IŞIK SEZME – OPTİK SENSÖRLER

İÇİNDEKİLER

 

 

1        Işın Vericiler      ………………………………………………………………………………………….. 1

1.1    Led                     ………………………………………………………………………………………….. 1

1.1.1    Ledlerin yapısı    …………………………………………………………………………………………. 1

1.2    Lazerler              ………………………………………………………………………………………….. 4

1.2.1        Lazerlerin Çalışma Prensibi…………………………………………………………………………… 4

1.2.2    Lazerin Yapısı                      ………………………………………………………………………….. 5

1.2.3    Lazer Işınının Yönü             ………………………………………………………………………….  6

1.2.4    Yarı İletken Lazerler             …………………………………………………………………………  7

2    FotoAlıcılar                           …………………………………………………………………………  8

2.1    Foto Dirençler                       …………………………………………………………………………..9

2.2    FotoDiyotlar:                        ………………………………………………………………………..  10 2.2.1    Fotodiyotların yapısı:           ………………………………………………………………………….12

2.3    Fototransistörler                   ………………………………………………………………………..  15

2.4        Fototristörler ve fototriyaklar ……………………………………………………………………..  20

2.5        Çok Elemanlı Fotoalıcılar      ………………………………………………………………………  23

3     Fotoalıcı devreler                 ……………………………………………………………………….  25

3.1          Fotodirencin Değişik Besleme Geriliminde ve Değişken Işında Çalışması……….  25

3.2     Fotodirencin Bipolar Transistörün Girişine Uygulanması   …………………………….  27

3.3     Fotodirencin İşlemsel Kuvvetlendiricinin Girişine Uygulanması…………………….  27

3.4          Fotodiyotların İşlemsel Kuvvetlendiricilerin Girişlerine Uygulanması………………28

3.5          Faz Çevirmeyen  İşlemsel Kuvvetlendiricinin Girişine Fotodiyotun Uygulanması29

3.6          Fotosinyallerin Toplama İşlemini Yapan Kuvvetlendiriciler…………………………….30

3.7          Fotodiyot Gerilim İzleyici Devre  ……………………………………………………………….. 30

3.8          Fotosinyalin Türevini Alan Devre ………………………………………………………………..31

3.9          İki Foto Sinyalin Farkını Kuvvetlendiren Devre …………………………………………… 32

3.10   Fotoiletken Rejiminde Çalışan Fotodiyotların

İşlemsel Kuvvetlendiricilerin Girişine Bağlanması………………………………………….32

3.11   Fototransistörlü devre    ………………………………………………………………………………33

3.12   Fototriyaklı devre           …………………………………………………………………………….. 33

4     Optoelektronik Sistemler  ……………………………………………………………………………34

4.1          Kızılötesi Aydınlatma ve Gece Görüş Sistemleri  …………………………………………..34

4.2          Ortam özelliklerini ölçüm için geliştirilmiş dijital optoelektronik sistem  ………….36

4.3          LED –fotodirenç çifti ile tasarlanmış optoelektronik osilatör  ………………………… 37

4.4          İleri-Geri sayıcı Optoelektronik sistem   ……………………………………………………… 38

4.5          Elektronikte Optoelektronik elemanların kullanılması   …………………………………  39

4.6          Kızıl ötesi Haberleşme sistemleri           ……………………………………………………..   40

4.7          Renk Algılama Sistemleri                ……………………………………………………………   43

4.8          Uzaklık ve Hız Ölçüm sistemleri       …………………………………………………………..  44

5     Robotik Sensörler                              …………………………………………………………..   46

5.1     Optik Dahili Durum Sensörleri         ……………………………………………………………  46

5.2     Yansıyan Işık Sensörleri                    …………………………………………………………… 46

5.3      Fiberoptik Taramalı Sensörler          …………………………………………………………… 47

5.4      Taramalı Lazer Sensörleri                  ………………………………………………………….. 47

5.5      Fotodedektör Dokunma Sensörleri    ………………………………………………………….  48

Kaynaklar                    ……………………………………………………………………………….. 49

1-IŞIN VERİCİLER

Yarı iletken ışın vericiler iki çeşittir: Led (Light Emitting Diode/Işın verici diyot) ve Lazerler.

 

1.1    LED

LEDler Opto elektronikte en çok kullanılan ışın vericilerdir. Led ler P-N jonksiyonlu bir elemandır ve dolayısıyla P-N jonksiyonuna ait özellikleri içermektedir. LED’lerin yapısında bulunan yarıiletken malzeme, LED’den yayılan ışının spektrumunu belirler.

 

1.1.1  LED’lerin Yapısı ve Çalışma Prensibi

LED (Light Emitting Diode) P-N jonksiyonlu bir yarıiletken olup iletim yönünde kutuplandığı takdirde ışık yayacak şekilde tasarlanmıştır. Bu ışık ; kırmızı, yeşil, sarı, ya da kızıl ötesi gibi çeşitli, renklerde olabilir. Normal diyot da olduğu gibi Led’de de küçük değerde bir eşik gerilimi vardır. Bu eşik gerilimi aşıldığında jonksiyonun direnci düşer ve akım iletmeye başlar. LED’lerin devrelerde kullanımında bu akım bir dirençle sınırlandırılmalıdır. LED’in yaydığı ışık miktarı üzerinden geçen akıma bağlıdır. Bu akım bir doğru akım ya da darbeli akım olabilir.Genelde günümüzde LED’ler darbeli rejimde çalıştırılmaktadır. Bunun nedeni darbeli rejimde istenen ışık şiddeti elde edilmektedir. İletim yönünde bir akım uygulandığında LED hemen ışık verir.

LED’lerin tipik yükselme ve düşme süreleri nanosaniye mertebelerindedir. Bu hızlı cevabından dolayı optoelektronik sistemlerde yüksek hızla anahtarlama yapan ışın verici olarak kullanılmaktadır. LED’lerin  çalışma ömrü çok uzundur. Çalışma süreleri 100.000 saat civarındadır.

Şekil 1 – Çeşitli yarıiletkenlerden yapılmış LED’lerin kuantum enerjileri ve ışın dalga boyları

LED’lerin elektriksel ve ışık verme özellikleri P-N geçidinin ileri yönde ve tıkama yönünde bir gerilimle sürülmesi halinde elektronların rekombinasyon olayına dayanır. LED’lerin çalışması elektrik enerjisinin optik ışığa dönüştürülmesi ilkesine dayanır. LED’den yayılan ışığın spektrumu  elektromagnetik spektrumun  görünen ve kızıl ötesi bölgelerinde yer alır. LED’ler iletim yönünde kutuplandığında elektromagnetik ışıma yapan yarı iletkenlerdir. Bu ışımanın dalga boyu kullanılan malzemeye ve katkı maddelerine bağlıdır.

LED’ler iletim yönünde kutuplandığında serbest elektronlar P-N jonksiyonunu geçerek P bölgesine girerler. Bunların bir kısmı buradaki deliklerle birleşir. Bu birleşmeden dolayı açığa çıkan enerji, ışık enerjisi şeklindedir. P-N jonksiyonundan akan akımın değeri elektronların ve  deliklerin sayısına bağlıdır. Kuantum teorisine göre elektronların deliklerle birleşmesi sonucu ışık enerjisi ortaya çıkmaktadır. Burada ortaya çıkan enerjinin miktarı P-N geçidinin enine bağlıdır.LED’den akan akım iki akım bileşeninden oluşmaktadır. Bunlar elektronların ve deliklerin oluşturduğu akımlardır. Elektronların sayısına bağlı akım İN,  deliklerin sayısına bağlı IP ile gösterilirse toplam LED akımı İ= İN +IP ışığın oluşmasında yalnızca elektronların oluşturduğu akım etkilidir.

P-N geçidinde oluşan ışığın hepsi doğrudan dış ortama aktarılamaz. Işığın bir kısmı P-N geçidinde emilirken bir miktarı da P-N yüzeyinden yansıyarak geçit içine yönelmektedir.

LED’ler yaydıkları ışığın spektrumuna ve dalga boyuna göre iki sınıfa ayrılır:

1-  Görünen ışık veren LED’ler.

2-  Kızıl ötesi ışık veren LED’ler.

İstenilen dalga boyunda ışın elde etmek için çeşitli yarıiletken malzemeler kullanılmaktadır. Şekilde çeşitli yarıiletken malzemelerden yapılmış LED’ lerin kuantum enerjileri ve ışın dalga boyları verilmiştir. Aşağıdaki tabloda ise LED’lerin yapısında kullanılan yarıiletken malzemeler ve onlara ait dalga boyları gösterilmiştir. Kullanım amaçlarına göre LED’ler plastik ve metalik kılıf içerisinde tasarlanabilir.

 

Şekil 2 – LED’lerin çeşitli yapıları

 

1.2. LAZERLER:

 

Optoelektronik sistemlerde lazerler, ışın verici olarak çok geniş kullanılmaktadır. Genel kullanım alanları, uzaklık ve yükseklik ölçüm sistemleri , açı ölçüm sistemleri çeşitli radarlar uçakların navigasyon sistemleri (kalkma ve inme için), tıp iletişim ve haberleşme sistemleridir. Lazer ışını monokromatiktir, ışıma diyagramını açısı küçüktür ve ışın şiddeti yüksektir. Ayrıca lazerler küçük boyutludurlar ve büyük çalışma sürelerine sahiptir.

Lazerler yapılarında kullanılan malzemeye göre birkaç çeşit olabilirler. Bunlardan en çok kullanılanları gaz lazerler, sıvı lazerler, katı lazerler ve yarıiletken lazerlerdir. Lazerin ışık spektrumu yapısında kullanılan malzemeyle belirlenir. Yarıiletken lazerler diğer çeşitlerine göre daha küçük boyutludur ve bu lazerlerin akımı ile ışın şiddeti modüle edilebilir. Yarıiletken lazerler çok yüksek çalışma hızına sahiptirler ve  bu yüzden çok kullanılırlar.

