TRANSDUCTORES OPTOELECTRNICOSLa luz est formada por ondas, que se propaga en todas direcciones y siempre en lnea recta. Las ondas luminosas son diferentes a las ondas sonoras, ya que pueden propagarse a travs del vaco y se llaman ondas electromagnticas. Dentro del espectro electromagntico, las longitudes de onda que pueden ser percibidas por el ojo humano, se les conoce como luz visible . El sol es la fuente luminosa natural de la tierra. Como la luz blanca en realidad est compuesta por siete colores, de acuerdo al tipo de luz que absorben y que reflejan, vemos los objetos de diferentes colores. Las longitudes de onda de la luz visible se midieron en la primera dcada del siglo XIX, mucho antes de que se imaginase que la luz era una onda electromagntica. Se encontr que sus longitudes de onda estaban entre 4.0x107 m y 7.5x10-7m; o lo que es lo mismo, entre 400 nm y 750 nm (1 nm = m). Las frecuencias de los rayos de luz visibles se pueden encontrar utilizando la ecuacin 1.1.f =c (E.1.1)

Donde f y son la frecuencia y la longitud de onda, respectivamente. Aqu, c es la velocidad de la luz, 3.00x108 m/s; tiene el smbolo especial c por su universalidad para todas las ondas electromagnticas en el espacio libre. As, la ecuacin 1.1 nos dice que las frecuencias de la luz visible estn entre 4.0x1014 Hz y 7.5x1014 Hz. Al igual que la luz visible, existen distintos tipos de radiacin electromagntica, los cuales pueden arreglarse en una secuencia bien determinada,conocida como espectro electromagntico: ondas de radio, luz infrarroja, luz visible, luz ultravioleta, rayos X y rayos gamma. La diferencia entre estos distintos tipos de radiacin es su "longitud de onda". Las ondas de radio tienen una "longitud de onda" mayor (desde miles de metros hasta un milmetro), mientras que los rayos gamma tienen longitudes de onda menores que el tamao de un tomo. Y as como la "banda electromagntica" de la luz visible se separa en los distintos colores, como se muestra en la figura 1.1, cada una de las otras "bandas" (radio, infrarrojo, ultravioleta, rayos X y gamma) puede

separarse en componentes. El ejemplo mas familiar es el de las ondas de radio que incluyen las bandas de AM y FM, las de televisin (en las cuales encontramos las de muy alta frecuencia, VHF, y de ultra alta frecuencia, UHF), las bandas de radar y las microondas, frontera entre las ondas de radio y la radiacin infrarroja. Como se muestra en la figura 1.2.

Figura 1.1: Colores del intervalo visible.

Figura 1.2: El espectro electromagntico.

Cabe mencionar que la naturaleza de la luz, no es fundamentalmente diferente de las otras radiaciones electromagnticas, la caracterstica que distingue a la luz de otras radiaciones es su energa, el contenido energtico de la luz vara de casi 2.8 a 5x109 Joules. Se considera que el comportamiento de la luz es de carcter dual, se conserva la teora ondulatoria al considerar que el fotn tiene una frecuencia y una energa que es proporcional a esta. La teora ondulatoria generalmente se utiliza para explicar la propagacin de la luz, por otro lado la teora corpuscular es necesaria para descifrar la interaccin de la luz con la materia, por lo tanto, puede definirse a la luz como: energa radiante trasportada por fotones y trasmitida por un campo ondulatorio. No se pretende aqu realizar un estudio riguroso a cerca de la radiacin electromagntica. Simplemente se recordarn algunos conceptos bsicos. 1. La radiacin electromagntica est formada por fotones. 2. Cada fotn lleva asociada una energa que se caracteriza por su longitud de onda segn la ecuacin 1.2.E=hc/ (E.1.2)

Donde: E = energa del fotn c = velocidad de la luz 3x108 m/s h = constante de Planck(6.626x10-34 = longitud de onda del fotn. j/s )

El numerador de la ecuacin 1.2 es una constante. Por eso, la energa de un fotn es mayor cuanto menor sea la longitud de onda, que se encuentra en el denominador.

1.1 Clasificacin de los sensores de luz.A menudo nos encontramos con la necesidad de detectar y/o cuantificar la energa luminosa presente ya sea en el medio o bien en un sistema que utiliza la luz para trasmitir informacin; cuando esta situacin se presenta, el diseador tiene a su disposicin una variedad de elementos elctricos o electrnicos conocidos como transductores optoelectrnicos para realizar esta tarea. Y la eleccin de cualquiera de ellos depende de la naturaleza y requerimientos de la aplicacin especifica, por ello la importancia que hoy en da adquiere la optoelectrnica, ya que es el nexo de unin entre los sistemas pticos y los sistemas electrnicos. Los transductores Optoelectrnicos, son aquellos cuyo funcionamiento esta relacionado directamente con la luz, es decir, son aquellos dispositivos capaces de convertir energa luminosa en elctrica o viceversa. Es posible clasificar estos elementos tambin conocidos como fotodetectores o sensores de luz, segn el mecanismo mediante el cual responden a la luz incidente, en base a esto se les clasifica en 3 categoras que son:y

y

y

a)Detectores Semiconductores.- Como el diodo de unin o el resistor dependiente de la luz, en los cuales los electrones son excitados de la banda de valencia a la banda de conduccin del material fotosensible. b)Detectores fotoemisores.- Caracterizados por el tubo fotomultiplicador, en los cuales los electrones son rechazados de un material fotosensible por la irradiacin de luz. c)Detectores Trmicos.- Como la termopila basada en el efecto de calentamiento producido por la luz para elevar la temperatura del material irradiado, con el cambio consecuente en una o ms de sus propiedades.

