„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ
Ewa Zajączkowska
Wykonywanie montażu i justowanie sprzętu
optoelektronicznego 731[04].Z2.05
Poradnik dla ucznia
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
1
Recenzenci:
mgr Aleksander Jażdżejewski
mgr Jan Lewandowski
Opracowanie redakcyjne:
inż. Teresa Piotrowska
Konsultacja:
dr inż. Anna Kordowicz-Sot
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 731[04].Z2.05
„Wykonywanie
montażu
i
justowanie
sprzętu
optoelektronicznego”,
zawartego
w modułowym programie nauczania dla zawodu optyk-mechanik.
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
2
SPIS TREŚCI
1. Wprowadzenie
3
2. Wymagania wstępne
4
3. Cele kształcenia
5
4. Materiał nauczania
6
4.1. Montaż prostych układów elektrycznych i elektronicznych
6
4.1.1. Materiał nauczania
6
4.1.2. Pytania sprawdzające
20
4.1.3. Ćwiczenia
20
4.1.4. Sprawdzian postępów
22
4.2. Mikroskopy pracujące w podczerwieni
23
4.2.1. Materiał nauczania
23
4.2.2. Pytania sprawdzające
27
4.2.3. Ćwiczenia
27
4.2.4. Sprawdzian postępów
27
4.3. Fotodetektory
28
4.3.1. Materiał nauczania
28
4.3.2. Pytania sprawdzające
32
4.3.3. Ćwiczenia
32
4.3.4. Sprawdzian postępów
33
4.4. Diody elektroluminescencyjne
34
4.4.1. Materiał nauczania
34
4.4.2. Pytania sprawdzające
49
4.4.3. Ćwiczenia
49
4.4.4. Sprawdzian postępów
50
4.5. Lasery i holografia
51
4.5.1. Materiał nauczania
51
4.5.2. Pytania sprawdzające
75
4.5.3. Ćwiczenia
75
4.5.4. Sprawdzian postępów
77
4.6. Zespoły z optyką włóknistą
78
4.6.1. Materiał nauczania
78
4.6.2. Pytania sprawdzające
86
4.6.3. Ćwiczenia
87
4.6.4. Sprawdzian postępów
88
5. Sprawdzian osiągnięć
89
6. Literatura
95
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
3
1. WPROWADZENIE
Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o wykonywaniu montażu
i justowania zespołów sprzętu optycznego.
W poradniku zamieszczono:
–
wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć już ukształtowane,
abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika,
–
cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem,
–
materiał nauczania – wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania treści jednostki
modułowej,
–
zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić, czy już opanowałeś określone treści,
–
ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować
umiejętności praktyczne,
–
sprawdzian postępów,
–
sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań. Zaliczenie testu potwierdzi
opanowanie materiału całej jednostki modułowej,
–
literaturę uzupełniającą.
Schemat układu jednostek modułowych
731[04].Z2.01
Wykonywanie montażu zespołów
mechanicznych sprzętu optycznego
731[04].Z2.02
Mocowanie elementów
optycznych
731[04].Z2
Montaż i justowanie urządzeń
optycznych
731[04].Z2.03
Wykonywanie montażu i justowanie
zespołów sprzętu optycznego
731[04].Z2.04
Wykonywanie montażu końcowego
i justowanie kompletnego sprzętu
optycznego
731[04].Z2.05
Wykonywanie montażu i justowanie
sprzętu optoelektronicznego
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
4
2. WYMAGANIA WSTĘPNE
Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej, powinieneś umieć:
–
stosować jednostki układu SI,
–
przeliczać jednostki,
–
posługiwać się podstawowymi pojęciami z zakresu fizyki, optyki, mechanizmów
drobnych i precyzyjnych, mocowania elementów optycznych,
–
posługiwać się podstawowymi pojęciami z zakresu charakteryzowania elementów
optycznych i dobierania przyrządów optycznych,
–
posługiwać się podstawowymi pojęciami z zakresu montażu elementów optycznych,
zespołów optycznych i montażu sprzętu optycznego,
–
określać właściwości materiałów stosowanych w przemyśle optycznym i precyzyjnym,
–
czytać rysunki wykonawcze,
–
czytać schematy optyczne,
–
korzystać z różnych źródeł informacji,
–
obsługiwać komputer,
–
współpracować w grupie.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
5
3. CELE KSZTAŁCENIA
W wyniku realizacji programu jednostki modułowej, powinieneś umieć:
–
dobrać narzędzia i przyrządy do montażu sprzętu optoelektronicznego,
–
zorganizować stanowisko do montażu zespołów sprzętu optoelektronicznego,
–
sklasyfikować sprzęt optoelektroniczny,
–
zmontować i wyjustować sprzęt optoelektroniczny,
–
zmontować głowicę laserową,
–
zastosować przyrządy pomiarowe,
–
zastosować przyrządy justerskie,
–
określić budowę sprzętu optoelektronicznego,
–
ocenić jakość wykonanego montażu,
–
zabezpieczyć sprzęt optoelektroniczny zgodnie z dokumentacją techniczną,
–
odczytać dokumentację techniczną i montażową,
–
zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowe
i ochrony środowiska podczas montażu i justowania sprzętu optoelektronicznego.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
6
4. MATERIAŁ NAUCZANIA
4.1.
Montaż prostych układów elektrycznych i elektronicznych
4.1.1. Materiał nauczania
Wiadomości wstępne
Przy montażu układów elektrycznych i elektronicznych:
–
montowane elementy należy układać tak, aby ich znakowanie było po zmontowaniu
widoczne i nie zasłonięte przewodami,
–
przewody nie mogą mieć uszkodzonej izolacji (zacięć, zapieczeń),
–
przewody nie mogą być narażone na działanie sił mechanicznych,
–
przewody nie mogą leżeć na ostrych krawędziach, żebrach itp. Jeśli takie ułożenie jest
przewidziane konstrukcyjnie, to należy stosować odpowiednie fazowanie, tulejki
ochronne, itp. Stosowane są również opaski zaciskowe. Wykonywane są one
z poliamidu 6.6. Posiadają certyfikat UL 1565 E 160935. Produkt ten zgodny z niemiecką
normą militarną MIL-S-23190 E. Materiał stosowany na paski zaciskowe jest
samorozkładający się, nietoksyczny, wolny od halogenu, odporny na oleje, benzyny,
rozpuszczalniki, bakterie pleśnie, roztwory soli, a nieodporny na kwasy. Mogą być
stosowane w zakresie temperatur: od -40°C do +100°C. Służą do grupowania
pojedynczych przewodów w wiązki.
Rys. 1. Opaski zaciskowe [http://www.cimco.pl/]
Opaski samozaciskowe występują zależnie od potrzeb w różnych kolorach (rysunek 1),
długościach (od 2,5 mm do 12 mm) i szerokościach (od 75 mm do 1000 mm).
Występują one również w wersji z szyldem do opisywania ręcznego (rysunek 2) i do
numerowania (rysunek 3).
Rys. 2. Opaski zaciskowe z szyldem do opisywania [http://www.cimco.pl/]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
7
Rys. 3. Końcówki zaciskowe do numerowania [www.schneider-electric.pl]
Do mocowania opasek do elementów konstrukcyjnych przyrządu służą specjalne
uchwyty (rysunek 4).
Uchwyty te są mocowane śrubą do elementów konstrukcyjnych
przyrządu.
Rys. 4. Uchwyty mocujące do opasek mocujących [http://www.cimco.pl/]
Rys. 5. Szczypce do zaciągania opasek [http://www.cimco.pl/]
Opaski możemy zaciskać ręcznie lub za pomocą szczypiec automatycznych (rysunek 5),
opaski o szerokości do 4,8 mm i grubości 1,5 mm, z nastawną siłą zaciskania.
–
przewody w oplocie bawełnianym nie powinny dotykać nieizolowanych elementów
i przewodów,
–
połączenia o długości większej niż 30 mm powinny być wykonane przewodem
izolowanym,
–
w niektórych przypadkach nawet luki przewodów nieizolowanych powinny być
uchwycone w rurki izolacyjne, jest to konieczne, gdy: przewód jest oddalony od drugiego
przewodu nieizolowanego mniej niż 3mm, może nastąpić zetknięcie przewodu z inną
powierzchnią pod napięciem,
–
przewody uziemiane mogą być nieizolowane niezależnie od długości, pod warunkiem, że
nie wystąpi niebezpieczeństwo zwarcia,
–
długości przewodów montażowych powinny być możliwie jak najmniejsze,
oczyszczanie części przewodów z izolacji należy wykonywać nożem termicznym lub
szczypcami o regulowanej średnicy.
Rysunek 6 przedstawia wieloczynnościowy przyrząd do zdejmowania izolacji
zewnętrznej: z kabli okrągłych o przekroju o 8–13 mm (5 x 2,5 mm
2
), z żył 0,5 – 6 mm
2
z kabli koncentrycznych (RG58, RG 59, RG 62). Przyrząd ten posiada dodatkowo
wkrętak ze wskaźnikiem napięcia 100 – 250 Volt AC oraz zintegrowany obcinak
przewodów Cu i Al do 6 mm
2
. Dodatkowo wyposażony jest w podziałkę do ustawienia
długości odizolowywania do 50 mm.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
8
Natomiast rysunek 7 przedstawia szczypce do szybkiego i bezproblemowego
usuwania izolacji z linek 0,2 do 6 mm
2
, wyposażone w obcinak przewodów do 2,5 mm
2
Cu i Al, możliwość ustawienie szczęk do danego przekroju następuje automatycznie,
wykluczając uszkodzenie żyły podczas pracy, nastawna długość odizolowania 6–18 mm.
Nie mogą być do tego celu stosowane noże, lancety, cążki itp. narzędzia tnące. Przed
usuwaniem oplotu bawełnianego lub jedwabnego należy go miejscowo zabezpieczyć
klejem lub koszulką igelitową. Po zdjęciu izolacji z przewodu utlenione lub
zanieczyszczone żyły należy oczyścić drobnym płótnem ściernym. Przewody
wielożyłowe po zdjęciu izolacji należy skręcić wzglądem osi przewodu. Jeżeli przewody
są ekranowane, to oplot ekranujący należy przygotować do uziemienia,
Rys. 6. Przyrząd MULTI-Stripper PLUS do zdejmowania izolacji [http://www.cimco.pl/]
Rys. 7. Szczypce typu Super do zdejmowania izolacji [http://www.cimco.pl/]
–
jeśli ekran nie przesuwa się, to wyjście przewodu można wykonać przez miejscowe
rozluźnienie oprzędu ekranującego (rysunek 8a). Wyjście końca uziemianego można
wykonać przewodem giętkim (rysunek 8b),
Rys. 8. Wyjścia przewodów ekranowych [15, s. 218]
–
końcówki kablowe należy zabezpieczać rurką (koszulką) izolacyjną termokurczliwą. Jako
zakończeń przewodów używa się gotowych końcówek o różnym kształcie mocowania
(rysunek 9) zagniatanych na odizolowanych końcówkach przewodów. Zagniatanie
wykonuje się cążkami specjalnie do tego celu przystosowanymi,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
9
Rys. 9. Końcówka kablowa [15, s. 218]
–
w przypadku mocowania przewodów klamerkami metalowymi wiązki powinny być
izolowane dodatkowym oplotem np. peszlem z tworzywa,
–
montaż elektryczny należy wykonywać po montażu mechanicznym. Jeśli podczas
montażu elektrycznego niezbędne jest wykonywanie operacji mechanicznych (wiercenie,
gwintowanie, piłowanie itp.), to należy obwody elektryczne zabezpieczyć przed
uszkodzeniem, wiórkami, opiłkami itp. za pomocą odpowiednich osłon,
–
lutowanie połączeń powinno zapewniać bardzo dobry styk elektryczny i wytrzymałość
mechaniczną. Ważne jest stosowanie spoiw zgodnych z warunkami technologicznymi,
–
przeznaczone do lutowania końcówki z miedzi lub jej stopów powinny być przed
zamontowaniem pocynowane na gorąco,
–
przy lutowaniu należy uważać, aby nie przegrzać montowanych elementów
elektronicznych i nie spowodować opalenia lub spłynięcia izolacji, pęknięcia izolatorów
szklanych, odlutowania kołków. W tym celu należy stosować lutownice o regulowanej
temperaturze grota. Przy wyprowadzeniach długich element lutowany należy chwytać
szczypcami za wyprowadzenie między elementem a lutownicą, aby szczypce
odprowadzały ciepło,
–
miejsce lutowania należy nagrzać, aby nie wykonać połączenia zimnego. Spoina powinna
być gładka, bez porów i ostrych występów. Ilość spoiwa powinna być jak najmniejsza,
powinno ono jednak szczelnie wypełniać wszystkie szczeliny i obejmować przewód
stopniowym zgrubieniem.
Obecnie coraz częściej są stosowane połączenia zaciskane do łączenia wielodrutowych
żył kabli i przewodów do końcówek kablowych i złącz teletechnicznych wypierając
tradycyjne połączenia lutowane. Wykonane prawidłowo połączenia zaciskane gwarantują
bowiem trwałość i stabilność, odporne są także na wzrost temperatury. Zalecane jest wręcz,
aby wszelkie połączenia związane z przepływem dużych prądów były wykonywane przez
zaciskanie.
Coraz częściej tego typu połączenia stosuje się w wielostykowych i zminiaturyzowanych
złączach używanych w automatyce, teletechnice, optoelektronice, elektronice i technice
wojskowej czyli wszędzie tam gdzie ważna jest trwałość połączenia i zminimalizowanie
wpływu warunków atmosferycznych na jakość i pewność połączenia elektrycznego. Wiąże
się to z koniecznością zapewnienia trwałości połączeń także w warunkach ekstremalnych lub
występowania cyklicznych zmian temperatury, gdzie na przykład tradycyjne połączenia
lutowane mogą powodować zjawisko występowania zimnych lutów, utleniania lub
mikropęknięcia, które mogą prowadzić do trudnych do wykrycia nieciągłości połączeń.
Wprowadzana obecnie Dyrektywa RoHS nakazująca używanie lutowia bezołowiowego
o gorszych właściwościach technologicznych (gorsza zwilżalność, mniejsza plastyczność)
spowoduje dalszy rozwój zaciskowego montażu kabli do złącz elektrycznych i samych złącz
z demontowalnymi „pinami” umożliwiającymi wykonywanie połączeń o dużo większej
niezawodności i trwałości (rozłączenia i ponownego połączenia). Montaż elementów
stykowych doprowadzeń metodą zaciskową jest powszechnie stosowany przy zastosowaniu
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
10
końcówek tulejkowych do wykonywania połączeń układów zasilania, sterowania, automatyki,
w rozdzielniach w podłączeniach do różnorodnych terminali.
Obecnie wręcz wymaga się stosowania tego rodzaju montażu przy podłączaniu wszelkich
przewodów wielodrutowych przez zaciskanie łączone kabelki o średnicy 0,08 mm
2
,
w elektronice i elektryce kable o średnicach 0,25÷95 mm
2
oraz w energetyce kable o średnicy
150 mm
2
i większej.
Końcówki do zaciskania na kablach (barwy końcówek oznaczają średnice przewodów dla
jakich może być stosowana końcówka):
– końcówki oczkowe,
Rys. 10. Końcówki oczkowe DIN 46237 [http://www.cimco.pl/02.html]
– końcówki widełkowe,
Rys. 11. Końcówki widełkowe DIN 46237 [http://www.cimco.pl/02.html]
– końcówki wtykowe,
Rys. 12. Końcówki wtykowe DIN 46231 [http://www.cimco.pl/02.html]
– końcówki płaskie z odgałęzieniem: są to tzw. konektorowe gniazdo/wtyk,
Rys. 13. Końcówki płaskie z odgałęzieniem [http://www.cimco.pl/02.html]
– końcówki wtykowe płaskie: są to tzw. konektorowe – gniazdo,
Rys. 14. Końcówki płaskie DIN 46245 [http://www.cimco.pl/02.html]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
11
– końcówki całe izolowane,
Rys. 15. Końcówki płaskie całkowicie izolowane DIN 46245 [http://www.cimco.pl/02.html]
– końcówki wtykowe płaskie: są tzw. konektorowe – wtyk,
Rys. 16. Końcówki wtykowe płaskie, DIN 46245 [http://www.cimco.pl/02.html]
– końcówki wtykowe okrągłe: wtyk,
Rys. 17. Końcówki wtykowe okrągłe [http://www.cimco.pl/02.html]
– końcówki wtykowe okrągłe: gniazdo,
Rys. 18. Końcówki wtykowe okrągłe [http://www.cimco.pl/02.html]
– złączka równoległa,
Rys. 19. Złączka równoległa [http://www.cimco.pl/02.html]
– złączka osiowa stykowa,
Rys. 20. Złączka osiowa stykowa [http://www.cimco.pl/02.html]
– tulejki zaciskowe cienkościenne, izolowane do linek wielożyłowych zastępujące
lutowanie. Część izolowana wykonana z różnokolorowego polipropylenu, odpornego do
temperatury 105
°
C – DIN 4628/4,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
12
Rys. 21. Tulejki zaciskowe cienkościenne DIN 46228 nieizolowane [http://www.cimco.pl/02.html]
Do zaciskania tulejek z rysunku 21 służą cążki pokazane na rysunku 31.
– tulejki zaciskowe cienkościenne dwuprzewodowe.
Rys. 22. Tulejki zaciskowe cienkościenne dwuprzewodowe [http://www.cimco.pl/02.html]
Narzędzia do zaciskania końcówek tulejkowych:
– najprostsze, a co za tym idzie najtańsze zaciskarki do końcówek tulejkowych przedstawia
rysunek 23,
a)
b)
Rys. 23. Zaciskarki f- my BIALL. a) YYT-21 zakres zaciskanych przewodów 0,75 do 10 mm,
b) YYT-22 zakres zaciskanych przewodów 0,5 – 2,5 mm. [WWW.elektro info.pl]
Zaciśnięta końcówka tulejkowa ma kształt płaski jak pokazano na rysunku 24.
a)
b)
Rys. 24. Zaciśnięte końcówki przekrój. a) płaski, b) kwadratowy [WWW.elektro info.pl]
– zaciskarki typu YAC umożliwiają zaciskanie końcówek tulejkowych (w zależności od
modelu) o przekrojach 0,08÷16 mm
2
. Kształt zacisku jest płaski lub w przypadku
zaciskarek YAC-8 kwadratowy, YAC-9 sześciokątny,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
13
Rys. 25. Zaciskarka typu YAC-9 f-my YYM BIALL i przykład zaciśnięcia końcówki
(przekrój sześciokątny) [www.kleentek.cz]
Umożliwiają one pewny zacisk tulejek na przewodach o średnicach w zakresie od
0,08 do 6 mm
2
, przy automatycznym zapewnieniu odpowiedniej siły docisku. Jedno
uniwersalne gniazdo posiada 6 ruchomych „kamieni” zaciskających. W efekcie zaciśnięta
na końcówce przewodu tulejka ma w przekroju poprzecznym kształt sześciokąta rysunek
23, co umożliwia wsunięcie zaciśniętej końcówki do otworu terminalu o mniejszej
średnicy w stosunku do zaciskania „na kwadrat” lub zaciśnięciu o przekroju płaskim.
Zaciskarki te posiadają 6-cio stopniową regulację siły docisku.
–
zaciskarka na rysunku 26 posiada wymienny komplet kamieni zaciskających co pozwala
zaciskać różne średnice końcówek jak również uzyskać różny kształt zaciskanej
końcówki.
Rys. 26. Szczypce systemowe Click&Crimp Elektro (nr patentu EP 02 099 736.6, DE 201 00 031.8)
Narzędzia do zaciskania końcówek i konektorów:
– do końcówek i konektorów izolowanych przeznaczone są narzędzia YYT 1 (rysunek 27)
Rys. 27. Zaciskarka typu YYT-1 f-my YYM BIALL i przykład zaciśnięcia końcówki
(przekrój sześciokątny) [www.biall.com.pl]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
14
i YYT 7, posiadające 3 gniazda robocze do przewodów 0,5÷1,25 mm
2
, 1,5÷2,5 mm
2
i 4÷6 mm
2
oznaczone odpowiednio kolorami: czerwonym, niebieskim i żółtym. Łączenie
końcówek czy też konektorów izolowanych z przewodem polega na jednoczesnym
zaciśnięciu odizolowanej części przewodu w tulejce końcówki (zapewnia to odpowiedni
kontakt elektryczny) poprzez otaczający końcówkę „izolator” rurkę z tworzywa
i zaciśnięcie tego izolatora na izolacji przewodu (co zwiększa wytrzymałość połączenia
na zginanie i rozciąganie).
Kształt końcówek lub konektorów po zaciśnięciu przedstawia rysunek 28.
Rys. 28. Zaciśnięte końcówki [www.biall.com.pl]
– do typowych końcówek kablowych i konektorów nieizolowanych, tak zwanych
„samochodowych”, zapewniających ich profesjonalne zaciskanie na tak zwanych
„serduszko” rysunek 30, przeznaczone są narzędzia YYT 11 rysunek 27 i YYT 12. Każde
z narzędzi ma trzy gniazda robocze zapewniające jednoczesne zaciskanie konektora na
odizolowanej części przewodu i izolacji przewodu.
a)
b)
Rys. 29. Zaciskarka typowych końcówek kablowych i konektorów nieizolowanych f-my YYM BIALL:
a) YYT-11, b) YYT-12 [www.biall.com.pl]
Rys. 30. Zaciśnięta końcówka na tzw. „serduszko [www.biall.com.pl]
Wszystkie wymienione narzędzia wykonują też poprzeczne karby na tulejkach, co
zwiększa zarówno pewność samego zacisku, jak i montażu kabla zakończonego tulejką
w terminalu. Zaciskarki automatyczne posiadają również regulację zacisku. Funkcja ta
przydaje się do eliminacji luzów powstających podczas eksploatacji, co wydłuża żywotność
narzędzi.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
15
Zaciskanie końcówek rurowych dużych przekrojów
Do zaciskania końcówek rurowych (rysunek 21) o przekrojach 6÷150 mm
2
stosuje się
zaciskarki HX 50 (6 do 50 mm
2
), HX 120 (10 do 120 mm
2
), lub HX 150 (25 do 150 mm
2
).
