opto_pdf

MISKOLCI EGYETEMVILLAMOSMRNKI

INTZET

ELEKTROTECHNIKAI-ELEKTRONIKAI

TANSZK

DR. KOVCS ERN

ELEKTRONIKA IV.

OPTO-ELEKTRONIKAI ESZKZK, KIJELZK S MEGJELENTK

Elads jegyzet

2002.

Miskolci Egyetem Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszk

4.0. Opto-elektronika Az opto-elektronika jelentsge az elektronikn, ipari elektronikn bell egyre nvekszik. Az iparban alkalmazott opto-elektronikai szenzorok, mreszkzk, az informatikban elterjedt megjelentk, adattrolk, adattviteli eszkzk vagy vide kpalkotk arnya az egyb elektronikai eszkzkhz kpest jelentsen nvekszik, kihasznlva az ilyen eszkzkben rejl sebessgi, miniatrizlsi s zavarvdettsgi tulajdonsgokat. A fejezet clja a jelentsebb eszkzk s alkalmazsaik bemutatsa.

4.1. Opto-elektronikai alapfogalmak

4.1.1. Jellemz mennyisgek

a) Fnyram ()

Az idegysg alatt F felleten thalad fnykvantumok szma. Mrtkegysge lumen [lm].

b) Fnyforrs fnyerssge/fnyessge (I)

Egy fnyforrs fnyerssgt nem lehet a fnyrammal jellemezni, mivel annak rtke fgg a tvolsgtl (r) s a gmbfellet nagysgtl (A). Pontszer fnyforrs esetn:

fnyforrs r

A gmbfellet

2rA= , mrtkegysge steradin [sr]

=

ddI , mrtkegysge candela [cd]

Definci szerint 1 cd= 1/60 cm2 fellet, a platina dermedsi hmrskletvel azonos hmrsklet feketetest kisugrzsa.

c) Fnysrsg (B)

dAdIB = , mrtkegysge stilb [sb]

d) A megvilgts erssge (E)

dAdE = , mrtkegysge lux [lx]

Az a, b s c paramterek a sugrzra (emittlra) a d paramter a detektorra jellemz rtk.

Dr. Kovcs Ern: Elektronikai elads jegyzetek (IV.) 2


4.1.2. Az opto-elektronikai eszkzk hullmtartomnya (optikai spektrum)

A fny ketts termszetbl a hullmtermszetet emeljk ki. A fny, mint elektromgneses sugrzs az albbi hullmhossz tartomnyban rtelmezett:

100 nm-380 nm ultraibolya (UV) 380 nm-760 nm lthat fny

760 nm-50 m infravrs (IR) tartomny 0.76-1 m nagyon kzeli IR 1-3 m kzeli IR 3-8 m rvidhullm IR 8-14 m hosszhullm IR 14-50 m tvoli IR 4.1.3. Az emberi szem rzkenysge

A teljes lthat fny tartomnyban a szem relatv rzkenysge nem egyenletes. Lthat az albbi grbbl, hogy a szem kb. 540 nm hullmhossz krnykn a legrzkenyebb, ami a srga/zld szn hatrnak felel meg.

vr

s

srg

a z

ld

kk

1% 0.43 0.54 0.7

[m]

relatv rzkenysg 100%

4.2. Fotovevk/detektorok

A detektorok feladata az optikai spektrum tartomnyba es jelek talaktsa villamos jell. Az talakts sorn zaj lp fel, amelynek forrsa lehet a foton zaj (elssorban httrsugrzs miatt), a detektor zaja (termikus zaj, srtzaj, flicker zaj) vagy a jelkondicionl ltal termelt zajok (termikus zaj, srtzaj, flicker zaj). A detektorok a rendszerben fellp zajok feletti jeltartomnyt tudjk csak detektlni. A detektlsi kszb meghatrozsra szolgl a NEP (noise equivalent power, zajjal egyenrtk jelteljestmny), amely azt a hasznos jelet mutatja, ami felett a detektls mr vgrehajthat. Ez a paramter azonban nem tartalmazza a svszlessg (B) s a detektlsi fellet (Ad) hatst, ezrt csak azonos elven mkd szenzorok jellemzsre alkalmas. A NEP-bl meghatrozhat a detektlsi kszb:

NEPD 1=

A klnbz fajtj szenzorok sszehasonltsra a normalizlt detektlsi kszbrtk (D*) alkalmas, amely figyelembe veszi a fent jelzett paramtereket is.

dABDD =* , mrtkegysge [mHz1/2/W]



Klasszikus rtelemben a termikus elven mkd detektorokat (pl. helem, hellenlls, bimetll, gz rzkelk, stb.) is ide kellene sorolni, mivel a h is elektromgneses sugrzs ms spektrummal (az infravrs tartomnyban jelents a hsugrzs, gy specilis IR tartomny rzkelk alkalmasak hmrsklet detektlsra). A tovbbiakban azonban az opto-elektronikai eszkzk alatt elssorban a foton detektorokat rtjk. Hmrsklet hatsa: a becsapd fotonok hatsra lyuk-elektron prok generldnak. Ugyanez a folyamat jtszdik le a hmrsklet hatsra is. A kt jelensg nehezen elvlaszthat egymstl ezrt az opto-elektronikai eszkzk ersen hmrsklet fggek. regeds jelensge: az opto-elektronikai eszkzk jelents rsznl megfigyelhet a paramterek vltozsa (romlsa) az idvel. Ezt a jelensget nevezzk regedsnek.

4.2.1. Fotoellenlls (Light Dependent Resistor, LDR)

ramkri jellse: A foto-konduktivtst mr 1873-ban felfedeztk, azaz, hogy egyes anyagok ellenllsa a fny hatsra megvltozik. A becsapd fotonok hatsra lyuk-elektron prok keletkeznek. Az gy keletkezett szabad tltshordozk nvelik az anyag vezetkpessgt, azaz cskkentik az ellenllst. A fotoellenllsok lehetnek:

Intrinsic (sajtszennyezs) Extrensic (szennyezett flvezet alapanyag)

Az extrensic fotoellenllsok jelentsge egyre nvekszik. A klnbz anyagok klnbz hullmhosszsg fnyre rzkenyek. Pl.:

Alapanyag Relatv rzkenysg Hullmhossz

ZnS 0.32 s UV CdS 0.5 s Lthatfny GaAs 1.2 s IR PbS 2.3 s IR

maximuma tartomny

A fotoellenlls transzfer karakterisztikja:

Ro stt ellenlls

R1000

1000 lx

R []

E [lx]



64

0

1000 10...10=R

R tipikusan.

A kis megvilgtsok tartomnyban a fotoellenlls klnsen hmrskletfgg. A fotoellenlls dinamikus viselkedse: A fotoellenlls nagy idllandkkal rendelkezik, klnsen a vilgosrl sttre vltsnl. Ennek oka, hogy a sajt bels melegeds korltozsa rdekben csak nagyon kicsi ram engedhet meg a fotoellenllson. Ahogy a megvilgts cskken a felhalmozott szabad tltshordozkat ki kell rteni, de az alacsony ram -amely a sttre vlts miatt mg tovbb cskken (lsd transzfer karakterisztika)- nagyon lassan tudja csak kirteni azokat. Termszetesen sttrl vilgosra vltshoz is jelents id kell (br kisebb), mivel a tltshordozkat ltre kell hozni. A tipikus idlland ~ms nagysgrend, de extrm esetekben a ~100 ms is lehetsges. Detektlsi kszb: A fotoellenllsok detektlsi kszbrtke magas, mivel jelents zaj keletkezik a nagy ellenllsok miatt (a termikus zajfeszltsg egyenesen arnyos az ellenlls gykvel). A detektlhat minimlis jel D=10-9...10-12 W (rtke a frekvencitl fgg).

Detektlsi kszb

min max [m]

relatv rzkenysg 100%

A detektor gyakorlati kikpzse: a detektor mkdsi elvbl kvetkezik, hogy tetszleges nagysg s alak vezet felletek alakthatk ki, gy az eszkz felleti rzkelsre alkalmas. Pl. egy lehetsges kialakts: Felhasznlsi terletek: Nagy rzkelsi felleteket, de dinamikus viselkedst nem ignyl alkalmazsok, pl. fnyer, alkony kapcsolk, magasabb hmrskletek rzkelse pl. sszsugrzs mrk, stb. Alkalmazsi felttelek: A detektor rammal nem terhelhet, mivel a vesztesgi teljestmny a bels hmrskletet nveli, ami a detektlsi kszbt megemeli (rontja). Olyan ellenlls-vltozson alapul mr kapcsolsokban hasznlhat, amelyek nem rammal terhelik a szenzort, pl. feszltsg hd-kapcsolsok.



4.2.2. Fotoelem

A fotoelem pn tmenetet tartalmaz eszkz, ezrt vizsgljuk meg pn tmenetben lezajl foto-elektromos jelensgeket. Modellezzk a kt rteget a flvezetknl megszokott mdon:

p tbbsgi n tbbsgi p kisebbsgi n kisebbsgi tltshordozk P rteg kirtett rteg n rteg

x A bees foton hatsra a kirtett rtegben (tmeneti tartomny, trtltsi tartomny) lyuk-elektron prok generldnak, amelyek a rteg hatrhoz mozogva cskkentik a kirtett rteg hatrt. A keletkez lyuk-elektron prok mennyisge a bees fotonok szmtl fgg (eltekintve a hmrsklet hatsra keletkez lyuk-elektron proktl). Termszetesen a tbbsgi tltshordozkat tartalmaz rtegben is lejtszdik hasonl jelensg, itt azonban a keletkez szabad tltshordozk szma a tbbsgi tltshordozkhoz kpest elhanyagolhatan kicsi, gy detektlni sem lehet azokat. A folyamat sorn lejtszd foto-elektromos jelensgek az albbi brkon kvethetk vgig. Szaggatott vonal jelzi a fotonok becsapdsa utni llapotot.

Ud2

Ud1

-+

x

U bels feszltsg

x E bels trer

x

a szabad tltshordozk eloszlsa A bees fotonok hatsra megvltozott kirtett rteg az alapllapotban kimeneti kapcsain villamosan semleges (nincs kimeneti feszltsg) alkatrsznl a kimeneti kapcsokra UL=Ud2-Ud1 feszltsget generl, anlkl, hogy kls segd energiaforrst alkalmaznnk..



A kimeneti karakterisztika Si alap szenzorok esetn:

Iz

0.5 V ULo UL

Ifoto Ifoto a fny hatsra keletkez tltshordozk rama, ULo az resjrsi feszltsg, Iz a zrlati ram. A fenti elven kt eszkzt is ksztenek: a) fotoelem A kimenetet resjrsban hasznlva a keletkez feszltsg detektlhat, gy a bees fny mennyisge is meghatrozhat. Az resjrsi feszltsg:

+=

o

fotoLo I

Iq

kTU 1ln

Io a kisebbsgi tltshordozk rama (maradk ram) 0 lx megvilgts esetn. Ebben az zemllapotban detektorknt hasznljuk az alkatrszt. Elnye:

nem ignyel kls tpelltst j detektlhatsg (a rekombincis zaj elmarad)

Htrnya: lass mkds 1-100 s

(nincs ram, gy a tltshordozk kirtse lass, lsd fotoellenlls) regedsre hajlamos

Gyakran alkalmazzk kisteljestmny-igny fogyasztk energia elltsra pl. kalkultorok, LCD digitlis rk, stb. ahol mW vagy W teljestmny igny lp fel. b) Fnyelem Az eszkzt kzel rvidzrsban mkdtetve energia-termelsre lehet felhasznlni (szolrcella). Ilyenkor a detektor specilis felleti kialakts, a minl nagyobb foton abszorpci miatt. Az egyes cellk soros-prhuzamos kapcsolsval lehet az ramot, illetve a feszltsget nvelni. Szoksos anyagok s az elrt gyakorlati hatsfok: Si kb. 16%, GaAs kb. 21%, CdTe kb. 6% elrt hatsfok.

4.2.3. Fotodida

A fotoelemeknl a detektl fellet a kirtett rteg. Ennek nagysga nvelhet, ha a pn tmenetre zr irny feszltsget kapcsolunk. A zrt ramkrben keletkez fotoram detektlhat. A relatv rzkenysg maximuma Si fotodida esetn kb. 0.85 m. A minimlisan detektlhat fnyteljestmny 10-11 W. A tipikus felfutsi/lefutsi id < 1 s.



A dida jellse: A fotodida karakterisztikja:

RL terhels

UL2 UL1

Iz1 Iz2

Eo E1 E2

UR

IR

UF

IF fotodida zem fotoelem zem Az bra tartalmazza a pn tmenet kls feszltsget nem ignyl zemllapott is (fotoelem zemmd), ahol a detektor eset UL1 sUL2 valamint a fnyelem zemllapot IZ1 s IZ2 kerlt bejegyzsre kt klnbz gerjeszts valamint a stt llapot esetn (Eo=0 lx, E1


Htrnyai: Kis jel amelyet ersteni kell a pn tmenet miatti zaj a lezrt pn tmenet ers hmrskletfggse

Felhasznls elssorban gyors jelek detektlsra.

