Lecție: Dispozitive optoelectronice

1. General - ce sunt dispozitivele optoelectronice?

Aceste componente lucrează cu lumină și semnale electrice, transformând energia luminoasă în energie electrică sau invers.

Definiție

Dispozitivele optoelectronice sunt componente electronice a căror funcționare presupune existența radiației electromagnetice din domeniul optic. Ele pot transforma direct energia luminoasă în energie electrică și, în alte cazuri, energia electrică în lumină.

La baza funcționării lor stau două fenomene importante:

  • absorbția luminii în materialul semiconductor;
  • recombinarea radiativă a purtătorilor de sarcină, adică emisia de lumină.

Caracteristici generale

  • lucrează cu radiație din domeniul optic și cu semnale electrice;
  • pot transforma lumina în semnal electric sau energia electrică în lumină;
  • se folosesc atât la detecție, cât și la semnalizare și afișare;
  • multe sunt realizate din materiale semiconductoare sensibile la lumină;
  • în practică apar în senzori, telecomenzi, afișaje, automatizări și sisteme de măsurare.
Ideea-cheie: unele dispozitive „simt” lumina (fotorezistor, fotodiodă, fototranzistor), iar altele emit lumină (LED).
Imagine preluată din PDF: tipuri constructive de dispozitive optoelectronice.
Imagine preluată din PDF: tipuri constructive de dispozitive optoelectronice.

Exemple de capsule și forme constructive

Tipuri constructive de dispozitive optoelectronice
Exemple de forme constructive pentru dispozitive optoelectronice.

Clasificare rapidă

Receptoare de luminăFotorezistor, fotodiodă, fototranzistor.
Emițătoare de luminăLED, LED IR, afișaje cu LED-uri.
Sisteme mixteOptocuplor, bariere optice, senzori cu emițător și receptor.
Test scurt - capitolul „General”
  1. Ce transformare poate realiza un dispozitiv optoelectronic?
  2. Ce componentă din lista următoare emite lumină: fotorezistor, LED, fotodiodă?
  3. Care sunt cele două fenomene fizice de bază discutate în această lecție?
Afișează răspunsurile
Răspunsuri: 1) transformare lumină ↔ energie electrică; 2) LED; 3) absorbția luminii și recombinarea radiativă.
↑ Înapoi sus

2. Fotorezistorul

Cel mai simplu dispozitiv optoelectronic. Rezistența lui se modifică atunci când este iluminat.

Definiție

Fotorezistorul este un rezistor realizat dintr-un material semiconductor, a cărui rezistență se modifică sub influența unui flux luminos incident.

Caracteristici principale

  • rezistența la întuneric este mare;
  • rezistența în lumină scade pe măsură ce iluminarea crește;
  • nu are polaritate, deci cei doi pini se pot conecta în oricare sens;
  • inerția este mai mare decât la fotodiodă, deci răspunsul nu este instantaneu;
  • este potrivit pentru comenzi simple în funcție de lumină/întuneric;
  • se întâlnește frecvent în comutatoare crepusculare, alarme și circuite simple de detecție.
Identificarea pinilor: fotorezistorul are de obicei doi pini fără polaritate. În practică, îl poți conecta în oricare sens.
Simbolul fotorezistorului, preluat din PDF-ul lecției.
Simbolul fotorezistorului, preluat din PDF-ul lecției.

Structură, aspect real, simbol și variația rezistenței

Fotorezistor - structură, fotografie reală, simbol și grafic
Se observă componenta reală, simbolul și faptul că rezistența scade când iluminarea crește.

Exemple de utilizare

Lămpi automateAprindere automată la lăsarea serii.
Sisteme de alarmăDetectarea întreruperii sau modificării unui fascicul luminos.
Circuite de avertizareComandă simplă în funcție de lumină/întuneric.
Avantaj: este simplu și ieftin.
Dezavantaj: are o inerție relativ mare, deci nu este potrivit pentru aplicații foarte rapide.
Test scurt - Fotorezistorul
  1. Cum se modifică rezistența fotorezistorului când iluminarea crește?
  2. Fotorezistorul are polaritate?
  3. Numește o aplicație practică a fotorezistorului.
Afișează răspunsurile
Răspunsuri: 1) rezistența scade; 2) nu, în mod obișnuit nu are polaritate; 3) lămpi automate, sisteme de alarmă, circuite de avertizare.
↑ Înapoi sus

3. Fotodioda

O joncțiune pn fotosensibilă, folosită mai ales pentru detectarea luminii.

Definiție

Fotodioda este un dispozitiv optoelectronic realizat dintr-o joncțiune pn fotosensibilă, utilizată în mod obișnuit la polarizare inversă.