1.2.1 Lazerlerin Çalışma Prensibi:

 

Lazerlerin çalışma zorunlukla oluşan ışına dayanmaktadır ve invers ortamın özellikleri ile belirlenmektedir. Her bir ortam (malzeme) atomlardan, iyonlardan ve moleküllerden oluşmaktadır. Bunların her birinin kendine has özellikleri vardır. Örneğin ortamda bulunan elektronlar, atomlar ve moleküller çeşitli hareketler (titreşim gibi ) yaparlar. Bu yük taşıyıcıları dışardan  bir etkiyle harekete geçirilirse bir üst enerji  seviyesine geçerler. Bu geçişin sonucu olarak ya bir miktar enerji dışarıya verilir ya da bir miktar enerji alınır. Geçiş olayında oluşan ışın optik ışındır. Optik ışının frekansı, elektronların ve iyonların ilk ve son enerji seviyeleri arasındaki enerji farkı ile belirlenir.

Üç tip optik geçiş vardır:

1-      Sponton geçiş

2-      Yudulma ile oluşan geçiş

3-      Uyarma ile oluşan geçiş

Herhangi bir dış etki olmaksızın, elektronların yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçmesi ile oluşan geçişe spontan geçiş adı verilir. Spontan geçiş rasgeledir ve zamandan bağımsızdır. Spontan geçişten dolayı oluşan ışına spontan ışın adı verilir. Spontan geçişte taşıyıcıların hareketleri rasgele olduğundan fotonlar bir düzen içinde değildirler, fazları ve frekanslar birbirinden bağımsızdırlar.

Taşıyıcıların dış fon etkisi ile bulundukları enerji seviyesinden başka bir enerji seviyesine geçmeleri ile oluşan geçişe yudulma ile oluşan geçiş adı verilir. Burada taşıyıcılar dış fon etkisi ile uyarılmaktadır. Dışarıdan  gelen fonların sayısı ne kadar çok ise üst enerji seviyesine geçen taşıyıcı sayısı da o kadar çok olacaktır.

 

1.2.2        Lazerin Yapısı:

 

Lazeri gerçekleştirmek için, invers ortamdan oluşan aktif eleman, doldurma sistemi ve pozitif geri besleme sistemi gerekir. Pozitif geri besleme sistemi iki yansıtıcıdan oluşturulur. İki yansıtıcıdan oluşan sisteme rezonatör adı verilir.Şekilde  lazerin yapısı görülmektedir:

Şekil 3 – Lazerin yapısı

 

 

 

Aktif eleman iki yansıtıcı rezonatör arasında bulunmaktadır. Optik rezonatör, aktif eleman ve doldurma sistemi lazer yapısının temel elemanlarıdır. Optik rezonatörün amacı, lazerden tek dalga boyunda ışık elde etmektir. Optik rezonatörün içinde oluşan titreşimlerin frekansı rezonans frekansına uygun şekilde oluşur. Işını rezonatör dışına çıkamak için yansıtıcılardan biri yarı geçirgen şekilde tasarlanır.

Aktif elemanda yansımalardan ve emilmelerden dolayı bir kayıp oluşur. Lazer ışının oluşması için deplasman enerjisi, kayıplardan çok olacak şekilde aktif eleman ayarlanmalıdır.

Lazerlerin doldurulması çeşitli şekillerde olabilir. Örneğin yarı iletken lazerlerde doldurma P-N jonksiyonundan bir akım geçirilerek yapılır. Gaz lazerlerde yüksek voltajın ark yapması ile doldurma işlemi yapılır. Doldurma işlemi aktif elemanı bir dış optik ışının aydınlatması ile de gerçekleştirilebilir.

 

1.2.3 Lazer Işınının Yönü:

Lazer ışını çok düşük açılıdır ve yönü sabittir.lazer ışının yönlü olması çok büyük avantajlar sağlar:

1-                       Çok küçük çaplı ışında büyük enerji oluşması,

2-                       Işın açısının mesafeye göre çok az değişmesi

3-                       Ortamda ışının az miktarda dağılması

 

Şekil 4 –  Lazer ışınının yön açısı

 

Şekilde gösterilen lazer ışının yön açısı j, lazerin yapısında kullanılan malzemenin cinsine bağlıdır. Bu açı, gaz lazerler için birkaç minüt, yakut lazerler için onlarca minüt, yarıiletken lazerler için yüzlere minüt olabilir. Lazer yapısında özel optik elemanlar kullanılırsa ışın yönünün açısı birkaç sekunde kadar düşürülebilir. Bir cismin üzerine odaklanan lazer ışının çapı birkaç mikrometre kadardır.

 

1.2.4  Yarı İletken Lazerler:

LED’ler ışık kaynağı olarak sadece çok modlu sistemlerde kullanılmaktadırlar. Tek modlu sistemlerde dar bantlı lazerler kullanılır.lazer ışının oluşum prensibi kuantum teorisiyle açıklanmaktadır.bu teoriye göre her atom yörüngesinin belirli bir enerji seviyesi vardır. Elektronu bu yörüngeden uzaklaştırmak için o yörüngenin enerji seviyesi kadar enerji uygulanmalıdır. Bu etki kaldırıldığı zaman elektron aldığı enerjiyi geri vererek yine yörüngesine dönmektedir.bu işlem genellikle dış yörünge yani valans elektronları üzerinde yapılmaktadır. Valans elektronunu yerinden koparmak için enerji verilmesine “pompaj” adı verilir.

Verilen enerji kesildiğinde tekrar yörüngesine dönen elektron aldığı enerjiyi ışık enerjisine dönüştürerek vermektedir.E1 seviyesinde bir elektronun E2 seviyesine çıktığını düşünelim (E1<E2). Belirli bir yaşam süresinden sonra elektron kendiliğinden E2 den E1 e geri döner ve bu dönüş esnasında (E2-E1) enerjisinde ve

V=(E2-E1)h …………. (1)                                                                                          dalga boyunda bir ışın meydana gelir. Bu ışının oluşması kendiliğinden olduğundan, gelişen olaya spontane emisyon adı verilmektedir ve  lazerlerin temel ilkesini teşkil etmektedir. Yukarıdaki ifadeden dalga boyunun  enerji farkı ile orantılı olduğu ve bu farkın ayarlanmasıyla (katkı maddelerin yardımıyla) istenen dalga boyunda ışın veren lazer tasarlanabileceği anlaşılmaktadır.

İlk durumda elektron dışarıdan uyarılmaktadır ve bunun sonucu olarak elektron E2 den E1 e geçiş yapar ve sonuçta bir foton elde edilir. Ayrıca burada elde edilen fotonların sayısı ikiye katlanmıştır yani kuvvetlendirme olayı vardır.Bu olay ışık yoğunluğunun artması olarak ifade edilebilir. Bu olayı çok sayıda atom için düşünürsek zincirleme reaksiyon sonucu aynı fazda ilerleyen fotonların oluşturacağı koherent bir emisyon (ışıma) meydana gelmektedir. Yukarıda açıklanan olaya stimule edilmiş (uyarılmış) emisyon denir.

 

 

Şekil 5 –  Yarıiletken lazerlerin genel yapısı

 

Lazerler gazlı ya da yarıiletken olabilir. Gaz lazerler CO lazerlerdir.bu lazerler uyumlu dedeksiyon ve frekans modülasyonu için uygundur. Nisbeten büyük dalga boylarında geniş demet yaylımı meydana gelmektedir. Ancak alıcıda heteroidin deteksiyonu sonucu geniş demet yayılımı kompanze etmektedir. Optoelektronikte ve haberleşmede daha çok yarıiletken GaA/As lazerler kullanılır.Bu lazerler daha az enerjiyle sürülebilir. Diğer yandan hafif ve küçük hacimlidirler. Ayrıca darbe akımı ile etkin olarak doğrudan modüle edilebilirler. Kros-linklerde diyot demetleri  önce dairesel demete yoğunlaştırmakta ve sonra toplanmaktadır. Böylece toplam güç artırılmaktadır.

 

2- FOTO ALICILAR

 

Fotoalıcılar, üzerine düşen ışığı fotosinyale çevirmektedirler. Fotosinyal akım veya gerilim şeklinde olabilir. Her bir fotoalıcının kendine has karakteristik özellikleri vardır. Bu karakteristikler foto alıcının optik ve elektriksel özelliklerini belirlemektedir.buna göre sistem tasarımında fotoalıcının karakteristikleri önem taşımaktadır.

2.1 Foto Dirençler:

 

Fotodirençler, ışın şiddeti ile dirençleri (iletkenlikleri) değişen optoelektronik devre elemanlarıdır.bir yarıiletken foto direnin üzerine ışık düşerse ışığın seviyesine göre fotodirencin iletkenliği ya da direnci değişir. Yarıiletken teorisine göre ışına duyarlı bir malzemenin iletkenliği sahip olduğu yüklü taşıyıcıların yoğunluğu ile orantılıdır. Fotodirence ışık ile yollanan enerji, kovalent bağların çözülmesine yol açar ve ışın etkisi ile  üretilmiş olan elektron-delik çiftlerinin sayısı artar. Bu artan akım taşıyıcıları malzemenin direncini azaltır. Işın şiddetine göre fotodirencin direnci birkaç ohm dan birkaç megaohm’a kadar değişir.

Şekil 6 –  İletken atomlara sahip bir yarıiletkenin enerji-bant diyagramı

Şekilde iletken atomlara sahip bir yarı iletkenin enerji-bant diyagramı verilmiştir. Yeterli enerjiye sahip fotonlar bu maddeyi aydınlatırsa, şekilde belirtilen geçişlerin meydana gelmesi mümkündür. Yüksek enerjili bir foton, bir elektron-delik çifti meydana getirebilir.bu olaya has uyarma denir.bir foton, veren atomdaki bir elektronu alan atomlar seviyesine gitmeme üzere uyarabilir. İletim ve valans bantlarındaki enerji seviyelerinin yoğunluğu, yabancı atom enerji seviyelerinin yoğunluğundan çok daha fazla olduğundan, foto iletkenlik esas itibarıyla has uyarma sebebiyle meydana gelir.

Bir foton yarıiletken malzemeyi aydınlatırsa bir has uyarma yapabilmesi için, sahip olması gereken enerjisinin minimum değeri, yarıiletken malzemenin Eg(elektron volt) yasak enerji bant genişliği kadardır.

