OPTOELECTRÓNICA Combinación de la luz y la

OPTOELECTRÓNICA
Combinación de la luz y la electrónica, también podemos ver la optoelectrónica como el control del paso
de los electrones por medio de la luz.
Teoría de la conducción De acuerdo con la teoría de la conducción de la electrónica de estado sólido, la
energía en forma de fotones (luz) y fonones (calor) es radiada cada vez que los huecos o electrones
inyectados se recombinan con un portador opuesto, durante el flujo de una corriente a través de una
unión PN. La física establece que en los sólidos cristalinos sólo pueden alcanzar ciertos niveles de
energía, y define la banda de energía como la separación que existe entre el tope de la banda de valencia
y la base de la banda de conducción. Esta banda de energía es una característica propia de todo
semiconductor: la magnitud de la banda de energía (en electronvoltio, eV) determina la longitud de la luz
emitida. Entre los diferentes materiales semiconductores adecuados para la fabricación de diodos
emisores de luz, los fabricantes han escogido el arseniuro de galio (GaAs), el fosfato de galio (GaP) y los
compuestos GaAsP por las longitudes de onda que generan, su eficiencia de conversión y su facilidad
para formar donadores o aceptadores (doping).
CARACTERÍSTICAS ÓPTICAS
Lentes y patrones de radicación Sólo una parte de los fotones radiados por un LED emergen de su
encapsulado debido a mecanismos internos de pérdida que incluyen la absorción dentro del propio
material semiconductor, así como la reflexión y refracción que ocurren en el lente del encapsulado. La
distribución de la luz espacial emergente está en función de las características ópticas del lente.
En las hojas de datos del fabricante de los LED infrarrojos, la intensidad de luminancia emitida se da
como un parámetro del dispositivo expresado en una unidad radiométrica de flujo llamado potencia, P, o
potencia radiada, en watts (joules por segundo). Este parámetro incluye la energía total en todas las
direcciones desde el lente del LED. La unidad fotométrica de flujo correspondiente se denomina lumen. A
la respuesta pico del ojo humano, que tiene lugar a los 555 nm en la región del verde, 1 W en unidades
radiométricas equivale a 680 lm de las unidades fotométricas. A otras longitudes de onda de luz visible, 1
Watt equivale a poco menos de 680 lm.
Además del parámetro de flujo, la emisión de luz por un LED se puede caracterizar como un parámetro
de intensidad, que se define como la cantidad de flujo radiado a través de cualquier ángulo sólido
tridimensional. En unidades radiométricas, la intensidad se mide en watts por estereoradián, y en
unidades fotométricas se mide en candelas (se representa cd), donde 1 cd = 1 lm/sr.
Las unidades radiométricas, llamadas colectivamente radiancia, se expresan en watts por estereorradián
por unidad cuadrada de superficie. Las unidades fotométricas correspondientes, llamadas colectivamente
luminancia (algunas veces brillantez), se expresan en lúmens por estereorradián por unidad cuadrada de
superficie (p. ej., candelas por unidad cuadrada. De todas estas, la que se emplea con más frecuencia es
el pielambert (candela por pie cuadrado).
Fotoelectrónica: dispositivos opto electrónicos y fotoelectrónicos.
Dispositivos fotoelectrónicos:
foto conductivos
foto voltaicos
foto emisivos
Fotoconductivos. Formados por capas delgadas de selenio, silicio cadmio y sulfuro de plomo.
Estos varían su resistencia al exponerse a la luz (P. Ej. Fotoresistencia)
Fotovoltaícos:
Construidos a base de materiales que desarrollan una tensión en sus
Cuando son expuestos a la luz. Es decir, convierten la energía lumínica en
energía eléctrica ( P. Ej. Fotocelda).
Fotoemesivos:
Usados como fuentes lumínicas en los cuales el cátodo se recubre con
Materiales activos que emiten fotones para producir una luz visible.
OPTOACOPLADORES
Teoría de los optoacopladores Cuando se combina una fuente LED en la misma cápsula con algún tipo
de detector óptico de estado sólido (generalmente un semiconductor de silicio), el dispositivo resultante
recibe el nombre de optoacoplador o a veces optoaislador. La luz procedente de un LED, normalmente
infrarroja, llega al fotodetector atravesando un medio transparente como un ducto de plástico o, en
algunos casos, un espacio de aire. Esta estructura produce un dispositivo que permite el acoplamiento de
señales entre dos circuitos electrónicos independiente y totalmente aislados entre si. Según el tipo de
cápsula, estos dispositivos pueden alcanzar aislamientos entre 2000 y 3700 V y aun mayores.
