Universidad Veracruzana Facultad de Ingeniería Electrónica y

Universidad Veracruzana
Facultad de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones
―Dispositivo de estado sólido en el espectro infrarojo‖
Tesis
Que para aprobar la Experiencia Recepcional
Presentan:
Martínez Castro Juan Carlos
Pérez Luis José Martín
PozaRica, Ver.
2007
INDICE
CAPITULO 1 INTRODUCCION
1.1 Antecedentes
1
1.2 Justificación
2
1.3 Objetivo
2
1.4Alcance del trabajo
2
CAPITULO 2 DISPOSITIVOS OPTOELECTRONICOS
2.1 Introducción
3
2.2 Niveles Energéticos
4
2.3 Espectro Electromagnético
8
2.4 Líneas Espectrales
12
2.5 Leyes Ópticas
14
2.6 Dispositivos Optoelectronicos Básicos
16
2.6.1 Diodo LED
17
2.6.2 Diodo Láser
23
2.6.3 Display de Cristal Líquido (LCD)
36
2.6.4 Fotodetectores
40
2.6.5 Optoacopladores
50
CAPITULO 3 DISPOSITIVOS EN LA REGIÓN DEL ESPECTRO INFRARROJO
3.1 Introducción
55
3.2 Diodos Emisores de Infrarrojo
56
3.2.1 QED233, QED234
56
3.2.2 QED221, QED222, QED223
58
3.2.3 QEE113
3.3 Fototransistor Infrarrojo de Silicio
60
62
(receptor)
3.3.1 QSD122, QSD123, QSD124
62
3.3.2 QSE113, QSE114
64
3.4 Optoacopladores
66
3.4.1 Salida a Fototransistor
66
3.4.2 Salida doble Fototransistor
73
3.4.3 Salida Darlington
78
3.4.4 Salida Compuerta Lógica
82
3.4.5 Salida Foto SCR
88
3.4.6 Salida a Triac
95
CAPITULO 4 APLICACIONES
4.1 Introducción
102
4.2 Circuito Transmisor y Receptor de Señales IR
103
4.3 Modulo seguidor de Líneas con integrado
104
CD40106
4.4 Modulo seguidor de Líneas con Emisor y
105
Receptor de IR
4.5 Subsistemas Electrónicos de Comunicaciones:
108
Enlace por IR
4.6 Circuitos de prueba para Optoacopladores
112
4.6.1 Salida a Fototransistor
112
4.6.2 Doble Fototransistor
115
4.6.3 Salida Darlington
116
4.6.4 Compuerta Lógica
117
4.6.5 Salida SCR
119
4.6.6 Salida a TRIAC
121
CAPITULO 5 CONSIDERACIONES FINALES
122
GLOSARIO
123
BIBLIOGRAFIA
125
CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes
Si bien hoy en día existen incontables y modernos dispositivos electrónicos, de los
cuales gran parte de ellos trabajan con solo una orden a distancia, es decir a “control
remoto”, esto sin duda es un gran avance, pero existen además otros dispositivos los cuales
trabajan de forma similar, con lo anterior llegamos a determinar la idea básica de todo esto,
los dispositivos del grupo de radiación infrarroja.
Desde los mas simples y sencillos hasta los de mayor elaboración todos comparten una
misma tecnología de origen común, el has de espectro infrarrojo. Una amplia gama de estos
dispositivos que en su clasificación y funcionalidad dentro del orden infrarrojo se
desarrollaran a lo largo de este trabajo.
En el capitulo dos abordaremos lo que es los dispositivos optoelectronicos así como
algunos fundamentos para algunos de ellos. En el capitulo tres veremos datos técnicos de
dispositivos que trabajan dentro del sistema de radiación de infrarrojo sus características, y
algunas aplicaciones.
En el capitulo cuatro, propondremos algunas implementaciones para dispositivos y
algunos circuitos de prueba para algunos de los dispositivos que se describirán.
1.2 Justificación
Proponer información y características de funcionamiento básico de dispositivos, así
como proporcionar aplicaciones sencillas de circuitos de prueba, en base a la problemática
existente en la implementación de trabajos y proyectos escolares, como con dispositivos de
orden del espectro infrarrojo,
1.3 Objetivos
Nuestro principal objetivo es proporcionar información que sea sencilla y fácil de
entender así como mostrar las características, función y aplicación de estos dispositivos
físicos que trabajan dentro del espectro de radiaciones dando mayor énfasis en los que se
encuentran dentro del espectro infrarrojo.
1.4 Alcance del trabajo
Presentar una descripción de dispositivos que basan su funcionamiento en la radiación
del espectro infrarrojo partiendo de la teoría, datos técnicos a algunas aplicaciones de los
dispositivos optoelectronicos existente en el mercado electrónico y de uso general.
CAPITULO 2
DISPOSITIVOS OPTOELECTRONICOS
2.1 Introducción
Durante el transcurso de nuestro aprendizaje hemos trabajado con señales electrónicas,
hemos trabajado con tensiones y corrientes: energía eléctrica, pero nos falta profundizar en
otro tipo de señales o de energía, es decir en los fotones, o bien pasando de las partículas
elementales a las señales, las señales ópticas.
A principios de este siglo hubo una gran controversia entre quienes afirman que la luz
estaba compuesta por corpúsculos, y quienes decían que la luz estaba compuesta por ondas.
Existiendo experimentos para comprobar cualquiera de la dos teorías solo en este siglo se
logro afirmar que la luz estaba compuesta por una dualidad onda-corpúsculo, es decir, la
luz esta compuesta por paquetes de ondas individuales, cada uno de cuales tiene una
energía determinada. Parece que la señal de identidad para cada uno de estos paquetes
(Fotones) viene dada por su energía, que equivale a su propia frecuencia de vibración
según:
E = h*v
(2.1)
Donde E es la energía del fotón, v es la frecuencia de vibración y h la constante de
Plank (h = 6.6261 x 10-34 Js) mostrada en la formula 2.1
c = λ*v
(2.2)
Así mismo, considerando la radiación electromagnética como onda, la longitud de
onda λ y la frecuencia de oscilación ν, están relacionadas por una constante, la velocidad de
la luz en el medio (c en el vacío c = 3x108 m/s ).
2.2 Niveles Energéticos
En un gas, cada átomo ó molécula está (bajo el punto de vista energético) a gran
distancia de sus vecinos, con lo que puede considerarse aislado.
Podemos considerar del mismo modo a unos pocos átomos de un material (que actúan
como átomos de impurezas) que son añadidos a un medio homogéneo sólido de otro
material.
En contraste con los niveles energéticos separados existentes en un gas o en un
pequeño número de átomos de impurezas en un sólido homogéneo, los electrones en un
semiconductor están en bandas energéticas, que efectuando una simulación, se componen
de agrupaciones de un gran número de niveles energéticos por efectos cuánticos.
Estas bandas de energía corresponden a todo el material, no estando asociadas a un
sólo átomo. La anchura de la banda aumenta a medida que decrece la distancia entre los
átomos y aumenta la interacción entre ellos.
Las bandas energéticas en un semiconductor pueden ser de dos tipos:
Banda de Valencia: Los electrones en una banda de valencia están ligados a los
átomos del semiconductor.
Banda de Conducción: Los electrones en una banda de conducción pueden moverse
por el semiconductor.
La separación entre la banda de valencia y la de conducción se denomina Brecha de
Energía, no existiendo ningún nivel energético posible dentro de ésta zona. Si un electrón
de la banda de valencia consigue suficiente energía, puede "saltar " la brecha de energía
para introducirse en la banda conductora.
Las bandas de energía llenas son aquellos niveles energéticos de los electrones
internos, ligados al átomo, que no participan en los enlaces entre los átomos del sólido. Para
que un sólido conduzca la electricidad, los electrones necesitan moverse en el sólido.
En un aislante la banda de valencia está llena de electrones, con lo que los electrones
no pueden moverse dentro de la banda. Para que exista una conducción de electricidad, los
electrones de la banda de valencia deben pasar a la banda de conducción. En consecuencia,
debe suministrarse una energía superior a la brecha de energía a los electrones de la banda
de valencia, a fin de conseguir su transferencia a la banda de conducción. Como la brecha
de energía es grande, ésta evita el paso, y en consecuencia, los aislantes son poco
conductores. La estructura de los niveles energéticos de un aislante puede verse en la figura
2.1.
Figura 2.1 Niveles energéticos de un aislante
En un conductor (metal) las bandas de valencia y de conducción se sobreponen, por lo
que en la práctica la brecha de energía es nula. En consecuencia, los electrones necesitan
muy poca energía para pasar a la banda de conducción y conducir la electricidad. La
estructura de los niveles energéticos de un conductor puede verse en la figura 2.2.
Figura 2.2 Niveles energéticos de un conductor
En un semiconductor la brecha de energía es muy pequeña, por lo que se requiere muy
poca energía para transferir los electrones de la banda de valencia a la de conducción. Hasta
la temperatura ambiente proporciona la energía suficiente. Aumentando la temperatura, más
y más electrones serán transferidos a la banda de conducción. En consecuencia aumenta la
conductividad con la temperatura. La estructura de los niveles energéticos de un
semiconductor puede verse en la figura 2.3.
Figura 2.3 Niveles energéticos de un semiconductor
Cuando se transfiere un electrón de la banda de valencia a la de conducción, se crea un
"hueco" en la banda de valencia. Estos "huecos" se comportan como cargas positivas que se
mueven por la banda de valencia como consecuencia de aplicar un voltaje.
En el proceso de la conducción eléctrica participan tanto los electrones que están en la
banda de conducción como los "huecos positivos" que permanecen en la banda de valencia
originados por el "salto" de electrones a la banda de conducción.
A fin de controlar el tipo y densidad de los "portadores" de carga en un semiconductor
se añaden impurezas con un número extra de "portadores" de carga al semiconductor. Los
átomos de estas impurezas son eléctricamente neutros.
Las Impurezas en un material semiconductor "puro“, están estructuradas de forma que
las bandas y la brecha de energía están determinadas por el propio material. Añadiendo otro
material con portadores de carga, aparecen niveles de energía adicionales dentro de la
brecha, como puede ver en la figura 2.4, se describe la influencia de la adición de
impurezas en la anchura de las bandas de energía.
Figura 2.4 Niveles energéticos de un semiconductor
Si la impureza contiene más electrones que el propio material semiconductor puro, los
portadores de carga añadidos son negativos (electrones), y el material se denomina
"semiconductor de tipo n". En este tipo de materiales aparecen niveles energéticos
adicionales muy cercanos a la banda de conducción, con lo que es suficiente con un aporte
pequeño de energía para hacerlos saltar a la banda de conducción, de modo que tenemos
más portadores de carga libres para conducir la electricidad.
Si la impureza contiene menos electrones que el material semiconductor, los niveles
energéticos extras aparecen cerca de la banda de valencia. Los electrones de la banda de
valencia pueden saltar a estos niveles fácilmente, dejando atrás " huecos positivos”. Este
tipo de material se denomina "semiconductor de tipo p”.
2.3 Espectro Electromagnético
Así pues una vez definidas las relaciones internas de las señales ópticas y eléctricas
seguiremos con nuestro trabajo el cual abarca el espectro electromagnético para poder
situarnos y apreciar cuales son las señales que nos interesan a nosotros y también de
importancia para el tema. El espectro electromagnético comprende una inmensa gama de
longitudes de onda o energías, que abarca desde el grado de alta energía hasta las ondas de
radio, de muy baja energía. La radiación electromagnética conforma una combinación de
campos magnéticos y eléctricos oscilantes que se propagan a través del espacio llevando
energía de un sitio a otro.
La radiación es una onda transversal compuesta por campos eléctricos y magnéticos
perpendiculares a la dirección de propagación y que forman un ángulo recto. La velocidad
de propagación en el vacío es la misma para las ondas electromagnéticas, unos 3x108 m/s.
Las radiaciones electromagnéticas solo difieren de la luz visible en la frecuencia y por
consiguiente en la energía. En la figura 2.5 podemos ver tres ejes de ordenadas distintos,
uno de energías, otro de frecuencias y otro de longitudes de onda suponiendo que las ondas
se desplazan por el vacío, mientras que en la tabla 2.1 se aprecia una tabla donde también
se presentan los mismos datos que los de los ejes anteriores solo que en una forma mas
ordenada.
Fig. 2.5 Distribución de Frecuencias, longitudes de onda y energía del espectro electromagnético
En la parte baja del espectro nos encontramos con la zona en que se ha trabajado para
transmisión de señal vía radio y por lo tanto la nomenclatura de esta zona se hace en
frecuencias, para darnos cuenta de ello tan solo debemos reparar en la señal eléctrica es de
50Hz, que 500KHz es una frecuencia en la que se oye la onda media y que la FM esta entre
los 88 y 108MHz. Todos los datos los solemos utilizar como frecuencias.
Cuando hablamos de las microondas o de la banda de las milimétricas ya estamos
dando a entender que es la longitud de la onda lo que se usa para nombrarlos, aunque
últimamente con la telefonía móvil o la comunicación con satélites se habla de GHz,
últimamente nos han bombardeado con la cuarta licencia digital (UMTS) en 1.8GHz, esta
zona del espectro recibe ambos tipos de denominación.
Si seguimos subiendo en frecuencia llegamos al infrarrojo, sección que será nuestra
área de trabajo subdividida en lo que es infrarrojo lejano y sigue hasta el infrarrojo cercano.
Las ondas infrarrojas son llamadas también ondas térmicas ya que estas ondas son
producidas principalmente por cuerpos calientes y son absorbidas fácilmente por la mayoría
de los materiales. La energía absorbida aparece como calor. Estas ondas comprenden
longitudes de onda desde 1 mm hasta 2.5µm
Sobre los 0.78µm o 780nm donde empieza el visible y mas concretamente el rojo,
seguimos hasta el azul con la longitud de onda de 472nm para pasar a los rayos ultravioleta,
desde los bronceadores rayos UVA (Ultravioleta A) hasta los perniciosos y cancerigenos
UVC (Ultravioleta C), que llegan hasta 1nm.
Por ultimo la denominación ya pasa a ser energética desde los rayos X que llegan
desde 1KeV (baja energía) que se utilizan para las radiografías hasta los 100KeV,
finalmente y por parar en algún sitio tenemos los rayos gamma (γ) que se utilizan para
tratamientos de radioterapia y también con energía que superan 1MeV.
Nombre
Radio
Microondas
Longitud de onda
Frecuencia
Energía
Muy Baja Frecuencia
> 10 Km.
< 30 Khz.
< 1.99 e-29 J
Onda Larga
< 10 Km.
> 30 Khz.
> 1.99 e -29 J
Onda media
< 650 m
> 650 Khz.
> 4.31 e-28 J
Onda corta
< 180 m
> 1.7 Mhz
> 1.13 e-27 J
Muy alta frecuencia
< 10 m
> 30 Mhz
> 2.05 e-26 J
Ultra alta frecuencia
<1m
> 300 Mhz
> 1.99 e-25 J
< 30 cm.
> 1.0 Ghz
> 1.99 e-24 J
Continuación:
Lejano /
< 1 mm
> 300 Ghz
> 199 e-24 J
Medio
< 50 um
> 6.0 Thz
> 3.98 e-21 J
Cercano
< 2.5 um
> 120 Thz
> 79.5 e-21 J
< 780 nm
> 384 Thz
> 255 e-21 J
Cercano
< 380 nm
> 789 Thz
> 523 e-21 J
Extremo
< 200 nm
> 1.5 Phz
> 993 e-21 J
submilimétrico
Infrarrojo
Luz visible
Ultravioleta
Rayos X
Rayos Gamma
< 10 nm
> 30.0 Phz
> 19.9 e-18 J
< 10 pm
> 30.0 Ehz
> 19.9 e-15 J
> 10 km
< 30 Khz.
< 1.99 e-29 J
Tabla 2.1 Longitudes de onda, Frecuencias y Energía dentro del espectro.
En tanto que la distribución de colores y las longitudes de onda, frecuencia y cantidad
de energía en el espectro electromagnético se aprecia en la figura 2.6.
Figura 2.6 Espectro Electromagnético
2.4 Líneas Espectrales
Una línea espectral es producida y radiada cuando un electrón se mueve de una órbita
o nivel energético, alrededor del núcleo del átomo hasta otra más cercana a ese núcleo. El
cambio de una más próxima a otra más alejada, provocado por una adición de energía,
dando como resultado la adición de ésta, y con ello una línea de absorción (ausencia de
línea). Puesto que cada elemento tiene átomos diferentes de los de cualquier otro elemento,
en virtud de su diferente número de partículas nucleares, cada línea espectral es única para
cada elemento determinado.
Los átomos poseen un núcleo el cual tiene la mayor parte de su masa y toda su carga
positiva. Rodeando al núcleo se encuentra un enjambre de electrones con carga negativa.
En estado estable el átomo debe ser neutro, de esta manera, la carga positiva del núcleo se
contrarresta con la carga negativa de los electrones.
El núcleo está formado por dos tipos de partículas, los protones y los neutrones unidos
por una fuerza llamada fuerza nuclear fuerte. Los protones tienen toda la carga positiva y el
número de ellos da las características fisicoquímicas al átomo.
Los electrones de un átomo solo pueden encontrase en unas órbitas permitidas y no en
cualquier posición con respecto al núcleo. Ahora bien, un electrón puede cambiar de una
órbita a otra siempre y cuando la de destino esté desocupada.
Al pasar un electrón a una órbita mas baja este necesita emitir energía, la cual libera en
forma de paquete o cuanto. Para pasar a una órbita más alta requiere absorber energía en
forma de cuanto de luz. El cuanto de luz emitido o absorbido es especifico para cada órbita
de cada átomo específico. De esta manera al estudiar la energía electromagnética emitida o
absorbida por un átomo se puede determinar que tipo de átomo es.
Cuando se tiene un material excitado como por ejemplo un gas calentado por la luz
estelar, una gran multitud de sus átomos puede estar sufriendo cambios en la órbita de sus
electrones y por este motivo se presenta gran cantidad de absorción y/o emisión de cuantos
de energía, como se muestra en la figura 2.7.
Figura 2.7 Diferentes tipos de espectros.
Al analizar el espectro proveniente de la luz de un gas o estrella se pueden apreciar
"huecos" en el espectro estudiado (líneas espectrales de absorción), corresponden a las
longitudes de onda absorbidas por el átomo, Igualmente al estudiar material incandescente
podremos ver espectros con líneas característicamente brillantes a las que se denominan
líneas de emisión.
Las moléculas también emiten y absorben radiación en longitudes características, una
de las utilizadas en astronomía es la emisión de 21 cm. de las moléculas de hidrogeno.
Absorción de la luz ocurre cuando un rayo luminoso se propaga por un medio, va
disminuyendo paulatinamente su intensidad. Se dice que ese medio lo absorbe. También
sucede que al reflejarse la luz solar sobre una sustancia, una parte de ella se absorba,
produciendo la sensación de color, por ejemplo, si una sustancia absorbe todos los colores
de la luz, menos el verde, que se refleja, esa sustancia la veremos de color verde.
Absorción de radiación sucede con los átomos o moléculas excitados son de vida
relativamente corta y tienden a volver a sus estados fundamentales al cabo de
aproximadamente 10E-8 seg., para que se produzca absorción de radiación la energía del
fotón excitante debe igualar a la diferencia de energía entre el estado sin excitar y uno de
los estados excitados de la especie absorbente.
2.5 Leyes ópticas
La luz no es más que una radiación electromagnética; en el vacío las radiaciones
electromagnéticas viajan en línea recta y así pueden ser descritas como rayos de luz. En
nuestro medio, los rayos de luz viajan también en línea recta hasta que interaccionan con
los átomos o moléculas de la atmósfera y otros objetos. Estas interacciones dan lugar a los
fenómenos de reflexión, absorción y refracción.
Reflexión: Cuando los rayos de luz llegan a un cuerpo en el cual no pueden continuar
propagándose, salen desviados en otra dirección, es decir, se reflejan. La forma en que esto
ocurre depende del tipo de superficie sobre la que inciden y del ángulo que forman sobre la
misma, esto se puede apreciar en la figura 2.8.
Figura 2.8 Reflexión de la luz
Así las superficies pulidas reflejan de una forma regular la mayor parte de las
radiaciones luminosas que les llegan mientras que las superficies rugosas actúan como si
estuvieran formadas por infinidad de pequeñas superficies dispuestas irregularmente y con
distinta orientación, por lo que las direcciones de los rayos reflejados son distintas.
