Temat i plan wykładu
Elementy optoelektroniczne
1. Fotorezystor
2. Dioda elektroluminiscencyjna
3. Fotodioda
4. Fototranzystor
5. Transoptor
ELEKTRONIKA  Jakub Dawidziuk
Fotorezystory
CdS siarczek kadmu  czuły na światło
Budowa,
widzialne
materiały.
CdSe selenek kadmu, PbS siarczek ołowiu 
czułe na światło podczerwone
Duża czułość
Krótkie czasy ustalania
i wysoki Rciemnej/Rjasnej
Czułe na podczerwień,
szeroki zakres długości
fal
h½
U
L
I
obszar A
Fotorezystory
Charakterystyka prądowo-napięciowa
Na podstawie charakterystyki prÄ…dowo
 napięciowej fotorezystora dobiera się
właściwy obszar jego pracy.
Charakterystyki te są liniowe w dużym
zakresie napięć i prądów.
pomieszczenie od zacienionej strony w
środku dnia  300 lx
oświetlenie słoneczne terenu na
zewnÄ…trz (zachmurzone niebo) 
5000 lx
słoneczny letni dzień (czyste niebo) 
100 000 lx
Podstawowe parametry fotorezystora
czułość widmowa jest to
zależność rezystancji od
natężenia oświetlenia,
rezystancja fotorezystora
zależy od materiału i sposóbu
jego domieszkowania,
współczynnik n=Rciemnej/Rjasnej określany jako stosunek
rezystancji ciemnej do rezystancji jasnej, określanej przy
natężeniu oświetlenia równym 50 lx.
Wartość rezystancji ciemnej zależy od stopnia czystości półprzewodnika.
Jest ona około 1000 razy większa niż rezystancja przy oświetleniu 50 lx i
zawiera siÄ™ w przedziale od 106 &! do 1012 &!.
Zastosowania fotorezystorów
Fotorezystory wykorzystuje siÄ™ do:
pomiarów małych natężeń oświetlenia,
sterowania strumieniem świetlnym rezystancji,
bezpośredniego sterowania przekaz
ników,
pomiarów temperatury i ostrzegania w systemach
przeciwpożarowych,
wykrywania zanieczyszczeń rzek i zbiorników
wodnych,
detekcji strat ciepła przez izolację termiczną
budynków,
badania zasobów ziemi z samolotów i satelitów.
FR-wyłączniki zmierzchowe
Układ z błędem?
Robot - photovore
Robot, który jest zasilany przez baterie słoneczne i
przesuwa się w kierunku światła, w celu
naładowania baterii.
photo (j. grecki - światło), vore (j. łaciński  pochłonąć)
Robot - photovore
Dioda elektrolumiscencyjna
Light Emitting Diode LED
Zjawisko elektroluminescencji
w diodach półprzewodnikowych polega na
emitowaniu światła pod wpływem przepływającego
prÄ…du elektrycznego. Åšwiecenie jest wynikiem
rekombinacji promienistej nośników (dziur i
elektronów)
w przepustowo spolaryzowanym złączu p-n.
Przechodzenie elektronów z wyższego poziomu
energetycznego na niższy powoduje wydzielenie
energii w postaci światła (fotonu).
Light Emitting Diode
Dioda elektroluminescencyjna pracuje (świeci) przy
polaryzacji w kierunku przewodzenia (+A, -K).
b)
a)
LED w obwodzie prÄ…du
stałego
Zasada działania LED
Light Emitting Diode
" LED emitujÄ… promieniowanie w zakresie widzialnym i podczerwonym,
" promieniowanie jest wytwarzane w wyniku rekombinacji dziur i
elektronów,
" dioda świeci pod wpływem zewnętrznej energii elektrycznej,
" intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu,
" LED pracują przy napięciach ok. 2 V z prądami od kilku do kilkunastu
mA, co pozwala na współpracę w układach tranzystorowych,
" dioda pracuje przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia,
" zasada działania LED jest oparta na zjawisku elektroluminescencji.
Light Emitting Diode
Charakterystyki I(U)
Wyprowadzenia elektrod
UF=1,3-3V
F
I =1-100mA
Parametry elektryczne LED
prÄ…d przewodzenia 1-100mA (1,7A mocy),
napięcie przewodzenia 1,5-4V,
napięcie wsteczne 8-20V,
moc strat 250mW-20W,
częstotliwość graniczna 50kHz-10MHz
- jest to częstotliwość, przy której moc
promieniowania maleje do połowy swojej
Obudowy: metalowe,
wartości maksymalnej,
tworzywa sztuczne,
przezroczyste, matowe,
trwałość diod - około 105 godzin.
barwione.