Fotodirençleri uzun dalga boylu spektrumlarda kullanmak daha verimlidir. Fotodirençler daha yüksek duyarlılığa sahiptir ve yüksek gerilimde çalışabilir. Fotodirençlerin dezavantajları ise sıcaklığa olan duyarlılıklarıdır. Bu eksiklik optoelektronik devrelerde şematik olarak kompanze (telafi) edilebilir ya da diferansiyel (fark) fotodirençler kullanılır. Diferansiyel fotodirençler bir kutu içinde aynı malzemeden yapılmış iki fotodirenci içermektedir. Ancak foto dirençlerden biri dış ışın etkisinden izole edilmiştir ve şematik olarak iki foto direnç seri bağlanır.

Fotodirençler belli dalga boylarında yüksek duyarlılığa sahiptirler. Bu dalga boyları yapılıkları yarıiletkene bağlı olarak değişir.gözün duyarlı olduğu 0.4-0.72(mm) dalga boyu aralığında ise Kadmiyum Sülfit foto direnci kullanılır.

 

2.2  FotoDiyotlar:

 

Fotodiyotlar P-N jonksiyonuna sahip optoelektronik elemanlardır. Fotodiyotun amacı ışık şiddetini elektriksel işarete en etki şekilde çevirmektir. Çevirme işleminin etkinliği fotodiyotun karakteristiğine bağlıdır. Fotodiyotun ışığa duyarlı yüzeyine ışık uygulanmış olursa fotonların emilmesi ile serbest taşıyıcılar oluşur ve bunun sonucu olarak ta bir akım akar. Şekilde fotodiyotun çalışmasını anlatan diyagramlar verilmiştir.

 

Şekil 7 –  Fotodiyotun çalışmasını ifade eden diyagram

Bir N tipi yarıiletkende serbest taşıyıcılar elektronlardır. Elektron sayısının fazla olmasından dolayı ortalama enerji seviyesi P tipi yarıiletkenden daha fazladır. P ve N bölgeleri jonksiyon şeklinde birleştirildiğinde  her iki bölgede enerji seviyeleri eşitlenmeye çalışılır. P-N jonksiyonunda N tipi bölgede elektronlar, P tipi bölgede ise delikler fazladır. Elektronlar ve delikler hareketli olduğundan dolayı jonksiyonun birleşme bölgesinde birbirlerine doğru hareket ederek birleşirler ve birbirlerini nötrlerler. Böylece jonksiyonun birleşme bölgesinde taşıyıcılar epeyce zayıflar ve bu bölge taşıyıcılar tarafından fakirleşmiş bölge olarak adlandırılır. Fakirleşmiş bölgede zıt polariteli iyonlaşmış atomlar kalır. Bu iyonlaşmış atomlar, serbest taşıyıcıların bir bölgeden diğer bir bölgeye geçişini engellerler ve bir potansiyel “bariyer (duvar)” gerilimi oluştururlar. Bariyer geriliminin değeri, fotodiyotun yapısında kullanılan yarıiletken  malzemeye bağlıdır. Fotodiyotun yapısında silikon kullanılmış ise bariyer gerilimi 0,7V tur.

Uygulanan gerilimin polaritesine göre fotodiyot iletim ve tıkama yönünde olabilir.P-N jonksiyonuna doğru polariteli bir gerilim uygulandığında taşıyıcılar bakımından zayıflamış bölge azalır ve jonksiyonun iletkenliği artar. Uygulanan gerilimin değeri P-N jonksiyonunun bariyer geriliminin değerine ulaştığında ulaştığında taşıyıcılar bakımından zayıflamış olan bölge ortadan kalkar ve P-N jonksiyon iletime geçer. P-N jonksiyonuna ters polariteli bir gerilim uygulandığında taşıyıcılar bakımından zayıflamış olan bölge genişler ve P-N jonksiyonun iletkenliği azalır. Bununla birlikte ters polariteli gerilimde  de yine bir miktar akım akar. Bu akım ortam ısısının ya da diğer ışık kaynaklarının oluşturduğu serbest taşıyıcıların akımıdır.

Şekil 8 –  Fotodiyotun yapısı ve tıkama yönünde gerilimin uygulanması

 

Şekilde fotodiyotun yapısı ve tıkama yönünde gerilim uygulanması gösterilmiştir.

Azınlık taşıyıcıları jonksiyondaki potansiyel enerji (bariyerinden) duvarından aşağıya doğru hareket ederler. Fakat bu potansiyel enerji duvarı çoğunluk taşıyıcılarının jonksiyondan geçmelerine engel olur.

Fotodiyotun duyarlı yüzeyine ışık düşerse, fazla elektron-delik çiftleri oluşur. Çoğunluk taşıyıcılarının yoğunluğu azınlık taşıyıcılarının yoğunluğundan çok daha fazla olduğuna göre, yoğunluk taşıyıcılarının artış yüzdesi, azınlık taşıyıcılarının artış yüzdesi, azınlık taşıyıcılarının artış yüzdesinden çok daha küçüktür.

Fotoiletken rejiminde fotodiyoda birkaç voltluk tıkama yönünde gerilimi uygulanırsa, hemen hemen sabit bir akım elde edilir. Bu akımın miktarı tıkama yönünde uygulanan gerilimin büyüklüğünden bağımsızdır. Fotodiyotun duyarlı yüzeyine ışık düşmüyorsa fotodiyot üzerinden akan akım, ısıl yoldan üretilmiş olan azınlık taşıyıcılarının  akıttığı akımdır. Bu akıma karanlık akımı denir.

2.2.1 Fotodiyotların yapısı:

 

Günümüzde en çok kullanılan fotodiyotlar, planar, PIN, çığ ve schottky fotodiyotlarıdır. Fotodiyotların spektral cevabı ve karakteristikleri, fotodiyotun yapısında kullanılanyarıiletken malzemenin tipi ve dizaynı ile belirlenir.Aşağıda en çok kullanılan fotodiyotların çeşitli yapıları verilmiştir.

 

Şekil 9 –  Planar difüzyon teknolojisi ile geliştirilmiş fotodiyodun yapısı

 

Planar difüzyon teknolojisi ile üretilen fotodiyotlar en çok kullanılan fotodiyotlardır. Şekilde planar difüzyon teknolojisi ile geliştirilmiş fotodiyotun yapısı gösterilmiştir. Burada ; 1- kontak,  2-SiO2 tabakası , 3-taşıyıcılar tarfından taşınmış bölge , 4-katkı yoğunluğu fazla olan bölge , 5- taban kontak

Diyotun üst kısmında, fazla katkılanmış P tipi bölge ve onun altında az katkılanmış N tipi bölge yer alır. İki katkı yüzeyi arasında fakirleşmiş bölge yerleştirilmiştir. Katkı yoğunluğunun farklılığından dolayı fakirleşmiş P tipi bölge, N tipi bölgeye göre daha derindir. Foto diyotun alt kısmında N tipli bölge bulunur ve diyotun metale bağlantısı sağlanır. Üst kontak SiO2 ile kaplanmıştır.

Fotodiyota üzerine düşen fotonların yarıiletken malzemenin içinde ilerlemesi ışının dalga boyuna bağlıdır. Düşük dalga boyundaki ışınlar (örneğin ultraviole ışınlar) yüzeyde emilir ve yapı içinde ilerleyemezler. Uzun dalga boylu ışınlar (kızılötesi ışınlar) ise yapı içinde derinlere kadar inebilirler. Böylece geniş cevaplı fotodiyot, ince bir P tabakasına ve kalın bir zyıflamış bölgeye sahip olmalıdır.

 

Şekil 10 –  Schottky fotodiyodunun yapısı

 

Fotodiyotun cevap hızı, zayıflama bölgesinin kalınlığı ve  fotodiyot üzerine uygulanmış ters polariteli gerilim tarafından belirlenmektedir. Zayıflamış bölgenin kalınlığı N tipi bölgenin katkı yoğunluğu ile kontrol edilir. Düşük katkı yoğunluğu zayıflamış bölgenin kalınlığını artırır ve fotodiyotun kapasitesini düşürür. Bu teknik PIN fotodiyodlarının P ve N tipi bölgeleri arasına düşük katkılı ve yüksek dirençli N tipi bölge ilave edilir. PIN fotodiyotu ince zayıflamış bölgeye sahiptir. Dolayısıyla cevabı hızlıdır.

Schottky diyotunun yapısı yukarıdaki şekilde verilmiştir. Burada 1-kontak , 2- SiO2 tabakası ,5 – N bölge , 6- katkı yoğunluğu fazla olan bölge , 7- taban kontak , 14- yarı izole edilmiş bölge , 15- ince altın  kaplamalı trnsparent

Çığ fotodiyotu iç kazanç mekanizması olan jonksiyonlu fotodiyottur. Çığ fotodiyotu, devrelerde çalıştırmak için ters polariteli gerilim uygulamak gerekir. Fotonlar tarafından oluşturulan elektronlar iletkenlik bandına geçerler. Yüksek elektrik alandan dolayı elektronların diğer atomlara çarpması ile çok sayıda elektron ve delik çifti oluşur. Böylece bir çoğullanma, kuvvetlenme olayı oluşturur.

 

 

 

 

 

Şekil 11 –  Akım kazancının tıkama yönünde uygulanmış gerilimi ile bağıntısı

Akım kazancı uygulanan ters gerilime ve jonksiyonun geometrisine bağlıdır.

Çığ fotodiyotları yüksek hızlı komünikasyon ve fiber-optik uygulamalarda sıkça kullanırlar. Çünkü diyotun içinde oluşan iç kazanç bu uygulamalar için en uygun elemanı kılmıştır.

 

Şekil 12 – Çığ fotodiyotun yapısı

 

Fotodiyotlar kararlı elemanlardır. Sıcaklık katsayıları dalga boyu ile değişmekle birlikte tepe dalga boyunda sıcaklık katsayıları çok düşüktür. Bu da fotodiyotu meteoroloji uygulamaları için uygun eleman yapmıştır. Sıcaklık ile fotodiyotun karanlık akımı ve şönt direnci değişir.