Para todos los objetivos de la optoelectrnica el detector semiconductor es

imprescindible. Su bajo costo, pequeo tamao, aguante, bajos requisitos de energa, su ancho intervalo espectral, aceptable sensibilidad y rpida respuesta casi lo convierten en el detector optoelectrnico ideal. Sin embargo, hay ocasiones en las que el detector semiconductor no es la mejor eleccin. Resulta atractivo el uso de los detectores fotoemisores y ms concretamente del tubo fotomultiplicador cuando la fuente de iluminacin es dbil y solo se dispone de unos cuantos microwatts de potencia ptica, pese a que estos son voluminosos, frgiles y requieren fuente de alimentacin de alto voltaje. Este tipo de sensores, basan su funcionamiento en la propiedad que tienen algunos materiales, especialmente los metales alcalinos como Sodio, Litio, Cesio y sus aleaciones, los cuales liberan electrones de su superficie cuando son iluminados por una fuente de luz externa. Este es el bien conocido fenmeno de la Emisin fotoelctrica y es la base de la operacin de los detectores fotoemisivos como el fototubo de vaco, el fototubo de gas y el fotomultiplicador, este ltimo es de mayor uso en la optoelectrnica moderna por lo que a continuacin se describe. Los electrones son rechazados por la superficie fotosensible cuando los fotones incidentes tienen suficiente energa para liberar el electrn de su enlace y removerlo del material como se indica en la Figura 1.3 esta energa corresponde a la diferencia de energa entre la parte de la banda de valencia y el nivel de ionizacin del material, por lo que representa la mnima energa requerida para expulsar un electrn de la superficie fotosensible. La consecuencia de este comportamiento es que existe una longitud de onda umbral, o de corte, por encima del cual no se emiten fotoelectrones. Esta condicin puede expresarse como:

wmin=hc/

(E.1.2)

donde

es la longitud de onda de corte.Figura 1.3: Emisin fotoelctrica de un metal alcalino.

Los fotomultiplicadores suelen constar de una superficie fotosensible, denominada fotoctodo, una serie de electrodos secundarios denominados dnodos y un colector de fotoelectrones, el nodo como se indica el la figura 1.4. La luz incide sobre el fotoctodo el cual expulsa electrones de la superficie. El

potencial elctrico entre el ctodo y el nodo aceleran los fotoelectrones hacia la cadena de dnodos, cada uno de estos, est a un potencial ligeramente superior que su antecesor. A medida que un electrn golpea un dnodo se produce cierta cantidad de electrones secundarios, cada uno de los cuales produce ms electrones en los dnodos consecutivos.

Figura 1.4: Fotomultiplicador de caja y rejilla.

La ganancia global de electrones puede ser bastante alta de hasta 106. La construccin que se muestra en la figura 1.5 es la estructura comn de caja y rejilla. Otras configuraciones, la persiana lineal o circularmente enfocada, ofrecen mejoras en tamao o en rendimiento. Por ejemplo las estructuras de persiana veneciana y de caja y rejilla son poco costosas y tiles para dispositivos de gran rea, mientras que las estructuras enfocadas ofrecen eficiencias de coleccin ms altas y frecuencias de modulacin tan bajas como de 1 nanosegundo.

Figura 1.5: Fotomultiplicador,estructura de caja y rejilla.

En cuanto a los detectores trmicos, los cuales aprovechan el efecto de calentamiento que produce la luz al incidir sobre su superficie; de entre estos, uno de los ms utilizados es la termopila, misma que consiste en dos cables de metales distintos, conectados en un extremo donde se produce un pequeo voltaje asociado a una temperatura. Las mediciones de temperatura que utilizan termopilas o termopares se basan en el descubrimiento hecho por Seebeck en 1821. Este se puede resumir de la siguiente manera: una corriente fluye en un circuito continuo de dos alambres de distintos metales, si las conexiones o uniones se encuentran a temperaturas distintas. La corriente ser proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones. Un factor tambin importante al momento de elegir el elemento optoelectrnico adecuado, es la longitud de onda (puede medirse en Angtron o micrmetros (m)) de la fuente a monitorear; considerando que en optoelectrnica el rango del espectro electromagntico que puede ser captado mediante dispositivos sensibles abarca desde 200 nm en el ultravioleta lejano ,

extremo de la longitud de onda corta hasta aproximadamente 15 m en el infrarrojo lejano, extremo de la longitud de onda larga. La longitud de onda es importante porque determinara el material que se utilizar para la construccin del dispositivo optoelectrnico. En la Figura 1.6 se muestra la respuesta espectral del Ge, Si, y selenio as como del ojo humano.

Figura 1.6: Respuesta espectral relativa para el Si, Ge y Selenio en comparacin con la del ojo humano.

DETECTOR

Eo

TK(operacin)

max min 1.9 1.1 0.9 0.69 0.52

Ge GaAs Cd Se CdS

0.67 1.12 1.5 1.8 2.4

193 300 300 300 300

Cuadro 1.1: Materiales usados en elementos fotosencibles.

1.2 FotorresistenciaUna fotorresistencia se compone de un material semiconductor cuya resistencia varia en funcin de la iluminacin. La fotorresistencia reduce su valor resistivo en presencia de rayos luminosos. Es por ello por lo que tambin se le

llama resistencias dependientes de luz o LDR, fotoconductores o clulas fotoconductoras, su representacin simblica se muestra en la Figura 1.7.

Figura 1.7: Cualquiera de estos smbolos representa una fotorresistencia o LDR.

Cuando incide la luz en el material fotoconductor se generan pares electrn hueco ya sea por transiciones de banda a banda (intrnsecos) o por transicin que involucra niveles de energa de la banda prohibida (extrnsecos). Al haber un mayor nmero de portadores, el valor de la resistencia disminuye. De este modo, la fotorresistencia iluminada tiene un valor de resistencia bajo. Si dejamos de iluminar, los portadores fotogenerados se recombinarn hasta volver hasta sus valores iniciales. Por lo tanto el nmero de portadores disminuir y el valor de la resistencia ser mayor, esto se puede comprender mejor si observamos la curva caracterstica de una LDR en la Figura 1.8. Por supuesto, el material de la fotorresistencia responder a unas longitudes de onda determinadas. Es decir, la variacin de resistencia ser mxima para una longitud de onda determinada. Esta longitud de onda depende del material y el dopado, y deber ser suministrada por el proveedor. En general, la variacin de resistencia en funcin de la longitud de onda presenta curvas como la de la Figura 1.9

Figura 1.8: Curva Caractersticas.