Ventajas Los optoacopladores ofrecen varias ventajas, además del aislamiento eléctrico de los circuitos;
a menudo aíslan también al usuario de los altos voltajes. Eliminan los circuitos a tierra de las fuentes de
alimentación y otras interferencias de los circuitos de control sobre las cargas, y, a diferencia de los
transformadores, evitan también que los ruidos y los transitorios producidos en las cargas se reflejen
hacia los circuitos de control. Cuando sustituyen componentes electromecánicos, como relevadores e
interruptores, los optoacopladores operan más rápidamente, sin rebotes, no requieren ajustes mecánicos
y presentan una confiabilidad mucho mayor.
PARÁMETROS DE UN OPTOACOPLADOR
Potencia de salida radiada, intensidad radiada y sensibilidad luminosa (para fuentes y detectores
en cápsulas independientes) el flujo radiado, o la potencia de salida radiada (ROP), medida en watts, se
usa para especificar la aislada de los LED infrarrojos. Las hojas de datos suelen definir este parámetro
como el flujo total radiado a cierta longitud de onda. La intensidad radiada expresa también la salida
infrarroja de un LED. Se mide en watts por estereorradián (w / st) y se define como el flujo a través de un
ángulo sólido unitario.
En transistores de silicio, la sensibilidad luminosa de corriente (símbolo Sceo) caracteriza la corriente
producida en respuesta a la luz radiada sobre el detector. S ceo se define como la corriente que produce un
flujo de área, y en las hojas de datos suele hablarse de microamperes producidos por miliwatts por
centímetro cuadrado. La fuente de luz suele ser une emisor infrarrojo, con longitud de onda pico
determinada y/o una fuente luminosa de wolframio que opera a cierta temperatura de color dada.
Corriente oscura (Símbolo: Iceo o Iceo oscura) se define como la corriente de salida en ausencia de
fuente luminosa. En optoacopladores integrados se refiere a la corriente de salida del detector en
ausencia de corriente de entrada al LED emisor. Llamada también corriente de fuga en algunas hojas de
datos, esta corriente se debe a mecanismo internos de portadores de carga y debe ser considerada
cuidadosamente en el análisis de casos más desfavorables. En optoacopladores con vías de transmisión
de luz externa (por ejemplo sensores reflejantes o interruptores ópticos con ranuras), al analizar el caso
más desfavorable para el circuito. Hay que medir empíricamente la salida de corriente del detector en
condiciones normales de luz ambiente manteniendo el LED sin excitar. Esta corriente debe ser lo
suficientemente pequeña para no ocasionar la eventual activación del circuito.
Razón de transferencia de corriente Se denomina así (símbolo CTR, normalmente expresado en tanto
por ciento) al cociente entre la corriente de salida del optoacoplador y la de la entrada del LED. Las hojas
de datos suelen dar diferentes valores para este parámetro, en función de las corrientes If de entrada y en
condiciones de salida conocida (por ejemplo, un VCE determinado).
Resistencia y voltaje de aislamiento Estos valores servirán para medir la capacidad de aislamiento
eléctrico entre la entrada y la salida de un optoacoplador. El voltaje de asilamiento, V iso, se define como
aquel voltaje máximo que, aplicado entre las terminales cortocircuitadas del LED de entrada y las
terminales de salida, también cortocircuitadas, no produce circulación de corriente (por encima de cierto
valor mínimo especificado en las condiciones de prueba) ni daña al dispositivo. Algunas hojas de datos
indican dos valores de Viso una para “aislamiento transitorio”, que se refiere a la aplicación de voltaje muy
breve (1 segundo, por ejemplo), y otro relativo al aislamiento en régimen permanente, que se mide a partir
de voltajes aplicados como mínimo durante 1 minuto por ejemplo. A veces las hojas de datos incluyen
también el valor de la resistencia de asilamiento, en Ω, especificando el voltaje a que se realiza su medida
(500 V, por ejemplo).
