Optoelektronikai alapfogalmak:
Fényáram (fluxus, jele: ): a fény terjedésére merőleges, tetszőleges nagyságú felületen időegység alatt áthaladó fényenergia mennyiség. Fénytechnikai mértékegysége a lumen (lm).
Pontszerű fényforrás fényerőssége (jele: I): az a fényenergia mennyiség határozza meg, amelyet időegység alatt az 1m sugarú gömb 1m2 felületén át kisugároz: , ahol Ω a térszög nagysága. Mértékegysége a candela (cd).
A megvilágítás erőssége (jele: E): a szemlélő előtt megjelenő, megvilágított A felület világosságára jellemző: . Mértékegysége a lux (lx).
Fotoellenállás:
A fotoellenállás egy záróréteg nélküli passzív félvezető elem, amely fénysugárzás hatására változtatja az ellenállását. Megvilágítás nélkül a fotoellenállásra nem esik fény, a töltéshordozók nincsenek gerjesztve, emiatt a fotoellenállás nagy ellenállást képvisel. Megvilágítás alatt a fény töltéshordozókat gerjeszt, így a fotoellenállás ellenállása kisebb értékű lesz. A fotoellenállás ellenállása a megvilágítás erősségének függvénye, és igen széles határok között változik. Állandó fényerősség esetén a fotoellenállás ellenállásának értéke a következőktől függ: a fotoellenállás alapanyagától és szennyezettségének mértékétől; a megvilágított felület nagyságától; a vezető pálya alakjától.
A fotoellenállások fontos jellemzője a sötétellenállás és a világos-ellenállás, valamint a maximális fotoérzékenység hullámhossza és a megszólalási idő. Az R0 sötétellenállás a fotoellenállás sötétben mért ellenállása. Az R1000 világos-ellenállás az 1000 lux megvilágítási erősség esetén mért ellenállásérték. A tr megszólalási idő az az idő, amely a sötét állapotot követően 1000 lux erősségű fénnyel megvilágított fotoellenállás esetén addig telik el, amíg az áram az R1000-nél érvényes értékének a 65%-át el nem éri.
Alkalmasak lassú változást igénylő szabályozás- és vezérléstechnikai feladatok ellátására. Pl.: fénysorompók, közvilágítás-kapcsolók, megvilágítási erősség mérőkben és vészjelzőkben.
A PN-átmenet viselkedése fényhatás esetén:
H 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.
Fotodiódák:
Különleges felépítésű félvezető diódák, amelyek PN-átmenete fénysugárzással megvilágítható. A fotodiódákat leggyakrabban záróirányban működtetik. Záróirányban polarizálva, a megvilágítás hatására záróirányú áramuk megnő. A zárási áram növekedése egyenesen arányos a megvilágítás erősségével. A fotodióda S fényérzékenységét a zárási fotoáram és a megvilágítás hányadosaként határozzuk meg: .
A fotodióda záró árama a megvilágítás erősségével arányosan növekszik, ezért különösen jól alkalmazhatók fénymérésre. Sok helyen alkalmazzák még a szabályozás- és vezérléstechnikában.
Fototranzisztorok:
Megvilágítható bázis-kollektor átmenettel rendelkező speciális szilíciumtranzisztorok. A záróirányban előfeszített PN-átmenet megfelelő megvilágítása esetén, a fellépő elektromos hatás révén keletkező töltéshordozók megnövelik ezt az áramot és IB=0 beállításban ennek az áramnak a (B+1)-szerese jelenik meg a kollektor körben. Tehát közös emitter kapcsolásban a kollektor a fototranzisztor B egyenáramú áramerősítési tényezőjének megfelelően megnövelt fotoáramot állít elő. Alkalmazási területei megegyeznek a fotodiódákéval, azonban nagyobb érzékenységet, de alacsonyabb határfrekvenciát biztosítanak.
Fénykibocsátó dióda (LED):
Speciális felépítésű diódák, amelyek az elektromos energiát fényenergiává alakítják. Ezeknek a diódáknak az alapanyaga vegyület típusú félvezető. A kis hatásfok ellenére számos előnyös tulajdonsággal rendelkeznek: hasznos kimeneti fényelőállításhoz alacsony áramot és feszültséget igényelnek; majdnem késedelem nélkül reagálnak a vezérlő jelre; nagyon kicsi helyen elférnek, ütésállók és élettartamuk nagyon nagy. A fotodióda fényerőssége egy bizonyos nyitóirányú áramértéken felül már nem változik számottevően. Mivel a fénydióda nagyon kis értékű dinamikus ellenállással rendelkezik nyitófeszültsége fölött, ezért általában áramgenerátoros táplálást alkalmaznak.
