Optik Elektronik

1. Optik Elektronik 1

2. Elektromanyetik spektrum • Elektromanyetik spektrum, cok uzun dalgaboylu radyo dalgalari bolgesinden, cok kisa dalgaboylu kozmik isinlar bolgesine kadar uzanan bolgedir. • Optik elektronikte kizilotesi (infrared), gorunur isik bolgesi ve mor otesi (ultra violet) bolgesi ile ilgilenecegiz. • Dalga boyu olarak 1 mm ile 1 nm arasindaki bolge ile ilgilenecegiz.

3. Elektromanyetik spektrum

4. Isik dalgasi turleri • Boyuna dalgalar (ses dalgalari) • Enine dalgalar (su yuzeyindeki dalgalanmalar) • Elektromanyetik dalgalar (radyo dalgalari)

5. Dalga boyu, hiz, periyot iliskisi • λ: Dalga boyu (m) • v: Dalganin yayilim hizi (m/s) • T: Dalganin periodu (s) • f=1/T (Hz) • λ= vT = v / f • c = 3x108 (m/s) isigin bosluktaki yayilim hizi

6. Dalga boyu, hiz, periyot iliskisi • Ornek: • Kripton 80, Amerika’da uzunluk standardini olusturmak icin kullanilan bir gazdir ve 4,948865x1014 Hz frekansinda titresim yayar. Bu titresimin periyodunu bulunuz. • Cozum: • T = 1/f = 1/4,948865x1014 = 0,2020665x10-14 (s)

7. Dalga boyu, hiz, periyot iliskisi • Ornek: • Bir onceki ornegi dikkate alirsak, Kripton 80’nin yaydigi titresimin dalga boyu kac metredir. • Cozum: • λ= vT = 3x108x0,2020665x10-14 ≈ 6,06x10-7 (m)

8. Dalga boyu enerji iliskisi • Alman fizikci Max Planck, electromanyetik enerjinin kucuk ayrik parcaciklar halinde olustugunu ileri surdu. Planck bu enerji parcaciklarina kuanta adini verdi. • E = h f • λf = c • E: kuantum enerjisi (J) • h: Planck sabiti 6,626x10-34 (Js) • f: frekans (Hz)

9. Dalga boyu enerji iliskisi • Ornek: • 555 nm dalgaboyundaki elektromanyetik dalganin enerjisini bulunuz. • Cozum: • E=6,626x10-34 x(3x108 / 555x10-9) • E=3,582x10-19 J

10. Radyasyon dedektorleri • Termal dedektorler • Fotoelektrik dedektorler • Pnomatik dedektorler • Kimyasal dedektorler • Biyolojik dedektorler

11. Termal dedektorler 1. Termokupl Iki farkli metalin birlesiminden olusmustur. Birlesme noktasinin sicakligi degistiginde, bir elektromagnetik kuvvet olusur. Bu elektromagnetik kuvvetin buyuklugu, sicaklikla dogru orantilidir ve kullanilan metallerin cinsine baglidir. Termokupl ile, multimetre kullanarak sicaklik olcumu

12. Termal dedektorler 2. Termopile Tek termokupl’un, sicaklik degisimine verdigi tepki cok kucuk oldugundan, genellikle termometre olarak kullanilir. Bu tepkiyi arttirmak icin birden fazla metal kontakt seri olarak, buharlastirilmis ince film teknigi kullanilarak baglanir. Bu yapiya termopile adi verilir.

13. Termal dedektorler 3. Bolometre En populer termal dedektor tipidir. Sezici eleman yuksek sicaklik katsayili bir direnctir. Artan sicaklik ve malzemenin sicaklik katsayisi direnc degisimine sebep olur. Temel bolometre devresi

14. Termal dedektorler • Metal bolometre: Yuksek sicaklik katsayili bizmut, nikel veya platin gibi bir metal kullanilir. Sicaklik katsayisi %0,3-%0,5 1/C˚ dir. Bu sicaklik katsayisi cok dusuk oldugundan metal bolometrenin seziciligi iyi degildir. Daha hizli tepki suresi icin, cok ince film serit temel malzeme uzerine uygulanir. • Termistor bolometre:Basitligi ve yuksek seziciliginden dolayi cok yaygindir. Hirsiz alarmlarinda, duman dedektorlerinde ve benzeri cihazlarda uygulanir. Sezici eleman manganez, kobalt, nikel oksit gibi bir metalden yapilmis termistordur. Termistor yuksek sicaklik katsayisina sahiptir.