Caracteristici principale

  • funcționează de regulă la polarizare inversă;
  • curentul la întuneric este foarte mic;
  • curentul fotoelectric crește când fluxul luminos incident crește;
  • are răspuns rapid, deci este bună pentru detecție și semnale optice;
  • trebuie respectată tensiunea inversă maxim admisă;
  • este folosită ca detector de lumină, inclusiv în aplicații IR și comunicații optice.
Identificarea pinilor: la multe capsule, terminalele sunt marcate A = anod și C = catod. Se verifică după schema capsulei sau fișa tehnică.
Simbolul fotodiodei, preluat din PDF-ul despre tranzistor și dispozitive optoelectronice.
Simbolul fotodiodei, preluat din PDF-ul despre tranzistor și dispozitive optoelectronice.

Fotodiodă reală

Fotodiodă reală
Exemplu de fotodiodă în capsulă metalică, cu fereastră pentru lumină.

Capsule și identificarea pinilor

Tipuri constructive și capsule pentru fotodiodă
În imagine apar exemple constructive și orientarea pinilor A/C la mai multe capsule.

Exemple de utilizare

Senzori de luminăDetectarea prezenței sau absenței luminii.
Telecomenzi și IRRecepția radiației infraroșii.
Encodere și bariere opticeNumărare, poziționare, detecție.
Comunicații opticeTransformă lumina primită în semnal electric.
Test scurt - Fotodioda
  1. În ce regim se folosește, de regulă, fotodioda: polarizare directă sau inversă?
  2. Ce înseamnă marcajele A și C de la capsule?
  3. Care este rolul principal al fotodiodei: emisie de lumină sau detecție de lumină?
Afișează răspunsurile
Răspunsuri: 1) polarizare inversă; 2) A = anod, C = catod; 3) detecție de lumină.
↑ Înapoi sus

4. Fototranzistorul

Un tranzistor al cărui curent de colector este controlat de lumină.

Definiție

Fototranzistorul este un dispozitiv optoelectronic realizat pe o structură de tranzistor, al cărui curent de colector este comandat de fluxul luminos.

În multe cazuri, baza nu mai este comandată electric și poate fi lăsată în gol.

Caracteristici principale

  • este mai sensibil decât fotodioda, datorită efectului de amplificare;
  • curentul de colector crește odată cu iluminarea;
  • în multe variante, baza nu mai este comandată electric și poate rămâne în gol;
  • se folosește frecvent în conexiune de tip emitor comun;
  • este foarte util în bariere optice, contoare de obiecte și optocuploare;
  • permite obținerea unui semnal mai ușor de prelucrat decât în cazul unei fotodiode simple.
Identificarea pinilor: la capsulele prezentate apar marcajele E = emitor, C = colector și uneori B = bază. La unele fototranzistoare, terminalul bazei poate lipsi.
Simbolul fototranzistorului, preluat din PDF.
Simbolul fototranzistorului, preluat din PDF.

Fototranzistor real

Fototranzistor - aspect real
Exemple reale de fototranzistoare și capsule folosite în practică.

Configurații de pini și conectare

Configurații de pini pentru fototranzistor
Se observă simbolul, marcajele E/C/B și un exemplu de conectare în circuit.

Exemple de utilizare

Bariere opticeDetecția trecerii unui obiect printr-un fascicul.
OptocuploareCuplaj optic și izolare electrică între două circuite.
Senzori de pozițieDetecție rapidă în automatizări.
Numărare obiecteÎn benzi transportoare și sisteme automate.
Test scurt - Fototranzistorul
  1. Ce mărime controlează curentul de colector al fototranzistorului?
  2. Este mai sensibil decât fotodioda?
  3. Ce pot însemna marcajele E, C și B?
Afișează răspunsurile
Răspunsuri: 1) fluxul luminos; 2) da; 3) emitor, colector, bază.
↑ Înapoi sus

5. Dioda electroluminiscentă (LED)

Componentă semiconductoră care emite lumină atunci când este polarizată direct.

Definiție

LED-ul este o diodă electroluminiscentă care emite lumină atunci când este polarizată direct.

