6.1 Φωτοπηγές (LED)
6.1.1 Φωτοεκπομπή
Μπορεί να δοθεί ένας ορισμός για το φως ως εξής :
Φως είναι το είδος της ενεργείας ,το οποίο διεγείρει το μάτι του ανθρώπου με συνεπεία να βλέπουμε τα διάφορα αντικείμενα.
Όπως είναι γνωστό από την φυσική, το φως είναι ορατή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ( σύμφωνα με την θεωρία του Maxwell) του οποίου το φάσμα καταλαμβάνει μια περιοχή ανάμεσα στην υπέρυθρη ορατό και την υπεριώδη ακτινοβολία. Οι συχνότητες και στα μήκη κύματος δίδονται στον ακόλουθο πίνακα:
Μεταξύ της συχνότητας (f) και του μήκους κύματος (λ) της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ισχύει η σχέση ;
όπου c= ταχύτητα του φωτός = 3 x 108 m/sec
Σε κάθε ένα μήκος κύματος του ορατού φάσματος, αντιστοιχεί και ένα "χρώμα". Αυτά τα χρώματα είναι τα κύρια και αποτελούν τα γνωστά χρώματα της "ίριδος", τα οποία δίδονται στο παρακάτω σχήμα (μονάδες μήκους κύματος σε Α, συχνότητας σε Hz):
Σχήμα 6.1.1 Τα κύρια χρώματα
Το ανθρώπινο μάτι δεν είναι εξ' ίσου ευαίσθητο ο' όλα τα χρώματα. Η μεγαλύτερη ευαισθησία του είναι σε μήκος κύματος 0,55μm=550nm που ανήκει στην περιοχή του κίτρινου χρώματος και η μικρότερη στο βιολετί και στο κόκκινο.
Στην μετάδοση εικόνας χρησιμοποιούνται 3 περιοχές χρωμάτων οι οποίες αντιστοιχούν στο κόκκινο (R), το πράσινο (G) και το μπλε (Β) από τα οποία δημιουργούνται και τα άλλα 4:
Σχήμα 6.1.2 Προσθετική μέθοδος αναπαραγωγής χρωμάτων
Η σημερινή τεχνολογία με τις μεθόδους μείξης των χρωμάτων, έχει δημιουργήσει χιλιάδες ή και εκατομμύρια χρωμάτων.
Επειδή η έκφραση της οπτικής ακτινοβολίας σε συχνότητα δίνεται από πολύ μεγάλους αριθμούς, όπως φαίνεται πιο πάνω, χρησιμοποιείται συνήθως η έκφραση σε μήκος κύματος.
Η ακτινοβολία, είτε είναι υπεριώδης, ή ορατή, ή υπέρυθρη αποτελείται από φωτόνια, δηλαδή απειροελάχιστα "πακέτα" φωτεινής ενέργειας (ονομάζονται και κβάντα φωτός), τα οποία έχουν δισυπόστατη μορφή, δηλ. είναι και υλικά σωματίδια αλλά έχουν και κυματική συμπεριφορά. Τα φωτόνια έχουν ενέργεια:
όπου h = 6,62 x 10-34 J sec που καλείται σταθερά του Plank, f = συχνότητα του φωτός σε Hz.
Η εκπομπή φωτός ή φωτοεκπομπή γίνεται από τα υλικά σώματα
κάτω από συνθήκες όπως:
Α) Λόγω της υψηλής θερμοκρασίας που ευρίσκονται όπως ο ήλιος
(6000° C), το φωτοβολταϊκό τόξο (3000° C), διάπυρα σώματα όπως οι λαμπτήρες πυράκτωσης (»2000 -2500° C), κ.α. Οι φωτεινές αυτές πηγές καλούνται θερμές πηγές φωτός.
