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Índice general Tema 1 Tema 2 Tema 3 Tema 4 Tema 5 Tema 7Tema 6Principios de Eléctrica y ElectrónicaTema 2.1 Tema 5.1 R A H1

TEMA 6

LED, FOTODIODOS, FOTOTRANSITORES Y OPTOACOPLADORES

TEMA 6

LED, FOTODIODOS, FOTOTRANSITORES Y OPTOACOPLADORES


INDICE

Descripción

OBJETIVOS

6.1 DIODOS EMISORES DE LUZ

6.2 FOTODIODOS

6.3 FOTOTRANSISTORES

6.4 OPTOACOPLADORES

Índice general Tema 1 Tema 2 Tema 3 Tema 4 Tema 5 Tema 7Tema 6Principios de Eléctrica y ElectrónicaTema 2.1 Tema 5.1 R A H3INTRODUCCIÓN

OBJETIVOS

El participante conocerá la teoría de operación de los diodos emisores de luz, así como sus aplicaciones, ventajas y desventajas.

El participante conocerá la teoría de operación de los fotodiodos, así como sus aplicaciones principales.

El participante conocerá la teoría de operación de los fototransistores, así como sus aplicaciones principales.

El participante conocerá la teoría de operación de los optoacopladores, así como sus aplicaciones principales.


6.1. DIODOS EMISORES DE LUZ


6.1. DIODOS EMISORES DE LUZ

Definición y principio de operación:

Un diodo de unión puede emitir luz o tener electroluminiscencia: proceso de emisión de luz mediante la aplicación de una fuente de energía eléctrica. La luz emitida en este caso procede de la recombinación electrón-hueco.

En los diodos emisores de luz de estado sólido (LED), el suministro de electrones de mayor energía proviene de la polarización directa, inyectando así electrones en la región n (y huecos en la región p).


Construcción y símbolo


Construcción y símbolo (Cont…)


LED Típico


PRINCIPIOS DE OPERACIÓN

Los huecos y electrones inyectados se recombinan con los portadores mayoritarios próximos a la unión. La radiación por recombinación es emitida en todas direcciones, observándose la mayor luz en la superficie superior porque el promedio de material entre la unión y esta superficie es mínimo.

Realmente, en cualquier semiconductor con polarización directa, se producen transiciones radiactivas o no, pero en muchos predomina esta última, o los fotones perdidos son tantos que no se observa ninguna radiación exterior. En todas las uniones de semiconductores p-n cierta cantidad de la energía transferida durante la recombinación electrón-hueco se desprenderá en forma de calor y otra en forma de fotones. En el caso del silicio y del germanio, el porcentaje mayor de energía que se desprende es en forma de calor y en una medida insignificante, se desprende luz emitida. En otros materiales, como el fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) o el fosfuro de galio (GaP), el número de fotones de energía luminosa emitida es suficiente como para crear una fuente de luz altamente visible.


La intensidad de la iluminación de un LED depende de la característica de aumento de la lente del encapsulado.

Las curvas corresponden a diferentes flujos luminosos

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El patrón de iluminación depende del tipo de encapsulado.


Curva característica


CARACTERÍSTICAS DE LOS LED

Polarización directa. La región de emisión de luz está disponible en longitudes que van desde 0.1

a 1 pulgada. Es posible representar números mediante segmentos formados por LED

(“display” de 7 segmentos) . También existen lámparas LEDs de dos terminales, las cuales contienen dos

LEDs, de manera que una inversión en la polarización cambia el color de verde o viceversa .

Actualmente es posible encontrar LEDs en color rojo, verde, amarillo, naranja y blanco .

En general, los LEDs operan en rangos de voltaje de 1.7 a 3.3 V y corrientes entre 10 y 20 mA, lo cual los hace completamente compatibles con los circuitos de estado sólido.


CARACTERÍSTICAS DE LOS LED (Cont…)

Cuentan con tiempo de respuesta rápidos (nanosegundo) y ofrecen índices buenos de contraste para mejor visibilidad .

Sus requisitos de potencia son típicamente de 10 a 150 mW con tiempos de vida de más de 100,000 horas.