Fotodiyotlar ultraviole bölgesinden kızılötesi bölgesine kadar geniş bir spektrum aralığında kullanılabilirler. Fotodiyotun ışın spektrumundaki çalışma bölgesi, temel olarak fotodiyotun tasarımında kullanılan yarıiletken malzemeye bağlı olmakla birlikte aynı zamanda jonksiyonun dizaynına ve pencere malzemesinin cinsine de bağlıdır.

Düşük optik sinyal seviyelerinde fotodiyot kullanırken gürültü çok önemli bir konuma gelir. Jonksiyonlu fotodiyotlarda iki önemli gürültü vardır. Shot gürültü ve ısıl gürültü. Shot gürültü yüksek optik sinyal seviyelerinde, ısıl gürültü ise düşük optik sinyal seviyelerinde yer almaktadır.

 

2.3 Fototransistörler:

Fototranzistörler, ışıkla kollektör- emetör akımı kontrol eden optoelektronik bir elemandır. Fototranzistörlerin çalışması N-P-N ve P-N-P silikon tanzistorlara benzemektedir. Farklı, akımı fotonların gerçekleştirmesidir.

Fototranzistörler, algılamanın yanında kuvvetlendirme de yapan fotoalıcılardır. Birden fazla P-N jonksiyonuna sahiptirler. Daha önce anlatılan fotoalıcılarla Fototranzistörler karşılaştırıcılığında hisseticilik yükselme süresi ve lineerlik bakımından Fototranzistörlerlerin rekabet edemeyecek seviyede olduğu görülür. Fototranzistörlerin avantajı kazanç mekanizmasına sahip olmaları ve böylece yüksek cevap hızına sahip olmalarıdır. Ayrıca ucuzdurlar ve anahtar ve kontrol elemanı olarak kullanılabilirler.

Şekil 13 –  Fototranzistörlerin P-N jonksiyonun yapısı

 

Fototranzistörler tranzistörler gibi iki jonksiyona sahiptirler. Şekilde Fototranzistörün P-N jonksiyonun yapısı verilmiştir. Şemada gösterildiği gibi, birinci jonksiyon iletim yönünde ikinci jonksiyon ise tıkama yönünde kutuplanmıştır. P bölgesinde gelen elektronlar N bölgessinde delikler ile birleşir. Oluşan pozitif gerilim 1. jonksiyondaki kutuplanmayı artırır. Geçen akım da artar. Bir Fototranzistörün (duyarlı olduğu ışınların dağılma bölgesi) spektrum ,yapımında kullanılan malzemenin uyarma enerjisine (elektronları koparmak için gerekli enerji) bağlıdır. Bağlantının yeri ve maddenin direnci gibi etkenlerin çok etkenlerin olmamaktadır.

 

 

Şekil 14 – Fototranzistörün spektrum diyagramı

 

Şekilde fototranzistörün spektrum diyagradmı verilmiştir.  Yüksek frekansta modüle edilmiş ışık kullanılan optoelektronik sistemlerde fototranzistörün spektrum duyarlılığı önemlidir.

 

 

Şekil 15 –  Fototranzistörün iç yapısı ve gerilimin uygulanması

 

Fototranzistörün karakteristiklerine etki eden sıcaklık, dalga boyu ve çalışma gerilimi bilinmek kaydıyla, karanlıkla aydınlık akımları, kalkma ve düşme süreleri ve akım gibi değerler üretici tarafından verilir. Bir N-P-N fototranzistörün iç yapısı ve gerilimin uygulanması şekilde gösterilmiştir. Bu şekilde  de görüldüğü gibi iki N tipi bölgenin arasında bir P bölgesi bulunmaktadır. P-N jonksiyonu ışık işle uyarıldığında kollektör emetör bölgesinden akım akar. Bu akımın değeri ışık şiddetine bağlıdır.

Fototranzistörler N-P-N ve P-N-P tipi olabilir. Fototranzistörler iki çeşit olabilirler: 1- Elektriksel baz ucu olmayan ve sadece ışık ile kontrol ile edilen , 2- hem ışık ile hem de ilave edilmiş baz ucu ile elektriksel kontrol edilen fototranzistörlerdir.

 

Şekil 16 – Fototranzistörlerin şematik görüntüleri ve bağlantı şemaları

 

Şekilde gösterildiği gibi bir fototranzistör, arkasına bir transistör bağlanmış bir fotodiyottur. Fototranzistör P-N jonksiyonundan oluşmuş (baz-emetör jonksiyonu) bir fotodiyot gibi düşünülebilir ve dıştaki fotodiyot kaldırılabilir. Böylece bir fototranzistör ,baz- emetör jonksiyonu bir fotojonksiyon olan bir tranzistördür. Dolayısıyla şekilde gösterildiği gibi fototranzistör iki bacaklı bir eleman olarak yapılabilir veya baz bölgesi de olabilir. Yani bu tip fototranzistörler hem optik hem de elektriksel girişlere sahiptirler.bu da bu tip tranzistörlerin kullanım alanlarını genişletebilir.

Fototranzistörün bağlantı şemaları bipolar tranzistörler gibi kollektörlü ve ortak emetörlü olabilir. Çıkış karakteristikleri bipolar tranzistörlerin ki gibidir ve onların özelliklerini sağlar.

Fototranzistörün çıkış akımı (kollektör akımı ) sadece kollektör-emetör gerilimine bağlı olmayıp P-N jonksiyonuna uygulanmış ışık şiddetine de bağlıdır. Kollektör-emetör gerilimi sabit tutulursa kollektör akımı tek ışık şiddeti ile kontrol edilebilir. Fototranzistörün kazancı seçilen kollektör akımının değerinden etkilenir. Fototranzistörün kazancı, seçilen kollektör akımının değerinden etkilenir.

Fototranzistörün karakteristiğinin lineer olduğu aralık bir fotodiyotun ve bir fotodirencin lineer olduğu aralıktan daha küçüktür.

Fotodiyotta olduğu gibi fototranzistörlerde karanlık akım, hissediciliği sınırlayan ana faktördür. Karanlık akım çalışma koşullarının ve çevre sıcaklığının bir fonksiyonudur. Çevre sıcaklığı 20°C’ye yükseldiğinde karanlık akım != kat artar. Aynı zamanda karanlık akım kollektör-emetör voltajının bir fonksiyonudur.

Bir fotodiyotta yükselme zamanı hızlıdır. Bir fototranzistör de ise yükselme zamanı baz-emetör, baz-kollektör kapasitelerinden ve fototranzistör jonksiyonunun zayıflamış bölgesindeki  taşıyıcılarının yaşam sürelerinden dolayı oldukça kötüdür. Tipik yükselme süresi birkaç mikro saniye mertebesindedir.

Fototranzistörler aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi fotodarlington şeklinde de tasarlanabilir. Fotodarlingtonlar fototranzistörlerle karşılaştırıldığında fotodarlington-larda cevap hızının ve lineerliğin azaldığı görülür.

Şekil 17 – Fotodarlington

 

Bipolar teknolojisi ile üretilmiş fototranzistörlerin yanında alan etkili fototranzistörler (fotoFET ler) de kullanılabilirler. Şekilde fortoFET’in yapısı ve bağlantı şekli gösterilmiştir. FotoFETlerde kapı bölgesi açık hale gelmiştir.fotoFET’in çıkışı, gerilim şeklinde olan bir elemandır. FotoFET’in kapı voltajı ve dolayısıyla cevao hızı kapı direnci ile kontrol edilebilir. Yüksek kapı direnci fotoalıcının duyarlılığını artırır, fakat aynı zamanda jonksiyon kapasitesinden dolayı cevap hızını da düşürür.

 

 

Şekil 18 – FotoFET’in yapısı ve bağlantı şekilleri

 

FotoFET, fototranzistör ile karşılaştırıldığında fotoFET’in bazı avantajları vardır. Kapı direnci artırılarak kazanç yüksek bir yerlere çıkartılabilir. Gürültü performansı ve frekans cevabı oldukça iyidir. FotoFET’in dezavantajları ise lineer aralığının sınırlı olması ve yüksek kazanç için kapı direnci artırıldığında cevap hızının düşmesidir.

2.4 Fototristörler ve fototriyaklar

Fototristör 3  P-N jonksiyonlu elemandır ve ışığa duyarlı yarı iletkenin üzerine ışık uygulanmasıyla kontrol edilir. Fototristörün temel yapısı şekilde gösterilmiştir. Şekilden görüldügü gibi fototristör iki transistörün bağlantısı ile ifade edilir.

Fototristör çoğunlukla elektronik devrelerde anahtar olarak kullanılmaktadır. Fototristörün akım grilim karakteristiği şekil de gösterilmiştir. Fotranzistöre göre Fototristör daha yüksek gerilimlerde ve daha yüksek akımlarda çalıştırılabilirler.

Fototristör tek yönlü akım geçiren elemandır. Işık etkisi ile açıldığında bir diyot gibi davranır. Ancak Fototristörün kapanması için ya anot ve  katot arasındaki gerilimi sıfıra indirmek ya da bu gerilimin polaritesini değiştirmek gerekir.

 

Şekil 19 – Fototristörün temel yapısı

 

Kontrol eden ışık, Fototristörü sadece iletime geçirir. Fototristör iletime geçtikten sonra (anot -katot arasındaki gerilim değişmezse) ışığın etkisi ortadan kalkar. Bu nedenle Fototristörler asi (değişen akım) devrelerinde kullanılır. Bu devrelerde anot ve katot arasındaki gerilimin polaritesi periyodik olarak (50 Hz) değişir ve bu yarı periyotların arasında Fototristör otomatik olarak kapanır.

Şekil 20 – Fototristörün akım-gerilim karakteristiği

 

Fototriyakların fototristörlerden farkı iki yönde de akım geçirmesidir. İç yapısında 3 P-N jonksiyonu bulunur. Fototriyakın akım gerilim karakteristiği ve şematik görüntüsü aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Fototriyaklar asi devrelerde kullanıldığında hem pozitif hem de negatif polariteli yarı dalgaları geçirebilirler.

Fototistörün uyarım yüzeyine darbe şeklinde bir kontrol ışını uygulanırsa fototristör bu andan itibaren iletimdedir. Fototristör tek pozitif polariteli yarı dalgaları geçirir. Fototriyaklar için ise durum farklıdır.fototriyak iki yönde akım geçirme imkanına sahiptir. Ve kontrol darbeleri şebeke gerilim hem pozitif hem de negatif bölgelerde uygulanırlar.