Rys. 31. Zaciskarka końcówek rurowych dużych przekrojów HX-50 tajwańskiej f-my OPT [www.biall.com.pl]
Zaciskarki typu HX wyposażone są w obrotowe głowice dzięki czemu zapewniają
uzyskanie heksagonalnego zacisku, co gwarantuje wysoką jakość połączenia końcówki
z przewodem.
Zaciskarki specjalne
Jest to bardzo wyspecjalizowana grupa narzędzi stosowanych w elektronice oraz przy
wykonywaniu instalacji antenowych, telefonicznych, sieci komputerowych i internetowych.
Rys. 32. Zaciskarka złącz BNC YAC 3 [www.biall.com.pl]
Rysunek 32 przedstawia zaciskarkę. YAC 3 „klasyczne” narzędzie do łączenia złącz typu
BNC.
Rys. 33. Zaciśnięta końcówka BNC zaciskarką YAC 3, [www.biall.com.pl]
Zaciskarka na rysunku 34 służy do podłączania przewodów telefonicznych lub UTP (typu
drutowego lub linki) z wtykami modularnymi. Są to bardzo rozpowszechnione wtyki
stosowane w połączeniach linii telefonicznych oraz sieci komputerowych i internetowych
wykonanych z kabli miedzianych.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
16
Rys. 34. Zaciskarka LY 2070-1C [www.biall.com.pl]
Specjalna konstrukcja dźwigni zapewnia współosiowy ruch matryc (a nie po łuku, jak
w większości zaciskarek tego typu), odpowiedzialnych za prawidłowe wykonanie zacisku.
Urządzenia zaciskowe przemysłowe
Elektryczne urządzenia przemysłowe służą do zaciskania styków zaciskowych
najróżniejszego rodzaju:
–
izolowane końcówki kablowe do 6 mm
2
,
–
końcówki kablowe rurowe i zaciskane do 10 mm
2
,
–
płaskie tulejki wtykowe do 6 mm
2
,
–
końcówki tulejkowe do 50 mm
2
.
Rys. 35. Elektryczne urządzenie do zaciskania końcówek f-my haupa [www.haupa.com]
Dzięki kompaktowej konstrukcji urządzenie nadaje się zarówno do zastosowań
warsztatowych, jak również w kompleksowych systemach konfekcjonowania kabli.
Montaż elektrycznych oświetlaczy mikroskopowych
Do prawidłowej obserwacji preparatów oglądanych przez mikroskopy potrzebne jest
oświetlenie. Realizowane jest ono za pomocą oświetlaczy lub lamp mikroskopowych.
Budowę lampy mikroskopowej LM 16 produkcji PZO przedstawia rysunek 36.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
17
Rys. 36. Lampa mikroskopowa LM 16 [dokumentacja montażu PZO]
W skład lampy mikroskopowej wchodzą elementy i części:
1. matówka,
2. filtr świetlny,
3. soczewka,
4. korpus lampy,
5. oprawa soczewek,
6. pierścień dystansowy,
7. uchwyt,
8. tulejka,
9. płytka,
10. obsada przysłony,
11. oś lampy,
12. zacisk,
13. podkładka,
14. pierścień dociskowy,
15. łącznik z kołkami,
16. korpus z osłonką,
17. zacisk,
18. kolumna,
19. tulejka,
20. osłonka,
21. oświetlacz,
22. przysłona irysowa,
23. transformator TVO-64/6-20,
24. pokrętka krzyżowa PK1-3-3,
25. wkręt WSS-M2x4-6-7,
26. wkręt WC-M2x10-0-2b,
27. kołek KC-1,5n6x10-5a-0.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
18
W mikroskopach stereoskopowych stosowane są oświetlacze jak na rysunku 37.
Rys. 37. Oświetlacz mikroskopu stereoskopowego MSt 130 [dokumentacja montażu PZO]
Oświetlacz ten składa się z następujących elementów:
1. izolator,
2. czop,
3. obsada żarówki,
4. pierścień,
5. oprawka,
6. nakrętka,
7. styk,
8. przewód z wtyczką,
9. sprężyna,
10. podkładka,
11. ochraniacz,
12. wkręt wSS-M2x4-6-7,
13. wkręt WCs-M2x6-6-0,
14. wkręt WCs-2,5x10-6-0,
15. podkładka PW-M2,5-6d-3,
16. żarówka 6V/20W.
Rys. 38. Nowoczesny oświetlacz mikroskopu stereoskopowego f-my Meiji Techno
[ materiały reklamowe f-my Meiji Techno]
Konstrukcję typowego oświetlacza mikroskopu studenckiego przedstawia rysunek 39.
Oświetlacz jest wyposażony w odpychacz sprężynowy 6 oraz umieszczone co 120° względem
niego dwa wkręty 18, służące do przesuwania korpusu 9 razem z żarówką w płaszczyźnie
prostopadłej do osi oświetlacza. Urządzenie to umożliwia użytkownikowi ustawienie żarnika,
czyli włókna żarówki, w położeniu odpowiednio wybranym, zapewniającym prawidłowe
oświetlenie.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
19
Rys. 39. Oświetlacz mikroskopu:1 – żarówka, 2 – tulejka, 3 – styk, 4 – tuleja zewnętrzna, 5, 10, 20, 22 – wkręty,
6 – odpychacz, 7, 17 – sprężyny, 8 – oprawa, 9 – korpus, 11 – główka, 12 dław, – podkładka, 14 – nakrętka,
15 – przewód, 16 – izolator, 18 – wkręt regulacyjny, 19 – podkładka, 21 – czop [15, s. 220]
Montaż oświetlacza obejmuje następujące czynności:
–
zawalcowanie oprawy odpychacza w korpusie,
–
zawalcowanie dwu opraw wkrętów regulacyjnych,
–
włożenie do odpychacza sprężyny umieszczenie ich w oprawie,
–
skręcenie na klej wkrętem,
–
wkręcenie dwóch wkrętów regulacyjnych,
–
posmarowanie czoła korpusu i złączenie z tuleją,
–
współosiowe ustawienie tulei z korpusem,
–
włożenie czopa do izolatora,
–
nałożenie sprężynki,
–
nakręcenie styku,
–
usunięcie izolacji,
–
oczyszczenie drucików płótnem ściernym,
–
pobielenie końcówki żyły wykonanie oczka na końcu żyły i pobielenie go,
–
włożenie izolatora do tulejki,
–
zagięcie przecięcia tulejki na izolatorze,
–
nasunięcie podkładki i oczka na wkręt
–
skręcenie całości z wygiętym przecięciem tulejki na izolatorze,
–
przewleczenie przewodu przez główkę izolacyjną, dławik gumowy, podkładkę; i nakrętkę
1 skręcenie tulejki k z główką k i zaciśnięcie przewodu 1 bez naprężenia wzdłużnego,
silnym dokręceniem nakrętki,
–
wsunięcie główki do korpusu K nawiercenie w główce trzech nakiełków przez otwory
gwintowane w korpusie i wkręcenie trzech wkrętów,
–
zmontowanie wtyczki dwubiegunowej na końcu przewodu,
–
zamocowanie żarówki C z końcówką bagnetową w tulejce, R.;
–
sprawdzenie oświetlacza za pomocą transformatora 6 V.
Zasady montażu układów wysokonapięciowych
Wyroby optyczne wymagające zasilania prądem elektrycznym są budowane zwykle na
napięcie nie przekraczające 24 V, a więc bezpieczne. Niektóre zespoły stosowane
w aparaturze optycznej, na przykład: palniki rtęciowe, generatory laserów; elektronowe
przetworniki obrazu, wymagają zasilania prądem wysokiego napięcia rzędu kilkuset lub
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
20
kilkudziesięciu tysięcy wolt. Montaż takich zespołów wymaga, w celu zapewnienia ich
sprawności i długiej żywotności, stosowania następujących zasad:
–
Operacje montażowe należy prowadzić w pomieszczeniach o temperaturze 20±2°C
i wilgotności względnej nie przekraczającej 60%. Większe wahania temperatury
powodują zmiany parametrów, błędy pomiarów i regulacji, a większa wilgotność uloty
powierzchniowe i przebicia jeszcze w procesie montażu lub już w czasie eksploatacji.
–
Elementy handlowe należy przed montażem mierzyć i selekcjonować na grupy,
a oporniki, kondensatory, tranzystory itp. poddawać starzeniu wstępnemu pod napięciem.
–
Nie wolno pozostawiać przyklejonych kropli lutu, kalafonii, opiłek, śladów tłuszczu,
korozji itp. Wszystkie powierzchnie należy umyć czystym spirytusem za pomocą
pałeczki z irchą lub watą i wysuszyć. Zabieg mycia i dalsze zabiegi należy wykonywać
w rękawiczkach jedwabnych lub bawełnianych, aby nie pozostawić śladu potu,
tworzących ścieżki ulotowe.
–
Zespoły wskazane w instrukcji technologicznej należy hermetyzować przez zalanie masą
izolacyjną i wygrzanie w suszarce próżniowej dla usunięcia pęcherzy.
–
Operacje montażowe należy wykonywać starannie, czysto, pedantycznie przestrzegając
instrukcji technologicznych Wykonane podzespoły należy sprawdzać na zgodność ze
wskazanymi w instrukcji parametrami wyjściowymi i przeciążeniowymi według
obowiązujących zasad i przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy, przeciwpożarowych
i Stowarzyszenia Elektryków Polskich (SEP).
4.1.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie są zasady montażu przewodów elektrycznych?
2. Jakie znasz sposoby mocowania przewodów elektrycznych?
3. Jak możemy zacisnąć końcówki na przewodach?
4. Jakie są zasady montażu układów wysokonapięciowych?
5. Na czym polega montaż oświetlacza mikroskopowego?
4.1.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Dobierz końcówki zaciskowe do zamocowania przewodów elektrycznych we
wskazanych oświetlaczach mikroskopowych.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące końcówek zaciskowych
i sposobów ich montażu,
2) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące budowy i zastosowania
oświetlaczy mikroskopowych,
3) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące zasad montażu
oświetlaczy mikroskopowych,
4) zapoznać się ze schematami oświetlaczy mikroskopowych,
5) dobrać końcówki zaciskowe do przewodów elektrycznych,
6) zanotować spostrzeżenia z przeprowadzonych pomiarów.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
21
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
−
katalogi końcówek zaciskowych do przewodów elektrycznych,
−
schematy oświetlaczy mikroskopowych,
−
arkusz spostrzeżeń.
Ćwiczenie 2
Zmontuj oświetlacz mikroskopowy według otrzymanego rysunku.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące budowy i zastosowania
mikroskopów,
2) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące budowy i zastosowania
oświetlaczy mikroskopowych,
3) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące zasad montażu
oświetlaczy mikroskopowych,
4) zorganizować stanowisko demontażu oświetlaczy mikroskopowych,
5) przygotować elementy do montażu,
6) skompletować narzędzia do montażu,
7) zamontować oświetlacz mikroskopowy,
8) zanotować spostrzeżenia z przeprowadzonych pomiarów.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
−
komplet narzędzi do montażu,
−
stanowisko do montażu elektrycznego,
−
komplet elementów do montażu oświetlacza,
−
arkusz spostrzeżeń.
Ćwiczenie 3
Zmontuj oświetlacz mikroskopu stereoskopowego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące budowy i zastosowania
mikroskopów,
2) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące budowy i zastosowania
oświetlaczy mikroskopowych,
3) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące zasad montażu
oświetlaczy mikroskopowych,
4) zorganizować stanowisko demontażu oświetlaczy mikroskopowych,
5) przygotować elementy do montażu,
6) skompletować narzędzia do montażu,
7) zamontować oświetlacz mikroskopowy,
8) zanotować spostrzeżenia z przeprowadzonych pomiarów.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
22
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
−
komplet narzędzi do montażu,
−
stanowisko do montażu elektrycznego,
−
komplet elementów do montażu oświetlacza,
−
arkusz spostrzeżeń.
4.1.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) określić zasady montażu przewodów?
2) określić zasady wykonywania końcówek montażowych?
3) scharakteryzować zasady montażu oświetlacza mikroskopowego?
4) scharakteryzować zasady montażu układów wysokonapięciowych?
5) przygotować stanowisko do montażu układów elektrycznych?
6) dobrać narzędzia do montażu elektrycznego?
7) dokonać montażu oświetlacza do mikroskopu biologicznego?
8) dokonać montażu oświetlacza do mikroskopu stereoskopowego?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
23
4.2. Mikroskopy pracujące w podczerwieni
4.2.1. Materiał nauczania
Rozciągnięcie mikroskopii optycznej poza przedział widma widzialnego wynikło
z potrzeb obserwacji substancji całkowicie przezroczystych lub nieprzezroczystych w świetle
widzialnym.
Mikroskopy przeznaczone do badań w podczerwieni będą nazywane mikroskopami IR.
Rys. 40. Schemat przetwornika obrazu podczerwieni na widzialny [13, s. 518]
Obrazy optyczne tworzone przez światło podczerwone są obserwowane za pomocą
przetworników.
Urządzeniem
przekształcającym
niewidzialny
obraz
podczerwony
w widzialny, jest przetwornik elektronowy. W najprostszym przypadku składa on się
z półprzezroczystej katody C (rysunek 40) i anody A, szczelnie zamkniętych w cylindrycznej
bańce, wykonanej np. ze szkła kwarcowego. W bańce tej panuje próżnia (około 10–6 Pa).
Między katodą C i anodą A jest przyłożone wysokie napięcie stałe o wartości kilkunastu kV.
Znane są poza tym przetworniki: półprzewodnikowe, składające się z warstw
fotoprzewodzących,
przewodzących
przezroczystych
i
elektroluminescencyjnych.
Przetwornikiem obrazu mikroskopowego tworzonego przez promieniowanie z bliskiej
podczerwieni może być również kamera telewizyjna połączona przewodowo z monitorem.
Do uwidaczniania obrazów podczerwonych, stosowana jest na szeroką skalę technika
skaningowa, polegająca na tym, że do fotodetektora jest kierowane promieniowanie
podczerwone z coraz to innych po sobie następujących punktów badanego przedmiotu.
Z fotodetektora wychodzą impulsy prądowe, które po wzmocnieniu przekazywane są do
oscyloskopu i na jego ekranie powodują wykreślenie jak gdyby mapy rozkładu natężenia
światła podczerwonego, przechodzącego przez badany preparat (lub też od niego odbitego).
Wspomniane skanowanie odbywa się np. za pomocą dwóch zwierciadełek, które drgają
wahliwie w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach, przy czym jedno zwierciadełko
waha się z częstotliwością niewspółmiernie większą (na przykład: 400 razy większą) niż
drugie. Wahania zwierciadełek są zsynchronizowane z odchylaniem x, y wiązki elektronowej
lampy oscyloskopowej, natężenie zaś tej wiązki jest modulowane impulsami prądowymi
z fotodetektora
promieniowania
podczerwonego.
Miejscom
ekranu
oscyloskopu
o maksymalnej jasności odpowiadają maksymalne wartości natężenia promieniowania
podczerwonego padającego na fotodetektor, zaś miejscom czarnym – minimalne natężenia
tegoż promieniowania. Jeśli między tymi ekstremalnymi wartościami intensywności
promieniowania podczerwonego występują pośrednie, to odpowiadają im miejsca ekranu
oscyloskopu o różnym stopniu jasności (szarości). Na tej zasadzie zbudowane są niektóre
mikroskopy podczerwone, służące do pomiaru rozkładu temperatury, np. w elementach
i obwodach mikroelektronicznych. Mikroskopy te noszą nazwę termomikroskopów. Rolę
fotodetektora promieniowania podczerwonego w tych urządzeniach spełnia na ogół materiał
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
24
półprzewodnikowy, zwykle antymonek indowy (InSb) i arsenek indowy (InAs). Pierwszy
z tych półprzewodników ma maksimum czułości dla długości fali świetlnej λ = 5µm, drugi
zaś – dla λ = 3,5µm.
Rejestracja mikroskopowych obrazów odbywa się przez fotografowanie obrazów
podczerwonych, jest możliwe tylko w zakresie spektralnym do około 1,3 µm.
Mikroskopy IR znajdują najszersze zastosowanie w fizyce ciała stałego, zwłaszcza
w badaniach materiałów półprzewodnikowych i elementów mikroelektronicznych. Liczne
materiały półprzewodnikowe charakteryzują się bowiem tym, że są nieprzezroczyste
w świetle widzialnym, natomiast przepuszczają bliską podczerwień. Do nich zaliczają się
przede wszystkim krzem i arsenek galu.
Stosując spolaryzowane promieniowanie podczerwone można wykrywać niepożądane
naprężenia mechaniczne w kryształach i płytkach półprzewodnikowych jak również
obserwować obrazy domen magnetycznych.
Mikroskopy IR znajdują również zastosowanie w badaniach minerałów i skamielin
w kryminalistyce, jak również w medycynie. Układ optyczny mikroskopów IR nie różni się
więc od układu optycznego typowego mikroskopu przeznaczonego do badań preparatów
amplitudowych w świetle widzialnym. Do obserwacji obrazu podczerwonego jest na ogół
stosowany przetwornik elektronowy (rys. 40), kamera telewizyjna z monitorem, jak również
system skaningowy z fotodetektorem i oscyloskopem.
Przykład mikroskopu IR z elektronowym przetwornikiem obrazu podczerwonego na
widzialny jest pokazany na rysunku 41.
Rys. 41
.
Układ optyczny mikroskopu MIK – 4 firmy LOMO [13, s. 525]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
25
Przeznaczony jest on do badań półprzewodników, minerałów oraz preparatów
zoologicznych i paleontologicznych w świetle podczerwonym o długości fali λ 0,75÷1,2 μm,
jak również w świetle widzialnym. Preparat może być przy tym oświetlany zarówno z dołu
przez kondensor, jaki z góry przez obiektyw. Oprócz oświetlenia typu „jasne pole” można
również stosować oświetlenie typu „ciemne pole”. W pierwszym przypadku, ale tylko
w układzie oświetleniowym „dia”, istnieje możliwość przeprowadzania obserwacji w świetle
spolaryzowanym podczerwonym i widzialnym.
Wśród wielu obiektywów o powiększeniach od 3,5
x
do 95
x
w mikroskopie MIK-4
znajduje się również immersyjny obiektyw zwierciadlano-soczewkowy 75
x
/1,0 przeznaczony
do badań preparatów oświetlonych z góry niespolaryzowanym światłem podczerwonym.
Obraz preparatu jest obserwowany na ekranie przetwornika elektronowego w powiększeniu
od 45
x
do 5000
x
albo fotografowany za pomocą kamery sprzężonej z nasadką
mikrofotograficzną. Źródłem światła jest lampa halogenowa o mocy 90 W. Promieniowanie
podczerwone jest z niej wyodrębniane za pomocą odpowiednich filtrów. Mikroskop ten jest
wyposażony w wymienne kondensory o aperturze 1,2 i 0,85 i 0,22. Te dwa ostatnie służą do
badań preparatów w świetle spolaryzowanym.
Inny przykład mikroskopu podczerwonego z elektronowymi przetwornikami obrazu jest
pokazany na rysunku 42. Jest to mikroskop stereoskopowy „Minfra”.
Rys. 42. Mikroskop stereoskopowy „Mimfra” [13, s. 526]
Montaż mikroskopów IR pracującego w podczerwieni
Jak już wspominaliśmy układ optyczny mikroskopów IR nie różni się od układu
optycznego typowego mikroskopu przeznaczonego do badań preparatów amplitudowych
w świetle widzialnym. Montaż mikroskopów IR przebiega więc też według zasad montażu
typowych mikroskopów optycznych wprowadzając dodatkowe operacje dotyczące
zainstalowania zespołów realizujących oświetlenie w podczerwieni i rejestrację uzyskanych
obrazów mikroskopowych.
Urządzenia rejestrujące obrazy jak już zostało omówione to kamery, aparaty
fotograficzne których budowa i montaż zostały omówione w poprzednich poradnikach.
Montaż przetworników
Na rysunku 43 przedstawiono zakończenie tubusa 4 nasadki okularowej mikroskopu
z wbudowanym przetwornikiem 6 i okularem 12. Przetwornik 6 wsunięty jest w tulejkę
metalową 5 i umiejscowiony polietylenową wkładką izolacyjną 3. Od strony okularu lekko
dociśnięty jest gwintowanym pierścieniem 9 poprzez miękką podkładkę 8 i cienki pierścień
mosiężny 7 spełniający rolę przysłony pola widzenia. Oprawę 11 okularu 12 ustala się
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
26
przeciwnakrętką 10 w położeniu zapewniającym prawidłowy zakres regulacji dioptryjnej.
Przewód zasilający 1 z odgiętką zamocowany jest na stałe w króćcu 2 przymocowanym
czterema wkrętami do rurki tubusa 4.
Rys. 43. Okular mikroskopu z przetwornikiem elektronowo – optycznym [3, s. 311]
Rysunek 44 pokazuje typowy sposób oprawiania elektronowo-optycznego przetwornika
obrazu 3. Mosiężna oprawa 1 nasadzona jest na szklaną bańkę przetwornika 3 aż do oporu
o płaszczyznę szkła od strony ekranu. Przestrzeń między tą oprawą a bańką wypełnia się masą
cokołową 2 przewodzącą prąd. W podobny sposób można nakleić króciec izolacyjny 5
służący do doprowadzenia przewodu zasilającego 4. Przed oprawieniem wszystkie
powierzchnie szklanej bańki przetwornika powinny być starannie umyte i odtłuszczane.