La mayor parte de lo que nosotros vemos es luz que ha sido reflejada por los objetos
situados en nuestro entorno. Por tanto los objetos reciben directamente la luz del Sol,
reflejándola o difundiéndola hacia otros objetos que se encuentran en la sombra.
Absorción: Existen superficies y objetos que absorben la mayor parte de las
radiaciones luminosas que les llegan. Estos objetos se ven de color negro. Otros tipos de
superficies y objetos, absorben sólo una determinada gama de longitudes de onda,
reflejando el resto, esto se muestra en la figura 2.9.
Figura 2.9 Absorción de la luz
Esto sucede por ejemplo con los pigmentos que se utilizan en las técnicas de
pintura. Por ejemplo un pigmento rojo absorbe longitudes de onda corta pero refleja un
determinado rango de longitudes de onda larga, cuyo pico se centra alrededor de los 680
nm, por lo que se percibe como rojo.
Refracción: El cambio de dirección que sufren los rayos luminosos al pasar de un
medio a otro, donde su velocidad es distinta, da lugar a los fenómenos de refracción. Así si
un haz de rayos luminosos incide sobre la superficie de un cuerpo transparente, parte de
ellos se reflejan mientras que otra parte se refracta, es decir penetran en el cuerpo
transparente experimentando un cambio en su dirección de movimiento. Esto es lo que
sucede cuando la luz atraviesa los medios transparentes del ojo para llegar hasta la retina,
como se muestra en la figura 2.10.
Figura 2.10 Refracción de la luz
2.6 Dispositivos Optoelectronicos básicos
Los dispositivos Optoelectronicos son el nexo de unión de señales electrónicas y
ópticas. Más concretamente son capaces de transformar señales electrónicas en ópticas o
viceversa. Los componentes optoelectrónicos son aquellos cuyo funcionamiento está
relacionado directamente con la luz.
Los sistemas optoelectrónicos están cada vez más de moda. Hoy en día parece
imposible mirar cualquier aparato eléctrico y no ver un panel lleno de luces o de dígitos
más o menos espectaculares. Por ejemplo, la mayoría de los walkman disponen de un piloto
rojo que nos avisa, siempre en el momento más inoportuno, que las pilas se han agotado y
que deben cambiarse, tenemos la lámpara incandescente, mas comúnmente conocida como
foco, o también una lámpara fluorescente, ambos transforman una señal eléctrica o
electrónica en luz, es decir transforman electrones en fotones.
Por otro lado el dispositivo de célula solar transforma la luz en electrones o fotones a
electrones. A continuación veremos una forma de diferenciar los dispositivos
optoelectronicos que a nivel de componentes podemos distinguir tres tipos de dispositivos.
Dispositivos emisores: Emiten luz al ser activados por energía eléctrica. Son
dispositivos que transforman la energía eléctrica en energía luminosa. A este nivel
corresponden los diodos LED o los LÁSER.
Dispositivos detectores: Generan una pequeña señal eléctrica al ser iluminados.
Transforma, pues, la energía luminosa en energía eléctrica.
Dispositivos fotoconductores: Conducen la radiación luminosa desde un emisor a un
receptor. No se producen transformaciones de energía.
2.6.1 Diodo LED
Un diodo LED, acrónimo inglés de Light Emitting Diode o Diodo Emisor de Luz, es
un dispositivo semiconductor que emite luz monocromática cuando se polariza en directo y
es atravesado por la corriente eléctrica, como se observa en la figura 2.11. El color depende
del material semiconductor empleado en la construcción del diodo, pudiendo variar desde
el ultravioleta, pasando por el espectro de luz visible, hasta el infrarrojo, recibiendo éstos
últimos la denominación de diodos IRED Diodo Emisor de Infrarrojo (Infra-Red Emitting
Diode).
Ánodo
Cátodo
Figura 2.11 Representación simbólica del diodo pn.
El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de
plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas
incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya
que ello influye en el color de la luz emitida, como se muestra en la figura 2.12.
Figura 2.12 Diodo común
Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que
atraviesa el LED; el voltaje de operación va desde 1,5 hasta 2,2 voltios aproximadamente, y
la gama de intensidades que debe circular por él va desde 10 hasta 20 mA en los diodos de
color rojo, y de 20 a 40 mA para los otros LED’s.
El primer diodo LED que emitía en el espectro visible fue desarrollado por el ingeniero
de General Electric Nick Holonyak en 1962.
En concreto, todos los diodos emiten una cierta cantidad de radiación cuando los pares
electrón-hueco se recombinan, es decir, cuando los electrones caen desde la banda de
conducción (de mayor energía) a la banda de valencia (de menor energía). Indudablemente,
la frecuencia de la radiación emitida y, por ende, su color, dependerá de la altura de la
banda prohibida (diferencias de energía entre las bandas de conducción y valencia), es
decir, de los materiales empleados.
Los diodos convencionales, de silicio o germanio, emiten radiación infrarroja muy
alejada del espectro visible. Sin embargo, con materiales especiales pueden conseguirse
longitudes de onda visibles, mas información en detalle se presenta en la tabla 2.2.
Compuestos empleados en la construcción de diodos LED.
Compuesto
Color
Frec.
Arseniuro de galio (GaAs)
Infrarrojo
940nm
Rojo e infrarrojo
890nm
Arseniuro de galio y Aluminio
(AlGaAs)
Arseniuro fosfuro de galio
(GaAsP)
Rojo, naranja y
amarillo
630nm
Fosfuro de galio (GaP)
Verde
555nm
Nitruro de galio (GaN)
Verde
525nm
Seleniuro de zinc (ZnSe)
Azul
Nitruro de galio e indio (InGaN)
Azul
450nm
Carburo de silicio (SiC)
Azul
480nm
Diamante (C)
Ultravioleta
Silicio (Si)
En desarrollo
Tabla 2.2 Compuestos para construcción de LED’s
Los diodos LED e IRED (IRED: Diodo Emisor de Infrarrojo), además tienen
geometrías especiales para evitar que la radiación emitida sea reabsorbida por el material
circundante del propio diodo, lo que sucede en los convencionales.
Los primeros diodos construidos fueron los diodos infrarrojos y de color rojo,
permitiendo el desarrollo tecnológico posterior para la construcción de diodos de longitudes
de onda cada vez menores. En particular, los diodos azules fueron desarrollados a finales de
los 90 por Shuji Nakamura, añadiéndose a los rojos y verdes desarrollados con anterioridad,
lo que permitió, por combinación de los mismos, la obtención de luz blanca. El diodo de
seleniuro de zinc puede emitir también luz blanca si se mezcla la luz azul que emite con la
roja y verde creada por fotoluminiscencia. La más reciente innovación en el ámbito de la
tecnología LED son los diodos ultravioletas, que se han empleado con éxito en la
producción de luz blanca al emplearse para iluminar materiales fluorescentes.
Tanto los diodos azules como los ultravioletas son caros respecto de los más comunes
(rojo, verde, amarillo e infrarrojo), siendo por ello menos empleados en las aplicaciones
comerciales. Los LED comerciales típicos están diseñados para potencias del orden de los
30 a 60 mW. En torno a 1999 se introdujeron en el mercado diodos capaces de trabajar con
potencias de 1 W para uso continuo; estos diodos tienen matrices semiconductoras de
dimensiones mucho mayores para poder soportar tales potencias e incorporan aletas
metálicas para disipar el calor generado por efecto Joule.
En el 2002 se comercializaron diodos para potencias de 5 W, con eficiencias en torno a
60 m/W, es decir, el equivalente a una lámpara incandescente de 50 W. De continuar esta
progresión, en el futuro será posible el empleo de diodos LED en la iluminación. Los
diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia
de televisores, habiéndose generalizado su uso en otros electrodomésticos como equipos de
aire acondicionado, equipos de música, etc. y en general para aplicaciones de control
remoto, así como en dispositivos detectores. El uso de lámparas LED en el ámbito de la
iluminación es previsible que se incremente en el futuro, ya que aunque sus prestaciones
son intermedias entre la lámpara incandescente y la lámpara fluorescente, presenta
indudables ventajas, particularmente su larga vida útil, su menor fragilidad y la menor
disipación de energía, además de que, para el mismo rendimiento luminoso, producen la luz
de color, mientras que los hasta ahora utilizados, tienen un filtro, lo que reduce
notablemente su rendimiento.
Una de las aplicaciones mas populares de los LED’s es la de señalización quizá la mas
utilizada sea la de 7 LED’s colocadas en forma de ocho tal. Aunque externamente su forma
difiere considerablemente de un diodo LED típico, internamente están constituidos por una
serie de diodos LED con unas determinadas conexiones internas como e menciona a
continuación.
El punto +VCC corresponde a los ánodos de los 7 LED’s y se conecta a un voltaje
positivo para una estructura de ánodo común. Para que cada uno de los LED’s se encienda
es preciso que el cátodo correspondiente este conectado a un voltaje negativo para caso de
una estructura de cátodo común, normalmente 0 voltios o masa. En la figura 2.13 se indica
el esquema eléctrico de las conexiones del interior de un indicador luminoso de 7
segmentos.
Figura 2.13 Display de 7 segmentos, a la derecha aparecen las dos posibles formas de
construir el circuito.
Figura 2.14 Display de ánodo común y cátodo común
La figura 2.14 se muestra un indicador de siete segmentos. Contiene siete LED’s
rectangulares (a - g), en el que cada uno recibe el nombre de segmento porque forma parte
del símbolo que esta mostrando. Con un indicador de siete segmentos se pueden formar los
dígitos del 0 al 9, también las letras a, c, e y f y las letras minúsculas b y d. Los
entrenadores de microprocesadores usan a menudo indicadores de siete segmentos para
mostrar todos los dígitos del 0 al 9 mas a, b, c, d, e y f.
Utilizando la polarización de los diferentes diodos, se iluminaran los segmentos
correspondientes. De esta manera podemos señalizar todos los números en base 10.
El primer digito representa al diodo a, el segundo al b, el tercero al c, y así
sucesivamente. Un cero representa que no polarizamos el diodo, es decir no le aplicamos
tensión. Un uno representa que el diodo esta polarizado, y por lo tanto, emite luz. Muchas
veces aparece un octavo segmento, entre paréntesis en el ejemplo anterior, que funciona
como punto decimal, ver figura 2.15.
Figura 2.15 Octavo segmento
Dependiendo de la tensión aplicada obtendremos una intensidad. Es aconsejable no
sobrepasar la Vcc recomendada.
Si se alcanza la Vcc máxima se puede destruir el
segmento.
2.6.2 Diodo láser (láser semiconductor)
Como se ha visto Láser: es un acrónimo de Amplificación de Luz por Emisión
Estimulada de Radiación (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Las
aplicaciones de estos diodos son muy diversas y cubren desde el corte de materiales con
haces de gran energía hasta la transmisión de datos por fibra óptica.
La conductividad de un semiconductor aumenta con la temperatura, contrariamente a
lo que sucede con los materiales metálicos, cuya conductividad disminuye con la
temperatura debido al aumento del nivel vibracional de los átomos. En un proceso láser
cuando unimos un semiconductor tipo "p" a otro tipo "n", obtenemos una " unión p-n”, esta
unión p-n conduce la electricidad en una dirección preferente (hacia adelante). Este
aumento direccional de la conductividad es un mecanismo común en todos los diodos y
transistores utilizados en la electrónica. Y es la base del proceso láser que tiene lugar entre
las bandas de energía de la unión. La figura 2.16 muestra las bandas de energía ideales de
una unión p-n, sin aplicar un voltaje externo.
Figura 2.16 Niveles de energía de una unión p-n sin voltaje aplicado
El nivel máximo de energía ocupado por electrones se denomina Nivel de Fermi.
Cuando se conecta el polo positivo de un voltaje a la cara p de la unión p-n, y el negativo a
la cara n, se establece un flujo de corriente a través de la unión p-n.
El voltaje puede ser aplicado de dos formas o configuraciones posibles, el Voltaje
positivo o hacia adelante significa que el polo negativo del voltaje es aplicado a la cara "n"
de la unión, y el polo positivo a la cara "p”, como se muestra en la figura 2.17.
Figura 2.17 Bandas de energía de una unión p-n cuando se le aplica un voltaje positivo.
El voltaje hacia adelante o positivo crea portadores extra en la unión, reduciendo la
barrera de potencial, y origina la inyección de portadores de carga, a través de la unión, al
otro lado. Cuando un electrón de la banda de conducción en el lado "n" es inyectado a
través de la unión a un " hueco " vacío en la banda de valencia del lado "p”, tiene lugar un
proceso de recombinación (electrón + hueco), y se libera energía. En los diodos láser,
nuestro interés se concentra en los casos específicos en que la energía es liberada en forma
de radiación láser. Se produce un fuerte aumento de la conductividad cuando el voltaje
positivo es aproximadamente igual a la brecha de energía del semiconductor.
El Voltaje negativo o hacia atrás causa un aumento de la barrera de potencial,
disminuyendo la posibilidad de que los electrones salten al otro lado. Aumentando el
voltaje negativo a valores altos (décimas de voltio), se puede obtener un colapso del voltaje
de la unión (avalancha).
Los diodos láser son constructivamente diferentes a los diodos LED normales. Las
características de un diodo láser son:
La emisión de luz es dirigida en una sola dirección: Un diodo LED emite fotones en
muchas direcciones. Un diodo láser, en cambio, consigue realizar un guiado de la luz
preferencial una sola dirección, ver figura 2.18.
Figura 2.18 Corte esquemático de la emisión de luz en diodos LED y láser
La emisión de luz láser es monocromática: Los fotones emitidos por un láser poseen
longitudes de onda muy cercanas entre sí. En cambio, en la luz emitida por diodos LED,
existen fotones con mayores dispersiones en cuanto a las longitudes de onda, como se
muestra en la figura 2.19.
Figura 2.19 Intensidad de luz en función de la longitud de onda para diodos LED y láser
Debido a estas dos propiedades, con el láser se pueden conseguir rayos de luz
monocromática dirigidos en una dirección determinada. Como además también puede
controlarse la potencia emitida, el láser resulta un dispositivo ideal para aquellas
operaciones en las que sea necesario entregar energía con precisión.
Todos los láseres de diodo están construidos con materiales semiconductores, y tienen
las propiedades características de los diodos eléctricos.
Por esta razón reciben nombres como:

Láser de semiconductor - por los materiales que los componen.

Láser de diodo - ya que se componen de uniones p-n como un diodo.

Láser de inyección - ya que los electrones son inyectados en la unión por el voltaje
aplicado.
De hecho, la familia actual de láseres de diodo es utilizada en productos de alto
consumo como: CD -Compact Disk’s, Impresoras Láser, Escáner y comunicaciones
ópticas. Los investigadores consiguieron radiación electromagnética coherente de un diodo
de unión p-n en base al material semiconductor (GaAs) Arseniuro de Galio.
Construcción de un Diodo Láser: Se muestra la estructura básica en capas de un láser
de diodo simple en la figura 2.20.
Figura 2.20 Estructura básica de un láser de diodo.
Las capas de los materiales semiconductores están dispuestas de modo que se crea una
región activa en la unión p-n, y en la que aparecen fotones como consecuencia del proceso
de recombinación.
Una capa metálica superpuesta a las caras superior e inferior permite aplicar un voltaje
externo al láser. Las caras del semiconductor cristalino están cortadas de forma que se
comportan como espejos de la cavidad óptica resonante.
La Figura 2.21 describe la forma en que la radiación láser electromagnética es emitida
para un diodo láser simple. La radiación láser tiene forma rectangular y se difunde a
diferentes ángulos en dos direcciones.
Figura 2.21 Perfil de la radiación láser emitida por un diodo láser simple
Llegando a la conclusión de que los portadores de carga en un láser de diodo son los
electrones libres en la banda de conducción, y los huecos positivos en la banda de valencia.
En la unión p-n, los electrones "caen" en los huecos, que corresponden a niveles de energía
más bajos.
El flujo de corriente a través de la unión p-n del láser de diodo ocasiona que ambos
tipos de portadores (huecos y electrones) se recombinen, siendo liberada energía en forma
de fotones de luz. La energía de un fotón es aproximadamente igual a la de la brecha de
energía. La brecha de energía viene determinada por los materiales que componen el diodo
láser y por su estructura cristalina.
Curva Corriente-Potencia de un Diodo Láser Si la condición requerida para la acción
láser de inversión de población no existe, los fotones serán emitidos por emisión
espontánea. Los fotones serán emitidos aleatoria mente en todas las direcciones, siendo ésta
la base de los LED.
La inversión de población sólo se consigue con un bombeo externo. Aumentando la
intensidad de la corriente aplicada a la unión p-n, se alcanza el umbral de corriente, es decir
cuando la banda de valencia se encuentra llena de huecos y la banda de conducción esté
llena de electrones, esto se logra incrementando el dopado de las dos zonas de forma que el
nivel Fermi de la zona n este por encima de la banda de conducción y el de la zona p por
debajo de la banda de valencia. En la figura 2.22 se muestra un ejemplo de la potencia
emitida por un diodo láser en función de la corriente aplicada. Se aprecia enseguida que la
pendiente correspondiente a la acción láser es mucho mayor que la correspondiente a un
led.
Figura 2.22 Potencia de emisión de un diodo láser en función de la corriente aplicada.
El umbral de corriente para el efecto láser viene determinado por la intersección de la
tangente de la curva con el eje X que indica la corriente (esta es una buena aproximación)
Cuando el umbral de corriente es bajo, se disipa menos energía en forma de calor, con lo
que la eficiencia del láser aumenta. En la práctica, el parámetro importante es la densidad
de corriente, medida en A/cm2, de la sección transversal de la unión p-n.
Uno de los problemas básicos de los diodos láser es el aumento del umbral de corriente
con la temperatura. Los operativos a bajas temperaturas requieren bajas corrientes. A
medida que la corriente fluye por el diodo, se genera calor. Si la disipación no es la
adecuada, la temperatura aumenta, con lo que aumenta también el umbral de corriente.
Además, los cambios en temperatura afectan a la longitud de onda emitida por el diodo
láser. Este cambio se ilustra en la figura 2.23, y se compone de dos partes:
Figura 2.23 Cambio de la longitud de onda emitida en función de la temperatura
Un aumento gradual de la longitud de onda emitida proporcional al aumento de
temperatura, hasta que, se produce un salto a otro modo longitudinal de emisión. Debido a
estas variaciones con la temperatura, se necesitan diseños especiales para poder conseguir
una emisión continua de alta potencia.
El confinamiento de la luz dentro de la zona activa es un factor importante en la
construcción de un diodo láser. Dicho confinamiento se acompaña por la deposición de
distintos materiales cerca de la zona activa. En consecuencia, la primera clasificación del
láser de diodo considera los tipos de estructura cercanos a la zona activa mostrados en la
tabla. 2.3.
Tabla 2.3 Distintas estructuras de confinamiento utilizadas
El nombre de cada grupo o familia viene dado por el tipo de materiales existentes
cerca de la capa activa:
Láser de unión homogénea (Homojunction láser): Todo el láser está constituido por un
mismo material, normalmente GaAs - Arsenuro de Galio. En este tipo de estructura simple,
los fotones emitidos no están confinados en direcciones perpendiculares al eje del láser, con
lo que su eficiencia es muy baja.
Estructura heterogénea simple (Single Heterostructure) - En un lado de la capa activa
existe otro material con una brecha de energía diferente. Esta diversidad de brechas de
energía motiva un cambio en el índice de refracción de los materiales, de modo que se
pueden construir estructuras en guía de ondas que confinan a los fotones en un área
determinada. Normalmente, la segunda capa es de un material similar al de la primera, solo
que con un índice de refracción menor.
Ejemplo: El GaAs (Arseniuro de Galio) y el GaAlAs (Arseniuro de Galio Aluminio)
son materiales próximos utilizados habitualmente.
Estructura Heterogénea Doble (Double Heterostructure): Un material distinto se
coloca a ambos lados de la capa activa, con un índice de refracción menor (mayor brecha
de energía). Este tipo de estructuras confinan la luz dentro de la capa activa, por lo que son
más eficientes por ejemplo: Capa activa de GaAs confinada entre dos capas de GaAlAs.
Hoy en día una estructura habitual es una tira estrecha de la capa activa (Triple
Geometría - Geometría en tiras), confinada por todos los lados (tanto por los lados como
por arriba y abajo) con otro material. Esta familia de láseres se denomina Indexa Guided
Lasers-Láseres orientados al índice.
