Základy elektrotechniky (III)

Světlo je stejně jako rádiové vlny elektromagnetické vlnění. Platí, že jeho rychlost c = 3. 10⁸ m/s, vlnová délka λ = c/f. Jedná se o elektromagnetické vlnění velmi vysoké frekvence (nosná frekvence), na které můžeme modulátorem na vysílací straně modulovat elektrický signál. Světlo se potom šíří světlovodem, případně na kratší vzdálenosti (dálkové ovládání spotřebičů) i volným prostorem. Na přijímací straně je detekováno a přeměněno na optický signál. Vzniká tak optický spoj. Díky vysoké frekvenci světla (nosné vlny) je na něj možné modulovat rovněž signály velmi vysokých kmitočtů. (Musí vždy platit, že modulační frekvence je mnohem nižší než nosná frekvence). Přenosová rychlost (kapacita) takového spoje je proto mnohem vyšší než u rádiových vln.

Obrázek č.1 Blokové schéma optického spoje

Vlnová délka viditelného světla je v rozmezí 470 až 860 nm. Pro optický přenos je ale výhodnější infračervené záření o vlnové délce přibližně 1000 nm, při které je minimální útlum a minimální rušení.

ZDROJE SVĚTLA

SVĚTELNÉ DIODY (Light Emitting Diode) jsou při provozu zapojeny v propustném směru. Světlo vzniká při rekombinaci (přeskoku elektronu z vodivostního do valenčního pásu), kdy se uvolňuje energie úměrná šířce zakázaného pásu. Ta se přemění v energii fotonu, který je potom vyzářen.

Použitý materiál a jeho šířka zakázaného pásu určuje barvu světla a současně prahové napětí LED. V současnosti se kromě zelených, žlutých a červených LED (prahové napětí 1,6 až 2 V) také modré a bílé s vyšším prahovým napětím (2,5 až 3 V) a kratší vlnovou délkou. Infračervená LED má větší vlnovou délku emitovaného světla a proto i menší prahové napětí (1V).

Diody se umisťují do pouzder z plastů (čirých nebo obarvených), které mohou být upraveny do tvaru čoček.

U LED je kromě vlnové délky důležitý i vyzařovací úhel (rozlišujeme bodovky a rozptylky) a svítivost (udává se v milicandelách nebo candelách). Vyrábějí se také dvoubarevné LED - červená zelená se společnou katodou nebo anodou (3 vývody) nebo antiparalelně zapojené (2 vývody, při proudu v jednom směru svítí zeleně, při proudu v druhém směru červeně a při střídavém proudu oranžová) i trojbarevné (červená, zelená, modrá).

LASEROVÁ DIODA je podobná LED. Místo spontánní emise, která u LED nastává samovolně a náhodně po určité době od stimulace, zde nastává stimulovaná emise. Ta je vyvolána přímou interakcí s elektromagnetickým polem. Optické záření je potom koherentní. To znamená, že elektromagnetické vlnění kmitá pouze v jedné rovině. Rezonátor je u laserové diody vymezen dvěma protilehlými stranami polovodičového materiálu, které tvoří zrcadla.

Obrázek č.2: a/ LED; b/ optron; c/ optotriak

Kromě modulace budícím proudem (amplitudová modulace) můžeme světelný paprsek modulovat příčným elektrickým polem. Intenzita elektrického pole působí kolmo na směr šíření paprsku. Jejím vlivem se mění index lomu prostředí, což je příčinou změny fázových rychlostí jednotlivých složek dopadajícího světla.

Jednou z výhod optického přenosu je galvanické oddělení přijímacího a vysílacího obvodu. Za tím účelem se vyrábějí optické vazební členy - optrony. Skládají se z infradiody (na které při provozu naměříme prahové napětí 1 až 1,2 V) a fototranzistoru. Obě součástky jsou v jednom pouzdru a mají podobnou spektrální citlivost. Proud protékající infradiodou způsobí emisi záření, které otevře fototranzistor, aniž by obě součástky byly galvanicky spojeny. Proud infradiody volíme zhruba 1 až 5 mA.

