Úloha je zaměřena na měření světelných charakteristik fotoelektrických prvků (součástek). Při tomto měření se využívají fotorezistor, fototranzistor a fotodioda. Tyto prvky nemusí sloužit jen jako samostatné jednoduché snímače např. pro měření přítomnosti objektu, počítání komponent, měření intenzity osvětlení apod., ale mohou být i součástí konstrukčně náročnějších snímačů jako je například IRC snímač (Enkoder), kde se využívá jejich princip ve světelných závorách.
Seznamte se se součástkami pro detekci světelného záření (fotorezistor, fototranzistor a fotodioda).
Proveďte na měřicím přípravku měření:
světelné charakteristiky fotorezistoru,
světelné charakteristiky fototranzistoru,
světelné charakteristiky fotodiody v hradlovém zapojení,
světelné charakteristiky fotodiody v odporovém zapojení.
Určete vliv různých zdrojů osvětlení (LED, žárovka) na světelnou charakteristiku uvedených fotodetektorů.
Spočítejte rovnice regresních přímek v lineárních úsecích statických charakteristik, proveďte celkové zhodnocení měření a srovnání.
Obr. 1 Propojení úlohy s PC
V optoelektronice rozumíme pod pojmem detektor prvek, který převádí zářivou energii na jinou měřitelnou veličinu, např. elektrický proud, napětí apod. Fotodetektory podle principu dělíme do dvou skupin. U první skupiny, způsobují tepelné účinky dopadajícího záření změnu teploty detektoru a tím i změnu některého jeho teplotně závislého parametru. Druhou skupinu tvoří kvantové detektory, u nichž dochází k přímé interakci mezi elektrony materiálu detektoru a fotony dopadajícího záření.
Fotoelektrický jev je fyzikální proces, při kterém elektromagnetické záření interaguje s látkou a uvolňuje elektrony. Dělí se na vnější, kde elektrony opouštějí povrch kovu (využití např. ve fotonásobičích), a vnitřní, kde se uvolněné elektrony pohybují uvnitř materiálu a mění jeho vodivost (využití ve fotodiodách či solárních panelech).
Při vnějším fotoelektrickém jevu dopadají fotony na povrch kovu (katody). Pokud má dopadající záření dostatečnou energii, elektrony překonají tzv. výstupní práci a jsou emitovány do vakua nebo plynného prostředí. Tento jev je základem pro kvantovou teorii světla.
Při vnitřním fotoelektrickém jevu fotony interagují s polovodiči. Energie záření způsobí uvolnění elektronů z kovalentních vazeb, čímž vzniknou volné elektrony a tzv. děry (kladné náboje). Tím se skokově zvyšuje elektrická vodivost materiálu.
Fotovodivostní jev (fotorezistory): Dopadající světlo snižuje elektrický odpor polovodiče.
Hradlový jev (fotodiody, fotovoltaické články): Uvolněné elektrony a díry jsou odděleny vnitřním elektrickým polem na přechodu P-N, čímž vzniká elektrické napětí a proud v externím obvodu.
Využití: Využívá se masivně v solárních (fotovoltaických) panelech, optických senzorech, digitálních fotoaparátech (CCD a CMOS snímače) a bezpečnostních fotobuňkách.
Voltampérová charakteristika fotodetektoru udává závislost fotoproudu na přiloženém napětí při určitém konstantním osvětlení.
Světelnou charakteristiku fotosenzoru lze získat ze skupiny křivek, odpovídajících řadě hodnot světelného toku Φ, závislost fotoproudu na světelném toku Φ.
Frekvenční charakteristika charakterizuje citlivost snímače na vlnovou délku záření. Citlivost detektoru je pro nižší kmitočty přibližně konstantní, pro vyšší kmitočty klesá až k nule.
Časová konstanta fotodetektoru T je čas, během něhož vzroste fotoproud (při skokové změně osvětlení) na 63,2 % ustálené hodnoty.
Práh citlivosti je nejmenší hodnota zářivého toku nebo osvětlení, která může být indikována snímačem. Je dán úrovní šumu ve snímači a v jeho elektrickém obvodu, velikostí citlivé plochy fotodetektoru, šířkou pásma propustnosti.