 

Şekil 21 – Fototriyakın akım gerilim eğrisi

 

Burada kontrolü gerçekleştiren ışık darbeleri, hem pozitif hem de negatif yarı dalgalar ile senkronize edilmiş durumdadırlar. Kontrol darbeleri çalışma zamanı, sinüsoidal şebeke geriliminin sıfır noktaları ile çakışırsa çıkıştaki gerilim sıfır olmaktadır. Kontrol darbelerinin zamanını kaydırarak çıkışta elde edilen gerilimin seviyesini değiştirebiliriz.

Fototristörler ve fototriyaklar elektronik anahtardırlar.fototristörler ve fototriyaklar ile mW’lar mertebesinde bir güç ile kW’lar mertebesindeki güç kontrol edilebilir. Işık kontrolü fototristörler ve fototriyaklar endüstride anahtar olarak kullanılabilirler. Elektronik devrelerde fototristörler ve fototriyaklar sadece bir yükün açılıp kapanmasında değil, aynı zamanda bir açılı dalga formunun açılıp kapanmasında da kullanılır.

 

2.5 Çok Elemanlı Fotoalıcılar

Fotoalıcılar kullanım amacına göre bir, iki, dört veya daha çok ışığa duyarlı elemanlardan geliştirilebilirler. Duyarlı eleman olarak fotodiyot veya fototransistör kullanılabilir. İki ışığa duyarlı elemandan oluşan bir fotoalıcı,bir kutuda elektriksel olarak bağımsız iki fotoalıcıyı kapsamaktadır. Burada her bir foto alıcı ayrıca ya da ortak olarak çalıştırılabilir. Dört ışığa duyarlı elemandan oluşan fotoalıcılar kare şeklinde tasarlanırlar ve çoğunlukla ışığa duyarlı eleman olarak fotodiyıtlar kullanılır. Bu tip fotodiyotların iç bağlantısı elektriksel olarak, ortak anotlu, ortak katotlu veya bağımsız olabilir. Aşağıdaki şekilde dört fotodiyotlu bir alıcının görünüşü ve iç elemanlarının bağlantıları gösterilmiştir. Bu tip fotoalıcıların her bir duyarlı elemanı yüzey alnının büyüklükleri bir mikrometreden birkaç cm’ye kadar  olabilir.

 

Şekil 22 – Dört fotodiyotlu bir foto alıcının görünüşü ve iç elemanlarının elektriksel bağlantısı

 

Çok elemanlı fotoalıcılar peşisıra (şerit şeklinde) ya da matris şeklinde tasarlanabilir.

Ayrık fotoalıcı olarak bu sistemlerde fotodiyotlar yada fototransistörler kullanılabilir.

 

 

        3-  FOTOALICI DEVRELERİ

 

Fotoalıcı devrelerini geliştirmek için öncelikle sistemde kullanılacak fotoalıcı düzgün seçilmelidir. Algılanmak istenen ışınların spektrumlarına uygun fotoalıcı seçilmelidir. Seçilen fotoalıcı, sistemde yer alan ışınların minimum değerine duyarlı olmalıdır.

Optoelektronik sistemler, genelde darbeli rejimde çalışmaktadır. Bundan dolayı devrelerin analizinde, fotoalıcının ışığa duyarlı yüzeyine darbeli ışının uygulanması ve bu darbeli ışın etkisi ile fotosinyalin değişimi açıklanmaktadır.

Optoelektronik devrelerde fotoalıcıların çeşitli bağlantı şekilleri ve besleme çeşitleri kullanılmaktadır. Fotoalıcıların çıkışında elde edilen fotosinyallerin değerleri çok küçük olduğundan bu sinyallerin değerlerini gerekli mertebeye çıkarmak için kuvvetlendirici devrelere ihtiyaç vardır.

 

        3.1. Fotodirencin Değişik Besleme Geriliminde ve Değişken Işında Çalışması

Fotodirence, normal bir dirence uygulandığı gibi değişken gerilim uygulanabilir. Fotodirencin ışına duyarlı yüzeyine değişken ışın verilirse bu ışının şiddetine göre bir faz kaymalı sistem elde edilebilir. Fotodirencin duyarlı yüzeyine sinüs şeklinde ışın düşerse fotodirencin iletkenliği de sinüs şeklinde değişebilir.

gF = gF0 +gFmsinwt                          ………….                                                                (2)

Burada: gF0 ; fon etkisi ile oluşan iletkenlik,  gFm  ;iletkenliğin max. değeridir. Burada sinüs şeklinde modüle edilmiş ışının ve fotodirencin besleme geriliminin frekansları aynıdır.

 

Şekil 23 – Fotodirencin ışına duyarlı yüzeyine sinüs şeklinde değişken ışın verilmesi ve sinüsoidal bir gerilim ile beslenmesi

 

Yüzeyine sinüs şeklinde değişken ışın verilirse ve bu fotodirenç sinüsoidal bir gerilim ile beslenirse bu ışının şiddetine göre besleme geriliminde bir faz farkı var ise, faz kaymalı sistem elde edilebilir.

 

Şekil 24 – Zamanla seviyesi değişmeyen ışınların algılanması

Fotodirencin değişken gerilim ile beslenmesi ve değişken ışın algılaması optoelektronik sistemlerin tasarımında geniş imkanlar sağlamaktadır. Bu çeşit ışın algılama prensibini kullanarak fotosinyalin gerekli işlemlerini basitleştirebiliriz.

Uygulanan değişken gerilim ve algılanan değişken ışın kare veya özel fonksiyonel şeklinde de olabilir.

Değişken besleme çeşidinde, zamanla seviyesi değişmeyen ışınlar algılanırken gerekli sonuçlarda alınabilir. Bu durumda fotoalıcının çıkışında değişken besleme gerilimi frekansı ile modüle edilmiş sinyal elde edilebilir. Ayrıca  bu besleme prensibi elektriksel sinyal ile optik sinyallerin karıştırma ve karşılaştırma amacıyla da kullanılabilir.

 

3.2 Fotodirencin Bipolar Transistörün Girişine Uygulanması

Fotodirencin ışıklandırıldığı durumdaki direnci onlarca kiloohmlardan birlerce kiloohmlar arasında değişmektedir. Direncin bu oranda değişimi bipolar transistörlerin baz akımının temin edilmesi için yeterlidir. Dolayısıyla fotodirençler bipolar transistörlerin girişlerine kolaylıkla uygulanabilirler.

Aşağıda fotodirencin bipolar tranzistörün girişine uygulanmasıyla ilgili bir örnek devre vardır.

 

 

Şekil 25 – Fotodirencin bipolar tranzistörün girişine uygulanması

 

 

3.3  Fotodirencin İşlemsel Kuvvetlendiricinin Girişine Uygulanması

 

Fotodirenç ile algılanan optik sinyal çok küçük olursa çıkışta elde edilen fotosinyalin değeri de çok küçük olur. Dolayısıyla fotosinyali gerekli seviyede elde etmek için bir kuvvetlendirici devre kullanılmalıdır. Bu amaçla işlemsel kuvvetlendiriciler kullanılabilirler.    Fotodirencin işlemsel kuvvetlendiricinin girişine uygulanması çeşitli şekillerde olabilir. Aşağıda bununla ilgili bir örnek devre verilmiştir.

Şekil 26 – Fotodirencin işlemsel kuvvetlendirici girişine uygulanması

 

 

        3.4  Fotodiyotların İşlemsel Kuvvetlendiricilerin Girişlerine Uygulanması

 

Fotoalıcılar ile algılanan ışının miktarı çok düşük olabilir ve buna bağlı olarak iletilen fotosinyalin seviyesi de çok düşük olur. Fotosinyalin seviyesini gerekli duruma ulaştırmak için bir kuvvetlendirici devresine ihtiyaç vardır. Kuvvetlendirici olarak ise işlemsel kuvvetlendiriciler kullanılabilir.

İşlemsel kuvvetlendiriciler(IK) büyük gerilim kazancına, büyük giriş empedansına ve küçük çıkış empedansına sahip kuvvetlendiricilerdir. İşlemsel kuvvetlendiriciler iki girişe bir çıkışa sahiptir. Girişlerden birisi faz çeviren, diğeri faz çevirmeyen giriştir. Faz çevirmeyen giriş “+” faz çeviren giriş ise “-“ ile gösterilmektedir.

Aşağıda faz çeviren İşlemsel kuvvetlendiricinin faz çeviren girişine folovoltaik rejiminde çalışan fotodiyotun bağlanması gösterilmiştir.

 

Şekil 27 – İşlemsel kuvvetlendiricinin faz çeviren girişine folovoltaik rejiminde çalışan fotodiyotun uygulanması

 

3.5  Faz Çevirmeyen  İşlemsel Kuvvetlendiricinin Girişine Fotodiyotun Uygulanması

Faz çevirmeyen İşlemsel kuvvetlendiricinin girişine fotovoltaik rejiminde çalışan fotodiyotun uygulanmasını ifade eden bağlantı şeması şekilde gösterilmiştir.

 

Şekil 28 – Faz çevirmeyen işlemsel kuvvetlendiricinin fotovoltaik rejiminde çalışan fotodiyotun uygulanması

 

 

3.6  Fotosinyallerin Toplama İşlemini Yapan Kuvvetlendiriciler

 

Birkaç foto alıcının çıkış sinyallerini bir araya getirerek kuvvetlendirilmesi için toplama kuvvetlendirici devreleri kullanılır. Toplama kuvvetlendiriciler faz çeviren ve faz çevirmeyen olabilir. Toplama işlemi yapan kuvvetlendiricinin faz çeviren girişine üç farklı fotodiyotun uygulamasını ifade eden devre şekildeki gibidir:

 

Şekil 29 – Üç farklı fotodiyotun, toplama işlemi yapan kuvvetlendiricinin faz çeviren girişine uygulanması

 

3.7  Fotodiyot Gerilim İzleyici Devre

Yüksek çıkış direncine sahip fotodiyotu, bir başka düşük dirençli devrenin girişine uygulamak için gerilim izleyici devre kullanılabilir. Bunun için işlemsel kuvvetlendiricinin faz çevirmeyen girişine fotodiyot bağlanır, faz çeviren girişi ise çıkış ile birleştirilir ve bir gerilim izleyici devresi elde edilir. Şekilde İşlemsel kuvvetlendirici ile geliştirilmiş grilim izleyicinin şeması gösterilmiştir. Bu devrenin gerilim kazancı bire yakındır, giriş direnci çok büyük ve çıkış direnci çok küçüktür. Gerilim izleyici de çıkış gerilimi giriş gerilimine eşittir.

