s09 dispositivos optoelectrónicos 2013-2

DISPOSITICOS OPTOELECTRÓNICOS

Sesión 09:

ASIGNATURA: ELECTRÓNICA.DOCENTE: Ing. Midward Charaja Copaja

OBJETIVO

• Identificar el funcionamiento de los dispositivos optoelectrónicos

Esta sesión aporta al logro del siguiente Resultado de la Carrera:

“Los estudiantes aplican matemáticas, ciencia y tecnología en el diseño, instalación, operación y

mantenimiento de sistemas eléctricos”.

Contenido.• Fotoconductores emisores de luz.

o Diodos emisores de luz visible.o Diodos emisores de luz invisible (IR).o Diodos laser.o Displays.

- Indicador LED.- Indicador LCD.

• Fotoconductores sensibles a la luz.o Fotorresistencias LDR.o Celdas fotovoltaicas.o Fotodiodos.o Fototransistores.

• Optoacopladores.

Introducción.La optoelectrónica es la unión entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos. Los componentes optoelectrónicos son aquellos cuyo funcionamiento está relacionado directamente con la luz.

o Diodos emisores de luz visible.o Diodos emisores de luz invisible (IR).o Diodos laser.o Displays.

- Indicador LED.- Indicador LCD.

Fotoconductores emisores de luz.

Composición de un LED.El LED, la igual que un diodo rectificador, está elaborado a base de materiales semiconductores (tipo N y tipo P). Generalmente el semiconductor tipo P es una capa delgada.

Emisores de luz

Luz visible

Dependencia del la luz irradiada y el material utilizado.Los materiales con que se fabrican los LEDs, en realidad, son aleaciones.

La longitud de onda, y con ésta el color de la luz radiada, depende de la naturaleza del material semiconductor utilizado.

Emisores de luz

Luz visible

Principio básico de funcionamiento.

Para que un LED pueda emitir luz, debe ser polarizado en directa. La intensidad de luz estará en función de cuanta corriente pase por el.

Cuando se aplica una polarización directa, los electrones se recombinarán con los huecos en el dispositivo, liberando energía en forma de fotones.

Emisores de luz

Luz visible

Reducción de la pérdida de radiación.La empaquetadura que tiene un LED sirve para lograr aumentar considerablemente la porción de la energía de la luz irradiada hacia el exterior. A demás, sirve para proteger a los materiales semiconductores.

Emisores de luz

Luz visible

En la figura se observa la relación que tiene la intensidad

luminosa en función de la corriente en polarización

directa.

A medida que aumenta la corriente la intensidad

luminosa también aumenta.

Intensidad luminosa en los diodos.

Emisores de luz

Luz visible

Debido a los diferentes materiales semiconductores, las tensiones directas de los LEDs son considerablemente más altas que aquellas de los diodos rectificadores.

Tensiones en polarización directa en los diodos.

Tensión umbral Luz1,6 v Rojo2,0 v Naranja2,4 v Amarilla2,4 v Verde3,4 v Azul

Emisores de luz

Luz visible

Actualmente la aplicación de los LEDs es variada. Una de ellas es la fabricación de lámparas que son mas eficientes que las lámparas fluorescentes.

Aplicación de los LEDs. Emisores de luz

Luz visible

o Diodos emisores de luz visible.o Diodos emisores de luz invisible (IR).o Diodos laser.o Displays.

- Indicador LED.- Indicador LCD.

Fotoconductores emisores de luz.

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO(Luz infrarroja)Debemos recordar que la luz infrarroja no es visible al ojo humano.

Los LEDs infrarrojos se fabrican de aleaciones como muestra la tabla.

Con el arseniuro de galio (GaAs) se alcanza una emisión espectral en el rango de 900nm hasta 1040nm (longitud de onda de la luz infrarroja).

Tensiones directas en los diodos.

Emisores de luz

Luz Infrarroja

Los tiempos de conmutación de los LEDs IR, se encuentran en el orden de los mili segundos. Estos tiempo de conmutación son mayores a los del diodo rectificador.

Aplicación de los LEDs IR.Los LEDs IR se utilizan preferentemente en barreras ópticas, por que de este modo la influencia no deseada de la luz puede ser reducida.

Emisores de luz

Luz Infrarroja

o Diodos emisores de luz visible.o Diodos emisores de luz invisible (IR).o Diodos laser.o Displays.

- Indicador LED.- Indicador LCD.

Fotoconductores emisores de luz.

Diodo Laser.Son dispositivos de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Los láseres son aparatos que amplifican la luz y producen haces de luz coherente; su frecuencia va desde el infrarrojo hasta los rayos X.

La longitud de onda está entre 770 a 840nm.

Emisores de luz

Diodo Laser

Ventajas frente a los LEDs.1) La emisión de luz es dirigida.2) La emisión es monocromática.

Emisores de luz

Diodo Laser

Aplicaciones.

•Industria – Soldadura láser, temperatura superior a 5500 ºC•Investigación – Acelerador de partículas, análisis químicos.•Comunicaciones- comunicaciones espaciales.•Medicina – Operaciones, cirugía correctiva .•Militar - Guiado por láser para misiles, aviones y satélites.

Emisores de luz

Diodo LaserEl laser es utilizado en diferentes ambientes:

o Diodos emisores de luz visible.o Diodos emisores de luz invisible (IR).o Diodos laser.o Displays.

- Indicador LED.- Indicador LCD.

Fotoconductores emisores de luz.

Indicadores LED.

Con cada diodo emisor de luz se aumenta la potencia eléctrica requerida para el indicador.