Velocidad de conmutación y retardos de respuesta Estos parámetros describen el comportamiento
dinámico de la salida del optoacoplador respecto de pulsos de corriente aplicados al LED de entrada. Las
hojas de datos suelen especificar las condiciones en que se efectúan estas pruebas, y además indican las
formas de onda que deben usarse e incluso el tipo de circuito de prueba. Si se consulta la hoja de datos
del 4N25, las curvas se definen los siguientes parámetros: retardo (td), tiempo de subida (tr), tiempo de
almacenamiento (ts), y tiempo de bajada (tf). En algunas hojas de datos la suma de td y tr se denomina ton,
mientras que la suma de ts y tf se denomina toff.
Infrarrojos En la siguiente figura se muestra un transmisor sencillo para el funcionamiento con un solo
impulso. El LED TIL38 es un potente emisor de radiación infrarroja. Su máximo consumo de corriente es
de 150 mA. Por lo que hay escoger la resistencia que proporcione una corriente próxima al mencionado
valor si se quiere conseguir el alcance máximo. Para el funcionamiento con 5V, la resistencia deberá ser
de 22 Ω, para el funcionamiento con 10V, deberá ser de 56Ω. Un solo LED sin ningún tipo de reflector o
lente para enfocar el haz tiene un alcance de hasta 1 M. Para aumentarlo, sólo hay que añadir más LEDs
en paralelo, según figura. Para el funcionamiento con 5V, la resistencia deberá tener un valor de 5.6Ω, y
para 10V deberá ser de 15 Ω. Tres o cuatro LEDs deberán ser suficientes para fines de control cuando se
utilizan en una sala de estar u oficina normales.
Aunque la máxima corriente continua del TIL38 es grande en comparación con la de otros LEDs, todavía
se puede aumentar siempre que se haga durante períodos cortos. Si la duración máxima de los impulsos
es de 10 microsegundos, y se transmiten con una frecuencia no superior a uno cada milisegundo, la
corriente a través del LED puede se de hasta 2 A, proporcionando un impulso muy intenso de radiación.
Este es otro procedimiento para aumentar el alcance, aunque el circuito necesario es más complejo, por
lo que generalmente es preferible el empleo de varios LEDs en paralelo, como la figura anterior. La figura
siguiente muestra un circuito para encender el LED. En el se utilizan dos multivibradores monoestables
CMOS, situados en un solo circuito integrado. Uno de ellos se ajusta para que proporcione un largo
destello (aprox. medio segundo) en un LED de luz visible, como indicación de que el destello corto (10
microsegundos) lo ha transmitido el LED infrarrojos. La transmisión tiene lugar cuando se pulsa por
primera vez el botón. Aunque el empleo de un sencillo botón es adecuado para la iniciación y el test del
circuito, pueden surgir problemas durante el funcionamiento debido al rebote de los contactos, haciendo
que se transmitan varios pulsos. Esto puede originar varios problemas, pero de ser así, el disparo de los
monoestables deberá hacerse a través de una entrada lógica, como por ejemplo a través de una
compuerta del tipo SCHIMITT TRIGGER o de la salida de algún circuito decodificador.
Otro punto importante de los transmisores, es que los LEDs infrarrojo del tipo miniatura (por ej, TIL32) son
inadecuados para esta aplicación debido a su baja emisión. Están previstos para detección a corta
distancia, como es el caso de la lectura de cintas perforadas o el llenado de envases con algún tipo de
contenido.
Espectro
electromagnético:
Consideremos lo siguiente, la luz
visible es una forma de radiación
electromagnética. La longitud de onda
de la luz se especifica en nanómetros
es decir en la millonésima parte del
metro.
En la figura de la derecha se pueden
apreciar las diferentes longitudes de
onda de acuerdo al color, si se habla
de la luz visible.
A la izquierda de la figura se puede leer
el margen de la luz INFRARROJA de
106 hasta 770, luz visible de 770 hasta
390 y la luz ultravioleta de 390 hasta
10.
Lo anterior, todo es expresado en
nanómetros.