Rys. 44. Przetwornik elektronowo-optyczny [3, s. 311]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
27
4.2.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jak scharakteryzujesz zasadę działania mikroskopu pracującego w podczerwieni?
2. Jak scharakteryzujesz zasadę budowy mikroskopu pracującego w podczerwieni IR?
3. Jak scharakteryzujesz zasadę działania przetwornika obrazu podczerwieni na widzialny?
4. Jak scharakteryzujesz zasadę budowy przetwornika obrazu podczerwieni na widzialny?
5. Jak scharakteryzujesz zasady montażu mikroskopów pracujących w podczerwieni IR?
4.2.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Zamontuj przetwornik podczerwieni do mikroskopu IR.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące budowy przetwornika
obrazu podczerwieni na widzialny,
2) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące zasad montażu
przetwornika obrazu podczerwieni na widzialny,
3) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące narzędzi, przyrządów
kontrolnych i justerskich potrzebnych do montażu,
4) odczytać schemat budowy przetwornika obrazu podczerwieni na widzialny,
5) odczytać schemat mikroskopu z wbudowanym przetwornikiem obrazu podczerwieni,
6) zapoznać się z instrukcją montażową,
7) dobrać narzędzia do montażu,
8) dobrać urządzenia kontrolne i pomiarowe,
9) przeanalizować kolejność operacji w zamontowania przetwornika do mikroskopu,
10) zamocować przetwornik do mikroskopu,
11) sporządzić notatkę.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
−
narzędzia do montażu,
−
przyrządy kontrolne i pomiarowe potrzebne do montażu,
−
mikroskop pracujący w podczerwieni i przetwornik obrazu,
−
arkusz spostrzeżeń.
4.2.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) scharakteryzować mikroskopy pracujące w podczerwieni?
2) scharakteryzować budowę przetwornika obrazu?
3) scharakteryzować budowę mikroskopu pracującego w podczerwieni?
4) określić główne zasady montażu przetworników obrazu?
5) zamontować przetwornik obrazu do mikroskopu pracującego
w podczerwieni?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
28
4.3. Fotodetektory
4.3.1. Materiał nauczania
Fotodetektorem jest każde urządzenie mogące wytwarzać lub modyfikować sygnał
elektryczny (prąd lub napięcie) proporcjonalnie do ilości światła padającego na obszar czynny
tego urządzenia.
Mechanizmy fotodetekcji:
– absorpcja termiczna,
– fotoprzewodnictwo,
– fotoemisja.
Wszystkie one wiążą się z absorpcją fotonu przez elektrony lub atomy.
Fotodetektorami są:
– fotorezystory,
– fotodiody,
– fototranzystory.
Połączenie elementu fotoemisyjnego z fotodetektorem nazywa się transoptorem.
Fotorezystory są to najprostsze fotodetektory objętościowe (rysunek 45) w których
zmienia się rezystancja pod wpływem padającego na nie światła (rysunek 46 i 47).
a)
b)
Rys. 45. Fotorezystor; a) widok [http://upload.wikimedia.org/wikipedia] b) symbol elektryczny [oprac. własne]
Rys. 46. Fotorezystor – uproszczona budowa [opracowanie własne]
Rys. 47. Fotorezystor budowa i zasada działania [opracowanie własne]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
29
Fotorezystory mają bardzo duże zastosowanie, wynikające z prostoty tworzenia układów
np. w pomiarach natężenia oświetlenia (światłomierz). Mają szczególne zastosowanie
w sprzęcie amatorskim i nie wymagającym wysokich dokładności. Wadą ich jest uleganie
wpływom czasu i miejsca w jakim się znajduje – z upływem czasu, inaczej reaguje na
światło.
Fotodiody zbudowane są podobnie jak diody krzemowe, z tym że w obudowie
umieszczono soczewkę skupiającą promienie świetlne, które oświetlają złącze p-n.
a)
b)
Rys. 48. Fotodiody. a) widok , b) symbol elektryczny [www.optoelect ronics.perkinelmer.com]
Rys. 49. Budowa typowej fotodiody [K. Booth, S. Hill, „Optoelektronika” WKŁ, Warszawa 2001]
Fotodioda pracuje przy polaryzacji w kierunku zaporowym. Przy braku oświetlenia,
przez diodę płynie niewielki ciemny prąd wsteczny. Przy oświetleniu fotodiody, przez złącze
p-n popłynie dodatkowy prąd fotoelektryczny. Prąd oświetlonego złącza składa się więc
z prądu fotoelektrycznego i prądu wstecznego ciemnego. Prąd fotodiody wzrasta
proporcjonalnie do mocy promieniowania.
Zaletą fotodiod jest zakres częstotliwości pracy – mogą one przetwarzać sygnały świetlne
o częstotliwości kilkudziesięciu MHz (podczerwień).
Elementy te są stosowane jako detektory światła widzialnego oraz podczerwonego:
–
w urządzeniach komutacji optycznej, w układach zdalnego sterowania („pilotach”),
–
układach pomiarowych (do pomiaru: wielkości liniowych, odległości),
–
w alarmach – barierach świetlnych (różnego rodzaju czujki) rysunek 50,
–
w komunikacji światłowodowej.
a)
b)
Rys. 50. Wykorzystanie fotodiody jako: a) czujki dymu, b) bariery świetlnej
[Elementy optoelektroniczne w opracowaniu p. Witolda Skowrońskiego z Internetu plik .pdf]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
30
Jako przykład zastosowania fotodiody omówimy działanie czujnika dymu.
Działanie alarmu pożarowego (czujnika dymu) opiera się na zasadzie pomiaru
promieniowania podczerwonego, rozproszonego przez cząstki dymu (aerozolu) w komorze
pomiarowej, niedostępnej dla światła zewnętrznego. Znajdujący się w komorze pomiarowej
odbiornik promieniowania – fotodioda, nie odbiera promieniowania podczerwonego,
emitowanego przez nadajnik – diodę elektroluminescencyjną, póki do komory nie wnikną
cząstki dymu rozpraszające to promieniowanie kierując je na odbiornik (rysunek 50a). Po
przekroczeniu określonej wartości progowej, układ elektroniczny czujki włącza sygnalizację
akustyczną i optyczną.
Rys. 51. Czujki dymu TA-004-2-NC (ADR-20 R) [http://www.sahanna.pl]
Fototranzystor charakteryzuje się największą czułością. Produkowane są przede
wszystkim fototranzystory typu NPN, gdzie promieniowanie pada na obszar bazy.
Rys. 52. Budowa fototranzystora n-p-n. [K. Booth, S. Hill, „Optoelektronika” WKŁ, Warszawa 2001]
Wielkością sterującą najczęściej jest tylko światło, więc fototranzystor ma dwa
wyprowadzenia
(kolektor-emiter)
i
jest
umieszczony
najczęściej
w
obudowie
przypominającej dokładnie przeźroczystą diodę LED (rysunek 53). Przez nieoświetlony
fototranzystor płynie nie wielki prąd ciemny, przy oświetleniu złącza baza-emiter,
generowane są w obszarze bazy elektrony, które przechodzą do obszaru kolektora dzięki
polaryzacji zaporowej złącza C. Elektrony te wspólnie z elektronami pochodzącymi z par
elektron-dziura tworzą jasny prąd kolektor-emiter. Ze względu na dużą skuteczność
przenoszenia elektronów z emitera do bazy, fototranzystor podobnie jak zwykłe tranzystory
wzmacnia prąd fotoelektryczny.
Wadą tych elementów jest ich mała prędkość działania.
a)
b)
Rys. 53. Fototranzystor a) widok, [http://pl.wikipedia.org.] b) symbol elektryczny [opracowanie własne]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
31
Stosuje się je głównie w układach automatyki i zdalnego sterowania („pilotach”),
w czytnikach kodów kreskowych. Podobnie jak fotodiody stosowane są w urządzeniach
pomiarowych.
Transoptor – optron, optoizolator – półprzewodnikowy przyrząd optoelektroniczny
przenoszący sygnały (z wejścia do wyjścia) za pośrednictwem promieniowania optycznego.
Utworzony jest z pary elementów fotoemitera (na wejściu) i fotodetektora (na wyjściu),
umieszczonych we wspólnej obudowie, izolowanych elektrycznie i sprzężonych optycznie.
Fotoemiterem jest najczęściej dioda elektroluminescencyjna, zaś fotodetektorem – fotodioda,
fototranzystor lub fototyrystor.
a)
b)
Rys. 54. Transoptor, a) zastosowaniem jako detektora fototranzystora,
[http://www.automatykaonline.pl/poradnik/slownik.php?l=T] b) widok, [http://pl.wikipedia.org/wiki/Transoptor]
a)
b)
c)
Rys. 55. Podstawowe zastosowania transoptorów: a) izolacja optyczna (galwaniczna) obwodów,
b) przekaźnik optyczny, c) czujnik optyczny
[Elementy optoelektroniczne w opracowaniu p. Witolda Skowrońskiego z Internetu plik .pdf]
Transoptory mogą być:
–
zamknięte, monolitycze (scalone) w których promieniowanie wysyłane przez diodę
elektroluminescencyjną przenika przez warstwę materiału elektroizolacyjnego (szkło,
żywica epoksydowa) (rysunek 55b),
–
otwarte, szczelinowe (tzw. transmisyjne) i odbiciowe (refleksyjne) w których
promieniowanie wysyłane przez diodę elektroluminescencyjną przenika przez warstwę
powietrza, w której znajduje się ruchomy element przerywający lub ustanawiający
sprzężenie optyczne między fotoemiterem i fotodetektorem (rysunek 55 b i c).
Transoptor przenosi sygnały zarówno stałoprądowe, jak i zmiennoprądowe (analogowe
i cyfrowe), przy czym pasmo przenoszenia zależy przede wszystkim od rodzaju użytych
elementów.
Transoptory stosuje się w aparaturze pomiarowej i medycznej, w układach automatyki
przemysłowej, głównie w celu eliminacji zakłóceń wprowadzanych przez układy
współpracujące ze sobą, bądź sprzęgania układów o różnych potencjałach, a także
w charakterze wyłączników (optoelektronicznych).
Transoptory znalazły bardzo duże zastosowanie w sprzęcie cyfrowym, komputerowym
i telekomunikacyjnym.
Montaż fotoelementów polega na wlutowaniu elementu zgodnie ze schematem
elektrycznym, ideowym i montażowym urządzenia z zachowaniem zasad montażu
elektronicznego.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
32
4.3.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jak scharakteryzujesz budowę fotorezystora?
2. Jak scharakteryzujesz budowę fotodiody?
3. Jak scharakteryzujesz budowę fototranzystora?
4. Jak scharakteryzujesz budowę tranoptora?
5. Jak scharakteryzujesz zastosowanie fotoelementów?
4.3.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Posegreguj otrzymane fotoelementy według ich budowy.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące rodzajów fotoelementów,
2) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące zasad klasyfikacji
fotoelementów,
3) posegregować fotoelementy,
4) zanotować spostrzeżenia z wykonanego zadania.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
−
katalogi fotoelementów,
−
elementy do przeprowadzenia segregacji
−
arkusz spostrzeżeń.
Ćwiczenie 2
Dobierz element zastępczy dla:
a) otrzymanego fotorezystora,
b) otrzymanej fotodiody,
c) otrzymanego fotorezystora,
d) otrzymanego transoptora.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące rodzajów fotoelementów,
2) wyszukać w katalogach zamienniki otrzymanych fotoelementów,
3) fotoelementy,
4) zanotować spostrzeżenia z wykonanego zadania.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
−
katalogi fotoelementów,
−
elementy do wykonania zadania,
−
arkusz spostrzeżeń.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
33
4.3.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) scharakteryzować fotorezystor?
2) scharakteryzować fotodiodę?
3) scharakteryzować fototranzystor?
4) scharakteryzować transoptor?
5) dobrać elementy zastępcze dla fotoelementów?
6) rozróżnić fotoelementy?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
34
4.4. Diody elektroluminescencyjne
4.4.1. Materiał nauczania
Podstawą działania półprzewodnikowych diod emitujących światło (ang. Light Emitting
Diode) jest elektroluminescencja. Dlatego w języku polskim nazywa się je wprost diodami
elektroluminescencyjnymi (w skrócie DEL). Diody LED (rys. 56) są strukturami
półprzewodnikowymi, w których wstrzykiwane zewnętrznym polem elektrycznym elektrony
i dziury rekombinują, a nadmiar energii zostaje wypromieniowywany w postaci kwantu
światła w zakresie widzialnym i podczerwonym.
Rys. 56. Ogólny schemat budowy półprzewodnikowej diody LED
[http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_1]
Ogólna budowa diody LED jest prosta i nieskomplikowana (rysunek 56).
Pierwszą emitującą światło widzialne diodę LED była dioda przedstawiona przez
N. Holonyak’a Jr. i Bavacqua’e w 1962 roku (rysunek 57a). W temperaturze ciekłego azotu
dioda ta emitowała światło spójne (akcja laserowa) o długości fali 710 nm i szerokości
połówkowej 1,2 nm.
W temperaturze pokojowej pierwsza dioda zachowywała się jak typowa dioda LED -
promieniowanie nie było koherentne, a szerokość połówkowa wynosiła 12,5 nm.
a)
b)
Rys. 57. Narodziny diody LED a) pierwsza dająca się w pełni kontrolować dioda LED b) pierwsza masowo
produkowana dioda LED firmy MONSANTO [www.rpi.edu/~schubert Źródło: www.ledmuseum.org]
Pierwszą naprawdę masową produkcję diod LED rozpoczęła firma Mosanto w 1968
roku. Diody firmy Mosanto (rysunek 58.b) były wykonywane z GaAsP/GaAs.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
35
Diody LED
Rys. 58. Różne diody LED [Elementy optoelektroniczne w opracowaniu
p. Witolda Skowrońskiego z Internetu plik .pdf]
Diody LED wykonywane są z różnych materiałów na bazie galu dzięki czemu emitują
światło o różnych barwach.
a)
b)
c)
Rys. 59. Pierwsze zastosowania diod LED: a) lampki kontrolne, b) podświetlenie przycisków w telefonach
i centralkach telefonicznych,c) wyświetlacze numeryczne (kalkulatory)
źródło: a, b: [www.ledmuseum.org], c: [Internet]
Diody z arsenofosforku galu GaAsP – emitują barwę czerwoną, pomarańczową i żółtą –
napięcie przewodzenia wynosi około 1,6 V – zastąpiły one zawodne i nieergonomiczne
lampki neonowe.
Diody z fosforku galu GaP – emitują promienie zielone (rzadziej czerwone) – napięcie
przewodzenia wynosi około 2,6 V. Stosuje się je w wyświetlaczach kalkulatorów
elektronicznych, w zegarach cyfrowych, jako podświetlenie przycisków i w lampkach
kontrolnych.
Diody z czteroskładnikowego związku AlGaInP – emitują barwę czerwoną,
pomarańczową i żółtą – są to diody o bardzo wysokiej wydajności poprzez zastosowanie
warstw rozprowadzających dostarczony do diody prąd po całej powierzchni, zastosowanie
wielokrotnych studni kwantowych, zastosowanie mikro zwierciadeł oraz zastosowanie
przezroczystych podłoży Gap. Wysoko wydajne diody LED z AlGaInP szybko zastąpiły
czerwone diody LED wykonywane z innych materiałów.
Diody z azotku galu (GaN) lub węgliku krzemu SiC – emitują promienie niebieskie.
Pierwszymi diodami świecącymi barwą niebieską były diody wykonane na podłożu
z węgliku krzemu SiC. Diody te posiadają małą wydajność.
Prace nad otrzymaniem lepszego podłoża z warstwy krystalicznego GaN o pożądanych
parametrach optycznych typu n i p trwały bardzo długo.
Konstrukcję pierwszej elektroluminescencyjnej niebieskiej diody opracował 1994 Nichia
z Japonii. Osiągnięcie to pozwoliło na przełamanie ostatniej bariery na drodze do uzyskania
kompletu barw światła emitowanego przez wysokowydajne przyrządy półprzewodnikowe.
Do głównych osiągnięć Polski w tej dziedzinie należy opracowanie technologii
monokrystalicznych podłoży z GaN o rekordowych własnościach, skonstruowanie
pierwszego w skali światowej modelu diody homoepitaksjalnej oraz budowa wydajnych diod
i detektorów heteroepitaksjalnych.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
36
Diody z barwą białą
W wyniku połączenia trzech barw diod możliwe staje się otrzymanie światła białego.
Rys 60. Najbardziej wydajna biała dioda LED mocy dostępna obecnie na rynku 80-90lm (75lm/W) – XLamp
7090 XR-E produkcji firmy CREE [http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_1]
Rys. 61. Jednowarstwowa oprawka MR16 z białą diodą mocy XLamp™ 7090 zasilana bezpiecznym napięciem
12VDC z powodzeniem może zastępować klasyczne lampki halogenowe
[http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_3]
Sposoby otrzymywania białych emiterów LED
Diody LED są emiterami wytwarzającymi promieniowanie w wąskim zakresie widma –
są więc źródłami światła monochromatycznego. Światło białe jest natomiast wrażeniem
wzrokowym, które odczuwa człowiek w wyniku pobudzenia siatkówki oka światłem
zawierającym fale świetlne z całego widma widzialnego. Nie jest więc możliwe bezpośrednie
uzyskanie światła białego z pojedynczego złącza półprzewodnikowego p-n.
Aby wykonać białą diodę LED korzysta się z jednego z podstawowych praw
kolorymetrii, a mianowicie sumowania addytywnego podstawowych barw światła
czerwonego, zielonego
i niebieskiego. Warunkiem jest, by natężenia poszczególnych barw pozostawały ze sobą
w ścisłych stosunkach ilościowych.
Stosuje się trzy główne metody otrzymania białej diody LED:
– mieszanie światła kilku barw – umieszcza się w jednej obudowie 3 elementy LED
tworzące diodę RGB (rys. 62). W wyniku addytywnego sumowania barw otrzymywany
jest kolor biały. Jest to rozwiązanie o największej wydajności i daje duże możliwości
w zakresie elastycznego sterowania temperaturą światła białego. Niekorzystną cechą tej
metody jest duży koszt i komplikacja obwodu zasilająco-sterującego. Każda z diod
wymaga osobnego obwodu zasilającego. Dodatkowo trzeba uwzględnić różnice
w natężeniu oświetlenia poszczególnych barw. Odmienne są też charakterystyki termiczne
i starzeniowe dla każdego rodzaju diod. W metodzie tej wykorzystuje się również matryce
dyskretnych diod: czerwonych, zielonych i niebieskich. Wówczas należy wykorzystywać
rozpraszające układy optyczne, które wspomogą efekt mieszania barw. Do mieszania
często wykorzystuje się mikroprocesory, które biorą na siebie zadanie związane
z odpowiednim wysterowaniem diod i uzyskaniem światła o pożądanych parametrach.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
37
Rys. 62. Otrzymywanie bieli poprzez mieszanie trzech barw podstawowych
[http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_3]
– konwersja długości fali z wykorzystaniem luminoforu którym pokrywa się diodę LED
promieniującą w paśmie nadfioletu (rysunek 63). Luminofor składa się z trzech warstw,
z których każda realizuje konwersję światła UV na jedną z trzech barw podstawowych.
Dalej następuje wymieszanie się barw i w efekcie otrzymujemy kolor biały. Rozwiązanie
to
charakteryzuje
się
prostą
technologią
produkcji
białej
diody
LED
i nieskomplikowanym układem zasilania diod w oprawie oświetleniowej. Jest to
rozwiązanie najmniej efektywne energetycznie. Wadą jest szczątkowe promieniowanie
ultrafioletowe, które przedostaje się poprzez warstwy luminoforu. Obecnie diody białe
z wzbudzaniem luminoforu światłem ultrafioletowym są rzadko produkowane ze względu
na problem z odpornością materiałów obudowy na promieniowanie ultrafioletowe,
niedoborem emiterów o odpowiedniej wydajności oraz jego szkodliwe działania na
zdrowie.
Rys. 63. Otrzymywanie bieli przez konwersję promieni UV w luminoforze RGB
[http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_3]
– metoda hybrydowa będąca połączeniem 2 pierwszych (rysunek 64). Zastosowano tu
wzbudzenie żółtego luminoforu za pomocą światła diody niebieskiej 470 nm (lub
granatowej 460nm). Światło niebieskie jest częściowo przepuszczane, a częściowo
pochłaniane poprzez luminofor, który konwertuje je w światło o barwie żółtej. Następnie
dokonuje się mieszanie barw niebieskiej i żółtej, co w efekcie daje barwę białą. Dzięki
temu uzyskano białą diodę charakteryzującą się prostotą wykonania i prostym obwodem
zasilania, o zwiększonej wydajności energetycznej oraz nie promieniującą w paśmie
ultrafioletu. Wadą jest jednak problem ze stałością parametrów luminoforu w czasie oraz
współczynnikiem oddania barw. Istnieje kilka odmian metody hybrydowej. W jednej
z nich stosuje się dwuwarstwowy zielono-czerwony luminofor, co pozwala na uzyskanie
światła o cieplejszej barwie. Rozwinięciem tego podejścia jest sposób, w którym stosuje
się w jednej obudowie elementy niebieskiej diody pokryty zielonym luminoforem oraz nie
pokrytą luminoforem diodę czerwoną. Wymaga to mniej złożonego układu zasilania, niż
metoda mieszania RGB, a jednocześnie umożliwia sterowanie barwą światła i jest wysoce
wydajne energetycznie. Metoda ta jest najpowszechniej stosowana.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
38
Rys. 64. Otrzymywanie bieli przez częściową konwersję promieni niebieskich w luminoforze żółtym
[http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_3]
Poza wymienionymi trzema podstawowymi metodami stosuje się także zamianę
monochromatycznego światła diod LED w światło białe wykorzystując:
– konwertery półprzewodnikowe – wykonuje się je poprzez umieszczenie powyżej obszaru
aktywnego (złącza p-n) emitującego światło niebieskie dodatkowej warstwy
z półprzewodnika o szerokości przerwy zabronionej odpowiadającej barwie żółtej
(rysunek 65a). Dodatkowa warstwa absorbuje część promieniowania, a następnie pobraną
energię oddaje w postaci światła o zmienionej długości fali. Suma światła żółtego
i niebieskiego daje barwę białą. Diody tego typu noszą nazwę PRS-LED (z angielskiego
Photon-recycling Semiconductor LED),
a)
b)
Rys. 65. Metoda otrzymywania białego światła: a) dzięki zastosowaniu konwertera półprzewodnikowego
(źródło: LEDIKO) b) pierwsze diody LED wykorzystujące konwertery z kropek kwantowych
(źródło: Sandia Labs) [http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_3]
– konwertery z barwników organicznych charakteryzujące się blisko 100% wydajnością
kwantową konwersji, przez co minimalizowane są straty energetyczne. Ich wadą jest
jednak krótki czas życia,
– konwertery z kropek kwantowych pozwalające na otrzymanie białego światła na drodze
konwersji (rysunek 65b). Kropki kwantowe są to cząsteczki o rozmiarach w skali
nanometrowej, wykonane ze specjalnych materiałów mających właściwości absorpcji
światła UV i reemisji światła w paśmie widzialnym. Długość emitowanych przez kropki
kwantowe fal świetlnych jest uzależniona od ich rozmiarów oraz chemicznych
właściwości ich powierzchni. Można wytworzyć kropki kwantowe, które konwertują
światło UV w światło o dowolnej barwie z zakresu widzialnego. Mieszając ze sobą kropki
kwantowe reemitujące w barwach niebieskiej, zielonej i czerwonej otrzymujemy
luminofor, który emituje światło białe i ma zewnętrzną sprawność na poziomie 60%.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
39
Zalety lamp LED
– energooszczędność,
– długi czas życia,
– szeroki zakres wartości strumienia świetlnego,
– regulowany współczynnik oddawania barw w szerokim zakresie jego wartości.
