Elementy optoelektroniczne
Światło pochłaniane przez półprzewodnik dostarcza mu energii. Energia
fotonu, przekazana elektronowi w paśmie walencyjnym, może wyzwolić go
z wiązania, co powoduje powstanie pary swobodnych nośników  elektronu
i dziury  wzrost koncentracji nośników obydwu typów. W półprzewodniku
domieszkowanym silnie rośnie (procentowo) koncentracja nośników
mniejszościowych  tworzą one prąd wsteczny w złączu pn. Stąd w
półprzewodnikowych elementach optoelektronicznych często wykorzystuje
się złącze pn spolaryzowane w kierunku zaporowym.
Fotodioda
Wykorzystuje się wzrost prądu wstecznego diody pod wpływem oświetlenia
 proporcjonalny do mocy strumienia świetlnego. Dzięki odpowiedniej
technologii wykonania (szklane okna w obudowie) wzrost prÄ…du przy
oświetleniu może być znaczny.
A
A
AK
3 2 1 0
0
1
AK
2
3
Fotodioda może być wykorzystana np. do pomiarów fotometrycznych.
Fotodioda ma także generatorowy obszar pracy (IV ćwiartka układu
współrzędnych)  prąd zgodny z kierunkiem napięcia. Przy dużej
powierzchni oświetlonej pracują jako tzw. ogniwa słoneczne.
Przy szybkich zmianach oświetlenia występuje opóz
nienie zmian prÄ…du
płynącego przez diodę  wynika ze skończonej szybkości ruchu nośników w
złączu i z czasu rekombinacji nośników. Czas opóz
nienia bardzo krótki 
nanosekundy (czÄ™stotliwość graniczna: 10 MHz ÷ 1 GHz).
Fototranzystor
Tranzystor, którego złącze kolektor-baza jest wykonane jako fotodioda.
Baza może być wyprowadzona dodatkowo lub nie. Mają znacznie większość
czułość niż fotodiody (znacznie większy prąd kolektora w fototranzystorze
niż prąd fotodiody w analogicznym układzie i tych samych warunkach
oświetlenia), ale są od nich wolniejsze (większe czasy opóz
nienia).
C 3 2 1 0
3
2
1
0
CE
Charakterystyki wyjściowe fototranzystora, Ś  natężenie oświetlenia
Dioda elektroluminescencyjna
Popularna nazwa: LED (ang. Light Emitting Diode). Elementy wykonane z
arsenku, fosforku lub azotku galu. Emitują promieniowanie świetlne przy
przepływie prądu w kierunku przewodzenia. Mają niewielką sprawność (z
reguły poniżej 0,1 %, diody emitujące w zakresie podczerwieni  do 5%).
Długość fali (kolor) zależny od materiałów wyjściowych i domieszkowania.
Typowe diody dajÄ… wyraz
ne światło przy prądach rzędu kilku
miliamperów.
Typowe wartości parametrów:
" napięcie przewodzenia większe niż dla diod przełączających i
prostowniczych  od 1,3 V do 3,5 V; typowo ok. 2 V,
" maksymalne prÄ…dy przewodzenia od 10 mA do ok. 0,3 A,
" moc promieniowana od 0,1 mW do 2 mW,
" długość fali od 500 do 950 nm.
Cecha charakterystyczna  krótki czas reakcji (narastania impulsów
świetlnych) rzędu od piko- do nanosekund.
Transoptor
Jest połączeniem diody LED jako z
ródła światła (nadajnika) i elementu
fotoczułego (najczęściej fototranzystor lub fotodioda) w jednej obudowie
(układzie scalonym). Pozwala przetwarzać prąd wejściowy (diody LED) na
prąd wyjściowy (np. fototranzystora) przy pełnej separacji galwanicznej
obwodów - ilość emitowanego światła przez LED jest proporcjonalna do jej
prądu, a prąd fototranzystora jest proporcjonalny do ilości odbieranego
światła. (Inne określenie: sprzęgacz optyczny)
Stosowane powszechnie w przekształtnikach energoelektronicznych
sterowanych przez układy cyfrowe (mikroprocesorowe). W tych układach
szczególnie ważnym parametrem jest napięcie przebicia między wejściem i
wyjściem (typowo ok. 1 kV, może sięgać kilkunastu kV).