Dioda punktowa i planarna - zastosowania
Pilot, myszka
Sterowanie wskaz
nika Ä…-numerycznego
7. segmentowego z kropkÄ…
Diody mocy LED - problemy
Zmiana charakterystyki złącza p-n (kolor niebieski) przy
zwiększeniu temperatury złącza.
Diody mocy LED  problemy - rozwiÄ…zanie
y
ródło prądowe
Przykładowa aplikacja
zasilania diod LED, do
ustawienia prądu stałego
użyto zewnętrznego
Żywotność diody LED w zależności
rezystora Rext.
od temperatury złącza oraz prądu
przewodzenia (lampa XRE, temp.
otoczenia 35°C)
Zamiennik LED klasycznej żarówki z gwintem E27
Aplikacja z użyciem sprzężenia zwrotnego dla uniezależnienia jasności
świecenia diod od napięcia zasilania.
Dane: BZX84C6V8/350 mW
Sygnalizator progowy
LED HLMP-1700 IFmax=7,5 mA,
IFmin=2 mA, VF=1,9 V
napięcia
R2=10 k&!, VCC=12 V11 VLED
Detektor napięcia baterii
Low Battery Detector
350 mW
IZ max = = 51,47mA
(1)
6,8 V
IZ min = 0,1IZ max = 5,1mA
(2)
IZ min )#IZ = 10mA)#IZ max (3)
VCC R2(VCC -V+)
VCC -VZ
(4) V+ = R2 R1 = (6)
VCC = IZ R3 +VZ R3 =
R1 + R2 V+
IZ
10(11- 6,8)k&! = 6,17k&! typ R1 = 6,2k&! (7)
11- 6,8
(5)
R1 =
R3= k&! = 420&! typ R3 = 430&!
6,8
10
VCC -VF - VCEsat
VCC = VF + IF R4 + VCEsat R4 =
(8)
IF
Przykład
11 -1,9 - 0,2 8,9
projektowania.
(9)
R4 = k&! = k&! = 2,225k&!typ R4 = 2,2k&!
4 4
LED podsumowanie
Zalety diod LED:
niewielkie rozmiary,
wysoka sprawność,
duża wartość luminancji (miara natężenia oświetlenia
padającego w danym kierunku, miara wrażenia wzrokowego),
niskie zużycie energii elektrycznej,
niewielka emisja ciepła,
duża trwałość,
duża wytrzymałość na uszkodzenia,
możliwość uzyskania różnych barw światła,
brak promieniowania UV.
Fotodioda-budowa, zasada działania
UD
ëÅ‚ öÅ‚
h½ `" 0 ID = IS ìÅ‚eVT -1÷Å‚ - I
f
ìÅ‚ ÷Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
Fizyczne podstawy działania fotodiody
Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwykła dioda
krzemowa. Różnica jest w obudowie, gdyż znajduje się tam
soczewka płaska lub wypukła, umożliwiająca oświetlenie
jednego z obszarów złącza. Fotodiody wykonuje się z
krzemu lub arsenku galu. Fotodiodę można traktować jako
z
ródło prądu o wydajności zależnej od natężenia
oświetlenia.
Fotodiodę polaryzuje się zaporowo zewnętrznym z
ródłem
napięcia. Pod wpływem oświetlenia przez fotodiodę płynie
prąd wsteczny, który zwiększa się ze wzrostem oświetlenia.
Przy braku oświetlenia przez fotodiodę płynie niewielki
ciemny, prąd wsteczny wywołany generacją termiczną
nośników. Prąd ten narasta liniowo wraz ze wzrostem
wartości napięcia wstecznego.
Fizyczne podstawy działania fotodiody
Przy oświetleniu fotodiody w pobliżu jej powierzchni są
generowane pary nośników dziura-elektron. Obszar
Å‚adunku przestrzennego i zwiÄ…zana z nim bariera
potencjału uniemożliwiają przepływ nośników
większościowych, natomiast nośniki mniejszościowe (tj.
dziury w obszarze n i elektrony w obszarze p) dyfundujÄ…
do obszaru Å‚adunku przestrzennego, sÄ… przyspieszane i
pokonują złącze. Przez złącze płynie dodatkowy prąd
fotoelektryczny If. PrÄ…d ten jest proporcjonalny do mocy
promieniowania padajÄ…cego na jej powierzchniÄ™, nie
zależy od napięcia wstecznej polaryzacji i wartości
obciążenia.