15. Termal dedektorler • Dusuk sicaklikli germanyum bolometre: Seziciligi yuksek, laboratuvar tipi, sezici eleman olarak germanyum kullananilan bolometre tipidir.

16. Pyrolitic dedektor • Seziciligi en fazla olan termal dedektor tipidir. Bazi dielektrik malzemelerin isiya bagli olarak polarizasyon degisimi ozelligi vardir. Pyrolitic dedektor bu esasa gore calisir. Sicakligin fonksiyonu olarak dielektrik sabiti degisimi elde edilir. Bu dielektrik kullanilarak, kapasitesi sicaklikla degisen kondansator yapilabilir ve bu kondansator sicaklik dedektoru olarak kullanilabilir.

17. Pnomatik dedektorler • Golay cell en genis uygulama alanina sahip dedektordur. Kapali bir tupun icinde isitilan gazin genlesmesine esasina gore calisir. Genlesme miktari elektrik veya optik bir cihazla dedekte edilir. Golay cell oda sicakliginda calisir ve milimetre bolgesine kadar uzanan cok genis bir spektral araliga sahiptir. Tepki suresi tipik olarak 2 ile 30 ms arasindadir (D*=109 iken).

18. Kimyasal ve biyolojik dedektorler • Fotograf filmi kimyasal dedektorlere ornek olarak verilebilir. Uzerine dusen isik film uzerinde kimyasal bir tepkimeye sebep olurlar. • Insan gozu ise biyolojik dedektorlere ornek olarak verilebilir. • Her iki dedektoru digerlerinden ayiran en onemli ozellik, kontrol cihazlariyla kontrol edilebilen elektriksel bir cikislari olmamasidir. Fakat, bazi ozel olcme ve iletisim cihazlariyla kullanilabilirler.

19. Fotoelektrik dedektorler • Uzerine dusen foton radyasyonu sonucunda elektron salinimi yapan cihazlardir. Baslica iki guruba ayrilirlar. Harici ve dahili fotoelektrik dedektorler. Sekilde her iki tip fotoelektrik dedektorun karekteristikleri gorulmektedir.

20. Vakum fotodiyodu • Vakum fotodiyodu: En eski elektronik dedektordur. Bir cam tup icine yerlestirilmis katot ve anottan olusur. Katot uzerine isik dustugunde, elektron salinimi yapar ve bu elektronlar pozitif yuklu anota dogru ilerlerler. Bunun sonucu olarak, katot uzerine dusen isik siddetiyle orantili bir akim olusur. Fotodiyotun tepki suresi (response time) cok kisadir.

21. Fotomultiplier • Fotomultiplier ve mikrokanal: Fotomultiplier, dusuk gurultulu bir kuvvetlendirici iceren bir fotodiyottur. Kuvvetlendirici, dynode olarak adlandirilan pozitif olarak yuklenmis bir sira anot icerir.

22. Mikrokanal • Mikrokanal fotodedektor: Fotomultiplier ile ayni prensipte calisir. Elektron demeti direkt olarak kuvvetlendirilir. Elektron demetinin kuvvetlendirilmesi cam tup icersinde gerceklesir. Tupun ic kismi silikon oksit, kursun ve alkali bilesikleriyle kaplanmistir. Bu kaplamanin ozelligi, her elektron carptiginda elektron demetinin kazancini iki katina cikartmasidir. Yuksek voltaj uygulanmis iki elektrot elektronlarin katottan anota dogru hizlanmasini saglar. Kanal sonunda elektronlar bir anot veya fosfor ekrana yonlendirilir.

23. Dahili fotoetki fotoelektrik dedektorler • Dahili fotoetki sezicilerinde, harici tiplerde oldugu gibi, fotonlar elektron salinimina sebep olurlar. Fakat elektronlar, fotosezici ortam icinde kalirlar veya ortamin iletkenligini degistirirler ya da akim uretirler. Dahili fotoetki sezicilerinin tamami yariiletken cihazlardir. Ucuzluklari, guvenilirlikleri, kucuk boyutlari ve cok yonlu kullanimlarindan dolayi modern optoelektronik teknolojisinin yapi tasidirlar.