Β) Λόγω ηλεκτρικών εκκενώσεων που αναπτύσσονται εντός των
αερίων ή ατμών. Οι φωτεινές πηγές ονομάζονται και ψυχρές πηγές φωτός. Η απαιτούμενη ενέργεια για την φωτοεκπομπή λαμβάνεται από ηλεκτρικά πεδία .Τέτοιου είδους πηγές είναι οι σωλήνες διαφημίσεως ευγενών αερίων (νέον, κρυπτό κ.λπ.) ή οι λαμπτήρες ατμών υδραργύρου (Hg), νατρίου (Na) υδρογόνου (Η2) κ.λ.π.
Γ) Λόγω φθορισμού, φωσφορισμου, χημικών αντιδράσεων και άλλων φαινομένων. Οι φωτεινές πηγές αυτές είναι ψυχρές και η φωτοβολία τους οφείλεται σε απορρόφηση φωτονίων ή πρόσπτωση ηλεκτρονίων μεγαλύτερης ενέργειας. Στον φθορισμό η δευτερογενής ακτινοβολία διαρκεί όσο και η πρωτογενής ενώ στον φωσφορισμό η ενέργεια αποδίδεται αργότερα και για μακρύ χρονικό διάστημα.
Φωτοβόλες ιδιότητες έχουν και μερικά είδη του ζωικού βασιλείου
όπως οι πυγολαμπίδες, μερικά είδη ιχθύων, το πλαγκτόν κ.α.
Παράδειγμα 6.1.1
Ποια είναι η συχνότητα και η ενέργεια φωτονίου που έχει μήκος κύματος λ = 100 Α. Δίδονται 1 Α = 0,1 nm = 10-10 m
Ταχύτητα φωτός = c = 3 x 108 m / sec
1 eV = 1,6 x 10-19 Joule.
Παράδειγμα 6.1.2
Πόσο είναι το μήκος κύματος φωτονίου, που η ενέργεια του είναι
Εφ = 4,13 eV;
6.1.2. Δίοδος Φωτοεκπομπής, Λέντ (LED )
Όταν μία δίοδος πολώνεται ορθά, τότε απελευθερώνεται ενέργεια.
Κοντά στην περιοχή "απογύμνωσης" γίνεται επανασύνδεση οπών και
ηλεκτρονίων και συνεπώς εκλύεται ενέργεια. Στις διόδους ανόρθωσης η ενέργεια εκλύεται υπό μορφή θερμότητας ενώ στις διόδους φωτοεκπομπής LED (Light Emitting Diodes) η ενέργεια εκλύεται υπό μορφή φωτός. Αυτό οφείλεται στο υλικό κατασκευής τους.
Σχήμα 6.1.3 LED. (α) Σύμβολο, (β) Κατασκευή
Το χρώμα της εκπεμπόμενης φωτεινής ακτινοβολίας μπορεί να είναι κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο, πράσινο, μπλε. Τα LED μπορούν να εκπέμπουν και στο υπέρυθρο. Η περιοχή του φάσματος στο οποίο εκπέμπουν τα LED εξαρτάται από το υλικό κατασκευής των το είδος και τη συγκέντρωση των προσμίξεων. Η ένταση του φωτός που εκπέμπουν είναι ανάλογη του ρεύματος ορθής φοράς της διόδου ( IF). Τα είδη των ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται για τις διόδους LED είναι GaAsP (Αρσενικό -Φωσφορούχο Γάλλιο, κόκκινο η πορτοκαλί), GaP (Φωσφορούχο-Γάλλιο, πορτοκαλί η πράσινο), GaAs (Αρσενικούχο-Γάλλιο, υπέρυθρο), GaAlAs ( Αλουμίνιο- Αρσενικούχο Γάλλιο, λαμπρό κόκκινο), πρόσφατα SiC (Καρβίδιο του Πυριτίου, μπλε) η πρόσφατα GaN (Αζωτούχο-Γάλλιο, μπλε).
Στο σχήμα 6.1.3 φαίνεται το σύμβολο της διόδου φωτοεκπομπής LED όπου τα βέλη δείχνουν την εκπομπή φωτός.
