UNIDAD 3. OPTODISPOSITIVOS

3.1 Antecedentes

La optoelectrónica es el nexo de unión entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos. Los componentes optoelectrónicos son aquellos cuyo funcionamiento está relacionado directamente con la luz. Los optodispositivos empleados en la electronica han tenido gran aplicacion, en el comercio, en el hogar, en la industria, en lo militar y en medicina. El surgimiento del campo de la Optoelectronica ha producido gran variedad de dispositivos que, o bien generan luz bajo estimulos electricos o responden a la luz de manera tal que convierten la energia luminosa en energia electrica o afecta a algun parametro electrico llamados optodispositivos. Los sistemas optoelectrónicos están cada vez más de moda. Hoy en día parece imposible mirar cualquier aparato eléctrico y no ver un panel lleno de luces o de dígitos más o menos espectaculares. Por ejemplo, la mayoría de los walkman disponen de un piloto rojo (LED) que nos avisa, siempre en el momento más inoportuno, que las pilas se han agotado y que deben cambiarse. Los tubos de rayos catódicos con los que funcionan los osciloscopios analógicos y los televisores, las pantallas de cristal líquido, los modernos sistemas de comunicaciones mediante fibra óptica. Los dispositivos optoelectronicos se denominan opto aisladores o dispositivos de acoplamiento óptico.

En la optoelectronica se emplean basicamente 3 dispositivos que son:

3.2 Optodispositivos fotoemisivos

LED (Diodo Emisor de Luz)

Los LED, o díodos emisores de luz, son mucho más que simples bombillas de tamaño reducido: constituyen una revolución para la iluminación. Nos permiten crear efectos de iluminación que años atrás eran inconcebibles. Gracias a los LED puede crear libremente cualquier instalación o efecto luminoso que se imagine. Un LED es un dispositivo semiconductor. Cuando se suministra corriente a un LED, los electrones se mueven a través del material semiconductor y algunos pasan a un estado energético más bajo. Durante el proceso, se emite la energía "excedente" en forma de luz. La longitud de onda (y, por lo tanto, el color) se puede ajustar utilizando diferentes materiales semiconductores y procesos de manufacturado distintos. Es más, la difusión de la longitud de onda de la luz emitida es relativamente corta, por lo que los colores son más puros.

Actualmente, la mayoría de LED se fabrican con materiales semiconductores compuestos tradicionales, como el nitrito de galio (GaN). Sin embargo, también están empezando a aparecer los LED hechos de materiales orgánicos (los OLED, Organic Light Emiting Diode). Los LED fabricados a base de polímeros (normalmente llamados PLED o PolyLED) ofrecen muchas de las ventajas de los LED tradicionales y a su vez pueden convertirse en fuentes de luz flexibles. El primer LED que emitía en el espectro visible fue desarrollado por el ingeniero de General Electric Nick Holonyak en 1962.

IRED (Diodos Infrarrojos)

Los diodos infrarrojos (IRED) son dispositivos de arseniuro de galio de estado solido que permiten un rayo de flujo radiante cuando se polariza en forma directa. Los fotones generados seran reabsorbidos por la estructura o abandonaran la superficie del dispositivo como energia radiante. Se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia de televisores, habiéndose generalizado su uso en otros electrodomésticos como equipos de aire acondicionado, equipos de música, etc. y en general para aplicaciones de control remoto, así como en dispositivos detectores.

Aplicaciones practicas del IRED:

IRED

Diodo Laser

El diodo láser es un dispositivo semiconductor similar a los diodos LED pero que bajo las condiciones adecuadas emite luz láser. A veces se los denomina diodos láser de inyección, o por sus siglas inglesas LD o ILD. El termino laser proviene de amplificacion luminosa mediante emision estimulada de radiacion.

