Docente: Prof. Mauro De Berardis  

Lavori eseguiti dagli alunni della classe Quinta B TIEN  IPSIA Teramo        

Coordinamento: Prof. Mauro De Berardis, Prof. Loreto Giovannucci

Dispositivi optoelettronici

Lavoro eseguito dall'alunno Juri Uccello

Cenni di optoelettronica.

Il tecnico elettrico ed elettronico deve familiarizzarsi sempre più con i fenomeni elettroottici e con la componentistica che esiste in questo settore, sia nel campo dei controlli e delle applicazioni elettroniche (optoisolamento), sia nel campo delle telecomunicazioni. In particolare la rivoluzione telematica interesserà nei prossimi anni produttori, installatori, utilizzatori e distributori di materiale elettrico, nonché coloro che sono chiamati a gestire le società complesse. Alle fibre ottiche sarà destinato il ruolo di costituire il supporto della rete di telecomunicazioni che sarà come il sistema nervoso della moderna società. L’utilizzazione della fibra ottica come supporto di canali di trasmissione mira alla completa sostituzione dei fili in rame.

Fotoresistore.

Il fotoresistore è un dispositivo a semi conduttore sensibile alla luce (con lunghezza d’onda compresa tra 380 nm e 760 nm ). La sua caratteristica è quella di avere un valore di resistenza molto elevata al buio e di diminuire la propria resistenza all’aumentare della radiazione luminosa che lo colpisce. È in grado pertanto di trasformare le variazioni di tensione o di corrente.

Viene realizzato con una barra di materiale semiconduttore, generalmente solfuso di cadmio ( CdS ), ma anche solfuro di piombo ( PbS ), seleniuro di piombo (Pbse), seleniuro di cadmio ( CdSe ) o selenio ( Se ), drogati con impurità di tipo N.

La fotoresistenza è costituita da uno strato molto sottile di semi conduttore sul quale sono appoggiati gli elettrodi metallici disposti a pettine.

La radiazione luminosa incidente cede parte della propria energia alle coppie elettroni-lacune che possono raggiungere un livello energetico tale da rompere i legami covalenti e portare i portatori di carica in banda di conduzione. Con questo sistema si creano cariche libere che aumentare la conduzione e di conseguenza diminuire la resistenza.

Le fotoresistenze possono essere alimentate sia in corrente continua che in corrente alternata e, al variare dell’intensità luminosa in una stessa fotoresistenza, la resistenza può variare, tipicamente, da qualche megaohm in condizioni completa oscurità, a qualche ohm in condizioni di piena illuminazione. Questi dispositivi possono dissipare potenze notevoli e sono quindi in grado di pilotare direttamente carichi di media potenza come i relè elettromeccanici.

Purtroppo l’impiego delle fotoresistenze è limitato dalla loro lentezza nel rispondere alle variazioni d’intensità per via della lentezza della ricombinazione elettronilacune. Il tempo di risposta si aggira intorno a 0.3-0.4 ms.

Il rapporto tra l’intensità della radiazione e il numero delle cariche libere generato può essere in prima approssimazione considerato proporzionale. Il legame tra la resistenza del fotoresistore R e l’illuminamento E è dato dalla formula:

R = K E

dove K ed a sono delle costanti tipiche del fotoresistore.

Nelle applicazioni pratiche i terminali del fotoresistore vengono alimentati con una differenza di potenziale esterna grazie alla quale i portatori di carica possono attraversare il dispositivo ed il circuito ad esso collegato.

Sistemi di comunicazione ottici.

Nei sistemi di comunicazione si ha il trasporto di una informazione a distanza. Normalmente questo trasporto avviene attraverso segnali elettrici o elettromagnetici. Negli ultimi anni si è andata sviluppando una tecnica nella quale l’informazione viene trasportata da segnali ottici. Poiché la propagazione diretta di segnali luminosi attraverso l’atmosfera non è di pratica applicazione, sono stati realizzati dei "supporti" che contengono il segnale ottico e lo guidano da una sorgente ad una destinazione (fibre ottiche ). I sistemi di comunicazione in fibra ottica presentano i sequenti vantaggi rispetto ai cavi conduttori:

I componenti fondamentali di un sistema di comunicazione in fibre ottica sono:

Sorgenti ottiche.

Le sorgenti ottiche esistenti in commercio sono i diodi emettitori di luce (LED) ed i diodi laser (LD) . Entrambi possono essere realizzati in modo da generare radiazioni a lunghezze d’onda differenti. Entrambi in prima approssimazione , emettono una potenza ottica proporzionale alla corrente di pilotaggio. In realtà questa conversione non è affatto lineare e questo è il motivo fondamentale per cui nei sistemi in fibra ottica si preferisce trasmettere soprattutto segnali digitali.

