Číslo projektu Číslo materiálu CZ.1.07/1.5.00/34.0581 VY_32_INOVACE_ENI_2.MA_13_Nekoherentní zdroje záření Název školy Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Autor Ing. Miroslav Krýdl Tematická oblast ELEKTRONIKA Ročník druhý Datum tvorby 26.6.2012 Anotace Tematický celek je zaměřen na problematiku základů elektroniky. Prezentace je určena žákům 2.ročníku, slouží jako doplněk učiva. Pokud není uvedeno jinak, použitý materiál je z vlastních zdrojů autora
Nekoherentní zdroje záření
Náhodné vyzařování kvant energie optického záření jednotlivými atomy se vyskytuje ve všech přírodních zdrojích světla i v běžných umělých světelných zdrojích : slunce žárovka doutnavka výbojka zářivka horské slunce elektrický oblouk elektroluminiscenční dioda LED (Light Emitting Diode) V celkovém záření nekoherentního zdroje neexistuje prostorový nebo časový vztah při záření jednotlivých atomů. Nekoherentní zdroje optického záření se používají k přenosu informací; při vyšších modulačních kmitočtech však nejsou všechny použitelné, např. u žárovky má vyzařování vlákna určitou setrvačnost. Kromě toho musí nekoherentní zdroj dobře navazovat na optické přenosové prostředí, mít malou spotřebu energie, malé rozměry, kmitočtově navazovat na fotoelektrický měnič přijímače apod. Náročným požadavkům pro optické spoje vyhovuje z nekoherentních zdrojů záření zatím pouze elektroluminiscenční dioda - LED.
Elektroluminiscenční dioda LED (Light Emitting Diode) LED dioda pracuje podobně jako polovodičový laser. K přechodu PN přivádíme proud I v propustném směru. Optické záření vzniká na přechodu při rekombinaci děr a elektronů. Kmitočet záření závisí na volbě polovodičového materiálu; nejčastěji se používá arzenid a fosfid galia.
Elektroluminiscenční dioda LED (Light Emitting Diode) Na rozdíl od polovodičového laseru není u elektroluminiscenční diody vytvořen rezonátor. Záření v LED se šíří v polovodičovém materiálu přímočaře všemi směry, na rozhraní polovodiče a okolí dochází k odrazům, čímž se snižuje výstupní výkon záření. Směrové vyzařovací vlastnosti LED se zlepšují zeslabením polovodivé vrstvy, kterou záření vychází ven, nebo i jinými úpravami. Soustředění vyzářeného výkonu jedním směrem je potřebné k jeho zavedení do optického vlákna. Elektroluminiscenční diodu modulujeme proudem. Modulační kmitočet dosahuje nyní asi 100 MHz. Vyzářený výkon je v značném rozsahu přímo úměrný budícímu proudu, takže LED lze použít k i přenosu analogových signálů. Nevýhodou LED je poměrně velká šíře pásma při spontánní emisi.
Dva typy PN přechodů a) Homogenní přechody jsou nejjednoduššími typy přechodů, které jsou vytvářeny z jednoho typu materiálu na obou stranách dotovaného příměsemi P a N. Diody s homogenním přechodem byly první, které byly vyvinuty. Využívají částečně průhledný materiál jako je gallium arsenid (GaAs). Obr. 1 b) Heterogenní přechody se skládají ze dvou různých polovodičových materiálů jako např. GaAS a AIGaAS. Heterogenní přechody obsahují více přechodů PN a jsou výkonnější než diody s homogenním přechodem, složitější a dražší. Jejich využití je význačné zejména u laserových diod. Obr. 2
Barva vyzařovaného světelného paprsku Diody LED mohou vyzařovat paprsky v infračervené, ve viditelné nebo v ultrafialové oblasti. Barvu vyzařovaného optického záření určuje použitý materiál, vzájemný poměr složek jednotlivých materiálů a provedené dotace. Např. diody vyrobené na bázi sloučeniny obsahující 35 % galliumarsenidu a 65 % fosforu (označuje se GaAsC 0,35 P 0,65 ) svítí červeně (energie zakázaného pásu 1,95 ev), diody GaAs 0,15 P 0,85 svítí žlutě (energie zakázaného pásu 2,1 ev). Nejčastěji používanými materiály jsou sloučeniny prvků III. a V. skupiny periodické soustavy prvků jako GaP, GaAsP, GaAIAs, AIGaInP pro barvy od zelené do červené, GaN, InGaN a SiC pro modře svítící diody.