Elsődlegesen jelző és kijelző-elemként kerülnek felhasználásra különböző műszer-előlapokon, hétszegmenses és alfanumerikus kijelzőkben.
Lézer dióda:
A lézer fény kibocsátására és erősítésére alkalmas eszköz, amelynek működése a kényszerített fénykibocsátás jelenségén alapszik. A dióda alapanyaga vegyület típusú félvezető. A hagyományos fénydiódákhoz viszonyított előnyük: nagy, 20% feletti átalakítási hatásfok; viszonylag nagy sugárzási teljesítmény; a kibocsátott fény rendkívül kicsi széttartása. Alkalmazzák információk digitális rögzítésére és olvasására alkalmas berendezésekben (CD lemezjátszó, CD ROM) és az üvegszálas digitális információ-átvitelben.
Folyadékkristályos (LCD) kijelzők:
Eltérően a fénydiódáktól nem bocsátanak ki fényt, hanem csak külső megvilágítás esetén láthatók. Működésük a folyadékkristályok azon tulajdonságán alapszik, hogy külső elektromos feszültség hatására változtatják fénytani tulajdonságaikat. A folyadékkristály külső feszültség nélkül átlátszó, külső feszültség esetén pedig sötét. A folyadékkristályok olyan szerves vegyületek, amelyek szilárd- és folyékony halmazállapotban is úgy viselkednek, mint a kristályok.
Térvezérlésű folyadékkristályos kijelzők: alapállapotban a folyadékkristályok átengedik a fénysugarakat. Ha a folyadékkristályokat megfelelően nagy erősségű elektromos térbe helyezzük, a folyadékot alkotó molekulák térbeli elhelyezkedése megváltozik, és az anyag zavaros lesz. Megvilágítás hatására a zavaros folyadék tejfehérnek látszik. Ez a jelenség a villamos tér megfelelő térbeli alkalmazásával, tetszőleges karakterek megjelenítését teszi lehetővé. A kijelzőket kondenzátorszerűen alakítják ki; a két fegyverzetre feszültséget kapcsolva állítják elő a szükséges elektromos teret. A vezérléshez váltakozó feszültséget használnak, mivel az egyenfeszültség elektrolízist indít el, ami a folyadékkristály élettartamát jelentősen csökkenti. A váltakozó feszültség frekvenciája legalább akkora legyen, hogy a szem számára ne legyen érzékelhető a villódzó hatás.
Dinamikus szórás elvén működő folyadékkristályos kijelzők: működésükhöz nagy vezérlőteljesítmény szükséges. Az elektromosan vezető folyadékkristályban a rákapcsolt váltakozó feszültség hatására részecskemozgás indul meg, aminek következtében a folyadék zavaros lesz. Megvilágítás hatására a zavaros részek kifehérednek. Főleg nagyméretű kijelzők esetén kerülnek felhasználásra.
Numerikus kijelzők:
Decimális számok kijelzését teszik lehetővé. A legegyszerűbb megoldás az úgynevezett hétszegmenses kijelző, amely több egyedi elem felhasználásával több számjegy egyidejű megjelenítésére alkalmas. A nagyszámú csatlakoztatás csökkentése miatt a hétszegmenses kijelzők egyik kivezetése közös mindegyik szegmens-elem esetén. A szegmensek vezérlését integrált áramkörös dekódolókkal oldják meg.
Alfanumerikus kijelzők:
Számjegyek és betűk megjelenítésére használják. Az alfanumerikus kijelzők csoportjában két típust különböztetünk meg: 16 szegmenses és pont-mátrix kijelzőket. A 16 szegmenses kijelző vezérlése speciális, digitális integrált áramkörökkel történik. A pont-mátrix kijelzők jobb felbontással rendelkeznek, mint a 16 szegmenses kijelzők. A nagyszámú kijelző elem gazdaságos vezérlése az oszlopok multiplexelésével oldható meg.