Figura 1.9: Variacin de resistencias en funcin de la longitud de onda de la radiacin.

La longitud de onda de corte para el fotoconductor intrnsecos se da por :=hc/eg=124/eg(ev) m (E. 1.3)

Donde

es la longitud de onda que corresponde al ancho de la banda Eg

para longitudes de onda mas cortas que la radiacin incidente es absorbida por el semiconductor, y pares de electrn-hueco se generan (Figura 1.3). Para el caso extrnseco, la fotoexcitacin puede ocurrir entre un extremo de la banda de

conduccin y un nivel de Eg energa en la banda. La fotoconductividad se basa por la absorcin de fotones de energa igual o mayor que la separacin de energa entre la banda de valencia y banda de conduccin . En este caso, la longitud de onda de corte se determina por el espesor del nivel de energa de la banda prohbida . Un fotodector consiste simplemente de una capa de semiconductor con contactos ohmicos unidos en sus terminales opuestas como se ve en la Figura 1.10, es fabricado con materiales de estructura cristalina, y utiliza sus propiedades fotoconductoras. Los cristales utilizados ms comunes son: sulfuro de Cadmio y seleniuro de Cadmio.

Figura 1.10: Diagrama esquematico de un fotoconductor.

Para la realizacin de un fotodetector en general y para un fotoconductor en particular se mide en trminos de tres parmetros: 1. La eficiencia cuntica o ganancia. 2. El tiempo de respuesta. 3. Sencibilidad (detectividad) As, es importante que al momento de elegir una fotorresistencia se tomen en cuenta los puntos siguientes:y

y

En 1er lugar, el rango de resistencia. Sin luz, una buena LDR se ha de comportar como un circuito abierto (alta impedancia). En tanto que presencia de luz, su mnima resistencia ha de estar en torno a los cien ohmios, o menos si pudiera ser. En segundo lugar, se ha de tener en cuenta, el tiempo que emplea una LDR en pasar de un estado de mxima resistencia, a otro de mnima resistencia, es decir, lo que tarda en conmutar desde una posicin de circuito "cerrado", a otro estado de circuito "abierto". Este tiempo debe ser lo ms pequeo posible, y ha de estar en torno al segundo.

El valor de la fotorresistencia (en Ohmios) no vara de forma instantnea cuando se pasa de luz a oscuridad o al contrario, y el tiempo que dura este proceso no siempre es igual si se pasa de oscuro a iluminado que si se pasa de iluminado a oscuro.

Esto hace que el LDR no se pueda utilizar en muchas aplicaciones, especialmente aquellas que necesitan de mucha exactitud en cuanto a tiempo para cambiar de estado (oscuridad a iluminacin o iluminacin a oscuridad) y a exactitud de los valores de la fotorresistencia al permanecer en cualquiera de los estados anteriores. Hay muchas aplicaciones en las que una fotorresistencia es muy til. En casos en que la exactitud de los cambios no es importante como en los siguientes circuitos:y y

Luz nocturna de encendido automtico, que utiliza una fotorresistencia para activar una o mas luces al llegar la noche. Rel controlado por luz, donde el estado de iluminacin de la fotorresistencia, activa o desactiva un Relay (rel), que puede tener un gran nmero de aplicaciones.

El LDR o fotorresistencia es un elemento muy til para aplicaciones en circuitos donde se necesita detectar la ausencia de luz de da.

1.3 El fotodiodoEl fotodiodo se parece mucho a un diodo semiconductor comn como se observa en el la Figura 1.11, pero tiene una caracterstica que lo hace muy especial: es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente elctrica proporcional a la cantidad de luz que incide en l, y su regin de operacin esta limitada a la regin de polarizacin inversa.(Figura 1.12)

Figura 1.11: Smbolos del fotodiodo.

Como se sabe la corriente de saturacin inversa esta normalmente limitada a unos cuantos microamperes, debido a los portadores minoritarios generado en forma trmica en los materiales tipo n y p. Al exponerlo a radiaciones luminosas, la energa aportada por stas provoca la ruptura de enlaces covalentes y por tanto libera portadores, permitiendo la circulacin de corriente inversa generada por la fuente de polarizacin exterior.(figura 1.14 b)

Figura 1.12: Curva caracterstica del fotodiodo.

La corriente de oscuridad (Figura 1.12, 1.13) es aquella que ocurre sin luz aplicada. La corriente solo retornar a cero con una polarizacin positiva aplicada igual a VT. El espaciamiento casi igual entre las curvas para el mismo incremento en el flujo luminoso indica que la corriente inversa y el flujo luminoso se relacionan en forma muy parecida a la lineal. Es decir, un aumento es la intensidad luminosa dar como resultado un incremento similar en la corriente inversa. En la Figura 1.13 se muestra una grafica de estas dos cantidades para mostrar su relacin lineal con respecto a un voltaje fijo VA de 20 V.

Figura 1.13: I (micro Amperes)Vsfc( a Va=20v) para el fotodiodo.

Un fotodiodo presenta una construccin anloga a la de un diodo LED, en el sentido que necesita una ventana transparente a la luz por la que se introduzcan los rayos luminosos para incidir en la unin PN. En la Figura 1.14, aparece una geometra tpica. Por supuesto, el encapsulado es transparente a la luz.

Figura 1.14: (a)Construccin, (b) Arreglo de polarizacin bsico.