Nei diodi LED viene sfruttato un particolare effetto che si verifica in una giunzione PN polarizzata direttamente. Gli elettroni vengono iniettati nella regione P, mentre le lagune vengono iniettate nella regione N e, quando si ricombinano, perdono una parte della loro energia che viene emessa sotto forma di radiazione luminosa. Questo avviene per qualsiasi aggiunsione PN ma mentre nei normali semiconduttori (silicio, germanio )l’intensità e l'efficienza di questa radiazione sono estremamente basse, in altri tipi di semiconduttori ( arseniuro di gallio, fosfuro di gallio, fosfuro di indio )l’efficienza assume dei valori estremamente alti.

In funzione delle percentuali dei vari composti e dei materiali droganti, la lunghezza d’onda delle radiazioni può variare da 560 a 900 nm abbracciando il campo che va dal verde all’infrarosso.

I LED ofrono generalmente una buona affidabilità ed un costo più basso, piccoli ingombri e si accoppiano molto bene con le fibre ottiche. La luce generata dai LED tuttavia non è monocromatica, cioè sono presenti componenti a diverse frequenze ed è incoerente perchè ogni fotone viene emesso indipendentemente dagli altri quando un elettrone decade dal suostato di equilibrio ( emissione spontanea ). La denominazione LASER ( light Amplification by Simulated Emission of radiation) vuol dire amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni. Nel diodo laser si ha un effetto di emissione stimolata, analogo a quello che si verifica nei laser a gas, che produce radiazione coerente. Con un leser si possono produrre fasi di luce che presentano le seguenti caratteristiche:

Se in un atomo eccitato (ad esempio dall’energia termica o da altri tipi di energia) viene colpito da un fotone, che possiede una determinata frequenza, si diseccita e cede la propria energia liberando a sua volta un fotone avente la medesima frequenza e la stessa fase del fotone incidente. Se si intende incrementare l’effetto laser, è necessario fornire energia in grado di eccitare molti atomi, mediante una operazione detta pompaggio.

Quando il numero di atomi eccitati è maggiore di quelli diseccitati si raggiunge uno stato detto inversione della popolazione .

L’effetto laser, osservato per la prima volta nei semiconduttori nel 1962, si verifica quando un fotone raggiunge un elettrone eccitato prima del suo decadimento, stimolandolo a compiere immediatamente la trasformazione a livello inferiore con l’emissione di un nuovo fotone che risulta in fase con il primo. I dispositivi basati su questo principio prendono il nome di laser a semiconduttore. Il diodo laser è costituito da una giunzione PN formata da due stati di arseniuro di gallio fortemente drogato; la giunzione viene polarizzata direttamente da un generatore esterno; durante la conduzione gli elettroni, attraversando la giunzione, si ricambiano come avviene in un normale diodo. La conduzione provoca l’inversione della popolazione necessaria all’effetto laser ed il campo elettrico applicato esternamente consente l’operazione di pompaggio. Il materiale impiegato deve essere posto all’interno di due superfici completamente piane, una completamente riflettente e l’altra solo parzialmente, che fungono da cavità risonante entro la quale i fotoni devono oscillare.

Il diodi laser presentano spettri di emissione molto più stretti dei LED (in pratica possono essere considerati monocromatici), ma sono più costosi e la potenza da essi generata è molto sensibile alla variazione di temperatura. Devono essere quindi situati in ambiente a temperatura costante oppure essere pilotati da un particolare circuito di reazione noto come APC (Automatic Power Control) che stabilizza la potenza emessa al variare della temperatura.

Per sorgenti che emettono alle lunghezze d’onda comprese tra 800 e 900 nm le differenze sostanziali tra LED e LD sono la potenza di picco accoppiata in fibra (-13 dBm per i LED e +3 dBm per i LD), la modulabilità (50 MHz per i LED ed oltre 1 GHz per i LD ) e la larghezza a metà altezza dello spettro di emissione (circa 40 nm e 1 nm rispettivamente).

Anche la vita media prevista per questi dispositivi è molto diversa: la vita garantita dei LED supera i 20 anni, mentre la vita garantita dei LD è di 1 anno (ma possono facilmente raggiungere i 5 anni).

I dispositivi optoelettronici comprendono una vasta gamma di componenti elettronici la cui funzionalità è legata a fenomeni ottici, in particolare alla generazione o alla rilevazione di energia luminosa.

Le applicazioni dei componenti optoelettronici sono numerosissime e si estendono dal campo della visualizzazione di informazioni al rilevamento dati, alla trasmissione dei segnali, al controllo industriale.

Visualizzatori.

I prodotti disponibili sul mercato possono essere raggruppati in due categorie. La prima è costituita da dispositivi impiegati per la visualizzazione di informazione e comprende:

LED (o, più precisamente, VULED: visible light emitter diode) ovvero diodi che ,polarizzati direttamente emettono redazioni in prevalenza entro lo spettro visibile.