– różna temperatura barwy bieli – możliwe jest wytwarzanie białych emiterów LED
w szerokim zakresie temperatur – od tych odpowiadających światłu ognia o bardzo ciepłej
barwie, poprzez barwę światła żarówki, idealną biel odpowiadającą światłu słonecznemu,
po chłodne i bardzo zimne światło charakterystyczne dla lamp fluoroscencyjnych
i rtęciowych,
a)
b)
Rys. 66. Testy i praktyka a) pokój testów do badania oświetlenia LED zdolnego do zmiany temperatury barwy.
Oprawa zawiera diody czerwone, pomarańczowe, zielone, niebieskie oraz białe; b) sala konferencyjna w jednym
z austriackich banków z zainstalowanym oświetleniem LED nad stołem mającym pozytywnie wpływać na
nastrój i wydajność pracowników (źródło: Bartenbach LichtLabor)
[http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_3]
– dużą wytrzymałość mechaniczną na uderzenia, wstrząsy, wibracje oraz oddziaływanie
otoczenia – wysokie i niskie temperatury,
– oprawy oświetleniowe z diodami LED nie wymagają specjalnych zabezpieczeń,
– brak lub niski poziom ultrafioletu,
– ukierunkowany strumień świetlny – mają ściśle zdefiniowany kąt bryłowy rozsyłu
światła.
– małe wymiary – od ledwie dających się zauważyć gołym okiem diod typu SMD
stosowanych na przykład w telefonach komórkowych po diody na radiatorach o średnicy
kilku centymetrów,
Rys. 67. Największe diody LED mają kilka milimetrów średnicy, a z radiatorami na ogół nie przekraczają
20 mm [http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_3]
– zapewniają dowolność i elastyczność przy projektowaniu opraw,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
40
– bardzo krótki czas włączenia i wyłączenia, nie przekraczający 100 ns, a czas wyłączenia
200 ns,
– łatwość sterowania,
– łatwość regulacji natężenia oświetlenia,
– możliwość
konstrukcji
wielkoformatowych
ekranów
wideo
o
praktycznie
nieograniczonych wymiarach,
– duże bezpieczeństwo – są zasilane bezpiecznym stałym napięciem (najczęściej 12 V
i poniżej), brak iskrzenia, niezawodność, energooszczędność, wytrzymałość mechaniczna,
nie zawierają trujących substancji, nie mają kruchych elementów szklanych, które mogą
zostać stłuczone i grozić zranieniem,
– tania produkcja masowa,
– ochrona środowiska – łatwość utylizacji.
a)
b)
Rys. 68. Dekoracyjne oświetlenie LED a) iluminacja budynków lampami LED pozwala na uzyskanie efektów
świetlnych, które dotychczas przy użyciu klasycznych lamp były zbyt kosztowne (źródło a i b: Color Kinetics);
b) zastosowanie kolorowego oświetlenia na wystawach sklepowych zwiększa zainteresowanie produktami
i sprzedaż [http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_4]
W diodach LED znajduje się układ optyczny. Ze względu na specyfikę działania diody
LED układ optyczny występuje na czterech poziomach:
– pierwszy wewnątrz diody,
– drugi znajduje się w obudowie diody,
– trzeci znajduje się bezpośrednio nad diodą,
– czwarty w oprawach oświetleniowych.
Poziom pierwszy
Podstawowym problemem układu optycznego diody jest zjawisko całkowitego
wewnętrznego obicia światła wewnątrz diody na granicy półprzewodnik – ośrodek
zewnętrzny (powietrze, żywica epoksydowa, silikon itp.). Powoduje ono, iż część
promieniowania nie wydostaje się poza diodę LED i zostaje w nim zaabsorbowana. Fotony,
którym nie udaje się wydostać z diody to te, które wyemitowane z obszaru aktywnego padają
na granicę ośrodków pod kątem równym lub większym od kąta granicznego. Problem
rozwiązywałby sferyczny kształt diod. Ukształtowanie powierzchni sferycznej poprzez
szlifowanie, a następnie polerowanie jest bardzo kosztowne.
Rys. 69. Wyprowadzenie światła z chipu – 2 standardowe kształty chipów: a) kształt prostopadłościanu z 6
oknami – górne, dolne i 4 boczne, b) kształt cylindra z 3 oknami – górne, dolne i pierścieniowe boczne
(źródło: Fred Schubert) [http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_4]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
41
Diody najczęściej mają kształt prostopadłościanu i w tym przypadku zjawisko
całkowitego wewnętrznego odbicia znacznie zmniejsza ilość światła wychodzącego z diody.
Obniżenie strat światła możemy uzyskać stosując:
– przezroczyste podłoża, które nie absorbują fotonów powstałych w obszarze aktywnym
(rysunek 70),
Rys. 70. Montaż diod LED metodą flip-chip połączony z wykorzystaniem przezroczystych podłoży szafirowych
pozwala na zwiększenie sprawności wyprowadzania światłą z chipu.
[http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_4]
– zwierciadła Bragg’a – DBR (ang. Distributed Bragg Reflector), które są wykonane
w diodzie poniżej obszaru aktywnego. Zwierciadła Bragg’a odbijają fotony wyemitowane
w kierunku dolnego okna w stronę okna górnego i dzięki temu większa część światła ma
szansę na wydostanie się z diody. Wadą klasycznych zwierciadeł Bragg’a jest odbijanie
głównie fotonów, które padają na nie prostopadle oraz mające ściśle określoną długość
fali,
– wielokierunkowe zwierciadła ODR (ang. Omnidirectional Reflector), które odbijają
fotony padające na nie pod różnymi kątami,
– usprawnienia w zakresie kształtu i rozmiaru – uzyskanie w wyniku procesu
technologicznego takich kształtów, które są tanie i powtarzalne np. trawienie suche,
trawienie mokre oraz cięcie laserem. Na rysunku 71b pokazany jest prosty sposób na
zwiększenie emisji przez okna boczne. Jeszcze lepszym rozwiązaniem jest kształt
odwróconej piramidy ze ściętym szczytem (rysunek 73) wykonywana w procesie
trawienia mokrego.
Rys. 71. Optymalizowanie kształtu chipu diody: a) zdjęcie chipu AlInGaP/GaP o kształcie odwróconej piramidy,
b) budowa diody i przedstawienie biegu promieni wewnątrz chipu
(źródło: Lumileds) [http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_4]
– teksturowanie powierzchni, metalowych kontaktów oraz powierzchni podłoża (substratu)
(rysunek 72b). Teksturowanie warstw (wykonanie wzorów na powierzchni) ma za zadanie
wytworzenie mikro luster lub mikro reflektorów, które odbijają światło w kierunkach
zwiększających prawdopodobieństwo wyprowadzenia światła z diody znacząco
zwiększają prawdopodobieństwo emisji fotonu. Teksturowanie diod LED wykonuje się
głównie metodą trawienia suchego,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
42
Rys. 72. Porównanie dwóch rodzajów diod LED: a) klasyczna planarna dioda LED, b) dioda LED o wysokiej
sprawności emisji światła. (źródło: Optics & Photonics News) [http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_4]
– dodatkowym czynnikiem zmniejszającym straty na powierzchniach optycznych jest
zastosowanie technologii cienkowarstwowej. Elementy wykonane w tej technologii są
praktycznie dwuwymiarowymi strukturami i w konsekwencji nie powstają w nich straty
na ścianach bocznych (rysunek 73). W takiej sytuacji trzeba zapewnić maksymalnie duży
poziom odbicie światła od spodniej warstwy oraz maksymalny poziom transmisji warstwy
górnej stosując wymienione wcześniej metody (na przykład mikro lustra),
a)
b)
Rys. 73. a) Sposób wytwarzania diod w technologii thin-film (źródło: Optics & Photonics News), b) zdjęcie
diody wykonanej w tej technologii (źródło: OSRAM) [ http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_4]
– wykorzystanie struktur z fotonicznych kryształów. Wytworzone w górnych warstwach
elementu fotoniczne kryształy mogą służyć do rozpraszania światła w kierunkach
zapewniających wyjście z elementu (rysunek 74).
a)
b)
Rys. 74. Dioda LED z warstwą 2 wymiarowego (2D) kryształu fotonicznego: a) budowa diody,
b) zdjęcie powierzchni diody (źródło: Internet) [http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_4]
Przy montażu klasycznym dla zmniejszenia strat pochodzących od metalowych
kontaktów, które zasłaniają część powierzchni emitującej światło wykorzystujemy stosowanie
kontaktów z materiałów przynajmniej w części przezroczystych (na przykład tlenek cyny
i indu: InSnO; tlenek niklu i cyny: NiSnO) lub stosowanie kontaktów o optymalnych
kształtach np. ażurowe (rys. 75 b), które pokrywają praktycznie całą powierzchnię elementu,
a jednocześnie przepuszczają większość światła.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
43
a)
b)
Rys. 75. Optymalizacja kontaktów: a) kontakt w kształcie gwiazdy na niebieskiej diodzie XLamp firmy CREE
(źródło: LEDIKO), b) kontakt ażurowy typu siatka (ang. mesh) na czerwonej diodzie XLamp firmy CREE
[http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_4]
Na rysunku 75a przedstawiony jest element diody emitującej kolory: zielony, cyjanowy,
niebieski i UV, w którym dla poprawienia wydajności optycznej podłoże wykonane jest
z przezroczystego węglika krzemu SiC. Dzięki temu promienie przechodzą bez strat
optycznych przez podłoże i ulęgają odbiciu na teksturowanym mini zwierciadle. Ścięte ściany
boczne przezroczystego podłoża ułatwiają ucieczkę światła odbitego od spodniego lustra. Na
górnej powierzchni znajdują się gwiaździste, bardzo cienkie elektrody, które równomiernie
rozprowadzają prąd, a jednocześnie nie stanowią przeszkody optycznej dla wychodzącego
światła.
W celu usprawnienia emitowania fotonów teksturowane są również górne powierzchnie
zmniejszając straty wynikające ze zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia.
Poziom drugi
Elementy optyczne wewnętrzne diod LED pokrywa się zawsze przezroczystymi
substancjami, które pełnią funkcje optyczne i zabezpieczające. Używa się substancji takich
jak: żywice epoksydowe, polimery akrylowe i żele silikonowe, których wartość
współczynnika załamania jest zbliżona do wartości współczynnika załamania materiału
warstwy, z której emitowane jest światło. Daje to zwiększenie wartości kąta granicznego.
Materiały na pokrycie muszą również charakteryzować się:
– odpornością na wysokie temperatury (powyżej 150º),
– odpornością na oddziaływanie światła o wysokiej intensywności,
– odpornością na wilgoć i penetrację przez wodę,
– maksymalnie niskim poziomem tłumienia światła,
– obudowy diod LED powinny być również zabezpieczone przed oddziaływaniem
promieniowania ultrafioletoego pochodzącego ze słońca,
– wysoką
wytrzymałością
mechaniczną
zabezpieczającą
przed
uszkodzeniami
mechanicznymi, wstrząsami, wibracjami i oddziaływaniem środowiskowym. Dobrze
zatopiona w żywicy, polimerze czy silikonie dioda jest całkowicie odizolowana od
wpływów zewnętrznych, a bardzo cienkie druciki łączące wyprowadzenia obudowy
z kontaktami na strukturze diody są całkowicie unieruchomione.
Możliwość formowania ich w kształty zwiększające sprawność zewnętrzną diody oraz
możliwość wytwarzania soczewek z żywic epoksydowych, polimerów akrylowych
i silikonów. Materiały te są łatwe w obróbce i praktycznie pozwalają na wykonywanie
dowolnych kształtów. Umożliwiają wykonywanie soczewek o najróżniejszych parametrach,
kątach rozsyłu, kształtach i wymiarach. Soczewki posiadają najczęściej kształt sferyczny
o różnych promieniach krzywizny. Na uwagę zasługują mikroukłady optyczne wykonywane
za pomocą laserów. Znajdują one zastosowanie zwłaszcza w przypadku zintegrowanych
matryc, jak również w przypadku diod o dużej powierzchni. Mikro soczewki i matryce tych
soczewek umożliwiają ponadto uzyskanie wiązek o przekroju – na przykład prostokątnym.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
44
Ostatnim elementem optycznym wykonywanym na poziomie obudowy diody są
reflektory wykonywane z metalu lub są częścią plastikowej obudowy. Ich zadanie to głównie
kształtowanie wiązki diody oraz odbicie w kierunku świecenia fotonów emitowanych przez
boczne ściany.
Poziom trzeci
Nad obudową diody zainstalowane są również układy optyczne charakteryzujące się
niewielkimi rozmiarami. Taki układ optyczny składa się 2 elementów: soczewki lub
reflektora oraz tak zwanego holdera, czyli uchwytu, który utrzymuje w odpowiedniej
odległości soczewkę czy reflektor ponad diodą. Są one w większości wykonywane z
polimerów, rzadko spotyka się soczewki szklane. Są to układy składające się z trzech
elementów: soczewki klasycznej od strony diody, reflektora z całkowitym odbiciem
wewnętrznym oraz z soczewki Fresnela (rysunek 78) lub matrycy mini soczewek od strony
emitującej światło do otoczenia.
Rys. 76. Sposób na uzyskanie jednolitej wiązki światła z wielu punktowych źródeł światła
[http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_4]
Przykłady różnych soczewek oraz holderów zamieszczono na rysunku 77.
a)
b)
Rys. 77. Przykłady soczewek i holderów dla diod typu emiter mocy firmy CREE: a) soczewki z nóżkami do
zgrzewania, b) soczewki z holderami montowane na wcisk [http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_4]
Wykonywane są również reflektory o specjalnie profilowanych lustrach (rysunek 78a),
a holdery (uchwyty) dla układów optycznych są wykonywane z przezroczystych lub
nieprzezroczystych polimerów. Holdery posiadają kształt okrągły lub heksagonalny znacznie
ułatwiający montaż kilku obok siebie. Obowiązkowym elementem holderów są nóżki do
montażu w podłożu. Plastikowe układy optyczne dla diod LED są produkowane technologią
wtryskową, wykrawania specjalnym diamentowymi narzędziami i/lub za pomocą precyzyjnie
sterowanego lasera. Dla tych ostatnich problem stanowi rozmieszczenie punktowych źródeł
światła na stosunkowo dużej powierzchni, co z kolei wymusza stosowanie dużych soczewek
i reflektorów. Podejściem omijającym ten problem jest stosowanie mikro układów
optycznych montowanych bezpośrednio nad każdym chipem znajdującym się w matrycy.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
45
a)
b)
c)
Rys. 78. Układy optyczne diod LED: a i b) konstrukcja kolimatora (reflektora) wytwarzającego wiązkę 3º dla
diod firmy Lumileds (źródło: Carclo Optics), c) metalowy reflektor 30º dla zintegrowanej matrycy chipów firmy
Opto Tech (źródło: Opto Tech). [http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_4]
Poziom czwarty
Do zadań opraw oświetleniowych należy rozprowadzenie w otoczeniu światła
wytwarzanego poprzez diody LED jednolitego strumienia świetlnego pochodzącego z wielu
punktowych źródeł światła, jakimi są poszczególne diody (rysunek 79).
a)
b)
Rys. 79. Problemy oświetleniowe, które mają miejsce, gdy wykorzystywane są punktowe źródła światła o ściśle
zdefiniowanej wiązce i kątach rozsyłu: a) cienie b) niejednorodne rozłożenia światła w bliskich odległościach od
źródeł światła. [http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_4]
W przypadku wytwarzania światła białego z diod o trzech barw podstawowych RGB
oprawa oświetleniowa powinna zapewnić odpowiednie wymieszanie się i rozproszenie
światła. Diody LED są źródłami punktowymi mogą ze względu na dużą jaskrawość
powodować olśnienie, gdy patrzy się na nie bezpośrednio. Oprawy oświetleniowe stosowane
do oświetlania szerokokątnego powinny być tak skonstruowane by redukować to przykre
zjawisko, poprzez rozpraszające dyfuzory o wysokiej sprawności.
Zastosowanie diod LED
Jednym z głównych zastosowań azotkowych przyrządów optoelektronicznych są
energooszczędne (kilkukrotne zmniejszenie zużycia energii w stosunku do źródeł
tradycyjnych) i niezawodne (wielokrotnie dłuższy czas życia) emitery światła o dowolnej
barwie. Pozwalają one na konstrukcję zarówno miniaturowych monitorów, jak
i kilkumetrowych tablic barwnych jak również azotkowych emiterów światła białego
w miejsce tradycyjnych żarówek.
Nowe półprzewodnikowe źródła światła obejmują również półprzewodnikowe lasery
emitujące światło z obszaru niebieskiego i nadfioletowego. Pozwala to opracowanie
i wykorzystanie nośników informacji, technik drukarskich, podwodnej komunikacji, płaskich
wyświetlaczach wielobarwnych, suchej fotografii, gęstego zapisu informacji i szerokie pole
zastosowań w technikach specjalnych, w medycynie klasycznej i niekonwencjonalnej.
Przykłady typowych zastosowań diod:
–
Numeryczne i alfanumeryczne wskaźniki segmentowe jak również matryce LED
(rysunek 80). Wskaźnik 7-segmentowy zbudowany jest z siedmiu diod LED,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
46
jednobarwnych o odpowiednim kształcie. Są one umieszczone w jednej, zalanej
obudowie. Posiadają wspólną anodę lub katodę. Zdjęcie przedstawia rozmieszczenie
takich diod – można dzięki niemu wyświetlać cyfry (rysunek 80a). Wskaźnik
14-segmentowy może wyświetlać również litery rysunek 80b.
a)
b)
Rys. 80.
Wyświetlacze: a) 7-io segmentowy b) 14-to segmentowy [http://www.seguro.pl]
–
IV generacja sztucznych źródeł światła wykorzystywanych przez człowieka
w oświetleniu.
–
Ekrany diodowe (telebimy) dające możliwość wyświetlenie gigantycznego obrazu przy
pełnym słońcu. Dzięki modułowej budowie można konfigurować je w dowolne wielkości
i formaty, co umożliwia ich instalację na różnych obiektach takich jak centra handlowe,
biurowce, hale sportowe i wiele innych.
Rys. 81. Budowa pojedynczego pola w ekranie diodowym [http://www.aram.pl/dystrybucja/telebimy.html]
Rys. 82. Pojedynczy segment telebimu [http://www.videowall.com.pl/download.html]
Rys. 83. Druga strona segmentu telebimu [http://www.videowall.com.pl/download.html]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
47
Rys. 84. Montaż segmentów telebimu na ramie [http://www.videowall.com.pl/download.html]
Tego typu ekrany można łączyć ze sobą, aż do uzyskani pożądanej wielkości telebimu.
Ekrany LED (diodowe) zbudowane są z modułów, które, w zależności od
producenta mogą być prostokątne, o proporcjach obrazu 4:3, lub kwadratowe.
Rys. 85. Ekrany diodowe. [http://www.aram.pl/dystrybucja/telebimy.html].
Z reguły spotyka się moduły zawierające po 48 pikseli w pionie i poziomie. Z takich
modułów można tworzyć dowolne konfiguracje, w tym również o proporcji 4:3. W skład
wchodzi różna liczba diod, minimum to trzy diody w kolorach RGB, ale spotyka się
również po kilka diod tego samego koloru w jednym – zwykle dubluje się czerwoną
diodę, którą jest najciemniejsza z palety RGB.
Ekrany diodowe to obecnie jedyna dostępna technologia, która pozwala uzyskać ostry
i jasny obraz wideo nawet przy pełnym nasłonecznieniu.
Rys. 86. Bandy diodowe [http://www.aram.pl/dystrybucja/telebimy.html]
–
Elektroniczne bandy diodowe to systemy telebimów na których emitowane są
dynamiczne, animowane reklamy. To doskonałe rozwiązanie na boiska piłkarskie, boiska
siatkówki, piłki ręcznej czy koszykówki.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
48
–
Przyrząd do optycznego pomiaru tlenu w cieczy – wykorzystuje impuls światła
niebieskiego. Zasada działania czujnika LDO bazuje na zjawisku luminescencji
i sprowadza się do pomiaru stężenia tlenu za pomocą czysto fizycznego pomiaru czasu.