 

 

Şekil 30 – Fotodiyot-gerilim izleyici devresi

3.8  Fotosinyalin Türevini Alan Devre

 

Şekilde fotodiyotun çıkışında elde edilen fotosinyalin türevini alan devrenin şeması gösterilmiştir. Burada çıkış gerilimi,giriş geriliminin türevine eşittir ve pozitif giriş topraktadır.

 

Şekil 31 – Faz çeviren girişte türev alan devre

 

Şekil 32 – Faz çevirmeyen girişte türev alan devre

 

3.9  İki Foto Sinyalin Farkını Kuvvetlendiren Devre

 

Şekilde fark kuvvetlendiricinin şeması gösterilmiştir. Burada işlemsel kuvvetlendiricinin pozitif ve negatif girişine FD1 ve FD2 fotodiyotları uygulanmıştır. İşlemsel kuvvetlendiricinin pozitif ve negatif girişlerindeki gerilimleri birbirine eşit kabul ederek pozitif girişindeki gerilim R2 ve R3 gerilim bölücü dirençler ile belirlenir.

 

 

Şekil 33 – İki fotosinyalin farkını kuvvetlendiren devre

 

3.10 Fotoiletken Rejiminde Çalışan Fotodiyotların İşlemsel Kuvvetlendiricilerin Girişine Bağlanması

Yukarıda verilen devrelerde, fotovoltaik rejiminde çalışan fotodiyotların bağlantı şekilleri incelenmiştir. Fotoiletken rejiminde çalışan fotodiyot işlemsel kuvvetlendiricinin faz çevirmeyen girişine bağlanmıştır.

Şekil 34 –  Fotoiletken rejiminde çalışan fotodiyotun işlemsel kuvvetlendrircinin faz çevirmeyen girişine bağlanması

3.11  Fototransistörlü devre

 

Normal transistörde olduğu gibi foto transistörün ortak kollektörlü ve ortak emetörlü bağlanış şekilleri vardır. Fototansistörlerin  kollektör akımı, genelde düşük oranlarda değişmektedir. Ayrıca fototransistörün ışığa duyarlı yüzeyinin alanı çok küçük olduğundan ışın verici ile fotoalıcının arasındaki mesafe çok küçük tutulmalıdır. Veya optik elemanlar (mercekler veya ışın taşıyıcılar) kullanılmalıdır. Fototransistörün akımı yeterli olmadığı durumlarda fototransistörden sonra gelen devrelerde normal transistörlü devreler kullanılır.

 

Şekil 35 – Fototransistörlü devre

3.12  Fototriyaklı devre

 

Fototriyaklı devreler genelde düşük frekanslı devrede bir elektronik anahtar olarak kullanılmaktadır. Fototriyaklı elemanlar genelde ışın verici-fototriyak çifti şeklinde tasarlanırlar. Işın verici olarak bir LED kullanılır.

Burada LED akımı ile oluşmuş ışınlar fototriyakın iletime geçme zamanını kontrol etmektedir. Fototriyakın üzerine sinüsoidal bir gerilim uygulanırsa ve LED tarafından düetilen kontrol darbeleri bu gerilim ile senkronize edilmiş durumda ise, fototriyak kontrol darbelerine göre davranır. Pozitif yarı periyotta tristörlerden biri iletime geçer. Negatif yarı periyotta ise ikinci tristör iletime geçer.

 

Şekil 36 – Fototriyaklı devrenin şeması

 

 

         4-  OPTOELEKTRONİK SİSTEMLER

 

Aşağıda bu sistemlere ait birkaç örnek verilecektir:

 

4.1  Kızılötesi Aydınlatma ve Gece Görüş Sistemleri

Özellikle güvenlik sistemlerinde,  gerek güvenlik kameraların yerini belli etmemek, gerek çekim yapılan ortamda bulunanları rahatsız etmemek gerek ise enerji tasarrufunda bulunmak amacıyla kızılötesi ışın kaynaklarından yararlanılır. Bir kameranın görünen ışıkta bir nesneyi algılayabilmesi için nesne üzerinde en az  100watt lık bir ışın gücüne ihtiyaç vardır.kameraların kızıl ötesi ışınlara karşı duyarlılığı çok fazla olduğu için 1-2 watt’lık kızıl ötesi ışın gücü aynı nesnenin algılanması için yeterlidir.

Kızıl ötesi aydınlatma sistemlerinde ışın kaynağı olarak genellikle kızıl ötesi LED kullanılır. Bir LED 100-200mW ışın gücüne sahiptir. Aynı zamanda LEDlerin ışıma diyagramları dar bir açıya sahiptir. Bundan dolayı tek bir LED kullanılarak hem geniş alanları kapsamak olanaksızdır hem de algılanacak nesne üzerinde yeterli ışın gücünü oluşturmak olanaksızdır. Bu sorun LED’leri gruplandırarak spot haline getirilerek çözülür. Böylece hem daha geniş alanları kapsamak hem de nesne üzerinde gerekli ışın gücünü elde etmek mümkün olacaktır.

Spotlar kullanım yerine göre kare, dairesel veya sıralı olabilir. Bu spotlar kameranın üzerine monte edilir.

Burada önemli olan minimum sayıda ışın kaynağı kullanarak aydınlatmak istenen düzlemde homojen bir aydınlık düzeyi elde etmek ve karanlık noktaların kalmamasını sağlamaktır.

Ledler seri ve seri-paralel şekillerde bağlanarak spot yapılabilirler.

Açıklanan kızıl ötesi aydınlatma sistemlerinin günümüzde bir çok kullanım alanı vardır. Özellikle düşük güçte çalışması ve kullanılan malzemelerin ucuzluğu bir avantajdır. Spotların basit yapıda oluşları ve boyutlarının küçük olması kullanımı kolaylaştırmaktadır.

Gece görüş cihazlarında, görünmeyen ışınları görünene ışına çeviren sistemler kullanılmaktadır. Herhangi bir spektrumdaki ışınları başka bir spektruma çeviren sistemlere optoelektronik dönüştürücüler denir.

 

Şekil 37 – Gece görüş sisteminin şeması

 

Bu dönüştürücüler gece görüş sisteminin temelini oluşturur.

Gece görüş sistemleri günümüzde çok geniş kullanım alanlarına sahiptir. Genellikle askeriyede kullanılmakla birlikte günümüzde kullanım amaçları genişlemiştir. Son zamanlarda bazı otomobillerde kullanılmaya başlanmıştır. Cranfield üniversitesi ve Texas İnstrument birlikte bir proje geliştirerek Jaguar marka otomobillere gece görüş sistemi yerleştirmişlerdir.

Şekilde sistem gösterilmiştir. Sistem bir ışık kaynağından , filtreden ve bir kızıl ötesi kameradan oluşur. Işık kaynağının yaydığı ışık filtre ile filtrelenerek kızılötesi bölgeye düşen ışığın geçmesi sağlanır. Cisimden yansıyan bu kızıl ötesi ışık bir kızıl ötesi kamera ile algılanır. Kameranın çıkışı önce dijitale çevrilir, sonra gerekli işlemler yapılmak üzere mikroişlemciye verilir. Mikroişlemcinin çıkışı ise cam üzerinde görüntü oluşturan bir displayin girişine bağlanır. Bu display cam üzerinde  cismin görüntüsünü oluşturur.

 

4.2  Ortam özelliklerini ölçüm için geliştirilmiş dijital optoelektronik sistem

 

Bu optoelektronik sistem genel olarak bir ışın kaynağı ve bu ışın kaynağının ışın şiddetini, haber işareti ile modüle eden sürücüler içeren verici, vericiden çıkan ışınların yol aldığı ortam ve tekrar elektriksel işarete dönüştürüldüğü alıcıdan oluşur.

 

Şekil 38 – Optoelektronik sistemin blok diyagramı

 

Vericiden çıkan ışınlar, iletim ortamından geçerken ortamın etkisi ile modüle edilmiş olarak alıcıya ulaşır. Bu nedenle ortamın özelliklerinin bir veya bir kaçının belirlenmesinde optoelektronik sistemlerden de yaralanılabilir.

Şu anda bu amaç için kullanılan optoelektronik sistemlerde işaret fotoalıcıdan alındıktan sonra işaret seviyesi bir kuvvetlendirici yardımı ile istenilen düzeye yükseltilir. Daha sonra bu işaret en az iki işarete ayrılır ve bu işaretlerin birbirleri arasındaki matematiksel bağıntılar bulunur. Doğal olarak bu tür sistemlerde optik kuvvetlendiricinin karakteristiği lineer olmalıdır. Ve kuvvetlendirici çok geniş alanda işaret seviyesinin değişimine ayarlanmış olmalıdır. Ayrıca bu tip sistemlere periyodik test yapılması gerekir.

Bir dalgalı optoelektronik sistemlerin bu dezavantajını ortadan kaldırmak için çok dalgalı optoelektronik sistemler kullanılır. Bu amaçla optik ışınların birinin dalga boyu, ortamın nemi, renk, yoğunluk, bulanıklık şeffaflık gibi niteliklerinden ölçülmek istenen  özelliğine max. duyarlı olarak seçilir. Diğer optik ışın ise referans işareti olarak kullanılır. Bu nedenle referans ışını dalga boyu ölçülecek özelliğe duyarsız ancak ortamın toplam etkisine duyarlı seçilir

Klasik ölçü sistemlerinin lineerlikten ve elektronik devrelerden kaynaklanan ölçüm hatalarının bulunması, periyodik bakım ve ayar gereksinimleri bulunmaktadır. Ele aldığımız metotla tasarlanmış optoelektronik sistem, yapı olarak basittir. Klasik sistemdeki kuvvetlendirici, matematiksel işlem blokları gibi katlar bu sistemde mevcut değildir. Bundan dolayı bu katlardan gelecek ölçüm hataları ortadan kalkmaktadır. Hem referans işaret, hem de ölçüm için kullanılan işaret aynı fotoalıcıda algılandığı için fotoalıcının hataları dikkate alınmaz. Sistem karakteristiği kolayca lineerilize edilebilinir. Ölçüm bantı geniştir.