Visualizzatori (display) a led costituiti da led disposti secondo varie geometrie, a sette segmenti, a sedici segmenti, a matrice, per rappresentare caratteri numerici o alfanumerici.

Visualizzatori a cristalli liquidi (LCD: liquid crystal display) molto utilizzati, per la bassa dissipazione di potenza, in calcolatrici, orologi, strumenti portatili. Essi non emettono luce propria ma sfruttano la luce ambiente per generare i caratteri.

Visualizzatori a scarica nei gas o a tubi fluorescenti che, per generare i caratteri, sfruttano rispettivamente la ionizzazione di un gas (neon) o la fluorescenza generata dall’urto di elettroni su una superficie opportunamente trattata. Entrambi questi visualizzatori richiedono tensioni piuttosto elevate (rispettivamente dell’ordine di 180 e 24 volt), incompatibili con le alimentazioni e i segnali normalmente disponibili nei sistemi digitali che li pilotano; necessitato pertanto di speciali circuiti di interfaccia.

Emettitori, sensori, fotoaccoppiatori

Una seconda categoria di maggior interesse in questo contesto, comprende:

IRED (infrared emitter diode) ovvero diodi che emettono radiazioni comprese nella banda dell'infrarosso. Vengono largamente utilizzati nel campo della comunicazione dati e nei sistemi di controllo, quasi sempre insieme ad un opportuno elemento fotosensore.

Fotosensori, che includono fotodiodi, fototransistori, fotodarlington, fototriac. Si basano tutti sul principio per cui radiazioni, comprese in un certo intervallo di frequenza, incidenti su una giunzione polarizzata inversamente producono coppie elettrone-lacuna che danno origine ad una fotocorrente

Per una data densità del flusso radiante incidente (H: misurata in mW/cm^2) la corrente IL generata dipende dalla frequenza f della radiazione stessa o, alternativamente, dalla lunghezza d'onda l , legata ad f dalla relazione l =c/f (c=3*10^8 m/s: velocità della luce).

La sensibilità di un fotosensore in funzione della lunghezza d'onda della radiazione incidente viene generalmente espressa da curve di risposta spettrale ; il grafico di fig. 3 presenta le curve di risposta relativa di un foto transistore al silicio e dell’occhio umano confrontate con le curve di emissione di due sorgenti luminose, un diodo ad infrarosso e una lampada al tungsteno. Si noti che la risposta spettrale può essere specificata anche in termini assoluti, ad esempio indicando la corrente generata per m W di potenza incidente (m A/m W) o il numero di elettroni generati per ciascun fotone incidente (vedi Fig.4).Tutti i fotosensori al silicio presentano sostanzialmente la stessa risposta spettrale che evidenzia un massimo della zona dell’infrarosso. Nei fotodiodi, la densità di radiazione incidente determina la fotocorrente Il; in assenza di radiazione permane una debole corrente di perdita, detta corrente di buio (Id:dark current).Nei fototransistori, realizzati con un’estesa giunzione base-collettore, la corrente di collettore Ic(o Il) dipende dalla densità di radiazione incidente e dal guadagno di corrente statico del transistore; in essenza di radiazione, il transistore è interdetto e la corrente Iceo residua costituisce la corrente di buio.

I fotodarlington funzionano sullo stesso principio dei fototransistori ma consentino un guadagno di corrente maggiore e quindi presentano una sensibilità alle radiazioni molto elevata. Nei fototriac il gate, sensibile alla radiazione incidente, comanda il triac innescandolo quando la densità nella radiazione supera una determinata soglia.in condizioni di buio, il triac è spento; la corrente di perdita residua massima è chiamata peak blocking current (Idrm).

Nel seguito della NA è riportata una selezione di fotorilevatore al silicio della Motorola; per ciascun componente sono evidenziate le dimensioni del contenitore, la fotocorrente Il in determinata condizione di alimentazione e densità di radiazione incidente, le tensioni di breakdown e i tempi di commutazione tipici. Per i fototriac sono indicati i valori (massimi )e di densità di radiazione richiesta per innescare il triac (Hft ), il valore efficace massimo della corrente del triac in stato ON, la tensione di picco applicabile ai terminali di uscita del triac in stato OFF, la corrente di buio.Considerati i bassi valori della corrente nello stato ON, generalmente il fototriac viene

utilizzato pre pilotare il secondo triac con prestazioni superiori.

Fotoaccoppiatori: essi contengono un diodo IRED e un fotorilevatore efficacemente accoppiate e separati da un dielettrico trasparente che garantisca l’isolamento elettrico. Per questo motivo vengono anche chiamati optoisolatori

.