24. Fotoiletkenler (LDR) • Fotoiletkenler, uzerine isik dustugunde elektron salinimi yapan yariiletkenlerdir. Sonucta, yariiletkenin iletkenligi artar. Calisma prensibi fotodiyot ile aynidir. Uzerine dusen fotonun enerjisi, elektronlarin enerji esigini gecebilecegi ve serbest hale gecip yuk tasiyabilecegi kadar buyuk olmalidir. Serbest hale gecen bir elektron, bir bosluk veya bir delik olusturur. Bu bosluk ta bir yuk tasiyicisidir.

25. Fotoiletkenler (LDR) • Fotoiletkenin spektral cevabi, yapisinda kullanilan malzemenin enerji araligi tarafindan belirlenir. Fotonun enerjisi, yayilim frekansiyla dogru orantili (veya dalga boyu ile ters orantili) oldugundan, bir yariiletkenin sogurabilecegi isigin maksimum dalga boyu enerji araligindan hesaplanabilir: • λmax=1240/ΔE • λmax : yariiletkenin sogurabilecegi maksimum dalga boyu (nm) • ΔE: yariiletkenin enerji araligi (eV) • Bazi yariiletkenler ile enerji araliklari ve maksimum dalga boylari yandaki tablo ve sekilde gorulebilir.

26. Fotoiletkenler (LDR) • Bir fotoiletkenin kutuplama devresinde kullanimi yandaki sekilde gosterilmistir. Devre direncindeki goreceli degisim, RL yuk direncinden dolayi kucuktur. RC ve RL nin secimi cikis voltajini da etkiler.

27. Jonksiyon fotodiyodu • Ledde kullanilan jonksiyona benzer sekilde P ve N tipi katkilanmis yari iletken maddeden olusmustur. Uzerine dusen fotonlar yariiletken tarafindan absorbe edilir ve jonksiyon boyunca serbest tasiyicilar (elektron ve delikler) meydana gelir.

28. Jonksiyon fotodiyodu • Jonksiyon fotodiyodunun spektrum cevabi ve karekteristigi yapisinda kullanilan yariiletken malzeme tarafindan belirlenir. Cok kullanilan jonksiyon fotodiyodu tipleri; • Planar difuzyon diyodu • PIN diyodu • Schottky fotodiyodu • Avalanche fotodiyodu

29. Fotovoltaik veya gunes pilleri • Uzerine dusen fotonlarin enerjisini verimli bir sekilde elektrik enerjisine cevirir. Bir yariiletken diyottan elde edilecek enerji cok kucuktur ancak sandvic tipi yapi ile daha fazla enerji saglanabilir.

30. Fototranzistorler ve fototristorler • Fototranzistorler ve fototristorler kuvvetlendirme yapan foto sezicilerdir (aktif foto sezici). Kuvvetlendirme yapan foto sezicilerde avalanche fotodiyodunun aksine birden fazla p-n jonksiyonu mevcuttur. Fototristor terimi bircok foto sezici cihazi belirtmek icin kullanilir. Foto SCR ve Fototriac gibi.

31. Fototranzistorler ve fototristorler • Daha onceki foto dedektorlerle karsilastirildiginda fototranzistorler ve fototristorler duyarlilik, tepki suresi ve lineerlikte kotudurler. Fakat avantajlari kuvvetlendirme yapmalaridir. Dezavantajlarina ragmen ucuz ve guvenilir anahtarlama ve kontrol cihazlaridirlar. Bir fototranzistor aslinda tranzistorlu bir yukseltici ile kullanilan fotodiyottur.

32. Fotodarlington • Fototranzistorlerle karsilastirildiginda fotodarlingtonlar daha yuksek akim ve duyarlilik saglarlar. • Ornek: β1=β2=200 olan iki tranzistorden olusan fotodarlington yapisinda, IB1=5 μA, IE1 ve IC2 nin degeri nedir?