Un diodo de silicio instalado inversamente, en paralelo al LED, protegerá al mismo contra el voltaje inverso aplicado.


VENTAJAS DE LOS LED

1. Velocidades extremadamente altas (pocos nanosegundos) 2. Ancho de banda espectral estrecho, centrado próximo al pico de respuesta de

muchos detectores de Si.3. Bajo costo 4. Larga vida comparada con las lámparas 5. Linealidad en un amplio margen en Psalida en función de Ientrada 6. Funcionamiento a baja tensión, lo cual los hace compatibles con circuitos

integrados .7. Variedad de colores .


DESVENTAJAS DE LOS LED

1. La potencia de salida radiante y la situación del centro de longitud de onda dependen de la temperatura

2. Fácil destrucción por sobretensión o sobrecorriente

3. Teóricamente no se consigue buen rendimiento excepto con enfriamiento especial o trabajo intermitente

4. Ancho de banda óptico grande, comparado al láser

5. Su poder de iluminación es bajo y es invisible en luz brillante

6. El ángulo de radiación se encuentra solamente entre 30° y 60°


APLICACIONES

Los LEDs son muy útiles en aplicaciones visuales, tales como: indicadores montados en panel, indicadores de “status” de circuitos impresos, botones pulsadores iluminados, entre otras muchas aplicaciones .


APLICACIONES


6.2. FOTODIODOS


6.2. FOTODIODOS


El fotodiodo es un dispositivo semiconductor de unión p-n cuya región de operación se limita a la región de polarización inversa .

Construcción y polarización

Lente para concentrar la luz sobre la región de la unión


CONSTRUCCIÓN

En polarización inversa, la corriente de saturación inversa se encuentra normalmente limitada a unos cuantos microamperes, debido a los portadores minoritarios térmicamente generados en los materiales de tipo p y de tipo n.

La aplicación de luz a la unión ocasionará una transferencia de energía de las ondas de luz incidentes (en forma de fotones) hacia la estructura atómica, lo que provocará un incremento en el número de portadores minoritarios y un nivel mayor de corriente inversa .


Símbolo y

curva característica

La corriente de oscuridad es la corriente que se presentará sin iluminación aplicada.

la corriente solamente regresará a cero con una polarización directa aplicada igual a VT

Símbolo


El espaciamiento casi igual entre las curvas para el mismo incremento en el flujo luminoso revela que la corriente inversa y el flujo luminoso se encuentran relacionados prácticamente de forma lineal

I en función de fc (cuando V = 20 V).

Corriente inversa y flujo luminoso


LAS PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LOS FOTODIODOS:

1. Dado que los tiempos de subida y bajada (parámetros de cambio de estado) son muy pequeños para este dispositivo (nanosegundos), el dispositivo puede emplearse para aplicaciones de conteo o conmutación de alta velocidad.

2. La respuesta espectral del Germanio es más amplia en longitudes de onda que el Silicio. Esto lo vuelve adecuado para luz incidente en la región infrarroja que proporcionan las fuentes luminosas de láser e IR.

3. El nivel de corriente generado por la luz incidente sobre un fotodiodo es tal que no es posible utilizarla como un control directo, pero puede amplificarse para este propósito.


APLICACIONES

Sistema de alarma

Operación de conteo


6.3. FOTOTRANSISTORES


6.3 EL FOTOTRANSISTOR


El fototransistor posee una unión p-n colector-base fotosensible. La corriente inducida por los efectos fotoeléctricos será la corriente de base del transistor. Si asignamos la notación I para la corriente de base fotoinducida, la corriente de colector resultante, sobre una base aproximada será:

IC hfeI


CONSTRUCCIÓN

Los fototransistores combinan en un mismo dispositivo la detección de luz y la ganancia. Su construcción es similar a la de los transistores convencionales, excepto que la superficie superior se expone a la luz a través de una ventana o lente como se muestra en la Figura


(a) Curvas características del colector

(b) Símbolo

Observe las similitudes entre estas curvas y las de un transistor bipolar típico

(c) Circuito equivalente:


(a) Corriente de base en función de la densidad de flujo

(b) Dispositivo

(c) Identificación de terminales

(d) Alineación angular


ALGUNAS ÁREAS DE APLICACIÓN DE LOS FOTOTRANSISTORES:

