FARKLI SPEKTRUMLU ÇOK LED Lİ OPTOELEKTRONİK DÖNÜŞTÜRÜCÜ

Transkript

1 Uludağ Üniversiesi Mühendislik-Mimarlık Fakülesi ergisi, Cil 12, Sayı 1, 2007 FARKL SPEKTRUMLU ÇOK LE Lİ OPTOELEKTRONİK ÖNÜŞTÜRÜCÜ Eldar MUSAYEV Öze: Farklı spekrumlu çok LE li bir dönüşürücü gelişirilmişir. önüşürücünün gelişirme prensipleri ve açık şeması verilmişir. önüşürücünün çalışma prensibi açıklanmış ve devre elemanlarının değerlerinin seçilmesi verilmişir. Anahar Kelimeler: Farklı Spekrum, Çok LE, Opoelekronik önüşürücü, Analiz. An Opoelecronic Converer Conaining Muliple LEs o ieren Specra Absrac: A converer conaining muliple LEs o dieren specra is developed. evelopmen principles and he scheme o he converer are given. Operaion principles o he converer are described and mehods used in selecing he values o circui devices are given. Keywords: ieren Specrum, Muliple LEs, Opoelecronic Converer, Analysis. 1. GİRİŞ Günümüzde üreilen yarıileken ışın vericiler (LE ler ve lazerler) opik spekrumun görünür bölgesinden (0,38µm) kızılöesi bölgesine (4,5µm) kadar aralığı kapsamakadır [1, 21-24, 26]. Yarıileken ışın vericiler, küçük ebalı, ışın şiddeleri akımla modüle edilebildiğinden ve spekrum karakerisikleri monokromaiğe yakın olduğundan çeşili sensörlerde [4, 6, 11, 14, 16, 17, 19, ], çeşili analizaör, ölçüm ve es sisemlerinde [8, 9, 10, 12, 15, 18, ], çeşili malzemelerin ve oramların spekroskopisinde (specroscopy) [1, 2, 7, 13] ve biomedikal ölçümlerde [3,5] sıklıkla kullanılırlar. Yarıileken ışın vericilerin spekrum karakerisikleri Şekil 1 de göserilmişir. Şekil 1: Yarıileken ışın vericilerin spekrum karakerisikleri. Yarıileken ışın vericilerin spekrum karakerisiklerini yapısında kullanılan malzemeler belirler [26]. Tablo 1 de, Şekil 1 de karakerisikleri göserilen yarıileken ışın vericilerin (LE lerin) yapısında kullanılan yarıileken malzemeler, spekrum karakerisiğinin maksimumdaki dalga boyu ve verdiği ışınların renkleri göserilmişir. 380nm dalga boyundan daha küçük ve 1000nm den daha büyük dalga boylu ışın vericileri gelişirme aşamasındadır [1, 21-24, 26]. Yarıileken ışın vericilerin gelişimi devam emekedir. Yarıileken ışın vericilerin böyle özelliklere sahip olması, bu ışın vericiler ile çok dalgalı dönüşürücülerin asarımına olanaklar sağlamakadır. Uludağ Üniversiesi, Mühendislik-Mimarlık Fakülesi, Elekronik Mühendisliği Bölümü, 16059, Görükle, Bursa. 41

2 Musayev, E.: Farklı Spekrumlu Çok LE li Opoelekronik önüşürücü Tablo 1. Şekil 1 de karakerisikleri göserilen yarıileken ışın vericilerin (LE lerin) yapısında kullanılan yarıileken malzemeler, spekrum karakerisiğinin maksimumdaki dalga boyu ve verdiği ışınların renkleri No LE spekrumunun maksimumu, λp (nm) LE ışığının rengi LE in yapısında kullanılan yrıileken malzeme Mavi (Ulra Blue) GaN/SiC Sa Mavi (Pure Blue) ngan/sic Yeşil (Ulra Green) ngan/sic Yeşil (Green) ngaal/sic Yeşil (Hi-E. Green) GaP Sarı (Yellow) GaAsP/GaP Porakal (Orange) GaAsP/GaP Kırmızı (Hi-E. Red) GaAsP/GaP Kırmızı (Red) GaAsP/GaAs Kırmızı (Ulra Red) GaAlAs/GaAs Kırmızı (BrighRed) GaP