Οι κατασκευαστές των LED ή Led δίνουν μερικά ή όλα από τα ακόλουθα χαρακτηριστικά :
Α. Υλικό κατασκευής
Β. Χρώμα φωτός
Γ. Μήκος κύματος ( λ)
Δ. Μισή γωνία φωτεινής δέσμης (θ)
Ε. Τάση ορθής πόλωσης (VF ) σε ορθό ρεύμα IF η ορθό μέγιστο IFMAX.
Στ.Μέγιστο ορθό ρεύμα IFmax
Ζ. Φωτεινή η σχετική φωτεινή ένταση
Η. Μέγιστη ισχύς PMAX.
Στον κάτωθι πίνακα δίδονται διάφοροι τύποι διόδων LED και τα χαρακτηριστικά των όπως δίδονται από του κατασκευαστές (Siemens, Toshiba, Helwett Packard, Philips, Motorola, Telefunken κ.α.)
Πίνακας 6.1.2. Χαρακτηρτικές τιμές διόδων ΙΕΟ.
Όπως φαίνεται από τον παραπάνω πίνακα η κανονική τάση λειτουργίας μιας διόδου LED είναι κατά μέσο όρο VF ~= 2 V. Η τιμή αυξάνεται όταν μεταβαίνουμε από το υπέρυθρο (1,5V) προς το μπλε (3,7V) και το κανονικό ρεύμα λειτουργίας για αρκετά ικανοποιητική φωτεινή ένταση εκπομπής είναι μεταξύ 10 και 20 mA. Το μέγιστο ρεύμα λειτουργίας, για τις περισσότερες διόδους LED, είναι IFMAX ~= 50 mA. Συνεπώς η μέγιστη ισχύς θα είναι PMAX ~= 100 mW. Όλα αυτά πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τον σχεδιασμό κυκλώματος με LED για να μην καταστραφεί.
Υπάρχουν διάφοροι μέθοδοι προστασίας των ενδεικτικών λυχνιών όταν είναι συνδεδεμένες σε ηλεκτρονικό κύκλωμα. Μία μέθοδος συνίσταται στην εν σειρά σύνδεση μιας αντίστασης R κατάλληλης τιμής, έτσι ώστε να διέρχεται από το LED ρεύμα μικρότερο από το μέγιστο (Σχήμα 6.1.4 σχέση 6.1.3):
Σχήμα 6.1.4 Κύκλωμα συνδεσμολογίας LED
Για σύνδεση δύο διόδων LED εν παραλλήλω θα έχουμε το παρακάτω κύκλωμα:
Σχήμα 6.1.5 Σύνδεση 2 LED εν παραλλήλω
Όταν η πηγή τάσης εισόδου είναι εναλλασσόμενου ρεύματος η δίοδος φωτοεκπομπής προστατεύεται με σύνδεση εν σειρά μιας διόδου PN και αντίστασης R όπως φαίνεται στο σχήμα 6.1.6
Σχήμα 6.1.6 Σύνδεση ίΕΩ με πηγή εναλλασσόμενης τάσης
Vgc
Παράδειγμα 6.1.3
Στο κύκλωμα του κυκλώματος 6.1.4 είναι : Vi = 14 V, R = 600 Ω. Να ευρεθεί το ρεύμα που διαρρέει την δίοδο, όταν η τάση ορθής φοράς είναι VF =2 V.
Παράδειγμα 6.1.4
Αν στο παραπάνω παράδειγμα η ελάχιστη τιμή του ορθού ρεύματος μιας διόδου LED , για φωτεινή ένδειξη είναι IFmin = 5 mA και η μέγιστη για να μην καταστραφεί είναι IFmax = 50 mA, να ευρεθούν τα όρια διακύμανσης της αντίστασης R για ασφαλή λειτουργία.