TRANSMISOR
La figura siguiente muestra un circuito
para encender el LED. En él se utilizan
dos
multivibradores
monoestables
CMOS, situados en un solo circuito
integrado. Uno de ellos se ajusta para que proporcione un largo destello (aprox. medio segundo) en un
LED de luz visible, como indicación de que el destello corto (10 microsegundos) lo ha transmitido el LED
infrarrojos. La transmisión tiene lugar cuando se pulsa por primera vez el botón. Aunque el empleo de un
sencillo botón es adecuado para la iniciación y el test del circuito, pueden surgir problemas durante el
funcionamiento debido al rebote de los contactos, haciendo que se transmitan varios pulsos. Esto puede
originar varios problemas, pero de ser así, el disparo de los monoestables deberá hacerse a través de una
entrada lógica, como por ejemplo a través de una compuerta del tipo SCHIMITT TRIGGER o de la salida
de algún circuito decodificador.
Otro punto importante de los transmisores, es que los LEDs infrarrojo del tipo miniatura (por ejemplo,
TIL32) son inadecuados para esta aplicación debido a su baja emisión. Están previstos para detección a
corta distancia, como es el caso de la lectura de cintas perforadas o el llenado de envases con algún tipo
de contenido.
Un alta potencia del emisor de infrarrojos, destinados principalmente aplicaciones de control. Al igual que
en TIL38. Máximo absoluto de valoraciones: Potencia disipación: 100 mW Adelante actual: 100 mA de
tensión inversa: 5V Características eléctrica.
RECEPCIÓN
El tipo de receptor necesario puede depender de la longitud de la vía de transmisión y de la cantidad de
ruido introducido en esta etapa. Las salidas de los receptores deben ser capaces de manejar sistemas de
todos tipos.
Infrarroja. La figura siguiente muestra un receptor sencillo pero útil. Utiliza un fotodiodo sensible en la
banda de infrarrojos. La caja de diodo relativamente opaca a la luz visible, pero transparente a la
radiación de infrarrojos. Pero, la luz de las lámparas de filamento domésticas y de lámparas fluorescentes
de gran intensidad, contienen un fuerte componente de la banda de infrarrojos. Y lo mismo sucede con la
luz solar. Si se va a utilizar el circuito en condiciones de gran iluminación se puede arruinar la acción del
transmisor de IR. Existen algunas maneras de minimizar estos problemas:
1. Apantallar el fotodiodo de fuentes externas dentro de lo posible.
2. Utilizar una fuente de infrarrojos fuerte en el transmisor: tres o cuatro LEDs o más
3. Colocar un filtro de color sobre la superficie sensible del fotodiodo. Los filtros Kodak 87 y 87
C transmiten los infrarrojos y absorben la mayoría de las longitudes de onda de la luz visible.
4. Utilizar un circuito sensible sólo a los impulsos bien definidos de infrarrojos, y no a los
cambios graduales de intensidad.
5. Utilizar un circuito de ráfagas de tono sintonizado a una determinada frecuencia de
modulación.
Los métodos anteriores están relacionados de manera aproximada según la orden y complejidad.
El circuito de la figura siguiente está basado en el hecho de que la corriente que pasa a través de D1
aumente con la cantidad de luz que recibe. El resultado es un aumento de potencial en la unión de D1 y
R1. Lográndose un aumento en la corriente de base por el TR1, activándose de forma gradual. Una vez
activado empieza a disminuir el potencial en el colector de TR1, de manera que la corriente de base de
TR2, disminuya el potencial en la unión de R6 y R7, ya que disminuye la corriente que circula por los
mencionados resistores. Una disminución de potencial significa que aumenta la diferencia de tensión
entre la base y el emisor de TR1 con lo que éste se activa aún más. Y esto hace que TR2 se desactive
casi por completo un cambio mínimo de potencial en la unión de D1 y R1 produce una rápida acción
desactivándose TR2 y dando lugar, por lo tanto, a una salida ALTA del circuito. El nivel a que se produce
esta transición puede establecerse utilizando VR1 para suministrar una cantidad determinada de corriente
para el disparo del circuito. Cualquier corriente condiciona el resultante de un pequeño aumento en la
cantidad de radiación recibida, será suficiente para disparar el circuito y hacer que la salida cambie de
BAJA a ALTA.
DISPLAY
Display de 7 segmentos Los display son componentes electrónicos con LED integrados. Se utilizan para
representar números y/o caracteres, iluminando los LED necesarios para ello.