Kızılöesi (nrared) GaAlAs Kızılöesi (nrared) GaAs/GaAs & GaAlAs/GaAs Gazların, sıvıların, kaıların ve çeşili karışımların özelliklerinin belirlenmesi ve esi gerekir. Bunun için çok dalgalı dönüşürücülere ihiyaç vardır. Günümüzde bu ip ölçümler maliyei yüksek olan spekrooomereler ile yapılmakadır. Spekrooomere ile ölçüm yapılırken bir akım özel şarların sağlanması gerekmekedir [8, 12, 26]. Spekrooomereler sadece laborauvar şarlarında kullanılır ve endüsrial ekspres analizde kullanımı zordur. Bundan dolayı maliyei düşük, asarımı kolay çok dalgalı dönüşürücülere ihiyaç vardır. 2. ÇOK ALGAL (ÇOK ŞN VERİCİLİ) ÖNÜŞTÜRÜCÜLERİN GELİŞTİRME PRENSİPLERİ Tasarlanan çok dalgalı dönüşürücüler aşağıda sıralanan şarları sağlaması gerekir: 1. şın verici sayısı kolayca seçilebilmesi 2. Ayni anda büün ışın vericiler ile ölçüm yapılabilmesi 3. Ora seviyede elekronik bilgilere sahip araşırmacılar ile asarlanabilmesi 4. önüşürücünün yapısı sık kullanılan ucuz elekronik kompononlerden oluşurulması Bu şarları dikkae alarak bir dönüşürücü devresi gelişirilmişir. Tasarlanan çok dalgalı dönüşürücünün blok şeması Şekil 2 de göserilmişir. Burada 1- osilaör, 2- kısa süreli darbe oluşuran devre, 3- sayıcı, VE kapıları, güç anaharları, L 1 -L 7 - ışın vericiler, P- oodiyo, MO- ölçüm oramı, 18- kuvvelendirici, analog anaharlar, darbeli işarein genliğini C gerilime çeviren elekronik devre(epe dedekörler pik deekörler), U Σ - oplam işare, U 1 -U 7 - her bir ışın vericinin oluşurduğu işareler, U OS - osilaörün çıkış işarei, U PU - süresi ayarlanabilen darbeli işareir. 42 Şekil 2: Çok dalgalı dönüşürücünün blok şeması.

3 Uludağ Üniversiesi Mühendislik-Mimarlık Fakülesi ergisi, Cil 12, Sayı 1, 2007 önüşürücü ışın verici ve ooalıcı bölgelerinden oluşmakadır. şın verici bölgesinin çalışmasını açıklayan zaman diyagramları Şekil 3 de göserilmişir. Burada a- osilaörün çıkış işarei, b- gereken süreli darbeler oluşuran devrenin çıkışındaki işare, c- birinci VE kapısının (4) çıkışında elde edilen işare (L 1 LE inin akımı da aynı şekildedir), d- ikinci VE kapısının (5) çıkışında elde edilen işare (L 2 LE inin akımı da aynı şekildedir), i- yedinci VE kapısının (10) çıkışında elde edilen işare (L 7 LE inin akımı da aynı şekildedir), k- ooalıcının çıkışındaki oplam işare, 0S osilaörün çıkışında elde edilen darbelerin süresi, B0S - osilaörün çıkışında elde edilen darbelerin boşluk süresi. - LE ler üzerinden akıılan akımların darbe süresi, B - LE ler üzerinden akıılan akımların boşluk süresidir. Fooalıcı bölgesinin çalışmasını açıklayan zaman diyagramları Şekil 4 de göserilmişir. Burada: a- ooalıcının çıkışında elde edilen işareler (her bir işare üzerindeki rakamler sırayla devreye giren LE leri iade emekedir), b- osilaörün çıkışındaki işare, c- birinci LE (L 1 ) ile oluşurulan işare (U 1 ) birinci epe dedekörünün (26) çıkışında elde edilen işare, 2 ve 3- ikinci ve üçüncü epe dedekörlerin çıkışında elde edilen işarelerdir ( U 2 ve U 3 ). iğer çıkışlarda elde edilen işareler ayni şekilde ekrarlanır ve diyagramlarda göserilmemişir. Her