Fotodioda  charakterystyki I(U)
E  natężenie oświetlenia
Przez złącze płynie prąd fotoelektryczny. Prąd ten jest
proporcjonalny do mocy promieniowania padajÄ…cego na jej
powierzchnię, nie zależy od napięcia wstecznej polaryzacji
i wartości obciążenia.
Parametry fotodiody
maksymalne napięcie wsteczne URmax = 10  500V,
maksymalny prÄ…d ciemny IR0max = 1  100nA,
czułość na moc promieniowania Spe = 0,3  1A/W,
czułość na natężenie oświetlenia SEV = 10  100nA/lx.
Zaletą fotodiody jest duża częstotliwość pracy 10 MHz (pin 1
GHz)
Natomiast wadą jest dość silna zależność prądu fotodiody od
temperatury.
Zastosowania fotodiody
" w urzÄ…dzeniach komutacji optycznej,
" w układach zdalnego sterowania,
" w szybkich przetwornikach analogowo 
cyfrowych,
" w układach pomiarowych wielkości
elektrycznych i nieelektrycznych np. do
pomiaru wymiarów, odległości, stężeń i
zanieczyszczeń roztworów, częstotliwości
i amplitudy drgań, naprężeń itp.
Fotodioda jako fotodetektor
przetwornik łącze światłowodowe
prąd-napięcie
odporność
światłowodów
na zewnętrzne
zakłócenia
elektromagnetyczne
Model fotoogniwa
UD
ëÅ‚ öÅ‚
h½ = 0 ID = IS ìÅ‚eVT -1÷Å‚
ìÅ‚ ÷Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
UD
ëÅ‚ öÅ‚
h½ `" 0 ID = IS ìÅ‚eVT -1÷Å‚ - I
f
ìÅ‚ ÷Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
Fotoogniwo, bateria sÅ‚oneczna, 1m2 ~ 300W, ·=15%
I
ëÅ‚ öÅ‚
f
ID = 0 UD = U `" 0 U = VT lnìÅ‚ +1÷Å‚
f f
IS
íÅ‚ Å‚Å‚
Charakterystyka I-V rzeczywistego ogniwa słonecznego oraz
mocy generowanej przez ogniwo w funkcji napięcia
Voc - napięcie obwodu otwartego (ang. Open Circuit Voltage),
Isc - prÄ…d zwarcia (ang. Short Circuit Current),
FF - współczynnik wypełnienia (ang. Fill Factor)
MPP - moc w maksymalnym punkcie pracy (ang. Maximum Power Point),
sprawność (ang. Efficiency)
P0  moc promieniowania oświetlającego powierzchnię ogniwa.
Ogniwo fotowoltaiczne - przykład
Światło pada na fotodiodę, w której do złącza pn
przyłożono ujemną polaryzację, przy czym uzyskano
fotoprÄ…d If=108Is.. Oblicz SEM dla T=300K.
I
ëÅ‚ öÅ‚
f
ID = 0 UD = U `" 0 U = VT lnìÅ‚ +1÷Å‚
f f
IS
íÅ‚ Å‚Å‚
kT
VT = = 25 mV
q
ëÅ‚ öÅ‚
108 IS
U = 25 mV Å"lnìÅ‚ + 1÷Å‚ = 0,47V
f
ìÅ‚ ÷Å‚
IS
íÅ‚ Å‚Å‚
Ogniwo fotowoltaiczne - przykład
Średnia wartość nasłonecznienia padającego na 1m2
Ziemi wynosi 500W. Sprawność konwersji ·=15%.
Obliczyć powierzchnię baterii PV potrzebnej do
zasilania 100 W żarówki.
P2 W
· = P1 = 500 Å" A Å" m2
P1
m2
P2 = ·P1 = · Å" A Å" 500W
100
A = = 1,3m2
0,15 Å" 500
Dołączenie instalacji pozyskiwania energii
z modułów fotowoltaicznych do sieci
energetycznej
Generator PV na stropodachu WE PB wraz z WykonawcÄ…
20 grudnia 2012
Jakub Dawidziuk 13 listopada
2015
Fototranzystory  zasada działania
Fototranzystory
Fototranzystorem nazywamy element półprzewodnikowy
z dwoma złączami p-n. Działa tak samo jak tranzystor z tą
różnicą, że prąd kolektora nie zależy od prądu bazy, lecz
od natężenia promieniowania oświetlającego obszar
bazy. Oświetlenie wpływa na rezystancję obszaru emiter-
baza. Wykorzystuje siÄ™ tu zjawisko fotoelektryczne
wewnętrzne, tj. zjawisko fotoprzewodnictwa.