El fotodiodo se puede utilizar como dispositivo detector de luz, pues convierte la luz en una variacin de corriente elctrica y esta variacin es la que se utiliza para informar que hubo un cambio en el nivel de iluminacin sobre el fotodiodo. A diferencia del LDR o fotorresistencia, el fotodiodo responde a los cambios de oscuridad a iluminacin y viceversa con mucha ms velocidad, y puede utilizarse en circuitos con tiempo de respuesta ms pequeo. Los materiales para construir los fotodiodos son por lo general el Silicio o el Selenio, con menor frecuencia se emplean materiales como arseniuro de Galio, sulfuro de cadmio y arseniuro de Indio.

1.4 El fototransistorDispositivo que tiene una unin P-N de colector a base fotosensible (Figura 1.17), donde la corriente inducida por efectos fotoelctricos viene a ser la corriente de base del transistor. As, se puede decir que existen similitudes entre este y un transistor normal, puesto que un incremento en la intensidad luminosa corresponde a un aumento en la corriente de colector.

Figura 1.15: Smbolo del fototransistor.

El comportamiento fundamental de los dispositivos fotoelctricos se presento con el fotodiodo, el funcionamiento del fototransistor es similar al del fotodiodo, salvando las diferencias entre un diodo y un transistor. La corriente de colector es gobernada por la energa fotnica que incide sobre la unin base-colector; y es importante reconocer que la corriente de base del fototransistor aumenta a medida que la presencia de un haz de luz sea ms intensa sobre la misma. Por tanto, si se obtienen curvas de colector (figura1.16) tomando la iluminacin como parmetro, los resultados son parecidos a los de un transistor bipolar normal donde se toma la intensidad de base como parmetro.

Figura 1.16:Curvas caractersticas de colector, donde: H= densidad de flujo de radiacin (mW/cm2).

Un fototransistor opera, generalmente sin terminal de base (Ib=0) aunque en algunos casos hay fototransistores que tienen disponible una terminal de base para trabajar como un transistor normal. La construccin de un fototransistor se representa en la figura 1.17, donde se observa que en ocasiones se representa a fototransistor como un arreglo de un transistor y un fotodidodo (figura 1.17 b) por ello la sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un fotodiodo, ya que la pequea corriente fotogenerada es multiplicada por la ganancia del transistor. Hay que destacar un detalle importante (figura 1.17 c), en muchas ocasiones se confunde un fotodiodo

con un fototransistor, ya que en este ltimo la base no existe, y slo lleva dos patillas.

Figura 1.17:Estructura interna, b)Circuito equivalente y c) Alineacin angular.

En la figura 1.17 b se puede ver el circuito equivalente de un fototransistor. Se observa que est compuesto por un fotodiodo y un transistor. La corriente que entrega el fotodiodo (circula hacia la base del transistor) se amplifica veces, y es la corriente que puede entregar el fototransistor, gracias a esta puede ser utilizado en aplicaciones donde la deteccin de iluminacin es muy importante ya que su entrega de corriente elctrica es mucho mayor que el fotodiodo. Algunas de las reas de aplicacin del fototransistor incluyen lectoras de tarjetas perforadas, circuitera lgica de computadora, control de iluminacin (en autopistas), Indicacin de nivel, relevadores y sistemas de conteo.

1.5 El fototiristorEl termino tiristor, incluye todos los dispositivos semiconductores los cuales presentan un funcionamiento inherente como dispositivos de corte y conduccin poseen una estructura de cuatro capas PNPN con tres uniones PN intermedias y tres terminales accesibles denominadas nodo, ctodo y compuerta (o gate). Existen dos formas de operacin, una es bidireccional (Triac) y la otra es unidireccional(SCR). El SCR ( rectificador controlado de silicio ) es un elemento unidireccional, conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez. Se utiliza como interruptor electrnico, esto quiere decir que en su comportamiento tiene dos estados de operacin: en el estado de apagado o de bloqueo, idealmente el SCR acta como un circuito abierto entre el nodo y el ctodo; en realidad, en vez de haber un circuito abierto, existe una resistencia muy alta. El otro es el estado de conduccin, el SCR acta idealmente como un corto circuito entre el nodo y el ctodo; en realidad presenta una resistencia muy baja. En la figura 1.18 se presenta su smbolo y estructura.

Normalmente el SCR se comporta como un circuito abierto hasta que se activa por medio de su compuerta con una pequea corriente (Disparo); en ese momento, el dispositivo entrar en conduccin comportndose como un diodo en polarizacin directa. Despus de ser activado el SCR, se queda conduciendo y se mantiene as. Si se desea que el tiristor deje de conducir, el voltaje +V entre nodo y ctodo debe ser reducido a 0 Voltios.

Figura 1.18: a) Smbolo del SCR, b) Estructura del SCR.

Existen varias formas de activar o disparar un SCR, aqu solo hablaremos de las formas convencionales que son: por corriente de compuerta y por medio de luz. Con la primera; al aplicar un voltaje positivo entre la compuerta y la terminal de ctodo, fluir una corriente que activar el dispositivo. El mtodo de disparo que emplea la luz, es el que nos ocupa en esta ocasin ya que un fototiristor o LASCR (Light Activated SCR) es tambin un dispositivo semiconductor de cuatro capas que opera esencialmente como el SCR normal, solamente que es activado por medio de energa luminosa que incide sobre una de las junturas PN, cuando la luz incidente es suficientemente intensa, el LASCR se dispara y permanece en ese estado aunque desaparezca esa luz. Observando la Figura 1.19, podemos notar, que pese a que el disparo del fototiristor se lleva a cabo por medio de luz, este conserva aun la terminal de compuerta, esto es as porque la terminal de compuerta permite el disparo en la forma normal y adems se puede reducir dentro de ciertos mrgenes la sensibilidad del disparo por luz, mediante la conexin de una resistencia variable entre la compuerta y el ctodo, el LASCR es mas sensible a la luz cuando la terminal de compuerta esta abierta (alta impedancia).