Przy odpowiednim doborze luminoforu i długości fal światła wzbudzającego zarówno
intensywność, jak również zanik promieniowania w czasie, jest zależny od stężenia tlenu
otaczającego materiał. Składa się on z dwóch komponentów.
Rys. 87. Pomiar stężenia tlenu w wodzie [www.hach-lange.pl]
Rys. 88. Czujnik z nasadką LDO (czerwona i niebieska dioda w nasadce) [www.hach-lange.pl]
Jednym z nich jest nasadka czujnika z luminoforem umieszczona na przezroczystym
materiale nośnym, a drugim rdzeń czujnika z niebieską diodą LED do wzbudzania
promieniowania luminescencyjnego, czerwoną diodą LED stanowiącą element porównawczy,
fotodiodą oraz modułem elektronicznym do wstępnej oceny wyniku.
Rys. 89. Zasada działania nasadki LDO. [www.hach-lange.pl]
Podczas eksploatacji nasadka czujnika jest przykręcona na rdzeń czujnika i zanurzona
w wodzie. Dzięki temu cząsteczki tlenu z pobranej do analizy próbki mają bezpośredni
kontakt z luminoforem. W celu dokonania pomiaru dioda wzbudzenia LED wysyła niebieski
impuls świetlny. Impuls świetlny (50 ms) dociera przez przezroczysty materiał nośny na
luminofor i przenosi na niego część swojej energii promieniowania. Elektrony luminoforu
przechodzą wówczas ze stanu podstawowego na wyższy poziom energetyczny. Opuszczają
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
49
go ponownie poprzez kilka poziomów pośrednich (w ciągu mikrosekund), przy czym różnica
energii emitowana jest w postaci promieniowania czerwonego (rysunek 89).
Maksymalna intensywność (I
max
) oraz czas zaniku promieniowania czerwonego są
zależne od koncentracji otaczającego tlenu (czas zaniku t jest tutaj określony jako czas
między wzbudzeniem, a spadkiem promieniowania czerwonego do krotności 1/e
maksymalnej intensywności).
Rys. 90. Czujnik LDO jest dostępny także w wersji przenośnej do zastosowania w warunkach polowych
i laboratoryjnych [www.hach-lange.pl]
Montaż diod fotoluminescencyjnych LED polega tak jak w przypadku fotoelementów
omówionych w punkcie 4.3. na wlutowaniu elementów zgodnie ze schematem elektrycznym,
ideowym i montażowym urządzenia z zachowaniem zasad montażu elektronicznego.
4.4.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jak scharakteryzujesz zasadę działania diody elektroluminescencyjnej LED?
2. Na jakich materiałach budowane są diody elektroluminescencyjne dla poszczególnych
barw?
3. Jak scharakteryzujesz budowę układu optycznego diody elektroluminescencyjnej?
4. Jak odbywa się mieszanie barw w diodach elektroluminescencyjnych?
5. Jak scharakteryzujesz zastosowanie diod elektroluminescencyjnej?
4.4.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Posegreguj otrzymane diody elektroluminescencyjne według ich wysyłającej barwy
światła.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wyszukać
w
materiałach
dydaktycznych
informacje
dotyczące
diod
elektroluminescencyjnych,
2) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące zasad klasyfikacji diod
elektroluminescencyjnych,
3) posegregować diody elektroluminescencyjne,
4) zanotować spostrzeżenia z wykonanego zadania.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
50
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
−
katalogi diod elektroluminescencyjnych,
−
elementy do przeprowadzenia segregacji,
−
arkusz spostrzeżeń.
Ćwiczenie 2
Sprawdź barwę światła jaką wysyłają otrzymane diody.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące rodzajów diod
elektroluminescencyjnej,
2) wyszukać w katalogach informacje dotyczące sposobu montażu otrzymanej diody
elektroluminescencyjne i zanotować,
3) przygotować stanowisko do kontroli diod elektroluminescencyjnych,
4) zapoznać się z układem montażowym do sprawdzenia diod,
5) zanotować spostrzeżenia z wykonanego zadania.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
−
katalogi diod elektroluminescencyjnych,
−
schemat elektryczny do sprawdzenia diod,
−
lutownica,
−
miernik uniwersalny,
−
bateria,
−
przewody elektryczne,
−
elementy do wykonania zadania,
−
arkusz spostrzeżeń.
4.4.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) scharakteryzować diodę elektroluminescencyjną?
2) sklasyfikować diody elektroluminescencyjne?
3) rozróżnić diody elektroluminescencyjne?
4) dobrać diody elektroluminescencyjne według schematów
elektronicznych?
5) dobrać diody elektroluminescencyjne do istniejącego układu?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
51
4.5. Lasery i holografia
4.5.1. Materiał nauczania
Wytłumaczenie słowa laser
Light (światło)
Amplified (wzmocnienie)
Stimulated (wymuszenie)
Emissions (emisja)
Radiation (promieniowanie)
Lasery stałe
Laserem
nazywa
się
urządzenie
wytwarzające
spójną,
równoległą
wiązkę
promieniowania w zakresie widmowym zawartym między nadfioletem a daleką
podczerwienią. Element, w którym zostaje wymuszone wzmacnianie promieniowania,
nazywa się rezonatorem. Spośród ciał stałych najczęściej stosowanymi materiałami na
rezonatory są monokryształy rubinu, granatu itrowo-aluminiowego YAG oraz Szkła
neodymowe.
Rys. 91. Schemat lasera rubinowego: 1 – rezonator 2 – lampa pompująca, 3 – źródło prądu, 4 – kondensator,
5 – końcówki chłodnicy wodnej, 6 – emitowana wiązka światła [12, s. 224]
Schemat budowy lasera rubinowego przedstawia rysunek 91.
Pręt laserowy może
efektywnie odgrywać rolę rezonatora optycznego, ponieważ jedna z jego powierzchni jest
pokryta warstwą odbijającą, druga zaś warstwą częściowo przepuszczającą światło. Lampa
błyskowa jest zasilana ze źródła prądu stałego 3 poprzez baterię kondensatorów 4. Dla
ochrony przed przegrzewaniem stosuje się chłodnicę wodną 5. Im niższa jest temperatura
rezonatora, tym lepsze są warunki jego pracy. Wiązka światła 6 jest wysyłana zwykle
Przy montażu głowic laserowych szczególną uwagę należy zwrócić na dokładny dobór
podzespołów elektronicznych i galwanicznie czyste lutowanie połączeń oraz staranne
przemycie czystym spirytusem pręta laserującego i palnika lampy błyskowej.
Lasery gazowe
Działanie lasera gazowego opiera się na wymuszonych przejściach emisyjnych między
poziomami energetycznymi atomów, jonów lub molekuł. Jako ośrodki czynne stosuje się
różne gazy lub ich mieszaniny, np. hel z neonem, azot, dwutlenek węgla.
Schemat budowy lasera He-Ne przedstawia rysunek 92.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
52
Rys. 92. Schemat lasera gazowego: 1 – rura wyładowcza, 2, 3 – płytki Brewstera, 4 – elektrody,
5 – generator, 6, 7 – zwierciadła, 8 – emitowana wiązka [12, s.225]
Rura wyładowcza 1 jest zamknięta płytkami 2 i 3, ustawionymi pod kątem Brewstera P,
i wypełniona gazem laserującym. Elektrody 4 wymuszające akcję laserową są połączone
z generatorem 5 wysokiej częstotliwości (27 ± 40 MHz). Zwierciadło 6 jest niemal
całkowicie odbijające, zaś zwierciadło 7 przepuszcza (w kilku procentach) emitowaną
równoległą wiązkę 8.
Zwierciadła zewnętrzne umieszcza się w osobnej obudowie na sztywnym korpusie.
Oprawy zwierciadeł są zaopatrzone w śruby mikrometryczne, umożliwiające kątową zmianę
położenia i nastawianie odległości między zwierciadłami.
Lasery półprzewodnikowe (diody laserowe) są w optoelektronice najważniejszą klasą
laserów (rysunek 93). Główne zalety to: małe wymiary, bardzo niska cena, niskie napięcie
zasilania (pojedyncze wolty), bardzo łatwa modulacja prądowa i duża sprawność.
Rys. 93. Schemat najprostszego lasera półprzewodnikowego. Przekrój poprzeczny wiązki laserowej jest elipsą
[Piotr Targowski i Bernard Ziętek Uniwersytet Mikołaja Kopernika Toruń 2004]
Cechami niekorzystnymi w pewnych zastosowaniach mogą okazać się trudność
uzyskania stabilnej (nie zależnej od prądu) długości fali generacji, relatywnie szerokie pasmo
emisji i niewielki, w porównaniu z innymi typami laserów, stopień koherencji.
Powszechnie znane są diody dające światło czerwone i podczerwone. Mają one szerokie
zastosowanie, między innymi w telekomunikacji i w urządzeniach laserowych powszechnego
użytku jak odtwarzacze płyt kompaktowych. W odtwarzaczu barwa światła ma niewielkie
znaczenie − wystarczy, że promieniowanie będzie miało wystarczającą moc i zostanie
odpowiednio zogniskowane.
Wśród tych diod najczęściej spotykane są diody o długości fali około 670 nm
wykorzystane na przykład do budowy popularnych wskaźników laserowych.
Istnieją diody o długości fali 635 nm które w porównaniu z diodą 670 nm, do uzyskania
takiej samej jaskrawości potrzebują około ośmiokrotnie mniej mocy.
Mniej znane są diody laserowe z zakresu światła widzialnego (635–690 nm) zastępujące
tradycyjne lasery helowo-neonowe. Posiadają one mniejsze wymiary, wysoką niezawodność
i niższe ceny. Dodatkowo znajdują one zastosowanie w układach niskonapięciowych,
zasilanych z baterii.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
53
Diody z zakresu bliskiej podczerwieni (780–850 nm) znajdują zastosowanie
w maszynach z układami wizyjnymi, czujnikach, systemach telekomunikacyjnych.
Lasery znalazły bardzo szerokie zastosowanie w przemyśle, medycynie, telekomunikacji,
nauce i wielu innych dziedzinach naszego życia. Poniżej podane są przykłady współczesnych
zastosowań laserów.
Przykłady zastowania laserów
1. Małe wskaźniki laserowe (rysunek 94) w kształcie długopisu, które zastępują klasyczne
wskaźniki przy wszelkiego rodzaju pokazach i prezentacjach.
a)
b)
Rys. 94. Wskaźnik laserowy. a) widok. b) budowa wewnętrzna [http://www.semicon.com.pl]
Dane techniczne:
–
wskaźnik laserowy generujący światło zielone o długości fali 532 nm,
–
dobry kontrast na powierzchniach nasłonecznionych, zasięg ok. 200 m,
–
moc wyjściowa 1mW – 5 mW,
–
średnica diafragmy wyjściowej (plamki) 4,0 mm,
–
urządzenie laserowe klasy 3a.
2. Tachometry z technologią laserową:
–
dzięki skoncentrowanej wiązce lasera umożliwiają pomiary w maszynach w trudnych
warunkach i przy utrudnionym dostępie,
–
zasięg wynosi do 2 m,
–
możliwy jest bardzo ostry kąt pomiaru,
–
szerokość znacznika może być bardzo mała, co pozwala mierzyć małe fale.
a)
b)
Rys. 95. Tachometr laserowy zastosowany do: a) pomiaru obrotów, b) zliczania przedmiotów
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
54
Rys. 96. Tachometr laserowy f-my SENTRY OPTRONICS Co., LTD., TAIWAN: a) ST 722 – pomiaru obrotów
metodą bezstykową, b) ST 723 – pomiaru obrotów metodą bezstykową i stykową [www.biall.com.pl]
Tachometry możemy zastosować do pomiarów prędkości obrotowej: skrzyni biegów,
silników, motorów (silników), pomp, kompresorów, wirówek, sprzęgieł, wentylatorów,
wałów, młynków, szlifierek, kół pasowych. Wyżej wymienione pomiary można wykonać
z odległości do 1m.
Urządzenie wyposażono w celownik laserowy z laserem klasy II. Należy zachować
szczególną ostrożność podczas obsługi urządzenia z włączonym celownikiem laserowym.
Rys. 97. Wyposażenie zewnętrzne: 1 – Wylot promieniowania laserowego, 2 – Wyświetlacz LCD,
3 – Przycisk pamięci, 4 – Elektroniczna blokada przycisku pomiarowego, wybór funkcji pomiarowej i jednostki
wskazania, 5 – Przycisk pomiarowy, 6 – Pokrywa komory baterii, 7 – Ostrzeżenia dotyczące obsługi urządzenia
i celownika laserowego, 8 – Adapter z wałem do mocowania przystawek pomiarowych, 9 – Stożkowa
przystawka pomiarowa, 10 – Lejowa przystawka pomiarowa, 11 – Kołowa przystawka pomiarowa o obwodzie
10 cm. [www.biall.com.pl]
3. Czytniki kodów paskowych – 25 lat temu, 26 czerwca 1974 roku o godzinie 8:01
w jednym z amerykańskich supermarketów sprzedano opakowanie gumy do żucia Wrigley's.
Nie byłoby w tym nic szczególnego, gdyby nie fakt, iż przy okazji dokonano pierwszego
komercyjnego odczytania kodu paskowego.
Rys. 98. Kod paskowy [AIE74_systemy_fiskalne.pdf.]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
55
Co to jest kod paskowy?
System kodowania informacji w postaci chaotycznej z pozoru serii równoległych
kreseczek jest naturalną konsekwencją ekspansji technik cyfrowych.
Kombinacja różnej szerokości pasków i przerw to najłatwiejszy do odczytania przez
komputer sposób przekazu.
Bardzo dobrym porównaniem może być alfabet Morse'a – kombinację krótszych i dłuższych
dźwięków kropka-kreska-przerwa-kropka-kreska-kropka radiotelegrafista odczyta jako litery
AR. Porównanie jest tym bardziej trafne, że dla czytnika kodów paskowych istotny jest tylko
jeden wymiar graficznej postaci kodu – szerokość paska przekłada się na długość impulsu,
kombinacja dekodowana jest na binarne zera i jedynki.
A z nimi komputer może zrobić wszystko.
Czytniki kodów kreskowych służą do identyfikacji produktów oznakowanych kodami
kreskowymi. Dane o produktach trafiają do kasy fiskalnej lub do systemu sprzedaży.
Czytnik może być bezpośrednio dołączony do komputera stacjonarnego, kasy fiskalnej,
terminala
przenośnego
lub
sieciowego.
Programowanie
czytników
odbywa
się
bezprzewodowo za pomocą książek kodów lub przez złącze kablowe z poziomu
odpowiedniego programu zainstalowanego na komputerze PC.
Zasada działania czytnika
Rys. 99. Schemat działania czytnika kodów paskowych [AIE74_systemy_fiskalne.pdf.]
Idea odczytu opiera się na tym, iż powierzchnie jasne odbijają światło, podczas gdy
powierzchnie ciemne je pochłaniają. Konwersja danych uzyskanych przez fotodetektor na
format standardowy (np. ASCII) realizowana jest przez dekoder wbudowany w czytnik lub
przez oprogramowanie komputera do którego dołączony jest czytnik.
Czytnik laserowy
a)
b)
Rys. 100. Laserowego czytnika kodów paskowych (skaner laserowy); a) budowa, b) widok Unitech Ht660
64MB WiFi i bluetooth; a [AIE74_systemy_fiskalne.pdf.], b [ http://www.sklep.trigona.pl]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
56
Pracuje metodą bezstykową, prawidłowe rozpoznanie kodu jest możliwe nawet
z odległości większej niż 30 centymetrów.
Czytniki laserowe stosunkowo dobrze radzą sobie z etykietami o słabej jakości.
Działanie czytnika laserowego: wiązka światła emitowanego przez diodę laserową
odchylana jest przez wirujący pryzmat lub wahliwie oscylujące zwierciadło. W ten sposób
periodycznie omiata powierzchnię, na którą ją skierowano. Światło odbite od pasków
i odstępów kodu paskowego jest ogniskowane na elemencie światłoczułym, który przetwarza
je na impulsy elektryczne, które następnie podlegają dekodowaniu. Czytniki laserowe mogą
być wykonane zarówno w postaci urządzeń ręcznych, jak i stacjonarnych (np. wbudowane
w stół kasowy lub ustawione obok przenośnika taśmowego).
4. Pyłomierze
Pyłomierz optyczny D-R 290. Działanie jego oparte jest na pomiarze zmiany
intensywności promienia świetlnego po jego przejściu przez kanał spalin. Światło wysyłane
przez diodę SWB wychodzi z głowicy pomiarowej, trafia do kanału, gdzie jego intensywność
spada w wyniku pochłaniania i odbicia części sygnału od cząstek pyłu, odbija się od
reflektora. Układ optyczny jest utrzymywany w czystości poprzez stały nadmuch powietrza.
Dzięki tym rozwiązania, obsługa pyłomierza jest maksymalnie uproszczona.
Rys. 101. Pyłomierz optyczny D-R290 [www.enwag.com.pl]
Pyłomierz D-R 300-40 to miernik stężenia pyłu DURAG D-R 300-40 pracujący
w oparciu o metodę światła rozproszonego. Urządzenie jest przymocowane bezpośrednio do
kanału pomiarowego za pomocą króćca montażowego. Pomiar odbywa się bezkontaktowo,
ciągle i bez pobierania próbek z przepływających spalin. Modulowane światło z lampy
halogenowej emitowane jest pod kątem 30° w kanale pomiarowym i oświetla cząsteczki pyłu
w objętości pomiarowej.
Rys. 102. Pyłomierz D-R 300-40 [www.enwag.com.pl]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
57
Cząsteczki pyłu zawarte w tym obszarze odbijają (rozpraszają) światło. Odbite
rozproszone światło jest zbierane przez odbiornik optyczny pod kątem 30° i kierowane do
kolektora optycznego.
Sygnał prądowy generowany przez kolektor jest proporcjonalny do natężenia odebranego
rozproszonego światła. Stosunek natężenia światła rozproszonego do natężenia światła
emitowanego odpowiada gęstości cząsteczek w gęstości pomiarowej.
Na podstawie otrzymanego światła oraz natężenia lampy emitującej (światła
porównawczego) cyfrowy układ elektroniczny oblicza stężenie pyłu w objętości pomiarowej.
Wynik pomiaru może być odczytany na 4-cyfrowym wyświetlaczu jako wielkość
stężenia pyłu.
5. Cyfrowy miernik odległości, pola i objętości – jest to przyrząd pomiarowy służący do
pomiaru odległości oraz powierzchni i objętości pomieszczeń. Przyrząd wyposażony jest
w nadajnik i odbiornik fal ultradźwiękowych. Duża część fali ultradźwiękowej w momencie
natrafienia na przeszkodę ulega odbiciu i wraca do źródła. Pomiar odległości odbywa się na
zasadzie pomiaru czasu, po którym wcześniej nadana fala ultradźwiękowa wraca do
urządzenia po odbiciu od przeszkody. Wyposażony jest w celownik laserowy, dzięki któremu
można łatwo namierzyć obiekt, do którego dzielący dystans chcemy zmierzyć.
Rys. 103. Cyfrowy miernik odległości VA6450: 1) źródło lasera, 2) wyłącznik lasera, 3) zapis wyniku pomiaru
do pamięci, 4) odczyt wyniku pomiaru z pamięci, 5) konwersja jednostek: stopy/metry, 6) nadajnik i odbiornik
fali ultradźwiękowej, 7) wyświetlacz LCD, 8) przycisk ON (włącznik) / READ (wykonanie pomiaru) / RESET
(po przytrzymaniu przycisku przez co najmniej 3 sek. następuje zerowanie wyniku), 9) pomiar objętości,
10) Pomiar powierzchni, 11) dodawanie wyników pomiarów. [instrukcja obsługi miernika VA6450]
6. Pirometry to urządzenia służce do bezdotykowego pomiaru temperatury z odległości.
Pirometry radiacyjne wyposażone są w odpowiednie układy optyczne (obiektywy) skupiające
promieniowanie interesującego nas obiektu na powierzchni detektora. Obiektyw pirometru
musi być wykonany z odpowiedniego materiału w zależności od długości fali pracy
urządzenia. Powszechnie stosuje się układy optyczne wykonane z:
–
germanu (Ge) do pomiaru niskich temperatur od – 40 do 500°C. Wadą ograniczającą jego
stosowanie jest duża kruchość, niska wytrzymałość na ścieranie oraz duża refleksyjność.
Pirometry z germanem posiadają mały współczynnik odległościowy (duże pole
pomiarowe) oraz mały czas pracy bezawaryjnej,
–
szkło fluorytowe (CaF
2
) ze względu na swoje właściwości: niską odporność mechaniczną
poddawane jest specjalnej obróbce powierzchniowej. Stosowane jest w pirometrach do
pomiaru niskich temperatur oraz jako zabezpieczenia mechaniczne zwierciadeł,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
58
–
szkło arsenowo-siarkowe (As
2
S
3
) i cynkowo-siarkowe (ZnS) wykorzystywane przede
wszystkim na pokrycie soczewek fluorytowych. Jako układy optyczne stosowane są
w wykonaniach specjalnych,
–
szkło szafirowe (Al
2
O
3
) – najbardziej popularny materiał stosowany w optyce
pirometrów wysokotemperaturowych. Największą zaletą tego szkła jest jego wysoka
odporność na ścieranie i możliwość pracy w temperaturach do 1000°C. Ze względu na
kruchość układy optyczne zabezpieczane są dodatkowymi osłonami wykonanymi ze
szkła kwarcowego względnie szafirowego z pokryciami antyrefleksyjnymi,
–
szkło kwarcowe – wykorzystywane ze względu na wysoką wytrzymałość mechaniczną
i chemiczną jako układy optyczne zabezpieczające,
–
szkło ołowiowe (kryształowe) posiada również wysoką wytrzymałość mechaniczną
i chemiczną – stosowane głównie w układach zabezpieczających szkło szafirowe.
