Elektromanyetik ışınlar ve dalga boyları

Transkript

1

2 Elektromanyetik ışınlar ve dalga boyları İnsan gözü, dalga boyu nanometreye kadar olan elektromanyetik dalgaları ışık olarak algılar. EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 2

3 Işığa duyarlı eleman çeşitleri LDR (fotodirenç, Light Dependent Resistance) Fotodiyot (photodiode, ışığa duyarlı diyot) Fotopil (solar cell, fotosel, güneş pili, photo voltaic cell) Fototransistör (photo tr) Darlington fototransistör Opto Kuplör (Opto coupler) Optik Anahtar EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 3

4 Çeşitli Fotoelektrik Sensörler EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 4

5 LDR - Işığa Duyarlı Direnç Işıkta az direnç (100 Ω ile 5 k Ω), karanlıkta yüksek direnç (yaklaşık 1 MΩ) gösterir LDR yapımında kullanılan madde, algılayıcının hassasiyetini ve algılama süresini belirler Oluşturulan yarı iletken tabakanın şekli de algılayıcının duyarlılığını etkiler EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 5

6 Fotodirenç yapımında kullanılan bazı malzemeler ve özellikleri Kullanılan Madde Max. duyarlılık Eğime Ortalama duyarlılık Selenyum mk 1mA lümen Talyum sülfür mk 10 ma lümen Kadminyum sülfür mk 10 ma lümen Kurşun sülfür mk 3 ma lümen Işıkla ileten devre elemanları sınıfında en basit ve en ucuz malzemedir EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 6

7 Kullanıldığı Yerler mesafe ölçümlerinde, ışıklı kontrollerde, otomatik kapı açmada hırsız dedektörlerinde endüstriyel kumanda sistemlerinde, otomatik gece lâmbalarında, dijital sayıcılarda, brülörlerde, kanın renk yoğunluğunu belirleyen tıbbî cihazlarda, flaşlı fotoğraf makinelerinde, hareket dedektörlerinde, zil butonlarında EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 7

8 Foto Diyot Üzerine ışık düştüğünde iletken olarak katot ucundan anot ucuna doğru akım geçirirler Devreye ters bağlanırlar ve ışık ile ters yöndeki sızıntı akımlarının artması suretiyle kontrol yaparlar. EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 8

9 İletim akımı ma, uçlarındaki gerilim ise 0,14-0,15 V arasında değişir Çalışma hızı çok yüksektir (yaklaşık 1 ns ile 0,2 ms) Hem bir gerilim üreteci hem de ışık algılayıcı olarak kullanılabilir Enfraruj ışınlara karşı duyarlıdır EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 9

10 Kullanıldığı Yerler Uzaktan kumanda cihazlarında Otomatik kapılarda Elektronik sayıcılarda Otomatik aydınlatma sistemlerinde EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 10

11 Fotopil Güneş Pili Güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 11

12 Foto voltaik olay: Bir yarı iletken PN eklemi üzerine düşen ışık enerjisi ile elektrik enerjisi üretebilir Az yer kapladıklarından endüstride sık kullanılırlar. Genellikle foto diyot olarak bilinirler Hızlı tepki verirler Işık şiddetinin oranında enerji veremediklerinden doğrusallıkları düşüktür. Işık ışınları (fotonlar) fotopil hücrelerinde yaklaşık 0,4-0,5 V ve ma lik akımın oluşmasını sağlarlar Işık şiddeti bir noktadan sonra artırılsa da (örneğin 4000 lux ten sonra) alınan gerilim sabit kalmaktadır EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 12

13 Kullanıldığı Yerler Dijital saatlerde, Radyo ve televizyonlarda, Hesap makinelerinde, Otomobillerde, Sokak lâmbalarında, Uydu vericilerinde, Uçaklarda vb. EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 13

14 Foto Transistör C-B eklemine ışık düştüğünde C-E arasından akım geçiren elemanlardır. Foto diyotlardan farklı olarak ışıkla üretilen akımı yükseltirler EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 14

15 Foto transistörler ma düzeyinde (Foto diyotlar ise μa düzeyinde) bir akım geçirebilirler Başka bir devreyi kolaylıkla sürebilirler Akım kazancından dolayı foto diyottan daha fazla ışığa duyarlıdır (Yaklaşık 100 kat) Daha yavaş karşılık verme (response) zamanına sahiptir, μs mertebesinde, foto diyotlarda ise bu ns mertebesindedir Normal transistör karakteristiklerine benzeyen bir karakteristiğe sahiptir. Işık güç yoğunluğu (mw/cm 2 ) beyz akımının yerine kullanılan bir kontrol parametresi gibi işlev görür EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 15

16 Kullanıldığı Yerler TV, video, müzik seti, klima gibi cihazların uzaktan kumanda devrelerinde, Gün ışığına duyarlı olarak çeşitli aygıtların ve alarm sistemlerinin çalıştırılmasında vb. EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 16