Las ventajas de este tipo de láseres de diodo son:
1. Fáciles de producir
2. Es relativamente fácil conseguir una potencia alta, ya que al aumentar la corriente
aumenta la zona activa
Las desventajas son:
1. La calidad del haz obtenido es menor que con los orientados al índice.
2. Es más difícil conseguir una emisión estable en frecuencia simple.
Monturas del Láser de Diodo Se requieren monturas especiales para los láseres de
diodo, debido a su tamaño miniaturizado, para poder ser operativos y cómodos. Existen
muchos tipos de monturas, pero quizás el más estándar es similar a un transistor, e incluye
en la montura las ópticas necesarias para colimar el haz como se muestra en la figura 2.24
incisos a y b.
Figura 2.24 (a) Montura de un láser de diodo comercial
Figura 2.24 (b) Sección perpendicular
Para poder obtener más potencia de los láseres de diodo, se han desarrollado matrices
de diodos láser, que emiten sincronizadamente, y que están óptimamente acoplados, de
modo que se alcanzan las décimas de vatio.
Que cuentan con las siguientes ventajas sobre otros diodos laser:
Volumen y peso pequeños
Umbral de corriente muy bajo
Consumo de energía muy bajo
Banda del espectro estrecha, que puede llegar a ser de unos pocos kilo-Hz. en diodos
láser especial.
Cavidades ópticas especiales en los diodos láser: La cavidad óptica más simple es la
creada al pulir los extremos del cristal de semiconductor del que se compone el láser. El
pulido crea un plano perpendicular al plano del medio activo, de modo que es perpendicular
al eje del láser.
Debido al alto índice de refracción (n» 3.6) de los materiales utilizados, la reflexión de
la cara pulida es de aproximadamente el 30%. Es posible cambiar esta reflexión utilizando
técnicas de metalizado en capas. Un tipo de capa es el 100% reflectante en uno de los lados
del diodo láser.
En algún tipo de láser, las pérdidas que atraviesan la capa trasera son utilizadas para
controlar la potencia emitida por la parte delantera, obteniéndose una retro-alimentación en
tiempo real.
Un tipo distinto y más complicado puede fabricarse integrando una red de difracción
cerca de la capa activa del láser. Existen dos tipos de estructura que utilizan redes de
difracción en vez de capa espejada en un extremo de la cavidad, ver figura 2.25.
1. DFB Retroalimentación distribuida (Distributed FeedBack Laser)-la red de
difracción se distribuye a lo largo de todo el medio activo. La longitud de onda de la red
determina la longitud de onda emitida por el láser, en una línea muy fina del espectro.
2. DBR Reflector de Bragg Distribuido (Distributed Bragg Reflector)-la red de
difracción está fuera de la zona activa, en donde no circula corriente (parte pasiva de la
cavidad)
Figura 2.25 Cavidades ópticas especiales utilizadas para obtener líneas de emisión estrechas
Diodos láser Acoplados: Existen también estructuras especiales en donde dos láseres
se acoplan ópticamente. La radiación emitida por el primer láser es transferida al segundo,
que es controlado por otra fuente de alimentación. Un ejemplo puede verse en la figura
2.26.
Figura 2.26 Láser de diodo con acoplamiento óptico
Por mencionar una de las muchas aplicaciones de los diodos láser es la de lectura de
información digital de soportes de datos tipo CD-ROM o la reproducción de discos
compactos musicales. El principio de operación de uno y otro es idéntico como se muestra
en la figura 2.27.
Figura 2.27 Detalle de un esquema del funcionamiento del CD-ROM
Un haz láser es guiado mediante lentes hasta la superficie del CD. A efectos prácticos,
se puede suponer dicha superficie formada por zonas reflectantes y zonas absorbentes de
luz. Al incidir el haz láser en una zona reflectante, la luz será guiada hasta un detector de
luz: el sistema ha detectado un uno digital. Si el haz no es reflejado, al detector no le llega
ninguna luz: el sistema ha detectado un cero digital.
Un conjunto de unos y ceros es una información digital, que puede ser convertida en
información analógica en un convertidor digital-analógico. Pero esa es otra historia que por
el momento no se abordara.
2.6.3 Display de Cristal Líquido (LCD’s)
Los LCD’s difieren de otros tipos de displays en que no generan
luz sino que trabajan con la reflexión de la luz. La mayoría de las
sustancias tienen un único punto de fusión que cuando se supera su
estado cambia de sólido a líquido, pero hay un grupo de materiales,
denominados cristales líquidos, que a una temperatura se transforman
en un líquido opaco y como nuboso para a una temperatura superior
transformarse en un líquido típico. Estos cristales líquidos están
formados por unas moléculas alargadas con forma de puro o planas, la
mayoría de estas sustancias son compuestos orgánicos. En la fase de
cristal líquido las moléculas se ordenan de forma especial. Según la
organización los cristales líquidos se dividen en tres tipos: smecticos,
nemáticos y colestéricos, podemos verlos en la se alinean con una
estructura simétrica, como se muestra en la figura 2.28.
Figura 2.28 Detalle de amontonamiento de moléculas.
En este estado el material es transparente. Un campo eléctrico provoca que las
moléculas pierdan alineación de manera que se vuelven opacas a la luz. De esta manera,
aplicando o no aplicando un campo eléctrico (es decir, polarizando o no polarizando),
podemos jugar con oscuridad o transparencia respectivamente.
Si aplicamos el campo localmente en geometrías iguales al display de 7 segmentos,
conseguiremos un display análogo al de los LED's, pero con cristal líquido, detalle que se
muestra en la figura 2.29.
Figura 2.29 Esquema constructivo de un LCD
En la construcción de un LCD se depositan electrodos transparentes en la cara interior
de los cristales, tal y como aparece en la figura superior. Estos electrodos tienen la
geometría deseada, por ejemplo, el display de 7 segmentos. El espesor del cristal líquido es
muy pequeño, del orden de 0.01mm.
Si no se polarizan los terminales, al incidir la luz sobre el cristal frontal, pasa a través
del cristal líquido y es reflejada por el espejo incidiendo en el ojo que está mirando. El
resultado: todo se ve de color claro. Si polarizamos un electrodo, por ejemplo, el electrodo
a, el cristal líquido pegado al electrodo se vuelve opaco, negro, oscuro. La luz ya no es
reflejada.
La figura 2.30 nos muestra la ubicaciones de secciones transversales de un LCD, en
ella hay una capa de cristal líquido de unas 10µm entre dos capas de orientación molecular
que fijan el eje de las moléculas del cristal que las tocan la celda además tiene dos barreras
para que el cristal no fluya, los electrodos para la polarización y los polarizadores externos.
Esta estructura sería la misma que en un reloj digital.
Polarizador
Sustrato de Vidrio
Electrodo transparente
Capa de orientación molecular
Barrera
Lateral
Cristal liquido
Barrera
lateral
Capa de orientación molecular
Electrodo transparente
Sustrato de Vidrio
Polarizador
Sustrato de reflector
Figura 2.30 Estructura de un LCD reflectivo tipo Twisted nematic y transparente por defecto.
El funcionamiento global de esta estructura sin polarización en los electrodos sería:
-La luz externa incide sobre el polarizador superior y tras él nos encontramos luz
polarizada de forma lineal en la dirección que permite el filtro.
-La luz linealmente polarizada atraviesa el sustrato de vidrio, el electrodo y la capa de
orientación molecular sin ningún cambio.
-En el interior del cristal líquido la luz sufrirá un giro del eje de polarización de 90º
-Tras el filtro la luz atraviesa de nuevo el sustrato de vidrio, el electrodo y la capa de
orientación molecular sin ningún cambio.
Con polarización en los electrodos:
-Hasta llegar al cristal líquido el proceso es el mismo.
-El cristal al estar polarizado se ha reorientado de forma que ya no gira el eje de la luz
por lo que ésta lo atraviesa sin cambiar su polarización.
-Cuando la luz llega al segundo polarizador no está orientada a 90º ya que no ha girado
y por tanto no atravesará el segundo.
-No queda luz que reflejar en el espejo y por tanto desde el exterior se ve algo oscuro.
Desde el punto de vista eléctrico, se puede representar el LCD como una capacidad de
valor muy pequeño en paralelo con una resistencia muy grande, como se muestra en la
figura 2.31.
Figura 2.31 Circuito equivalente de un LCD.
Se necesita una señal pequeña en AC de 3 a 7 voltios para polarizar el LCD. Tensiones
mayores romperían la fina capa de cristal líquido. La frecuencia de la tensión puede variar
entre 30 y 50 Hz. Frecuencias más bajas producen un efecto de parpadeo, frecuencias más
altas producen un aumento del consumo.
Algunos datos sobre sus ventajas y desventajas serian:
-Bajo consumo de potencia (unas pocas decenas de μW/cm2) lo que significa largo
tiempo de vida para las baterías. Ahorro energético.
-Con bajas tensiones (10V o menos) se consigue el correcto funcionamiento del
circuito. La circuitería es compacta y simple.
-El dispositivo es delgado y se puede aplicar a pantallas grandes y minúsculas, de
modo que es muy adecuado para dispositivos portatiles.
-Debido a que es un dispositivo pasivo, la pantalla está clara incluso con mucha luz
incidiendo sobre ella.
-Se pueden hacer pantallas a color.
-Se puede usar este tipo de pantallas para proyección de modo que pueden conseguirse
imágenes grandes (varios metros cuadrados).
Aunque también hay inconvenientes:
-Como es un dispositivo pasivo no puede verse en sitios oscuros.
-El contraste de la imagen depende del ángulo de visión.
-La respuesta depende de la temperatura, no funciona bien para temperaturas bajas
(<-20ºC)
2.6.4 Fotodetectores
Los componentes fotodetectores son aquellos componentes que varían algún parámetro
eléctrico en función de la luz. Todos los componentes fotodetectores están basados en el
mismo principio. Si construimos un componente con un material semiconductor de manera
que la luz pueda incidir sobre dicho material, la luz generará pares electrón-hueco.
Esta generación se realiza de manera análoga a la generación térmica de portadores ya
estudiada. En la siguiente sección mostraremos principalmente características de
componentes de utilización más común:
a) Fotorresistencias
b) Fotodiodos.
c) Fotodiodos PIN y APD.
d) Fototransistores.
a) Fotorresistencia: Una fotorresistencia se compone de un material semiconductor
cuya resistencia varia en función de la iluminación. La fotoresistencia reduce su valor
resistivo en presencia de rayos luminosos. Es por ello por lo que también se le llama
resistencias dependientes de luz (light dependent resistors), fotoconductores o células
fotoconductoras.
Cuando incide la luz en el material fotoconductor se generan pares electrón hueco. Al
haber un mayor número de portadores, el valor de la resistencia disminuye. De este modo,
la fotorresistencia iluminada tiene un valor de resistencia bajo, como se aprecia en la figura
2.32.
Figura 2.32 Fotogeneración de portadores
Si dejamos de iluminar, los portadores fotogenerados se recombinarán hasta volver
hasta sus valores iniciales. Por lo tanto el número de portadores disminuirá y el valor de la
resistencia será mayor, como se aprecia en la figura 2.33.
Figura 2.33 Estado de conducción sin fotogeneración
Por supuesto, el material de la fotorresistencia responderá a unas longitudes de onda
determinadas. Es decir, la variación de resistencia será máxima para una longitud de onda
determinada. Esta longitud de onda depende del material y el dopado, y deberá ser
suministrada por el proveedor, el material mas utilizado como sensor ees el silicio, GaAsP
y GaP.
En general, la variación de resistencia en función de la longitud de onda presenta
curvas como se aprecia en la figura 2.34.
Figura2.34 Variación de resistencia en función de la longitud de onda de radiación.
b) Fotodiodos: Son diodos de unión PN cuyas características eléctricas dependen de la
cantidad de luz que incide sobre la unión. En la figura 2.35 se muestra el símbolo de
representación electrónica.
Figura 2.35 Símbolo del fotodiodo
El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares
electrón hueco debido a la energía luminosa. Este hecho es lo que le diferencia del diodo
rectificador de silicio en el que, solamente existe generación térmica de portadores de
carga. La generación luminosa, tiene una mayor incidencia en los portadores minoritarios,
que son los responsables de que el diodo conduzca ligeramente en inversa.
El comportamiento del fotodiodo en inversa se ve claramente influenciado por la
incidencia de luz. Conviene recordar que el diodo real presenta unas pequeñas corrientes de
fugas de valor IS. Las corrientes de fuga son debidas a los portadores minoritarios,
electrones en la zona P y huecos en la zona N.
La generación de portadores debido a la luz provoca un aumento sustancial de
portadores minoritarios. Así pues cuando tengamos luz incidiendo sobre nuestro fotodiodo la
relación I-V (Corriente –Voltaje) evolucionara, lo que se traduce en un aumento de la corriente
de fuga en inversa tal y como se muestra en la figura 2.36.
Figura 2.36 Curvas características de un fotodiodo
El comportamiento del fotodiodo en directa apenas se ve alterado por la generación
luminosa de portadores. Esto es debido a que los portadores provenientes del dopado
(portadores mayoritarios) son mucho más numerosos que los portadores de generación
luminosa.
Para caracterizar el funcionamiento del fotodiodo se definen los siguientes parámetros:
-Se denomina corriente de oscuridad (dark current), a la corriente en inversa del
fotodiodo cuando no existe luz incidente.
-Se define la sensibilidad del fotodiodo al incremento de intensidad al polarizar el
dispositivo en inversa por unidad de intensidad de luz, expresada en luxes o en mW/cm2.
(2.3)
Esta relación es constante para un amplio intervalo de iluminaciones.
El modelo esquematico del fotodiodo en inversa está formado por un generador de
intensidad cuyo valor depende de la cantidad de luz. En directa, el fotodiodo se comporta
como un diodo normal. Si está fabricado en silicio, la tensión que cae en el dispositivo será
aproximadamente 0,7 V.
Los fotodiodos son más rápidos que las fotorresistencias, es decir, tienen un tiempo de
respuesta menor, sin embargo solo pueden conducir en una polarización directa corrientes
relativamente pequeñas. Un fotodiodo presenta una construcción análoga a la de un diodo
LED, en el sentido de que necesita una ventana transparente a la luz por la que se
introduzcan los rayos luminosos para incidir en la unión PN. En la figura 2.37, aparece una
geometría típica. Por supuesto, el encapsulado es transparente a la luz.
Figura 2.37 Corte transversal de un fotodiodo comercial.
c) Fotodiodo PIN y APD: El detector convierte la señal óptica que procede de la fibra
en señal eléctrica como primera parte del proceso de recepción; a continuación, la señal se
regenera, bien para llevarla a un equipo terminal o para ser incorporada a la siguiente etapa
de un repetidor óptico. Los fotodiodos utilizados actualmente son:
Fotodiodo PIN (Positivo-Intrínseco-Negativo):El diodo PIN es un diodo que presenta
una región P fuertemente dopada y otra región N también fuertemente dopada, separadas
por una región de material que es casi intrínseco como se aprecia en la figura 2.38.
Figura 2.38 Capas de diodo PIN
Este tipo de diodos se utiliza en frecuencias de microondas, es decir, frecuencias que
exceden de 1 GHz, puesto que incluso en estas frecuencias el diodo tiene una impedancia
muy alta cuando está inversamente polarizado y muy baja cuando esta polarizado en
sentido directo. Además, las tensiones de ruptura están comprendidas en el margen de 100 a
1000 V.
La luz entra al diodo por una ventana muy pequeña y es absorbida por el material
intrínseco, el cual agrega la energía suficiente para lograr que los electrones se muevan de
la banda de valencia a la banda de conducción y se generen portadores de carga eléctrica
que permiten que una corriente fluya a través del diodo, de anodo a cátodo como se muestra
la figura 2.39.
Ánodo
Cátodo
Figura 2.39 Símbolo de diodo PIN
Los elementos más utilizados en la fabricación de este tipo de detectores son el
Germanio y últimamente se utiliza el Arseniuro de Galio (GaAs), Arseniuro de Galio e
Indio (GaInAs), Indio Fosfato (InP), con resultados muy buenos.
Los diodos PIN requieren bajas tensiones para su funcionamiento, pero deben utilizar
buenos amplificadores, presentan tiempos de vida relativamente altos. En virtud de las
características del diodo PIN se le puede utilizar como interruptor o como modulador de
amplitud en frecuencias de microondas ya que para todos los propósitos se le puede
presentar como un cortocircuito en sentido directo y como un circuito abierto en sentido
inverso. También se le puede utilizar para conmutar corrientes muy intensas y/o tensiones
muy grandes.
Fotodiodo APD (Fotodiodo de Avalancha): Los fotodiodos de avalancha son una
estructura de materiales semiconductores, ordenados en forma p-i-p-n, como se muestra en
la figura 2.40.
Figura 2.40 Capas del diodo APD
La luz entra al diodo y es absorbida por la capa n, haciendo que ciertos electrones
pasen de la banda de valencia a la banda de conducción.
Debido al gran campo eléctrico generado por la polarización inversa, los electrones
adquieren velocidades muy altas y al chocar con otros electrones de otros átomos, hacen
que éstos se ionicen. Los átomos ionizados ionizan a su vez otros átomos, desencadenando
un efecto de avalancha de corriente fotoeléctrica.
Los fotodiodos APD son 10 veces más sensibles que los diodos PIN y requieren de
menos amplificación adicional. Su desventaja radica en que los tiempos de transición son
muy largos y su vida útil es muy corta.
Los fotodiodos APD de Silicio presentan ruido bajo y un rendimiento hasta del 90%
trabajando en primera ventana. Su factor de ganancia, M, es alto (de 50 a 150) y no es
crítico, porque la ganancia del receptor es fácilmente controlable mientas el factor F sea
bajo.
Su sensibilidad es casi inversamente proporcional a la velocidad binaria, típicamente
de –64 dBm a 8 Mb/s y –50 dBm a 140 Mb/s y el tiempo medio entre fallas es de 107
horas. La corriente de oscuridad es relativamente baja: a 25°C está entre 1 y 5 nA. En
cuanto a los anchos de banda obtenidos comercialmente, superan 1 GHz. Como
inconveniente, está su alta tensión de alimentación (200-300 V).
Los fotodiodos APD de germanio trabajan con longitudes de onda comprendidas entre
1000 y 1300 nm y rendimientos del 70% presentan como inconveniente el ajuste y control
de factor M que, por cierto, tiene un valor óptimo más bajo (1520) que en los de silicio.
Se puede prolongar su funcionamiento hasta los 1550 nm, pero necesitan entonces una zona
de deflexión próxima a las 10 m, frente a las 3 ó 4 que son habituales. Además de esto, la
aplicación para 1550 nm suele ir acompañada de mayores velocidades de transmisión y en
este sentido el APD de germanio es bastante limitado.
De lo indicado en el párrafo anterior, la corriente de oscuridad es alta (del orden de 0,1
A) y se duplica cada 9 ó 10 °C, afectando a su sensibilidad. Esta varía, igual que en los de
silicio, con el régimen binario, siendo valores habituales los siguientes:
-45 dBm a 34 Mb/s
-40 dBm a 140 Mb/s
-35 dBm a 565 Mb/s
En cuanto a la tensión necesaria para la polarización, es del orden de los 30 V,
encontrándose en el mercado fotodiodos de este tipo cuyos anchos de banda alcanzan 1
GHz.
Características comparativas entre los diodos PIN y APD
Costo.- Los diodos APD son más complejos y por ende más caros.
Vida.- Los diodos PIN presentan tiempos de vida útil superiores.
Temperatura.- Los diodos APD poseen velocidades de respuesta mayores, por lo tanto
permiten la transmisión de mayores tasas de información.
Circuitos de polarización.- Los diodos PIN requieren circuitos de polarización más
simples, pues trabajan a menores tensiones.
d) Fototransistor: Se llama fototransistor a un transistor sensible a la luz, normalmente
a los infrarrojos. La luz incide sobre la región de base, generando portadores en ella. Esta
carga de base lleva el transistor al estado de conducción. El fototransistor es más sensible
que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor. Se trata de un transistor
bipolar sensible a la luz, como se muestra en la figura 2.41.
C
E
Figura 2.41 Símbolo del fototransistor
La luz incide sobre la región de base-, generando portadores en ella. Esta carga de base
lleva el transistor al estado de conducción. En esta unión se generan los pares electrón hueco, que provocan la corriente eléctrica.
El funcionamiento de un fototransistor viene caracterizado por los siguientes puntos:
Un fototransistor opera, generalmente sin terminal de base (Ib = 0) aunque en algunos
casos hay fototransistores tienen disponible un terminal de base para trabajar como un
transistor normal. La sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un fotodiodo, ya
que la pequeña corriente fotogenerada es multiplicada por la ganancia del transistor.