T1 T3 T5
L1
Vdc
a
RH
L2
b
SILNIK
PMSM
L3
c
T2 T4 T6
TH
PE
Zabezpieczenia Sterownik bramkowy
ia
Generator PWM
ib
Vdc
Temp.
Rezolwer,
Przetw. Obr. Imp.
Przetworniki a/c
A
ącze światłowodowe
Stosowane do przesyłania sygnałów na drodze optycznej na znaczne
odległości (kilkadziesiąt metrów  tanie światłowody z tworzyw sztucznych,
do setek kilometrów  specjalne kable światłowodowe z domieszkowanego
szkła kwarcowego). Często stosowane w przekształtnikach enerogoelektro-
nicznych przy napięciach rzędu kilkunastu kV do separacji obwodów
bramkowych tranzystorów/tyrystorów mocy od układu sterowania.
Budowa i zasada działania jak w transoptorze, ale fala świetlna między
fotoemiterem a fotodetektorem prowadzona w specjalnym włóknie
otoczonym tzw. płaszczem od którego fala się odbija pozostając wewnątrz
włókna.
Wyświetlacze LCD
Wszystkie rodzaje wyświetlaczy ciekłokrystalicznych składają się z
czterech podstawowych elementów:
" komórek, w których zatopiona jest niewielka ilość ciekłego kryształu,
" elektrod, które są z
ródłem pola elektrycznego działającego bezpośrednio
na ciekły kryształ,
" dwóch cienkich folii, z których jedna pełni rolę polaryzatora a druga
analizatora,
" z
ródła światła.
Wyświetlacze transmisyjne są oświetlane z jednej strony, a powstające na
nich obrazy oglÄ…da siÄ™ od drugiej strony. StÄ…d aktywne piksele sÄ… w takich
wyświetlaczach zawsze ciemne, a nieaktywne jasne. Stosowane w
przypadku, gdy potrzebna jest duża intensywność obrazu.
Wyświetlacze odbiciowe posiadają na swoim dnie lustro, które odbija
dochodzące do powierzchni wyświetlacza światło. Mogą pracować tylko w
trybie biernym i mają niezbyt dużą intensywność generowanego obrazu,
ale za to bardzo mały pobór mocy. Stosowane w kalkulatorach i
zegarkach.
Wyświetlacze trans-reflektywne, posiadają zalety obu trybów.
Zasada działania na przykładzie pasywnego wyświetlacza odbiciowego. W
wyświetlaczu tym światło wnikające do niego jest wstępnie polaryzowane
pionowo przez filtr polaryzacyjny (1). Następnie światło przechodzi przez
szklaną elektrodę (2) i warstwę ciekłego kryształu (3). Specjalne
mikrorowki na elektrodach (2 i 4) wymuszajÄ… takie uporzÄ…dkowanie
cząsteczek tworzących warstwę ciekłokrystaliczną, aby przy wyłączonej
elektrodzie nastÄ…piÅ‚o obrócenie polaryzacji Å›wiatÅ‚a o 90°.
Dzięki temu światło może przejść przez folię (5) pełniącą rolę analizatora
światła, która przepuszcza tylko światło spolaryzowane poziomo, odbić się
od lustra (6), przejść ponownie przez analizator (5), ulec ponownej zmianie
polaryzacji o 90° na warstwie ciekÅ‚ego krysztaÅ‚u i ostatecznie opuÅ›cić bez
przeszkód wyświetlacz, przez górną folię polaryzacyjną. Po przyłożeniu
napięcia do elektrod, generowane przez nie pole elektryczne wymusza taką
zmianę uporządkowania cząsteczek w warstwie ciekłego kryształu, że nie
obraca ona polaryzacji światła. Powoduje to, że światło nie przechodzi
przez analizator, co daje efekt czerni.