Proud za tmy je fotoproud na výstupu fotosenzoru, na jehož účinnou plochu nedopadá zářivý tok. S chlazením snímače klesá jak proud za tmy, tak šum.
Fotorezistor je pasivní elektronická součástka, jejíž elektrický odpor se mění v závislosti na intenzitě dopadajícího světla. S rostoucí intenzitou osvětlení se jeho odpor výrazně snižuje.
Fotorezistor funguje na základě tzv. vnitřního fotoefektu. Je vyroben z polovodičového materiálu (např. sulfid kademnatý – CdS). Když na něj dopadají fotony světla, dodávají energii elektronům v polovodiči. Ty se uvolní a začnou vést elektrický proud, čímž se odpor součástky zmenší. Ve tmě je naopak odpor fotorezistoru velmi vysoký (v řádu megaohmů).
Fototranzistor je polovodičová součástka, která mění intenzitu dopadajícího světla na elektrický proud. Funguje jako běžný tranzistor, ale místo elektrického proudu v bázi řídí jeho sepnutí světelné záření (fotony).
Fotodioda je polovodičová součástka citlivá na světlo, která přeměňuje světelné záření (foton) na elektrický proud nebo napětí. Konstrukčně jde o běžný PN přechod, který je upraven tak, aby na něj mohlo dopadat světlo. Využívá se například ve světelných senzorech, optických přijímačích nebo solárních článcích.
Když na PN přechod fotodiody dopadne světlo o dostatečné energii, uvolní se elektrony, čímž vznikne elektrický náboj. Množství generovaného proudu je přímo úměrné intenzitě dopadajícího světla.
Pracuje ve dvou hlavních režimech:
Fotovoltaický režim: (bez vnějšího napájení) Světlo vytváří napětí. Na tomto principu fungují solární panely (fotovoltaické články).
Fotovodivý režim: (s vnějším zdrojem napětí) !!!Zapojuje se v závěrném směru!!! Při dopadu světla se mění velikost protékajícího proudu. Používá se pro velmi rychlou detekci světelných impulsů, např. v optických vláknech.
Pro obsluhu úlohy je vytvořeno jednoduché grafické rozhraní pro ovládání intenzity osvětlení zdroje světla (žárovka, LED).
Obr. 6 Aplikace pro ovládání intenzity světelných zdrojů
Propojte systém s PC a spusťte program v PC pro ovládání světelných zdrojů.
Světlocitlivé prvky i sonda pro měření aktuální intenzity osvětlení je umístěna v boxu a výstupy jednotlivých světlocitlivých prvků jsou vyvedeny ven na zdířky. Zapojte obvod s LED diodou v hradlovém zapojení (bez zdroje).
Nastavujte hodnoty PWM výstupu od 0–255 po krocích 25 a zaznamenejte hodnoty intenzity osvětlení a proudu v jednotlivých krocích. Měření proveďte pro oba zdroje osvětlení (jak pro LED, tak pro žárovku). Data zaznamenejte do tabulky v Excelu.
Nyní zapojte do obvodu zdroj !!!POZOR DIODU NUTNO ZAPOJIT V ZÁVĚRNÉM SMĚRU!!! jinak dojde k jejímu zničení. A opět nastavujte hodnoty PWM v celém rozsahu a zaznamenejte do další tabulky v Excelu hodnoty intenzity osvětlení a proudu pro oba zdroje světla.
Opakujte bod 4 pro fotorezistor a fototranzistor. U fototranzistoru musíte opět dodržet polaritu zdroje (+C a -E ), u fotorezistoru na polaritě napětí nezáleží.
Z naměřených dat vytvořte světelné charakteristiky, grafy pro jednotlivé světlocitlivé prvky. V jednom grafu (pro jeden typ zapojení) budou vždy dvě světelné charakteristiky pro dva zdroje světla (LED, žárovka).
Zhodnoťte naměřené charakteristiky senzorů z pohledu použitých zdrojů záření, citlivosti a měřených proudů.
Co je to vnitřní fotoelektrický jev?
Vysvětlete princip světelné závory.
Co je to vnější fotoelektrický jev?
Co je to světelná charakteristika fotosenzoru a jak ji měříme?
Co je to V-A charakteristika fotosenzoru?