Caracteristici principale

  • curent direct tipic: în multe aplicații se alege aproximativ 20 mA;
  • tensiunea directă depinde de culoare: roșu ≈ 1,6–2 V, verde/galben ≈ 2,2–3 V, albastru ≈ 3,8–4,5 V;
  • tensiunea inversă admisă este mică, de ordinul 3–10 V, deci LED-ul nu se polarizează invers peste limită;
  • culoarea luminii depinde de materialul semiconductor folosit la realizarea joncțiunii;
  • intensitatea luminii crește odată cu curentul direct, dar curentul trebuie limitat;
  • LED-ul are consum mic, durată bună de viață și este foarte folosit la indicare, afișare și iluminare.
Regulă importantă: LED-ul se conectează în circuit cu rezistor în serie, pentru limitarea curentului.
Simbolul LED-ului și semnificația terminalelor, preluate din PDF.
Simbolul LED-ului și semnificația terminalelor, preluate din PDF.

Construcția LED-ului (imagine color)

Structura constructivă a LED-ului
Se disting capsula, cupa reflectoare, dioda internă și emisia luminii.

Identificarea pinilor la LED

Identificarea terminalelor la LED
Anodul (+) este de regulă pinul mai lung. Catodul (-) este lângă teșitură. Se poate verifica și cu multimetrul.

Exemple de utilizare

Indicator de starePower, încărcare, eroare, funcționare.
AfișajeCeasuri, panouri, display 7 segmente.
IluminareBecuri, benzi LED, panouri luminoase.
SemnalizareAuto, aparate electronice, automatizări.
Exemplu simplu: pentru o sursă de 5 V și un LED roșu cu cădere de tensiune de aproximativ 2 V, se alege un rezistor serie astfel încât curentul să rămână sigur.
Test scurt - LED
  1. În ce regim trebuie polarizat LED-ul pentru a emite lumină?
  2. Cum recunoști rapid anodul și catodul la un LED clasic?
  3. De ce montăm un rezistor în serie cu LED-ul?
Afișează răspunsurile
Răspunsuri: 1) polarizare directă; 2) anodul este de obicei pinul mai lung, iar catodul este lângă teșitură; 3) pentru limitarea curentului și protecția LED-ului.
↑ Înapoi sus

6. Comparație tabelară

Rezumat rapid al diferențelor dintre principalele dispozitive optoelectronice studiate.

Dispozitiv Rol principal Polarizare obișnuită Ce se modifică? Identificarea pinilor Exemple de utilizare
Fotorezistor Detectează nivelul de lumină prin modificarea rezistenței Nu are polaritate Rezistența scade când lumina crește 2 pini, de regulă fără polaritate lămpi automate, alarme, comutatoare crepusculare
Fotodiodă Transformă lumina în curent electric Polarizare inversă Curentul crește odată cu iluminarea A = anod, C = catod senzori IR, receptoare optice, măsurarea luminii
Fototranzistor Detectează lumina cu sensibilitate mai mare Ca un tranzistor, frecvent în emitor comun Curentul de colector este comandat de lumină E = emitor, C = colector, uneori B = bază bariere optice, optocuploare, automatizări
LED Emite lumină Polarizare directă Emisia luminoasă crește cu curentul direct Anod (+), catod (-) indicatoare, afișaje, iluminat, semnalizare
Test final de recapitulare
  1. Care componentă emite lumină și care componente o detectează?
  2. Ce componentă este cea mai simplă și lucrează prin modificarea rezistenței?
  3. Care dispozitiv este, de regulă, mai sensibil: fotodioda sau fototranzistorul?
  4. Ce trebuie montat în serie cu un LED?
Afișează răspunsurile
Răspunsuri: 1) LED-ul emite lumină; fotorezistorul, fotodioda și fototranzistorul detectează lumina. 2) fotorezistorul. 3) fototranzistorul. 4) un rezistor de limitare.
Test grilă - 5 întrebări
  1. Componenta care emite lumină este:
    • a) fotorezistorul
    • b) LED-ul
    • c) fotodioda
  2. Când iluminarea crește, la fotorezistor:
    • a) rezistența crește
    • b) rezistența scade
    • c) nu se schimbă nimic
  3. Fotodioda este utilizată, de regulă, în:
    • a) polarizare directă
    • b) polarizare inversă
    • c) scurtcircuit permanent
  4. Dispozitivul mai sensibil decât fotodioda, datorită proprietății de amplificare, este:
    • a) LED-ul
    • b) fototranzistorul
    • c) rezistorul obișnuit
  5. În serie cu un LED se montează de obicei:
    • a) un rezistor de limitare
    • b) un întrerupător optic
    • c) o antenă
Afișează răspunsurile
Răspunsuri corecte: 1) b, 2) b, 3) b, 4) b, 5) a.

Lecția poate fi folosită direct ca pagină HTML sau integrată într-un auxiliar / site educațional. Structura este gândită pentru elevi, cu explicații scurte, imagini și recapitulare rapidă.

↑ Înapoi sus