Fényáram (fluxus, jele: ): a fény terjedésére merőleges, tetszőleges nagyságú felületen időegység alatt áthaladó fényenergia mennyiség. Fénytechnikai mértékegysége a lumen (lm).
Pontszerű fényforrás fényerőssége (jele: I): az a fényenergia mennyiség határozza meg, amelyet időegység alatt az 1m sugarú gömb 1m2 felületén át kisugároz: , ahol Ω a térszög nagysága. Mértékegysége a candela (cd).
A megvilágítás erőssége (jele: E): a szemlélő előtt megjelenő, megvilágított A felület világosságára jellemző: . Mértékegysége a lux (lx).
Fotoellenállás:
A fotoellenállás egy záróréteg nélküli passzív félvezető elem, amely fénysugárzás hatására változtatja az ellenállását. Megvilágítás nélkül a fotoellenállásra nem esik fény, a töltéshordozók nincsenek gerjesztve, emiatt a fotoellenállás nagy ellenállást képvisel. Megvilágítás alatt a fény töltéshordozókat gerjeszt, így a fotoellenállás ellenállása kisebb értékű lesz. A fotoellenállás ellenállása a megvilágítás erősségének függvénye, és igen széles határok között változik. Állandó fényerősség esetén a fotoellenállás ellenállásának értéke a következőktől függ: a fotoellenállás alapanyagától és szennyezettségének mértékétől; a megvilágított felület nagyságától; a vezető pálya alakjától.
A fotoellenállások fontos jellemzője a sötétellenállás és a világos-ellenállás, valamint a maximális fotoérzékenység hullámhossza és a megszólalási idő. Az R0 sötétellenállás a fotoellenállás sötétben mért ellenállása. Az R1000 világos-ellenállás az 1000 lux megvilágítási erősség esetén mért ellenállásérték. A tr megszólalási idő az az idő, amely a sötét állapotot követően 1000 lux erősségű fénnyel megvilágított fotoellenállás esetén addig telik el, amíg az áram az R1000-nél érvényes értékének a 65%-át el nem éri.
Alkalmasak lassú változást igénylő szabályozás- és vezérléstechnikai feladatok ellátására. Pl.: fénysorompók, közvilágítás-kapcsolók, megvilágítási erősség mérőkben és vészjelzőkben.
A PN-átmenet viselkedése fényhatás esetén:
H 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.
Fotodiódák:
Különleges felépítésű félvezető diódák, amelyek PN-átmenete fénysugárzással megvilágítható. A fotodiódákat leggyakrabban záróirányban működtetik. Záróirányban polarizálva, a megvilágítás hatására záróirányú áramuk megnő. A zárási áram növekedése egyenesen arányos a megvilágítás erősségével. A fotodióda S fényérzékenységét a zárási fotoáram és a megvilágítás hányadosaként határozzuk meg: .
A fotodióda záró árama a megvilágítás erősségével arányosan növekszik, ezért különösen jól alkalmazhatók fénymérésre. Sok helyen alkalmazzák még a szabályozás- és vezérléstechnikában.
Fototranzisztorok:
Megvilágítható bázis-kollektor átmenettel rendelkező speciális szilíciumtranzisztorok. A záróirányban előfeszített PN-átmenet megfelelő megvilágítása esetén, a fellépő elektromos hatás révén keletkező töltéshordozók megnövelik ezt az áramot és IB=0 beállításban ennek az áramnak a (B+1)-szerese jelenik meg a kollektor körben. Tehát közös emitter kapcsolásban a kollektor a fototranzisztor B egyenáramú áramerősítési tényezőjének megfelelően megnövelt fotoáramot állít elő. Alkalmazási területei megegyeznek a fotodiódákéval, azonban nagyobb érzékenységet, de alacsonyabb határfrekvenciát biztosítanak.
Fénykibocsátó dióda (LED):
Speciális felépítésű diódák, amelyek az elektromos energiát fényenergiává alakítják. Ezeknek a diódáknak az alapanyaga vegyület típusú félvezető. A kis hatásfok ellenére számos előnyös tulajdonsággal rendelkeznek: hasznos kimeneti fényelőállításhoz alacsony áramot és feszültséget igényelnek; majdnem késedelem nélkül reagálnak a vezérlő jelre; nagyon kicsi helyen elférnek, ütésállók és élettartamuk nagyon nagy. A fotodióda fényerőssége egy bizonyos nyitóirányú áramértéken felül már nem változik számottevően. Mivel a fénydióda nagyon kis értékű dinamikus ellenállással rendelkezik nyitófeszültsége fölött, ezért általában áramgenerátoros táplálást alkalmaznak.