Fotoprzewodnictwo polega na zwiększaniu
przewodnictwa elektrycznego pod wpływem energii
promienistej powodującej jonizacje atomów w ciele
stałym, wskutek czego zwiększa się liczba swobodnych
elektronów powstających w półprzewodniku.
Fototranzystory  zasada działania
Oświetlenie fototranzystora powoduje wygenerowanie par elektron-
dziura w warstwie typu p. Elektrony jako ujemne nośniki ładunku
przechodzą do obszaru kolektora dzięki polaryzacji zaporowej złącza
kolektorowego. Dziury nie mogą przejść do obwodu emiterowego z
powodu istniejącej bariery potencjału na złączu baza-emiter. Część z
nich jednak przechodzi do emitera, gdyż mają dostatecznie dużą
energiÄ™ kinetycznÄ… i tam ulegajÄ… rekombinacji. Natomiast dziury,
które nie przeszły powiększają nieskompensowany ładunek dodatni,
obniżając barierę energetyczną złącza emiterowego. W wyniku czego
elektrony z obszaru n pokonują barierę zwiększając strumień
elektronów przechodzących z emitera do bazy, a potem do kolektora.
Elektrony te zwiększają prąd kolektora w znacznie większym stopniu,
niż elektrony które powstały w wyniku generacji par elektron-dziura
bezpośrednio w obszarze bazy pod wpływem oświetlenia. W ten
sposób zachodzi wewnętrzne wzmocnienie prądu fotoelektrycznego
IP. Przez fototranzystor nie oświetlony płynie niewielki prąd ciemny
ICEO.
Fototranzystory  zasada działania
PrÄ…d jasny kolektor-emiter fototranzystora w OE
IC = ²I + ICE0
f
W fototranzystorach końcówka bazy może być wyprowadzona na
zewnątrz obudowy lub nie, dlatego też fototranzystor może pracować
jako:
" fotoogniwo, wykorzystuje się złącze kolektor-baza,
" fotodioda, wykorzystane jest złącze kolektor-baza przy polaryzacji
zaporowej,
" fototranzystor bez wyprowadzonej końcówki bazy w tym przypadku
pracuje jako normalny fototranzystor,
" fototranzystor z wyprowadzoną końcówką bazy  można go
niezależnie sterować optycznie i elektrycznie.
Charakterystyka prądowo-napięciowa
i czułości widmowej
Właściwości fototranzystorów
Zalety:
duża czułość dzięki wzmocnieniu prądu
fotoelekrycznego,
możliwość sterowania elektrycznego i świetlnego.
Wada-niska częstotliwość graniczna około 300 kHz, w
układzie Darlingtona-około 30 kHz.
Zastosowanie: układy automatyki i zdalnego
sterowania, układy pomiarowe wielkości elektrycznych i
nieelektrycznych, przetworniki analogowo  cyfrowe,
układy łączy optoelektronicznych, czytniki taśm i kart
kodowych itp.
Proste przetworniki fotoelektryczne
U = UCC - ²RI
wy f
Uwy = ²RI
f
Transoptory
Fotoodbiorniki możemy sprzęgać z diodami elektroluminescencyjnymi, w
celu przesłania sygnałów na drodze optycznej. W ten sposób uzyskujemy
przekazywanie sygnałów z jednego układu do drugiego, przy
galwanicznym odseparowaniu tych układów. Tak powstały przyrząd
nazywamy transoptorem (dioda i fotodetektor w różnych obudowach) lub
Å‚Ä…czem optoelektronicznym (dioda i fotodetektor w jednej obudowie).
Transoptor jest
półprzewodnikowym elementem
optoelektronicznym, składającym
siÄ™ z co najmniej jednego
fotoemitera i co najmniej jednego
fotodetektora, umieszczonych we
Budowa transoptora
wspólnej obudowie.
1  fotoemiter, 2  fotodetektor, 3 
światłowód, 4  obudowa.
Transoptory
brak połączeń galwanicznych we-wy
fotoemiter-LED w zakresie podczerwieni
fotodetektor-często fotodioda, fototranzystor,
fototyrystor, fototriak, fotodarlington, fotodioda i
tranzystor, bramka logiczna, komparator, fotorezystor
Charakterystyka wejściowa i wyjściowa
transoptora CNY17-3
Wytrzymałość izolacji
kilkaset woltów
lub kilka kV