Las curvas de funcionamiento de un fototransistor son las que aparecen en la figura
2.42. Como se puede apreciar, son curvas análogas a las del transistor BJT, sustituyendo la
intensidad de base por la potencia luminosa por unidad de área que incide en el
fototransistor.
Figura 2.42 Curvas características de un fototransistor típico.
2.6.5 Optoacopladores
Existen muchas situaciones en las cuales se necesita transmitir información entre
circuitos conmutadores aislados eléctricamente uno del otro. Este aislamiento (aislamiento
galvánico) ha sido comúnmente provisto por relees o transformadores de aislamiento.
Existen sin embargo en el mercado otros dispositivos capaces de proporcionar el
aislamiento requerido, los cuales son muy efectivos para solucionar este tipo de situaciones.
Estos dispositivos se llaman optoacopladores, estos dispositivos son más necesarios en
situaciones donde se desea protección contra altos voltajes y aislamiento de ruidos, así
como cuando el tamaño de dispositivo es un factor a considerar.
Un optoacoplador es un componente formado por la unión de al menos un emisor
(diodo LED) y un fotodetector (fototransistor u otro) acoplados a través de un medio
conductor de luz, pueden ser encapsulados o de tipo discreto como se aprecia en la figura
2.43.
Figura 2.43 Esquema de un optó acoplador
Cuanta mayor intensidad atraviesa el fotodiodo, mayor será la cantidad de fotones
emitidos y, por tanto, mayor será la corriente que recorra el fototransistor. Se trata de una
manera de transmitir una señal de un circuito eléctrico a otro. Obsérvese que no existe
comunicación eléctrica entre los dos circuitos, es decir existe un trasiego de información
pero no existe una conexión eléctrica: la conexión es óptica.
Las implementaciones de un optóacoplador son variadas y dependen de la casa que
los fabrique. Una de las más populares se muestra en la figura 2.44. Se puede observar
como el LED, en la parte superior, emite fotones que, tras atravesar el vidrio, inciden sobre
el fototransistor.
Figura 2.44 Esquema constructivo de un optoacoplador
Obsérvese también el aislamiento eléctrico entre fototransistor y LED ya mencionado.
La estructura interna de un Optoacoplador es vista en la figura 2.45 donde se muestra
la perspectiva interna de un optoacoplador salida darlington. Una resina aloja al elemento
sensitivo a la luz (fototransistor o fototransistor de salida Darlington) que esta rodeado por
otra resina que permite la transmisión de la luz.
Figura 2.45 Estructura interna de un optó acoplador
Una señal luminosa es transmitida por un diodo emisor de luz hacia el transistor
fotosensitivo a través de la resina transmisora de luz interna.
La corriente de salida IC (corriente de colector del fototransistor) es proporcional a la
corriente de entrada IF (corriente en el diodo LED). La relación entre estas dos corrientes
se llama razón de transferencia de corriente (CTR) y depende de la temperatura ambiente.
A mayor temperatura ambiente, la corriente de colector en el fototransistor es mayor
para la misma corriente IF (la corriente por el diodo LED) La entrada (circuito del diodo)
y la salida (circuito del fototransistor) están 100% aislados y la impedancia de entrada es
muy grande (1013 Ω típico)
El optoacoplador es un dispositivo sensible a la frecuencia y el CTR disminuye al
aumentar ésta.
Existen varios tipos de optoacopladores que se son básicamente clasificados por su
salida, es decir la forma en que funciona internamente como los que se mencionan a
continuación:
-Salida a Fototransistor
-Salida Doble Fototransistor
-Salida Foto-Darlington
-Salida Digital
-Salida Foto-SCR
-Salida Foto-Triac
Al realizar un acople entre dos sistemas mediante la transmisión de energía radiante
(fotones), se elimina la necesidad de una tierra común, es decir que ambas partes acopladas
pueden tener diferente voltajes de referencia, lo cual constituye la principal ventaja de los
optoacopladores.
La señal de entrada es aplicada al fotoemisor y la salida es tomada del fotorreceptor,
los optoacopladores son capaces de convertir una señal eléctrica en una señal luminosa
modulada y volver a convertirla en una señal eléctrica.
La gran ventaja de un optoacoplador reside en el aislamiento eléctrico que puede
establecerse entre los circuitos de entrada y salida.
Los fotoemisores que se emplean en los optoacopladores de potencia son diodos que
emiten rayos infrarrojos (IRED) y los fotorreceptores pueden ser tiristores o transistores.
Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo IRED, este emite un haz de
rayos infrarrojo que transmite a través de una pequeña guía-ondas de plástico o cristal hacia
el fotorreceptor. La energía luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que este genere
una tensión eléctrica a su salida. Este responde a las señales de entrada, que podrían ser
pulsos de tensión.
Para utilizar completamente las características ofrecidas por un optóacoplador es
necesario que el diseñador tenga conocimiento de las mismas. Las diferentes características
entre las familias son atribuidas principalmente a la diferencia en la construcción.
Las características más usadas por los diseñadores son las siguientes:
1. Aislamiento de alto voltaje: El aislamiento de alto voltaje entre las entradas y las
salidas son obtenidas por el separador físico entre el emisor y el sensor. Este aislamiento es
posiblemente el más importante avance de los optoacopladores. Estos dispositivos pueden
resistir grandes diferencias de potencial, dependiendo del tipo de acople medio y la
construcción del empaquetado.
2. Aislamiento de ruido: El ruido eléctrico en señales digitales recibidas en la entrada
de el optóacoplador es aislado desde la salida por el acople medio, desde el diodo de
entrada el ruido de modo común es rechazado.
3. Ganancia de corriente: La ganancia de corriente de un optóacoplador es en gran
medida determinada por la eficiencia de los sensores NPN y por el tipo de transmisión
media usado.
4. Tamaño: Las dimensiones de estos dispositivos permiten ser usados en tarjetas
impresas estándares. Los empaquetados de los optoacopladores son por lo general del
tamaño del que tienen los transistores.
Otra característica de suma importancia dentro de estos dispositivos es la razón de
transferencia de corriente (CTR) de un optoacoplador que es la proporción del valor de la
corriente de salida a la corriente de entrada.
El CTR es un parámetro equivalente al hfe, factor de amplificación de un transistor. El
CTR es uno de las características más importantes de los optoacoples, así como el
aislamiento de voltaje. En el diseño, el CTR debe ser considerado en primer lugar pues el
CTR:
1. Es dependiente de la corriente directa IF que fluye en el LED.
2. Lo afectan los cambios en la temperatura ambiente.
3. Varía conforme el tiempo pasa.
1
CAPITULO 3
DISPOSITIVOS EN LA REGIÓN DEL ESPECTRO INFRARROJO
3.1 Introducción
En el siguiente capítulo nos enfocaremos en algunos datos técnicos
de dispositivos emisores y receptores que trabajan dentro del espectro
infrarrojo, cabe mencionar que se manejarán sólo tres tipos de
dispositivos:
Optoacopladores,
Fotodiodos-Fototransistores
los
cuales
ya
habíamos
y
dispositivos
hablado
de
su
funcionamiento en el capítulo anterior, es así como se recopilo datos
de los mismos, aunque es bien sabido que los dispositivos para el
diseño de circuitos de transmisión de información por infrarrojo es
muy variado y extenso, así que solo manejamos datos técnicos de
dispositivos que se pueden localizar con mucha frecuencia en tiendas
de electrónica así como su finalidad, algunas características y posibles
aplicaciones serán mencionadas brevemente en cada uno de ellos. El
fin de este capitulo se basa en dar información que pocas veces
encontramos a la mano por lo que los datos técnicos correspondientes
a estos dispositivos serán una buena forma de conocer un poco más a
fondo las aplicaciones de cada uno de ellos.
Nosotros
como
estudiantes
sabemos
de
primera
mano
la
importancia de los datos técnicos de los dispositivos que utilizamos
frecuentemente en los diseños que llevamos a cabo por lo que creemos
que estos datos aquí proporcionados serán de alguna utilidad para
hacer un poco más fácil el trabajo.
Una vez dicho lo anterior
empezamos a ver los dispositivos que organizamos de la siguiente
forma, primero están los dispositivos de emisión o bien los diodos
emisores de infrarrojo para seguir después con los que serán los
receptores o fototransistores que forman la primera sección, una vez
vistos,
pasaremos
a
la
segunda
sección
donde
aparecen
los
dispositivos Optoacopladores donde se verán agrupados un numero
de dispositivos por estructura interna y utilización, aclarado lo anterior
entonces
empezamos
de
una
buena
vez.
3.2 Diodos Emisores de Infrarrojo
3.2.1 QED233, QED234
El QED233/234, fabricado por la empresa Fairchild, elaborado en
un paquete T-1 ¾; con un chip elaborado de AlGaAs con GaAs.
relaciona
con
los
fotosensores:
aplicaciones de control remoto.
QSD122/123/124,
ideal
Se
para
En la figura 3.1 se muestra la
apariencia del diodo emisor de IR y el diagrama de radiación.
a)
b)
Figura 3.1 Diodo emisor de IR; (a) apariencia, (b) diagrama de radiación.
Características
• Material del chip = Ventana de AlGaAs con GaAs
• Tipo de paquete: T-1 ¾ (diámetro de la lente de 5mm)
• Alta energía de salida
• Material y color del paquete: Plástico claro, desteñido,
En la tabla 3.1 se presentan los rangos máximos absolutos del
diodo emisor de IR en cuestión.
Rangos máximos absolutos (TA= 25°C a menos que se especifique otra cosa)
Parámetro
Símbolo
Rango
Unidad
TOPR
-40 a +100
°C
TSTG
-40 a +100
°C
TSOL-I
240 por 5 seg.
°C
TSOL-F
260 por 10 seg.
°C
Corriente directa continua
IF
100
mA
Voltaje inverso
VR
5
V
PD
200
mW
IFP
1.5
A
Temperatura de operación
Temperatura de almacenamiento
Temperatura de soldadura (Hierro)
Temperatura de soldadura (Flujo)
Disipación de potencia
(2,3,4)
(2,3)
(1)
Corriente directa pico
Tabla 3.1 Rangos máximos del dispositivo QED233, QED234
Notas:
1. Reduce la capacidad normal de disipación de potencia linealmente 2.67
mW/°C sobre los 25°C.
2. El flujo RMA es recomendado.
3. Los alcoholes metanol o isopropilos se recomiendan como agentes de
limpieza.
4. Cautín 1/16‖ (1.6 mm) mínimo de la cubierta.
5. Condiciones del pulso; tp= 100 μs, T= 10 ms.
En la tabla 3.2 se presentan las características eléctricas / ópticas
del diodo.
Características eléctricas / ópticas (TA= 25°C)
Parámetro
Condiciones de
Dispositivo
Símbolo
Mín
Típ
Máx
Unidad
IF = 20 mA
Todos
λPE
-
940
-
nm
IF = 20 mA
Todos
-
50
-
-
nm
Coeficiente de temp. λPE
IF = 100 mA
Todos
TCλ
-
0.2
-
nm/K
Ángulo de emisión
IF = 100 mA
Todos
2θ1/2
-
40
-
Gra.
Todos
VF
-
-
1.6
V
IF = 100 mA
Todos
TCV
-
-1.5
-
mV/K
VR = 5 V
Todos
IR
-
-
10
μA
IF = 100 mA, tp =
QED233
10
-
50
20 ms
QED234
27
-
-
Longitud de onda pico
de emisión
Ancho de banda
espectral
Voltaje directo
Coeficiente de temp. de
VF
Corriente inversa
Intensidad de radiación
prueba
IF = 100 mA, tp =
20 ms
IE
mW/sr
Características eléctricas / ópticas (TA= 25°C)…….continuación
Parámetro
Condiciones de
Dispositivo
Símbolo
Mín
Típ
Máx
Unidad
IF = 20 mA
Todos
TCI
-
-0.6
-
%/K
IF = 100 mA
Todos
tr
-
1000
-
ns
Todos
tf
-
1000
-
prueba
Coeficiente de temp.
de IE
Tiempo de subida
Tiempo de caída
Tabla 3.2 Características Eléctricas/Ópticas del dispositivo QED233,
QED234
3.2.2 QED221, QED222, QED223
El QED221/222/223, fabricado por la empresa Fairchild; elabora el
chip de AlGaAs; dentro de un paquete del tipo: T-1 ¾. Se relaciona con
los fotosensores: QSD122/123/124; tiene alta energía de salida. En la
figura 3.2 se muestra la apariencia del diodo emisor de IR y el patrón
de radiación.
b)
a)
Figura 3.2 Diodo emisor de IR; (a) apariencia, (b) patrón de radiación.
Características
•
Tipo de paquete: T-1 ¾ (diámetro de la lente de 5 mm)
•
Ángulo de emisión medio amplio, 40°
•
Material y color del paquete: plástico, teñido púrpura claro
En la tabla 3.3 se presentan los Rangos máximos absolutos del
diodo emisor de IR en cuestión.
Rangos máximos absolutos (TA= 25°C a menos que se especifique de otro
modo)
Parámetro
Símbolo
Rango
Unidad
Temperatura de operación
TOPR
-40 a +100
°C
Temperatura de almacenamiento
TSTG
-40 a +100
°C
Temperatura de soldadura (Hierro)
TSOL-I
240 por 5 seg
°C
TSOL-F
260 por 10 seg
°C
Corriente directa continua
IF
100
mA
Voltaje inverso
VR
5
V
PD
200
mW
IF(Pico)
1.5
A
Temperatura de soldadura (Flujo)
Disipación de potencia
Corriente directa pico
(2,3,4)
(2,3)
(1)
(5)
Tabla 3.3 Rangos máximos del dispositivo QED221, QED222, QED223
Notas:
1. Reduce la capacidad normal de disipación de potencia linealmente 2.67
mW/°C sobre los 25°C.
2. El flujo RMA es recomendado.
3. Los alcoholes metanol o isopropilos se recomiendan como agentes de
limpieza.
4. Cautín 1/16‖ (1.6 mm) mínimo de la cubierta.
5. Condiciones del pulso; tp= 100 μS, T= 10 ms.
En la tabla 3.4 se presentan las características eléctricas / ópticas
del diodo.
Características eléctricas / ópticas (TA= 25°C)
Parámetro
Longitud de onda pico de
emisión
Ángulo de emisión
Voltaje directo
Corriente inversa
Intensidad de radiación QED221
Intensidad de radiación QED222
Intensidad de radiación QED223
Condiciones de prueba
Símbolo
Mín
Típ
Máx
Unidad
IF = 100 mA
λPE
-
880
-
nm
IF = 100 mA
θ
-
±20
-
Gra.
VF
-
-
1.7
V
IR
-
-
10
μA
IE
10
-
20
IE
16
-
32
IE
25
-
-
IF = 100 mA, tp = 20
ms
VR = 5 V
IF = 100 mA, tp = 20
ms
IF = 100 mA, tp = 20
ms
IF = 100 mA, tp = 20
ms
Características eléctricas / ópticas (TA= 25°C)…….continuación
mW/sr
mW/sr
mW/sr
Parámetro
Condiciones de prueba
Símbolo
Mín
Típ
Máx
Unidad
IF = 100 mA
tr
-
800
-
ns
tf
-
800
-
ns
Tiempo de subida
Tiempo de caída
Tabla 3.4 Características eléctricas/Ópticas del dispositivo QED221,
QED222, QED223
3.2.3 QEE113
El QEE113 es fabricado por la empresa Fairchild; el chip de este
diodo es de GaAs y el material del paquete es epoxico claro.
Se
relaciona con el fotosensor QSE113.
En la figura 3.3 se muestra la apariencia del diodo emisor de IR y el
diagrama de radiación.
a)
b)
Figura 3.3 Diodo emisor de IR; (a) apariencia, (b) Diagrama de radiación.
Características:
•
Tipo de paquete= vista de un lado
•
Material del paquete: Epoxico claro
•
Alta energía de salida
•
Raya gris característica de este diodo
En la tabla 3.5 se presentan los Rangos máximos absolutos del
diodo emisor de IR en cuestión.
Rangos máximos absolutos (TA= 25°C a menos que se especifique otra cosa)
Parámetro
Símbolo
Rango
Unidad
TOPR
-40 a +100
°C
TSTG
-40 a +100
°C
Temperatura de soldadura (Hierro)
TSOL-I
240 por 5 seg.
°C
Temperatura de soldadura (Flujo)
TSOL-F
260 por 10 seg.
°C
Corriente directa continua
IF
50
mA
Voltaje inverso
VR
5
V
Disipación de potencia(1)
PD
100
mW
Temperatura de operación
Temperatura de almacenamiento
(2,3,4)
(2,3)
Tabla 3.5 Rangos máximos para dispositivo QEE113
Notas:
1. Reduce la capacidad normal de disipación de potencia linealmente 1.33 mW /
°C sobre los 25°C.
2. El flujo RMA se recomienda.
3. Los alcoholes metanol o isopropilos se recomiendan como agentes de
limpieza.
4. Cautín 1/16‖ (1.6 mm) mínimo de la cubierta.
En la tabla 3.6 se muestran las características eléctricas / ópticas
del diodo.
Características eléctricas / ópticas (TA= 25°C)
Parámetro
Longitud de onda pico de
emisión
Condiciones de prueba
Símbolo
Mín
Típ
Máx
Unidad
IF= 100 mA
λPE
-
940
-
nm
Ángulo de emisión
Voltaje directo
IF= 100 mA
2Θ1/2
-
50
-
Gra.
IF= 100 mA, tp = 20
VF
-
-
1.5
V
VR= 5 V
IR
-
-
10
μA
IF= 100 mA, tp = 20
IE
3
-
12
mW/sr
tr
-
1000
-
ns
tf
-
1000
-
ns
ms
Corriente inversa
Intensidad de radiación
ms
Tiempo de subida
IF= 100 mA
Tiempo de caída
Tabla 3.6 Características Eléctricas/Ópticas del dispositivo QEE113
3.3 Fototransistor Infrarrojo de Silicio (receptor)
3.3.1 QSD122, QSD123, QSD124
El QSD122/123/124, fabricado por la empresa Fairchild, es un
fototransistor NPN de silicio; que viene en un empaque del tipo: T-1 ¾.
No se relaciona con los emisores: QED12X/QED22X/QED23X.
En la
figura 3.4 se muestra la apariencia del fototransistor IR y la curva de
respuesta angular.
a)
b)
Figura 3.4 Fototransistor IR; (a) apariencia, (b) curva de respuesta
angular.
Características:
• Filtro de luz de día
• Material y color del paquete: Negro epoxico
• Alta sensibilidad
En la siguiente tabla 3.7 se presentan los rangos máximos
absolutos del fototransistor IR en cuestión.
Rangos máximos absolutos (TA= 25°C a menos que se especifique otra cosa)
Parámetro
Símbolo
Rango
Unidad
Temperatura de operación
TOPR
-40 a +100
°C
Temperatura de almacenamiento
TSTG
-40 a +100
°C
Rangos máximos absolutos (TA= 25°C a menos que se especifique otra cosa)
Parámetro
Símbolo
Rango
Unidad
Temperatura de soldadura (Hierro)(2,3,4)
TSOL-I
240 por 5 seg.
°C
Temperatura de soldadura (Flujo)
TSOL-F
260 por 10 seg.
°C
Voltaje colector-emisor
VCE
30
V
Voltaje emisor-colector
VEC
5
V
Disipación de potencia
PD
100
mW
(2,3)
(1)
Tabla 3.7 Rangos máximos del dispositivo QSD122, QSD123, QSD124
NOTA:
1. Reducir el flujo RMA es recomendado.
2. Los alcoholes metanol o isopropilos se recomiendan como agentes de
limpieza.
3. Cautín 1/16‖ (1.6 mm) mínimo de la cubierta.
4. λ= 880 nm, AlGaAs.
En la tabla 3.8 que se muestra las características eléctricas /
ópticas de este fototransistor.
Características eléctricas / ópticas (TA= 25°C)
Parámetro
Condiciones de prueba
Longitud de onda pico de
Símbol
Mín
Típ
o
.
.
λPS
-
88
sensibilidad
Máx.
Unida
d
-
nm
-
Gra.