 

4.3  LED –fotodirenç çifti ile tasarlanmış optoelektronik osilatör

 

Klasik osilatörlerin frekanslarını , devrede kullanılan kondansatörler belirler. Düşük frekans üreten osilatörlerde  kullanılan kondansatörlerin kapasitesi, dolayısıyla boyutları çok büyük olmaktadır. Bu da osilatörün entegre ve çip şeklinde tasarlanmasını engeller. Optoelektronik osilatörlerin frekans belirleyici devrelerinde büyük boyutlu kondansatörler yerine LED-Fotoalıcı çifti kullanılır. Optoelektronik osilatör düşük frekanslı  titreşimler üretmek, ışığın şiddetini frekansa dönüştürmek, bir cismin emilme veya yansıma kat sayılarını frekansa dönüştürmek amacıyla kullanılabilir.

Optoelektronik osilatör iki N-P-N tipi transistörden, dirençlerden ve LED-Fotodirenç çiftinden geliştirilmiştir. Devredeki transistörlerin çalışma rejimlerinin R1,R2,R3,R4 dirençleri ve fotodirenç-LED çifti belirler.

 

Şekil 39 – Optoelektronik osilatörün Şeması

 

Osilatörün frekansı (devrede bulunan dirençlerin değerleri sabit olmak şartıyla) fotodirencin karanlık ve ışıklandırılmış durumdaki dirençleri ve LED’in akımı ile belirlenir. Çünkü fotodirencin direnci LED’den gelen ışık ile belirlenir. LED’in ışın ise üzerinden geçen akım ile belirlenir.

4.4   İleri-Geri sayıcı Optoelektronik sistem

 

İleri-geri sayıcı iki bağımsız optik kanaldan oluşmaktadır.

İleri ve geri sayıcının birinci kanalı IV1-FA1 den oluşmaktadır. İkinci optik kanalı ise IV2-FA2 den oluşmaktadır. Duruma göre ışın verici ile foto alıcı arasındaki mesafe çok olursa geniş açılı ışıma diyagramına sahip ışın verici ve iki fotoalıcı kullanılır.

Her bir optik kanalın çıkışında elde edilen sinyal şekilde gösterildiği gibi bir ileri geri sayıcının girişine verilmektedir.ve engellerin yönüne göre sayım yapılmaktadır

 

Şekil 40 – Engelin ileri geri hareketine göre fotosinyalin oluşmasını ifade eden diyagramlar

 

İleri-geri sayıcılar ve yönü anlayan sayıcılar çeşitli amaçla kullanılabilir. Örneğin harekette bulunan cisimde bir yön anlayıcı sistem olarak, bir sayıcı olarak kullanılabilir

Şekil 41 – İleri-Geri sayıcının elektronik şeması

 

4.5  Elektronikte Optoelektronik elemanların kullanılması

 

Optoelektronik elemanlar günümüzde çok geniş kullanılan elemanlardan biridirler. Optoelektronikte genelde elektroniksel sinyal önce görünen veya kızıl ötesi ışığa çevrilir. Bu ışık ortamdan geçerek fotoalıcının ışığa duyarlı yüzeyine ulaşır. Ve burada foto sinyale çevrilir. Işın vericinin üzerinden bir akım geçerse ve bunu giriş olarak kabul edersek, çıkışı ise bir fotoalıcının akımı olursa, bu iki akım arasında optik bağlantı söz konusudur. Bu da optoelektroniğin önemli özelliklerinden birini oluşturmaktadır. Elektriksel birimi ışığa çeviren elemana fotovericiler adı verilir. Işığı elektriksel birime çeviren elemanlara da fotoalıcılar denilir.

Elektronikte  ışın verici olarak görünen veya kızıl ötesi spektrumlarına sahip yarı iletken ışın vericiler kullanılır. Bunlardan LED, geniş kullanım alanına sahip elemandır. Kullanılan yarıiletken malzemeye göre LED’ler görünen ışık ve kızıl ötesi ışık yayabilirler. Kullanılan LED’e göre LED’in spektrumuna maksimum duyarlı fotoalıcı seçilir.

Elektronikte genelde Silisyumlu fotoalıcılar seçilir. Çünkü bu fotoalıcılar diğer fotoalıcılara göre ısıdan daha az etkilenirler.

Elektronikte optoelektronik elemanların kullanıldığı bazı yerler aşağıda verilmiştir.

1-                       MOSFET sürücü devreleri

2-                       IGBT sürücü devreleri

3-                       Elektronik devrelerinde geri besleme elemanı olarak

4-                       Toplayıcı olarak (iki veya daha fazla sayıdaki birbirinden bağımsız devrelerin sinyallerini bir araya getirmek için)

5-                       Elektronik devrelerde elemanların durumunu tespit etmek için

6-                       Elemanların dokunmasız ısı kontrolünü gerçekleştirmede (örneğin yüksek gerilimde çalışan güç elemanları için)

7-                       Devrede kullanılan sigortaların durumunu belirlemede

4.6   Kızıl ötesi Haberleşme sistemleri

Yakın mesafelerde terminaller arası haberleşme de kullanılan sitemlerden birisi, kızıl ötesi ışın yardımıyla yapılan optik haberleşmedir. Günümüzde düşük iletim kayıpları geniş frekans bandı düşük boyut ve ağırlık, dış gürültülerden min. etkilenme, düşük kuruluş maliyeti ve işaret iletimindeki güvenilirlik optik haberleşmeyi ön plana çıkarmaktadır. Optik haberleşme fiberoptik kablolar ile yapılabileceği gibi yakın mesafelerde de kablosuz olarak gerçekleştirilebilir.

Kablosuz çift taraflı haberleşme sistemi hem alıcı hem de verici optik elemanları içeren iki reflektör ve bunların kontrol devrelerinden oluşmuştur.

 

Şekil 42 – Kızıl ötesi haberleşme sisteminin  şeması

 

Burada:

OS-osilatör, M-modülatör, GK-güç katı, PA-kuvvetlendiricidir.

Reflektörün verici kısmında ışın verici olarak LED veya Lazer diyot kullanılabilir. Işınlar bir mercek yardımıyla yönlendirilmiştir. Alıcı kısmında ise reflektörün odak noktasına yerleştirilmiş bir fotoalıcı bulunur. Fotoalıcının duyarlı yüzeyi reflektörün yansıyan ışığına doğru yönlendirilmiştir.

Kontrol devresi ise, verici kısım için LED’leri sürmek amacıyla bipolar transistör veya FET’ten oluşan bir güç katı ve bu güç katını kontrol eden bir modülatörden oluşur. Alıcı kısmında ise fotoalıcıdan alınan işaretler bir ön kuvvetlendiriciye girer. Hem modülatör hem de ön kuvvetlendirici bir osilatör tarafından kontrol edilir.

Haberleşme mesafesine etki eden en önemli faktör, haberleşme ortamında ışığın şiddetinin zayıflamasıdır. Zayıflamaya en çok etki eden faktör, ortamdaki su buharı,kabondioksit gazıdır.

Sistemde reflektörler karşılıklı yerleştirilirler, birbirlerinin ışınları maksimum olacak şekilde ayarlanır. Bu ayarlama sırasında test işaretleri kullanılır.

Haberleşme sırasında verici reflektörün modülatörüne haber işareti uygulanır. Bu işaret güç katı yardımıyla LED’in ışının modüle eder. Modüle edilmiş bu ışın ikinci reflektöre yönlendirilir. Alıcı konumundaki reflektörün odağında bulunan fotoalıcı ile tekrar elektriksel işarete çevrilir. Çok düşük seviyede olan bu işaret ön kuvvetlendirici ile istenilen seviyeye ulaştırılır. Her iki reflektörde de alıcı ve vericilerin bulunması, karşılıklı haberleşme olanağı verir. Sistem bağımsız haberleşme olanağı verir. Sistemde herhangi bir elektromanyetik dalga yaylımı yoktur. Kablo ile bağlantı olması istenilen her yere monte edilme imkanı verir. Çok düşük enerji gereksinimi ile pille bile beslenebilme olanağı verir.

Böyle bir sistem, analog ve sayısal işaretleri transfer edebilir.  Bu özelliği ile analog haberleşmede, bilgisayarlar arası iletişimde, alarm sistemlerinde , çok gizli haberleşme de güvenle kullanılabilir.

Kısa mesafede yüksek hızlı haberleşmede kızılötesi sistemler önemli avantajlara sahiptirler. Kızıl ötesi sistemlerde bant genişliği çok geniştir. Bu da yüksek bit hızına ulaşma imkanını verir. Eğer bir odadaki bilgisayarlar kızıl ötesi sistemle birbirine bağlanmış ise bu odadaki bilgisayarlar diğer odadaki bilgisayarı etkilemez, aynı zamanda diğer odadaki bilgisayardan etkilenmez.

 

Şekil 43 – Kızılötesi ışınlar ile bilgisayarlar arası haberleşme sistemi

4.7  Renk Algılama Sistemleri

 

Renk algılamanın temeli her rengin belli bir dalga boyuna sahip olmasıdır.gnlde renk tekniğinde üç farklı renk kullanılmaktadır. Bunlar mavi (l=430nm ), yeşil (l=500nm ), kırmızı (l=650nm ) renkleridir. Bu temel renkler ile çeşitli renkler oluşturulabilirler. Bu renklerin karıştırılması ile diğer renkler elde edilir. Örneğin yeşil ile kırmızının karıştırılması ile sarı renk elde edilir.

Günümüzde çeşitli alanlarda  renk algılama problemleri vardır. Bu problemi çözmek için renk algılayıcı sistemlere ihtiyaç vardır.