33. Fototristorler • Tristorler, elektriksel olarak kontrol edilen anahtarlardir. Fototristorlerle mW lar seviyesindeki kontrol gucleri kullanilarak kW lar seviyesindeki gucleri kontrol etmek mumkundur. Iki tip sikca kullanilir; • SCR (Slicon Controlled Rectifier) • TRIAC

34. LED’ler ve isima karekteristikleri • LED’ler, en populer optoelektronik isik kaynaklarindan biridir. Ucuz olmalari, cok dusuk guc tuketimleri ve gunumuz elektronik devrelerine cok kolay adapte edilebilmeleri yaygin olarak kullanilmalarini saglamistir. • Tum yariiletken diyotlarda, iletim bandindaki elektronlar, valans bandindaki deliklerle birlestiginde radyasyon uretilir. Normal diyotlardaki radyasyon uzun dalgaboyundadir (kizilotesi bolgesi) ve yariiletkeni cevreleyen kilif tarafindan absorbe edilir. LED’lerde ise yariiletken yuksek enerji araligina sahiptir ve olusan radyasyon disariya yayilabilir.

35. LED’in yapisi • LED, n-tipi katkilanmis, GaP veya GaAsP taban uzerine, p-tipi katkilanmis ince saydam bir GaP tabakanin birlestirilmesinden olusmustur. p-n jonksiyonunda elektronlar ve deliklerin birlesmesiyle isik meydana gelir ve saydam ust kisimdan yayilir.

36. LED’in yapisi • p ve n tipi katkilanmis bolgeler saydamdir. N tipi katkilanmis bolgenin tabani yansitici bir kaplama ile kaplanmistir. Isik bu bolgeden yansir. Saydam bolgelerden gecerek disari cikar.

37. LED’in yapisi • Bazi cok kullanilan led tipleri ve isima paternleri yanda gorulmektedir. (a) ve (b) deki T-1 ¾ ve T-1 kilif tipleri LED’in capini 1 inch’in 1/8’i oraninda belirtmektedir.

38. LED’in elektrik ve optik karekteristigi • LED, bir yariiletken diyot oldugundan, karekteristigi normal p-n diyoduna benzer.

39. Elektroluminans kaynaklari • Iki tip elektroluminans kaynagi mevcuttur. • Enjeksiyon veya DC kaynak (LED) • AC kaynak (Elektroluminans panel)

40. Elektroluminans panel • Elektroluminans panel aslinda bir kapasitordur. Dielektrik kismi icersine elektroluminans pigmentleri sacilmistir. Bu pigmentler genellikle yariiletken fosfordur. AC voltaj uygulandiginda radyasyon (isik) yayilir. Radyasyonun disari cikmasi icin elektrotlardan birisi saydam yapilmistir.

41. Elektroluminans display (gosterge) • Elektroluminans panel, kucuk bazi degisikliklerle dot matrix panel olarak basarili bir sekilde kullanilabilir. Cok sayida elektroluminans panel matrix seklinde dizilerek buyuk boyutlu gosterge olusturulur. Satir ve sutunlardan olusan bu gostergede ilgili satir ve sutuna voltaj uygulanarak calismasi saglanir. Her bir gosterge elemanina pixel denir.

42. Vakum florasan gosterge • Vakum florasan kaynagi yuksek hizli elektronlar tarafindan bombardiman edilen vakum icersindeki bir yariiletkenden (genellikle fosfor) olusur. Vakum florasan kaynagi vakum tupune cok benzerdir. Vakum florasan gostergelerin, parcali dot matrix, bar grafik veya XY grid tipleri mevcuttur.

43. CRT tupleri • CRT (Cathode Ray Tube) cok yonlu ve yuksek cozunurluklu bir gostergedir. Eger bir gostergede birkac bin tane karekter gerekiyorsa CRT benzersizdir. • CRT’nin dezavantaji, buyuk boyutu ve yuksek voltaj gereksinimidir. CRT, kapali bir tup icinde, bir ucunda elektron yayan elektron tabancasi ve bu elektronlari yonlendiren ve kontrol eden fokuslama sisteminden olusur. Bu sekilde hizlanan elektronlar, fosfor kapli ekrana carparak isik yayarlar. Yayilan isigin rengi elektronlarin hiziyla iliskilidir.

