
Discurile opace au fante prin care trece lumina.
LED-uri cu infrarosu ilumineaza aceste discuri.
Senzorii capteaza pulsurile de lumina pentru a le converti in deplasari pe cele doua axe.

Mausul a fost inventat de Douglas Engelbart la Stanford Research Institute in anul 1963 dupa un vast test de utilizabilitate. Dispozitivul a fost denumit si bug (in engleza, ceea ce inseamna gandac), dar denumirea a disparut in favoarea celei de maus (mouse). A fost unul din cele cateva dispozitive de indicat dezvoltate pentru Sistemul On-Line al lui Engelbart NLS computer, care era un sistem atat hardware cat si software. Celelalte dispozitive au fost dezvoltate pentru a se folosi de alte miscari ale corpului; cum ar fi dispozitive montate pe cap si atasate de barbie sau nas; dar in cele din urma mausul a castigat datorita simplitatii si comoditatii sale.

Conform perioadei dezvoltarii tehhnologiei in crestere, au aparut astfel de mausuri:
1 mausuri mecanice;
2 mausuri optice;
3 mausuri cu lazer.
Mausurile optice in comparatie cu mausurile mecanice:

Mausul optic Logitech iFeel foloseste un LED rosu pentru a proiecta lumina pe suprafata urmarita.Suporterii mausurilor optice pretind ca acestea functioneaza mai bine decat mausurile mecanice, nu necesita intretinere si dureaza mai mult deoarece nu au parti in miscare. Cu toate ca curatarea unui maus mecanic este foarte simpla, mausurile optice nu au nevoie de intretinere, in afara de aceea de a indeparta scamele care s-ar putea aduna sub emitatorul de lumina. Suporterii mausurilor mecanice pe de alta parte, sustin ca mausurile optice nu pot functiona corect pe suprafete transparente sau reflectante (acestea incluzand multe mausepaduri comerciale, care pot provoca indicatorul mausului sa se deplaseze necontrolat in timpul functionarii), cu toate ca aceasta problema poate fi rezolvata prin cumpararea unui mauspad adaptat mausurilor optice.

Mausurile cu putere de calcul a imaginilor mai slaba, au de asemenea probleme cu miscarile rapide, dar mausurile performante urmaresc la viteze de peste 100 cm pe secunda.Probabil cel mai puternic argument in favoarea mausurilor mecanice este consumul scazut de putere in configuratii wireless. Un maus mecanic wireless are nevoie de un curent electric de aproximativ 5 mA sau mai putin, spre deosebire de mausurile optice care au nevoie de obicei de aproximativ 25 mA pentru a pune in functiune LED-ul sau dioda laser. Mausurile optice mai vechi pot folosi si mai mult curent. Asta poate conduce la o autonomie mult redusa si schimbari frecvente ale bateriilor, facandu-le astfel nepotrivite pentru lucrul continuu.Este important de observat ca, deoarece mausurile optice functioneaza pe baza imaginii LED-ului reflectata de suprafata mauspadului, performanta lor pe mauspaduri multicolore este uneori nesigura; mausurile mecanice nu sufera de aceasta limitare

Optocuploarele

Acestea sunt ansamble de LED-URI si receptoare luminoase (fotodiode, fotosintetizatoare) montate intr-o capsula comuna opaca.Aceste dispozitive au o gama larga de aplicatii ele putand inlocui relee, putand izola parte de forta de partea de comanda in sistemele automate si in multe alte aplicatii. Parametri care caracterizeaza un cuplor sunt:

tensiunea de lucru care este diferenta de potential intre emitator si receptor;

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

timpul de raspus.