Sistemas de control digital

Control de iluminación

Indicadores de nivel

Sistemas de conteo

Sistemas de alarma


APLICACIONES DEL FOTOTRANSITOR

El uso de los fototransistores se restringe generalmente a aplicaciones ON-OFF, en que su ganancia propia puede eliminar la necesidad de amplificación posterior. De hecho, el mayor mercado para el fototransistor es para las aplicaciones de mayor velocidad donde es mejor fotoconductor de una pieza y más ganancia que un fotodiodo, con lo cual se elimina la necesidad de una amplificación posterior.


APLICACIONES DEL FOTOTRANSITOR (CONT…)

Interruptor simple con fototransistor



Detector de falta de luz de gran sensibilidad



Relevadores controlados por luz

Se activa con presencia de luz



Relevadores controlados por luz

Se desactiva con presencia

de luz



Alarmas activadas por luz

Con relevador



Alarmas activadas por luz

Con circuito directo



Regulador de voltaje para una lámpara de proyector


6.4 OPTOACOPLADORES6.4 OPTOACOPLADORES


6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…)



Un optoacoplador combina un dispositivo semiconductor formado por un fotoemisor, un fotoreceptor y entre ambos hay un camino por donde se transmite la luz.

Todos estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP.



¿CÓMO FUNCIONA?

La señal de entrada es aplicada al fotoemisor y la salida es tomada del fotoreceptor. 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.



También se denominan optoaisladores. Basan su funcionamiento en el empleo de un haz de radiación luminosa para pasar señales de un circuito a otro sin conexión eléctrica. Éste dispositivo está formado por una fuente emisora de luz, y un fotosensor de silicio, que se adapta a la sensibilidad espectral del emisor luminoso.

Cuando el fotodispositivo detecta luz, la resistencia entre las terminales se reduce. Esta reducción de la resistencia puede activar otro circuito :

Cuando el LED esta activado, la resistencia entre colector y emisor del transistor, DECRECE ; el voltaje en la salida se REDUCE.



El LED requiere de 1mA a 15 mA.

Si la resistencia conectada al LED es muy grande, solo un poca corriente fluirá a través del LED y no brillará intensamente. El transistor casi no se encenderá y la resistencia entre las terminales del colector emisor será bastante ALTA.

Si se baja el valor de la resistencia, el LED será muy brilloso y el transistor se encenderá. El voltaje de salida se reducirá.

La salida del transistor pasará de 30mA a 100mA. ¿qué significa esto?

Por ejemplo, no se pueden poner 12V@1A en la salida del optoacoplador. No iluminará. Sin embargo, un relevador de 12V@100mA se puede colocar en la salida que operará.



Para obtener una señal de salida de un optoacoplador como la mostrada, se necesita colocar una resistencia de carga.



Observar la resistencia de carga en el pin 3.

Debe ser elegida para permitir cerca de 200% al 300% mas corriente que la requerida por la etapa que se está manipulando.



Un optoacoplador puede invertir la señal o proporcionar la no inversión de la señal :



TIPOS

FOTODIODO FOTOTRANSISTOR FOTODARLINGTON FOTOSCR FOTOTRIAC



TIPOS DE OPTOACOPLADORES

Fototransistor: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un transistor BJT.

Conmuta una variación de corriente de entrada en una variación de tensión de salida. Se utiliza en acoplamientos de líneas telefónicas, periféricos, audio, etc.


Fototriac: Se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un triac


TIPOS DE OPTOACOPLADORES



HOJAS DE ESPECIFICACIONESMOC3041-43MOC3020PC87



El encapsulado varía en función del tipo de optoacoplador y de su aplicación, así como del número de unidades que se encuentren en su interior. En el caso de optoacopladores sencillos la cápsula, de tipo DIL, suele tener 6 patillas, siendo estos los más utilizados. Los dobles, también de tipo DIL tienen 8 pines; algunos pueden tener hasta cuatro unidades en cápsulas DIL de 16 patillas. Normalmente, los pines del elemento emisor están a un lado de la cápsula y los del sensor en el lado opuesto. Existen unos encapsulados diferentes en los que, físicamente se puede interrumpir el haz luminoso (usados para control de posición, nº de revoluciones, cerraduras...). De esta forma el encapsulado presenta una ranura entre el emisor y el receptor. Se les denomina de cápsula ranurada o fotocélulas de herradura.