0
θ
Ángulo de recepción
-
±1
2
Corriente de oscuridad
VCE = 10 V, Ee = 0
ICEO
-
-
100
nA
IC = 1 mA
BVCEO
30
-
-
V
IE = 100 μA
BVECO
5
-
-
V
1.0
-
6.00
-
16.0
colector-emisor
Voltaje de ruptura colectoremisor
Voltaje de ruptura emisorcolector
Corriente(5) de colector en
estado-encendido QSD122
Ee = 0.5 mW/cm2, VCE =
IC (ON)
5V
QSD123
0
4.0
0
QSD124
mA
0
6.0
-
-
0
Voltaje de saturación
Ee = 0.5 mW/cm , IC =
VCE (SAT)
-
-
0.4
V
VCC = 5 V, RL = 100 V IC
tr
-
7
-
μs
= 0.2 mA
tf
-
7
-
(5)
2
0.5 mA
Tiempo de subida
Tiempo de caída
Tabla 3.8 Características Electro/Ópticas del dispositivo QSD122,
QSD123, QSD124
3.3.2 QSE113, QSE114
El
QSE113/114,
fabricado
por
la
empresa
Fairchild;
es
un
fototransistor NPN de silicio de alta sensibilidad. Se relaciona con el
emisor QEE113, cuenta con un filtro de luz del día.
En la figura 3.5 se muestra la apariencia del fototransistor IR y la
curva de respuesta angular.
a)
b)
Figura 3.5 Fototransistor IR; (a) apariencia, (b) curva de respuesta
angular.
Características
•
Tipo de paquete: Vista de un lado
•
Material y color del paquete: Negro epoxico
•
Filtro de luz del día
En la tabla 3.9 se presentan los Rangos máximos absolutos del
fototransistor IR en cuestión.
Rangos máximos absolutos (TA= 25°C a menos que se especifique otra
cosa)
Parámetro
Símbolo
Rango
Unidad
Temperatura de operación
TOPR
-40 a +100
°C
Temperatura de almacenamiento
TSTG
-40 a +100
°C
Rangos máximos absolutos (TA= 25°C a menos que se especifique otra
cosa).......continuación
Parámetro
Símbolo
Rango
Unidad
TSOL-I
240 por 5 seg.
°C
TSOL-F
260 por 10 seg.
°C
Voltaje colector-emisor
VCE
30
V
Voltaje emisor-colector
VEC
5
V
Disipación de potencia
PD
100
mW
Temperatura de soldadura (Hierro)
Temperatura de soldadura (Flujo)
(2,3,4)
(2,3)
(1)
Tabla 3.9 Rangos máximos absolutos de dispositivo QSE113, QSE114
Notas:
1. Reduce la capacidad normal de disipación de potencia linealmente 1.33
mW/°C sobre los 25°C.
2. El flujo RMA se recomienda.
3. Los alcoholes metanol o isopropilos se recomiendan como agentes de
limpieza.
4. Cautín 1/16‖ (1.6 mm) mínimo de la cubierta.
5. λ= 880 nm, AlGaAs.
En la tabla 3.10 se presentan las Características eléctricas / ópticas
del presente fototransistor.
Características eléctricas / ópticas (TA= 25°C)
Parámetro
Condiciones de
Símbolo
Mín
Típ
Máx
Unidad
Sensibilidad pico
λPS
-
880
-
nm
Ángulo de recepción
Θ
-
±25
-
Gra.
VCE= 10 V, Ee= 0
ICEO
-
-
100
nA
Voltaje de ruptura colector-emisor
IC= 1 mA
BVCEO
30
-
-
V
Voltaje de ruptura emisor-colector
IE= 100 μA
BVECO
5
-
-
V
Corriente de colector en estado-
Ee= 0.5 mW/cm ,
encendido QSE113
VCE= 5 V
IC(ON)
0.25
-
1.50
mA
Corriente de colector en estado-
Ee= 0.5 mW/cm2,
encendido(5) QSE114
VCE= 5 V
IC(ON)
1.00
-
-
mA
VCE(SAT)
-
-
0.4
V
IC= 1mA, VCC= 5V,
tr
-
8
-
μs
RL= 100 Ω
tf
-
8
-
μs
Corriente de oscuridad colectoremisor
(5)
Voltaje de saturación(5)
Tiempo de subida
Tiempo de caída
prueba
2
Ee= 0.5 mW/cm2, IC=
0.1 mA
Tabla 3.10 Características Eléctricas/ópticas del dispositivo QSE113,
QSE114
3.4 Optoacopladores
3.4.1 Optoacopladores con salida a Fototransistor
Básicamente este tipo de optoacoplador consiste en un diodo
infrarrojo de Arseniuro de Galio (GaAS), como la etapa de entrada y un
fototransistor npn de silicio como etapa de salida. El medio de acople
entre el diodo y el sensor es un transmisor infrarrojo (IR) de cristal.
Los fotones emitidos desde el diodo (emisor) tienen ciertas longitudes
de
onda
establecidas.
El
transistor
sensor
responde
más
eficientemente a fotones cuando estos tienen la misma longitud de
onda establecida, es decir el diodo emisor y el fototransistor están
acoplados en el espectro para lograr un funcionamiento óptimo de
optoacoplador.
Básicamente
los
dispositivos
de
esta
sección
cumplen
con
características comunes. En cada una de las secciones se mencionaran
parámetros que serán iguales para un cierto número de dispositivos y
sus características específicas se aclararan en cada uno de los
apartados. Se mencionan parámetros en la tabla 3.11, que son valores
comunes entre la mayoría de los dispositivos que se mencionan así
como la configuración interna de cada uno será la configuración básica
para cada sección según sea el caso.
Parámetros
Símbolo
Valor
Unidades
Almacenamiento de temperatura
TSTG
-55 a +150
ºC
Temperatura en Operación
TOPR
-55 a +100
ºC
Temperatura de plomo en
TSOL
250 por 10 seg.
ºC
soldadura
Tabla 3.11 Parámetros comunes.
Excepciones:
-Para Serie: 4N25/ 4N26/ 4N27/ 4N28 de VISHAY TELEFUNKEN:
TSTG = -55 a +100, TSOL = 260 ºC por 10 segundos
-Para Serie: H11D1, H11D2, H11D3, H11D4, 4N38 de Fairchild
Semiconductores:
TSTG = -55 a +100, TSOL = 260 ºC por 10 segundos
PIN 1. Ánodo
2. Cátodo
3. NC
4. Emisor
5. Colector
6. Base
Figura 3.6 Configuración Interna Básica
Esta tabla se aplica para esta sección de Optoacoplador así como el
diagrama de configuración interna, figura 3.6.
No obstante las
coincidencias, aun hay características de importancia que los hace
diferentes y que se presentan en secciones subsecuentes, estas
diferencias serán aclaradas con notas en cada sección.
a). 4N25, 4N26, 4N27, 4N28, 4N35, 4N36, 4N37 H11A1, H11A2,
H11A3, H11A4, H11A5
Los Optoacopladores de propósito general de la empresa Fairchild
consisten en un diodo emisor infrarrojo de Arseniuro de Galio
conduciendo a un fototransistor de silicio en un paquete de 6 pines
con un doble alineado.
Características:
-También disponibles en empaque blanco siendo especificado por sufijo -M
ejemplo: .4N25-M
-Reconocido por UL (File # E90700)
-Reconocido por VDE (File # 94766)
-Incluye la opción V para empaque blanco (ejemplo: 4N25V-M)
-Incluye la opción 300 para empaque negro (ejemplo: 4N25.300)
Aplicaciones:
- Regulador de Suministro de Energía
-.Entradas lógico-Digital
-.Entradas a microprocesador
Nota: Para este caso la casa fabricante maneja dos tipos de diseños para
cada uno de sus dispositivos los cuales tienen diferencias entre si, estas
diferencias son mencionadas en la tabla 3.12 inferior, las figuras de cada
respectivo dispositivo son mostradas en la figura 3.7.
Figura 3.7 Diseños disponibles con sufijo –M (blanco), Sin sufijo –M (negro)
Grados Máximos Absolutos (TA = 25ºC A menos que se especifique de otra
manera)
Parámetros
Totales en dispositivo
Disipación total de poder en dispositivo @ TA =
25ºC
Reduzca la capacidad normal arriba de 25ºC
Símbolo
Valor
PD
250
Unidades
mW
3.3 (sin –M), 2.94 (-M)
Emisor
IF
100 (sin –M), 80 (-M)
mA
VR
6
V
IF (PK)
3.0
A
150 (sin –M), 120 (-M)
mW
DC/ Promedio Corriente de entrada continua
Entrada Voltaje Inverso
Corriente directa-Pico (300µs, 2% Ciclo
Completo)
LED disipación de energía @ TA = 25ºC
Reduzca la capacidad normal arriba de 25ºC
Detector
PD
2.0 (sin –M), 1.41 (-M)
mW/ºC
VCEO
30
V
VCBO
70
V
Voltaje Colector-Emisor
Voltaje Colector-Base
Interrupción de voltaje Colector-Emisor-
VECO
Disipación de energía en Detector @ TA = 25ºC
Reduzca la capacidad normal arriba de 25ºC
PD
7
V
150
mW
2.0 (sin –M), 1.76 (-M)
mW/ºC
Tabla 3.12 Grados máximos y diferencias de los dos tipos de diseños
b). H11D1, H11D2, H11D3, H11D4, 4N38
Los
H11DX
y
4N38
de
la
empresa
Fairchild
son
tipo-
fototransistores Optoaisladores ópticamente acoplados. Un diodo
emisor infrarrojo de manufactura de arseniuro de galio oscuro esta
selectivamente acoplado con un fototransistor NPN de silicio de alto
voltaje. El dispositivo es suministrado en un plástico estándar de 6
pines en un paquete de doble alineado.
Características
-Alto Voltaje
-H11D1, H11D2, BVCER = 300 V
-H11D3, H11D4, BVCER = 200 V
-Alto aislamiento de voltaje
- 5300 VAC RMS - 1 minuto
- 7500 VAC pico - 1 minuto
Aplicaciones
-Reguladores de Suministro de voltaje
-Entradas Lógicas Digitales
-Entradas a Microprocesador
-Aparatos de Sensor en sistemas
-Controles industriales
-Registrado por laboratorios
(UL) reconocido archivo E90700
En la tabla 3.13 se muestran los Grados máximos absolutos del
dispositivo H11D1, H11D2, H11D3, H11D4, 4N38
Grados Máximos Absolutos (TA = 25ºC A menos que se especifique de otra
manera)
Parámetros
Símbolo
260
Totales en dispositivo
Disipación total de poder en dispositivo @
TA = 25ºC
Valor
Unidades
mW
PD
3.5
Reduzca la capacidad normal arriba de 25ºC
mW/ºC
Grados Máximos Absolutos (TA = 25ºC A menos que se especifique de otra manera)
Continuación
Parámetros
Emisor
DC Corriente de entrada continua
Voltaje Inverso de Entrada
Corriente directa-Pico (300µs, 2% Ciclo
Completo)
Símbolo
Valor
Unidades
IF
80
mA
VR
6
V
IF (PK)
3.0
A
150
mW
1.41
mW/ºC
300
mW
4.0
mW/ºC
LED disipación de energía @ TA = 25ºC
Reduzca la capacidad normal arriba de 25ºC
PD
Detector
Disipación de Energía @ TA = 25ºC
Reduzca la capacidad normal linealmente
PD
arriba de 25ºC
*Voltaje ColectorEmisor
H11D1, H11D2
H11D3, H11D4
4N38
300
VCER
200
80
V
H11D1, H11D2
* Voltaje Colector-
H11D3, H11D4
Base
300
VCBO
4N38
200
80
*Voltaje Colector-Emisor
H11D1, H11D2
VECO
7
H11D3, H11D4
Corriente continua en Colector
100
mA
Tabla 3.13 Grados máximos absolutos de la serie H11D1, H11D2, H11D3,
H11D4, 4N38
c) Canal Sencillo: 6N135, 6N136, HCPL-2503, HCPL-4502
Doble Canal: HCPL-2530, HCPL-2531
Los Optoacopladores HCPL-4502/HCPL-2503, 6N135. 6N1356 y
HCPL-2530/HCPL-2531 de la empresa Fairchild, consisten de un LED de
AlGaAs (Arseniuro de galio Aluminio) ópticamente acoplado a un
transistor foto-detector de alta velocidad. Una conexión separada para
la inclinación del fotodiodo aumenta la velocidad por varios grados de
magnitud
por
encima
de
optoacopladores
con
fototransistores
convencionales por la reducción de la capacitancia de base-Colector de
entrada del transistor.
Un escudo interno de ruido proporciona superior rechazo modo
común de 10kV/μs. Un paquete que permite mejorar el superior
aislamiento permitiendo un 480 V de voltaje de trabajo comparado al
estándar industrial de 220 V.
Características:
-Alta velocidad: 1Mbit/s
-CMR superior: 10 kV/μs
--Doble Canal
HCPL-2530/HCPL-2531
-Doble voltaje de trabajo -480V RMS
-CTR• Garantizado 0-70°C
-Reconocido por U.L. (archivo # E90700)
Aplicaciones:
-Líneas receptoras de Sistemas de Comunicación
-Transformación de pulso y reemplazo
-Interfaces de salida para
CMOS-LSTTL-TTL
-Acoplamientos con ancho de banda análoga
En la figura 3.8 a) y b) se muestra la vista del dispositivo y la
configuración interna respectivamente
a)
(b)
Figura 3.8 a) vista del dispositivo, b) configuración interna según numero
de serie 6N135, 6N136, HCPL-2503, HCPL-4502 y HCPL-2530/HCPL-2531
En la tabla 3.14 se observa los Rangos máximos absolutos para este
dispositivo.
Grados Máximos Absolutos (TA = 25ºC A menos que se especifique de otra
manera)
Parámetros
Símbolo
Valor
Unidades
IF (avg)
25
mA
IF (PK)
50
mA
IF (trans)
1
A
VR
5
V
PD
100
mW
Emisor
DC Corriente de entrada continua
Cada Canal (Nota 1)
Corriente directa de entrada -Pico (50% Ciclo Completo 1 ms
P.W)
Cada canal (Nota 2)
Corriente transitoria de entrada-Pico
(≤ 1µs P.W 300 PPS)
Cada canal
Voltaje Inverso de Entrada
Cada canal
Disipación de Energía de entrada
(6N135/6N136 Y HCPL-2503/4502)
(HCPL-2530/2531) Cada canal (Nota 3)
Detector
45
IO (avg)
8
mA
IO (pk)
16
mA
VEB
5
V
VCC
-0.5 a
V
Corriente continua de salida-Cada canal
Corriente Pico de salida -Cada canal
*Voltaje Inverso Base-Emisor
(6N135/6N136 Y HCPL 2503
únicamente)
Suministro de Voltaje
30
Salida de Voltaje
VO
-0.5 a
V
30
Corriente en Base (6N135/6N136 Y
IB
5
mA
HCPL 2503 únicamente
Disipación
de energía
(6N135/6N136 HCPL-2503/4502)
HCPL-2530/2531) Cada canal (Nota 4)
100
PD
35
mW
en salida
Tabla 3.14 Rangos máximos absolutos para esta serie de dispositivos
Para este dispositivo se menciona un tipo de configuración similar
a la básica solo que con diferente distribución dentro del paquete se
aprecia en la figura 3.12 (a) paquete y (b) configuración interna)
respectivamente. El Pin 7 no esta conectado en la parte número HCPL4502.
3.4.2 Optoacopladores de Doble Fototransistor
Este tipo de optoacoplador tiene las mismas características de
funcionamiento que el de un solo fototransistor excepto que este
consta
de
dos
fototransistores
que
funcionan
de
manera
independiente es decir, están diseñados para funcionar con dos
canales, el uso de este dispositivo queda a criterio del usuario y de sus
necesidades. En la tabla inferior se muestran parámetros
comunes
entre varios de los dispositivos que manejaremos para esta sección.
Partiendo de esto mencionaremos las gráficas de configuración interna
básica mostrada en la figura. 3.9 y con datos de aplicación general para
los dispositivos mostrados en la tabla 3.15.
Parámetros
Símbolo
Valor
Unidad
TSTG
-55 a +150
ºC
Temperatura en Operación
TOPR
-55 a +100
ºC
Temperatura de plomo en
TSOL
260 por 10 seg.
ºC
Totales en dispositivo
Almacenamiento de temperatura
soldadura
Tabla 3.15 Parámetros de aplicación general
Variantes:
Para Serie: MCT6, MCT61, MCT62, de Fairchild Semiconductores:
Para Serie: MCT9001 de Fairchild Semiconductores
TSOL = 250 ºC por 10 seg.
a)
b)
Figura 3.9 a) Figura de paquete y b) configuración interna básica.
a).ILCT6/MCT6
El ILCT6 de la empresa Infineon Technologies, es un Optoacoplador
de 8 pines, con dos canales para aplicaciones de altas densidades.
Cada canal consiste en un par ópticamente acoplado con un LED
infrarrojo de Arseniuro de Galio y un fototransistor de silicio NPN. Una
señal de información, incluyendo un nivel de DC, pueden ser
transmitidos por el dispositivo mientras mantiene un alto grado de
aislamiento eléctrico entre la entrada y salida.
El ILCT6 esta especialmente diseñado para manejo de media
velocidad lógica, donde es posiblemente usado es en eliminar
dificultades de tierra, rizo y problemas de ruido. También puede ser
usado para reemplazar relevadores y transformadores en muchas
aplicaciones de interfaces digitales, es además una aplicación análoga
semejante a un modulador CRT.
Características:
-Proporción de Corriente de Transferencia, 50% Típica
-Perdida de Corriente, 1.0 nA Típica
-Dos canales de aislamiento por paquete
-Reemplazo directo por: MCT6
-Bajo prescripción de Laboratorio archivo #E52744
En la tabla 3.16 se muestran los Rangos máximos de este dispositivo y
cada uno de sus componentes
Grados Máximos Absolutos
Emisor (Cada Canal)
Valor
Unidad
Razón de Corriente continúa DC............
60
mA
Corriente continua Pico, DC (1.0µs pulso, 300
3.0
A
Disipación de energía a 25°C Ambiente.
100
mW
Reduzca la capacidad normal linealmente de 25°C.
1.3
mW/°C
Valor
Unidad
pps).
Grados Máximos Absolutos Continuación
Emisor (Cada Canal)
Detector (Cada Canal)
Corriente Colector................................
30
mA
Interrupción de Voltaje Colector-Emisor.
30
V
Disipación de Energía a 25°C Ambiente.
150
mW
2
mW/°C
5300
VRMS
1012
Ω
Reduzca la capacidad normal linealmente de 25°C
Paquete
Aislamiento Voltaje de Prueba.
Resistencia de Aislamiento
VIO = 500 V, TA = 25°C
VIO = 500 V, TA = 100°C
1011
Área de deslizamiento
7.0 mm
Espacio.
7.0 mm
Min.
Almacenaje Total de Disipación a 25°C Ambiente.
400
mW
Reduzca la capacidad linealmente de 25°C
5.33
mW/°C
Tabla 3.16 Rangos máximos para este dispositivo y sus componentes
b). MCT6, MCT61, MCT62,
El MCT6X es un Optoacoplador de 8 pines fabricado por la empresa
Fairchild, tiene dos canales para aplicaciones de densidad.
Para
aplicaciones de cuatro canales, dos paquetes encajan dentro un socket
estándar de 16 Pines. Cada canal es fototransistor de silicio NPN plano
opticamente acoplado a un diodo emisor infrarrojo de Arseniuro de
Galio.
Características:
-Dos canales aislados por paquete
-Dos paquetes encajan en un socket platilla de 16 patillas.
-Elija entre tres Proporciones de corriente de Transferencia
-Preescrito por laboratorios (U.L.) Reconocido en Archivo E90700
Aplicaciones:
-AC Línea /Lógico Digital: Aislamiento de Alto Voltaje transitorio
-Lógico Digital/ Lógico Digital: Elimina espurios de tierra
-Par trenzado/Línea Receptora: Elimina rizo de aterrizaje a través de la
alimentación
-Teléfono/Telégrafo Línea de Recepción: Aislamiento en altos voltajes
transitorios
-Alta Frecuencia en suministro de energía en controles de
retroalimentación:
Mantiene tierras flotantes y transitorias.