Figura 1.19: a) Smbolo del LASCR, b) Estructura y c) Construccin bsica.

En la Figura 1.20 se muestra la curva caracteristica del LASCR que prcticamente es igual a la del SCR con la diferencia que el LASCR es activado con luz. Normalmente este tipo de dispositivos se aplica en alarmas antirrobo, detectores de presencia en puertas y ascensores, circuitos de control optico en general, controles opticos luminosos, relevadores, control de fase, control de motores, y una variedad de aplicaciones en computadoras.

Figura 1.20: curva caracterstica del fototiristor.

1.6 LED'sEl diodo emisor de luz o LED,es un diodo semiconductor de juntura PN que emite luz visible o radiacin cercana a la infrarroja cuando se encuentra polarizada.

Figura 1.21: smbolo y polarizacin del LED

En polarizacin directa, todos los diodos emiten una cierta cantidad de radiacin cuando los pares electrn-hueco se recombinan, es decir, cuando los electrones caen desde la banda de conduccin (de mayor energa) a la banda de valencia (de menor energa), es decir, requiere que la energa que posee un electrn libre se transfiera a otro estado. Indudablemente, la frecuencia de la radiacin emitida y por ende su color, depender de la altura de la banda prohibida (diferencias de energa entre las bandas de conduccin y valencia), dicho de otra forma, de los materiales empleados (cuadro 1.2). Los diodos convencionales, de Silicio o Germanio, emiten la mayor parte de esta energa en forma de calor y radiacin infrarroja muy alejada del espectro visible, sin embargo con materiales especiales como el fosfuro arseniuro de Galio (GaAsP) o el fosfuro de Galio (GaP) pueden conseguirse longitudes de onda visibles. Los diodos LED, adems tienen geometras especiales para evitar que la radiacin emitida sea reabsorbida por el material circundante del propio diodo, lo que sucede en los convencionales. Al proceso de emisin de luz del LED se le conoce como electroluminiscencia . Como se muestra en la Figura 1.22.

Figura 1.22: Proceso de electroluminiscencia en el LED.

La superficie conductora conectada al material P es mucho menor para permitir que salga un nmero mximo de fotones de energa lumnica. Ntese en

la figura 1.22 que la recombinacin de los portadores inyectados debido a la unin polarizada directamente da como resultado la emisin de luz en el sitio de la recombinacin. Desde luego es posible que haya algo de absorcin de los paquetes de energa fotonica en la propia estructura, pero un porcentaje bastante elevado es capaz de abandonarlo como se muestra en la figura. El dispositivo semiconductor de un LED est comnmente encapsulado en una cubierta de plstico de mayor resistencia que las de cristal que usualmente se emplean en las bombillas. Aunque el plstico puede estar coloreado, es slo por razones estticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida (cuadro 1.2), adems tienen geometras especiales para evitar que la radiacin emitida sea reabsorbida por el material circundante del propio diodo, en la figura 1.23 se observa la apariencia fsica de un LED comn.

Figura 1.23: Apariencia fsica de los LEDs.

Algunos conceptos importantes que los fabricantes proporcionan son:y y

La corriente mxima directa es de 20 mA, con 10 mA como nivel tpico de operacin, como se indica en la columna de condiciones de prueba. El nivel de Vp bajo las condiciones de polarizacin directa se lista como Vf y se extiende desde 2.2 hasta 3 V. En otras palabras uno puede esperar una corriente tpica de operacin de alrededor de 10 mA a 2.5 volts para una buena emisin de luz.

Los valores anteriores son nominales mximos absolutos a TA = 25 C. Otros valores importantes como caracterstica electrico/opticas a TA = 25 C son:y

y

Intensidad luminosa axial (Iv), que se mide en candelas. Una candela emite un flujo luminoso de 4 pi lumen y establece una iluminacin de 1 pie candela sobre un rea de 1 pie cuadrado a un pie desde la fuente luminosa. Eficiencia luminosa (nv). Por definicin el trmino eficiencia es una medida de la capacidad de un dispositivo para producir un efecto deseado. Para el LED esto corresponde a la porcin del nmero de lumens generado por watt aplicado de energa elctrica.

En el siguiente cuadro se observan los materiales mas usados en la fabricacin de diodos emisores de luz.Compuesto Color Frec.

Arseniuro de Galio Infrarrojo (GaAs) Arseniuro de Galio Rojo e y Aluminio infrarrojo (AlGaAs) Arseniuro fosfuro de Galio (GaAsP) Fosfuro de Galio (GaP) Nitruro de Galio (GaN) Seleniuro de Zinc (ZnSe) Nitruro de Galio e Indio (InGaN) Carburo de Silicio (SiC) Diamante (C) Silicio (Si)

940nm 890nm

Rojo, naranja y 630nm amarillo Verde Verde Azul Azul Azul Ultravioleta En desarrollo 450nm 480nm 555nm 525nm

Cuadro 1.2: Materiales usados para la fabricacin de LEDs

Tiene enormes ventajas sobre las lmparas indicadoras comunes, como su bajo consumo de energa, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas, los convierten en los dispositivos mas usados en todo tipo de indicadores de estado (encendido/apagado) en dispositivos de sealizacin (de trfico, de emergencia, etc.) y en paneles informativos (el mayor del mundo, del NASDAQ, tiene 36,6 metros de altura y est en Times Square, Manhattan). Sin embargo una de las aplicaciones ms populares de los LEDs esta en el arreglo de 7 LEDs (segmentos) como se muestra en la figura 1.24.

Figura 1.24: display de 7 segmentos.