Optrony se používají buď pro přenos logických signálů nebo i pro přenos spojitých signálů. V určité pracovní oblasti infradiody a fototranzistoru (která je dána vnějšími součástkami, viz obr. 2b) je přenos téměř lineární a zkreslení signálu zanedbatelné.

Optrony se vyrábějí v pouzdrech DIL podobně jako integrované obvody. Jejich elektrická pevnost (požadované průrazné napětí mezi obvodem infradiody a fototranzistoru) má být zhruba 4 kV.

Optotriak (polovodičové relé) se skládá z infradiody a dvou antiparalelně zapojených optotyristorů (fungují obdobně jako fototranzistory). Optotriak se používá k zapínání a vypínání síťových spotřebičů z galvanicky odděleného řídícího obvodu. Řídící proud je v řádu jednotek miliampér (viz obr. 2c). Určíme ho pomocí předřadného rezistoru R_d.

SVĚTLOVODY

Pro přenos optického signálu na větší vzdálenosti se používají světlovody. Skládají se z jádra o indexu lomu n₁ a pláště o indexu lomu n₂. Platí n₁ < n₂. Pro lom světelných paprsků na rozhraní dvou prostředí platí, že sin α/sin β = n₁/n₂. Proto při průchodu paprsku z prostředí opticky hustšího (jádro) do prostředí opticky řidšího (plášť) nastává lom od kolmice. Při dostatečně velkém úhlu β nastává totální odraz a paprsek nemůže světlovod opustit. Proto musí paprsek do světlovodu vstupovat pod malým úhlem vůči ose světlovodu.

Díky extrémní čistotě materiálu (koncentrace nečistot řádově 10^-15, tzn. o tři řády lepší než pro výrobu integrovaných obvodů) se podařilo dosáhnout útlumu v řádu desetin dB/km. To je mnohem lepší hodnota než je možné dosáhnout u klasických (koaxiálních) vodičů, u kterých útlum roste s frekvencí (na kmitočtu stovek MHz desítky dB/km). Přenosová kapacita světlovodu je mnohem větší, navíc zde odpadá možnost rušení.

Důležitým parametrem světlovodu je disperze, tzn. zkreslení vlivem rozšíření světelného paprsku. Za účelem zlepšení tohoto parametru se používají světlovody se spojitým (gradientním) indexem lomu. S rostoucí vzdáleností od středu světlovodu index lomu postupně klesá, přechod mezi jádrem a pláštěm je pozvolný.

Pro praktické použití je u světlovodu důležitá mechanická pevnost v tahu, ohebnost (poloměr ohybu nesmí být nikdy příliš malý, aby se v něj paprsek nedostal ven. Vlastní světlovod je křehký a má malou pevnost v tahu. Jeho povrch musí být chráněn před mechanickým nebo chemickým poškozením fólií z plastu, dalšími obaly a tahovými členy. Potom se dá dosáhnout pevnosti v tahu až 100 N.

Při výrobě světlovodu se do trubky ze skla o indexu lomu n₂ (plášť) vkládá tyčka o indexu lomu n1 (jádro) a oba materiály se teplem spojují - metoda tyčka v trubce.

Nebo se používá metoda dvou kelímků, vnější obsahuje materiál pro výrobu pláště, vnitřní pro výrobu jádra. Tato metoda se používá i pro výrobu světlovodů se spojitým indexem lomu.

Velmi čistý SiO₂ se získává kondenzací par. Jejich základem je tepelný rozklad SiCl₂ v kyslíku. K potřebné změně indexu lomu se používají kysličníky germania titanu a fosforu, které jej zvyšují a kysličníky bóru a fluoru, které jej snižují.

Tažení světlovodného vlákna probíhá při teplotě 1 700°C až 2 000°C.

Při spojování světlovodů je nutná výborná jakost povrchu spojovaných částí. U vláken musí být koncové plochy rovinné, kolmé na osu, čisté, leštěné a nepoškrábané. K jejich řezání a lámání se používají speciální přípravky. Pro trvalé spojené se spoj lepí organickou pryskyřicí. Nejprve se povede spojení malou kapkou, poté se spoj fixuje velkou kapkou a podložní destičkou. Nebo je možné spoj svařit mikrohořákem, elektrickým obloukem nebo laserem. Konce světlovodu se nejprve před svařováním fixují ve speciálním přípravku (drážka ve tvaru písmene V). Další možnost spojení je ovinutí plastickou fólií s následným slepením.