4.2.3.1. Shottky-fotodida

A Shottky flvezetk fm-flvezet tmenet alkatrszek. A fm az opto-elektronikai alkatrszeknl ltalban arany (Au), a flvezet rteg alapanyaga GaAs vagy GaP. Az alkatrsz elvi struktrja az brn lthat: A Schottky dida klnsen gyors eszkz. Elssorban az ultraibolya (UV) tartomnyban alkalmas detektornak.

Au

n-

SiO2 szigetels

n+

4.2.3.2. PIN dida

A PIN dida a norml pn tmenetes didktl annyiban klnbzik, hogy a kt rteg kz beintegrlt sajtvezetsi (intrinsic) rtege van. Az elvi felpts:

p+

SiO2 szigetels

n+

n-i

Az intrinsic rteg megnveli a kirtett rteg szlessgt. A kirtett rtegben tallhat kevs szabad tltshordoz fel tud gyorsulni a maximlis sebessgre anlkl, hogy tkzne (nagy a tltshordozk szabad thossza). A nagy tltshordoz sebessg miatt az eszkz gyors lesz (a jelterjedsi id ns nagysgrend). A sebessget elssorban a nagy kirtett rteg miatt kialakul feszltsggel vezrelhet kapacits korltozza, ezrt a kt folyamat kztt kell optimlisan tartani a viszonyt. A PIN didt elssorban gyors jelek detektlsra hasznljuk, pl. lzer dida jelnek detektlsra. Az elrhet jelterjedsi id 10-50 ps. A PIN dida kszlhet Ge alapanyagra is nagyfrekvencis alkalmazsok esetn. Hasonl struktrt s tulajdonsgokat mutat a Read-dida is, amelynek szerkezete: p+-n-i-n+




( )o

foto

IUI

M =

Az alkalmazhatsgi karakterisztika a detektlt fny hullmhossza s az eszkz hatrfrekvencija kztt: [m] detektlt fny hullmhossza 1 pin (Ge) pn (Ge) pin (Si), Read (Si)

fc hatrfrekvencia [GHz] 20

4.2.3.3. Lavina dida (APD, Avalanche Photo Diode)

Az eddigi detektorok a fotonok szmval arnyos ramot bocstottak ki, ami kicsi, ezrt tovbbi erstst ignyel. A lavina didk az els erst tpus alkatrszek, amelyek rama jelentsen nagyobb, mint az a bees fotonok szmbl kvetkezne. Az alapelv hasonl, mint a PIN didknl, azaz a kirtett rteg megnvelse a sebessgnvels cljbl, azonban ezeknl az eszkzknl ezt a rkapcsolt zr irny feszltsg megnvelsvel rik el nem pedig beiktatott intrinsic rteggel. A nagy zr irny feszltsg hatsra megnvekedett kirtett rtegben a tltshordozk nemcsak felgyorsulnak s nagy mozgsi energira tesznek szert, hanem a kttt elektronoknak is t tudjk adni energijukat s gy tovbbi elektronokat szaktanak ki (msodlagos s tovbbi elektronok) s nvelik a szabad tltshordozk szmt. A sokszorozsnak az egyre nvekv szm tltshordoz szab hatrt, mivel ekkor nvekszik az tkzs valsznsge s cskken a szabad thossz. A mkdsi md miatt elssorban a fny jelenltt s nem a megvilgts nagysgt detektlja. A nagy tltshordoz sebessg miatt az eszkz gyors (jelterjedsi id ns-ps nagysgrend),. A sokszorozsi tnyez:

M 1000

1

UR [V] U1000 Az alkatrsz ersen hmrskletfgg, mivel a jelensg a termikus gerjeszts miatt tltshordoz prokra is ugyangy zajlik le. A letrsi feszltsg vltozsa kb. 200-300 mV/C. A hkompenzlshoz egy az APD-vel egy tokban lev referencia didt hasznlnak, amelynek hfokfggse kzel azonos. Megoldst jelent a szablyozott hmrsklet tokban elhelyezett APD is.


Egy referencia didval stabilizlt letrsi feszltsg APD elvi blokkvzlata:

E

B U U

D

Io

C

A

uki

A konstans ramforrs B hibaerst C nagyfeszltsg talakt D kompenzlt APD E kimeneti jelerst

A referencia dida egy tokban van szerelve az APD-vel, gy hmrsklete azonos. A Hmrskleti egytthat azonosra van belltva, gy az APD feszltsgt gy hangolja, hogy a hmrskleti vltozsok kikompenzldjanak. Elny:

gyors, az elrhet jelterjedsi id 20-50 ps erst jelleg, mr nagyon gyenge jelet is tud detektlni

Htrny:

nagy zaj a lavina-hats miatt ersen hmrskletfgg mkds

A pn, pin s a APD kzel azonos sebessget elr eszkzk, az alapvet klnbsg a szksges fnyintenztsban van. Az APD nagyon gyenge jeleket is tud detektlni (akr egy fotont is, ekkor Single Photon Avalanche Diode-nak nevezik), azonban analg lineris jeltvitelre nem alkalmas, mivel a kimeneten a jel nemcsak a bees fotonokkal arnyos. Az APD felhasznlsi terlete nagyon hasonl a fotosokszoroz csvekkel. A klnsen vkony impulzusok tartomnyban (


A foton hatsra az tmenetben keletkez tltshordozk a bzisba jutva ugyangy vezrlik a tranzisztort, mint az a norml tranzisztornl kls forrsbl szrmaz bzis rammal trtnik. A lezrt tmeneten azonban nemcsak a foton-gerjesztette ram (if) folyik, hanem a kisebbsgi tltshordozk rama (io) is. Ezt az ramot sttramnak nevezzk, mivel E=0 lx megvilgts esetn is folyik. A kt ram sszege a tnyleges bzisram.

( )ofec iihi += 21 A tranzisztor kimeneti karakterisztikja:

UCE

E1 E2 E3 E4 E5

Ic

E1>E2>E3>E4>E5 A maximlis relatv rzkenysg Si detektor esetn kb. 0.87 m hullmhossznl van (IR tartomny). Az elrhet ramerstsi tnyez h21e=100..800. A fototranzisztor lehetsges zemmdjai: a) Fototranzisztor kivezetett bzis nlkl Ez a leggyakoribb alkalmazsi md. Ebben az zemmdban a fny megltt kell detektlni, nem pedig annak abszolt rtkt. A tranzisztort kls tpforrsbl elfesztjk, de nem lltjuk munkapontba, gy lineris erstsre nem alkalmas. F felhasznlsi terlete: optocsatolk, kzeltskapcsolk, vonalkd leolvask, stb. Elvi kapcsols:

uki RL

+Ut Megjegyzs: a fototranzisztort alkalmanknt kt kivezetses eszkzknt gyrtjk, azaz kzvetlenl ebben az zemmdban hasznlhatk csak. Ez kisebb mret eszkzk gyrtst teszi lehetv. Klnsen tmbbe foglalt detektoroknl gyakori megolds a kt kivezets. b) Fototranzisztor kivezetett bzissal A tranzisztort kls tpforrsbl elfesztjk, s a szoksos munkapont-bellt kapcsolsokkal munkapontba lltjuk, gy lineris erstsre korltozottan alkalmas. A fototranzisztor a linearitsa tovbbra sem lesz a teljes jeltartomnyban megfelel, ezrt az informcit nem kzvetlenl, hanem modulltan visszk t. A modulci lehet brmely



alapsvi AM, FM vagy PM modulci. F felhasznlsi terlete: alapsvi jeltvitel vegszlas kbelen, jeltvitel forg detektorokon, stb. Egy lehetsges elvi kapcsols ktfokozat kzvetlencsatolt erstvel:

+Ut

uki

c) Fotodida zemmd A tranzisztort kls tpforrsbl elfesztjk, de csak a C-B tmenetet, mint didt hasznljuk fel. A fotodida sebessge lnyegesen nagyobb, mint a fototranzisztor. Egy fotodida (vagy tranzisztor dida zemmdban) s egy Shottky tranzisztor egyttesen sokkal gyorsabb eszkzt eredmnyez, mint egy fototranzisztor. Felhasznlsi lehetsgek ugyanazok, mint a fototranzisztor kivezetett bzis nlkl.

RL uki

+Ut d) Fotoelem zemmd Ez egy elvi lehetsg, mivel a detektlsi fellet sokkal kisebb, mint egy fotoelemnl, gy a hatsfoka rosszabb. A C-B tmenetet felhasznlva fny hatsra mrhet kimeneti feszltsg alakul ki, amely (nem linerisan) arnyos a bees fotonok szmval.

4.2.4.1. Foto-Darlington

ramkri jells: Ekvivalens helyettest kapcsols:



A foto-Darlington kapcsolsnak ugyanolyan tulajdonsgai vannak, mint a Darlington kapcsolsnak, figyelembe vve azt a klnbsget, ami a tranzisztor s a fototranzisztor mkdse kztt van. Alkalmazsa a nagy ramerstsi tnyez miatt- elssorban kis jelek erstsre, illetve kapcsolzemben.

4.2.5. Foto-FET

Mkdsi elvt tekintve egy fotodida s egy MOSFET kombincijnak tekinthet, ahol a fotodida ltal generlt tltshordozk ptik fel a nvekmnyes MOSFET csatornjt. A MOSFET vezrl elektrdjval elfesztve elrhet, hogy sttben ppen ne folyjon ram s az eszkz mr rendkvl kicsi megvilgtsok esetn is detektlhat jelet adjon. Elnyk:

alacsony zaj (nincs srtzaj) nagyon j detektlhatsg, D*3.108 mHz1/2W-1 (=900 nm, IR tartomny) nagyfok linearits, klnsen alacsony megvilgtsok tartomnyban

Az ersts nvelhet, ez azonban a hatrfrekvencia cskkensvel jr. A foto-MOSFET kategriba tbb eszkz is tartozik, gy a CCD, CID, stb.

4.2.5.1. Tltscsatolt eszkzk (Charge Coupled Device)

A CCD eszkzk a modern kplekpez s vide technika alapvet eszkzei. Egyszerstve azt mondhatjuk, hogy felptsk egy sok vezrlelektrds MOSFET struktrnak felel meg s alapveten a tltsek ttltst vgzik egyik MOS kapacitsbl egy msikba irnytott mdon (analg lptet regiszter). A tltsek forrsa a foton (opto-elektronikai alkalmazsban) vagy a kzvetlenl betpllt elektromos tlts (analg vagy digitlis lptetregiszter/soros trol felhasznlsban), maga a CCD a tltsek egy vagy ktdimenzis lptetst vgzi. Egyszerstett CCD struktra (3-fzis):

SiO2 szigetels

n p+

D S G

optikailag tltsz, fmesen vezet rteg

kirtett rteg szubsztrtcsatorna kialakulsa

fmes hozzvezets

megvilgts

kirtett rteg

SiO2 szigetels S G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G91 2 3

fmes hozzvezets

p

D

p+

szubsztrt

n+



Tbb vezrl elektrda (valsgban tbb ezer) helyezkedik el elszigetelten (SiO2) a homognan szennyezett flvezet (n) felett. A vezrl elektrdra lpcszetesen vltoz pozitv feszltsget kapcsolva a kirtett rteg nagysga a rkapcsolt feszltsggel lesz arnyos. Az elektronok, amelyek keletkezhetnek optikailag tltsz vezetket alkalmazva a foton-gerjesztsbl (opto-elektronikai CCD) vagy a drain vagy source elektrdn bejuttatott tltsekbl (analg vagy digitlis soros RAM) a minimlis potencilis energin fognak elhelyezkedni (amely a rajzon a tltssel jellt helyen van). Egymshoz szinkronizltan vltoztatva a vezrl elektrdkra kapcsolt feszltsget a kirtett rteg is halad vagy balra, vagy jobbra. A tltseket a drain elektrdn csatoljuk ki. Az egyes vezrlelektrdk egymshoz nagyon kzel helyezhetk el, gy nagy felbonts rhet el. A vezrlfeszltsg alakja:

2

3 +V

+V/2 0

+V +V/2

0

+V +V/2

0

1

t t t Lehetsges egyb fzisszm vezrls is. A vezrlelektrdk a szigetel rtegen bell is kialaktsra kerlhetnek (trbeli sztvlaszts), gy mr kevsb bonyolult vezrl feszltsg esetn is kialakthat tbbfzis vezrls. (pl. 2 szint s 2 fzis esetn ngy lehetsges kirtsi szint van) A vezrls frekvencija sohasem lehet nulla, mert tltsveszts lpne fel. ltalban a minimlis frekvencia 10 kHz s 1 MHz kz esik. A fels hatrfrekvencit a MOS-kapacitsok korltozzk. A CCD megvilgtsa trtnhet a vezrlelektrdk vagy a szubsztrt (hordoz) fell. Ez utbbi dinamikai szempontbl jobb eredmnyt mutat. Ez a megolds egyben lehetsget ad arra, hogy IR kamerk (jjel lt) esetn a lthat fnyt a flvezet rteg kiszrje, mert a hordoz rteg vastagsga miatt nem tud a foton behatolni a kirtett rtegig. Lthat fnyt detektl CCD kamerk esetn viszont nagyon vkony hordoz rteget kell kialaktani. Nhny 2D CCD struktra:

videojel Sor

zscm-

videojel

CCD kplekpez

CCD kplekpez

CCD trol

Videojel (tlts kilptets)



A CCD kamerk vegyesen tartalmaznak CCD szenzort, CCD soros trolt s CCD lptetregisztert.