44. Gaz plazma isik kaynagi • Gaz plazma lamba, genellikle dusuk basincli neon gaziyla doldurulmus iki elektrotlu kapali bir tuptur. Gaz plazma lambalari yuksek voltaj gereksinimleri sebebiyle modern elektronik devrelere uygun degillerdir ve onemlerini kaybetmislerdir.

45. Plazma display (gosterge) • Plazma lambalarin modern versiyonu, duzlemsel sekilde parcali gosterge olarak tasarlanmistir. AC plazma gostergede biraz farkli bir prensip kullanilmistir. Elektrotlar, parlakligi arttirmak icin hafizaya sahip bir dielektrikle ekranlanmistir. Bu sistem flat panel parcali dot matrix gostergelerde de uygulanir. • Plazma gostergeler 1 milyon pixele kadar yuksek cozunurlukte uretilebilirler. 50 feet (15 metre)’e kadar mesafelerde buyuk boyutlu uygulamalar icin mukemmeldirler. Plazma cihazlar yuksek voltaj gerektirir (tipik olarak 200 VDC). Bu problem DC-DC ceviriciler kullanilarak cozulmustur.

46. LCD (Likit Kristal Gosterge) • Optik olarak malzemeler saydam ve opak olarak siniflandirilirlar. Opak malzemelerle ayni gorsel sonucu veren baska bir malzeme sinifi daha vardir. Ancak farkli bir prensiple calisirlar. Bu malzemeler polarizer (kutuplu) olarak adlandirilirlar. Dairesel polarizasyonlu veya rastgele polarizasyonlu isik dalgasi malzemenin icinden gectiginde enerjisi azalir fakat genligi azalmaz. Bu malzemeler belli polarizasyondaki dalgalari yutarlar. Bu teknik LCD’ye uygulanmistir. 3 cesit LCD gosterge bulunur. • Transmissive gosterge: Arkasinda bir isik kaynagi gerekir. • Reflective gosterge: Ortamdaki isik LCD gostergeden yansiyarak izleyiciye ulasir. • Transreflective gosterge: Ilk iki tip gostergenin birlesimidir. Bu yuzden cok genis ortam isik siddeti araliginda kullanislidir.

47. LCD gostergeler Avantajlari • Cok dusuk guc harcamasi (200 nA/mm2) • Dusuk voltaj gereksinimi (1,5-5V) • CMOS’lar ile uyumluluk • Gunes isiginda bile okunabilirlik • Kullanimda esneklik (kolaylikla parcali dot matrix gostergelere adapte edilebilirler) Dezavantajlari • Cok kullanilan transreflector tipi, cok dusuk ortam isik siddetlerinde kullanisli degildir • Tepki suresi bircok uygulamada cok yavastir • Gorus acisi sinirlidir • LCD gostergeler sicakliga karsi cok hassatirlar

48. Bar grafik gostergeler • Basitlikleri ve ucuzluklarindan dolayi bar grafik ve parcali gostergeler bircok alanda kullanilmaktadirlar. Parcali gostergeler, dijital saatler, termometreler ve otomotiv endustrisi gibi bircok alanda kullanilirlar. Bar grafik gostergeler analog cihazlarda seviyemetre, indikator gibi uygulamalarda kullanilirlar. Bar grafik gostergeler iki gruba ayrilirlar; • Bar grafik • Pozisyon (konum) indikator

49. Bar grafik ve position indikator uygulama devreleri • a) Bar grafik gostergeli voltmetre • b) Position indikatorlu voltmetre

50. Parcali gostergeler • En ekonomik gosregelerden birisi parcali gostergelerdir. Parcali gostergeler 7 parcali ve 16 parcali olmak uzere iki konfigurasyonda olabilirler. • 7 parcali gostergeler, rakamlar ve sinirli sayida harfler icin tasarlanmistir. 16 parcali gostergeler, tum buyuk harfleri ve numaralari gosterirler. Parcali gostergeler aslinda ledlerden olusurlar. Ortak katot ve ortak anot olmak uzere iki ana gruba ayrilirlar. • 4 dijitten daha fazla gostergeler darbeli veya cogullamali olarak calistirilirlar. Harcanan guc boylece daha dusuk olur.