bir LE e arklı zamanlarda darbeli akımlar verilir. LE lerden yayılan arklı dalga boyundaki ışınlar oramdan geçerek ooalıcı (oodiyo) ile algılanır ve oosinyale dönüşürülür. Bu oosinyal bir kuvvelendirici ile kuvvelendirilir ve kuvvelendiricinin çıkışında oplam işare elde edilir. Kuvvelendiricinin çıkışında, her bir LE in oluşurduğu işare osiloskop ile izlenebilir. Bu oplam işare ışın verici araından konrol edilen analog anaharlara verilir ve gerilim seviyesine dönüşürülür. Çıkışa U 1 - U 7 gerilimleri elde edilir. Bu gerilimler her bir LE in oluşurduğu işarelerdir. Burada büün LE lerin oluşurduğu oplam işare (U Σ ) ve her bir LE in oluşurduğu işareler aynı anda izlenebilir. Şekil 3: şın verici bölgesinin çalışmasını açıklayan zaman diyagramları. 43

4 Musayev, E.: Farklı Spekrumlu Çok LE li Opoelekronik önüşürücü 44 Şekil 4: Fooalıcı bölgesinin çalışmasını açıklayan zaman diyagramları. Osilaörün rekansını belirlemek için öncelikle devrede kullanılan ooalıcının yükselme r ve düşme süreleri bilinmesi gerekir. Fooalıcının yükselme ve düşme süreleri biliniyorsa osilaörün üreiği işarein darbe süresi, ( ) = 3 r + (1) şeklinde seçilebilir. (Bu darbe süresi için osilaör devresinin analizi yapılır). < olduğunu dikkae alarak darbeler arasındaki boşluk süresi en az darbe süresi kadar olmalıdır. arbelerin birbirlerini ekilememesi için BOS ( ) = = 3 + (2) olmalıdır. Buradan osilaörün rekansı, 1 1 = = BOS r ( ) r olur. İsenen darbe süresinde işare üreen devrenin çıkışındaki darbelerin süresi osilaörün üreiği işarein darbe süresinden küçükür ( < ). Her bir LE üzerinden akan darbeli akımın oralama değerini hesaplamak için LE sayısı (n) bilinmelidir. LE sayısı belli ise her bir LE üzerinden akan darbeli akımın oralama değeri, AVG = m ( n 1)( + ) BOS şeklinde olur. Burada m - darbeli akımın maksimum değeri, n ise LE sayısıdır. (2) eşiliğini dikkae alarak her bir LE den akan oralama akımı, AVG = m (5) ( n 1) 6( r + ) şeklinde iade edilebilir. Oralama akımı, LE in ileri yöndeki akımına eşi olduğunu kabul ederek LE den akıılabilecek darbeli akımın maksimum değeri 6 ( n 1)( r + ) m = F (6) şeklinde bulunabilir. (3) (4)

5 Uludağ Üniversiesi Mühendislik-Mimarlık Fakülesi ergisi, Cil 12, Sayı 1, ÇOK ALGAL ÖNÜŞTÜRÜCÜNÜN GELİŞTİRİLMESİ Öncelikle dönüşürücünün kapsama bölgesi seçilmelidir. Örneğin opik spekrumun görünür bölgesi seçilmişse Tablo 1 de 1 ile 11 numaraları arasındaki LE ler kullanılabilir. aha sonra seçilen opik spekrumun seçilen bölgesine duyarlı bir ooalıcı seçilir. Görünür bölge için BPW-21 ipi bir oodiyo seçilebilir. Tablo 2 de bu oodiyodun önemli paramereleri verilmişir. Tablo 2. BPW-21 oodiyodun önemli paramereleri. Tipi Spekrumunun genişliği Spekrumun maksimumu şığa duyarlı yüzeyi Fooakımın yükselme ve düşme süreleri BPW21 350nm-820nm 550nm 7,34mm 2 1,5µs Foodiyodun yükselme ve düşme paramerelerine göre darbelerin minimum süresi seçilir. Burada darbe süresi = 8µ s olarak seçilmişir. LE sayısı n=7 alınarak LE üzerinden akan darbeli akımın boşluk süresi ( = eşiliğini dikkae