4.2.5.2. Tlts injekcis eszkzk (Charge Injection Device)

A CID mkdsi elve hasonl a CCD-hez, gyakran nem klnbztetik meg egymstl ket. Kt fzisban mkdnek: els fzis tltsfelhalmozs, msodik fzis tlts rts.

Ifoto+U tlts akkumulls tlts rts A pozitv feszltsg hatsra kirtett rteg keletkezik, amelyben a bees fotonok tltshordozkat halmoznak fel. A vezrl feszltsg O V-ra lltsval a tltsek kirthetk. Elnye a CCD-vel szemben az, hogy az thalls a szomszdos detektor cellk kztt kisebb, mivel cellnknt egy potencilgt van kialaktva a kt segdelektrdval.

4.2.6. Egyb flvezets opto-elektronikai detektorok

A hagyomnyos Si alap flvezetk a fotoflvezetktl a detektlsi fellet nagysgban klnbznek alapveten. gy elvileg minden hagyomnyos flvezet alkalmas foto-flvezetnek is. Br nem azonos gyakorisggal hasznljk, de a gyakorlatban a legtbb hagyomnyos flvezetnek valban van opto-elektronikai prja, gy pl. ltezik foto-tirisztor, foto-triac, stb. A teljestmnyelektronika opto-elektronikai eszkzeit elssorban szilrdtest-relkben vagy annak megfelel diszkrt kapcsolsokban alkalmazzk. Pl egy nagyram vltakoz ram kapcsol fnyvezrlssel

4.2.6.1. Szenzor-tmb (array)

Az egyedi szenzorokbl -amelyek mrete tokozs nlkl igen kicsire szorthat le, klnsen ha kzs alapra integrlssal kerlnek kialaktsra- 1D vagy 2D szenzor-tmbk alakthatk ki az infravrs tartomnyban. A szenzorok lehetnek diszkrt szenzorok vagy kzs hordozra kialaktott szenzorok.

foto-tirisztor ftirisztor



4.2.6.1.1. Diszkrt fotodida tmb

A tmb egy elemnek helyettestkpe

Uki

S+Ut

R

Io IfotoC

Az S kapcsol (letapogats ltal vezrelt) zrsa utn a C kondenztor az R ellenllson keresztl feltltdik. Az Io sttram (termikusan gerjesztett ram) sokkal kisebb, mint az Ifoto ram, gy a kapcsol nyitott llapotban a fotoram sti ki a kondenztort. A kisls idllandjbl lehet kvetkeztetni a fotoram nagysgra, gy a megvilgtsra is. Alkalmazs: a) Kls mestersges megvilgts nlkl: b) Kls (mestersges megvilgtssal)

trgy

zaj (httr)

Uki

n [dida szegmens]

lencse

trgyDi

da t

mb

fligtereszt tkr

trgylzer fotodida

fotodida tmb Az eszkz az interferencia elvn dolgozik, mivel a trgyrl visszavert fny s a lzer fotodidrl rkez fny interferencia cskokat fog ltrehozni, amelyekbl kvetkeztetni lehet a trgy kiterjedsre s pozcijra.

4.2.6.1.2. CMT eszkzk

A diszkrt szenzorokbl kialaktott tmbk egyik fajtja a Cd-Hg-Te (Cadmium Mercury Telluride) alapra kialaktott diszkrt szenzorok, amelyek tbb szz elemet tartalmaznak. Az egyedi szenzor vastagsg 50 m. Az eszkz 77 K-ra trtn htst ignyel az alacsony zaj s j detektlhatsg rdekben (jjel lt kamerk). A detektlsi hullmhossz tartomny 8-13 m (IR tartomny). Az egyedi szenzorok mkdsi elve a CCD szenzorokhoz hasonl.



Az integrlt szenzortmbk egy lehetsges kialaktsa a CMT alapra kialaktott SPRITE szenzor, ahol nem egyedi szenzorok vannak, hanem a v sebessggel halad letapogat fny v tltshordoz sebessget (drift) knyszert ki a CCD lptetsnek megfelelen.

v

kiolvass

lland

tplls ram

letapogat

megvilgts

4.3. Fotoadk (emittlk)

Optikai lumineszcenzia jelensge a flvezetkben A flvezetk azon tulajdonsgaik alapjn, hogy a tltshordozk gerjesztsekor hullmszmvektor vltozs is bekvetkezik-e vagy sem kt csoportra oszthatk: (lsd 2. fejezet): direkt s indirekt flvezetkre. A direkt flvezetk elssorban fotont sugroznak ki, mg az indirekt flvezetknl a fonon kisugrzs a jellemz. A fnytartomnyba sugrz eszkzk a direkt flvezetk, amelynek jellemz alapanyagai a GaAs, GaN. Az indirekt flvezetk a htartomnyban sugroznak elssorban. Az indirekt flvezetk kzl a GaP hasznlt -elssorban, mint szennyez anyag- a fotoadk terletn. Termszetesen a direkt flvezetknek is van fonon kisugrzsuk, gy az eszkzn h alakjban tvoz vesztesgi teljestmny is fellp. A direkt flvezetk ltal kisugrzott fny spektruma eshet a lthatfny tartomnyba vagy az IR tartomnyba.

4.3.1. IRED

A leggyakrabban alkalmazott GaAs anyagok a kzeli IR tartomnyban sugroznak. Jellemzik:

Az elrhet hatsfok 1..5%-a a bevezetett villamos teljestmnynek. A kisugrzott fny spektruma szk svban mozog monochromatikus fnyforrs. A kapcsolat a bevezetett villamos ram s a kisugrzott fny intenzitsa kztt egy

svban lineris, de kis s nagy jelek tartomnyban eltr az idelistl. A hmrsklet nvekedsre a relatv fnyer cskken. A kisugrzs irnyfgg, a sugrzsi kp keskeny nylsszg.

Az IRED s LED karakterisztikja: vrs srga zld LED

IREDIF

UF



Az brn lthat, hogy a nyitirny feszltsg szn (szennyezs) fgg. Az IRED karakterisztikja meredek, azaz a dinamikus ellenlls kicsi (rD10 ), a Zener didhoz hasonl. A nyitirny feszltsge kb. 1.0-1.2 V kz esik.

25 C

100 %

relatv fnyer

T

sugrzsi kpszg

0

90 Az irny kpszg kls reflektorral jelentsen megnvelhet, amely klnsen fontos a szrakoztatelektronikai felhasznlsoknl. (pl. tvvezrlk.)

4.3.2. LED (Light Emitting Diode)

A lthatfny tartomnyba a spektrumot szennyezssel toljk el, gy GaAsP vrs didt, GaAsP:N srga s GaP:N zld didt eredmnyez. A hideg sznek fel haladva a hatsfok egyre romlik, zld dida esetn a hatsfok


optikai visszacsatolst alkalmaznak. A visszacsatolst vagy dielektromos tkr-rteggel vagy reflektor rteggel (pl. arany) rik el. A dida lzerek lehetnek egy rtegek vagy tbb rtegek. Ez utbbiak elterjedtsge egyre n. Az alapvet fizikai elv azon alapul, hogy amennyiben gerjesztett elektronok vannak a vezetsi svban akkor a bees fotonok msodlagos elektronokat gerjesztenek, amelyek fizikai tulajdonsgai azonosak lesznek a mr gerjesztettel (populciinverzi), mg ha az elektronok a vegyrtksvban gerjesztetlen llapotban vannak, akkor a foton elssorban abszorbeldik. A gerjesztst kls energia forrsbl biztostjk. A kls elektromos trre ltrejv emisszit induklt emisszinak, mg az attl fggetlen emisszit spontn emisszinak nevezzk. A lzerek az induklt emisszi elvn mkdnek. Lzer fny tulajdonsg eszkzket klnbz anyagokbl s eljrssal ptenek, pl. rubin lzer, CO2 lzer, He-Ne lzer, stb. A flvezet technikban GaAs-alap lzerek az elterjedtek, amelyek mrstechnikban, informci tvitelben s kisenergij alkalmazsokban hasznlatosak. A dida- lzer a LED didk elvn mkdik, kiegsztve reflektor rteggel, amely az elektron sokszorozdst biztostja. A homogn struktrj dida lzerek kialaktsnak elvi elrendezse:

n

p

kirtett rteg

lzer fny emisszi

flig reflektl rteg

A kls energiaforrsbl hozzuk ltre azt a tltshordoz srsget ami a lzer emisszihoz szksges:

emisszi intenzts

Jth

Spontn emisszi

lzer emisszi

J (ramsrsg)

A lzer emisszi elrshez egy kszb ramsrsget (Jth) kell meghaladni. A modern lzerek heterogn struktrjak, amely a rtegek s a reflexis felletek trbeli kialaktsban nyilvnulnak meg a minl nagyobb hatsfok elrse rdekben. Az elrhet impulzus teljestmny 10-20 W cscsban. A lzer didkat a nagypontossg hosszmrstl, az informcitvitel vegszlas kbeleken keresztl a vonalkdos rendszerekig alkalmazzuk.



4.4. Optolektronikai ad-vev eszkzk

Az opto-elektronikai eszkzk tern kiemelt helyet foglalnak el az opto-elektronikai adt s vevt tartalmaz eszkzk. Alapveten gy klnbztetjk meg ket, hogy a kt eszkz kztt a fny tjba kvlrl be lehet-e avatkozni vagy sem. Teljes mrtkben zrt a fny tja az optocsatolkban, s teljes mrtkben nyitott az opto-inicializtorokban, kzelts kapcsolkban, fnysorompkban, mg az vegszlas tviteli eszkzk pedig bonthat, de alapveten zrt tviteli lnccal rendelkeznek. Az tvihet informci lehet a fny jelenlte vagy hinya, lehet alapsvi digitlis vagy modullt analg. A tisztn analg tvitelt a nemlineris karakterisztika miatt csak korltozott krlmnyek kztt s egyszerbb kvetelmnyek esetn lehet alkalmazni. Az ad ltalban IRED (optocsatolk, inicializtorok, kzeltskapcsolk) vagy lzer dida (vegszlas tvitel). A vev azonban brmely ismert opto-elektronikai detektor, br leginkbb fotodida (s alfajai, pl. APD) vagy fototranzisztor. Gyakran a vev oldal mr egyben a jelfeldolgoz rszt is tartalmazza beintegrltan.

4.4.1. Optocsatolk

Az optocsatolk zrt fnyttal rendelkeznek. Kvlrl a fny tjba nem lehet beavatkozni. Alapvet feladatuk a galvanikus elvlaszts s a szigetelt jeltvitel. Mindkt alkalmazs nagy ttsi szilrdsgot ignyel, tipikusan az ttsi feszltsg 1.5-3.75 kV tartomnyban van. Alapveten a fny megltt vagy hinyt detektlja a vev, de korltozottan megoldhat a szigetelt informci tvitel is (lsd 3. fejezet, Szigetelt erstk). Az eszkz egy tokban szerelt adt s vevt tartalmaz. Az egy tokban szerels azonban rontja a szigetelsi tulajdonsgokat, klnsen a parazita kapacitsok okozta csatols miatt. A fny tjnak kialaktsa lehet kzvetlen, vagy reflexis kialakts. A reflexis kialakts elnye az alacsonyabb csatolkapacitsokban van. Dinamikus csatols: Mrelrendezs:

uki

Ug

Ug

ukiUt1 Ut2



d) Optikai levlaszts szilrdtestrel (SSR)

zavarszr

vezrls oldal kapcsolt terhels

diac triac

A dids abszolutrtkkpz-egyenirnyt kapcsolson csak akkor folyik ram, ha az optocsatoln keresztl a tirisztor be van gyjtva. Ebben az esetben a kondenztor nem tud feltltdni, gy a diac nem tudja a triacot begyjtani. Ha nincs a tirisztor bekapcsolva, akkor a kondenztor az ellenllson keresztl a hlzati feszltsg null-tmenethez szinkronizltan feltltdik s a diac egy feszltsgrtk utn begyjt, majd ezzel egytt begyjtja a triacot is s a hlzatra kapcsold terhelsen ram fog folyni. A kapcsols nulltmenethez szinkronizlt, gy a flvezetket nem terheli nagy du/dt s di/dt. A hlzati zavarokat szri az RC zavarszr ramkr a kimeneten.