-Relevador monitor de contacto: Aislamiento de tierras flotantes y
transitorias
-Monitor en Suministro de Energía: Aislamiento de transitorios
En la tabla 3.17 se muestran los máximos rangos absolutos de este
dispositivo en cuestión
Grados Máximos Absolutos
Niveles
Símbolo
Totales en dispositivo
Disipación total de poder en dispositivo
@ TA = 25ºC
Valor
Unidades
400
mW
5.33
mW/ºC
PD
Reduzca la capacidad normal arriba de
25ºC
Emisor (Cada Canal)
IC
30
mA
VR
3.0
V
IF (PK)
3.0
A
100
mW
PD
1.3
mW/ºC
IC
30
mA
Corriente continua
Voltaje Inverso
Corriente directa-Pico
(PW:= 1 µs, 300 PPS)
LED disipación de energía @ TA = 25ºC
Reduzca la capacidad normal arriba de
25ºC (Entrada Total)
Detector (Cada Canal)
Colector Corriente continua
Disipación de energía en Detector @ TA
150
Grados
= 25ºC Máximos Absolutos Niveles
Símbolo
P
Reduzca latotal
capacidad
normal
arriba de @
Disipación
de poder
en dispositivo
25ºC
T = 25ºC
PD
D
Valor
2.0
400
mW
Unidades
mW/ºC
mW
A
Tabla 3.17 Rangos máximos absolutos para este dispositivo en
cuestión.
c) MCT9001
De igual Descripción que los Optoacopladores de 8 Pines Serie:
MCT6 MCT61 MCT62 de Fairchild Semiconductores, así como también
características de dispositivo y aplicaciones semejantes, excepto por
algunas características eléctricas que se presentan a continuación. En
la tabla 3.18 se muestran los Grados máximos para este dispositivo.
Reduzca la capacidad normal arriba de
4.83
25ºC
Emisor (Cada Canal)
Corriente continua
Voltaje Inverso
Corriente directa-Pico
(PW:= 1 µs, 300 PPS)
IF
60
mA
VR
5.0
V
IF (PK)
3.0
A
100
mW
1.1
mW/ºC
30
mA
LED disipación de energía @ TA = 25ºC
Reduzca la capacidad normal arriba de
PD
25ºC (Entrada Total)
Detector (Cada Canal)
Corriente continua en Colector
IC
Disipación de energía en Detector @ TA =
150
25ºC
1.67
Reduzca la capacidad normal arriba de
mW/ºC
PD
mW
mW/ºC
25ºC
Tabla 3.18 Rangos máximos absolutos del dispositivo
3.4.3 Optoacopladores salida Darlington
Básicamente, este dispositivo es el mismo que el transistor sensible a la luz, excepto que tiene una ganancia
mucho mayor debido a las dos etapas de amplificación, conectadas en cascada, incorporadas en una sola patilla.
En esta sección se mostraran dispositivos que tiene características
similares, por así decirlo son parámetros aplicables a la mayoría de los
dispositivos sin importar la casa fabricante ni numero de serie, es
decir datos técnicos que son comunes y aplicables para cada uno de
ellos. Datos como los que se mencionan en la tabla 3.19, que vienen
siendo denominadores comunes entre una gran mayoría de los
dispositivos que se mencionan aunque existen algunas excepciones
con algunos parámetros que aquí se mencionan, así como la
configuración interna de cada uno que si bien será la configuración
básica para cada sección según sea el caso
Parámetro
Símbolo
Almacenamiento de temperatura
TSTG
Temperatura en Operación
TOPR
Temperatura de plomo en
TSOL
Dispositivo
Todos
Valor
Unidades
-55 a +150
ºC
-55 a +100
ºC
250 por 10 seg.
ºC
soldadura
Tabla 3.19 Parámetros de aplicación general.
Excepciones:
Para Serie: 4N29, 4N29A, 4N30, 4N231, 4N32, 4N32A, 4N33 de Toshiba:
TSOL = 260 ºC por 10 seg.
1: Ánodo
2: Cátodo
3: NC
4: Emisor
5: Colector
6: Base
Figura 3.10 Configuración Interna del dispositivo
Esta tabla se aplica para esta sección de Optoacoplador así como el
diagrama de configuración interna figura 3.10.
No obstante las
coincidencias, aún hay características de importancia que los hace
diferentes y que se presentan en secciones subsecuentes, estas
diferencias por decirlo así serán mencionadas en notas y aclaradas
para cada sección según sea el caso.
a) 4N29, 4N30, 4N31, 4N32, 4N33
Los 4N29, 4N30, 4N31, 4N32, 4N33 de la empresa Fairchild de 6
pines, tienen un emisor infrarrojo de Arseniuro de Galio ópticamente
acoplado a un fotodarlington plano de silicio.
Aplicaciones:
• Circuitos lógicos de baja energía
• Equipos de Telecomunicaciones
• Electrónicos portátiles
• Relevadores en estado sólido
•acoplamiento de interfaces en sistemas de diferentes potenciales e
impedancias
En la tabla 3.20 se muestran los Rangos máximos absolutos para este
dispositivo.
Grados Máximos Absolutos (TA = 25ºC A menos que se especifique de
otra manera)
Parámetros
Símbolo
Valor
Unidades
250
mW
33
mW/ºC
IF
80
mA
VR
3
V
IF (PK)
3.0
A
150
mW
Totales en dispositivo
Disipación total de poder en dispositivo @
PD
TA = 25ºC
Reduzca la capacidad normal arriba de
25ºC
Emisor
Corriente directa continua
Voltaje Inverso
Corriente directa-Pico (300µs, 2% Ciclo
Completo)
LED disipación de energía @ TA = 25ºC
Reduzca la capacidad normal arriba de
PD
2.0
mW/ºC
25ºC
Continuación:
Grados Máximos Absolutos (TA = 25ºC A menos que se especifique de otra
manera)
Parámetros
Símbolo
Valor
Unidades
BVCEO
30
V
Interrupción de voltaje Colector-Base
BVCBO
30
V
Interrupción de voltaje Colector-Emisor-
BVECO
5
V
Disipación de energía en Detector @ TA =
PD
150
mW
2.0
mW/ºC
150
mA
Detector
Interrupción de voltaje Colector-Emisor
25ºC
Reduzca la capacidad normal arriba de
25ºC
Corriente continua en Colector
IC
Tabla 3.20 Rangos máximos absolutos para este dispositivo
b). 4N29, 4N29A, 4N30, 4N231, 4N32, 4N32A, 4N33
Los 4N29 (corto) hasta el 4N33 (corto) de TOSHIBA, con 6 pines;
consisten en un diodo emisor infrarrojo de Arseniuro acoplado con un
Fotodarlington de silicio en un paquete doble alineado.
Aplicaciones:
-Línea de AC/ Aislador Lógico Digital.
-Lógico Digital/Lógico Digital aislador.
-Recepción de Línea de Teléfono
-Monitor de Contacto de Relevador
Características:
-Tiempo de Conmutación: 100µs (Max.)
-Radio de Corriente de Transferencia: 500%
-Resistencia de Aislamiento: 1011Ω (Typ.)
-Voltaje de Aislamiento: 2500Vrms (Min.)
-UL Reconocido: UL1577, Archivo Nº. E67249
En la tabla 3.21 se muestran los máximos rangos absolutos de este
dispositivo y sus componentes.
Grados Máximos Absolutos (TA = 25ºC)
Características
Acoplador
Disipación total de energía en dispositivo
Disipación total de energía en dispositivo @ TA = 25ºC
Reduzca la capacidad normal arriba de 25ºC
LED
Símbolo Valor Unidades
PT
250
ΔPT/ºC
3.3
mW
mW/ºC
IF
80
Reduzca la capacidad normal Corriente hacia delante
ΔIF/ºC
1.07*
Corriente directa-Pico
IPF
3.0
A
LED disipación de energía
PD
150
mW
Reduzca la capacidad normal de disipación de energía
Δ PD /ºC
2.0*
mW/ºC
Voltaje Inverso
VR
3
Características
Símbolo Valor Unidades
Corriente directa continua
Detector
mA
mA/ºC
V
BVCEO
30
V
Voltaje Colector-Base
BVCBO
30
V
Voltaje Colector-Emisor-
BVECO
5
V
Corriente continua Colector
IC
100
mA
Disipación de Energía
PC
150
mV
Δ PC /ºC
2.0*
mW/ºC
BVECO
5
V
Voltaje Colector-Emisor
Reduzca la capacidad normal de disipación de
energía
Voltaje Colector-Emisor-
Tabla 3.21 Rangos máximos absolutos de este dispositivo
Nota: Ancho de Pulso 300µs, 2% de Ciclo Obligatorio
* Arriba de 25ºC ambiente
*JEDEC mínimos registrados BVS, de cualquier forma, Toshiba especifica
un mínimo BVS de
2500 Vrms
3.4.4 Optoacopladores de compuerta Lógica
Como se ha mencionado en varias ocasiones el optoacoplador se
encarga de la transmisión de información por vía de luz que emite de
un Fotodiodo y recibida por un fototransistor que la convierte en
energía eléctrica de nueva vez así pues este tipo de dispositivo hace
exactamente
lo
mismo
excepto
que
antes
de
su
salida
es
proporcionada a una compuerta lógica que dependerá del tipo de
optoacoplador que se necesite puede ser inversora, nand, buffer entre
otras.
Datos como los que se mencionan en la tabla 3.22, que vienen
siendo aplicables entre la mayoría de los dispositivos que se
mencionan. No obstante las coincidencias, aun hay variantes en cada
uno de los dispositivos, estas diferencias por decirlo así serán
mencionadas en notas y aclaradas para cada sección según sea el caso,
como lo veremos en especial en esta sección donde los diagramas
internos de cada uno con algunas variantes serán proporcionados para
cada uno de ellos.
Parámetros
Símbolo
Valor
Unidades
Almacenamiento de temperatura
TSTG
-55 a +125
ºC
Temperatura en Operación
TOPR
-40 a +85
ºC
Temperatura de plomo en soldadura
TSOL
260 por 10
ºC
sec.
Tabla 3.22 Parámetros de aplicación General.
Excepciones:
Para H11L1, H11L2, MOC5007, MOC5008, MOC5009 de MOTOROLA:
TSTG = -55 a +150
TOPR= -48 a +85
a). Canal Sencillo: 6N137 HCPL-2601, HCPL-2611
Doble Canal: HCPL-2630, HCPL-2631
Los Optoacopladores 6N137, HCPL-2601/2611 de canal sencillo y
HCPL-2630/2631 de doble canal de la empresa Fairchild, de 8 pines y
alta velocidad de 10 MBits/s.
Consisten de un LED de Arseniuro de
Galio aluminio (AlGaAs) 850 nm opticamente acoplado a una muy alta
velocidad integrado a un fotodetector de compuerta lógica con una
salida estroboscopia. Esta salida caracteriza a un colector abierto, que
por medio de este permite instalar alambre a las salidas OR.
parámetros
de
acoplamiento
son
garantía
sobre
el
grado
Los
de
temperatura de -40ºC a +85ºC. Una máxima entrada de señal de 5 mA
proveerá de una máxima salida de corriente descendente de 13 mA (de
salidas de 8).
Un escudo interno de ruido provee superior rechazo modo común
de típicamente 10 kV/μs. Los HCPL- 2601 y HCPL- 2631 tienen un
mínimo CMR de 5 kV/μs. Los HCPL-2611 tienen un mínimo CMR de 10
kV/μs.
Características:
•Muy alta velocidad-10 MBit/s
•Superior CMR-10 kV/μs
• Doble voltaje de trabajo -480V
• Fan-out de 8 arriba de -40°C to +85°C
• Salida de compuerta lógica
• Salida estroboscopica
•Colector abierto-Cableado OR
• U.L. reconocida
Aplicaciones:
•Eliminacion de rizo de tierra
• LSTTL a TTL, LSTTL o 5-volt CMOS
• Línea de recepción, transmisión de datos
• Multiplexacion de datos
• Conmutación de suministros de energía
• Transformador de pulso de reposición
• Interfase computadora-periférico
En la figura 3.11 a) y b) se muestran la configuración interna y la
figura del paquete para este dispositivo respectivamente.
a)
b)
Figura 3.11 a) Sellado del paquete a) y b) diagrama de configuración interna
para este dispositivo.
En la tabla 3.23, se muestran los valores de verdad para las
compuertas del dispositivo, siendo H (Alto ó 1 lógico) y L (Bajo ó 0).
ENTRADA
POSIBLE
SALIDA
H
H
L
L
H
H
H
L
H
L
L
H
H
NC
L
L
NC
L
Tabla 3.23 Tabla de verdad para compuertas del dispositivo.
Nota: Un capacitor bypass de 0.1μF debe ser conectado entre los
pines 8 y 5
En la tabla 3.24 se muestran los Grados máximos absolutos de este
dispositivo, mientras que en la 3.25 se mencionan condiciones de
operación recomendada.
Grados Máximos Absolutos (No reduzca la capacidad normal arriba de
los 80 ºC.)
Parámetros
Símbolo
Emisor
DC/ Promedio hacia delante
sencillo
Valor
Unidades
50
Canal
IF
mA
30
Corriente de entrada
Canal Doble (cada
canal)
Posible entrada de voltaje
Canal
sencillo
VE
5.5
V
VR
5.0
V
100
mW
No debe exceder Vcc por mas de 500 mV
Voltaje inverso de entrada
Disipación de energía
Canal
sencillo
PI
45
VCC
7.0
V
50
mA
Canal doble(Cada
canal)
Detector
(1 min. Max)
Suministro de voltaje
Corriente de salida
Canal
IO
sencillo
50
Canal doble(Cada
canal
Voltaje de salida
Cada
VO
7.05
V
canal
Disipación de energía en Detector @ TA = 25ºC
Salida colector
85
Canal sencillo
Disipación de energía
P0
Canal doble(Cada
mW
60
canal)
Tabla 3.24 Grados máximos absolutos de este dispositivo
Recomendaciones de condiciones de operación
Parámetros
Símbolo
Mín.
Máx.
Unidad
Corriente de entrada, Bajo nivel
IFL
0
250
µA
Corriente de entrada, Alto nivel
IFH
*6.3
15
mA
Suministro de Voltaje, En salida
Vcc
4.5
5.5
V
Voltaje Disponible, Bajo nivel
VEL
0
0.8
V
Voltaje Disponible, Alto nivel
VEH
2.0
Vcc
V
TA
-4.0
+85
ºC
Suministros de corriente bajo
nivel
Salida Fan (carga TTL)
N
8
Tabla 3.25 Condiciones de operación recomendada
Nota: 6.3 mA es un valor de seguridad el cual permite por un pequeño
20% de degradación CRT. La entrada inicial de corriente de umbral es un
valor de 5.0 mA o menos.
b). H11L1, H11L2
Considérese los Optoacopladores de iguales características:
-MOC5007 (IF (on) =1.6 mA Max.)
-MOC5008 (IF (on) =4 mA Max.)
-MOC5009 (IF (on) =10 mA Max.)
6-Pines DIP de MOTOROLA
El H11L1 y
H11L2 tienen un IRED de arseniuro de galio
opticamente acoplado a un integrado detector de alta velocidad con
Schmitt trigger de salida. Diseñado para aplicaciones que requieran
aislamiento de voltaje, rápido tiempo de respuesta, inmunidad a ruido
y compatibilidad con lógica digital.
Características:
-Garantizando tiempos de conmutación t on-toff < 4 µs
-Construido en On/Off Umbral de Histéresis
-Amplio suministro de compatibilidad de Voltaje
-Alta velocidad de datos 1 MHz Típica (NRZ)
-Microprocesador con drive compatible
Aplicaciones:
-Interfaz de computadoras, terminal a equipo periférico
-Control digital de suministro de energía
-Línea receptora-Eliminadores de ruido
-Control digital de motores y otras aplicaciones en servo-maquinas
-Lógico a lógico Aislador
-Lógicos pasa Niveles –Acoplamiento TTL a CMOS
El diagrama de configuración interna para este dispositivo en
particular se muestra en la figura 3.12.
Figura 3.12 Configuración interna para este dispositivo
En la tabla 3.26 se mencionan los grados máximos absolutos de
este dispositivo.
Grados Máximos Absolutos (TA = 25 ºC a menos que no se
especifique)
Grados
Símbolo
Valor
Unidad
Entrada a LED
Voltaje Inverso
VR
6
Volts
Corriente hacia delante – Continua-Pico
IF
60
mA
1.2
A
120
mW
1.41
mW/ºC
Ancho de pulso = 300 µs, 2 % de ciclo
completo
LED disipación de energía @ TA = 25 ºC
PD
Reduzca la capacidad normal arriba de
25 ºC
Salida Detector
Rango de Voltaje de salida
VO
0-16
V
Rango de Voltaje de suministro
VCC
3-16
V
Corriente de Salida
Io
50
mA
Disipación de energía en Detector @ TA
PD
150
mW
1.76
mW/ºC
= 25 ºC
Reduzca la capacidad normal arriba de
25 ºC
Totales de Dispositivo
Disipación total en dispositivo @ TA =
PD
25 ºC
250
mW
2.94
mW/ºC
7500
Vac(pk)
Reduzca la capacidad normal arriba de
25 ºC
Aislamiento de sobre-tensión de
VISO
Voltaje
Tabla 3.26 Grados máximos absolutos de este dispositivo
1.- El aislamiento de sobre-tensión de voltaje es un dispositivo interno dieléctrico en
caso de falla. Para esta prueba, los pines 1 y 2 son común, y los 4, 5, y 6 so comunes.
2.- Refiérase a Calidad y sección de Fiabilidad en Opto Data Book para información
sobre condiciones de prueba. Prefiera dispositivos que son recomendados por
Motorola escoja para futuras usos y mejore el rendimiento.
3.-
Siempre diseñe a las especificaciones mínimas/máximas de limites eléctrico
(donde sean aplicables)
4.- Para esta prueba, IRED los pines 1 y 2 son comunes y la compuerta de salida Pin
4, 5, 6 son comunes
5.- RL valor de efecto sobre tiempos de conmutación es insignificante.
3.4.5 Optoacopladores salida Foto-SCR
Básicamente el circuito equivalente con dos transistores de
rectificador controlado de silicio mostrado en la figura 3.13 b), ilustra
el mecanismo de conmutación de este dispositivo. La corriente debida
a los fotones, generada en la unión pn polarizada en sentido inverso,
alcanza la región de puerta y polariza en sentido directo el transistor
npn, iniciando la conmutación. En cada sección de Optoacopladores se
cumplen con características comunes para ciertos dispositivos los
cuales se mencionan en cada unade las secciones, datos como los que
se mencionan en la tabla 3.27, que vienen siendo denominadores
comunes entre la gran mayoría de los dispositivos que se mencionan,
aunque existen algunos con pequeñas variantes que serán aclaradas
en forma oportuna.
Parámetro
Símbolo
Dispositivo
Valor
Unidades
Almacenamiento de temperatura
TSTG
-55 a +150
ºC
Temperatura en Operación
TOPR
-55 a +100
ºC
Temperatura de plomo en
TSOL
250 por 10 seg.
ºC
Todos
soldadura
Tabla 3.27 Parámetros de aplicación general
Variaciones:
Para Serie: H11C1 H11C2 H11C3 H11C4 H11C5 H11C6 de Fairchild
Semiconductor y Serie: H11C4/H11C5/H11C6 de Infineon Tecnologies
TSOL = 260 por 10 seg.
Serie: TLP541G, TLP542G de TOSHIBA:
TSTG = -55 a +125 ºC
TOPR= -30 a +100 ºC
TSOL = 260 por 10 seg.
Algunos de los dispositivos de esta sección manejan diagramas
diferentes en organización al diagrama básico, figura 3.13, por lo que
estos diagramas serán incluidos dentro del contenido de cada uno
a)
b)
Figura 3.13 a) Paquete del dispositivo y b) Diagrama de configuración
interna básico.
.
a) 4N39 4N40
El 4N39 y 4N40 de la empresa Fairchild con 6 pines; tiene un diodo
emisor infrarrojo de Arseniuro de galio ópticamente acoplado con un
silicio sensor activado por luz controlado por un rectificador en un
paquete doble alineado.
Aplicaciones:
-Circuitos
de baja energía
-Equipos de Telecomunicaciones
-Electrónicos portátiles
-Relevadores de estado sólido
-Interfaces de acoplamiento de sistemas de diferentes potenciales e
impedancias.