1.7 LED's infrarrojos (Irled's).Cuando la unin es polarizada directamente, los electrones de la regin N se recombinarn con el exceso de huecos del material P en una regin de recombinacin especialmente diseada emparedada que se encuentra entre los materiales tipo P y N. Durante este proceso de recombinacin se irradia energa del dispositivo en forma de fotones. Los fotones generados sern reabsorbidos por la estructura o abandonarn la superficie del dispositivo como energa radiante, como se muestra en la figura 1.25. Sus fundamentos son los mismos que para los diodos LED; encontrando la nica diferencia en su espectro de radiacin: su longitud de onda se sita fuera del espectro visible, en el rango del infrarrojo , esto es debido a que son fabricados con Arseniuro de Galio (GaAs) como se indica en el cuadro 1.2, y se emplean cuando se requiere una radiacin no visible.

Figura 1.25: Estructura general de un diodo semiconductor Emisor IR

A continuacin, se muestra en la figura 1.26 el flujo radiante en mW en funcin de la corriente directa para un dispositivo tpico; obsrvese la relacin casi lineal entre las dos.

Figura 1.26: Flujo radiante en mW.

Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia de televisores, habindose generalizado su uso en otros electrodomsticos como equipos de aire acondicionado, equipos de msica, etc. y en general para aplicaciones de control remoto, as como las lectoras de tarjetas y de cinta perforada, los codificadores de eje, los sistemas de transmisin de datos y las alarmas de intrusin.

1.8 Interruptor pticoYa que se han visto los elementos sensibles a la luz, ahora realizaremos los circuitos de algunos interruptores pticos usando los elementos ya conocidos. Primeramente, se presenta el circuito de la figura 1.27, donde se puede observar un interruptor usando un LDR y un SCR.

Figura 1.27: Interruptor ptico con LDR y SCR.

El circuito se alimenta directo de la corriente de lnea, la fotorresistencia deber estar aislada del la luz de la lmpara, de tal forma que cuando una luz externa incida sobre el LDR, este reducir su resistencia haciendo que la cada de voltaje entre las terminales del divisor de voltaje aumente. El SCR entrar en estado de conduccin permaneciendo as hasta que la luz sea retirada. El ajuste de la sensibilidad, se realiza entonces por medio del potencimetro de 1M. En la figura 1.28 se presenta otro circuito, tambin hacemos uso de una fotorresistencia como elemento sensor en el circuito interruptor: el funcionamiento es parecido al de la figura 1.27, cuando el LDR est iluminado su resistencia es baja y causa que el voltaje en la base del transistor se incremente. El primer transistor conducir, lo que causar que el segundo transistor entre en corte. De esta manera el Relay / rel no se activa en tanto la fotorresistencia permanezca iluminada. Cuando el LDR no esta iluminado su resistencia es alta y causa que el voltaje en la base del transistor se haga pequea. El valor de la fotorresistencia no es crtico y se puede utilizar casi cualquiera pues se incluye un potencimetro en serie para controlar la sensibilidad del circuito interruptor.

Figura 1.28: Interruptor ptico con LDR y relevador electromagntico.

En la figura 1.29, se presenta un circuito para cuado se tenga que usar un fotodiodo; recordando que la seal que produce el fotodiodo, requiere ser amplificada, esto se hace con la ayuda del amplificador operacional lm106.

Figura 1.29: Circuito detector con fotodiodo.

En la figura 1.30: se presenta un circuito que utiliza un fototransistor como detector de luz, este disparador, usa dos transistores PNP, con la incidencia de luz en el fototransistor, el primer transistor conduce la corriente y hace que el segundo sea llevado a corte. La tensin de salida en estas condiciones, cae a un valor mnimo en una transicin bastante rpida. A la salida de este circuito, se puede agregar una etapa para el control de un relevador o de un triac, sin embargo tambin pudiera ser entrada para un microcontrolador ya que la cada de voltaje que existir sobre la resistencia de salida, no supera los 5 v en ningn momento.

Figura 1.30: Interruptor ptico con fototransistor con salida TTL.

1.9 Displays1.9.1 LED's (7 segmentos) El display de 7 segmentos, consta de 7 LEDs (diodos emisores de luz), dispuestos geomtricamente de forma tal que forme un 8. Encendiendo los distintos segmentos del mismo se logra mostrar todas las cifras decimales:1, 2, 3, 4, 9. Como se muestra en la figura 1.31 A.

Figura 1.31: a) Apariencia fsica de un display de 7 segmentos, b) Estructura interna del display.

La configuracin interna de los LEDs, se muestra en la figura 1.31 B, se observan dos configuraciones, la de ctodo comn, en donde las terminales de ctodo de los LEDs estn unidas a un nodo comn, es decir, el potencial nulo llegar a todos los LEDs a travs de una sola terminal. La configuracin de nodo comn, se presenta cuando todas las terminales de nodo de los LEDs estn unidas en un solo punto. Para facilitar su conexin, a cada terminal del display se le denomina con una letra tal como se observa en la figura 1.32 A, as por ejemplo, si tenemos un display de ctodo comn y queremos representar el

nmero 1, deberemos mandar seal de 5v mediante resistencias limitadoras de corriente a las terminales b y c, y los otros diodos deben de tener tensin cero. Esto lo podemos escribir digitalmente as: 0110000. El primer dgito representa al diodo a, el segundo al b, el tercero al c,... y as sucesivamente. Un cero representa que no polarizamos el diodo, es decir, no le aplicamos tensin. Un uno representa que el diodo est polarizado, y por lo tanto, emite luz. Si el display con el que contamos fuera de nodo comn, tendramos que hacer el cambio correspondiente de bits para lograr que aparezca un 1 en el display de la siguiente forma: escribiramos 1001111. Por otro lado, existen circuitos integrados especiales que facilitan la escritura en un display de 7 segmentos, por que en vez de usar 7 bits como en el ejemplo anterior, con un circuito decodificador (CD4511BC por ejemplo) usaremos solo 4 bits de acuerdo al cuadro 1.3. La eleccin de entre una u otra configuracin, depende de las necesidades y requerimientos de nuestro diseo, salvo esa diferencia, ambas configuraciones cumplen la misma funcin.