4.4.2. Opto-inicializtorok

Az opto-inicializtorok olyan adt s vevt tartalmaz eszkzk, amelyek kikpzse lehetv teszi a fny tjba trtn beavatkozst. Alapvet tpusai: a) rs-inicializtor, amelynl az ad s a vev egymssal szemben egy kzs optikai tengelyen van. A rsben forg perforlt trcst elhelyezve fordulatszmot vagy az elforduls mrtkt lehet mrni, mg lineris mozgst vgz lemezt alkalmazva a helyzetet lehet jelezni. b) reflexis kzeltskapcsol Az ad s a vev eltr optikai tengelyen van, de a kt tengely metszi egymst egy meghatrozott trbeli pontban. Amennyiben a trgy ezt a pontot elri vagy megkzelti, akkor a visszaverd jel a vevbe jut s gy a trgy helyzete meghatrozhat. Kln reflexis rteget a trgyon ez a kialakts ltalban nem ignyel, de ltezik olyan kialakts amikor ilyen kerl elhelyezsre a trgyra (prizma, Fresnel lencse, stb.). Ekkor reflektoros kzeltskapcsolrl beszlnk.

trgy vev

ad

tart szerkezet

ad vev

trgy

Rs-inicializtor reflexis (diffzis) vagy reflektoros kzeltskapcsol



Nagyobb tvolsgok thidalsra hasznljk a fnysorompkat, amelyek lehetnek: a) Reflexis vagy diffzis (lsd fent) b) Reflektoros (lsd fent) c) Transzparens d) Psztz

vevk

adk

trgy

vev

ad transzparens psztz A psztz tpusok alkalmasak letvdelmi vagy vagyonvdelmi feladatok elltsra is.

4.4.3. vegszlas tvitel alapjai

Az optikai jelk zavartr kpessge az elektromgneses zavarokra (EMC) lnyegesen nagyobb, mint a feszltsg vagy ramtvitellel dolgoz alapsvi analg vagy modullt jeltvitel esetn, st mg a hagyomnyos alapsvi digitlis tvitelhez kpest is jobb tulajdonsgokat mutat. A jel csillaptsa is kedvezbb, terjedsi tulajdonsgai pedig jobbak, mint a vezetben terjed jelek esetn. Villamosan knnyebb szigetelni az egyes rendszereket egymstl, ha kzttk a jeltvitel (pl. villamos hajts s vezrlse) vegszlon keresztl trtnik, br azt a jel sebessge s csillaptsa egybknt nem indokoln. A fentiek miatt az vegszlas tvitel egyre jobban terjed, mg olyan terleteken is, mint egylapks multiprocesszoros rendszerek bels vezetkezse. Gyakran kerlnek felhasznlsra ersen EMC-zavaros ipari krnyezetben pl. PLC-k kommunikcijra az egyes terminl elemek kztt. Az alfejezet clja olyan mrtkig bemutatni az vegszlas technikt, ameddig az az opto-elektronikai adk/vevk ilyen cl felhasznlshoz szksges. Gyakran az vegszlas jeltvitel egyb kbelekkel egytt kerl kialaktsra, Pl. telekommunikcis s energetikai kbelek, amely a kbelek mechanikai szilrdsgt nveli. Ennek hinyban mechanikailag erstik a kbeleket, mert maga az vegszl fizikailag nagyon kis tmrj pl. 125 m. Jelterjeds az vegszlon: Az vegszl alapveten hrom rszbl ll: maga az vegszl, a hatrfelleti bevonat s a vd burkolat. Az vegszl (n1 trsmutat) s a bevonat (n2) trsmutatja eltr rtk, de homogn a sugr irnyban (n1>n2). A klnbz szgben bees fny a hatrfelletrl visszaverdik s szrdik.

n2 n1

Az vegszl nem tkletesen henger alak kialaktsa miatt mg heliklis plyk is kialakulnak. Tovbbi gondot okoz a trsmutat vltozsa a hossz mentn, valamint az



A kapacitsok derivl hatsa kvetkeztben a kimeneten annak ellenre feszltsg jelenik meg, hogy a kt oldal egymstl galvanikusan el van vlasztva. Az optocsatolk tviteli karakterisztikja az alkalmazott ad-vev kombincitl fgg. Pl. IRED-fototranzisztor pros esetn:

linris tvitel

Ic

IF

A lineris tvitel hatsfoka (csatolsi tnyez):

( ) 25,0...2,0, == TIfII

FF

c

Az optocsatolk paramterei akrcsak minden opto-elektronikai eszkz paramterei- idben romlanak (regeds, karakterisztika degradci). Az optocsatol dinamikus tulajdonsgait az ad-vevk dinamikus tulajdonsgai szabjk meg. (pl. a fototranzisztor lassbb eszkz, gy gyakran fotodida-Shottky tranzisztor prost hasznlunk a nagyobb sebessg elrshez). Nhny gyakoribb optocsatol kialakts:

& engedlyezs

(strobe) ram erst fototranzisztor fotodida TTL ramkrkhz illesztett

vev vev optocsatol Nhny tipikus optocsatols alkalmazs a) Digitlis kimenete illesztse nagyobb teljestmny fogyaszthoz +5 V

1

+24 V Az eltr tpfeszltsg, a TTL szintnl (mg a meghajt ramkrkre megengedett szintnl is) nagyobb kimeneti ram igny s zavarvdelmi okokbl fontos galvanikus elvlaszts indokolja az optocsatols levlasztst. A Darlington tranzisztor alkalmazsnak indokoltsga a terhels ramfelvteltl fgg. Az elektromechanikus elemmel (jelen esetben rel, de egyb egyenram behz mgnes, stb. is lehet) prhuzamosan kapcsolt dida az induktv terhelsen



szksgszeren fellp negatv feszltsg-cscsok levgsra szolgl. Alkalmazsa induktv terhels esetn ktelez. b) Ktllapot kapcsol vagy egyb elektromechanikus illetve elektronikus kontaktor illesztse digitlis ramkrhz

C S

+5 V

1

+24 V Az S kapcsol lehet brmilyen mechanikus mkdtets kapcsol, elektromechanikus kontraktor, elektronikus vagy elektromechanikus szenzor kimeneti kapcsol, vglls-kapcsol, vagy egyb ktllapot llapotjelz kapcsol. A C kondenztort abban az esetben alkalmazzuk, ha a kontaktus mechanikus, mivel ebben az esetben pergs (prell) fordul el, amelyet a digitlis ramkrk kpesek feldolgozni. A Schmitt-trigger a nem megfelel meredeksg digitlis jeltartomny jel formlsra alkalmas. c) Digitlis jeltvitel ramhurokkal nagyobb tvolsgra

2xRv

R vonalmeghajtramkr

Iv+5 V

bemenet

&

1

+5 V kimenet ad oldal vezetk vev oldal Az ad oldali s a vev oldali 5 V DC (Ucc) tpfeszltsg egymstl fggetlen zavarvdelmi okok miatt. gyszintn a megolds nem ignyli a fldvezetkek sszektst, ami zavarvdelmi szempontbl elnys. A nagyobb hurokram elkrse rdekben vonalmeghajt ramkrket alkalmazunk, amellyel a digitlis technikban megszokott ramoknl lnyegesen nagyobbak is elrhetek. A hurokram:

v

IREDCEsatccv RR

UUUI +=

2

Az UIRED az IRED dida nyitfeszltsge, Rv egy vezetkszl ohmos ellenllsa.



elhajl kbelbl a hatrfelleten kilp fny. Mindezek a problmk egyrszt a jelterjedsben (pl. megvltozott impulzus szlessg a diszperzi miatt, jitter, stb.), msrszt a kbel csillaptsban jelentkeznek. Az alkalmazott fnyforrs hullmhossza, a kbel anyaga s a csillapts kztt sszefggs van. A vesztesg mrtke 0.2 dB/km3 dB/km kztt van. Kbelt ksztenek manyagbl is, de annak tmrje lnyegesen nagyobb, az alkalmazhat fnyforrs ltalban LED s a csillaptsa jelentsen nagyobb (250 dB/km). Ezeket a kbeleket ezrt nagytvolsg jeltvitelre nem alkalmazzk, de ez az rtk kzvetlen ipari vezrlsi feladatok (PLC, gpkocsik bels buszai, stb.) megoldsra elfogadhat, mivel ott a csillapts kevsb jtszik szerepet s a tvolsgok m-ben mrhetk, az ra azonban jelentsen alacsonyabb, mint az vegszlnak. Jeltviteli megoldsok: A fny kzvetlen analg tvitele a vonali diszperzi miatt nem szoksos. A jeleket modullni kell. Ritkbban alkalmazott az analg modulci, a leggyakrabban vagy alapsvi digitlis modulcikat alkalmazunk (pl PAM, PCM, ASK, FSK, PSK) vagy nagyobb tmeg informci tvitele esetn idmultiplex vagy hullmhossz multiplex rendszereket pl. TDM , WDM. Tipikus ad-vev kialakts vegszlas tvitelre:

+5V R

+5 V

&

ad vev j fejezete a szenzortechniknak az vegszl alap szenzorok: Kt alaptipusa:

Extrensic (ha a mrs a kbelen kvli fnyen alapul) Intrinsic (ha a fny a kbelen bell marad)

Pl. Intrinsic elven mkd ermr, amikor a kt fellet kz helyezett vegszlas kbel csillaptsa az sszenyoms miatt megvltozik, gy a detektlt fnymennyisgbl az erre lehet kvetkeztetni, de lehetsges pl. elmozduls-mrs is, Michelson interferomter, stb. az vegszl felhasznlsval.

4.5. Opto-elektronikai elven mkd mreszkzk

Opto-elektronikai eszkzk felhasznlsval klnbz mreszkzk pthetk fel. Klasszikus s nagyon gyakran alkalmazott mreszkzk az optikai jeladk/enkderek s optikai mrlcek/lineris jeladk a forg s lineris elmozdulsok mrsre.

4.5.1. Forg jeladk/enkderek

A forg jeladk lehetnek abszolt vagy inkrementlis jeladk. Az abszolt jeladk az elmozduls mindenkori aktulis szgnek a kdjt szolgltatjk, mg az inkrementlis jeladk a relatv elmozdulst reprezentl impulzusokat bocstanak ki. Az abszolt jeladk szerepe a



modern ipari elektronikban cskkent a bonyolultabb felpts, az alacsonyabb felbontsi rtk s a jelentsen magasabb r miatt. Elnyk, hogy esetleges tpfeszltsg-kimarads esetn is mindig az aktulis pozcit mutatjk valamint gyakori irnyvlts esetn sem n a pozci hiba impulzusveszts miatt (mint az inkrementlis jeladknl trtnhet). Az abszolt jeladk esetn egy lland fnyforrsbl (LED/IRED megvilgtott forgtrcsa van, amelyen az alkalmazott kdnak megfelel optikailag tltsz krvek vannak kikpezve (annyi, amennyi a pozci jellemzsre alkalmazott digitlis kd hossza). A vev oldalon lev flvezet detektorok a kapott jelet ngyszgestik s a kimeneten kzvetlenl a pozci digitlis kdjt kapjuk. Tpellts szneteltetse utn azonnal a tnyleges abszolt pozcit tudjuk mrni. Nagyobb felbonts esetn tl sok krvet kellene kialaktani, ami technikai problmkat eredmnyez. Ez behatrolja a felbontst 8-10 bit binris brzols esetn. Pl. 10 bit binris kd esetn a felbonts 360/210=0.351. Gyakori mg a BCD-kd abszolt jelad is. Az inkrementlis jeladk esetn nincs a pozci kdokat tartalmaz trcsa, hanem helyette van egy forg trcsa (kdtrcsa) egyenletes rsnylsokkal (veglapra maratssal felvitt oplos s tltsz rsek), vele szemben pedig egy ll rslemez, amelyen annyi nyls van kikpezve ahny optikai ad (IRED) van a kdtrcsval szemben. A rslemez mgtt helyezkednek el az opto-elektronikai detektorok, minden rs mgtt egy. A kdtrcsa mozgsa kzben az rzkel detektorok kzel szinuszosan vltoz fnyt rzkelnek. A fnyforrsok s fnyrzkelk valamint a kdtrcsa s a rslemez megfelel elrendezse kvetkeztben a Moire-effektus hatsra egymstl 90-ban eltolt szinuszos jelek jelennek meg a kimeneten. A szinuszos jelek ngyszgestsvel kapjuk az egymshoz 90-ban eltolt kimeneti impulzus jeleket. A kimeneti impulzus jeleket mg tovbbi mveleteknek (aloszts) lehet alvetni. A fel s lefut l derivlsval impulzus ktszerezst vagy ngyszerezst illetve egyb elektronikai megoldsokkal tszrzst valamint hsz-szorozst is el lehet rni. Termszetesen az gy kapott tbblet impulzusok a kt valdi impulzus kztti idben csak akkor mutatjk a tnyleges elmozdulsnak megfelelen a mozgst, ha a mozgs az adott szakaszon egyenletes volt. Ez figyelembe vve az ilyen jeladk felbontst ltalban fennll (100-6000 imp/fordulat). A jelad impulzusvesztsnek ellenrzse rdekben a fenti csatornkon kvl van egy krlfordulst jelz referencia impulzus is, amelyet egy tovbbi ad/vev prossal s optikai rssel lltanak el. Ismerve kt referencia impulzus kztti elmleti impulzus szmot a mrt rtk s az elmleti rtk sszehasonltsval az un. szervo-hiba meghatrozhat, a berendezs lellthat mg mieltt a hiba miatt vgzetes pozcitveszts lpne fel.

rslemez

optikai jeladk: elmozduls s referencia jeladk

Kdtrcsa (veglap plos

maratott s tltsz rszekkel egyenletesen elosztott o

forg tengely elmozduls s referencia jelek vtelre

optikai vevk Az egyes feladatok elltsra alkalmazott adk-vevk szma eltr. A rslemezen s a kdtrcsn alkalmazott optikai rsek fzishelyzete eltr, ez okozza a szinuszos lefolys jelet a vevkn. A szinuszos s koszinuszos jelek elnysek a forgs irnya meghatrozsra. Mindkt impulzusjelnek van ponlt s neglt kimenete, amely a kls elektromgneses



zavarok hatsnak cskkentsre hasznos (a zavar azonos fzisban keletkezik mindkt jelen, ami a kt jel kivonsa utn kiesik). Jellemzk: maximlis fordulatszm maximlis felbonts kimenet tpusa (szinusz/koszinusz vagy TTL, OC)

4.5.2. Lineris jeladk

A lineris jeladk felptse hasonl, mint a forg jeladk azzal a klnbsggel, hogy linerisan mozg kdlemez van, vele szemben egy lineris rslemezzel. A kt lemez adk s vevk kztt helyezkedik el. A lineris mozgs miatt a kdlemezen tbb referencia rs van kialaktva meghatrozott tvolsgokra. Az elrhet hossz nagyon fgg az alkalmazott adtl-vevtl s a kvnt felbontstl. IRED adk esetn az elrhet pontossg 1-2 m, mg lzeres kialaktsnl ennl jobb (0.1-0.01 m, de fgg az alkalmazs krlmnyeitl is). Jellemzk: maximlis elmozdulsi sebessg

maximlis felbonts kimenet tpusa.