Características:
-10 A, T2L compatible, Relevador estado sólido
-25 W Indicador lógico controlador de lámpara
-400 V Transistor acoplador simétrico
• Bajo prescripción de laboratorio (UL) reconocido, archivo #E90700
En la tabla 3.28 se muestran los Grados máximos absolutos de este
dispositivo
Grados Máximos Absolutos
Parámetro
Símbolo
Dispositivo
Totales en dispositivo
Disipación total de poder en (-55 a +50ºC)
Reduzca la capacidad normal arriba de
Valor
Unidades
450
mW
PD
9.0
mW/ºC
60
mA
6
V
1.0
A
100
mW
2.0
mW/ºC
50ºC
Emisor
Corriente continua
Voltaje Inverso
Corriente directa-Pico
(300 µs, 2% de Ciclo obligatorio)
IF
VR
Todos
IF (PK)
LED disipación de energía (-55 a +50ºC)
Reduzca la capacidad normal arriba de
50ºC
PD
Detector
Estado apagado y Voltaje Inverso
4N39
200
4N40
400
V
Voltaje Inverso Pico en Compuerta
6
Corriente directa Estado encendido
300
mA
10
A
10
mA
400
mW
80
mW/ºC
Corriente de Subida Estado encendido
(100µs)
Corriente Pico en Compuerta
Disipación de Energía en Detector(-55 a
+50ºC)
Reduzca la capacidad normal arriba de
PD
Todos
50ºC
Tabla 3.28 Grados máximos absolutos para este dispositivo.
b) H11C1 H11C2 H11C3 H11C4 H11C5 H11C6
La serie H11C de la empresa Fairchild con 6 pines; consiste de un
diodo emisor infrarrojo de arseniuro de galio opticamente acoplado
con un sensor de silicio activado por luz, controlado por un
rectificador en un paquete doble alineado.
Características:
-Alta eficacia, baja degradación, LED de liquido Epitexial
-Bajo prescripción de laboratorio (UL) archivo #E90700
-Reconocimiento VDE (Archivo #94766)
-Bloqueo de Voltaje Pico 200V/400V
-Alto aislamiento de voltaje 5300V AC (RMS)
Aplicaciones:
-Circuitos lógicos de baja potencia
-Equipos de telecomunicaciones
-Electrónicos Portátiles
-Relevadores de estado sólido
-Interfaces de Acoplamiento de sistemas de diferentes potenciales e
impedancias.
-10 A, T2L compatibilidad, Relevador en estado sólido
-25 W Indicador manejado por lámpara
-200 V Transistor Simétrico Acoplador (H11C1, H11C2, H11C3)
-400 V Transistor Simétrico Acoplador (H11C4, H11C5, H11C6)
En la tabla 3.29 se muestran los Grados máximos de este
dispositivo.
Grados Máximos Absolutos
Parámetros
Símbolo
Dispositiv
Valor
Unidades
60
mA
6
V
3.0
A
o
Emisor
IF
Corriente continua
Voltaje Inverso
VR
Corriente directa-Pico
(300pps, 1 µs, pulso)
IF (PK)
Todos
LED disipación de energía (-55 a +50ºC)
Reduzca la capacidad normal arriba de 25ºC
PD
100
mW
1.33
mW/ºC
Detector
400
Disipación de energía (Ambiente) Reduzca la capacidad
5.3
normal linealmente arriba de 25 ºC ambiente
PD
Disipación de energía (Paquete) Reduzca la capacidad
1
normal arriba de 25 ºC ambiente
Voltaje Inverso Pico en compuerta
Corriente RMS Estado encendido
Corriente RMS Estado encendido
( 100µs, 1 % ciclo obligado)
Corriente de subida (10ms)
VGR
Todos
IDM(RMS)
IDM(Pico)
IDM(Subida)
mW
mW/ºC
13.3
6
V
300
mA
10
A
5
A
H11C1,
Voltaje Directo Pico
VDM
H11C2,
200
H11C3
V
H11C4,
Voltaje Directo Pico
VDM
H11C5,
H11C6
Tabla 3.29 Grados máximos para este dispositivo
400
c) TLP541G, TLP542G
El TOSHIBA TLP541G de 6 y 8 pines; consiste de un foto-tiristor
opticamente acoplado a un diodo emisor infrarrojo de Arseniuro de
Galio en un paquete plástico de seis patillas, mientras que el TOSHIBA
TLP542G consiste en un paquete de plástico DIP con siete patillas.
Aplicaciones:
Controladores Programables
Modulo de Salida-AC
Relevador en estado sólido
Características:
-Voltaje Pico en estado apagado: 400 V (min.)
-Corriente en Gatillo de LED: 7 mA (max.)
-Corriente en estado encendido: 150 mA (max.)
Aislamiento de Voltaje: 2500 Vrms (min.)
Reconocido por UL: UL1577, Archivo No. E67349
En la figura 3.14.se muestra la configuración interna de este
dispositivo.
Figura 3.14 Configuración interna
En la tabla 3.30 se mencionan los Grados máximos absolutos de
este dispositivo, mientras que en la 3.31 se muestran algunas
condiciones de operación.
Grados Máximos Absolutos ( TA = 25 ºC )
Parámetro
Emisor
Corriente continua
Voltaje Inverso
Corriente Hacia delante Reduciendo
la capacidad normal arriba de 25ºC
Corriente Hacia delante Pico
(100 µs pulso, 100pps)
Temperatura en unión
Símbolo
Valor
Unidades
IF
7
mA
VR
5
V
ΔIF /ºC
-0.7
mA/ºC
IFP
1
A
Tj
125
ºC
VDRM
400
VRRM
400
ΔIT/ºC
-2.0
mA/ºC
ITSM
2
A
Tj
100
ºC
Detector
Voltaje Pico hacia delante (RGK =
V
27kΩ)
Voltaje Inverso Pico (RGK = 27kΩ)
Corriente en estado encendido
Reduciendo la capacidad normal
Ta ≥ 25ºC
Un ciclo Pico Corriente en subida
Temperatura en unión
Tabla 3.30 Grados máximos absolutos de este dispositivo
Condiciones de Operación Recomendadas
Características
Suministro de Voltaje
Símbolo
VAC
Mín.
Típ.
Máx.
Unid.
120
Vac
Corriente Hacia delante
IF
10
Temperatura de Operación
Topr
-30
Resistencia Compuerta a Cátodo
RGK
CGK
Capacitancia Compuerta a
Cátodo
16
25
mA
85
ºC
27
33
kΩ
0.01
0.1
µF
Tabla 3.31 Condiciones de operación recomendada.
3.4.6 Optoacopladores salida a Triac
Este tipo de dispositivo, se compone de un optoacoplador con una etapa de
salida formada por un triac, se utiliza para aislar una circuiteria de baja tensión en
una red de comunicación. En las series que se presentan en esta sección algunos
parámetros aplicables a la mayoría de los dispositivos sin importar la casa
fabricante ni numero de serie, es decir datos técnicos que son comunes y
aplicables para cada uno de ellos. Datos como los que se mencionan en la tabla
3.32, que vienen siendo denominadores comunes entre la mayoría para esta
subdivisión de dispositivos, los datos de la siguiente tabla son aplicables para
todos estos, aunque existen algunas variables entre algunos las cuales se
aclararan en forma oportuna.
Grados Máximos Absolutos
Parámetro
Símbolo
Totales en dispositivo
Dispositivo
TSTG
Valor
Unidades
-40 a +150
ºC
Almacenamiento de
temperatura
Todos
Temperatura en Operación
TOPR
-40 a +100
ºC
Temperatura de plomo en
TSOL
260 por 10 seg.
ºC
soldadura
Tabla 3.32 Parámetros de aplicación general.
Variaciones:
Para Serie: MOC3009 MOC3012 de Texas Instruments
TSTG = -55 a +100 ºC
Para serie: MOC3010M, MOC3011M, MOC3012M, MOC3020M, MOC3021M,
MOC3022M
y MOC3023M de Fairchild Semiconductor
TOPR= -30 a +85 ºC
Los datos proporcionados así como también el diagrama de
configuración básica, figura 3.15, para este tipo de optoacopladores
pueden ser diferentes para algunos casos y para estas situaciones los
diagramas con diferencias estarán disponibles en cada dispositivo.
1. Ánodo
2. Cátodo
4. Terminal principal
6. Terminal principal
Figura 3.15 Símbolo de Optoacoplador Foto Triac
a).MOC2A60-5 y MOC2A60-10
Este Optoacoplador de poder de Motorola, con 9 pines; consiste de
un diodo emisor infrarrojo de arseniuro de galio opticamente acoplado
a un circuito Triac de paso cero conductor y un Triac de poder, este es
capaz de conducir una carga de mas de 2 amperes (rms) directamente,
en líneas de voltajes de 20 a 280 Vac (rms).
Características:
-Suministra normalmente abierto un estado sólido AC salida con
nivel 2 Amp.
-Capacidad Ciclo sencillo en subida 70 A,
-Cero Voltaje encendido y apagado cero corriente
-Alto aislamiento entrada-salida de 3750 Vac (rms)
-Nivel dv/dt estático de 400 Volts/ms garantizado
-2 A Nivel piloto obligado por UL508 _117 (Prueba de sobrecarga), y
118 (Prueba de Resistencia) [Archivo No. 129224]
-Aprobado por CSA [Archivo No. CA77170–1].
-Aprobado SEMKO Certificado #9507228
-Excede NEMA 2–230 y IEEE472 Inmunidad a ruido requerimiento
para prueba (Ver circuito de prueba)
Para este dispositivo se aplica el
configuración
interna
mostrado
en
la
diagrama de paquete y
figura
3.16
(a)
respectivamente.
(b)
(a)
Figura 3.16 (a) Vista del paquete y (b) configuración interna
y
(b)
Los Rangos máximos de este dispositivo se mencionan en la tabla
3.33 de este dispositivo.
Rangos en Dispositivo (TA = 25 ºC a menos que se especifique de otra forma)
Grados
Símbolo
Valor
Unidad
IF
50
mA
IF(pk)
1.0
A
VR
6.0
V
VDRM
600
V(pk)
Entrada LED
Corriente hacia delante –Máxima continua
Corriente hacia delante-Máxima pico (PW = 100µs, 120
pps)
Voltaje inverso- máximo
Salida TRIAC
Voltaje Terminal de salida- Máxima Trascendente (1)
Rango de Voltaje de operación – máximo continuo (f = 4763 Hz)
Rango de Corriente estado encendido (aire libre, Factor
de Poder ≥0.3)
Ciclo sencillo No repetitivo Corriente de subida corriente
VT
IT8rms)
10 a
280
0.03 a
2.0
Vac(rms)
A
ITSM
70
A
Terminal principal Corriente de Fusión (t = 8.3 ms)
I2T
26
A2seg.
Rango Factor Poder de Carga
PF
– Pico máximo (t = 16.7 ms)
Rango Temperatura de Unión
TJ
0.3 a
1.0
-40 a
125
ºC
Tabla 3.33 Rangos máximos absolutos para este dispositivo.
Nota: 1. Prueba de voltajes debe ser aplicada con su rango dv/dt
2. Entrada- Salida aislamiento de Voltaje, V ISO, es un dispositivo dieléctrico
de interrupción
interno. Para esta prueba, pines 2, 3 son comunes,
y los 7 y 9 son comunes.
3. Por EIA/NARM estándar RS–443, con VP = 200 V, el cual es el pico
instantáneo del máximo
voltaje de operación.
b).MOC3009 MOC3012 (Texas Instruments )
Características:
-Salida Manejada por Fototriac 250 V
-Fuente diodo infrarrojo de arseniuro de galio
-Y opticamente acoplado a un Triac conductor
(De conmutación Bilateral)
-Reconocido por UL, Archivo No. E65085
-Alto aislamiento 7500 V Pico
-Salida conductora diseñada para 115 Vac
-6 pines estándar en un plástico DIP
-Directamente intercambiable con Motorola
MOC3009, MOC3010, MOC3011, y
MOC3012
Aplicaciones Típicas de 115 Vac (rms)
-Controles de válvulas solenoides
-Balastros de lámpara
-Interfaces de microprocesadores a periféricos 115 Vac
-Controles de motor
-Dimmers de lámparas incandescentes
En la figura 3.17 se
muestra el diagrama de Pines de este
dispositivo, con configuración interna básica
Figura 3.17 Configuración de pines
Rangos Máximos Absolutos ( 25ºC temperatura al aire libre. A menos que no se
especifique )
Voltaje Pico Entrada – Salida, 5 s máxima duración, 60 Hz (ver nota 1). . . . . . . . . . .
. . 7.5 kV
Entrada a diodo de Voltaje inverso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.3V
Entrada a diodo corriente continúa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50 mA
Salida Voltaje Pico Repetitivo en estado apagado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 250 V
Salida de Corriente estado apagado, valor total en rms (50-60 Hz, señal onda
total):
TA = 25ºC….....................................100 mA
TA = 70ºC…….................................. 50 mA
Salida conductora corriente pico mono-repetitivo en estado encendido
(tw = 10 ms, Ciclo Obligado = 10%) . . . . . . 1.2 A
Continúa disipación de energía a (o por debajo) 25ºC temperatura al aire libre
Diodo Emisor infrarrojo (Ver Nota 2). . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
100 mW
Fototriac (Ver Nota 3). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
300 mW
Total en dispositivo (Ver Nota 4). . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
330 mW
Tensiones después de este listado bajo ―Rangos Máximos Absolutos‖
pueden causar daño permanente al dispositivo. Estas son tensiones medidas
únicamente
y
funcionalmente
en
operación
del
dispositivo
u
otras
condiciones después bajo ―Condiciones de Operación Recomendadas‖. La
exposición a los grados máximos absolutos por periodos extensos puede
afectar la fiabilidad del dispositivo.
Notas :
1. Voltajes pico Entrada a Salida, es un dispositivo interno de niveles de falla.
2. Reduzca la capacidad linealmente a 100ºC temperatura al aire libre a un coeficiente
de 1.33 mW/ºC.
3. Reduzca la capacidad linealmente a 100ºC temperatura al aire libre a un coeficiente
de 4 mW/ºC.
4. Reduzca la capacidad linealmente a 100ºC temperatura al aire libre a un coeficiente
de 4.4 mW
c).MOC3010M,
MOC3011M,
MOC3012M,
MOC3020M,
MOC3021M,
MOC3022M y MOC3023M
Las series MOC301XM y MOC302XM de la empresa Fairchild de fase
aleatoria, con 6 pines; son dispositivos conductores Triac opticamente
aislados. Estos dispositivos contienen un diodo emisor infrarrojo de
Arseniuro de galio y un silicio activado por luz de conmutación
bilateral, el cual funciona como un Triac. Estos son diseñados para
interfaces entre controles electrónicos y Triacs de poder para controles
resistivos y cargas inductivas para 115 VAC de operación.
Características:
-Excelente Estabilidad de IFT —IR Diodo Emisor tiene baja
degradación
-Alto aislamiento de Voltaje—mínimo 5300 VAC RMS
-Bajo prescripción de Laboratorio (UL) reconocido—Archivo
#E90700
-Bloqueo de voltaje Pico
– 250V-MOC301XM
– 400V-MOC302XM
Reconocido por VDE (Archivo #94766)
Aplicaciones:
-Controles industriales-Controles de válvulas solenoides
-Luces de Tráfico-Estática energía AC en conmutador
-Distribuidores automáticos-Dimers para lámparas incandescentes
-Relevador en estado sólido- controles de motor
-Balastros para lámparas
En la tabla 3.34 se muestran los Rangos máximos absolutos de este
dispositivo.
Grados Máximos Absolutos (TA = 25 ºC a menos que se especifique de otra
forma)
Parámetros
Aislamiento de Voltaje hacia arriba
Símbolo
Dispositivo
Valor
Unidad
7500
Vac(pk)
330
mW
4.4
mW/ºC
IF
60
mA
VR
3
V
PD
1.33
mW/ºC
VISO
Disipación Total de energía en
Dispositivo
@ 25 ºC reduzca la capacidad arriba de
PD
Todos
25ºC
Emisor
Corriente continua hacia delante
Voltaje Inverso
Disipación Total de energía @ 25 ºC
ambiente
reduzca la capacidad arriba de 25ºC
MOC3010M,1M
Detector
Salida de Voltaje a terminal Estado
apagado
VDRM
,2M,
250
MOC3020M,
400
V
1M,2M, 3M
Pico repetitivo Corriente de subida
(PW= 1 ms, 120 pps)
ITSM
Todos
Disipación Total de energía @ 25 ºC
ambiente
PD
reduzca la capacidad arriba de 25ºC
Tabla 3.34 Rangos máximos absolutos
1
A
300
mW
4
mW/ºC
CAPITULO 4
APLICACIONES
4.1 Introducción
Es algo claro para nosotros que el hecho de aprender a trabajar con
dispositivos electrónicos es de mucha importancia, y de ahí que es
necesario
tener
por
lo
menos
conocimiento
básico
de
los
requerimientos y características de los componentes con los que
tratemos, una vez que este conocimiento básico y teórico es visto se
puede seguir con el siguiente paso, paso a paso en el diseño de un
circuito una vez diseñado en papel se puede pasar a lo que será la
implementación del mismo.
Existe un universo de circuitos tan increíblemente pequeños como
también grandes pero solo en extensión por que pueden estar
formados por infinidad de miniaturas de ellos que trabajan en
conjunto para un solo fin, para el que fueron diseñados, desde la
utilización cotidiana, tan claro como el control de la TV, hasta
aplicaciones mas sofisticadas, tan es así que a veces es imposible
pensar en un mundo sin la utilización de dispositivos electrónicos.
Pero siempre hay que tener en cuenta que para los diseños de
dispositivos ya sea de telecomunicaciones, seguridad, entretenimiento,
y de uso común se basan en una simple idea y que la conjunción de
varios circuitos forman este fin común.
Para este capitulo nos dimos a la tarea de mostrar algunas
implementaciones que pueden ser de utilidad para el diseño de
dispositivos por que sabemos que todo se basa en una idea simple y
que esa idea se puede llevar a cabo con un poco de incentivo.
4.2 Circuito Transmisor y Receptor de señales IR.
En estos circuitos se va a mostrar un transmisor y un receptor de
señales IR, los cuales dependerá de uno que uso se le quiera dar. En
este circuito se propone la utilización del diodo IR de la empresa
Fairchild QED233/234. En la figura 4.1 se muestra el transmisor.
Figura 4.1 Transmisor de señales IR
Se puede observar que los pines 5 y 7 del integrado quedan libres.
El interruptor dentro del circuito cumple la función de activarlo o
desactivarlo.
El potenciómetro, permite regular la frecuencia de
trabajo en un rango de 36 a 40 KHz.
Reduciendo el valor de R3 se
puede aumentar la intensidad de emisión y así su alcance.
El
transistor Q1 puede ser un 2N2222 o 2N2219. Ahora vamos a mostrar
el circuito receptor, que es muy simple y que se muestra en la figura
4.2.
Figura 4.2 Circuito receptor de señales IR
4.3 Modulo Seguidor de Líneas: con integrado CD40106
El circuito de la figura 4.3, esta diseñado para que funcione como
un seguidor de líneas, está basado en el integrado CD40106, el módulo
incorpora emisor y receptor, más una salida para cada sensor, que
refleja su estado en forma lógica. En este circuito se pueden utilizar
los sensores de un mouse cualquiera.
Figura 4.3 Módulo seguidor de líneas
Ahora vamos a describir algunas partes de este circuito:
•
RV1.
Es la resistencia variable (Preset) que nos permite
regular la frecuencia del oscilador.
•
RV2 y RV3, son los Preset que regulan la sensibilidad de los
fotodiodos conectados a la izquierda y a la derecha del módulo
respectivamente.
•
J1 y J2 son los Jumper de selección del estado lógico que
reflejará la salida de los sensores, y como cumplen la misma
función en ambos lados, sólo describiremos uno.
Con J en la posición 1, el receptor estará trabajando con un sólo
inversor, en
esta situación enviará un 1 lógico a la salida siempre
que se esté recibiendo la señal del IR.
Con J en la posición 2, la situación será totalmente opuesta, el
receptor enviará un 0 lógico a la salida siempre que se esté recibiendo
señal del IR.
4.4 Modulo Seguidor de Líneas con emisor y receptor de IR
El módulo seguidor de líneas que mostraremos a continuación, se
pueden emplear los sensores de un mouse cualquiera, pero en nuestro
caso emplearemos dos diodos IR (QEE113) y dos fototransistores IR
(QSE113/114) de la empresa Fairchild.
Circuito de operación de los sensores: En la figura 4.4 se observa el
circuito de funcionamiento de los sensores en el seguidor de líneas,
tanto el diodo IR como el fototransistor tienen que ser alimentados con
una batería de 9V y se utiliza un diodo LED para observar el
funcionamiento de los sensores. Cuando están sobre la línea negra de
la ruta de prueba, se observa que la intensidad del diodo LED se
incrementa y cuando los sensores están sobre la superficie blanca, la
intensidad del LED disminuye.
Para la implementación final debemos construir dos circuitos como
el que se muestra en la figura 4.4.