alarak) BOS ( n 1 )( + ) = 96 s = (7) B BOS µ olur. Her bir LE üzerinden akan darbeli akımın maksimum değeri, = ( n 1)( + ) + BOS max F (8) şeklinde bulunabilir. arbe süresi, darbeli akımın maksimum değeri, ( 7 1)( 8µ s + 8µ s) < şarına uygun seçilirse, örneğin = 5µ s olarak seçilirse + 5µ s max = 20 5µ s F F olur. LE lere seri bağlanmış akım belirleyici dirençlerin değerleri, her bir LE in ooalıcıda oluşurduğu oosinyaller birbirine eşi olacak şekilde seçilir. Besleme gerilimini U CC =12V alarak ve LE leri anaharlayan anaharlar üzerindeki gerilim düşümünü ihmal ederek, akım belirleyici dirençlerin değeri, R L U U F = (10) CC max şeklinde bulunabilir. önüşürücünün şeması günümüzde sıklıkla kullanılan ucuz malzemeler kullanılarak gerçekleşirilmişir. Şekil 5 de çok dalgalı dönüşürücünün şeması göserilmişir. Osilaör olarak 4060 ipi enegre kullanılmışır. Üreilen darbelerin kararlı olması için rekans belirleyici olarak kuvars osilaör kullanılmışır. Osilaörün çıkışında isenen rekansa darbeler elde edilir ve gereken paramerede darbeler seçilebilir. Tablo 3 de 4060 enegresinin çıkışlarındaki darbelerin paramereleri verilmişir. evrede R01=10MΩ, kuvars krisalinin rekansı 0 =3276,8kHz, C01=C02=27pF olarak seçilmişir. Sayıcı olarak 4017 enegresi (C2) ve gerekli darbe süresini elde emek için ise enegresi (C3) kullanılmışır. C03 ve R02 elemanlarının değerleri isenen darbe süresine göre seçilir. VE kapısı olarak 4081 enegresi kullanılmışır. Güç anaharı olarak ULN2003 ipi enegre kullanılmışır. Tablo 4 de bu enegrenin önemli paramereleri verilmişir. (9) 45

6 Musayev, E.: Farklı Spekrumlu Çok LE li Opoelekronik önüşürücü Şekil 5: Çok dalgalı dönüşürücünün şeması. 46

7 Uludağ Üniversiesi Mühendislik-Mimarlık Fakülesi ergisi, Cil 12, Sayı 1, 2007 Tablo enegresinin çıkış paramereleri. Q0=3276,8kHz Pin 0S, (khz) T,(µs) 0S = B0S,(µs) 7 Q4 204,8 4, , Q5 102,4 9, , Q6 51,2 19, , Q7 25,6 39, , Q8 12,8 78,125 39, Q9 6,4 156,25 78, Q10 3,2 312,5 156,25 1 Q12 0, Q13 0, Q14 0, Foosinyali kuvvelendirme için LM358 ipi op-amp kullanılmışır. Kuvvelendiricinin kazancını belirleyen R 3 ve R 4 dirençlerinin değerleri oosinyalin seviyesine göre seçilir. Analog anahar olarak 4066 enegresi kullanılmışır. Tepe deekörler LM324 enegresi kullanılarak asarlanmışır. Tepe deekörün yapısında kullanılan F1-F7 diyoları 1N4148 ipi diyolardır. CF1- CF7 kondansaörlerinin değerleri ise darbe ve boşluk sürelerine göre belirlenir. önüşürücü asarlanır iken, devrede kullanılan enegrelerin boşa kalan (kullanılmayan) bacaklar giriş ise oprak ucuna bağlanması gerekir önüşürücüde arklı dalga boylu ışınların ölçülen oramdan geçmesi aynı anda izlenebilir (U Σ ) ve seviye olarak ayrı ayrı izlenebilir (U 1 -U 7 ). önüşürücü gazların, sıvıların, çeşili karışımların ve seçilen opik bölgede şea olan çeşili malzemelerin analizinde kullanılabilir. Tablo 4. ULN2003 enegresinin önemli paramereleri. Çıkış Akımı Akım Kazancı İleime geçme Süresi Kesime Gime Süresi Çıkış geriliminin maksimum değeri 500mA ,25µs 0,25µs 50V 4. SONUÇLAR Çok dalgalı (çok LE li) opik sisemlerin gelişirme prensipleri açıklanmışır. Çok LE li sisemin gelişirilmesi ve dönüşürme olayı zaman diyagramları ile açıklanmışır. Gerekli LE lerin seçilmesi için günümüzde sık kullanılan LE lerin spekrum karakerisikleri ve önemli paramereleri verilmişir. önüşürücünün açık şeması gelişirilmiş ve devre elemanlarının değerlerinin seçilmesi açıklanmışır. önüşürücünün kullanım alanları göserilmişir. 