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. 실험주제 우리의 일상생활에서 자주 사용되어지고 있는 광 마우스나 CD 플레이어등과 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)이며 본 실험에서는 발광소자와 수광소자의 작동을 실험해 본다. 2. 실험 관련 기초 이론 2.1 발광소자 (LED) p형과 n형 2개의 화합물 반도체 전압을 걸어주면 n형 반도체로부터 전자가 p형 반도체로 이동해 정공과 결합하면서 빛을 방출 이때 n형 반도체와 p형 반도체의 에너지 차이에 따라 빛의 색깔이 정해지며 에너지 차이가 클수록 단파장, 즉 푸른색 계열의 빛을 방출하게 되고 에너지 차이가 작을수록 장파장에 해당하는 붉은색 파장의 빛 방출 LED는 자외선이나 적외선영역의 전자기파도 방출할 수 있으며 이러한 에너지 차이의 발생은 반도체 화합물의 종류에 따라 달라짐

3 2.2 발광소자 (적외선 IR LED) SI5312-H : 주로 에어컨 리모컨에 사용

4 2.3.1 광전효과 photoelectric effect
2.3 수광 소자 2.3.1 광전효과 photoelectric effect 광전효과 photoelectric effect 는 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.

5 2.3.2 포토 다이오드 photo diode

6 2.3.3 포토 트랜지스터 Photo Transistor ST 3811
대표적인 적외선 검출용 수광소자로서 짧은 쪽이 콜랙터 (Collector), 긴쪽이 이미터(Emitter) 단자이다. 일반적인 트랜지스터의 경우 이미터, 베이스, 콜랙터로 구성이 되지만 포토 트랜지스터의 경우 베이스 단자의 역할을 입력되는 빛 신호가 하게 되므로 이미터와 콜랙터 단자만으로 구성된다. ST 3811 포토 트랜지스터는 적외선 검출용이므로 감지하는 빛의 파장대역은 700~1000nm이다. 따라서 가시광선에 의한 효과를 제거하기 위해 검은 색을 띠게 된다. 적외선이 실 생활에서 주로 쓰이는 예는 TV나 에어컨을 제어하는 리모컨으로서 리모컨에 달려있는 적외선 LED에서 신호를 보내면 TV나 에어컨에 있는 포토 트랜지스터에서 신호를 감지하여 동작을 하게 된다.

7 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

8 4. 실험 절차 (1) 아두이노에 전원을 공급하고 File → example → 01 Basics → Blink 예제를 불러온다.

9 (2) 브레드 보드에 다음과 같이 회로를 연결한다.
➀ 아두이노의 D13번 포트에 적외선(IR) LED의 길이가 긴 이미터 단자를 연결하고 GND에 길이가 짧은 콜랙터 단자를 연결한다. ➁ 아두이노의 3.3V와 GND 포트에 포토 트랜지스터와 LED를 연결한다. 이때 긴 단자를 +3.3V에 연결하고 짧은 단자를 GND에 연결한다.

10 (3) 적외선 LED의 경우 점등상태를 육안으로 파악하는 것이 불가능하므로 소지하고 있는 휴대폰의 카메라 기능을 이용하여 점등상태를 확인한다.
(4) 적외선 LED의 점등에 따라 수광 소자인 광 트랜지스터에 전류가 흐를 수 있게 되어 최종적으로 LED가 점등되는 것을 확인한다. (5) 아래 그림과 같은 보안 시스템은 적외선 LED가 Receiving unit인 수광부(Photo TR) 입력이 차단 될 경우 경고등이나 알람을 울리게 되어있다. 이러한 시스템을 3차시에서 배웠던 74HC14 Inverter를 이용하여 구현해보자. IR LED Photo TR

11 (6) 그림과 같이 74HC14 Inverter를 이용하여 연결하면 IR LED가 점등될 경우 백색 LED가 점등되지만 IR LED가 off되어 Photo TR로 입력신호가 없을 경우 Inverter를 통해 적색 LED를 점등하게 되는 간단한 보안 시스템을 구현할 수 있다. 이를 휴대폰 카메라를 통해 IR LED의 ON/OFF에 따라 백색 LED와 적색 LED가 번갈아 점등되는 것을 확인할 수 있다. IR LED Photo TR IC 74HC14 LED White LED Red DC Power Supply 5V input 1kΩ

12 6. 결과 보고서(PPT) 실험제목 목적 실험부품(사진) 실험방법 실험결과(장치도/결과를 휴대폰을 이용하여 사진을 찍는다.)
실험 결과 – IR LED 점등에 따른 백색/적색 LED점등 확인