L’efficienza di un fotoaccoppiatore nel trasferire il segnale dall’ingresso (IRED) all’uscita è specificata dal parametro CTR (current transfer ratio), cioè dal rapporto fra la corrente di uscita Ic e quella di ingresso If ; esso dipende dell’efficienza radiante dell’IRED, dalla posizione rispettiva dei due elementi, generatore e rilevatore, e dall’efficienza stessa del rivelatore. Nei dispositivi in commercio, il fotorilevatore è spesso un fototransistore; esistono tuttavia fotoaccoppiatori in cui l’elemento fotosensibile di uscita è una configurazione Darlington o un triac o un SCR o anche una porta a trigger di Schmitt.

L’aspetto più importante degli optoisolatori è costituito dal fatto che essi forniscono un ottima separazione galvanica fra l’ingresso e l’uscita con tensioni di isolamento che vanno do 500V a7500V. Ciò li rende molto adatti all’impiego in sistemi in cui sono presenti elevate tensioni di modo comune, nell’interfacciamento di sistemi che presentano differenti livelli in continua, nel controllo di dispositivi di potenza anche elevata in cui si debba mantenere, per raggioni di sicurezza,elettricamente separati il circuito di potenza da quello di comando.

Dispositivi per fibre ottiche. Comprendenti emettitori all’infrarosso, fotodiodi e fototransistori con vari configurazioni di uscita. Oltre ad essere meccanicamente compatibile con specifici connettori per fibre ottiche, essi presentano temi di commutazione ridottissimi; pertanto sono largamente impiegati nel campo delle comunicazioni dati per la realizzazione di canali di trasmissione a frequenza elevata.

Elettronica, Telecomunicazioni ed applicazioni

DIAFONIA

Quando due circuiti telefonici si trovano vicino, una parte dei segnali dell’uno può passare nell’altro attraverso i mutui accoppiamenti capacitivi e induttivi. Infatti il primo circito, detto disturbante, è contornato da un campo elettrico e da un campo magnetico, generati dalla tensione e dalla corrente di segnale; questi campi inducono delle correnti e delle tensioni nel secondo circuito, dando luogo al fenomeno chiamato diafonia, dannoso perché può compromettere la segretezza della conversazione telefonica (diafonia intellegibile) o costituire fonte di rumore (diafonia non intellegibile, detta anche mormorio confuso).

Si possono distinguere due tipi principali di diafonia, schematizzati in figura con riferimento a due linee vicine, una "disturbante" e l’altra "disturbata". Naturalmente il fenomeno è perfettamente reversibile invertendo i ruoli tra linea distubante e linea disturbata.

Nell’ipotesi che la trasmissione avvenga nelle due linee sullo stesso spettro di frequenza, assumono importanza diversa i due tipi di diafonia a seconda dei sensi di trasmissione:

Matematica

Per valutare l'entità della diafonia si usano i decibel. Ad esempio l'attenuazione di paradiafonia è espressa da: Ap=10 log(P1/P2) essendo P1 la potenza del segnale all'origine del circuito disturbante e P2 la potenza del segnale indesiderato.

La funzione logaritmica

Assegnato un numero a, reale positivo e diverso da 1, si dice logaritmo in base a di un numero b reale positivo, l’esponente c a cui si deve elevare la base a per ottenere il numero b e si scrive:

log _ab = c se e solo se a^c= b

La funzione logaritmica, funzione inversa della funzione esponenziale, indicando, come è consuetudine, con x la variabile indipendente e con y la variabile dipendente.

Le proprietà dei logaritmi si ricavano dalle proprietà delle potenze.

Dalle relazioni a⁰ = 1 e a¹ = a,

Si ha: log _a1=0 log _aa=1

log _a(b*c) = log _ab+log _ac

log _a b/c = log _a b - log _ac

log _a b^c = c* log _ab

Tabella dei logaritmi in base 10

FEATURES

DESCRIPTION

The 4N25, 4N26, 4N27, and 4N28 are optically coupled isolated pairs, each consisting of a Gallium Arsenide infrared LED and a silicon NPN phototransistor. Signal information, including a DC level, can be transmitted by the device while maintaining a high degree of electrical isolation between input and output. They can be used to replace relays and transformers in many digital interface applications. They have excellent frequency response when used in analog applications.

Traduzione

CARATTERISTICHE.

DESCRIZIONE.

I 4n25, 4n26, 4n27, sono coppie isolate ed accoppiate otticamente, oguno consiste di Gallium Arsenide infrarosso ed un fototransistor al silicio. Il segnale informazione, incluso il livello DC, può essere trasmesso dal dispositivo mentre mantiene un alto grado di isolamento elettrico tra l’ingresso e l’uscita.

Possono essere usati per sostituire in molte applicazioni a interfaccia digitale. Hanno un eccellente risposta di frequenza quando usate nell’applicazioni analogiche.