Η δίοδος LED χρησιμοποιείται σε πολλές ηλεκτρονικές συσκευές σαν ενδεικτική λυχνία λειτουργίας ή βλάβης. Μια πράσινη LED δείχνει συνήθως ομαλή λειτουργία της συσκευής, ενώ μια κόκκινη δείχνει συνήθως βλάβη ή απλώς λειτουργία της συσκευής. Οι υπέρυθρες LED χρησιμοποιούνται συχνά για ελεγχο ηλεκτρονικών συσκευών απο μακριά οπως είναι το τηλεχειριστήριο της τηλεόρασης, βίντεο ή ηχητικού συστήματος. Μια δίχρωμη LED συνήθως δείχνει με κάθε χρώμα τις διαφορετικές καταστάσεις ενος σημείου ελέγχου της συσκευής οπως μικροτερο ή μεγαλύτερο ρεύμα ή τάση κ.λ.π.
Οι δίοδοι φωτοεκπομπής χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις χαμηλής τάσης και ισχύος και έχουν το πλεονέκτημα έναντι των λυχνιών πυράκτωσης ότι η διάρκεια ομαλής λειτουργίας τους είναι πάρα πολύ μεγάλη (10.000 - 100.000 ώρες) . Π.χ. με ρεύμα =2 - 10 mA και τάση 1,5 - 2,5 V, δηλαδή ισχύ μόλις P= 3 -25 mW υπάρχει σχεδόν η ίδια φωτεινή ένδειξη που θα έδινε μια λυχνία πυράκτωσης με ισχύ
P= 6 V x 150 mA = 900 mW
Μια χρήσιμη εφαρμογή των LED είναι η απεικόνιση των δεκαδικών αριθμών 0 -9 σε μια μικρή οθόνη ή ντισπλέϊ (display) που αποτελείται από 7 φωτιζόμενα με LED τμήματα (7 segment display) όπως δείχνει το σχήμα 6.1.7.
Σχήμα 6.1.7 Απεικονιστής επτά τμημάτων
Τα 7 LED έχουν κοινή άνοδο και 7 διακεκριμένες καθόδους (a,b/c/d/e/f/g). Η κοινή άνοδος συνδέεται με τον θετικό πόλο της πηγής τροφοδοσίας, που είναι συνήθως +5 V , ενώ οι κάθοδοι συνδέονται μέσω 7 αντιστάσεων και 7 διακοπτών με την γη. Σε αυτή την περίπτωση ο απεικονιστής ονομάζεται κοινής ανόδου. Σε περίπτωση που η κάθοδος είναι κοινή και οι άνοδοι συνδέονται μέσω 7 αντιστάσεων και 7 διακοπτών με τα +5 V, ο απεικονιστής ονομάζεται κοινής καθόδου. Οι αντιστάσεις χρησιμοποιούνται για να προστατευθούν οι δίοδοι από μεγάλα ρεύματα που περιορίζονται συνήθως σε 20 -25 mA. Η τιμή των αντιστάσεων εξαρτάται από την τάση τροφοδοσίας και το ρεύμα που πρόκειται να διέλθει από την δίοδο φω- τοεκπομπής. Πρέπει να επισημανθεί ότι πέραν των επτά LED υπάρχει συνήθως και ένα ακόμα για την υποδιαστολή, διαχωρισμό των ακεραίων από τα δεκαδικά ψηφία.
Διοχετεύοντας ρεύμα σε δύο έως 7 διόδους θα φωτισθούν τα αντίστοιχα τμήματα ώστε να προκύψουν οι αριθμοί 0-9. Έτσι, αν διέλθει ρεύμα από τις φωτοδιόδους a,b,g,e,d θα προκύψει ο αριθμός 2, εμφανιζόμενος με την μορφή:
Μπορούν, επίσης με κατάλληλους συνδιασμούς να απεικονισθούν και κεφαλαία γράμματα η λατινικοί χαρακτήρες όπως Α, Β, C,D, E, F,B,C κ.α.
Η απεικόνιση αυτή των δεκαδικών αριθμών χρησιμοποιείται για τις ενδείξεις των ηλεκτρικών μεγεθών σε ψηφιακά όργανα μέτρησης ,όπως αμπερόμετρο, βολτόμετρο, συχνόμετρο κ.λ.π.
