전자물리실험 07-발광소자와 수광소자를 이용한 광신호 감지 - DSU 메카트로닉스 융합공학부 - PULSE 4

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1 전자물리실험 07-발광소자와 수광소자를 이용한 광신호 감지 - DSU 메카트로닉스 융합공학부 - PULSE 4
2015년 2학기 PULSE 4 전자물리실험 07-발광소자와 수광소자를 이용한 광신호 감지 - DSU 메카트로닉스 융합공학부 -

2 1. 주제 광 마우스나 CD 플레이어와 같은 장치들은 빛(광 신호 optical signal)을 이용하여 정보를 주고 받는다. 이 때 광신호의 송신과 수신을 가능하게 해주는 것은 발광소자(light emitting diode, LED)와 수광소자(photo diode, photo transistor)이다.

3 2. 이론 2.1 발광소자 LED p형과 n형 2개의 화합물 반도체
전압을 걸어주면 전자가 n형 반도체로부터 p형 반도체로 이동해 정공과 결합하면서 빛을 방출 이때 n형 반도체와 p형 반도체의 에너지 차이에 따라 빛의 색깔이 정해짐 에너지 차이가 클수록 푸른색 쪽, 에너지 차이가 작을수록 붉은색 쪽 빛 방출 자외선이나 적외선 영역의 전자기파도 방출할 수 있음

4 2.2 발광소자 IR LED SI5312-H : 주로 에어컨 리모컨에 사용

5 2.3.1 광전효과(photoelectric effect)
2.3 수광 소자 2.3.1 광전효과(photoelectric effect) 금속 등의 물질이 큰 진동수의 전자기파를 흡수했을 때 금속의 원자핵 주위에 있던 전자를 방출하는 현상이다. 이때 방출된 전자를 광전자라고 하며 광전자에 의해 전류의 흐름이 발생한다.

6 2.3.2 포토 다이오드

7 2.3.3 포토 트랜지스터 ST 3811 일반적인 트랜지스터의 경우 에미터, 베이스, 컬렉터로 구성이 되지만, 포토 트랜지스터의 경우 베이스 단자의 역할을 입력되는 빛 신호가 하게 되므로, 단자는 에미터와 컬렉터 두 개이다. 대표적인 적외선 검출용 수광소자로서, 짧은 쪽이 컬렉터이고 긴 쪽이 에미터이다. 감지하는 빛의 파장 대역은 700~1000nm이다. 가시광선에 의한 효과를 제거하기 위해 검은 색을 띤다. 에어컨이나 TV 리모컨에 달려있는 적외선 LED에서 신호를 보내면, 에어컨이나 TV에 있는 포토 트랜지스터에서 신호를 감지하여 동작을 하게 된다.

8 3. 실험 장비 및 부품 실험장비 디지털 멀티미터 1대 직류전원공급기 (5V) 부품 아두이노 UNO R3 1개 포토 트랜지스터
ST 3811 적외선 LED SI 5312-H IC 74HC14 저항 1kΩ LED Red white

9 4. 실험 절차 아두이노를 컴퓨터에 연결한다. File → example → 01 Basics → Blink 예제를 불러온다.

10 아두이노의 D13번 포트에 IR LED의 길이가 긴 에미터 단자를 연결하고 GND에 길이가 짧은 컬렉터 단자를 연결한다.
아두이노의 3.3V와 GND 포트에 포토 트랜지스터와 LED를 연결한다. 이때 긴 단자를 +3.3V에 연결하고 짧은 단자를 GND에 연결한다.

11 적외선 LED의 경우 점등 상태를 육안으로 파악하는 것이 불가능하므로, 소지하고 있는 휴대폰의 카메라 기능을 이용하여 점등상태를 확인한다.
적외선 LED의 점등에 따라 수광 소자인 광 트랜지스터에 전류가 흐를 수 있게 되어 최종적으로 LED가 점등되는 것을 확인한다. 아래 그림과 같은 보안 시스템은 적외선 LED가 Receiving unit인 수광부(Photo TR) 입력이 차단 될 경우 경고등이나 알람을 울리게 되어있다. 이러한 시스템을 3주차에 배웠던 74HC14 Inverter를 이용하여 구현해 보자. IR LED Photo TR

12 IR LED의 ON/OFF에 따라 백색 LED와 적색 LED가 번갈아 켜지는 것을 폰 카메라로 확인할 수 있다.
그림처럼 연결하면 IR LED가 점등될 경우 백색 LED가 점등되지만, IR LED가 꺼져 Photo TR로 입력신호가 없을 경우 Inverter를 통해 적색 LED를 점등하는 보안 시스템을 구현할 수 있다. IR LED의 ON/OFF에 따라 백색 LED와 적색 LED가 번갈아 켜지는 것을 폰 카메라로 확인할 수 있다. IR LED Photo TR IC 74HC14 LED White LED Red 5V 1kΩ

13 6. 보고서 적외선, 가시광선, 자외선의 파장 영역을 저으시오. 광전효과가 무엇인지 설명하시오.
포토 트랜지스트의 구조와 동작을 설명하시오. 브레드보드와 아두이노가 연결된 상태의 사진을 제시하시오. 실험 결과 – IR LED 점등에 따른 백색/적색 LED점등 사진을 제시하시오.