Optoelektronik Devreler ve Sistemler

Bu kitap elektronik mühendisliği eğitimini yapan öğrencilere ve elektronik konusunda çalışanlara yardımcı olmak üzere ele alınmıştır. Elektroniğin gelişmesi ile birlikte büyük bir atılım gösteren ve elektroniğin bir dalı olan optoelektronik günümüzde çok hızlı gelişmektedir. Optoelektronik genel olarak optoelektronik elemanlardan, optoelektronik devrelerden ve optoelektronik sistemlerden oluşmaktadır. Optoelektronik elemanlar, ışın vericiler, optik elemanlar ve fotoalıcılardır. Optoelektronikte elektriksel işaret önce ışın verici ile optik işarete çevrilir ve bu optik işaret ortamdan geçerek fotoalıcıya ulaşır. Fotoalıcı optik işareti elektriksel işarete çevirir. Işın vericiler, akımı ışına çeviren elemanlardır. Yarıiletken ışın vericiler, LED'ler ve lazerlerdir. Teknolojinin gelişmesi ile çok hızlı ve verimli ışın vericiler tasarlanmıştır. LED'ler ve lazerler, P - N jonksiyonlu ışın vericilerdir ve bir P - N jonksiyonun özelliklerini taşırlar. Yarıiletken ışın vericinin yapısında uygun malzeme kullanarak geniş spektrumlu, monokromatik veya kvazimonokromatik spektrumlu ışın vericiler tasarlanabilir. Günümüzde kullanılan ışın vericiler, ultraviole bölgesinden kızılötesi bölgesine kadar geniş bir aralıkta çalışabilmektedirler. Yarıiletken ışın vericilerin birkaç önemli karakteristikleri vardır. Bunlar, akım - gerilim karakteristikleri, spektrum karakteristikleri, ışıma diyagramları, akım ile ışın şiddeti arasındaki bağıntıyı ifade eden karakteristiklerdir. Sistemin hatasız ve istenen rejimde çalışması için bu karakteristikler düzgün seçilmelidirler. Fotoalıcılar üzerlerine düşen ışını elektriksel işarete çeviren elemanlardır. Fotoalıcılar birkaç çeşit olabilirler. Bunlar, Fotodirençler, fotodiyotlar, fototranzistörler, fototiristörler ve fototriyaklardır. Fotoalıcılann önemli karakteristikleri, akım - gerilim karakteristikleri, spektrum karakteristikleri, ve ışın şiddeti ile fotosinyal arasındaki bağıntıyı ifade eden karakteristiklerdir. Fotodirençler, ışık şiddeti ile direnci değişen elemanlardır. Fotodiyotlar, iki çalışma rejimine sahiptirler. Birincisi, fotovoltaik rejimdir (beslemesiz rejim). Bu rejimde ışık etkisi ile fotodiyodun uçlarında bir gerilim oluşmaktadır. İkincisi ise fotoiletken rejimdir. Bu rejimde, fotodiyot bir yük direncine seri olarak besleme gerilimine bağlanır. Işık etkisi ile oluşan fotoakım yük direnci üzerinde bir gerilim düşümü oluşturmaktadır ve bu gerilim fotodiyodun çıkış gerilimi olarak alınmaktadır. Fototranzistörlerin yapısı, normal tranzistörün yapısına benzer. İki uçlu veya üç uçlu olabilirler. Fotodiyotlarda olduğu gibi önemli karakteristikleri, akım - gerilim karakteristikleri ve spektrum karakteristikleridir. Fototranzistörün çalışması normal bir tranzistörün çalışmasına benzer. Tek fark fototranzistör ışık ile kontrol edilir. Fototranzistörün fotodiyottan farkı, fototranzistörün bir kazanca sahip olmasıdır. Benzer olarak fototiristörlerin ve fototriyaklann normal tiristörlerden ve triyaklardan farkı ışık ile kontrol edilmeleridir. Fototiristörler