Figura 1.32: a) Terminales del display. b) Decodificador de 7 segmentos..

En la figura 1.32, se puede observar que en realidad el dispositivo posee 10 pines, ya que el 3 y 8 representan la terminal comn; y el pin 5 nos permitir colocar un punto decimal (DP) cuando sea necesario. En el mercado actual, existen diferentes modelos de este tipo de display, pero su funcionamiento es anlogo al que acabamos de ver.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 C 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 D 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 a 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 b 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 c 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 d 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 e 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 f 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 g 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1

1 1 1 1

1 1 1 1

0 0 1 1

0 1 0 1

Cuadro 1.3: Uso de un circuito decodificador para display de 7 segmentos

1.9.2 Alfanumericos. Como hemos visto, la conexin de un display de 7 segmentos no presenta demasiada complejidad, y puede ser una solucin sencilla cuando se tenga que mostrar dgitos, sin embargo, al momento de representar caracteres alfabticos presenta serias limitaciones ya que con un nico display no pueden representarse todos los caracteres alfanumricos (por ejemplo, la M, la Z o la ) y hay caracteres que tienen la misma representacin (el 9 no se diferencia en nada de una g, el 5 de una S, etc.). Cuando se precise de un mayor conjunto de caracteres a visualizar e incluso de forma simultnea, por un pequeo incremento de dinero en el total del montaje podemos pasar a un display alfanumrico de 16 segmentos como el que se muestra en la figura 1.33 A.

Figura 1.33: Apariencia de un display alfanumrico de 16 segmentos..

En esencia, el funcionamiento de este tipo de dispositivos es similar al display de 7 segmentos, la nica diferencia es que en este caso, se cuenta con 16 segmentos o LEDs los cuales estn arreglados de tal forma que permiten visualizar tanto los nmeros de 0 a 9 como caracteres alfabticos de la A a la Z. As pues dispone de un mayor nmero de terminales para ser operado como se observa en la figura 1.33 B. Dicha operacin a menudo se realiza por medio de microcontroladores o memorias que cuentan con suficientes salidas, as como con la capacidad de realizar barridos a tal velocidad que el parpadeo es imperceptible para el ojo humano, dando la sensacin de que todos los displays estn encendidos simultaneamente.

1.9.3 Matriz Un display de matriz, consiste en un arreglo de LED montados sobre un panel, y dispuestos de tal forma que al momento de encenderlos conforme a un patrn establecido, se pueden formar todo tipo de caracteres alfanumricos, as como caracteres especiales y figuras ya que este tipo de paneles se pueden agrupar y obtener un rea mayor. La figura 1.34, muestra la fotografa de un display de matriz comercial (del fabricante KingBright) que contiene un arreglo 5 x 7 LED. El nombre de matriz, le sobreviene precisamente gracias a la manera en que internamente estn conectados todos los LED que conforman este panel, a este tipo de arreglo se les conoce como matriz.

Figura 1.34: Display de matriz comercial..

El arreglo en matriz de los diodos, es con la finalidad de ahorrar el numero de lneas al momento de operar el panel, en otras palabras, si se utilizar una lnea por cada LED presente, serian necesarias 35 lneas de salida para tener el control de todos; esto adems de costoso, resultara difcil de manejar, sin embargo mediante el arreglo en matriz solo son necesarias 12 lneas de control correspondientes a las filas y columnas como se ve en la figura 1.35.

Figura 1.35: Arreglo interno del display de matriz y conexin de un decodificador 3 a 8.

En la figura 1.35, se puede observar que se ha colocado un CI decodificador o multiplexor de 3 a 8 el cual esta disponible en el mercado y cuya funcin no es otra que la de economizar ms el numero de lneas a utilizar para el control del modulo display mediante un microcontrolador, as como tambin nos permite colocar mas secciones en caso de que sea necesario extender nuestra pantalla, ya que este tipo de decodificadores poseen por lo general una terminal conocida como enabled con la que se pueden multiplexar los paneles completos de 5x7 cuando agregamos secciones adicionales figura 1.36. Hay que recordar que como en realidad los LEDs que forman un mensaje no permanecen encendidos permanentemente, sino que son refrescados, la frecuencia de barrido debe estar entre 50 y 60hz para que el parpadeo, no sea perceptible a la vista.

Figura 1.36: Pantalla formada por 5 mdulos de 5x7.

1.9.4 LCD. Las pantallas de cristal lquido (LCD) poseen la ventaja distintiva de tener un requerimiento de potencia ms bajo que los LED. Es tpicamente del orden de microwatts para la pantalla, en comparacin al orden de miliwatts para los LED. Sin embargo, requieren una fuente de iluminacin externa o interna y estn limitadas a un rango de temperatura que va de cerca de 0 a 60C. El tiempo de vida es otra rea de preocupacin, debido a que las LCD pueden degradarse qumicamente. En la actualidad, los tipos que reciben el mayor inters son las unidades de dispersin dinmica y de efecto de campo. UNIDADES DE DISPERSIN DINMICA Un cristal lquido es un material (normalmente orgnico para las LCD) que fluye como un lquido, pero cuya estructura molecular tiene algunas propiedades asociadas normalmente con los slidos. Para las unidades de dispersin de luz el mayor inters est en el cristal lquido nemtico, teniendo el cristal la estructura que se muestra en la figura 1.37 A. Las molculas individuales tienen apariencia de varillas, tal como se ve en el perfil de la figura. La superficie conductora de xido de indio es transparente y, bajo las condiciones mostradas en la figura, la luz incidente simplemente atraviesa y la estructura de cristal lquido aparecer de forma clara.

Figura 1.37: ) Cristal liquido Nemtico sin polarizacin aplicada B) Con polarizacin aplicada.