5. KAYNAKLAR 1. Beniamino Barbieri, Ewald Terpeschnig, avid M. Jameson (2005) Frequency-domain Xuorescence specroscopy using 280-nm and 300-nm ligh-emiing diodes: Measuremen o proeins and proein-relaed Xuorophores, Analyical Biochemisry, 344, Jouko Malinen, Markku Kansakoski, Raimo Rikola, Colin G. Edison (1998) LE-based NR specromeer module or hand-held and process analyser applicaions, Sensors and Acuaors, B, 51,

8 Musayev, E.: Farklı Spekrumlu Çok LE li Opoelekronik önüşürücü 3. Andrew Rys, Tadeusz Piorowski, Radoslaw Sobczynski (1998) Ligh emiing diode arrays or consumer and medical applicaions, Maerials Science and Engineering, B, 51, G. urry, N. Amarouche, V. Zéninari, B. Parvie, T. Lebarbu, J. Ovarlez (2004) n siu sensing o he middle amosphere wih balloon borne near-inrared laser diodes, Specrochimica Aca, Par A, 60, Sesuo Takaani, Hiroyukı Noda, Hisaeru Takano, and Tesuzo Akusu, A Miniaure (1988) Hybrid Relecion Type Opical Sensor or Measuremen o Hemoglobin Conen and Oxygen Sauraion o Whole Blood, EEE Transacions on Biomedical Engineering, Vol. 35, No. 3, Eun Jeong Cho, Frank V. Brigh (2002) negraed chemical sensor array plaorm based on a ligh emiing diode, xerogel-derived sensor elemens, and high-speed pin prining, Analyica Chimica Aca, 470, Purnendu K. asgupa., n-yong Eom, Kavin J. Morris, Jianzhong Li (2003) Ligh emiing diode-based deecors Absorbance, luorescence and specroelecrochemical, measuremens in a planar low- hrough cell, Analyica Chimica Aca, 500, Kuswandi B., Taib M.N., Narayanaswamy R. (1999) A new solid sae insrumen or opical oxic meal ions sensing, Sensors and Acuaors, 76, Chaudhari A.L., Shaligram A.. (2002) Muli-wavelengh opical iber liquid reracomery based on inensiy modulaion, Sensors and Acuaors, A, 100, Qingyang Li, Kavin J. Morris, Purnendu K. asgupa,vo M. Raimundo Jr., Henryk Temkin (2003) Porable lowinjecion analyzer wih liquid-core waveguide based luorescence, luminescence, and long pah lengh absorbance deecor, Analyica Chimica Aca, 479, Akrajas Muhamad Ma Salleh, Muhammad Yahaya (2002) Enriching he seleciviy o mealloporphyrins chemical sensor by means o opical echnique, Sensors and Acuaors, B, 85, Abdul Rahim R., Chan K.S., Pang J.F., Leong L.C. (2005) A hardware developmen or opical omography sysem using swich mode an beam projecion, Sensors and Acuaors, A, 120, Shimazaki Y., Waanabe S., Takahashi M. and wasuki M. (2000) A Porable Specrophoomeer Using a Whie- Color Ligh-Emiing iyoe and a Charge-Coupled evice and Applicaion o On-Sie eerminaion o ron, The Japan Sociey or Analyical Chemisry, Analyical Sciences, Vol. 16, Suzuki Y., Hori Y., wasuki