4.5.3. Egyb specilis mreszkzk

Optoelektronikai elven tbb lineris vagy skbeli mreszkzt alaktottak ki, amelyre pldk lthatk a 4.2.6.1. fejezetben (Szenzor tmbk). Egy tovbbi ltez eszkz kis tvolsgok m-pontossg mrsre a PIN-fotodids egy s ktdimenzis rzkel.

X

n+

fmes hozzvezets

kzsL

optikailag tltsz, fmesen vezet rteg

IA IB

p+ i

SiO2 szigetels

A bees fnyhatsra keletkez lyuk-elektron prok megvltoztatjk a vezetkpessgt a rtegben attl fgg mrtkben, hogy melyik kivezetshez kzelebb trtnt a foton becsapds. Az eszkz hmrsklet hatsra ugyangy lyuk-elektron prt generl, ezrt ez befolysolja a mrst. gyszintn hatsa van a mrs pontossgra a bees fny intenzitsnak. Ezrt nem az ramok abszoltrtkt, hanem az ramok arnyt mrjk.

LX

II

B

A 21+=

Tovbbi kt irnyban kivezetve a dida rtegeit (Ix s Iy) skbeli pozci meghatrozs is lehetsges.



4.6. LED alap kijelzk

A vilgt didkkal felptett kijelzknek nagy elnyk: hossz lettartam aktv fnyforrs jellegk amely sttben is lthat fnyt eredmnyez

Htrnyuk: alacsony hatsfok (br egyre javul) elektronikai egysgekhez kpest rtenden magas energia felhasznlsuk.

A kijelzk alaptpusai:

A. Pontszer kijelzk B. Skla/vonal-szer kijelzk C. Numerikus vagy alfanumerikus szegmenses kijelzk D. Pontmtrix kijelzk (belertve az intelligens kijelzket is)

Az egyes kijelz fajtkban a LED-ek folytonos vagy impulzusos zemmdban dolgoznak. A folytonos zemmd (A, B s rszben C alkalmazs) elnye az lland fnyer, mg impulzusos zemmdban (rszben C, D) a jelentsen nagyobb ramterhelhetsg. A LED-eket impulzusos zemmdban multiplexlt kijelzsre hasznljuk.

4.6.1. Folytonos zem

Folytonos zemben a LED folyamatosan vagy zemel vagy ki van kapcsolva s a vltsi frekvencia megegyezik a kijelezni kvnt informci vltsi frekvencijval. A LED-ek kzs jellemzje a viszonylag alacsony nyitirny ram terhelhetsg (tipikusan 40-50 mA max.) s kicsi zr irny feszltsg (tipikusan 4-5 V max.). A lthatsg optikai szgfgg, teht a 0-tl eltr optikai szg mellet nagyobb ram szksges a minimlis lthatsg belltshoz, gy a LED szksges ramt a minimlis ram s a megengedhet maximlis ram kz kell belltani. A fnyessg-rzet egy adott ramrtk felett nem n arnyosan az rammal ezrt nem clszer feleslegesen nagy ramokat belltani. A) Pontszer kijelzk A pontszer kijelzk egyedi meghajtst hasznlnak. Pl. TTL TP vagy TS kimenettel (ha az ram nem haladja meg a maximlis L szint ramot) esetleg TTL meghajt nagyobb ramra, TTL nyitott kollektoros kimenettel (OC), meghajt diszkrt tranzisztor vagy FET. Az eltr szn LED-ek meghajtsa alkalmanknt eltr ramrtkek belltst tehetik szksgess, klnsen a minimlis lthatsg tartomnyban.

ID

+Ut R

RUUUI DCEsattD

= A pontszer kijelzket ltalban valamilyen jelzsre hasznljuk, pl. ki- s bekapcsolt llapot (zld, srga), veszlyforrs (srga), ritkbban veszly kialakulsa (vrs), stb. A szneket ennek megfelelen vlasztjuk ki. A fnyert gy kell belltani, hogy a lthatsg minden irnybl biztostva legyen.



B Skla (vonal)-szer kijelzk Az elektronikus sklk lehetnek linerisak vagy logaritmikusak. A kijelzs lehet sklaszer vagy fut-pontszer, ami azt jelenti, hogy a kijelzend rtket rd formjban (bar-kijelzk) vagy csak a maximlis rtk kijelzsvel valstjk meg. A LED-sorok egyszerbb megvalstsra kaphatk egy sorba foglalt LED ramkrk is. A gyakori kijelzsi feladat miatt az ilyen LED-ek meghajtsra kln cl-integrlt ramkrk llnak rendelkezsre. A kijelzk fnyereje ltalban szablyozhat, gy a LED-ek meghajtsa vezrelt ramgenertorokon keresztl trtnik. A LED-ek vezrlse a kzvetlen A/D talakts elvn alapul.

vezrelt ramgenertor

+Utube UREFmax

UREFmin clramkr

fnyer vezrls

A referencia ellenllsoszt logaritmikus belltsval dB skla is bellthat. Leggyakoribb kijelzsi feladatok:

Feszltsg/ram Teljestmny vagy jelszint (ltalban dB-ben) Fordulatszm Fogyaszts (villamos s nemvillamos mennyisgek)

C Szegmens kijelzk

16-szegmenses kijelz

7-szegmenses kijelz

g f

e d c

b

a

kivezetett katd

kzs and



A szegmens kijelzk elssorban numerikus rtkek, de fleg a nagyobb szegmensszm kijelzk- korltozottan alfanumerikus (szktett ASCII-kd) kijelzsre is alkalmasak. A legelterjedtebb megolds a 7 szegmenses kijelz, de lteznek nagyobb szegmensszm kijelzk is pl. 16 szegmens kijelzk. A szegmenses kijelzket gyakran kijelz tmbkben lltjk el, mert ltalban egy nem elg egy adott feladat megoldshoz. A vezetkszm cskkentse rdekben az egyes szegmensek valamelyik elektrdja kzs, gy vannak kzs andos s kzs katdos kijelzkrl. Szegmens-kijelzk folyamatos vezrlse: A szegmens kijelzk vezrlse folyamatos zemben gy trtnik, mint a pontszer kijelzknl, azaz szegmensenknt egyedileg vezreljk. A feladat gyakorisga miatt rendelkezsre llnak clramkrk (TTL digitlis ramkrk), amelyek tartalmazzk ltalban a BCD/binris dekdolt is, kiindulva abbl a tnybl, hogy a leggyakoribb 7-szegmenses kijelzk alapveten szm-karakterek kijelzsre szolglnak.

RA B C D

7-szegm

BCD

+Ut kzs

g

a

BCD/7-szegmenses

konverter s meghajt Az R ellenlls lltja be a LED-ek ramt. A fenti megolds a kijelzend karakterek szmval egyre nagyobb mrtkben nvekv vezetkignyt jelent, ami miatt egy karakterszm felett nem gazdasgos megolds, ekkor a multiplexelt kijelzst alkalmazzuk. (Pl. 4 karakter esetn a szksges vezetkszm kzs tpfeszltsget felttelezve s a decimlis pont kijelzst figyelmen kvl hagyva: 4*7+1=29 vezetk, ugyanezt multiplex zemben mkdtetve a szksges vezetkszm: 1*7+4*1=11. A megtakarts 62%.) Nagyobb karakterszm esetn a megtakarts mg szembetnbb, br figyelembe kell venni, hogy a multiplexelt vezrls bonyolultabb ramkrket ignyel. A kijelzk mreteit befolysolja, hogy a sugrzs a pn-rtegben keletkezik, ezrt a pontszer fnyforrs jelt optikailag diszperzis anyagokkal alaktjk t vonalszer vagy egyb braszer alakra. A fnyer a szegmensenknt sorba kttt didk szmval nvelhet, br figyelembe vve a TTL tpfeszltsg szintet is, a kt sorba kttt dida a leggyakoribb.

4.6.2. Multiplex- zem

A multiplex zem azt jelenti, hogy kihasznlva a szem tehetetlensgt- a kijelzt nem egyszerre, hanem rszenknt, a rszeket folyamatosan vltva oly mdon vezreljk, hogy minden rszegysg azonos ideig kapjon vezrlst egy meghatrozott peridusidn bell. Az alkalmazott multiplexlsi frekvencinak elegendnek kell lenni, hogy a szem a kijelzt folyamatos mkdsnek lssa.



A LED esetn a multiplex zemet az teszi lehetv, hogy a LED-et impulzus zemben jelentsen tl lehet vezrelni, akr a folyamatos zem ram maximumnak hrom -esetenknt ngyszeresvel is. Multiplex zemben gondoskodni kell rla, hogy a kijelzend adat s az ppen meghajtott karakter szinkronban legyen egymssal. a) Szegmens kijelzk Hrom-ngy karakter felett az ramkr bonyolultsga ellenre- gazdasgos a szegmens kijelzk multiplex vezrlse. A minimlis frekvencit a villdzs szabja meg. 8 karakter esetn egy lehetsges multiplex kijelz megolds

Szinkronizlt adat kivlaszts

4x8x1 MUX

T0 T7 A B C

3/8

XDEMUoszcilltor

binris szmll

RABCD

7-szegm

BCD

+Ut

g

a

A kivlaszt ramkr -a MUX ramkrn tl- egyb megolds is lehet, pl. RAM. Egy karakter egy szegmensnek rama ILED

ILED

IL^ ED

tToszc8xToszc

A karakterszmban fels korltot jelent, hogy a fnyer jelentsen cskken a karakterszm nvekedsvel, mivel az tlag LED-ram (ILED)is arnyosan cskken az bra szerinti mdon. b) Pontmtrix kijelzk A pontmtrix kijelzk jl olvashat szveg karakterek s egyb szimblumok kijelzsre is alkalmasak. A nagy szm egyedi LED meghajtsa miatt csak multiplex-vezrls jhet szba. A pontmtrix kijelzk klnbz pontszmot (egyedi LED) tartalmaznak karakterenknt, de



az egyik legelterjedtebb az 5x7-s mtrix. A kurzort is tartalmaz kijelzk esetn tovbbi sorok is rendelkezsre llnak a kurzor kialaktsra.

X0

X1

X6

Y0 Y1 Y2 Y3 Y4

+Ut A kijelzk vezrlse a szegmenses kijelzkhz hasonlan trtnik, de itt a nagyszm oszlop miatt a kivlaszts trolbl trtnik.

4.6.3. Intelligens kijelzk

Az intelligens kijelzk bels felptse a multiplex-kijelzkkel egyezik meg, a klnbsg a klvilggal val kommunikciban van. Az intelligens kijelzk kifel adat- s cmbusszal rendelkeznek, s vezrl vezetkeken keresztl egyb funkcik is elrhetk. Vezrlsk nem nagyon klnbzik a tbbi perifria egysgtl. rdekessge, hogy a karaktereknek megfelel kdot (lt ASCII, vagy annak grafikai elemekkel bvtett vltozatt) trol bels RAM ktoldali hozzfrs (dual-port RAM), amelyet az tesz szksgess, hogy mind a kijelzt meghajt vezrlnek, mint a kls adat- s cmbuszoknak hozz kell tudni frni a tartalomhoz. ltalnos vzlat a kls interfsz elemekrl:

kivlaszts (CS,CE,EN,stb.)

rs/olvass (R/W) parancs/adat

cmbusz

4-8 bit adatbusz

Dual-port RAM Kijelz a meghajt

elektronikval.