Elsődlegesen jelző és kijelző-elemként kerülnek felhasználásra különböző műszer-előlapokon, hétszegmenses és alfanumerikus kijelzőkben.
Lézer dióda:
A lézer fény kibocsátására és erősítésére alkalmas eszköz, amelynek működése a kényszerített fénykibocsátás jelenségén alapszik. A dióda alapanyaga vegyület típusú félvezető. A hagyományos fénydiódákhoz viszonyított előnyük: nagy, 20% feletti átalakítási hatásfok; viszonylag nagy sugárzási teljesítmény; a kibocsátott fény rendkívül kicsi széttartása. Alkalmazzák információk digitális rögzítésére és olvasására alkalmas berendezésekben (CD lemezjátszó, CD ROM) és az üvegszálas digitális információ-átvitelben.
Folyadékkristályos (LCD) kijelzők:
Eltérően a fénydiódáktól nem bocsátanak ki fényt, hanem csak külső megvilágítás esetén láthatók. Működésük a folyadékkristályok azon tulajdonságán alapszik, hogy külső elektromos feszültség hatására változtatják fénytani tulajdonságaikat. A folyadékkristály külső feszültség nélkül átlátszó, külső feszültség esetén pedig sötét. A folyadékkristályok olyan szerves vegyületek, amelyek szilárd- és folyékony halmazállapotban is úgy viselkednek, mint a kristályok.
Térvezérlésű folyadékkristályos kijelzők: alapállapotban a folyadékkristályok átengedik a fénysugarakat. Ha a folyadékkristályokat megfelelően nagy erősségű elektromos térbe helyezzük, a folyadékot alkotó molekulák térbeli elhelyezkedése megváltozik, és az anyag zavaros lesz. Megvilágítás hatására a zavaros folyadék tejfehérnek látszik. Ez a jelenség a villamos tér megfelelő térbeli alkalmazásával, tetszőleges karakterek megjelenítését teszi lehetővé. A kijelzőket kondenzátorszerűen alakítják ki; a két fegyverzetre feszültséget kapcsolva állítják elő a szükséges elektromos teret. A vezérléshez váltakozó feszültséget használnak, mivel az egyenfeszültség elektrolízist indít el, ami a folyadékkristály élettartamát jelentősen csökkenti. A váltakozó feszültség frekvenciája legalább akkora legyen, hogy a szem számára ne legyen érzékelhető a villódzó hatás.
Dinamikus szórás elvén működő folyadékkristályos kijelzők: működésükhöz nagy vezérlőteljesítmény szükséges. Az elektromosan vezető folyadékkristályban a rákapcsolt váltakozó feszültség hatására részecskemozgás indul meg, aminek következtében a folyadék zavaros lesz. Megvilágítás hatására a zavaros részek kifehérednek. Főleg nagyméretű kijelzők esetén kerülnek felhasználásra.
Numerikus kijelzők:
Decimális számok kijelzését teszik lehetővé. A legegyszerűbb megoldás az úgynevezett hétszegmenses kijelző, amely több egyedi elem felhasználásával több számjegy egyidejű megjelenítésére alkalmas. A nagyszámú csatlakoztatás csökkentése miatt a hétszegmenses kijelzők egyik kivezetése közös mindegyik szegmens-elem esetén. A szegmensek vezérlését integrált áramkörös dekódolókkal oldják meg.
Alfanumerikus kijelzők:
Számjegyek és betűk megjelenítésére használják. Az alfanumerikus kijelzők csoportjában két típust különböztetünk meg: 16 szegmenses és pont-mátrix kijelzőket. A 16 szegmenses kijelző vezérlése speciális, digitális integrált áramkörökkel történik. A pont-mátrix kijelzők jobb felbontással rendelkeznek, mint a 16 szegmenses kijelzők. A nagyszámú kijelző elem gazdaságos vezérlése az oszlopok multiplexelésével oldható meg.
Megjegyzés küldése