ve fototriyaklar elektronik devrelerde anahtar olarak kullanılırlar. Optoelektronikte önem taşıyan elemanlardan biri de optik elemanlardır. Optik elemanlar, mercekler, prizmalar, yansıtıcılar, optik bağlantılar, çeşitli filtreler ve modülatörlerdir. Optik elemanlar genelde ışın verici ile fotoalıcının arasına yerleştirilirler, ışığın yapısını ve bu ışığın ortamdan geçmesini etkilerler. Işın verici ile fotoalıcı arasında bulunan ortam, ışının emilmesine ve yansımasına neden olur. Bu emilme ve yansımalar fotoalıcının üzerine düşen ışığın ve dolayısıyla fotoalıcının çıkışında elde edilen fotosinyalin miktarını etkilerler. Optoelektronik sistemlerin tasarımı sırasında, ortamın emilme ve yansıma katsayıları dikkate alınmaktadır. Optoelektronik elemanlar ile oluşturulmuş devreler, tasarlanan sistemin özelliklerine göre seçilir. Optoelektronik devreler iki çeşittir. Birincisi ışın verici devreler, İkincisi de fotoalıcı devrelerdir. Işın verici devreler, yarıiletken ışın vericinin istenen rejimde çalışmasını sağlarlar. Işın verici devrelerde genelde osilatörler kullanılmaktadır. Fotoalıcı devreleri ise, fotosinyalin gerekli seviyede elde edilmesini sağlamaktadırlar. Fotoalıcı devreler, tranzistörler ve işlemsel kuvvetlendiriciler ile gerçekleştirilmektedir. Optoelektronik sistemler çeşitli olabilir. Örnek olarak, sensörler, alarm sistemleri, dönüştürücüler, çeşitli ölçüm yapan sistemler, aydınlatma sistemleri ve yön algılayan ileri - geri sayıcı sistemler örnek verilebilir. Bu sistemlerin tasarımında genel olarak yapılacak işlemler, yarıiletken ışm vericinin seçilmesi, ışın verici devrenin geliştirilmesi, fotoalıcının seçilmesi, fotoalıcı devresinin geliştirilmesi ve gerekli optik elemanların seçilmesi şeklinde sıralanabilir. Optoelektronik sistemlerin tasarımında sistemin analizi önem taşımaktadır. Eldar Musayev İÇİNDEKİLER Optik sinyaller modülasyon ve demodiilasyon Optik sinyaller Optik sinyallerin modülasyonu ve demodülasyonu... Optik elemanlar ve ışın taşıyıcılar Optik elemanlar Işın taşıyıcı optik bağlantılar, ışın geçiriciler.... Işın verici diyotlar (LEDler) LED'lerin yapısı ve çalışma prensibi LED'lerin karakteristikleri ve parametreleri LED ışınının yayılması LED'in dinamik direnci LED ' in ortalama akımı. LED'lerin bağlantı şekilleri Displaylar Lazerler Lazerin çalışma prensibi Lazerin yapısı Optik rezonatörlerin yapısı Lazer ışınının karakteristikleri ve parametreleri Lazerin spektrumu ?. Işının koherantliği. Lazer ışınının yönü Lazer ışınının parametreleri Yaniletken lazerler . Fotoaîıcılar Fotodirençler........ Fotodiyotlar.... Fotodiyodun eşdeğer şeması. Fotodiyotlann yapısı Fototranzistörler, fototiristörler ve fototriyaklar Fototranzistörler Fototiristörler ve fototriyaklar Çok elemanlı fotoalıcılar . Işının ortamdan geçmesi ve yansıması Işığın ortamdan geçmesi ve emilmesi Işığın sudan geçmesi Işığın cisimlerden yansıması Işm verici devreler ' Yarıiletken ışın vericilerin devrelere uygulanması LED'lerin tranzistörler ile bağlantı şekilleri İşın verici devrelerin seçilmesi ve tasarım