A parancs/adat vezetk jelzi, hogy az adatbuszon milyen informci van, a kivlaszts vezetk jelzi az egysgnek, hogy az informci ennek az egysgnek szl. Lehetsg van specilis parancsok vgrehajtsra is, pl. lptets balra-jobbra, kperny grgets fel s le, alhzs, kiemels, stb. A 4 bites adatbusz esetn az adatok s a parancsok beolvassa kt lpcsben trtnik, ami lasstja a kommunikcit, de cskkenti a szksges vezetkek szmt, amely a gyakran tvolabb elhelyezett kijelz miatt fontos.



4.7. Folyadkkristlyos kijelzk (LCD)

A folyadkkristlyos (LC) tulajdonsgokat mr tbb mint szz ve felfedeztk, azonban technikai megvalstsra csak az utbbi idben kerlt sor. Felhasznlsuk az let minden terletn elterjedt s klnsen jelentsek az informatikai alkalmazsok, pl. display. A folyadkkristlyok fizikai tulajdonsgaikat tekintve a szilrd anyagok s a folyadkok kztt helyezkednek el. Halmazllapotukat tekintve folyadkoknak tekinthetk, de a molekulk rendezettsget mutatnak, br nem olyan mrtkt, mint a szilrd anyagok. Az optikai s az elektromgneses tulajdonsgaik a szilrd anyagokhoz llnak kzel, azaz kettstrk, az optikai fnytrs mutat rtke kt dimenziban eltrst mutat. gyszintn eltr a dielektromos llandjuk a kt tengely irnyban. Jellemzen a szerves anyagok egy csoportja viselkedik a fenti mdon, de csak egy meghatrozott hmrsklet tartomnyban (metafzis/mezamorf llapot). Az elektronika szmra azok az anyagok jelentsek, amelyek a folyadkkristlyos llapotukat a -25+85 C tartomnyban veszik fel.

4.7.1. Mkdse, tulajdonsgai

Molekulris szinten a folyadkkristlyos anyagokat rismolekulk alkotjk, amelyek alakja egy tengely irnyban megnylt (plca alak). Az rismolekulk jellemezhetk a tengely irnyba mutat vektorral, amelyet direktornak neveznk. Hrom alapvet tpusuk van a direktorok rendezettsge szerint:

Szmektikus: a molekulk prhuzamosan helyezkednek el, de egymson elcsszva. Viszonylag nagy rendezettsget mutatnak a direktorok irnyultsgt tekintve. A gyakorlat szmra legfontosabb kpviseljk a ferro-elektromos kristlyok (Sc osztly).

Nematikus: alacsony rendezettsg, tbb-kevsb egy irnyba mutat direktorokkal, a molekulk nagy mozgkonysgot s rugalmassgot mutatnak. Az anyag optikailag egytengelynek tekinthet. A direktorok h hatsra a ftengely krl vletlenszer mozgst vgeznek. Kls elektromos trrel vagy sk anyagok ltal keltett felleti hatssal a direktorok helyzete knnyen befolysolhat. A dielektromos llandja a tengellyel prhuzamosan s arra merlegesen eltr s a klnbsg lehet pozitv vagy negatv (=||-).A leggyakrabban alkalmazott LC- anyag.

Koleszterikus: a molekula rtegek egymshoz kpest elfordulnak, a direktorok irnyultsga spirl (heliklis) alakot vesz fel. Gyakran alkalmazzk ket szennyez anyagknt a nematikus LC anyagoknl.

A tovbbiakban elssorban a nematikus anyagok tulajdonsgait trgyaljuk, mivel ezek gyakorlati jelentsge nagyobb. A nematikus anyagokat lemezek kz helyezve (amelyek tvolsga rendszerint 1-20 m) a direktorok a felleti hats miatt orientldnak:

folyadkkristly

veglap gyszintn befolysolja a molekulk elrendezst a felleti rdessg is. Amennyiben az veglapon tl felleti rdest anyagot is alkalmaznak, akkor elrhet, hogy az rdessgnek megfelelen lljanak be a molekulk. Pl. egymsra merleges kialaktott rdestett felletek kztt alakthat ki a leggyakrabban alkalmazott folyadkkristlyos struktra a csavart



nematikus (TN), amelynl a szoksos csavarsi szg 90, vagy jabban a nagy kontraszt monitoroknl a 270 (szuper csavart nematikus struktra, STN):

/4

Folyadkkristly direktorok

veglap A heliklis csavarmenet egy menetnek hossza: . Az brn a direktorokat, illetve azoknak a sikfelletre vett vetlett brzoltuk 90-os csavarmenet esetn. Az optikai szrs megjelentshez a bees termszetes fnybl egy meghatrozott polarizcij komponenst kell kiszrni (a fny kr-krsen polros, gy alaklmatlan eredeti formjban a vltozsok megjelentsre). A polarizlst egy szerves anyagbl kszl szr a polariztor valstja meg. A belp fny a folyadkkristlyon trtn thaladskor egyrszt a direktorok msrszt a trsmutat ltal meghatrozott mrtkben megvltoztatja a polarizcijt, azonban egy kis rsze a fnynek egyb irnyokban is szrdik (a trsmutat a direktorra merleges irnyban sem nulla, a fny kis mrtkben abba az irnyba is szrdik). A kilp fny a szrs miatt szlesebb tartomnyban polros, ezrt a jobb kpmegjelents miatt ezt a fnyt is polariztor szrn kell tengedni (a nem megfelel irnyban szrt fnyt ki kell szrni). A kimeneten alkalmazott szrt analiztornak neveznk. A polariztorok s az analiztorok vagy prhuzamosan vagy egymsra merlegesen polarizltak. Ennek megfelelen alapllapotban az LCD vagy vilgos vagy stt. az thalad fny polarizcija

TN folyadk kristly

bees fny

kilp fny

Polariztor (P)

Analiztor (A)

veglap Az brn a 90-os forgatsi szg TN folyadkkristlyon thalad fny tjt s polarizcijnak vltozst brzoltuk, ha a PA. Mivel a fny is 90-ot fordul polarizciban a folyadkkristlyon trtn thaladskor, ezrt ebben az elrendezsben az LC vilgos lesz (van kilp fny). Ha P||A lenne, akkor stt kpet kapnnk. A nagy pixel szm nagy felbonts monitorok esetn a TN-mdban mkd kijelzk nem adnak elg les kpet, mivel a nem tkletes fnyforgats miatt a szomszd pixeleket megvalst molekulkat is gerjesztik. Ennek ellenslyozsra alkalmazzk az STN-mdot, amikor a forgats 270. Ez egy lnyegesen lesebb kpet eredmnyez, de sok htrnya is van, aminek kivdse jelents rfelhajt tnyez: lasbb mkds, rosszabb szrke-skla, nagy fnyvesztesg a folyadkkristlyon, srga s kk fny kisugrzs, ami szinront hats, br ezt tbbrteg kiegszt rtegekkel meg lehet akadlyozni. A kijelzk lehetnek transzparens jellegek (a fenti magyarz bra szerint), azaz a megvilgts s a fnykilps ellenkez oldalon trtnik, vagy reflexis jellegek, amikor



mind a megvilgts mind a fnykilps azonos oldalon van. Ez utbbi esetn hasznljk a 45-os forgats folyadkkristlyt, mivel a visszavert fny szintn 45-ot fordul, gy eredben 90 polarizcis fzis forgats. A reflexis kijelzk elvi szerkezete:

Reflexis httr lemez

folyadkkristly veg A Pflig tereszt

kilp fny

megvilgts

A megvilgts lehet maga a termszetes fny (pl. karra), vagy mestersges (pl. mszerek, autoelektronikai termkek, stb.) Mivel az LCD maga fnyt nem emittl ezrt sttben mestersges megvilgts nlkl nem lthat a kijelz. Az alapllapotban a fentiek szerint orientlt molekulkat, amely a belltstl fggen vilgos vagy stt kpet eredmnyez, kls elektromos trbe helyezve, azok elmozdulnak s a kp kontrasztja ellentettjre vltozik. A folyadkkristlyos kijelzket vltakoz feszltsggel vezrlik (egyenfeszltsg esetn galvanizcis hats lp fel). A feszltsg alakja nem befolysolja az LCD mkdst csak az amplitd s a frekvencia. Jellemz karakterisztikk: a) Transzfer karakterisztika (Kontraszt-feszltsg karakterisztika) Kontraszt [%]

U50 Uv

50

100 Az LCD-knl a fnyer nem rtelmezhet csak a fekete s a fehr viszonytott arnya (kontraszt). Jellemz rtk az 50% kontraszt elrshez szksges vltakoz feszltsg effektv rtke. Az brbl lthat, hogy egy adott feszltsg felett mr nem javul a kp minsge. Problmt okoz, hogy a kp vilgos-stt tmenete nem egy hatrozott rtk, hanem fokozatosan megy t az bra szerint a kp vilgosbl sttbe s vissza. Ez klnsen a multiplex vezrlseknl okoz gondot.



b) Mkdsi tartomny

biztonsgos mkdsi terlet

vesztesgi teljestmny miatt

Umin

Umax

fmaxf [Hz]

fmin

Uv Az fmin frekvencit a szem felbontkpessge hatrozza meg 30-50 Hz. Az fmax frekvencit a molekula dinamizmusa szabja meg, azaz ez az a legnagyobb frekvencia, amit a molekula elmozdulsval mg kvetni tud. Az Umax a maximlis feszltsg, ami nem okoz helyrehozhatatlan folyamatokat a folyadkkristlyban (nagyon nagy trer a kis tvolsg s a nagy feszltsg miatt). Az Umin feszltsget a minimlis kontraszthoz szksges feszltsg szabja meg. A keletkez szrt kapacitsok ttltshez szksges vesztesgi teljestmny s az ltala okozott melegeds korltozza a biztonsgos mkdsi terlet nagysgt. c) A folyadkkristly dinamikus tulajdonsgai:

t

100

Kontraszt [%] A klnbzkppen kialaktott folyadkkristlyos kijelzk s az alkalmazott vezrlsi eljrsok eltr jelterjedsi idt eredmnyeznek. A bekapcsolsi llapot elrshez szksges id (ton) lnyegesen kisebb, mint az alapllapotba visszatrshez szksges id (toff). A szksges vezrlsi feszltsg is jelentsen eltr az elvek klnbzsge szerint. Nhny a gyakorlatban alkalmazott anyag s vezrlsi elv tranziens viselkedse:

elv ton t U50 Dinamikus szrs ~10-20 ms ~100-500 ms 20 VCsavart nematikus ~1 ms ~200 ms 5 VKoleszterikus-nematikus fzisvltsos ~30 s ~100 ms 100 VFerroelektromos (SmC) ~10 s ~10 s nincs adat

off

A ferro-elektromos elven mkdk a leggyorsabbak (szmektikus C osztly), azonban ez mg j techniknak szmt, gyakorlati alkalmazsa nem kiforrott. A dinamikus szrs a legrgebbi elvek kz tartozik, a gyakorlat szmra mr tl lassak.



d) A folyadkkristly villamos helyettest-kpe: Az LCD gyakorlatilag feszltsggel vezrelt eszkznek tekinthet, mivel a folyadkkristly, mint dielektrikum ellenllsa rendkvl nagy R= 26x1010 . A fegyverzetek kztti kapacits C~100 pF. A nagy miatt rthet a nagy jelterjedsi id.

R

C

4.7.2. Vezrlsi mdok

Az LCD-k vezrlse alapveten eltr a LED alap kijelzknl alkalmazottl. A legfontosabb eltrsek:

Az LCD feszltsgvezrelt eszkz, gy az ram megszaktsval ki s bekapcsolni nem lehet.

Az alkalmazott vezrljelnek vltakoz feszltsg jelnek kell lennie, amely mg csekly egyenfeszltsg komponenst sem tartalmazhat (ez nehzsget okozhat digitlis vezrls esetn).

A szomszdos szegmensek kztt a nagy elektromos tr miatt thalls jhet ltre, ezrt az LCD szegmenseket mindkt llapotukban aktvan kell vezrelni. Ez klnsen a multiplex-kijelzseknl nagyon kritikus.

A vezrls sorn az addig kialaktott molekula elrendezst gy bontjuk meg, hogy az eddig vilgos fellet sttre vlt s vissza. Alapvet vezrlsi mdok gyakorlati megvalstsai:

A. Amplitd vezrls B. Fzis vezrls C. Amplitd - fzis vezrls D. Frekvencia vezrls

A) Amplitd vezrls

Egyedi szegmensek meghajtsra alkalmazzuk. Elve, hogy a szegmensre kapcsolt feszltsg rtke vagy Uv U50, vagy Uv=0, mikzben a szegmens kapcsai nem lehetnek nyitottak az thalls miatt a vezrls egyetlen fzisban sem Tipikus kialaktsok:

~

elektronikus kapcsol

folyadkkristly- szegmens

Az amplitd vezrls kevss illeszkedik a digitlis technikhoz ezrt ma mr tlhaladottnak tekinthet.