17 Darlington Fototransistör Bir fototransistör ile normal transistörün arka arkaya bağlanmasıyla elde edilir Işığa karşı duyarlılıkları normal fototransistörlere oranla daha yüksektir Fototransistörlerin kullanıldığı her yerde kullanılabilir EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 17

18 Opto Kuplör Işığa duyarlı bir elemanla, ışık yayan bir elemanın bir araya gelmesinden oluşmuştur LED'le birlikte fotodarlington ve LASCR (Işık Etkili SCR) kullanılabilir EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 18

19 En önemli avantajı, giriş ve çıkış devreleri arasında sağlanan elektriksel izolasyondur Kuplaj işleminde iki seçenek vardır: Birincisi özel yapılmış infrared cam diğeri ise daha iyi bir elektriksel izolasyon sağlayan hava boşluğudur Önemli bir diğer özelliği de akım- transfer oranıdır Çıkış akımının (foto transistör) giriş akımına (LED) oranı yüzde olarak belirtilir EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 19

20 Optik Anahtar Yansımalı optik anahtar Boşluklu optik anahtar Yansımalı optik anahtarlar algılayıcı karşısında bir cisimden yansıyan ışığın oranına göre açılır veya kapanır. Boşluklu optik anahtarda ise cisim boşluk içerisinde karşılıklı konumlandırılmış ışık kaynağı ve ışık sensörü arasında hareket eder. EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 20

21 Fotoelektrik Sensörlerinin Algılama Biçimleri Dört farklı biçimde yerleştirme yapılabilir: Karşılıklı tip Reflektörlü tip Cisimden yansımalı tip Özel tipler EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 21

22 Karşılıklı Tip Fotoelektrik Sensör Yerleşimi Basit bir karşılıklı ışıma, Işık yayan bir kaynak ve bu kaynağın yaydığı ışığı algılayan (ışığa duyarlı) bir elektronik devreden (fotodedektör) oluşur EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 22

23 Işık hüzmesi fotodedektörün (alıcı kısım) üzerine rahat bir şekilde ışıyabiliyorsa çıkışlar OFF pozisyonunda kalır Alıcıya ışığın ulaşması engellendiğinde yani araya bir nesne girdiğinde değişiklik hissedilir ve çıkışlar ON pozisyonuna geçer LIGHT ON DARK ON EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 23

24 Kırmızı ya da infrared ışık yayan diyotlar (LED) kullanılır En basit ve en ucuz yöntemdir Çok geniş algılama mesafeleri vardır (30m nin üzerine çıkılabilir) Saydam olmayan cisimlerin çok uzak mesafeden bile algılanması güvenlidir Aşırı tozdan etkilenmez Kablolanması oldukça kolaydır (alıcı bir tarafa verici de diğer tarafa yerleştirileceği için) EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 24

25 Uygulama Örnekleri EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 25

26 Reflektörlü Tip Fotoelektrik Sensör Yerleşimi Bu sistemde alıcı ve verici cisimle aynı taraftadır Cismin diğer tarafına gelen ışını yansıtması için bir yansıtıcı yerleştirilir Algılama mesafeleri karşılıklı tip sensörlere göre daha kısadır Yarısaydam cisimleri de istenmeden algılayabilir Parlak yüzeylerin ya da ayna yüzeylerin algılanmasında çok uygun değildir EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 26

27 Cisimden Yansımalı Tip Fotoelektrik Sensör Yerleşimi Vericiden gönderilen ışık cisimden yansıyarak geri gelir Alıcı ve verici cisimle aynı taraftadır Sadece bir noktada kablolama Reflektör ihtiyacı yoktur Algılama mesafeleri çok kısa EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 27

28 Algılama aralığı değişik ise (cisim bazen yakından bazen uzaktan geçiyorsa), Cisim açık renkli ya da parlak ise, Cismin rengi değişken, karışık renkli, saydam ya da çok koyu bir renk ise, algılama hataları oluşabilir Her zaman en ucuz çözümdür EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 28

29 Uygulama Örnekleri EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 29

30 Yerleştirme Yöntemlerinin Karşılaştırılması-I Algılanacak Cisim Karşılık lı Reflektörl ü Cisimden Yansımalı Koyu Işık Geçirmeyen İyi İyi Yetersiz Parlak Işık Geçirmeyen İyi Yetersiz İyi Aydınlık Yetersiz Yetersiz Yetersiz Karışık Renkli Işık Geçirmeyen İyi Olabilir Yetersiz Açık Işık Geçirmeyen İyi Olabilir İyi Yarısaydam Olabilir İyi Olabilir EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 30