Najwyższej klasy pirometry niskotemperaturowe wykorzystują układy optyczne
zwierciadlane. Zwierciadła wykonane są z wypolerowanych powierzchni stopów srebra
dodatkowo
zabezpieczanych
pokryciami
osłaniającymi
metal
przed
wpływami
atmosferycznymi i kurzem. Srebro, jak większość metali, cechuje się wysokim
współczynnikiem odbicia – szczególnie promieniowania długofalowego (w zakresie 8÷14 μm).
Powierzchnie zwierciadeł pokryte są cienką warstwą germanu i całość układu optycznego jest
zmontowana jako hermetyczny zespół zabezpieczony od zewnątrz szybą wykonaną ze
zmodyfikowanego szkła fluorytowego. Przykładem takiego rozwiązania jest pirometr LAND
Infrared CYCLOPS – TELE umożliwiający dokonanie pomiaru z odległości 100 metrów
powierzchni 510 x 145 mm. Ważną cechą pirometrów jest możliwość wyposażenia ich
laserowy układ celowniczy umożliwiający określenie miejsca dokonywania pomiaru. Ze
względów bezpieczeństwa celownik ten ma ograniczoną moc promieniowania do 1mW (laser
klasy II). Promień laserowy wyznacza punkt środkowy pola pomiarowego. Należy podkreślić,
że celowniki laserowe nieźle sprawują się w ciemnych pomieszczeniach natomiast ich ślad na
ścianie budynku w świetle dziennym jest niewidoczny. Najwyższej klasy urządzenia
wyposażone są w celowniki optyczne typu SLR (rysunek 104). Pirometr z tego typu
celownikiem zbudowany jest podobnie jak aparat fotograficzny typu lustrzanka
jednoobiektywowa.
Celownik SLR umożliwia obserwację okolic pola pomiarowego przez układ optyczny
pirometru. Mały okrąg lub prostokąt wyznacza pole pomiarowe. Wewnątrz celownika
znajduje się wyświetlacz cyfrowy informujący obserwatora o wyniku dokonanego pomiaru.
Pirometry wysokotemperaturowe (powyżej 600°C) wyposażone są w załączany filtr
szary umieszczony wewnątrz pirometru. Filtr ten znajduje się poza torem pomiarowym
i umożliwia obserwację rozgrzanych obiektów często wysyłających bardzo dużą energię
w zakresie promieniowania widzialnego.
Rys. 104. Pirometr z celownikiem optycznym typu SLR [http://www.termowizja.biz/viewpage.php?page_id=38]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
59
Występują również pirometry z krzyżowym celownikiem laserowym klasy II, który
umożliwia bezkontaktowy pomiar temperatury obiektów już w odległości od 1 mm
w zakresie od -35 do +900°C.
Rys. 105. Pomiar ze standardowym układem optycznym [www.test-therm.com.pl]
Dzięki unikalnemu rozwiązaniu układu optycznego możliwy jest pomiar temperatury
bardzo małych elementów.
Rys. 106. Pomiar z optyką bliskiego widzenia [www.test-therm.com.pl]
Rys. 107. Pirometr LaserSighz f-my optris [www.test-therm.com.pl]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
60
7. Elipsometr spektroskopowy służy do pomiaru krzywizny płytek krzemowych metodą
pierścieni Newtona oraz pomiary elipsometryczne w szerokim zakresie spektralnym.
Stosowany jest do:
– badań właściwości optycznych struktur cienkowarstwowych – elipsometr spektroskopowy
pozwalający zbadać zmianę stanu polaryzacji promieniowania dla różnych kątów padania
światła w zakresie długości fal λ=250÷1700 nm. Na podstawie tych pomiarów możliwe
jest precyzyjne określenie grubości warstw i ich współczynników optycznych,
Rys.108. Stanowisko z elipsometrem spektroskopowym VASE firmy J. A. Woollam, Co, Inc., USA.
Widok ogólny [www. Ite.waw.pl]
– zestaw przedstawiony na rysunku 109 służy do badania krzywizny powierzchni utlenionej
płytki krzemowej – metodą pierścieni Newtona. Urządzenie współdziała z odpowiednim
programem komputerowym.
Rys. 109. Urządzenie do badania krzywizny powierzchni metodą pierścieni Newtona [www. Ite.waw.pl]
Rys.110. Przykład obrazu pierścieni Newtona uzyskanego za pomocą urządzenia z rys. 114 [www. Ite.waw.pl]
Wyniki pomiarów wykonanych na urządzeniu do badania krzywizny powierzchni metodą
pierścieni Newtona pozwalają obliczyć naprężenia mechaniczne w badanym układzie
Si-SiO
2
.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
61
9. Pomiary liniowe
Dostęp do najnowszych technologii wykorzystywanych obecnie w technice
bezstykowych pomiarów optycznych daje niemal nieograniczone możliwości wykonywania
zarówno prostych zadań przy pomiarach geometrii, jak i bardziej zaawansowanych pomiarów
elementów krzywoliniowych o nieregularnych kształtach. Znajdują one wiele zastosowań
w przemyśle, gdzie podstawowymi kryteriami są czas i dokładność pomiaru.
Rys. 111. Sonda optyczna OptiScan H-Class/HR [http://www.comtec3d.pl]
10. Spawanie
Technika laserowa pozwala na niespotykaną precyzję spawania. Obróbka detalu po
napawaniu laserowym jest tańsza i dużo mniej czasochłonna. Jedną z najważniejszych zalet
techniki spawania laserowego jest znikomy wpływ termiczny na detal, spoina jest wolna od
wad, a struktura materiału poza jej obszarem jest praktycznie nienaruszona. Jest to bardzo
przydatne w przypadku konieczności napawania małych elementów, szczególnie wrażliwych
na odkształcenia wskutek przegrzania.
Rys. 112. Spawanie laserem [mat. reklamowe SUMARIS Sp. z o.o.]
Napawany laserem materiał tworzy spójną i trwałą spoinę, która po obróbce
w większości wypadków nie pozostawia śladów, a spawane narzędzie jest porównywalne
z nowym. Technologia ta pozwala spawanie praktycznie wszystkich materiałów
konstrukcyjnych (stale stopowe narzędziowe, brązy, aluminium, tytan a nawet miedź).
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
62
Rys. 113. Autofocus Idealny do krzywych powierzchni. Automatyczne ogniskowanie wiązki lasera w osi Z
[mat. reklamowe SUMARIS Sp. z o.o.]
Rys. 114. Pozycja punktu spawania jest określana przez krzyż pozycjonujący
[mat. reklamowe SUMARIS Sp. z o.o.]
Zastosowany autofocus mierzy i koryguje w sposób płynny odstęp pomiędzy obrabianym
detalem a systemem ogniskującym (obiektywem).
Rys. 115. Laser do spawania PICCO f-my ORLASER [mat. reklamowe SUMARIS Sp. z o.o.]
11. Czytniki i nagrywarki CD i DVD
Diody laserowe są dziś powszechnie stosowane do odczytu i nagrywania płyt
kompaktowych audio i wideo oraz CD-ROM-ów. Trwają prace nad wykorzystaniem lasera do
zapisu i odczytu jeszcze bardziej zagęszczonej informacji. W użytku są już dyski
magnetooptyczne, gdzie również światło lasera odgrywa istotną rolę.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
63
Rys. 116. Umieszczenie warstwy czynnej w płytach DVD i CD [Elektronika Praktyczna 5/98]
Rys. 117. Ogniskowanie światła lasera na warstwie czynnej [Elektronika Praktyczna 5/98]
Rys. 118. Czytnik DVD - wnętrze [http://www.i-slownik.pl]
Napęd CD/DVD ma za zadanie odnalezienie i odczytanie danych przechowywanych
w postaci zagłębień na płycie CD lub DVD. Biorąc pod uwagę fakt, jak małe zagłębienia
używane są do zapisu danych, można śmiało stwierdzić, że napęd dysków optycznych jest
bardzo precyzyjnym urządzeniem. Napęd zawiera 3 zasadnicze elementy:
–
silnik napędzający płytę – silnik ten precyzyjnie kontroluje ilość obrotów płyty w ciągu
minuty, wahającą się od 200 do 500, zależnie od obszaru, z jakiego odczytywane są dane
(im bliżej środka, tym płyta kręci się szybciej),
–
laser i soczewka lasera – odpowiedzialne za odczyt danych,
–
mechanizm poruszający ramieniem lasera pozwalający na podążanie lasera wzdłuż
ścieżki z danymi. Silnik krokowy, użyty do napędzania ramienia umożliwia
wykonywanie bardzo małych ruchów lasera.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
64
Głównym zadaniem napędu jest skupienie strumienia lasera na ścieżce danych na płycie.
Wiązka lasera przechodzi przez poliwęglową warstwę płyty i odbija się od następnej,
aluminiowej warstwy, po czym trafia na detektor, który wykrywa zmiany w świetle.
Zagłębienia na płycie inaczej odbijają promień lasera niż płaskie powierzchnie bez zagłębień,
toteż detektor może jednoznacznie stwierdzić czy na płycie w danym miejscu znajduje się
zagłębienie, czy też nie. Każde zagłębienie interpretowane jest jako 1, zaś brak zagłębienia
jako 0. Kolejno odczytane pity tworzą bajty danych, przekształcane w pliki.
Do odczytu płyty wykorzystuje się laser. W starszych odtwarzaczach CD był to laser
wytwarzający promieniowanie podczerwone. Obecnie niektóre odtwarzacze zawierają lasery
świecące światłem czerwonym. Zasada odczytu informacji z płyt CD i DVD polega na tym,
że światło lasera zostaje skupione przez odpowiedni układ optyczny (soczewki) dokładnie na
powierzchni czynnej płyty (która jest położona za przezroczystą warstewką ochronną).
Światło to odbija się od tej powierzchni, bądź rozprasza się w miejscu wgłębień – pitów.
Ilustruje to rysunek 118. Przy okazji wyjaśnia on, dlaczego drobne zarysowania powierzchni
płyty nie przeszkadzają w odczycie – promień lasera jest zogniskowany dopiero na
wewnętrznej warstwie czynnej, natomiast na powierzchni płyty plamka światła jest jeszcze
dość duża. Odbite światło jest rejestrowane przez zespół fotodiod. Sygnał elektryczny z tych
fotodiod niesie zarówno informację odczytaną z dysku, jak również pozwala
serwomechanizmom na bieżąco utrzymywać głowicę nad ścieżką. Problem w tym, że światło
lasera ma być zogniskowane w maleńką plamkę o średnicy mniej więcej takiej, jak odstęp
między kolejnymi ścieżkami. Plamka nie może być znacząco większa, bo odczytywane
byłyby pity sąsiednich ścieżek. Ponieważ nie można skupić promieniowania o pewnej
długości fali w plamkę o średnicy mniejszej, niż wynosi długość tej fali. Wynika z niego
prosty wniosek, że do odczytu płyt DVD musi być użyty laser o krótszej fali świetlnej niż
w odtwarzaczu CD.W odtwarzaczach DVD stosuje się czerwono świecące lasery, dające
światło o długości fali od 635 do 650 nm. Ta pobieżna analiza wskazuje, iż dalsze
zwiększanie gęstości zapisu nie jest ograniczone dokładnością wykonania płyt czy
odtwarzaczy, ale wymagałoby przede wszystkim zastosowania laserów o znacznie krótszej
długości fali świetlnej, na przykład laserów niebieskich, bądź niebieskozielonych.
12. Drukarki Laserowe
W drukarkach tych (rysunek 119) światłoczuły bęben jest naświetlany punkt po punkcie,
linia po linii przez promień lasera. Stopień naświetlenia zależy od chwilowej jasności diody
laserowej. W zależności od stopnia naświetlenia, poszczególne punkty bębna przyciągają
mniej lub więcej proszku − tonera. Następnie toner z powierzchni bębna jest przenoszony na
papier i po podgrzaniu tworzy trwały obraz.
Rys. 119. Zasada działania drukarki laserowej [Elektronika dla wszystkich 4/97]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
65
Rys. 120. Schemat działania drukarki laserowej [Sprzęt pdf – p. Marii Pietruszka]
Rys. 121. Szczegół bębna drukarki laserowej [Sprzęt pdf – w opracowaniu p. Marii Pietruszka]
Układ elektrostatycznego ładowania bębna pozostawia na jego powierzchni ujemne
ładunki elektryczne. Wiązka laserowa pada na fotorezystywną warstwę taśmy lub na bęben
i zależnie od wzoru drukowanego rysunku zmienia jego ładunki na dodatnie. Dodatnio
naładowane obszary bębna przyciągają ujemnie naładowane cząstki sproszkowanego
atramentu (tonera), który wprasowywany jest w przesuwający się materiał (np. arkusz
papieru) przez nagrzane do ok. 200°C rolki. W drukarce kolorowej kolory nanoszone są
w kolejnych czterech przebiegach lub miejsce pojedynczego pojemnika z tonerem zastępuje
toner w czterech podstawowych barwach, a obrazy w poszczególnych kolorach uzyskane po
naświetleniu laserem światłoczułej taśmy gromadzone są na taśmie zbiorczej, następnie
w postaci pełnokolorowego obrazu przenoszone na papier i utrwalane.
13. Skanery służą do zamiany dokumentu z papierowego na jego obraz elektroniczny.
Skaner stacjonarny potrzebuje sześciu podstawowych komponentów: źródła światła
białego, systemu luster do odbicia światła, soczewek do skupienia światła, elementów CCD
(Charge-Coupled Device) przechwytujących odbite światło, konwertera ADC (Analog-Digital
Converter) zamieniającego sygnał z elementów CCD na cyfrowy i silnika krokowego, który
przesuwa wszystkie powyższe elementy wzdłuż skanowanego dokumentu po prowadnicy.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
66
Rys. 122. Schemat działania lasera płaskiego [http://1bti.ovh.org/s/30/index.htm]
Rys. 123. Widok wnętrza skanera płaskiego [http://1bti.ovh.org/s/30/index.htm]
14. Skanery trójwymiarowe 3D ze względu na zakres pomiarowy dzielą się na:
– mikroskanery – na przykład mikrotomograf,
– krótkiego zasięgu – są to najczęściej skanery stacjonarne i skanery ręczne,
– średniego zasięgu – zazwyczaj skanery przenośne a także mobilne (na przykład
montowane na autonomicznych robotach),
– dalekiego zasięgu – montowane najczęściej na samolotach, promach kosmicznych
i satelitach.
Ze względu na technikę pomiaru rozróżniamy skanery: stykowe, laserowe oraz prążkowe
(tzw. światła strukturalnego).
Z grupy skanerów bezstykowych najliczniej reprezentowane są skanery laserowe
(rysunek 124). Technikach pomiaru wykorzystuje efekt zniekształcenia linii w postaci
promienia światła oświetlającego powierzchnię przedmiotu (efekt prążków Moire’a) –
pojedynczy prążek lasera, Przedmiot mierzony oświetlany jest rastrem o znanych parametrach
(zestaw linii o znanej gęstości). Linie proste ulegają zniekształceniu adekwatnie do wielkości
deformacji
powierzchni
mierzonego
obiektu.
Obraz
oświetlonego
przedmiotu,
przechwytywany jest przez kamerę i analizowany w komputerze. Ustawienie lasera lub
rzutnika względem kamery jest znane i ustalane w procesie kalibracji głowicy pomiarowej.
Położenia punktów leżących na powierzchni obiektu wyznaczane są na podstawie trójkąta
powstałego między źródłem światła, kamerą i powierzchnią mierzonego obiektu (najczęściej
kamera ustawiona jest pod kątem 45° względem osi oświetlacza.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
67
Główne obszary zastosowań to:
– przemysł – inżynieria odwrotna, design (wzornictwo przemysłowe), ergonomia, kontrola
jakości, prototypowanie;
– medycyna – akwizycja danych antropometrycznych, budowa modeli numerycznych
(CAD) obiektów biologicznych, wykonywanie i dopasowywanie protez (tak zwane
protezy „na miarę”), planowanie przedoperacyjne;
– archeologia i paleontologia – wykonywanie cyfrowych modeli znalezisk i dokumentacji
stanowisk archeologicznych, rekonstrukcja obiektów (uzupełnianie braków, wirtualna
odbudowa antycznych budowli), wykonywanie kopii artefaktów, tworzenie wirtualnych
przemysł filmowy – efekty specjalne, cyfrowe modele aktorów (elektroniczny dubler),
animacja i tworzenie postaci;
– inne – wykonywanie przestrzennych map terenu, nawigacja robotów w terenie.
Rys. 124. Zasada działania skanera laserowego – widok głowicy [www.designnews.pl]
Rys. 125. Sposób pomiaru [www.designnews.pl]
15. Plotery
Nowoczesne wycinarki laserowe (laser CO
2
o mocy 2500 W) sterowane numerycznie
pozwalają obrabiać blachy: stal konstrukcyjna do 20 mm grubości, stal szlachetna do 10 mm,
stopy aluminium do 6 mm, cięcie blach aluminiowych typu MIRO (0.4 do 1.2 mm).
Zalety obróbki laserowej to przede wszystkim:
– brak ograniczeń, co do kształtu detali,
– doskonała powtarzalność niezależna od długości serii,
– ekonomiczne rozmieszczenie detali – minimum odpadów,
– krawędzie cięcia nie wymagają dodatkowej obróbki, (dla większości grubości blach).
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
68
Rys. 126 Wycinanie laserowe [materiały reklamowe – ES-SYSTEM Wilkasy sp. z o.o.]
16. Znakowanie laserowe
W systemach przeznaczonych do znakowania materiałów używa się obecnie ok. 90%
laserów Nd:YAG, gdzie wzbudzanie następuje poprzez diody lub lampy. Wydajny komputer
PC steruje pracą całego sytemu oraz umożliwia sporządzanie i przygotowywanie grafiki,
która ma zostać naniesiona na opisywany materiał. Prędkość znakowania sięga nawet do
kliku metrów na sekundę. Możemy nim znakować prawie wszystkie metale, tworzywa
sztuczne, ceramikę, materiały emaliowane. W aplikacjach służących do grawerowania szkła,
drewna, skóry stosuje się lasery CO
2
o mocach od 10 do 50 W, lecz ich udział w przemyśle
jest bardzo mały.
Znakowanie laserowe polega na noszeniu na powierzchnię przedmiotów znaków przy
pomocy wiązki promieniowania laserowego. Promieniowanie to powoduje usunięcie cienkiej
warstwy materiału, bądź zmiany termofizyczne lub termochemiczne wywołujące zmianę
zabarwienia. Powierzchnia materiału bywa specjalnie pokrywana warstwą na przykład farby
lub tlenku celem zwiększenia kontrastowości oznakowania.
Zalety znakowania laserowego:
– wysoka jakość znakowania i wysoka powtarzalność,
– trwałość: odporność na ścieranie, ciepło, chemikalia, światło ultrafioletowe,
– trudne do sfałszowania,
– możliwość znakowania z wysoką rozdzielczością,
– duże prędkości znakowania,
– możliwość znakowania obiektów poruszających się i pozostających w spoczynku,
– bezdotykowość znakowania (brak nacisku, brak deformacji, brak zanieczyszczania
powierzchni, brak zużycia „narzędzi” znakujących,
– możliwość znakowania powierzchni niepłaskich, nierównych, miękkich, twardych,
– czystość i suchość procesu znakowania,
– bardzo wysoka elastyczność (systemy programowalne),
– bardzo niskie koszty eksploatacji, konserwacji.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
69
Rys. 127. Przykład znakowania na drewnie [http://www.grawerowanie-laserowe.pl]
Rys. 128 Przykład znakowania na szkle [http://www.grawerowanie-laserowe.pl]
Wady znakowania laserowego:
– wysoki koszt inwestycyjny,
– brak możliwości znakowania w kolorach.
15. Współrzędnościowa technika pomiarowa
Współrzędnościowa technika pomiarowa metodą optoelektroniczną wykonywana jest
z bardzo dużą dokładnością. Zastosowana jest w numerycznych (cyfrowo sterowanych)
obrabiarkach i centrach obróbczych CNC. Wzorzec w postaci liniału z ciemnymi i jasnymi
polami ułożonymi na przemian o okresie (stałej wzorca) w przedziale 10 do 100
µ
m
(niepewność 2–3
µ
m/1m przy rozdzielczości 1
µ
m) o rozdzielczości 5; 1; 0,5; 0,1; 0,05
µ
m.
a)
b)
Rys.129 Układy pomiarowe Renishaw z siatką dyfrakcyjną serii RG. a) RGS 20, b) RGS 42.
[Współrzędnościowa technika pomiarowa – prof. Eugeniusz Ratajczak]
Do budowy wzorców optoelektronicznych jest używany zerodur – jest to opatentowana
ceramika szklana, która na początku była stosowana do termicznej stabilizacji dużych
teleskopów termicznych.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
70
Przykładowe porównawcze parametry termiczne:
– zerodur – 0,0
±
0,05
µ
m/metr/
0
C,
– normalne szkło – 7,8
±
0,5
µ
m/metr/
0
C,
– stal – 11,5
±
0,5
µ
m/metr/
0
C.
Głowice (sondy) pomiarowe optoelektroniczne służą do bezstykowej lokalizacji punktów
pomiarowych.
Głowice bezstykowe:
– laserowe głowice triangulacyjne,
– optoelektroniczne głowice wyposażone w kamerę CCD.
Rys. 130 Budowa głowicy mierzącej SP25M f-my Renisław
[Współrzędnościowa technika pomiarowa – prof. Eugeniusz Ratajczak]
Rys. 131. Widok głowicy mierzącej SP25M f-my Renisław
[Współrzędnościowa technika pomiarowa – prof. Eugeniusz Ratajczak]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
71
Rys. 132. Schemat głowicy mierzącej SP80 f-my Renisław
[Współrzędnościowa technika pomiarowa – prof. Eugeniusz Ratajczak]
Bezstykowa laserowa pomiarowa głowica triangulacyjna.