~

B) Fzisvezrls

A fzisvezrlsnl mind a szegmens, mind a kzs elektrdt digitlis jellel vezreljk. A kt elektrda kztt kialakul feszltsg vezrli a folyadkkristlyt. Br a vezrl jelek digitlis jelek, a klnbsgi jel nulla lineris kzprtk vltakoz jel lesz.



t

t t

t

bekapcsols

fzisvlts

bekapcsolt llapot

Uv

Uk

Use

Usz=Uk-Use

Szeg

men

s el

ektr

dk

Uv vezrl feszltsg Uk kzs elektrda

Use szegmens elektrda

Usz szegmensre jut feszltsg

feszltsge

feszltsge

kzs elektrda

A szegmens bekapcsolsakor a szegmens elektrda feszltsgt egy -fzisszggel az eredeti llapothoz kpest eltoljuk (leggyakrabban =180, mivel ez digitlisan knnyen elllthat), gy a klnbsgi feszltsg alakul ki, amelynek akkornak kell lennie, hogy az meghaladja az U50 feszltsget. Egy gyakorlati kialakts =180 esetre kizr-VAGY kapuk felhasznlsval:

1

1

kzs

c

ba

d

e

fg

Use(a)

Use(f)

Uv(a)

Uv(g)

Uk A fenti elven megvalstott vezrlsekre clramkrk llnak rendelkezsre a CMOS ramkrcsaldban.

C) Amplitd-fzisvezrls A vezrlsi md kombinlja az amplitd vezrlsek s a fzisvezrlsek eljrsait.

U

2U

t

t t

t

bekapcsols

fzisvlts

bekapcsolt llapot

Uv

Uk

Use

Usz=Uk-Use



Az bra a 2:1 amplitd arny vezrlst mutatja, br ettl eltr arny megoldsok is vannak. A kikapcsolt llapotban a szegmensre jut feszltsg nem nulla, gy a be s kikapcsolt llapot kztti feszltsg arny a kzs elektrdra jut feszltsg peridusidejvel arnyos. A kis feszltsgklnbsg azt eredmnyezi, hogy a kontraszt romlik, az elvileg nem vezrelt szegmensek is elfordulnak valamennyit, gy 0-tl eltr optikai szgben trtn megfigyels esetn a be nem kapcsolt szegmensek is gy ltszanak, mintha be lennnek kapcsolva. Nagyobb amplitd-arny javt a kplessgen. Az brn lthat, hogy a bonyolult vezrls ellenre a lineris kzprtk nulla. Az amplitd-fzis vezrlst elssorban a multiplex kijelzkben alkalmazzk. A multiplex vezrls kialaktsa eltr folyadkkristlyok esetn. A korbban felsorolt klnleges kvetelmnyek miatt a LED-nl alkalmazott eljrs itt nem alkalmazhat. Az LCD-knl alkalmazott multiplex eljrs a topolgiai multiplex. A kikapcsolt llapotban is aktv vezrls miatt itt nem elegend egyetlen kzs elektrda, hanem minden szegmenst egyedileg kell vezrelni, megtartva mgis a multiplexels nyjtotta elnyket. Topolgiai multiplex vezrls elve a) 7 szegmenses kijelzk esetn

X2

Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6

X1

X3

Szegmens elektrda

Kzs elektrda 1. karakter 2.karakter A kijelz hossza (n, karakterszm) s a feszltsgarnyok (A), valamint a kontrasztossg (S) kztt sszefggs van:

n=4

n=3

n=2 S=Ube/Uki A=UX/UY Az optimlis arny: nS = . A fenti sszefggsek megszabjk az egy X vezrljelhez tartoz gazdasgosan vezrelhet karakterek hosszt.



A kijelz egy szegmensnek vezrl jelei: b) Pontmtrix kijelzk: A nem display mret s jelleg pontmtrix kijelzket a topolgiai multiplex elvn vezreljk figyelembe vve, hogy a karakter pontmtrixos kikpzsnek megfelelen tbb sor van (amit tovbb nvelhet a kurzor kialaktsra felhasznlt sorok szma), mint a karakter kijelzknl. Az amplitd-fzis vezrlst a szakirodalom -amennyiben azt display-k vezrlsre alkalmazzk- passzvmtrixos vezrlsnek nevezi. jabban a ferro-elektromos folyadkkristlyok (SmC) jelentenek egy alternatvt az igen gyakori nagy felbonts pontmtrix kijelzk kialaktsra. A pontmtrixos kijelzk s a folyadkkristlyos monitorok (LCD) sok szempontbl hasonl mdon kezelhetk, ezrt tovbbi ismeretek az LCD fejezetnl tallhatk.

D) Frekvencia-vezrls A mdszer a folyadkkristlyok vges hatrfrekvencijn (fc) alapul. A hatrfrekvencia feletti frekvencij jellel vezrelve (f2) a molekulk nem tudjk kvetni a tr vltozst s nem fordulnak el, mg annl kisebb frekvencia esetn (f1) elfordulnak. A vezrls frekvencia-billentyzssel trtnik.

Bekapcsols (1. karakter, a szegmens)

szegmens f2

f1 f2>fc>f1

2U X3=Uk

2U X2=Uk

U

2U

t

t t

t

fzisvlts

bekapcsolt llapot

Uv

X1=Uk

Y2=Use

a szegmens feszltsge



4.7.3. Intelligens kijelzk

Az LCD alap intelligens kijelzk felptse nagymrtkben hasonl, mint a LED alap intelligens kijelzk. A klnbsg elssorban a nagy felbonts grafikus kpessgekben s az azt tmogat parancs kszletben van, amely nem ignyel klnleges hardver kialaktst.

4.7.4. Folyadkkristlyos monitorok (LCD)

A lapos mret s az alacsony energiafelhasznls miatt az LCD-k elterjedse minden terleten rohamosan n. Klnsen jelents szerepet jtszanak a szmtstechnikban s az ipari vezrlsek terletn. Alaptulajdonsgaik jelentsen klnbzhetnek egymstl (mret, felbonts, sznes vagy monochrom, sznmlysg s kontraszt, felhasznlsi terletek), amely a vezrls bonyolultsgban, a felptsben s termszetesen az rban is tkrzdik. A legegyszerbbek a kis mret monochrom LCD-k, amelyek ltalban TN kialaktsak. A kzs s szegmens elektrdk kialaktsra egy fnytereszt, de villamosan jl vezet anyagot hasznlnak (Indium-on oxid, ITO). Ez a fnynek kb. 70-80%-t tengedi. A folyadkkristlyos rteg tipikus vastagsga 10 m. Az sszetettebb kijelzk meghajtsra a passzv mtrixos megolds helyett a klnbz aktv mtrixos (AMLCD) megoldsok terjedtek el. A passzv megolds esetn minden rcspontot X-Y koordintval gy jellnk ki, hogy az X s Y kijell vezetkek egyben a vezrl jeleket is szolgltatjk. Ez azzal a kvetkezmnnyel jr, hogy nagy az thalls veszlye a pixelek kztt s korltozza a nagy meredeksg pixel-vltsok lehetsgt is (lsd topolgiai multiplex). Aktv mtrixos esetben a kijell vezetkek egy segd elektronikus kapcsolt (leggyakrabban tranzisztor, de egyb kapcsol is szba jhet, pl. a MIM nemlineris elem) vezrelnek s az gerjeszti a mtrix pontban lev folyadkkristly molekulkat. A legelterjedtebb megolds a vkonyrteg tranzisztoros (T F T r) aktvmtrix kijelz.

hin- ilm ransisto

Egy sznes TFT LCD elvi szerkezete

veglap hordoz

(szegmens elektrda vezrls) a TFT elemekkel

kilp fny

analiztor

veglap a sznszr

kzs elektrdval fellettel (RGB) s a

folyadkkristly megvilgts

polariztor A sor oszlop aktivlsa utn a kt MOSFET bekapcsol s az analg vezetken lev feszltsget a szegmens elektrdra vezeti. A kzs elektrda be van kapcsolva, gy gerjeszts esetn a megfelel kpet kapjuk. A fny attl fggen, hogy milyen mrtkben tereszt a folyadkkristly (az analg jeltl fgg) tengedi a megfelel pixel fnyt s a sznszr, amelynek elrendezse hasonl a sznes TV kpcsveknl megszokotthoz az RGB sznkdnak megfelelen gerjesztett llapotba kerl az adott rcspont helyen. Az alapsznek keversvel, az egybknt nem sznes folyadkkristly sznes kpcs vagy TV kpcs funkcit tud elltni (igen nagy szn-mlysgben). A vezetkezs itt is elektromosan vezet, de



fnyre ttetsz anyaggal (ITO) trtnik. A folyadkkristly rendszerint 270-os csavarmenet STN kristly. Egy szegmens elvi kapcsolsa:

Szegmens elektrda folyadkkristly

kzs elektrda

aktv oszlop kijell

analg adat

Aktv mtrix kapcsolelem

aktv sor kijell A TFT kialaktsa trtnhet egy integrlt ramkri lapkn is, ahol az egyik elektrdt maga a lapka kpviseli s a folyadkkristly (amelynek vastagsga mindssze 6 m) fltte helyezkedik el. Az ilyen kijelzket integrlt ramkr-htlapos kijelzknek (SLM) nevezzk. A sznes LCD-vel kls tkrk s ersebb fnyforrsok felhasznlsval nagy kivettket lehet ellltani. Ugyanez az alapja az LCD-projektoroknak is.

4.8. Egyb kijelzk s megjelentk

4.8.1. Katdsugrcsves megjelentk (CRT)

A katdsugrcsves megjelentk a legrgibb megjelentsre hasznlt eszkzk (s sok tekintetben mg most is az egyik leggyakrabban alkalmazott eszkzk (pl. szmtgp monitorok, TV kpcs, oszcilloszkp, stb.). Aktv fnykibocst mkdsk, nagy fnyerejk, j kontraszt s sznteltettsgk s j felbontsuk indokolja szles elterjedtsgket. Htrnyaik kzl a legfontosabbak a jelents energia felhasznls s a mret, amely korltozza a gazdasgosan megvalsthat megjelentk fizikai mreteit. A CRT-k fttt katdos megoldsak. Az elektronok eltrtse trtnhet elektrosztatikusan (oszcilloszkpok) vagy mgnesesen (monitorok, TV, stb.). Az elektrosztatikus eltrts pontosabb eltrtst ad, de kisebb kpszggel, ezrt csak kis tmrj megjelentk valsthatk meg elfogadhat mlysgi mretek mellett. A mgneses eltrts pontatlanabb, nagyobb ramfelvtel igny, lassbb mkds, de lnyegesen jobb nylsszg valsthat meg, ami a nagyobb kperny mretben nyilvnul meg. A fttt katdbl kilp elektronok thaladnak egy hengeren (Wehnelt henger), amelynek feladata a kilp elektronok mennyisgnek szablyozsa illetve visszafutskor az elektron-csapdaknt az elektronsugr kioltsa. A keletkez ionokat ion csapda (mgnes) gyjti be, gy a sugr tisztn elektronokbl ll. Az elektronsugarat gyorstani s fkuszlni kell (a lapos szgletes kperny miatt eltr fkuszls kell a sarkakban) a kperny felletre a minl kisebb pixel mret elrse rdekben. A kperny felletre fnyport visznek fel, amely a hrom alapsznnek felel meg, a ma leggyakoribb in-line formban. A szrd sugr miatti szomszdos pixelek gerjesztsnek megakadlyozsra egy maszkot alkalmaznak a kperny eltt, ami csak a pixel pontokon engedi t a sugrnyalbot, gy fkuszlva, hogy minden nyalb csak a sajt szn fnyport gerjessze. Ez lesebb, kontrasztosabb kpet eredmnyez. Az rnykmaszknak s a fnypor



rtegeknek nagyon pontosan illeszkednik kell. Az rnykmaszk alacsony htgulsi egytthatja akadlyozza meg, hogy a szrt elektronok becsapdsa miatt keletkez melegeds elmozdtsa a maszkot a fnypor rteghez viszonytva. Az raml elektronok mgneses teret gerjesztenek, amelyek a fmbl kszlt maszkot felmgnesezik, ami hat az elektronok mozgsra s rontja a kp minsgt. Ezrt alkalmanknt lemgnesezst kell alkalmazni, amely egy tekercs ltal gerjesztett mgneses impulzussal trtnik a modern monitoroknl minden bekapcsolskor vagy kln kezdemnyezhet kzi vezrlssel. A fnypor gerjesztse sorn szekunder elektron kilps trtnik, amely a kpernyre visszajutva jabb emisszit vltana ki. Ezt akadlyozza a falon kikpzett vezet rteg, ami nagy feszltsgre kapcsolva befogja a szekunder emisszi sorn keletkezett elektronokat. A kpcsvet evakuljk, a nyomsa a krnyezeti nyoms alatt van. Az esetleges berobbans veszlyt a kialaktssal, az ells kpcs fal vastagtsval rik el. ltalnos szerkezeti felptsk

elektronsugr egolds) (egy sugaras m

rnykmaszk

fnypor bevonat

vezet bevonat

veg katdsugrcs

rcsok (pl. gyorst, kpkonvergencia,

kpgeometria)

fkuszl tekercs

eltrt tekercs

lekpez fttt katd

A kperny gerjesztst vgezheti egy elektronsugr (pl. TV), vagy tbb sugrnyalb is. A modern monitoroknl a hrom sugrnyalbos (R, G, B) megolds a szoksos, ami egy idben gerjeszti a szneknek megfelel fnypor-rteget. Ez gyorsabb mkdst, nagyobb sznmlysget s lesebb, kontrosabb kpet eredmnyez. A modern monitorok in-line kialaktsuk, ahol a fnyporok oszlopokban kikpzett svokban helyezkednek el, az elektrongyuk egy sorban kerlnek kikpzsre, a rcs pedig fggleges kivgsokknt van kialaktva: In-line rendszer sznes kpcs:

egy pixel kialaktsa

B (kk)