Figura 4.4 Circuito de funcionamiento de sensores
Después de haber armado los circuitos de la figura 4.4; lo siguiente
es ubicar los sensores en el chasis del robot, como se observa en la
figura 4.5.
Figura 4.5 Ubicación de los sensores en el chasis
Funcionamiento
a) Los sensores: El funcionamiento de los sensores se da en
principio con la polarización directa del diodo IR.
Esta polarización
surge con una resistencia en serie de 680 ohmios, como se muestra en
la figura 4.4. Para verificar la correcta polarización utilizar un
multímetro, y medir la corriente que circula por el ramal. Debe haber
una corriente de alrededor de 15mA, esto indica circulación de
corriente por la rama y que el diodo IR está correctamente polarizado.
El fototransistor recibe en la base una pequeña corriente y esto
depende de la cantidad de luz infrarroja que incide en él.
En la
aplicación del seguidor de líneas, la luz proveniente del diodo IR choca
con la superficie de color blanco y rebota en dirección al fototransistor,
ocasionando esa pequeña corriente en la base que polariza al
transistor y hace que el diodo LED (D2) se encienda con mayor
intensidad.
Cuando la luz infrarroja incide sobre la superficie negra, es
absorbida gran cantidad de esta luz, haciendo que la luz infrarroja se
refleje al fototransistor con una atenuación considerable y por
consiguiente, la corriente de base se hace más pequeña.
Como
resultado, el diodo LED (D2) se prende de manera tenue.
b)
El LM324: Para el funcionamiento del seguidor de líneas, se
utiliza el amplificador operacional LM324.
A su salida, dependiendo
del tipo de motores que se esté utilizando, se puede utilizar el
transistor BD139, como se muestra en la figura 4.6.
Figura 4.6 Utilización de transistor BD139 en circuito seguidor de líneas
Este amplificador operacional está configurado como comparador
de tensión el cual lo ajustamos haciendo variar el potenciómetro de
10K conectado a la entrada no inversora del amplificador operacional.
Este potenciómetro entrega a la entrada no inversora diferentes
niveles de tensión y los compara con la entrada de la etapa inversora.
En la entrada inversora del amplificador operacional tenemos la
señal proveniente del emisor del fototransistor, la cual tendrá
diferentes niveles de tensión; dependiendo de la corriente de base. En
el pin de salida del amplificador operacional tendremos, dependiendo
de los niveles de las tensiones de entrada, un voltaje de alimentación
de 9V o de 0 Voltios.
c) Etapa de potencia: Para un correcto control de los motores, se
deben invertir las salidas del LM324 que van a la base de los
transistores BD139, de tal forma que el sensor derecho controle el
motor izquierdo, y el sensor izquierdo controle el motor derecho.
También en el circuito se observa la utilización de dos baterías, una
para la parte electrónica y otra para los motores. Dependiendo de la
dimensión y peso de los motores del seguidor de líneas.
El circuito de la figura 4.6 se debe construir en duplicado uno para
cada motor. Se recomienda el uso de motores de 6V o de tensiones
menores. Este tipo de motores y su correspondiente parte mecánica de
fuerza se pueden obtener de walkman.
4.5 Subsistemas Electrónicos de Comunicaciones: Enlace por IR.
Este es un sistema completo de comunicaciones, compuesto por un
emisor y un receptor de IR. El sistema de comunicaciones está
compuesto por un módulo emisor y uno receptor que conforman un
enlace IR. El módulo emisor modula en frecuencia una señal de audio
recogida por un micrófono, y la emite mediante un fotodiodo IR. Por
otra parte, en el módulo receptor, otro fotodiodo capta la señal de
infrarrojos,
que
es
acondicionada
antes
de
la
demodulación.
Posteriormente, la señal obtenida es amplificada para, finalmente,
alimentar al altavoz. El diagrama de este sistema se puede observar
en la figura 4.7.
Módulo emisor de F.M.
Figura 4.7 Emisor F.M. con diodo IR
El emisor, cuyo esquema se muestra en la figura 4.7, está
compuesto por los siguientes bloques:
Micrófono: Se utiliza la microcápsula de condensador electret FOX
2213.
Se trata de un micrófono omnidireccional con las siguientes
características:
•
Respuesta en frecuencia: 50 Hz –12 KHz.
•
Alimentación: 1.5 a 15 V.
•
Impedancia: 159 a 5000Ω máximo.
Su alimentación se realiza a través de una resistencia limitadora
(1KΩ) conectada a la salida de audio.
Amplificador:
Para
amplificar
la
señal
suministrada
por
el
micrófono se diseña un amplificador inversor con el A.O. LF356N, que,
por sus características, se adecua a los requerimientos de la aplicación.
El amplificador tiene la misión de adecuar la señal del Micrófono al
modulador.
Para aprovechar mejor la característica lineal del
modulador, se polariza en el centro de la curva de funcionamiento.
Esto requiere que el amplificador suministre en continua una tensión
VDD/2 a la entrada VCOIN del modulador, lo que se consigue colocando
una tensión de polarización en V+ del A.O. que se regula con el
potenciómetro POT1. Por otro lado, y dado que la amplitud de la señal
de salida del micrófono es muy variable, se incluye el potenciómetro
POT2 para permitir la regulación de la ganancia del amplificador hasta
un máximo de Av = 100.
Modulador: Su función es la de oscilar a una frecuencia que pueda
ser variada según la tensión de la señal moduladora, obtenida a partir
del amplificador. Se ha elegido el PLL HEF4046 que puede usarse como
VCO, modulador y demodulador de FM.
La frecuencia central del
modulador se ha ajustado a 100KHz mediante los componentes
externos R4 = 10 KΩ, R3 = 100 KΩ y C6 = 330 pF.
Emisor de infrarrojos: El C.I. 4046 proporciona a su salida una
señal cuadrada (0-10V) modulada en frecuencia en su patilla VCout.
Mediante la red basada en un transistor N-BJT (p. ej., 547 ó 548), se
excita el diodo emisor IR, polarizado directamente. El valor máximo de
corriente por el fotodiodo es de 100mA, (Imáx= 10V/100Ω), que supone
una potencia radiada de 8 mW para una longitud de onda de 950 nm.
Hay que considerar la alta directividad de este dispositivo en el eje
longitudinal del encapsulado.
Módulo receptor de F.M.
El receptor, cuyo esquema se muestra en la figura 4.8, se compone
de los siguientes bloques:
Figura 4.8 Receptor F.M. con diodo IR
Receptor de infrarrojos y amplificador acondicionador: Se trata de
un circuito muy simplificado. La red, formada por un fotodiodo
receptor IR polarizado inversamente y una resistencia serie limitadora
R1 de 100Ω, convierte el flujo IR modulado en frecuencia en corriente
eléctrica proporcional a la potencia de radiación recibida.
La señal
amplificada por el transistor Q1 en emisor común ataca al circuito de
demodulación por la pata SIN.
Demodulador: Su función es extraer la señal moduladora a partir
del tren de pulsos, y se realiza de nuevo con el CI PLL 4046. El diseño
del filtro paso-bajo R6C3 de salida exige un cuidado diseño, que debe
considerar la máxima amplitud el ancho de banda de la señal en el
micrófono.
Amplificador de audio: Se emplea el A.O. TDA2002 en configuración
no inversora, capaz de suministrar la corriente que requiere el altavoz
de 8 Ω.
4.6 Circuitos de prueba para Optoacopladores
4.6.1 Salida a Fototransistor
Circuito de Prueba de Conmutación: Los siguientes diagramas
representan
circuitos
para
prueba
de
conmutación
para
los
dispositivos que se mencionan a continuación en las series apuntadas
en cada uno de ellos cabe mencionar que cada uno de estos
dispositivos son de salida a Fototransistor.
a) 4N25, 4N26, 4N27, 4N28, 4N35, 4N36, 4N37, H11A1, H11A2,
H11A3, H11A4, H11A5..
Diagrama
de
prueba
de
conmutación
para
Optoacopladores
propuesto por Fairchild Semiconductores que se muestra en la figura
4.9
Figura 4.9 Diagrama de conmutación de salida de fototransistor
b) Canal Sencillo: 6N135, 6N136, HCPL-2503, HCPL-4502
Doble Canal: HCPL-2530, HCPL-2531.
Estos diagramas son propuestos para optoacopladores de alta
velocidad de Fairchild Semiconductores, son diagramas de prueba de
conmutación de utilidad para sistemas de comunicación, mostrados en
las figuras 4.10 (a) y (b).
Figura 4.10 a) Dispositivo: 6N135, 6N136, HCPL-2503, HCPL-4502
Figura 4.10 b) Dispositivo: HCPL-2530, HCPL-2531
Nota: valores recomendados para dispositivos de las figuras
anteriores:
TA = 25°C, (RL = 4.1 kΩ, IF = 16 mA) (Nota 1) 6N135, HCPL-2530
(RL = 1.9 kΩ, IF = 16 mA) (Nota 2) 6N136, HCPL-4502, HCPL-2503, HCPL-2531
(RL = 4.1 kΩ, IF = 16 mA) (Nota 1) 6N135, HCPL-2530
(RL = 1.9 kΩ, IF = 16 mA) (Nota 2) 6N136, HCPL-4502, HCPL-2503, HCPL-2531
Los diagramas que a continuación se muestran son para prueba de
modo común de los dispositivos cuyos números de serie aparecen en
cada uno de ellos, figura 4.11 a) y b) respectivamente, estos son para la
practica de la efectividad de estos de acuerdo a las necesidades del
diseñador y los márgenes que espera obtener al diseñar su circuito
con el dispositivo optoacoplador y la salida que mejor se ajusten a sus
necesidades.
Circuitos de Prueba para Modo común de inmunidad
Figura 4.11 a) Dispositivo: 6N135, 6N136 HCPL-2503, HCPL-4502
Figura 4.11 b) Dispositivo: HCPL-2530, HCPL-2531
Nota: Valores recomendados para los circuitos anteriores así como
para el numero de serie de cada uno de ellos.
TA = 25°C, (RL = 4.1 kΩ, IF = 16 mA) (Nota 1) 6N135, HCPL-2530
(RL = 1.9 kΩ, IF = 16 mA) (Nota 2) 6N136, HCPL-4502, HCPL-2503, HCPL-2531
(RL = 4.1 kΩ, IF = 16 mA) (Nota 1) 6N135, HCPL-2530
(RL = 1.9 kΩ, IF = 16 mA) (Nota 2) 6N136, HCPL-4502, HCPL-2503, HCPL-2531
Nota:
1. La carga de 4.1 kΩ representa 1 LSTTL unidad de carga de 0.36 mA y 6.1 kΩ
resistor pull-up
2. La carga de 1.9 kΩ representa 1 TTL unidad de carga de 1.6 mA y 5.6 kΩ
resistor pull-up
4.6.2 Doble Fototransistor
a) ILCT6/MCT6
Infineon
Technologies,
Corp.
Optoelectronics
Division
muestra
un
Circuito de Prueba de Conmutación para serie de optoacoplador de esta
sección, es mostrado en la figura 4.12.
Figura 4.12 Diagrama de prueba de Conmutación
4.6.3 Salida Darlington
a) Serie: 4N29, 4N30, 4N31, 4N32, 4N33 De Fairchild Semiconductores
b) Serie: 4N29, 4N29A, 4N30, 4N231, 4N32, 4N32A, 4N33 (Corto) 6 Pines de
TOSHIBA
En esta sección de optoacopladores se muestra el circuito de la
figura 4.13, característico para la prueba de conmutación.
25ºC Temperatura al aire libre a menos que se especifique de otra
manera
Figura 4.13 Circuito de prueba de Tiempo de Conmutación.
Notas:
*indicaciones JEDEC de datos registrados.
1.- La razón de corriente de transferencia (IC/IF) es la razón del corriente
en colector del detector a la entrada de corriente del LED VCE @ 10 V.
2.-Prueba de pulso: ancho de pulso = 300µs, ciclo completo ≤ 2.0 %
3.-Para la instalación de prueba de circuito y la forma de onda use como
la figura anterior.
4.-IF ajusta a IC = 2.0 mA e IC = 0.7 mA rms
5.-La frecuencia a la cual IC es 3 dB debajo de 1KHz de valor.
6.-para esta prueba, LED pin 1 y 2 son común, y en fototransistor pin 4, 5
y 6 también.
4.6.4 Compuerta Lógica
a) Canal Sencillo: 6N137 HCPL-2601, HCPL-2611
Canal Doble: HCPL-2630, HCPL-2631
Este tipo de dispositivos cuentan con salida dependiendo de su
número de serie y aquí se muestran circuitos de prueba de
conmutación propuestos para Optoacoplador de 8 Pines de Fairchild
Semiconductores, como se muestra en las figuras 4.14 a) y b)
Figura 4.14 a) Circuito de Prueba para tPLH, tPHL, tr, y tf
Figura 4.14 b) Circuito de Prueba para tEHL, tELH
Nota. 0.1 µF para capacitor Bypass
En la presente sección, también se propone un circuito para prueba de
modo común en inmunidad transitoria mostrado en la figura 4.15
Figura 4.15 Circuito de Prueba modo común
Nota:(RL = 350 Ω) (IF = 7.5 mA, V (Max.) = 0.8 V) Rvar = 10 kΩ
OL
.
c) H11L1, H11L2, MOC5007, MOC5008, MOC5009
Se propone para este dispositivo un circuito para pruaba de
conmutación para un optoacoplador de 6 Pines de MOTOROLA, como se
muestra en la figura 4.16, para esta serie en particular.
Figura 4.16 Circuito de Prueba de Conmutación.
4.6.5 Salida SCR
a) 4N39, 4N40
b) H11C1 H11C2 H11C3 H11C4 H11C5 H11C6.
c) H11C1, H11C2, H11C3, H11C4, H11C5 y H11C6.
Algunos circuitos de prueba de acoplamiento con salida SCR
propuesto para esta sección de dispositivos de 6 Pines de Fairchild
Semiconductor y de 6 Pines de QT Optoelectronics como se muestra en
la figura 4.17.
Figura 4.17 Circuito para Prueba de Acoplamiento
Algunas Aplicaciones Típicas son propuestas en los siguientes
circuitos de prueba.
10A, T2L Compatible con Relevador estado sólido: El uso de el 4N40
para
alta
sensitividad,
5300
V
capacidad
de
aislamiento,
este
proporciona una alta fiabilidad en diseño de relevador en estado
sólido. Este diseño es compatible con la serie 74, 74S y 74H, T2L
Sistemas de entradas lógicas y 220V AC cargas arriba de 10A,
mostrado en la figura 4.18 a)
Figura 4.18 a) Circuito compatible con relevador en estado solido.
25W, Indicador Lógico manejador de lámpara: La alta capacidad de
sobretension y la entrada no reactiva son características de el 4N40
permite un acoplamiento directo, fuera de los buffers, T2L y DTL
Lógicos para indicadores de dispositivos de alarma fuera de peligro de
introducción de ruido y malfuncionamientos lógicos, el circuito es
mostrado en la figura 4.18 b)
Figura 4.18 b) Circuito de aplicación de alarmas luminosas
400V Transistor Acoplador Simétricamente: Uso de alto voltaje PNP
porción de el 4N40 proporciona un transistor para 400V capaz de
conducir señales positivas y negativas con Razones de Transferencia
de
Corriente
de
arriba
del
1%.
Esta
función
es
usada
en
instrumentación remota, alto voltaje, suministro de energía y equipos
de prueba.
Debe cuidar no tomar un exceso de los 40mW de nivel de
disipación de energía cuando se use a altos voltajes, relación mostrada
en la figura 4.18 c)
Figura 4.18 c) Transistor acoplado para 400 V
4.6.6 Salida a TRIAC
a) MOC3009 MOC3012
Se propone un circuito de prueba de conmutación, el cual esta
dispuesto para un optoacoplador de salida Triac de 6 Pines de Texas
Instruments y con un transistor a la entrada (2N3904) mostrado en la
figura 4.19.
R = 100Ω
R=
375Ω
Figura 4.19 Prueba de Rizo para esta serie de optoacoplador.
Nota: Voltaje propuesto para esta prueba de conmutación es de 5
Volts.
CAPÍTULO 5
CONSIDERACIONES FINALES
Durante la realización de este tema, se obtuvo experiencia en en el
manejo de información acerca de los dispositivos infrarrojos, como
diodos emisores de Infrarrojo (IR), fototransistores, Optoacopladores,
entre otros dispositivos así como también
características que se
deben tomar en cuenta para la implementación de un circuito en
particular. Por ejemplo al utilizar un diodo IR, éste se debe relacionar
con su respectivo fotosensor, ya que deben deben operar a la misma
longitud de onda o estar dentro del rango de operación. Así como el
compartir
el
mismo
ángulo
de
emisión
y
de
recepción,
respectivamente; aunque por lo general es mayor el ángulo de emisión
que el de recepción.
En lo que respecta a los dispositivos optoacopladores, estos se
clasifican por su salida de señal es decir que cada uno cuenta con la
salida característica para las necesidades de cada aplicación en donde
se haga necesaria la comunicación sin necesidad de cables o líneas;
además, se concluye que la algunos dispositivos con salida digital
cuentan con una gran velocidad de respuesta para aplicaciones de
transmisión de información de bits de los 10 MBs, y que los de la
salida de fototransistor cuentan con una serie de dispositivos para
aislamiento y protección de señal entre dispositivos que manejan alto
voltaje de orden de 5300 VAC RMS y hasta los 7500 VAC pico en valores
por minuto.
Las
características
de
los
componentes
dentro
de
los
optoacopladores varían (Emisor-Receptor) entre casas proveedoras, y
esto hace un poco difícil decir cual es el mejor de estos dispositivos,
cada uno se debe de tomar en cuenta según las necesidades que el
diseñador tenga.
GLOSARIO
Ancho de banda Espectral: Es la diferencia en longitud de onda entre
los dos puntos en los que la longitud de la señal ha caído hasta un
50%.
Angstrom: 1 Ǻ = 10-10 m
Electrón-voltio: Abreviado como eV, es una unidad de energía
equivalente a la energía cinética que adquiere un electrón al ser
acelerado por una diferencia de potencial en el vacío de 1 voltio. Dicho
valor se obtiene experimentalmente por lo que no es una cantidad
exacta. 1eV = 1.602176462 × 10-19 J
Efecto Joule: Si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía
cinética de los electrones se transforma en calor debido al choque que sufren con las
moléculas del conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo.
Intensidad Luminosa: Se mide en lm/ft2, pies candela (fc) o W/m2, donde 1 lm/ft2 =
1 fc = 1.609 x 10 -9 W/m2.
1 Lumen o Flujo Luminoso: Se mide en lúmenes (lm) o watts, donde 1 lm = 1.496 x
10-10 W.
Máxima Potencia Disipada (transistor): Es la potencia máxima que no debe de
superar el transistor para evitar dañarse, el dañado se produce al superarse una máxima
temperatura en las uniones, siendo dañada en este caso la tensión colector-base ya que es
la que mas potencia soporta.
Máxima Potencia Disipable (diodo): Máxima potencia que se puede disipar en su
interior, en el caso de los LED’s se especifica una máxima corriente para evitar que la
temperatura interna supere un cierto valor.
Nivel de Fermi: Nivel de energía de un estado ficticio donde los
electrones no interactúan entre si, y que sirve de referencia. La
probabilidad de ocupación del nivel de Fermi es igual a 0.5.El nombre
es en honor a Enrico Fermi.
Sensibilidad Espectral: Es la respuesta relativa del dispositivo a
distintas longitudes de onda.
Twisted Nematic: LCD nemático de torsión, un visualizador en el que el material de cristal líquido
impone una rotación de 90 grados sobre el plano de polarización de la luz. Posee una relación de
contraste inferior a 3:1 y presenta un ángulo de visión inferior a +/-20 grados
UMTS: Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (Universal
Mobile Telecommunications System), es una de las tecnologías usadas
por los móviles de tercera generación (3G).
BIBLIOGRAFIA
Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos
Robert L. Boylestad-Louis Nashelsky
Pearson, Prentice Hall, Mexico 2003
Semiconductor Optoelectronic Device
Pallab Bhattacharya
Prentice Hall
Optoelectronics
Endel Uiga
Prentice Hall
Curso Práctico de Electrónica Vol. 2
Harry Mileaf
Ediciones Ciencia y Técnica S.A.
Handbooks:
Motorola
National Instruments
Fairchild Semiconductors
Texas Instruments
Vishay
Revistas:
Saber Electrónica
Número de colección 200
Fecha de publicación Abril 2007
Paginas 50 a 53.