Emisores de luz

Indicador LED

Tabla de verdad.

Las tablas de verdad para los indicadores 7 segmentos, alfanuméricos y matriciales, son similares y depende del número de LEDs utilizados.

Emisores de luz

Indicador LED

Potencia de consumo.DESVENTAJA de los indicadores LED.

A pesar de que la corriente directa que se requiere por LED es de solamente 5 a 20mA, la corriente de operación de la unidad es relativamente alta.

Emisores de luz

Indicador LED

o Diodos emisores de luz visible.o Diodos emisores de luz invisible (IR).o Diodos laser.o Displays.

- Indicador LED.- Indicador LCD.

Fotoconductores emisores de luz.

Principio de funcionamiento.Los cristales son normalmente sólidos con una orientación de referencia determinada.

Estos cristales pueden ser alineados por un campo eléctrico (cambia de estado transparente a opaco).

El indicador LCD no produce luz, sino siempre es necesaria una fuente de luz externa.

Emisores de luz

Indicador LCD

No generan luz sino que trabajan con la reflexión de la luz.

Tipo de construcción de indicadores LCD.

Emisores de luz

Indicador LCD

Operación reflectiva.La iluminación se da frontalmente.A través de un espejo – colocado en la parte posterior – la luz incidente es reflejada.

La luz del día o habitación es suficiente.

Emisores de luz

Indicador LCD

Operación transflectiva.Se ha colocado un espejo semitransparente, de modo que también existe la posibilidad de iluminar la celda por atrás.

Emisores de luz

Indicador LCD

Operación de transmisión.Una fuente de luz detrás de la celda debe ser colocada. Puede ser una hoja de iluminación especial, con la cual se logra una distribución uniforme de la luz.

Emisores de luz

Indicador LCD

Ejemplos y ventaja.

Poco consumo de potencia. Se requiere aproximadamente 0.1 mW.

Para producir 1cm2

Emisores de luz

Indicador LCD

Fotoconductores sensibles a la luz.

El modo de operación de los fotosemiconductores está basado en el efecto físico denominado “efecto fotoeléctrico interno”.

Cada material semiconductor tiene una conductividad intríseca, esto quiere decir: a medida que aumenta la temperatura su conductividad también aumenta. Sin embargo, este tipo de conductividad también ocurre

cuando se suministra energía en forma de luz. Por tanto, el número de electrones liberados por la luz

incidente se incrementa con la irradiancia y la luminancia.

o Fotorresistencias LDR.o Celdas fotovoltaicas.o Fotodiodos.o Fototransistores.

Fotoconductores sensibles a la luz.

FOTORESISTENCIA

Compuesta de un material semiconductor cuya resistencia se reduce en función de la iluminación.

Sensibles a la luz

Fotorresistencia LDR

Curva característica.Esta curva está en escala logarítmica doble. Esto quiere decir que NO hay una relación lineal entre la iluminancia Ev y la resistencia R.

Sensibles a la luz

Fotorresistencia LDR

Cuando son iluminados, suministran una corriente cuya magnitud es una función de

la iluminación.

o Fotorresistencias LDR.o Celdas fotovoltaicas.o Fotodiodos.o Fototransistores.

Fotoconductores sensibles ala luz.

Principio de funcionamiento.Si una energía radiante en forma de luz incide sobre la región de la capa barrera, las uniones de cristales se rompen y se producen pares de portadores de carga móviles. Los e- viajarán a la región N y los huecos a la región P, lo cual toma a la capa N en el polo negativo y a la capa P como polo positivo.

Sensibles a la luz

Celdas fotovoltaicas

Estructura básica de una celda fotovoltaica.

Sensibles a la luz

Celdas fotovoltaicas

El material semiconductor tipo P debe ser lo suficientemente delgado para que la luz incidente pueda penetrar hacia la capa barrera.

o Fotorresistencias LDR.o Celdas fotovoltaicas.o Fotodiodos.o Fototransistores.

Fotoconductores sensibles a la luz.

Fotodiodos.

Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz.

Sensibles a la luz

Fotodiodos

• Sin iluminación, fluye una corriente inversa a través de la juntura PN (como en cualquier semiconductor normal).

• Con incidencia de luz, las uniones de los cristales se rompen. Entonces aparecen pares de portadores de carga móviles, los cuales, debido al campo eléctrico existente emigran inmediatamente.

Funcionamiento. Sensibles a la luz

Fotodiodos

o Fotorresistencias LDR.o Celdas fotovoltaicas.o Fotodiodos.o Fototransistores.

Fotoconductores sensibles a la luz.

FOTOTRANSISTORES

Es 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.

Sensibles a la luz

Fototransistores

Características de funcionamiento.

1. Operan sin terminal de base (Ib=0)

2. Sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un fotodiodo,

3. Las curvas de funcionamiento análogas a las del transistor

Sensibles a la luz

Fototransistores

OPTOACOPLADORES

Es un componente formado por la unión de un diodo LED y un fototransistor acoplados a través de un medio conductor de luz.

Tipos. Sensibles a la luz

optoacopladores

Ejercicio 01.Un LED funciona a una tensión de 4V y 100mA está alimentada por una batería de 12V. Para que no se funda se conecta un potenciómetro. Calcular el valor de la resistencia del potenciómetro y dibujar el circuito.

Ejercicio 02.En el circuito de la figura, el amperímetro marca 120μA con la LDR tapada y 2,4 mA con la LDR completamente iluminada. Si la resistencia de la lámpara es de 1KΩ, calcular la resistencia máxima y mínima de la LDR

GRACIAS