Také se vyrábějí rozebíratelné spoje - optické konektory. Při tom se často úzký svazek paprsků na výstupu světlovodu rozšiřuje čočkou. Tím se zvětší tolerance vzájemné polohy konců vlákna, která je jinak velmi malá.

Obrázek: a/ Lom světla na rozhraní dvou prostředí; b/ Světlovod; c/ Průběh indexu lomu u gradientního světlovodu

Obrázek: a/ pevné spojení dvou světlovodů; b/Rozšíření svazku paprsků čočkou spojivkou; c/Metoda dvou kelímků;
d/ VA charakteristika fotodiody; e/ fotodioda PIN

FOTODETEKTORY

U FOTODIODY dochází nárazem fotonů na PN přechod v závěrném směru ke generování minoritních nosičů. Nedopadá-li na fotodiodu světlo, je její charakteristika podobná normální diodě, prahové napětí je stejné. S rostoucím osvětlením roste její proud v závěrném směru. Je-li pracovní oblast fotodiody ve 3. kvadrantu (s vnějším zdrojem, zapojení v závěrném směru), hovoříme o odporové fotodiodě. Hradlová fotodioda má pracovní oblast ve 4. kvadrantu a chová se jako zdroj napětí a proudu, jehož příčinou je světelný tok.

Hradlová fotodioda je vlastně solární článek. Jejich sériovým zapojením získáme využitelný zdroj energie, např. pro kosmické družice nebo v nepřístupných oblastech s dostatečnou intenzitou slunečního záření. Solární panely zaznamenaly v poslední době velký rozvoj, jedná se zatím ale o drahý zdroj energie.

Fotodiodou může být každá křemíková, germaniová nebo galiumarsenidová dioda, pokud na její PN přechod dopadá záření. To znamená, že PN přechod musí být v malé hloubce a pouzdro musí být průhledné nebo musí mít průhledné okénko.

Fotodioda PIN

Silně dotovaná oblast P je od vrstvy N oddělena málo dotovanou vrstvou, kterou označujeme I. V ní se tvoří oblast prostorového náboje. Vytvořené pole zabraňuje přechodu volných nosičů náboje. Dopadem fotonu vznikne pár elektron - díra, což se projeví zvýšením proudu.

U lavinové fotodiody rovněž vznikají působením fotonů volné nosiče náboje. Vlivem silného elektrického pole dochází k jejich urychlení a ionizaci dalších atomů. Počet volných nosičů náboje se tak násobí. Tím se zlepší poměr signál/šum.

U FOTOTRANZISTORU se využívá fotoelektrické generace nosičů při ozáření. Jako fototranzistor může sloužit každý tranzistor, pokud záření může dopadat na přechod báze - emitor, kde jeho působením vznikají minoritní nosiče. Báze fototranzistoru většinou nebývá vyvedena z pouzdra. Fototranzistor funguje jako fotodioda, za kterou je zařazen tranzistorový zesilovač.

FOTOREZISTOR je polovodičová součástka bez přechodu PN. Energie dopadajících fotonů způsobuje přeskoky elektronů z valenčního do vodivostního pásu a tím zvýšení vodivosti polovodiče. Tento jev se nazývá vlastní fotoelektrická vodivost.

U příměsových polovodičů může snadněji docházet k přeskoku elektronu z donorové poruchové hladiny do vodivostního pásu (polovodič N) nebo z valenčního pásu do akceptorové hladiny (polovodič P). Tento jev se nazývá příměsová fotoelektrická vodivost. Oproti vlastní fotoelektrické vodivosti stačí k přeskoku elektronu menší energie dopadajícího fotonu. Proto příměsové fotorezistory mohou pracovat i hluboko v oblasti infračerveného záření, kde je velká vlnová délka a malá energie fotonů).

Polovodičové vrstvy se připravují z různých sirníků a selenidů, které se na izolační podložku nanášejí napařováním.