31 Yerleştirme Yöntemlerinin Karşılaştırılması-II Algılanacak Cisim Karşılıklı Reflektörlü Cisimden Yansımalı Ücret Orta Orta En Düşük Montaj maliyetleri En Orta En Düşük Yüksek Algılama aralığı En Orta En Kısa Yüksek Algılama kararlılığı En Orta En Düşük Yüksek EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 31

32 Uygun Sensörü Seçme İlk olarak sensörün çeşidi belirlenir Cisimle sensör arasındaki uzaklık hesaplanır. Gerekli olan koruma faktörüne karar verilir. Ürünün boyutu ile ilgili herhangi bir kısıtlama olup olmadığına bakılır. Besleme gerilimi seçilir. Light On Dark On seçimi yapılır. Diğer özel durumlar kontrol edilir. Örn: Zamanlayıcı ya da sıcaklık. Algılanacak objenin renginin değişken olup olmadığına bakılır. EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 32

33 Uygulama Devreleri Fotodiyotlu ışığa duyarlı devre Fototransistörlü basit ışığa duyarlı devre EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 33

34 Op-amplı uzaktan kumanda devresi EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 34

35 Op-amplı devir sayısı ölçme devresi EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 35

36 EK BİLGİ-I ALGILAYICILAR-II IŞIK YAYAN DİYOT (Light Emitting Diode) İletim bandındaki bir elektron valans bandındaki bir oyukla birleştiğinde, elektron ısı ve ışık formunda enerji açığa çıkartır ve daha düşük enerji konumuna düşer. Bazı maddelerde (örneğin silisyum), enerjinin çoğu ısıya çevrilir, diğerlerinde ise bu ışık şeklinde olur. Eğer madde yarı saydam ise ve açığa çıkan ışık görünebilir ise, bu özelliklere sahip PN eklemine ışık yayan LED adı verilir. EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 36

37 İletim bandı ve valans bandı arasındaki enerji farkına enerji boşluğu (energy gap) denir ve elektron volt (ev) cinsindendir. Kullanılan maddenin cinsine bağlı olan enerji boşluğu yayılan ışığın dalga boyunu etkiler. Silisyumda E.G»1.1 ev λ=1.24*10-6 / E.G =1.24*10-6 / 1.1 = 1.13*10-6 m Bu dalga boyu, ışık spektrumunun infrared bölgesindedir. Kızılötesi görünemediğinden ve çoğu enerji ısıyla açığa çıktığından, Silisyum ve Germanyum LED imalinde kullanılmaz. LED imalinde GaAs, GaP ve GaAsP kullanılır Bu maddeler tarafından yayılan ışığın rengi (kırmızı, yeşil ve sarı) katkılamanın tipi ve derecesiyle kontrol edilebilir. EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 37

38 LED'ler bütün görüntülü yerlerde kullanılabilirler. En önemli dezavantajı düşük güçlü devrelerde dikkate değer bir akım çekmesidir. LED'leri hızlı aralıklarla ON ve OFF yaparak güç sarfiyatı azaltılır. Böylece LED'ler gözün aldanması sebebiyle devamlı yanıyor gibi görünür LED'lerin çok yaygın bir kullanım alanı ise 7-parçalı göstergelerdir. 7 parçalı göstergeler dekoder adı verilen bir lojik devre ile sürülür. EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 38

39 EK BİLGİ-II ALGILAYICILAR-II SIVI KRİSTAL GÖSTERGE (Liquid Crystal Display) Sıvı kristaller: katılar, sıvılar ve gazlardan sonra dördüncü hal. LCD'ler ışık enerjisi üretmez, ama basit olarak seçilen bölgeleri aydınlık yada karanlık yapmak için var olan ışığı değiştirir yada kontrol eder. Sıvı kristallerin ışığın özelliklerini kontrol edebilmesi yani görünümünü değiştirmesi için iki temel yol vardır: Dinamik dağılma Absorbe EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 39

40 Dinamik dağılma metodunda, sıvı kristal molekülleri, dışarıdan uygulanan elektrik potansiyelinin etkisi tarafından düzensiz bir yönelmeye sahip olurlar. Sonuç olarak, malzeme üzerinden geçen ışık birçok farklı yönlerde yansıtılır ve parlak bir görünüme sahip olur. Absorbe metodunda moleküller malzeme üzerinden geçen ışığın polarizasyonu değiştirecek şekilde yönlendirilirler. Polarize filtreler, verilmiş olan polarizasyona bağlı olarak ışığı emme veya aktarmak için kullanılır. Böylelikle ışık sadece filtreden geçebildiği yerlerde görülür. EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 40

41 Düşük güçlü göstergelerin imalinde kullanılırlar LCD'ler LED'lere nazaran çok az bir güç harcar LCD'lerin dezavantajlarından biri onun uzun karşılık verme zamanıdır yani göstergenin yanma ve sönme zamanıdır LCD'ler, LED'ler den daha yavaştır EBO 304- Ölçme ve Enstrümantasyon 41