Si se aplica un voltaje (para unidades comerciales el nivel de umbral est actualmente entre los 6 y 20 V) a travs de las superficies conductoras, como se muestra en la figura 1.37 B, el acomodo molecular queda perturbado, con el resultado de que se establecern regiones con diferentes ndices de refraccin. La luz incidente es, por tanto, reflejada en diferentes direcciones en la interfaz entre diferentes regiones de diferentes ndices de refraccin (mencionados como dispersin dinmica), de lo cual resulta que la luz dispersada tiene una apariencia de vidrio congelado. Sin embargo, obsrvese en la figura B que el aspecto opaco ocurre solo donde las superficies de conduccin son opuestas y las reas remanentes permanecen translcidas. Un dgito en una pantalla LCD puede tener la apariencia de segmentos como se muestra en la figura 1.38. El rea negra es, de hecho, una superficie conductora clara conectada a las terminales que se encuentran abajo para el control externo. Dos mscaras similares se ponen en lados opuestos de una capa gruesa sellada del material de cristal lquido. Por ejemplo si se requisiera el nmero 2, las terminales 8, 7, 3,4 y 5, serian energizadas y slo esas regiones seran congeladas mientras las otras reas permaneceran claras.

Figura 1.38: Indicador de dgitos de 8 segmentos LCD

Como se dijo anteriormente, la LCD no genera su propia luz, sino que depende de una fuente externa o interna. Bajo condiciones oscuras ser necesario que la unidad tenga su propia fuente de luz interna, ya sea por detrs o a un lado

de la LCD. Durante el da, o en reas iluminadas, se puede poner un reflector atrs de la LCD para reflejar la luz a travs de la pantalla para una intensidad mxima. Para una operacin ptima, los actuales fabricantes de relojes estn usando una combinacin de modos trasmisivo (su propia fuente de luz) y reflectivos llamada transflectiva. UNIDADES DE EFECTO DE CAMPO La LCD de efecto de campo o nemtico de giro tiene la misma apariencia de segmentos y capa delgada de cristal lquido encapsulado, pero funciona diferente que el de dispersin dinmica, tambin de modo transmisivo y reflectivo con fuente interna figura 1.39. En la imagen de perfil, la fuente de luz interna est a la derecha y quien la ve est a la izquierda. Esta figura se nota ms diferente que la de la figura 1.37 porque se agrega un polarizador de luz. Solamente el componente vertical de la luz que entra por la derecha puede pasar a travs del polarizador de luz vertical de la derecha. En la LCD de efecto de campo, la superficie conductora clara de la derecha es tratada qumicamente, o se aplica una pelcula orgnica para orientar las molculas del cristal lquido en el plano vertical, paralelas a la pared de la celda. Obsrvense las varillas a la extrema derecha en el cristal lquido. La superficie conductora opuesta tambin est tratada para asegurar que las molculas estn 90 fuera de fase en la direccin mostrada (horizontal), pero todava paralelas a la pared de la celda. Entre las dos paredes del cristal lquido hay un cambio general de una polarizacin a la otra, como se muestra en la figura. El polarizador de luz del lado izquierdo tambin permite el paso de la luz incidente polarizada verticalmente. Si no hay voltaje aplicado a las superficies conductoras, la luz polarizada verticalmente entra a la regin de cristal lquido y sigue la desviacin de 90 de la estructura molecular. Su polarizacin horizontal ante el polarizador de luz vertical del lado izquierdo no le permite cruzar, y quien la observa ve un patrn oscuro uniforme en toda la pantalla. Cuando se aplica un voltaje de umbral (para unidades comerciales de 2 a 8 V), las molculas similares a varillas se alinean por s mismas con el campo (perpendicular a la pared) y la luz pasa directamente sin la desviacin de 90.

Figura 1.39: LCD de efecto de campo transmisivo sin polarizacin aplicada.

La luz incidente vertical puede entonces pasar directamente por la segunda pantalla de polarizacin vertical y quien observa puede notar un rea iluminada. Mediante una excitacin adecuada de los segmentos de cada dgito. En la figura 1.40 se describe la LCD de efecto de campo de tipo reflectivo.

En este caso, la luz que se polariza horizontalmente en el extremo izquierdo encuentra un filtro polarizado horizontalmente y pasa a travs de l hasta el reflector, en donde se refleja de regreso al cristal lquido, deflexionando de nuevo en la otra polarizacin vertical y regresando al observador. Si no hay voltaje aplicado, existe una pantalla alumbrada uniformemente. La aplicacin de un voltaje da como resultado una luz incidente vertical que encuentra un filtro de polarizacin vertical a la izquierda, el cual no permitir que pase y sea reflejado. Resulta un rea oscura en un cristal.

Figura 1.40: LCD de efecto de campo reflectivo sin polarizacin aplicada.

Las LCD de efecto de campo son usadas por lo general cuando la fuente de energa es un factor principal (por ejemplo, en relojes, instrumentacin porttil, etc.), debido a que consumen una potencia considerablemente menor que las de tipo de dispersin de luz, del rango de microwatts, comparado con el de pocos miliwatts. Por lo general, el costo es mayor para las unidades de efecto de campo y su altura est limitada a cerca de 2 pulgadas, mientras que en las unidades de dispersin de luz estn disponibles en unidades de hasta 8 pulgadas de altura. Una consideracin adicional en las pantallas es su tiempo de encendido y apagado. Las LCD son mucho ms lentas que los LED. Las LCD tienen tiempos de respuesta tpicos en el rango de 100 a 300 ms, mientras que se dispone de LED con tiempos de respuesta inferiores a 100 ns. Sin embargo, hay varias aplicaciones, como los relojes, en donde la diferencia entre 100 ns y 100 ms es de pocas consecuencias. Para tales aplicaciones la menor demanda de potencia de las LCD es una caracterstica muy atractiva. El tiempo de vida de las unidades LCD se incrementa en forma sostenida, ms all del lmite de 10,000 horas. Debido a que el color generado por las unidades LCD depende de la fuente de iluminacin, hay un mayor rango de alternativas de color.