Barva vyzařovaného světelného paprsku Barva LED je často udávána v nm. Barvu LED určíme ze spektrální charakteristiky. Spektrální charakteristika udává poměrnou svítivost diody v závislosti na vlnové délce. Obr. znázorňuje přiklad spektrální charakteristiky zeleně svíticí LED. Šířka spektra je udávána pro poměrnou svítivost 0,5 (50 % maximální svítivosti diody), a je označena výrazem Dl. Obr. 3
RGB LED diody V názvu RGB jsou zahrnuty barvy R-red (červená), G-green (zelená), B- blue (modrá). Výrobci LED diod vyrábějí tyto diody v provedeních se čtyřmi, případně se šesti vývody. Provedení se čtyřmi vývody mají propojené bud' anody (společné anody) nebo katody (společné katody). Příklad spektrálních charakteristik diod jednotlivých barev použitých v RGB diodě. Pro porovnání je do grafu nakreslena i relativní citlivost průměrného lidského oka na jednotlivé barvy (přerušovaná čára). Hlavním účelem výroby RGB LED je možnost generace všech barev včetně bílé. Obr. 4
Bílé LED diody Generování bílého optického záření je uskutečňováno dvěma způsoby a) využitím více barevných LED; b) použitím LED a luminoforu. Bílé diody jsou nejmladším typem svítivých diod. Jejich význam vzrůstá s vývojem technologií supersvítivých LED. Odstín bílého optického záření je udáván barevnou teplotou.
Bílé LED diody a) Při generování optického záření použitím vícebarevných LED jsou využívány následující kombinace barev: modrá a žlutá; modrá zelená - červená (RGB); modrá zelená žlutá - červená. b) Kombinace LED a luminoforu: modrá LED a žlutý luminofor (jako žlutý luminofor je často používán luminofor s označením YAG-Yttrium-Aluminium-Garnet (yttrium-hliníkgranát); UVLED a červený zelený modrý luminofor; kombinace modré a červené, případně jiných barev LED a luminoforů.
Bílé LED diody Nejčastějším způsobem realizace bílé LED je z cenových důvodů kombinace modré LED a luminoforu. Podle použitého luminoforu může mít optické záření odstín od nažloutlé po namodralou barvu. Napětí bílé LED v propustném směru je závislé na použitých polovodičových materiálech a na její struktuře. Zpravidla má hodnotu U F = 3,6 V, případně i větší. Přijatelný způsob technologie výroby modré LED byl objeven začátkem devadesátých let minulého století. Modré diody jsou vzhledem k jejich krátké vlnové délce důležité hlavně pro realizaci paměťových médii na optických discích, ve skenerech určených pro skenováni obrazů, pro barevné tiskámy, biomedická diagnostická zařízení apod.
Konstrukční řešení luminiscenčních diod Destička polovodiče (1) se světlo emitujícím přechodem PN je připájena na základnu (2), která vytváří vývod vrstvy P. Tenký kovový vývodní drátek (3) připájený k vrstvě N je součástí druhého vývodu (4) odizolovaného od základny průchodkou (5). Horní část pouzdra diody je opatřena čočkou (6) k vytvoření žádaného vyzařovacího diagramu. Obr. 5 Obr. 5
Vlastnosti luminiscenčních diod Mají velmi rychlou odezvu, po přivedení (přerušení) propustného proudu dojde ke vzniku (zániku) záření za dobu 10-7 až 10-9 s (u žárovek je to 10-2 s). Výkon potřebný ke vzniku záření je velmi malý, takže luminiscenční diody mohou pracovat i v obvodech s nízkým napájecím napětím, aniž by narušovaly činnost obvodu nebo vyžadovaly přídavné napájecí zdroje. Mají malou hmotnost a rozměry a z toho vyplývající velkou odolnost proti mechanickému namáhání. Generované záření je přibližně monochromatické. Lze je použít v mnoha provozních podmínkách. Udržují stabilní vyzářený výkon Velká životnost Jsou levné Používají se proto na kratších úsecích optických vláknových spojů, kde jejich menší výkon stačí pro spolehlivý přenos signálu. Na delších úsecích optického vlákna výkon LED již nestačí; kromě toho by se též projevilo značné zkreslení přenášeného signálu s tak velkou šíří pásma zdroje záření.
Vícebarevné luminiscenční diody Obr. 6
Superluminiscenční dioda využívá kromě spontánní emise též stimulovanou emisi záření. Konstrukce superluminiscenční diody je podobná polovodičové heterostrukturní laserové diodě, u které se omezí zpětná vazba odstraněním jednoho reflektoru. Superluminiscenční dioda vyzařuje pouze z jedné strany, má vyšší výkon a menší šíři pásma proti LED. Přednosti superluminiscenční diody: velmi rychlá odezva malý výkon potřebný ke vzniku záření přibližně monochromatické generované záření použití v mnoha provozních podmínkách Použití: zdroj záření pro optické vlnovody indikace stavů na řídících pultech Obr. 7 pro zabezpečovací a poplašné systémy
Použité zdroje: Ing.Hubička, Václav. Elektronika dodatek. Praha :NADAS, 1986. 98 s. ISBN 31-041-86-0538. Obr. 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 121: Ing.Hubička, Václav. Elektronika dodatek. Praha :NADAS, 1986. 98 s. ISBN 31-041-86-0538. Ilustrace: archiv autora