G (zld)

fnypor cskok

rnyk maszk

elektrongy

R (vrs)



Az rnykmaszk peremn kialakul jelensgek rontjk a kp minsgt ezrt egyb eljrsok is ismertek, pl. a hros kialakts (TRINITRON, Sony kpcsvek). A fnypor anyaga ersen befolysolja a kperny tulajdonsgait mind szn szempontjbl, mind sebessg, villdzs, stb. szempontjbl. A szneket a hrom alapsznbl keverik ki egy szabvnyban rgztett szninger koordinta szerint. (CCIR709-s szabvny). Pl. a monitorokban gyakran hasznlt 6500 K fehr sznt az X=0.313, Y=0,359 sznkoordintk hatrozzk meg (egyb sznhmrsklet fehr sznt is hasznlnak). A monitorok ltalban kln-kln kapjk meg a hrom alapszn vezrljelt analg vagy digitlis formban (attl fggen, hogy a szksges D/A talakt hol van elhelyezve) a sor s kpszinkron jeleket (lsd ksbb). Az analgg talaktott vezrljelek egyenram nullpont eltolsval (fnyer/intenzts llts) illetve az ersts lltsval (fnysrsg/kontraszt) kzvetlenl a megjelents eltt mdosthatjuk a megjelents paramtereit. Az elektronram-srsg (fnysrsg felhasznli oldalon) s a vezrlfeszltsg kztti kapcsolat nem lineris, amelyet kompenzlni lehet ( korrekci) pixelenknt is. Tovbbi korrekcik llthatk a kpgeometrira vonatkozan tekercsekkel, fkuszl ramkrkkel (pl. donga/prna torzts asztigmatizmus-, vzszintes s fggleges nullpont eltols, stb.) A monitorok a kpet fnypontok (pixelek) sokasgbl lltjk ssze (raszter kperny). Azrt, hogy a szem a kialakul villdzst ne lssa megfelel gyakorisggal frissteni kell a kperny tartalmt (kpvltsi frekvencia). A fnypontok a kpernyt meghatrozott raszter pontokban gerjeszthetik csak, amelyet az sszehangolt sugrvezrls, a maszk s a fnypor-cskok kialaktsa tesz lehetv. A fnypontok szma -a felbonts- klnbz lehet, amelyhez eltr vezrlst hasznl a meghajt egysg (pl. 640x480-tl1024x768). A fnypontok rajzolshoz az eltrtsnek mind vzszintesen, mind fgglegesen el kell trteni a sugarat. Kiindulva a bal fels sarokbl egy vzszintes eltrt jellel, amelynl a feszltsg linerisan arnyos az eltrtssel (ilyen jel a frszfogjel) a fnysugr elmozdul balrl jobbra, de ugyanakkor a fggleges eltrts is megtrtnik egy frszfogjellel, gy a sor vgn a fnypont kicsivel eltr a vzszintestl. Az eltrts visszatrsekor a jobb szlrl a balra az elektronsugarat ki kell oltani, hogy ne rajzoljon vzszintes cskokat a kpernyre. Azt a frekvencit, amellyel a vzszintes eltrts trtnik sorfrekvencinak nevezzk. A vzszintes eltrts visszatrsekor (visszafuts) alatt szinkronizljuk a vzszintes eltrt jelet (sorszinkron) A fggleges eltrtsnl is, amg a jel visszafut a kezdpontba az elektronsugarat letiltjuk. Ez id alatt trtnik a kpszinkronizls. (TV-k esetn azt az idt hasznljk fel a kpjsg informciinak tvitelre). A kpvlts frekvencija, azaz az idegysg alatti teljes kperny kpek felrajzolsi gyakorisga fgg az alkalmazott raszter techniktl. Lteznek monitorok, amelyek a TV-knl alkalmazott megoldssal rajzoljk fel a kpet, azaz els lpcsben minden msodik sort, majd a kvetkez kp rajzolsakor a hinyz sorokat. gy a kpfrekvencia ktszerese lesz a kpvltsi frekvencinak. Ez a megolds egyszerbb, kevsb pontos eltrtst ignyel, azonban a villdzs szempontjbl fontos kpvltsi frekvencia alacsony lesz. (pl. TV-k esetn a sorfrekvencia 15625 Hz, a sorok szma 625 sor amibl 600 kerl felrajzolsra-, a kpeltrts frekvencija 50 Hz, gy a kpvltsi frekvencia 25 Hz lesz). Azt a megoldst, amelynl a teljes kp kt flkpbl ll ssze interlaced zemmdnak nevezzk. A felhasznl szempontjbl kedvezbb megolds az amikor a kp egy lpsben kerl felrajzolsra, mivel a villdzs kisebb, a szemet kevsb frasztja, a kp minsge jobb. Ezt a megoldst noninterlaced megoldsnak nevezzk.



Kperny rajzolsi mdok (megj.: a vzszintes eltrts elhajlsa ersen eltlzott): Interlaced zemmd

1. flkp 2.flkp Noninterlaced zemmd

kp visszafuts

2. 4. 6. n-3.n-1.

1. 3. 5. n-2. n.

A videojelek lehetnek sszetett s nem sszetett videojelek attl fggen, hogy a videojel tartalmazza-e a vzszintes s a fggleges szinkronizls jeleit. A hagyomnyos TV jel sszetett videojel, mg a monitorok ltalban nem sszetett videojelekkel dolgoznak, azaz azt az informcit, hogy az egyes kppontokban milyen legyen a kp s azt az informcit, hogy hogyan trtse el a sort s a kpet, kln jelknt vezetik. Egy hagyomnyos TV sszetett szinkronjelnek felptse a CCIR szabvny szerint:

2.flkp 1.flkp

120 s 64 s20 ms

fggleges szinkron vzszintes szinkron Monochrom videojel felptse: fehr/vilgos szint

0.3 V 0 V

0.7 V 12 s

64 s4.7 s

fekete/stt szint (Megjegyzs: A szeparlt videojel s szinkron jel formtum esetn a 0.3 V-os szinkron feszltsg nincs, a jel tartomnya 0.7 Vpp.) Egy monitor szoksos vezrljelei : R, G, B videojelek, soros digitlis adatjel (SDA), digitlis vezrljel (DDC), soros digitlis rajel (SCL). A sorszinkron s kpszinkron jelek is jelentsen eltrnek a TV-hez kpest, mivel a monitorokat kzelrl nzzk, gy a villdzs ersebb, a kppontok kevsb olvadnak ssze, a tarts munkavgzs miatt a fradkonysg jobban sszefgg a monitor jellemzivel. Pl. egy 17P3 Siemens monitor nhny jellemz adata a fentiek figyelembevtelvel:

Kperny diagonl tmr 17. Pixelek tvolsga (felbontsa) 0.26 mm. Maximlis felbonts: 1600x1200 pixel. Videojel: analg, 0.7 Vp-p.



Szinkronjel: digitlis TTL. Vzszintes eltrts frekvencija: 30 kHz..96 kHz. Frisstsi (kpernyvltsi) frekvencia: 50160 Hz. (A sorszinkron frekvencibl s a

frisstsi frekvencibl meghatrozhat, hogy milyen belltsban dolgozik flkpes s teljeskpes zemmdban.)

Maximlis svszlessg: 205 MHz. (Max. pixel rajzolsi sebessg.) A maximlis svszlessgbl adott felbonts estn a kpvltsi frekvencia maximlis rtke meghatrozhat, pl. 1024x768 felbonts esetn egy kp 786432 kppontbl ll, gy 260 Hz-s maximlis kpvltsi frekvencia rhet el. A valsgban a megengedett rtk ennl jval kevesebb (ebben az esetben 100 Hz). A vide-meghajt (krtya, chip) tulajdonsgai ersen befolysolhatjk a tnylegesen elrhet paramtereket (pl. sznfelbonts).

4.8.2. Plazma kijelzk, megjelentk (PDP)

A plazma kijelzk a gzkislses csvek elvn mkdnek, azaz a gerjesztett gz alapllapotba visszatrve -a gz fajtjtl fgg szn- fnyt bocst ki. Ellenttben a katdsugrcsves megoldsokkal a PDP hidegkatdos gerjeszts s nincs elvi korltja az elrhet mretnek, radsul a mlysgi mrete nagyon kicsi, mivel fkuszlsra nincs szksg, gy nagyon lapos kpernyk alakthatk ki. sszehasonltva az LCD megjelentkkel, amelyek szintn nagyon lapos mretben llthatk el, a legszembetnbb, hogy a PDP aktv fnykibocsts (az LCD-k esetn beptett fnyforrs gondoskodik a szksges megvilgtsrl). A PDP-k legnagyobb htrnya a digitlis rendszerekhez kevss illeszked magas (150-200 V) gyjtfeszltsg, az elrhet pixelek kztti tvolsg (pitch, 0.2-0.5 mm), amely rosszabb, mint egyb kijelzknl, valamint a kontraszt arny, amely lnyegesen alatta marad a tbbi kijelzknek. A PDP lehet egyen- vagy vltakoz ram vezrlsek. Az egyenram vezrls esetn a keletkezett v ramnvekedst okoz, amelynek oltsrl gondoskodni kell. Gyakran alkalmaznak elfesztst egyenram vezrls esetn, amikor kikapcsolt pixel esetn is a lthatsg hatrig vezreljk a kijelzt, amely gy alacsonyabb reakci idt ignyel. Vltakoz ram vezrls esetn az elektrdk elszigetelhetk a gztrtl s lehetsg van csak azoknak a pixeleknek a vezrlst megvalstani, amelyek llapota megvltozik. Ez nagymrtkben nveli az eszkz sebessgt, cskkenti a villdzst s a kpvltsi frekvencit. Az X s Y vezrl elektrdk trben egymstl elvlasztva alkotnak egy mtrix elrendezst. A kzttk fellp nagy feszltsg ionizlja a teret s gerjeszti az elektronokat, azaz gzkislst hoz ltre. Sznes kijelzk esetn az RGB szubpixeleket kln-kln kell megcmezni.

-UY(G) -UY(B)

gerjesztett pixel

-UY(R)

+Ux 0 V 0 V 0 V

0 V 0 V 0 V 0 V 0 V



A kijelz alapllapotban nagyobb rszt az UV tartomnyban sugroz, gy transzforml anyagokat kell alkalmazni, amelyek ezt a fny-spektrumot a lthat fny tartomnyba transzformljk. Erre tbb megolds is van, pl. a legelterjedtebb a katdsugrcsves megoldsoknl is alkalmazott fnyporok hasznlata, de jabban megjelentek ilyen transzformlsra kpes manyagok is. A sznes kijelz keresztmetszete egy pixelnl:

gz-tr

tltsz elektrda

adat elektrdakk (B)zld (G)vrs (R)

htlap

veglap

szigetel rteg

A PDP elnyei a lapos, nagy mret, alacsony fogyaszts megjelentknl hasznlhatk ki, ahol a kzeli olvass nem kvetelmny a nagy pixel tvolsg miatt.



4.9. Ajnlott irodalom

[1.] Smith,S.D.: Optoelectronic devices, Prentice Hall, 1995. [2.] Kissel, Th.E.: Industrial electronics, Prentice Hall, 1997. [3.] Gies: Optokoppler und Displays, Franzis Verlag, 1987. [4.] Usher,M.J.-Keating,D.A.: Sensors and transducers, MacMillan Press, 1996. [5.] Tietze,U.-Schenk, Ch.: Analg s digitlis ramkrk, Mszaki Knyvkiad, 1991.




Tartalomjegyzk 4.0. Opto-elektronika.............................................................................................................2

4.1. Opto-elektronikai alapfogalmak.................................................................................2 4.1.1. Jellemz mennyisgek........................................................................................2 4.1.2. Az opto-elektronikai eszkzk hullmtartomnya (optikai spektrum) ..............3 4.1.3. Az emberi szem rzkenysge............................................................................3

4.2. Fotovevk/detektorok.................................................................................................3 4.2.1. Fotoellenlls (Light Dependent Resistor, LDR)...............................................4 4.2.2. Fotoelem .............................................................................................................6 4.2.3. Fotodida............................................................................................................7

4.2.3.1. Shottky-fotodida .......................................................................................9 4.2.3.2. PIN dida....................................................................................................9 4.2.3.3. Lavina dida (APD, Avalanche Photo Diode) .........................................10

4.2.4. Fototranzisztor ..................................................................................................11 4.2.4.1. Foto-Darlington ...........

opto_pdf

Documents