Wzmacniacz
Stosowane powszechnie urządzenie, służące do zwiększenia mocy sygnału,
doprowadzonego do jego wejścia. W analizie obwodowej wzmacniacz jest
przedstawiony z reguły jako czwórnik  element 4-zaciskowy (2 zaciski
wejściowe, 2  wyjściowe).
i o
g
g
L
i o
Wzmocnienie napięciowe: Wzmocnienie prądowe:
uo Uo io
Ku = Ku[dB] = 20lg Ki =
ui Ui ii
po >> pi
Zależność mocy:
i o
g o
g
i
u0 i L
i o
Do opisu wzmacniacza jako czwórnika stosuje się model przedstawiony na
schemacie i związane z nim równania:
Ui
Ii =
Ii = a11 Å"Ui + a12 Å" Io
ri
Uo = a21 Å"Ui + a22 Å" Io
Uo = Ku0 Å"Ui - ro Å" Io
" a11  konduktancja wejściowa (1/ri); wpływ napięcia wejściowego na
prąd wejściowy,
" a12  oddziaływanie zwrotne; wpływ prądu wyjściowego na prąd
wejściowy (zwykle zerowa wartość),
" a21  wzmocnienie napięciowe rozwarciowe (Ku0) ,
" a22  rezystancja wyjściowa (r0); wpływ prądu wyjściowego na napięcie
wyjściowe.
Aby uzyskać wzmacniacz napięciowy  maksymalne wzmocnienie napięcia
 winny być spełnione zależności:
ri >> rg najlepiej: ri "
ro << rL najlepiej: ro = 0
Uo
wówczas:
H" Ku0 .
Eg
Jeżeli:
ri = rg oraz : ro = rL to wzmocnienie napięciowe będzie
Uo 1
= Ku0
4-krotnie mniejsze, tzn.: , ale mamy wówczas największe
Eg 4
wzmocnienie mocy (rezystancje w obwodzie wejściowym i wyjściowym
spełniają warunek dopasowania mocowego rezystora do obwodu  z tw.
Thévenina).
Sprzężenie zwrotne:
Część sygnału wyjściowego wprowadza się  z reguły przez inny czwórnik 
z powrotem na jego wejście, gdzie jest dodawana (sprzężenie dodatnie) lub
odejmowana (sprzężenie ujemne) od sygnału wejściowego. Rozpatrując
układ z ujemnym sprzężeniem zwrotnym jako wzmacniacz napięciowy,
gdzie wzmocnienie samego wzmacniacza jest równe kw, zaś wzmocnienie
obwodu (tzw. pÄ™tli) sprzężenia zwrotnego wynosi ², otrzymamy:
UR = Uwe - ² Å" Uwy Uwy
Uwe
+
wzmacniacz
kW
-
obwód sprzęże-
² Å" Uwy
nia zwrotnego
²
Uwy
kW
Ku = =
Uwy = kW Å" UR = kW Å"(Uwe - ² Å" Uwy )
stÄ…d:
Uwe 1 + ² Å"kW
Uwaga: przy wyprowadzeniu podanej zależności założyliśmy, że zarówno
sam wzmacniacz, jak i tor sprzężenia zwrotnego działają jak wzmacniacze
napięciowe idealne, tzn. dla obydwu z nich mamy:
ri " oraz : ro = 0
Wniosek: poprzez odpowiedni dobór obwodu sprzężenia zwrotnego można
kształtować wzmocnienie całego układu.
Dla wzmacniaczy  podobnie jak dla filtrów (filtr jest też rodzajem
wzmacniacza)  określa się charakterystyki częstotliwościowe amplitudowe
i fazowe.
Przykładowe charakterystyki amplitudowe wzmacniaczy:
prądu stałego pasmowego selektywnego
Rzeczywiste wzmacniacze wykazują ponadto nieliniowość charakterystyki
przenoszenia (wzmocnienie nie jest stałe dla wszystkich wartości sygnału
wejściowego.
Wzmacniacz różnicowy:
Prosty wzmacniacz różnicowy, oparty na tranzystorach bipolarnych, jest
układem dwuwejściowym. Sygnały wejściowe są podawane na bazy dwóch
identycznych tranzystorów.
Napięcia wyjściowe asymetryczne są w tym układzie równe:
Uo1 = UCC - RC Å" IC1 Uo2 = UCC - RC Å" IC 2
zaś napięcie wyjściowe symetryczne wynosi:
Uo1-2 = Uo1 - Uo2 = -RC Å"(IC1 - IC 2)
a więc nie zależy od UCC. Przyjmując, że: IC1~Ui1 oraz IC2~Ui2 widzimy, że
napięcie wyjściowe różnicowe Uo1-2 jest proporcjonalne do różnicy napięć
wejściowych.