M., Yamane T. (2003) A Four Wavelengh Channel Absorbance eecor wih a Ligh-Emiing iode-fiber Opics Assembly or Simpliying he Flow-njecion Analysis Sysem, The Japan Sociey or Analyical Chemisry, Analyical Sciences, Vol. 19, Krier A. and Shersnev V. V. (2000) Powerul inerace ligh emiing diodes or mehane gas deecion, J. Phys., : Appl. Phys., 33, Oo S. Wolbeis, Nena V. Rodriguez, Tobias Werner (1992) LE-compaible luorosensor or measuremen o near-neural ph values, Microchimica Aca (Hisorical Archive), Volume 108, ssue 3-6, Taha M. A. Razek, Michael J. Miller, Saad S.M. Hassan, Mark A. Arnold (1999) Opical sensor or sulur dioxide based on luorescence quenching, Talana, 50, King Tong Lau, Susan Baldwin, Roderick L. Shepherd, Paul H. iez, William. S. Yerzunis, ermo iamond (2004) Novel used-les devices as opical sensors or colorimeric analysis, Talana, 63, Kumar Suresh P., Lee Thomas S., Vallabhan C.P.G., Nampoori V.P.N., Radhakrishnan P. (2002) esign and developmen o an LE based iber opic evanescen wave sensor or simulaneous deecion o chromium and nirie races in waer, Opics Communicaions, 214, Yun-Su Lee, Byung-Su Joo, Nak-Jin Choi, Jeong-Ok Lim, Jeung-Soo Huh, uk-ong Lee (2003) Visible opical sensing o ammonia based on polyaniline ilm, Sensors and Acuaors, B, 93, Maveev B., Aidaraliev M., Gavrilov G., Zoova N., Karandashov S., Sonikova G., Sus N., Talalakin G., linskaya N., Aleksandrov S. (1998) Room emperaure nas phoodiode ngaas LE pairs or mehane deecion in he mid-r, Sensors and Acuaors, B, 51, Maveev B.A., Gavrilov G.A., Evsropov V.V., Zoova N.V., Karandashov S.A., Sonikova G.Yu., Sus N.M., Talalakin G.N., Malinen J. (1997) Mid-inrared (3-5 pm) LEs as sources or gas and liquid sensors, Sensors and Acuaors, B, 38-39, Parry M.K. and Krier A. (1994) Eicien 3.3µm ligh emiing diodes or deecing mehane gas a room emperaure, Elecronics Leers, Vol. 30, No. 23, Gao H. H., Krier A, Shersnev V. and Yakovlev Y. (1999) nassb/nassbp ligh emiing diodes or he deecion o CO and CO2 a room emperaure, J. Phys., : Appl. Phys., 32, Mark G. Allen (1998) iode Laser Absorpion Sensors For Gas ynamic and Combusion Flows, Measuremen Science and Technology, 9(4),

9 Uludağ Üniversiesi Mühendislik-Mimarlık Fakülesi ergisi, Cil 12, Sayı 1, Мусаев Э.С. (2004) Оптоэлектронные устройства на полупроводниковых излучателях, Радио и связь. Москва., 204 с. 27. Musayev E. (2006) Conversion Mehod and Sysem, Sensors and Acuaors, A, Elsevier, 125, Musayev E. (2006) Opoelecronic Sep Couner, EE Proc. Opoelecronics, 153(2), Musayev E. (2005) Opoelecronic Nondesrucive Tesing Techniques o Cocoon Properies and Applicaions, NT And E nernaional, 38, Musayev E. (2004) An Opoelecronic eec eecion Mehod and Sysem nsensiive o Yarn Speed, Journal o Opics, A: Pure and Applied Opics, 6, Musayev E. and Karlik S. (2003) A novel liquid level deecion mehod and is implemenaion, Sensors and Acuaors, A, Vol.109, ssues 1-2, Makale arihinde alınmış, arihinde düzelilmiş, arihinde kabul edilmişir. İleişim Yazarı: E. Musayev (eldar@uludag.edu.r). 49