Αν συνδυασθούν 2, 3 η 4 απεικονιστές 7-τμημάτων υπάρχει η δυνατότητα να μετρηθούν ηλεκτρικές ποσότητες εκφρασμένες με 2 η 3 η 4 ψηφία (digits). Περισσότερα στοιχεία για τον ενδείκτη 7 τμημάτων θα δοθούν στο μάθημα " Ψηφιακά Ηλεκτρονικά".
Παράδειγμα 6.1.5
Να σχεδιασθεί κύκλωμα ενδείκτη 7 τμημάτων το οποίο θα απεικονίζει τον αριθμό 6. Η τιμή της τάσης τροφοδοσίας είναι 5 V και το μέγιστο ρεύμα των LED είναι IFmax = 25 mA.
Σχήμα 6.1.8 Απεικόνιση του δεκαδικού αριθμού 6
Στον παρακάτω πίνακα δίνονται απεικονιστές η ενδείκτες 7 τμημάτων με τα χαρακτηριστικά τους.
Πίνακας 6.1.3 Ενδείκτες 7 τμημάτων
6.2 Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο
Στα κεφάλαια 2 και 3 αναφέρθηκε ότι για την απομάκρυνση ηλεκτρονίων από μέταλλα η ημιαγωγους, απαιτείται να δοθεί αρκετή ενέργεια ώστε να ελευθερωθουν τα ηλεκτρόνια αυτά έξω από το υλικό. Η ενέργεια αυτή μπορεί να είναι διαφόρων μορφών όπως:
Α. Ηλεκτρική ενέργεια
Β. Θερμική ενέργεια
Γ. Ηλεκτρομαγνητική ενέργεια
Δ. Χημική ενέργεια.
Η ενότητα αυτή, αναφέρεται στην μεταβολή της αγωγιμότητας των υλικών, όταν προσπίπτει φως στην επιφάνεια αυτών. Η δράση αυτή οφείλεται στο φωτοηλεκτρικο φαινόμενο.
Για το ορατό φως τα φωτόνια έχουν ενέργεια 1,6 eV - 3,3 eV και αρκετά μεγαλύτερη για το υπεριώδες. Η ενέργεια που απαιτείται για να φύγει ενα ηλεκτρόνιο απο τους ομοιοπολικούς δεσμούς που τα συγκρατούν με τα άτομα του καθαρού ημιαγωγού είναι 0,72eV για το γερμάνιο (Ge ) και 1,12 eV για το πυρίτιο (Si).
Επομένως η ενέργεια που έχουν τα φωτόνια στο ορατό και το υπεριώδες φως καθώς και σε τμήμα του υπέρυθρου, είναι αρκετή για να αποσπάσει τα ηλεκτρόνια από την ζώνη σθένους. Έτσι, με την πρόσπτωση των φωτονίων, τα ηλεκτρόνια σθένους του ημιαγωγού απορροφούν ενέργεια και μεταπηδούν από την ζώνη σθένους στην ζώνη αγωγιμότητας, υπερπηδώντας την απαγορευμένη ζώνη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών που συνεισφέρουν στην αγωγιμότητα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της πυκνότητας των ελευθέρων φορέων και συνεπώς την αύξηση της ειδικής αγωγιμότητας των ημιαγωγών, δηλαδή την ελάττωση της ειδικής αντίστασης αυτών.
Η μεταπήδηση αυτή των ηλεκτρονίων, με την απορρόφηση των φωτονίων, φαίνεται στο σχήμα 6.2.1
Σχήμα 6.2.1 Το Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο
Το παραπάνω γεγονός, λόγω της αύξησης της ειδικής αγωγιμότητας μας επιτρέπει να κατασκευάσουμε ειδικές διατάξεις των οποίων η αγωγιμότητα αυξάνεται ή ελαττώνεται ανάλογα με την ένταση του προσπίπτοντος στη επιφάνεια τους φωτός και ονομάζονται, γενικά, φωτοδιατάξεις.