NUEVA SERIE DE OPTOACOPLADORES

Nueva serie de optoacopladores HCPL-90xx/-09xx de alta velocidad de Agilent

La serie de optoacopladores HCPL-90xx/-09xx son de alta velocidad, hasta 100 MBd, distorsión típica del ancho de pulso de 2 ns y 10 ns de propagación. Estos productos están disponibles en encapsulados simple, doble o cuádruple y configuraciones tanto bidireccional como unidireccional. Aportan soluciones con alta eficiencia energética y están disponibles en SO8 y SO16, ahorrando espacio en placa.



NUEVA SERIE DE OPTOACOPLADORES

La serie de alta velocidad HCPL-90xx/-09xx CMOS se integran con la nueva tecnología “Giant Magnetoresistive” GMR.

Los 12 miembros de la familia funcionan indistintamente en 3.3 o 5 voltios con un consumo mínimo. También están disponibles en selecciones de altas tensiones de aislamiento y rechazo en modo común.



Gama de optoacopladores.



CORTE DE UN OPTOACOPLADOR



CARACTERÍSTICAS Y BENEFICIOS:

Alta velocidad, 100 Mbaudios garantizados (el optoacoplador digital más rápido disponible en el mercado.) Disponible en simple, doble y cuádruple. Trabaja en 3.3v y 5 voltios, compatible con TTL/CMOS. Aislamientos de 2500 Vrms Distorsión típica de 2ns de ancho de pulso Retardo de propagación típico de 10 ns. Rechazo en modo común de 15 kV/micro seg. Temperatura de funcionamiento de –40 a 100ºC. Cumple norma UL1577 y IEC 61010-1.



APLICACIONES: Aislamiento de Bus de comunicaciones Aplicaciones de adquisición de datos. Aislamiento AD Puertos E/S de alta velocidad Interfaces de periféricos de ordenador Interfaces de sistemas microprocesadores



APLICACIONESLa principal necesidad de los optoacopladores es el aislamiento. Los optoacopladores no sólo aíslan potencia si no también ruido y tienen varias ventajas sobre otros dispositivos que realizan la misma tarea. Pueden reemplazar interruptores y relés dando velocidades de conmutación mucho más rápidas, con eliminación de rebotes mejor confiabilidad y mejor aislamiento eléctrico salvo en configuraciones especiales.Pueden reemplazar transformadores de pulso en aplicaciones de punto flotante. Los optoacopladores pueden transmitir DC y AC de muy baja frecuencia, mientras que los transformadores de pulso solamente acoplan los componentes de la señal de entrada de alta frecuencia y se requiere de seguros (latches) para reconstruir la información DC.



APLICACIONES

En la transmisión de información digital en presencia de ruido de modo común. En algunas situaciones en la práctica donde el ruido de modo común puede alcanzar los varios cientos de voltios cuando su valor típico es de 30V, los optoacopladores pueden llegar a proveer protección incluso sobre los miles de voltios.

En los motores AC de velocidad variable, la velocidad del motor se controla típicamente mediante una etapa de control de baja tensión, que se conecta a una etapa de potencia. El requisito fundamental en tales sistemas es el aislamiento del usuario respecto a las altas tensiones de la etapa de potencia. Un segundo requisito son los cambios de nivel y el aislamiento de las señales de control y de realimentación de la interfaz. Este requisito simultáneo de aislamiento eléctrico y de señal, concuerda perfectamente con las características de los optoacopladores avanzados



APLICACIONES

La contribución decisiva de los optoacopladores es en la mejora de los sistemas de control. Ello es posible gracias a una cantidad extremadamente pequeña del offset y a un elevado rechazo del modo común (CMRR).



APLICACIONES

Un optoacoplador controlando un MOSFET



APLICACIONES

Sensores de objetos



APLICACIONES

Interruptor óptico

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