Rys. 133. Zasada triangulacji: 1 – fotolinijka, 2 – układ optyczny, 3– przedmiot mierzony, 4 – pomiarowa
wiązka światła, 5 – dioda laserowa. [Współrzędnościowa technika pomiarowa – prof. Eugeniusz Ratajczak]
Zalety pomiaru głowicami triangulacyjnymi:
– brak odkształceń mierzonego elementu,
– duża szybkość pomiaru (przy skanowaniu),
– stosunkowo duży zakres pomiarowy.
Wady:
– zależność pomiaru od własności rozpraszających powierzchni mierzonego przedmiotu,
– mniejsza, w stosunku do głowic stykowych dokładność.
Rys. 134. Przekrój głowicy triangulacyjnej Auto Scan f-my C. Zeiss
[Współrzędnościowa technika pomiarowa – prof. Eugeniusz Ratajczak]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
72
Skanowanie powierzchni, krawędzi i linii konturowych z prędkością ok. 400 p/s
(punktów na sekundę) na szerokości 10 mm.
Głowice z kamerą CCD
Rys. 135. Widok głowicy VISCAN z kamerą CCD f-my C. Zeiss
[Współrzędnościowa technika pomiarowa – prof. Eugeniusz Ratajczak]
Podstawowe parametry:
– pomiary w zakresie 2D,
– małe wymiary np. obwody drukowane,
– elementy z miękkich materiałów,
– matryca CCD 1/3’’,
– rozdzielczość 769 (poziom) x 575 (pion),
– rozmiar pikseli 6,0 x 6,0
µ
m,
– aktywna powierzchnia 4,8 x 3,6 mm,
– powiększenia: 0,14; 0,3; 0,5 do 8
x
.
Bezpieczeństwo przy obsłudze urządzeń z laserem
Bardzo ważną sprawą przy pracach laserami są kwestie bezpieczeństwa. Trzeba mieć
świadomość, że skupiony promień lasera, mający średnicę mniejszą niż milimetr i niosący
moc rzędu kilkudziesięciu miliwatów może w ułamku sekundy nieodwracalnie wypalić
fragment siatkówki oka. Jest to szczególnie groźne w przypadku lasera emitującego
niewidzialne promieniowanie podczerwone. Przy takich laserach obsługa musi mieć
odpowiednie zabezpieczenia w postaci specjalnych okularów lub maski ochronnej. Popularne
obecnie wskaźniki laserowe (laser pointer), wykonywane zwykle w kształcie długopisu mają
moc rzędu 1÷5mW i zasadniczo nie są groźne dla wzroku bowiem wiązka ma średnicę
2÷3mm. Ale światło lasera można skupić w wiązkę o średnicy znacznie poniżej 1 mm,
i wtedy promieniowanie o podanej mocy może być szkodliwe, a nawet niebezpieczne.
Dlatego w żadnym wypadku nie należy dopuścić, by skupiony promień lasera nawet na
chwilę dostał się do oka, bo grozi to nieodwracalnym uszkodzeniem wzroku. Na całym
świecie wprowadza się normy bezpieczeństwa dotyczące wytwarzania i użytkowania
urządzeń laserowych.
Generalnie urządzenia laserowe ze względu na bezpieczeństwo podzielono na kilka klas.
Do klasy I zalicza się elementy i urządzenia wytwarzające promieniowanie laserowe tak
słabe, że zupełnie nieszkodliwe dla zdrowie.
Do klasy II zalicza się urządzenia wytwarzające promieniowanie widzialne, które przy
czasie oddziaływania do 0,25 sekundy nie mają szkodliwego wpływu na zdrowie. W praktyce
są to urządzenia o mocy znacznie poniżej 1mW.
Klasa IIIa obejmuje urządzenia wytwarzające promieniowanie o natężeniu do 25 W/m
2
.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
73
Większość dostępnych obecnie diod i modułów laserowych należy do klasy IIIb.
Promieniowanie tych urządzeń może być groźne dla wzroku, a w szczególnych przypadkach
także dla skóry. Do tej grupy należą urządzenia o mocy do 500 mW.
Klasa IV obejmuje urządzenia, których promieniowanie jest bardzo groźne dla wzroku
i groźne dla skóry. Tu groźny dla wzroku może być nawet promień odbity i rozproszony. Tak
silne promieniowanie może też wywołać pożar lub wybuch.
Rys. 136 Oznakowanie laserów
Każde urządzenie laserowe musi być oznakowane. Przykład standardowego oznakowania
pokazany jest na rysunku 136. W oznakowaniu podana jest klasa, moc wyjściowa, rodzaj
promieniowania (widzialne/niewidzialne − visible/invisible) oraz kierunek emisji
promieniowania.
Wspomniane przepisy dotyczą także laserów wykorzystywanych w pokazach
audiowizualnych. Wymagania dotyczące sprzętu laserowego określa także odpowiednia
Polska Norma.
Każdy, kto chciałby w jakikolwiek sposób praktycznie wykorzystać elementy laserowe
do pokazów wizualnych, winien się zapoznać z informacja mi zawartymi w tej normie
i zastosować się do nich.
Zasady montażu diod laserowych
Przy omawianiu zasad montażu i zabezpieczeń trzeba wspomnieć o wbudowanej
fotodiodzie.
Na rysunku 137 pokazano budowę wewnętrzną rzeczywistej diody laserowej.
Rys. 137. Budowa wewnętrzna diody laserowej [Elektronika dla wszystkich 4/97]
Na rysunku widać wyraźnie, że maleńka struktura diody, jest umieszczona na
stosunkowo dużym radiatorze.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
74
a)
b)
Rys. 138. Widok diody laserowej a) od strony „okienka” [Elektronika dla wszystkich 4/97]
[http://www.semicon.home.pl/download/Oferta/Diody/diody.doc]
Typowa dioda laserowa promieniuje w dwóch przeciwnych kierunkach. Tylny, słaby
strumień pada na wbudowaną fotodiodę. Dlatego dostępne w handlu diody laserowe mają
zazwyczaj trzy (rzadko cztery) wyprowadzenia. Spotyka się różny układ połączeń diody
laserowej i fotodiody − na rysunku 139 pokazano najczęściej spotykane połączenia.
Rys. 139. Połączenia diody laserowej i fotodiody [Elektronika dla wszystkich 4/97]
W przypadku braku katalogu można określić układ wyprowadzeń (odszukać końcówki
diody laserowej) w sposób doświadczalny za pomocą źródła napięcia 5 V i rezystora 450 W,
zachowując niezbędne środki ostrożności.
Rys.140. Wyprowadzenia przykladowej diody laserowej DL3149-057: 1 – katoda diody laserowej,
2 – końcówka wspólna, 3 – anoda fotodiody monitorującej [wg instrukcji opracowanej przez
mgr in. Dariusz Rzeszotarski, mgr Tomasz Wajman]
Najważniejsze wskazówki dotyczące montażu diod laserowych:
– Jak najstaranniej zabezpieczaj diodę przed wszelkimi przeciążeniami.
– Zachowaj szczególne środki ostrożności związane z ładunkami statycznymi (uziemienie
powierzchni stołu, grota lutownicy i własnego ciała).
– Nigdy nie dotykaj wyprowadzeń diody przewodzącymi przedmiotami lub ręką, jeśli
elektrody diody nie są zwarte drutem lub gąbką przewodzącą.
– Zawsze stosuj radiator do chłodzenia diody (na przykład aluminiowy lub miedziany
o wymiarach 50 x 50 x 2 mm). Zapewnij dobry kontakt termiczny między obudową diody
a, radiatorem. Wyrównaj i wypoleruj powierzchnię radiatora, ale nigdy nie używaj pasty
silikonowej.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
75
– Wyprowadzenia lutuj szybko, dobrze nagrzaną lutownicą, by temperatura obudowy nie
przekroczyła +80
o
C.
– Nigdy nie próbuj przylutować obudowy do radiatora (rysunek 141)
Rys. 141. Sposób mocowania diody laserowej do radiatora [Elektronika dla wszystkich 4/97]
Justowanie laserów polega na ustawieniu zwierciadeł prostopadle do osi wychodzącego
z rury promieniowania, aby akcja laserowa nie ulegała przerwom, a moc wychodząca była
największa. Do justowania używamy lunetek z przeogniskowanym obiektywem i lunetki
autokolimacyjnej.
4.5.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jak scharakteryzujesz zasadę budowy lasera na ciele stałym?
2. Jak scharakteryzujesz zasadę budowy lasera gazowego?
3. Jak scharakteryzujesz zasadę budowy lasera półprzewodnikowego?
4. Jak scharakteryzujesz zasady justowania lasera?
5. Jakie znasz typowe elementy mechaniczne laserów?
6. Jak scharakteryzujesz budowę filtra przestrzennego?
4.5.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Napisz proces technologiczny montażu lasera rubinowego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące budowy laserów na ciele
stałym,
2) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące zasad montażu laserów
rubinowych,
3) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące narzędzi, przyrządów
kontrolnych i justerskich potrzebnych do montażu,
4) odczytać schemat budowy lasera rubinowego,
5) zapoznać się z instrukcją montażową,
6) dobrać narzędzia do montażu,
7) dobrać urządzenia kontrolne i pomiarowe,
8) przeanalizować kolejność operacji w celu wykonania lasera,
9) przygotować arkusz technologiczny,
10) wykonać proces technologiczny.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
76
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
−
katalogi narzędzi monterskich,
−
katalogi urządzeń pomiarowych i kontrolnych,
−
katalogi przyrządów justerskich,
−
arkusze kart technologicznych.
Ćwiczenie 2
Wyjustuj wiązkę światła wychodzącą z lasera rubinowego małej mocy.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące budowy laserów na ciele
stałym,
2) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące zasad montażu laserów
rubinowych,
3) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące narzędzi, przyrządów
kontrolnych i justerskich potrzebnych do montażu,
4) odczytać schemat budowy lasera rubinowego,
5) zapoznać się z instrukcją montażową,
6) przygotować stanowisko do justowania lasera,
7) zapoznać się z przepisami bezpieczeństwa pracy z laserami,
8) dobrać narzędzia do montażu,
9) dobrać urządzenia kontrolne i pomiarowe,
10) wyjustować wiązkę światła wychodzącą z lasera,
11) zanotować spostrzeżenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
−
narzędzia do justowania,
−
instrukcja obsługi lasera,
−
schemat lasera,
−
instrukcja bezpieczeństwa pracy z laserami,
−
okulary ochronne,
−
przyrządy justerskie,
−
laser rubinowy do justowania,
−
arkusz spostrzeżeń.
Ćwiczenie 3
Zamontuj diodę laserową we wskaźniku laserowym.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące budowy diod laserowych,
2) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące zasad diod laserowych,
3) odczytać schemat budowy wskaźnika laserowego,
4) zapoznać się z instrukcją montażową,
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
77
5) przygotować stanowisko do montażu diody laserowej,
6) zapoznać się z przepisami bezpieczeństwa pracy z laserami,
7) dobrać narzędzia do montażu,
8) dobrać urządzenia kontrolne i pomiarowe,
9) zamontować diodę laserową we wskaźniku,
10) zanotować spostrzeżenia.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
−
narzędzia do justowania,
−
instrukcja montażu diody laserowej,
−
schemat wskaźnika laserowego,
−
instrukcja bezpieczeństwa pracy z laserami,
−
okulary ochronne,
−
przyrządy justerskie,
−
wskaźnik laserowy do montażu,
−
dioda laserowa do montażu
−
arkusz spostrzeżeń.
4.5.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) opisać budowę lasera na ciele stałym?
2) opisać budowę lasera gazowego?
3) opisać budowę lasera półprzewodnikowego?
4) określić zadania filtra przestrzennego?
5) rozróżnić lasery?
6) rozróżnić diody laserowe?
7) określić główne zasady justowania laserów?
8) wyjustować wiązkę światłą wychodzącą z lasera?
9) zamontować diodę laserową w urządzeniu optycznym?
10) dobrać diodę laserową według schematu?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
78
4.6. Zespoły z optyką włóknistą
4.6.1. Materiał nauczania
Światłowody – włókna używane dla transmisji fali
.
Rys. 143. Pszczoła – widok przez światłowód [materiały z Internetu]
Gołe światłowody nie są odporne na działanie czynników zewnętrznych. Zabezpieczenie
światłowodów przed wpływami otoczenia osiągamy poprzez odpowiednią konstrukcję
pokrycia wtórnego jak i metodę zestawienia wszystkich elementów kabla w strukturę
spełniającą wszystkie stawiane jej wymagania. Funkcje kabli światłowodowych są
różnorodne. Między innymi kable te pełnią rolę:
– zabezpieczenia światłowodów przed uszkodzeniem w trakcie instalacji i eksploatacji
kabla,
– zapewnienia stabilności parametrów transmisyjnych światłowodów przez cały okres
eksploatacji kabla,
–
zapewnienia
odporności
kabla
na
działanie
czynników
mechanicznych
i środowiskowych.
Pokrycie wtórne jest więc głównym elementem chroniącym włókna światłowodowe
przed wpływem czynników zewnętrznych. Jest ono przeważnie realizowane w postaci trzech
podstawowych struktur:
–
ciasnej tuby
–
luźnej tuby
–
rozety.
Tuby i elementy wypełniające nawinięte wokół centralnego elementu konstrukcyjnego
kabla tworzą wraz z nim jego ośrodek. Bezpośrednie nałożenie pokrycia ze specjalnego
tworzywa na światłowód w pokryciu pierwotnym, jest najprostszym sposobem jego
zabezpieczenia przed działaniem czynników zewnętrznych. Budowę światłowodu
przedstawiono na rysunku 145.
Rys. 144. Budowa kabla światłowodowego [http://www.bartekt0.siemce.pl ; www.teleoptics.com.pl]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
79
Konstrukcja ośrodka kabla z luźną tubą charakteryzuje się określonym dopuszczalnym
przedziałem naprężeń ściskających i rozciągających, w którym naprężenia te nie przenoszą
się na włókna, a jedynie powodują zmiany ich położenia wewnątrz tub. Luźna tuba jest
najczęściej wytwarzana w postaci dwuwarstwowej rurki. Wewnętrzna warstwa wykonana jest
z tworzywa zapewniającego bardzo mały współczynnik tarcia, zewnętrzna zabezpiecza
światłowód przed wpływem czynników zewnętrznych. Tuba może zawierać od jednego do
kilkudziesięciu światłowodów, a jej zadaniem jest dostateczne zabezpieczenie światłowodów
przed deformacjami oraz wpływem sił tarcia – zbyt duże powodują powstanie makro i mikro
zgięć. Luźna tuba posiada wszystkie cechy podstawowego elementu konstrukcyjnego kabla
i może być wykorzystana uniwersalnie w różnych jego konstrukcjach. Światłowód, bądź
światłowody, umieszczone są swobodnie we wnętrzu tuby. Długość światłowodu jest większa
niż długość tuby. Wielkość nadmiarowej długości włókna w tubie zależy od ilości
światłowodów, geometrii tuby, sposobu jej ułożenia w kablu i jest tak dobrana, aby z jednej
strony naprężenia rozciągające nie przenosiły się na włókno, z drugiej zaś, aby naprężenia
ściskające działające na powłokę (niskie temperatury) nie powodowały wzrostu tłumienności
światłowodu wskutek strat na makro i mikrozgięciach. W przypadku konstrukcji kabli z luźną
tubą, znajduje się tam żel hydrofobowy wypełniający tubę.
Ma on za zadanie:
–
blokowanie dostępu wody do jej wnętrza,
–
zmniejszenie wrażliwości światłowodu na straty na mikrozgięciach dzięki właściwościom
tiksotropowym (jest ciekły w sytuacjach dynamicznych – ruch i stały w statycznych),
–
zwiększa odporność na drgania.
Rys 145. Budowa światłowodu w luźnej tubie [http://www.bartekt0.siemce.pl; www.teleoptics.com.pl]
Rozeta jest elementem ośrodka kabla stosowanym alternatywnie do luźnej tuby.
Wykonywana najczęściej z polipropylenu, wypełniona żelem, chroni włókna przed wpływami
zewnętrznymi pozostawiając im swobodę ruchu. Rozety najczęściej wykonuje się jako
dziesięcio- lub dwunastorowkowe. Rowki ułożone są spiralnie wzdłuż elementu
wytrzymałościowego kabla. W rowku może znajdować się jeden lub kilka światłowodów.
Produkcja kabla z ośrodkiem rozetowym jest tańsza, lecz kabel taki ma mniejszą
wytrzymałość na uderzenia boczne od tubowego. Budowa rozety została przedstawiona na
rysunku 146.
Rys.146. Budowa rozety [http://www.bartekt0.siemce.pl; www.teleoptics.com.pl]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
80
Kable zabezpieczają światłowód przed uszkodzeniami, naprężeniami i korozją szkła
wynikającą z wpływu wilgoci. To jak dobrze kable pełnią swoją funkcję ochronną widać na
przykładzie pierwszych światłowodów położonych w latach 70-tych, które do dzisiaj nie
straciły swoich właściwości transmisyjnych.
Na pokryciu światłowodu umieszcza się jego podstawowe parametry techniczne
w postaci symbolicznej. Jako parametry techniczne kabla podaje się jego wymiary
geometryczne (średnicę, długość, itp.), zakres temperatur (montażu, użytkowania, transportu),
promień zginania (jednokrotnego, wielokrotnego) oraz dopuszczalne naprężenia sił
rozciągania.
Dla światłowodów wielomodowych głównym jego parametrem technicznym jest
średnica.
W wypadku światłowodów jednomodowych jako parametru technicznego nie podaje się
średnicy rdzenia, lecz średnicę pola modu propagującego się w światłowodzie. Wynika to
z tego, że część pola modu i tak wnika do płaszcza i propaguje się w nim. Część pola modu,
która wniknęła do płaszcza zanika eksponencjalnie wraz ze wzrostem odległości od środka
światłowodu.
Kable światłowodowe ogólnie dzieli się na:
–
stacyjne (wewnętrzne) przeznaczone do transmisji sygnałów cyfrowych i analogowych
w całym paśmie optycznym, wykorzystywanym we wszystkich systemach transmisji
danych, głosu i obrazu, stosowanych w teleinformatycznych sieciach dalekosiężnych
i rozległych, w każdej konfiguracji przestrzennej. Mogą być też one stosowane
w teleinformatycznych sieciach lokalnych. Kable są przystosowane do układania
w pomieszczeniach zamkniętych, w tunelach kolejowych i drogowych, wykonywania
połączeń między urządzeniami optoelektronicznymi i rozgałęzieniami sieci w budynkach.
Zewnętrzna powłoka kabli jest wykonana z materiałów trudnopalnych stanowi też
ochronę przed atakami gryzoni. W niektórych kablach centralny dielektryczny element
wytrzymałościowy oraz wzmocnienie na ośrodku z włókien aramidowych zespolonych
tzw. hot-meltem, pozwalają na uzyskanie dużej odporności kabli na naprężenia podłużne
i poprzeczne. W oznaczeniach kabli stacyjnych kolor zewnętrznej powłoki najczęściej
informuje nas o tym, z jakim rodzajem światłowodu mamy do czynienia.
Stosuje się oznaczenia:
– kolor żółty – światłowód jednodomowy,
– kolor pomarańczowy – światłowód wielodomowy,
Rys. 147. Optotelekomunikacyjne kable stacyjne w ścisłej tubie wielowłókowe: a – włókno optyczne:
jednomodowe lub jednomodowe z przesuniętą dyspersją, wielomodowe G/50 lub wielomodowe G/62,5,
b – tuba: ścisła 0.9mm, c – włókna: aramidowe w ośrodku, d – powłoka kabla: polwinitowa
(nierozprzestrzeniająca płomienia) [http://www.bartekt0.siemce.pl ; www.teleoptics.com.pl]
–
trakcyjne (zewnętrzne), są przeznaczone do transmisji sygnałów cyfrowych
i analogowych w całym paśmie optycznym, wykorzystywanym we wszystkich systemach
transmisji: danych, głosu i obrazu, stosowanych w teleinformatycznych sieciach
dalekosiężnych, rozległych i lokalnych w każdej konfiguracji przestrzennej. Kable są
przystosowane do układania w kanalizacji kablowej pierwotnej i wtórnej. Kable
podwieszane na liniach napowietrznych są wyposażone w stalowe linki pełniące funkcję
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
81
wzmacniającą. Mogą być one zawieszone m.in. na trakcji kolejowej, liniach
energetycznych średnich i małych napięć lub liniach telekomunikacyjnych miedzianych.
Poza tym wraz z kablem może biec linia elektryczna, dzięki której na końcu linii
światłowodowej można zasilać różne odbiorniki i przetworniki sygnału. Jest to
oczywiście dużo tańsze rozwiązanie niż prowadzenie oddzielnej trakcji elektrycznej.
Kable wzmacniane mogą być: układane bezpośrednio w ziemi na terenach o małym
zagrożeniu uszkodzeniami mechanicznymi. Zewnętrzna powłoka kabli stanowi ochronę
kabli przed atakami gryzoni, jest odporna na ścieranie, promieniowanie UV oraz korozję
naprężeniową. Poza tym kable mogą być zaopatrzone we wzmocnienie z włókien
aramidowych lub przeciwwilgociową barierę aluminiową na ośrodku pod powłoką.