Éstos se pueden encontrar como display de uno o de varios caracteres integrados dentro de un mismo
encapsulado. Cuando están integrados varios display, dentro también se incluye, normalmente un sistema
electrónico de control. Al tener el sistema de control, los pines no dan el acceso a un LED, a estos hay
que introducir la información completa según el manual del fabricante.
A cada segmento del display, se le asigna un nombre, de tal manera que cuando se hable de encender un
determinado segmento. Por ejemplo, el segmento a, habrá que saber cuál es, y con que entrada
corresponde para poder iluminar dicho segmento. Esto no se aplica a los display de matriz de puntos, los
cuales están divididos en columnas y filas, siendo necesario aplicar una tensión a la fila y a la columna a
la cual pertenece el LED para poder encenderlo.
Los display de siete segmentos, pueden ser de ánodo común, según tengan unidos los ánodos o los
cátodos.
Displya del tipo LCD Los display del tipo LCD, operan bajo un principio diferente al de los display a LED.
En los display del tipo LCD, cada segmento está hecho de un fluído viscoso transparente, normalmente,
el cual se opaca cuando se le aplica un pequeño voltaje de corriente alterna de baja frecuencia.
El voltaje de excitación es generalmente una onda cuadrada de 3V a 15V de amplitud y de 25 a 60 Hz de
frecuencia.
El voltaje se aplica a la patilla del segmento y una entrada especial llamada BACKPLANE, esta sustituye
al ánodo o al cátodo de los display a LED.
Los display LCD no generan luz, sólo controlan la luz incidente. La calve de operación es un fluido
especial que es el cristal líquido colocado entre dos láminas trasparentes.
En la lámina superior se encuentran formados los segmentos del display, estos están previamente
metalizados para lograr su control externamente. El backplane o lámina inferior actúa como una superficie
reflectora de la luz.
En condiciones normales, las moléculas que forman el cristal se encuentran alineadas, al incidir la luz en
el display, esta pasa a través del fluído, reflejándose en el backplane sin sufrir cambio alguno.
Al aplicar un voltaje alterno en el pin correspondiente al segmento y la terminal del backplane la luz es
absorbida por las moléculas del cristal, el segmento aparece ahora oscuro, permaneciendo visible para el
ojo humano.
Lo anterior se logra al ser aplicada una señal al terminal del segmento y el backplane de diferente
polaridad (diferente estado).
Visualizadores
de
matriz de puntos En
comparación
con
los
visualizadores
de
segmentos,
los
visualizadores de matriz
de
puntos
permiten
obtener una mayor gama
de caracteres diferentes.
Además, estos caracteres
pueden
un
mayor
parecido a una escritura
normal
por
tus
terminaciones redondeadas.
A diferencia de los visualizadores de 7 segmentos es los que es fácil disponer de la terminal de salida
para cada segmento, las limitaciones de espacio en los visualizadores de matriz de puntos es imposible
disponer de esta conexión para cada punto de la matriz. En un visualizador de 5 x 7, por ejemplo, se
tendría que disponer de 35 terminales para el acceso a cada segmento, más su terminal común de
alimentación.
Es los visualizadores de matriz de puntos se debe disponer necesariamente de circuitos de manejo
multiplexado para generar los caracteres por exploración de renglones o columnas, según figura anterior.
Con este tipo de visualizadores la tarea de diseño consiste en integrar este subsistema con formato de
datos y de temporización generados en el resto del equipo.
Las exigencias por parte de los proyectistas de niveles de integración mayores, han llevado a los
fabricantes de los LED a ofrecer visualizadores que incluyen todo el equipo de manejo y uno o más
elementos visualizadores LED en un mismo circuito integrado. Estas unidades reciben en ocasiones en
nombre de visualizadores con electrónica integrada (on-board electronics display), y la mayoría están
diseñados en forma modular pensando en facilitar la labor de formar sistemas con gran número de
caracteres.
En la construcción de estos visualizadores se emplea básicamente una técnica híbrida. Los chips de los
diferentes circuitos integrados (decodificadores, visualizadores, etc.) se disponen sobre un solo sustrato y
posteriormente se realiza la interconexión mediante hilos conductores y termopresión. Según el método
específico de construcción, el circuito integrado que contiene la electrónica de manejo puede quedar del
lado frontal del sustrato, junto con el visualizador LED, o bien del lado opuesto.