Renk algılama olayı iki yolla çözülebilir: 1- Analog yöntem 2- dijital yöntem   Şekilde analog renk algılama sisteminin spektrum diyagramları ve şeması gösterilmiştir. Burada ışın verici olarak geniş spektrumlu kullanılmaktadır. Burada IV; ışın verici KF; kesici filtre; Fm, Fy, Fk; mavi yeşil ve kırmızı spektrumlu filtreler, FA1, FA2, FA3; fotoalıcılar  K1, K2, K3 ;kuvvetlendiriciler  Um, Uy, Uk; mavi yeşil ve kırmızı renklere ait çıkış gerilimleridir.

Işın vericiden gelen ışınlar renkli cismin üzerine düşmektedir. Cisimden yansıyan ışınlar fotoalıcılar ile elektriksel işarete dönüştürülür ve kuvvetlendirilerek çıkışa verilmektedir. Örneğin cisim kırmızı renkli ise yansıyan ışınlar kırmızı renge duyarlı fotoalıcı ile algılanır. Ve bu renge ait çıkışta bir gerilim oluşmaktadır.

 

Şekil 44 –  Analog renk algılama sisteminin şeması ve spektrum diyagramı

 

 

Renk tesbiti dijital olarak ta gerçekleştirilebilir, bunun için üç farklı renkte monokromatik ışın vericilere ihtiyaç vardır. Burada ışın verici olarak lazerler veya LEDler kullanılabilir. Her bir ışın vericinin ışınları bu ışınlara duyarlı fotoalıcılar ile algılanır. Dijital renk algılama sisteminde ışın verici olarak lazerler veya LEDler kullanıldığından çok hızlı renk algılama sistemleri geliştirilebilir.

 

4.8  Uzaklık ve Hız Ölçüm sistemleri

 

Bu sistemler, robotlarda uzaklık algılamada kullanılabilirler. Genelde bu tip sistemlerde ışın verici olarak lazerler kullanılır.

Uzaklık algılamanın temeli, iki yada daha fazla sinyal arasındaki faz farkının tespit edilmesidir. Bu prensiple çalışan uzaklık ölçüm sisteminin şeması şekilde gösterilmiştir. Burada 1- Osilatör, 2- Işın verici, 3- Fotosinyal kuvvetlendirici, 4- karşılaştırıcıdır.

 

Şekil 45 – Uzaklık ölçüm sisteminin şeması

 

Optoelektronik metotları ile hız ölçüm işlemi hem yansımalı hem de kesici optik prensipler ile yapılabilir.hız ölçüm sistemlerinin optik şemaları tek kanallı ve iki kanallı olabilir. Tek kanallı optik şemada hızı ölçülen cismin bir verici- fotoalıcı çiftinin etkisi altında kaldığı süre ile tespit edilir.ancak bu konumda hızı ölçülen cismin boyutu önceden belli olmalıdır. Şekilde tek kanallı kesici prensipleri ile kurulmuş hız ölçüm sistemlerinin optik şemaları gösterilmiştir.

 

 

Şekil 46 – Tek kanallı yansımalı ve geçici hız ölçüm sistemlerinin şemaları ve zaman diyagramları verilmiştir.

İki kanallı hız ölçüm prensibinde hızı ölçülen isim ortamda cisimden belirli bir mesafede bulunan iki verici-fotoalıcı sisteminin ışınlarını kesmek zorundadır.

5- ROBOTİK SENSÖRLER

 

Bu sensörler temelde ikiye ayrılır: Dahili durum sensörleri (kol birleşim pozisyonu gibi robot kontrolünde kullanılan sensörler) ve Harici durum sensörleri (mesafe, yakınlık gibi sensörler) harici sensörler robotun çevre birimleri ile hassas bir şekilde  bağlantılı olmasını sağlar. Biz burada optik sensörlerle ilgileneceğiz:

5.1 Optik Dahili Durum Sensörleri

Bu geri besleme elemanları optik takometrelere benzer çalışırlar. Esasında bunlar açısal yer değiştirmeyi ve böylece hız ve ivmeyi de  hassas olarak ölçmeye yarayan pals üreteçleridir.temelde üzerinde binary, gray, v.b. kodunda hassas çizgiler yapılmış bir disk mevcuttur. Bu disk robot motoru ve transmisyon sistemi tarafından döndürülür. Işık kaynağından çıkan ışık fotosensöre gelirken bu çizgiler tarafından engellenebilir. Böylece motorun dönmesiyle orantılı bir darbe dizisi meydana gelir.çeşitli tipleri mevcuttur.endüstride en çok artırımsal ve mutlak tipleri kullanılır. Mutlak şaft encoderleri binary veya gray kodlarından biri kullanılır. Mutlak endecoderler herhangi bir anda şaftın hangi pozisyonda olduğunun tespitine imkan verir. Bunlardan başka optik durum sensörleri  mevcuttur. Mekanik durdurma için kullanılan Limit Şalter, doğrusal yer değiştirme ölçümünde kullanılan Inductosyn ve çok değişik kullanım alanları bulabilen DID, LVDT, RVDT, Accelometer de dahili robot sensörlerindendir.

5.2  Yansıyan Işık Sensörleri

Bu  sensörler nesneden yansıyan ışığı kullanarak harekete geçerler. Robotun çenesinde veya bir robot tutucusunun üzerine yerleştirilebilir.  Diğer sensör sorunları ise şöyledir: çevre ışığı parlaklığa bağlı olarak sorun yaratabilir. Bunu önlemek için 6kHz oranında darbeli ışık kaynağı kullanılabilir. Başka bir problem ise sensörün, nesneden veya engelden yansıyan ışığa göstereceği duyarlılıktır. Daha fazla yansıtıcı yüzeyin daha az yansıtıcı yüzeyden daha çok çıkış gerilimi üreteceği kesindir. Böylece max. çıkış voltajının bulunabilmesi için sensörün her nesneye kalibre edilmesi gerekebilir. Daha sonra sensörün karakteristiği bilinerek, bu max değere pozisyon tespit edilebilir.

5.3  Fiberoptik Taramalı Sensörler

Fiberoptik malzemele pek çok farklı tipte dokunmasız yakınlık sensörlerinin geliştirilmesinde kullanılmıştır. Bu önemli teknolojiyi robotik alanında kullanan üç sistem vardır. Bunlardan biri gönderilen ışığı kullanırken diğer ikisi yansıyan ışığı kullanır. Ancak bütün durumlarda güvenilir bir mutlak pozisyon bilgisinin elde edilmesi mümkün değildir. Bu cihazlar yalnızca bir parçanın varlığını ya da yokluğunu  gösterebilirler.

Işın kesmeye dayanan düzenlemede nesne ışık demetini kestiği zaman tespit edilir. Saydam olmayan bir nesneye dayalı optik kesici olarak çalıştığından  yarı saydam veya saydam cisimler için kullanılmaz. Yüksek kazançlı amplifikatör sistemlerinin ve gürültü azaltma metotlarının kullanılmasıyla bu sensörler birkaç milimetreye kadar yakınındaki ve birkaç cm uzağındaki cisimleri tespit edebilir.

İkinci tip fiberoptik yakınlık sensörü ünitenin gövdesinden biraz uzağa yerleştirilmiş yansıtıcı bir hedef kullanıldığından retroreflektif cihaz olarak isimlendirilir. Hedef ile fiber demeti arasın giren saydam olmayan bir madde yansıyan ışık hedefe ulaştığı ve şiddeti epey azaldığı için hissedilebilir. Bu yarısaydam maddeler içinde geçerlidir. Bu maddelerde de ışık kırılacağı için yansıyan ışığın şiddeti azalır ve alıcı ucunda bir eşik devresi kullanılırsa eşiği geçemeyerek sensörü çalıştırır.

5.4  Taramalı Lazer Sensörleri

Taramalı türden yakınlık sensörlerinin  en gelişmişlerinden biridir. Bu cihaz bir He-Ne lazer kaynağı, biri bir AC motor tarafından döndürülen iki ayna ve bir lens-fotoalıcı bileşiminden oluşur. Bu taramalı lazer cihazı bir endüstriyel robota ark kaynağı yaptırılması için kullanılmıştır. Lazerden gelen ışık demeti motor tarafından sürülen üç açılı aynanın hareketi ile nesnenin yüzeyini tarar. Motorun her dönüşünde nesnenin yüzeyi üç kere taranır. Bir fotodedektörün önüne monte edilmiş bir lens nesnenin yüzeyi üzerinde yalnızca bir noktadan yansıyan ışığın alınmasını sağlar. Sensörün bu noktaya olan uzaklığı AC motor voltajının yüksek frekanslı bir saat darbesiyle senkronize edilmesiyle hesaplanır. Fotodedektör bu ışığı alıncaya kadar bu voltaj sıfır olduğundan bu andaki saat darbelerinin sayısı mesafenin bir ölçüsüdür.

Bu teknikte siyah, şeffaf aşırı parlak nesneler probleme sebep olurlar.

5.5 Fotodedektör Dokunma Sensörleri:

 

Şekilde esasında bir sensör elemanı gösterilmiştir.görüldüğü gibi hissedilecek nesne ile temas eden sensör bölümü kauçuk benzeri bir madde ile kaplanmıştır. Bu maddenin bir kısmı sensör yapısından dışarı uzatılmıştır.

 

 

Şekil 47 – Fotodetektörlü dokunma sensörünün bir elemanı  a) Sensör yüzeyine hiç yük uygulanmamış  b) Kısmi bir itme yayıcıdan gelen ışığın  kesilmesine sebep olur.

Cihazın gövdesinin orta kısmına monte edilmiş bölüm, foto-yayıcı dedektör bileşimidir.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KAYNAKLAR :

 

1 –  E. Musayev  “Optoelektronik Devreler ve  Sistemler” İstanbul 1999

2 –   İ.   Kanik  “Optoelektronik devreler” İstanbul 1995

3- Robert Boylestad, Louis Nasheisky “Elektronik Elemanlar ve Devre Teorisi”  İstanbul 2000

4-   Rafael Hüseynov  “ Güç elektroniği ders notlarıSivas 2003

IŞIK SEZME – OPTİK SENSÖRLER

This entry was posted in Tez / Ödev. Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>