Rys. 148. Przykład budowy kabla trakcyjnego: a – moduł ze światłowodami, b – włókno optyczne:
jednomodowe lub jednomodowe z przesuniętą dyspersją, wielomodowe G/50 lub wielomodowe G/62,5,
c – tuba: ścisła 0.9mm, d – włókna: aramidowe w ośrodku modułu e – powłoka kabla: polwinitowa
(nierozprzestrzeniająca płomienia) [http://www.bartekt0.siemce.pl ; www.teleoptics.com.pl]
Metody wprowadzania światła do światłowodu
Jednym ze sposobów wprowadzenie światła do włókna optycznego jest wykorzystanie
całkowitego wewnętrznego odbicia oraz optycznego efektu tunelowego. Urządzenia
w których zastosowano te zjawiska nazywamy sprzęgaczami kierunkowymi. Najprostszy
model sprzęgacza światłowodowego przedstawia rysunek 149. Składa się on z włókna
optycznego, z którego częściowo usunięto płaszcz oraz znajdującego się dostatecznie blisko
rdzenia pryzmatu. Jeśli promieniowanie pada na dolną ściankę pryzmatu pod odpowiednim
kątem, następuje całkowite wewnętrzne odbicie. Powstaje wówczas tzw. fala zanikającą,
wnikającą w ośrodek o mniejszym współczynniku załamania. Jeśli odległość między
pryzmatem a rdzeniem światłowodu będzie dostatecznie mała (rzędu połowy długości fali)
możliwe jest wprowadzenie promieniowania do rdzenia światłowodu. Ponieważ mówimy tu
o odległościach porównywalnych z długością fali propagującego promieniowania, sprzęgacze
wyposażone są w precyzyjne mechanizmy pozycjonujące.
Rys. 149. Model sprzęgacza światłowodowego. [Dawid Piątkowski i Bernard Ziętek ŚWIATŁOWODY
AKTYWNE Zakład Optoelektroniki Toruń 2005]
Dużo prostszym sposobem wprowadzenia światła do włókna jest skupienie wiązki
światła bezpośrednio na wejściu do światłowodu. Jednak aby światło mogło propagować
w rdzeniu musi zostać wprowadzone pod odpowiednim kątem (rysunek 150) względem osi
światłowodu, zwanym kątem akceptacji (stożek akceptacji).
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
82
Rys.150. Apertura numeryczna – rysunek pomocniczy [Dawid Piątkowski i Bernard Ziętek Światłowody
Aktywne Zakład Optoelektroniki Toruń 2005]
Każdy promień, który zostanie wprowadzony pod kątem ≤ α będzie automatycznie
spełniał warunek całkowitego wewnętrznego odbicia na granicy rdzeń-płaszcz, czyli warunek
niezbędny, aby wystąpiło propagowanie promieniowania wewnątrz włókna. Wielkością, która
określa zdolność zbierającą światłowodu jest apertura numeryczne (NA), którą możemy
wyliczyć znając wartości współczynników załamania rdzenia i płaszcza bądź wartość kąta
akceptacji.
W budowie światłowodów bardzo ważne jest silne ekranowanie od wpływu pola
matrycy. W tym celu stosujemy domieszkowanie lantanowcami materiałów stosowanych na
światłowody.
Zastosowanie światłowodów:
–
Kable światłowodowe dla dostarczania promieniowania: systemy przenoszenia
promieniowania dla modułów laserowych, przemysłowe systemy przenoszenia
promieniowania dla laserów w zakresie 0,25 do 2,2.
Rys. 151. Zakończony kabel światłowodowy [http://www.cezarint.pl/pl/photonic/sondamed.htm]
Kompatybilne wtyczki światłowodowe z większością komercyjnych typów wtyczek
światłowodowych z wolnostojącym końcem włókna. Posiadają one cechy: wysoka
odporność na działanie promieniowania lasera, wysoka jakość promieniowania i poziom
transmisji > 85%.
–
Sondy medyczne są wykonane z materiałów, który można dezynfekować.
–
Kable światłowodowe dla telekomunikacji.
Narzędzia do obróbki światłowodów
Lekki o zwartej konstrukcji mikroskop (rysunek 152) jest wygodnym narzędziem do
kontroli powierzchni czoła ferruli i włókna zarówno w terenie jak i w laboratorium. Bardzo
dobre parametry optyczne zapewniają wyraźny obraz czoła złącza. Przycisk pod okularem
służy do włączania zasilanej bateryjnie lampki podświetlenia. Gumowa nakładka na okular
umożliwia bezpieczne oparcie mikroskopu o okulary i zabezpiecza przed powstawaniem
przypadkowych refleksów świetlnych w układzie optycznym mikroskopu. Posiada
wbudowany filtr podczerwieni zabezpieczający przed bezpośrednim kontaktem ze światłem
lasera oraz wymienne adaptery umożliwiające kontrolę złączek różnych standardów,
o różnych średnicach. Do każdego standardu złączy przeznaczony jest inny adapter, sam
mikroskop ma wbudowany na stałe adapter na ferrule 2,5 mm. W wyposażeniu dodatkowym
znajduje się adapter kontrolny do otwierania złączy E-2000.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
83
Rys. 152. Mikroskop inspekcyjny MI – DIAMOND [www.optomer.pl]
Zestaw walizkowy do czyszczenia i kontroli złączy optycznych – powinien być
obowiązkowym wyposażeniem ekip serwisujących światłowodowe sieci telekomunikacyjne,
lokalne i CATV.
Rys. 153. Zestaw do czyszczenia i kontroli sieci światłowodowych [www.optomer.pl]
W skład zestawu wchodzi:
1. Mikroskop inspekcyjny do kontroli ferrul.
2. Czyszczarka czoła ferruli CZZO.
3. Butla ze sprężonym powietrzem.
4. Butla ze sprężonym izopropanolem.
5. Chusteczki bezpyłowe – CHBP.
6. Pędzelek do czyszczenia czoła ferruli.
7. Szczoteczka do czyszczenia tulejek łączników.
8. Pojemnik ze spirytusem do chusteczek bezpyłowych.
Zestaw niezbędnych narzędzi do montażu i czyszczenia osprzętu światłowodowego jako
obowiązkowym wyposażeniem ekip montujących światłowodowe sieci telekomunikacyjne,
lokalne i CATV.
Rys. 154. Zestaw do montażu i czyszczenia sieci światłowodowych [www.optomer.pl]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
84
W skład zestawu wchodzi:
1. Nóż do zdejmowania powłoki kabla wzdłużny i dookólny regulowany AM-1.
2. Nóż do zdejmowania powłoki kabla wzdłużny AM-2.
3. Ściągacz do luźnej tuby włókna ( mały) IDEAL 45-136.
4. Ściągacz do luźnej tuby włókna ( duży) IDEAL 45-164.
5. Ściągacz do luźnej tuby włókna JOKARI PWS-003.
6. Ściągacz do włókna w ścisłej tubie CK 0,5.
7. Ściągacz do włókna w powłoce pierwotnej (250 μm) Stripper Miller FO-103-S.
8. Ściągacz do włókna w powłoce pierwotnej (250 μm) i do ściągania powłoki zewnętrznej
CFS-2.
9. Ściągacz chemiczny do usuwania powłoki akrylowej.
10. Ściągacz do zdejmowania powłoki zewnętrznej kabla stacyjnego i liniowego.
11. Szczypce bocznego cięcia.
12. Nożyczki do kewlaru Fiskars 9874.
13. Czyszczarka czoła ferruli CZZO.
14. Butla ze sprężonym powietrzem.
15. Butla ze sprężonym izopropanolem.
16. Pojemnik ze spirytusem poj. 10ml.
17. Chusteczki czyszczące 50 szt.
18. Nagrzewnica HG 3000 SLE.
19. Dysza odbiciowa do nagrzewnicy.
20. Taśma izolacyjna.
21. Taśma miernicza 5 m.
22. Nóż płaski.
23. Pistolet do zaciągania taśm kablowych.
24. Walizka.
Rys. 155. Oznaczniki stacyjnych kabli światłowodowych [www.optomer.pl]
Rys. 156. Oznaczniki na lasce [www.optomer.pl]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
85
Rys. 157. Oznaczniki na kabel światłowodowy [www.optomer.pl]
Coraz szersze zastosowanie w przyrządach optycznych znajdują elementy ze szklanych
włókien. Częściej spotyka się włókniste elementy niekoherentne używane do celów
oświetleniowych, znacznie rzadziej obrazowody.
Handlową postać optycznych elementów z włókien szklanych stanowią światłowody
wykonane w kształcie elastycznych przewodów w plastycznej lub pancernej metalowej
osłonie ze znormalizowanymi końcówkami wykonanymi najczęściej z mosiądzu lub stali
nierdzewnej. Tego typu kable światłowodowe angielskiej firmy Rank o zróżnicowanych
średnicach, długościach i zakończeniach światłowodów pokazano na rysunku 158.
Rys. 158. Kable Światłowodowe [2, s. 307]
Zastosowanie takich światłowodów w przyrządzie optycznym widać na przykładzie
układu oświetlającego amerykańskiego mikroskopu stereoskopowego firmy Baush & Lomb
przedstawionego na rysunku 159a. Konstrukcja oświetlaczy światłowodowych w sposób
jasny wynika z rysunku 159b.
Rys. 159. Mikroskop stereoskopowy firmy Naush & Lomb (USA) z oświetlaczem światłowodowym:
a) mikroskop, b) oświetlacze [2, s. 307]
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
86
Elementy koherentne znalazły zastosowanie szczególnie we wziernikach służących do
oglądania miejsc niedostępnych, gdzie dotychczas stosowano układy szeregu obiektywów
i kolektywów. Przykład wziernika endoskopowego przedstawia rysunek 160.
Rys. 160. Wzierniki z optyką włóknistą: a) endoskop z obrazowodem, b) część obiektywowa wziernika,
c) okular wziernika z obrazowodem [2, s. 308]
Elementy włókniste mogą mieć sztywną obudowę, najczęściej z tworzywa sztucznego,
w postaci prętów lub nawet specjalnie wykonanych kształtek. Niektórzy producenci
teodolitów (MOM) stosują tego typu elementy np. w układzie oświetlającym kręgów
podziałowych.
Konstruktor wprowadzający elementy z włókien szklanych powinien dostosować się do
ograniczeń apertury i przegięcia wiązki włókien.
Producenci zawsze podają maksymalną rozwartość wiązki światła i minimalny
dopuszczalny promień przegięcia ich światłowodu czy obrazowodu. Należy także unikać
stosowania kilku elementów z włókien ustawionych w szereg ze względu na znaczne,
sięgające blisko 400%, straty światła na wejściu i wyjściu światłowodu. Straty wynikające
z długości kabla są też dość znaczne, dlatego w przyrządach należy prowadzić włókna
możliwie najkrótszą drogą.
4.6.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jak zbudowany jest światłowód?
2. Jakie są rodzaje światłowodów?
3. Jakie znasz zastosowanie światłowodów?
4. Jak wprowadzamy światło do światłowodów?
5. Jakich narzędzi używamy do obróbki światłowodów?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
87
4.6.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Zakończ kable światłowodowe do oświetlenia w mikroskopie.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące zasad stosowania
światłowodów,
2) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące narzędzi potrzebnych do
montażu światłowodów,
3) zorganizować stanowisko montażowe,
4) odczytać schemat połączenia światłowodowego,
5) zapoznać się z instrukcją montażową,
6) dobrać narzędzia do montażu,
7) dobrać przewody do montażu,
8) dobrać zakończenia do światłowodów,
9) dokonać montażu zakończeń światłowodów,
10) sprawdzić wykonana pracę.
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
−
stanowisko do montażu światłowodów,
−
komplet narzędzi do montażu,
−
kable światłowodowe do montażu,
−
zakończenia do kabli światłowodowych,
−
instrukcja montażowa.
Ćwiczenie 2
Zamontuj kable światłowodowe do mikroskopu stereoskopowego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące budowy mikroskopu
stereoskopowego,
2) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące zasad stosowania
światłowodów,
3) wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje dotyczące narzędzi potrzebnych do
montażu światłowodów,
4) zorganizować stanowisko montażowe,
5) odczytać schemat mikroskopu,
6) zapoznać się z instrukcją montażową,
7) dobrać narzędzia do montażu,
8) dobrać przewody do montażu,
9) dokonać montażu przewodów,
10) sprawdzić wykonana pracę.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
88
Wyposażenie stanowiska pracy:
−
poradnik dla ucznia,
−
stanowisko do montażu światłowodów,
−
komplet narzędzi do montażu,
−
przewody do montażu,
−
mikroskop stereoskopowy do montażu,
−
instrukcja montażowa.
4.6.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) scharakteryzować zasadę działania światłowodu?
2) scharakteryzować zastosowanie światłowodów?
3) sklasyfikować światłowody?
4) dobrać zakończenia do kabli światłowodowych?
5) zamontować zakończenia kabli na przewodach?
6) zamontować przewody światłowodowe do mikroskopu?
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
89
5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ
INSTRUKCJA DLA UCZNIA
1. Przeczytaj uważnie instrukcję.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4. Test zawiera 25 zadania. Do każdego zadania dołączone są 4 możliwe odpowiedzi. Tylko
jedna jest prawidłowa.
5. Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce
znak X. W przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.
6. Zadania wymagają stosunkowo prostych obliczeń, które powinieneś wykonać przed
wskazaniem poprawnego wyniku.
7. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
8. Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż jego rozwiązanie
na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.
9. Na rozwiązanie testu masz 45 min.
Powodzenia!
ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH
1. Przy montażu układów elektrycznych i elektronicznych przewody
a) mogą mieć uszkodzoną izolację.
b) leżeć na ostrych krawędziach.
c) dotykać nieizolowanych elementów.
d) nie mogą być narażone na działanie sił mechanicznych.
2. Montaż elektryczny wykonujemy
a) po montażu mechanicznym.
b) przed montażem mechanicznym.
c) podczas montażu mechanicznego.
d) niezależnie od wykonywanych czynności.
3. Na rysunku część numer „1” to
a) izolator.
b) korpus.
c) odpychacz.
d) żarówka.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
90
4. W urządzeniach optycznych stosuje się oprawy żarówek
a) E 10.
b) bocznostykowe.
c) E 14.
d) bagnetowe.
5. Operacja która nie obejmuje montażu oświetlacza to
a) zawalcowanie oprawy.
b) przylutowanie żarówki.
c) włożenie do odpychacza sprężyny.
d) montaż sprężyny.
6. Pręty laserowe wykonujemy z
a) polerowanego kryształu chlorku sodu.
b) kryształu rubinu.
c) kryształu diamentu.
d) kryształu kwarcu.
7. Do chłodzenia głowicy laserowej na ciele stałym używamy
a) mieszanki woda – spirytus.
b) 25% roztworu chlorku sodu.
c) wody z dodatkami uszlachetniająco-zmiękczającymi.
d) chłodziwa jak do samochodów.
8. Przy montażu głowic laserowych szczególną uwagę należy zwrócić
a) na staranne oczyszczenie pręta laserowego.
b) czy czołowe powierzchnie pręta są dokładnie zmatowione.
c) czy czołowe powierzchnie pręta laserowego są dokładnie zalakierowane.
d) czy wszystkie powierzchnie pręta laserowego są dokładnie zabezpieczone smarem
przed wpływem środka chłodzącego.
9. Jako ośrodki czynne w laserach gazowych stosuje się
a) azot.
b) powietrze.
c) butan.
d) chlor.
10. Justowanie lasera gazowego polega na ustawieniu zwierciadeł
a) równolegle do osi promieniowania.
b) dokładnie pod kątem 45
0
do osi promieniowania.
c) pod dowolnym kątem.
d) prostopadle do osi promieniowania.
11. Do justowania lasera gazowego używamy
a) lupy.
b) lunetki autokolimacyjnej.
c) kolimatora.
d) mikroskopu pomiarowego.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
91
12. Najczęściej stosowane średnice mikroprzysłon to
a)
m
µ
10
.
b)
m
µ
30
.
c)
m
µ
40
.
d)
m
µ
80
.
13. Do zmiany średnicy wiązki laserowej stosujemy
a) obiektywy mikroskopowe.
b) lupy.
c) obiektywy lunetowe.
d) okulary mikroskopowe.
14. Na rysunku element oznaczony numerem „1” to
a) rezonator.
b) lampa pompująca.
c) źródło prądu.
d) kndensator.
15. Światłowodów nie stosuje są do
a) oglądania miejsc niedostępnych.
b) przesyłania wiadomości.
c) przesyłania światła.
d) przesyłania prądu.
16. Na rysunku pokazano
a) opaski zaciskowe do przewodów z szyldem.
b) opaski zaciskowe do przewodów.
c) opaski mocujące przez przynitowanie opaski do konstrukcji.
d) opaski do mocowania zespołów optycznych.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
92
17. Szczypce przedstawione na rysunku maja zastosowanie do
a) zaciskania przewodów.
b) zaciągania opasek.
c) odizolowywania przewodów.
d) cięcia światłowodów.
18. Z diodą laserową we wspólnej obudowie znajduje się
a) fotodioda.
b) fotorezystor.
c) fototranzystor.
d) transoptor.
19. Czujnik dymu działa na zasadzie
a) odbicia promienia od cząsteczek dymu.
b) pochłaniania promieni świetlnych przez cząsteczki dymu.
c) zmiany zabarwienia przez cząsteczki dymu.
d) zaniku promienia w dymie.
20. Zasada działania dalmierza laserowego oparta jest na pomiarze
a) różnicy dróg optycznych.
b) czasu przebiegu światła.
c) różnicy jasności.
d) różnicy rozstawu źrenic.
21. Laserowe czujniki pomiarowe opierają się zasadzie pomiaru
a) dotykowej.
b) bezdotykowej.
c) kontaktowej.
d) napięcia.
22. Niebieskie światło emitują diody wykonane z
a)
arsenofosforku galu.
b)
fosforku galu.
c)
azotku galu
d)
fosforku krzemu.
23. W nagrywarce DWD promień diody laserowej jest skupiony za pomocą soczewki na
a) płycie DWD.
b) ekranie.
c) pryzmacie.
d) soczewce.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
93
24. Na rysunku pokazano wielożyłowy kabel
a) elektryczny.
b) światłowodowy.
c) gazowy.
d) wentylacyjny.
25. W oświetlaczach stosujemy
a) diody elektroluminescencyjne.
b) fotodiody.
c) diody Zenera.
d) fototranzystory.
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
94
KARTA ODPOWIEDZI
Imię i nazwisko..........................................................................................
Wykonywanie montażu i justowanie sprzętu optoelektronicznego
Zakreśl poprawną odpowiedź
Nr
zadania
Odpowiedź
Punkty
1.
a
b
c
d
2.
a
b
c
d
3.
a
b
c
d
4.
a
b
c
d
5.
a
b
c
d
6.
a
b
c
d
7.
a
b
c
d
8.
a
b
c
d
9.
a
b
c
d
10.
a
b
c
d
11.
a
b
c
d
12.
a
b
c
d
13.
a
b
c
d
14.
a
b
c
d
15.
a
b
c
d
16.
a
b
c
d
17.
a
b
c
d
18.
a
b
c
d
19.
a
b
c
d
20.
a
b
c
d
21.
a
b
c
d
22.
a
b
c
d
23.
a
b
c
d
24.
a
b
c
d
25.
a
b
c
d
Razem:
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
95
6. LITERATURA
1. Bartkowska J.: Optyka i korekcja wad wzroku. Wydawnictwo Lekarskie, PZWL
Warszawa 1996
2. Chalecki J.: Przyrządy optyczne. WNT, Warszawa 1979
3. Hein A., Sidorowicz A., Wagnerowski T.: Oko i okulary. Wydawnictwo Przemysłu
Lekkiego i Spożywczego, Warszawa 1966
4. Jóźwicki R.: Optyka Instrumentalna. WNT, Warszawa 1970
5. Krawcow J.A., Orłow J. I.: Optyka geometryczna ośrodków jednorodnych. WNT,
Warszawa 1993
6. Krajowy standard kwalifikacji zawodowych dla zawodu: Optyk mechanik (731103).
MPiPS, Warszawa 2006
7. Legun Z.: Technologia elementów optycznych. WNT, Warszawa 1982
8. Booth K., Hill S.: Optoelektronika. WKŁ, Warszawa 2001
9. Meyer – Arendt J. R.: Wstęp do optyki. PWN, Warszawa 1977
10. Nowak J., Zając M.: Optyka – kurs elementarny. Oficyna Wydawnicza Politechniki
Wrocławskiej, Wrocław 1998
11. Pluta M.: Mikroskopia optyczna. PWN Warszawa 1982
12. Sojecki A.: Optyka. WSiP, Warszawa 1997
13. Szymański J.: Budowa i montaż aparatury optycznej. WSiP, Warszawa 1978
14. Tryliński W. (red.): Konstrukcja przyrządów i urządzeń precyzyjnych. WNT, Warszawa
1996
15. Ziętek B., Piątkowski D.: Światłowody Aktywne Zakład Optoelektroniki Toruń 2005
Czasopisma:
–
Elektronika Praktyczna 5/98
–
Elektronika dla wszystkich 4/97
Strony internetowe:
–
http://www.matmic.neostrada.pl/optoelektronika.html
–
zaciskarki - www.elektro.info.pl; www.biall.com.pl; www.kleentek.cz
–
–
[http://upload.wikimedia.org/wikipedia]
–
[www.optoelect ronics.perkinelmer .com]
–
Elementy optoelektroniczne w opracowaniu p. Witolda Skowrońskiego z Internetu
plik.pdf]
–
[http://www.lediko.com/file.php?nazwa=art_3].
–
–
–
[AIE74_systemy_fiskalne.pdf.]
–
–
http://www.termowizja.biz/viewpage.php?page_id=38]
–
[mat. reklamowe SUMARIS Sp. z o.o.]
–
[SPRZĘT pdf- w opracowaniu p. Marii Pietruszka]
–
[http://1bti.ovh.org/s/30/index.htm]
–
[http://technologialaserowa.republika.pl/znakowanie.html]
–
–
[http://www.grawerowanie-laserowe.pl]
–
[Współrzędnościowa technika pomiarowa – prof. Eugeniusz Ratajczak]
–
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
96
–
http://www.semicon.home.pl/download/Oferta/Diody/diody.doc]
–
[http://www.bartekt0.siemce.pl ; www.teleoptics.com.pl]
–
http://www.cezarint.pl/pl/photonic/sondamed.htm
–
–