Cuando un diodo convencional o LED se polariza en directa, los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona n hacia la zona p; ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo. En los diodos láser, para favorecer la emisión estimulada y generación de luz láser, el cristal semiconductor del diodo puede tener la forma de una lámina delgada con un lado totalmente reflectante y otro sólo reflectacte de forma parcial (aunque muy reflectacte también), lográndose así una unión p-n de grandes dimensiones con las caras exteriores perfectamente paralelas y reflectantes. Este conjunto forma una guía de onda similar a un resonador de tipo Fabry-Perot. En ella, los fotones emitidos en la dirección adecuada se reflejarán repetidamente en dichas caras reflectantes (en una totalmente y en la otra sólo parcialmente), lo que ayuda a su vez a la emisión de más fotones estimulados dentro del material semiconductor y consiguiéntemente a que se amplifique la luz (mientras dure el bombeo derivado de la circulación de corriente por el diodo). Parte de estos fotones saldrá del diodo láser a través de la cara parcialmente transparente (la que es sólo reflectante de forma parcial). Este proceso da lugar a que el diodo emita luz, que al ser coherente en su mayor parte (debido a la emisión estimulada), posee una gran pureza espectral. Por tanto, como la luz emitida por este tipo de diodos es de tipo láser, a estos diodos se los conoce como diodos láser.

Tiene aplicaciones en la reproduccion de discos compactos, en tratamientos terapeuticos, en procesos de medicion de procesos industriales y en la industria militar.


3.3 Optodispositivos fotoconductivos

Fotodiodo

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. Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de luz exterior generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente presente en ausencia de luz recibe el nombre de corriente de oscuridad.

Un fotodiodo es una unión P-N o estructura P-I-N. Cuando una luz de suficiente energía llega al diodo, excita un electrón dándole movimento y crea un hueco con carga positiva. Si la absorción ocurre en la zona de agotamiento de la unión, o a una distancia de difusión de él, estos portadores son retirados de la unión por el campo de la zona de agotamiento, produciendo una fotocorriente.El material empleado en la composición de un fotodiodo es un factor crítico para definir sus propiedades. Suelen estar compuestos de silicio, sensible a la luz visible (longitud de onda de hasta 1µm); germanio para luz infrarroja (longitud de onda hasta aprox. 1,8 µm ); o de cualquier otro material semiconductor.

Tiene aplicaciones como detector de piezas en contadores industriales, como sensor de alta velocidad en comunicaciones por fibras opticas y detector de proximidad.

Aplicaciones practicas del Fotodiodo:

BS100C

 

Fototransistor

Se llama fototransistor a un transistor sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz incide sobre la región de base, generando portadores en ella. Esta carga de base lleva el transistor al estado de conducción. El fototransistor es más sensible que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor. Cuando no haya luz incidente, existe una corriente pequeñisima de fuga de colector a emisor, generada termicamente, llamada corriente oscura. En el mercado se encuentran fototransistores tanto con conexión de base como sin ella y tanto en cápsulas plásticas como metálicas (TO-72, TO-5) provistas de una lente.

Se han utilizado en lectores de cinta y tarjetas perforadas, lápices ópticos, etc. Para comunicaciones con fibra óptica se prefiere usar detectores con fotodiodos p-i-n. También se pueden utilizar en la detección de objetos cercanos cuando forman parte de un sensor de proximidad.Se utilizan ampliamente encapsulados conjuntamente con un LED, formando interruptores ópticos (opto-switch), que detectan la interrupción del haz de luz por un objeto. Existen en dos versiones: de transmisión y de reflexión.

Tiene mas capacidad de corriente pero su velocidad de conmutacion es menor comparado con el fotodiodo.

Aplicaciones practicas del Fototransistor:

BP38X

BPX43

LASCR

Este dispositivo se activa mediante radiación directa sobre el disco de silicio provocada con luz. Los pares electrón-hueco que se crean debido a la radiación producen la corriente de disparo bajo la influencia de un campo eléctrico. La estructura de compuerta se diseña a fin de proporcionar la suficiente sensibilidad para el disparo, a partir de fuentes luminosas prácticas (por ejemplo, LED y para cumplir con altas capacidades de di/dt y dv/dt).


Los LASCR se utilizan en aplicaciones de alto voltaje y corriente [por ejemplo, transmisión de cd de alto voltaje (HVDC) y compensación de potencia reactiva estática o de volt-amperes reactivos (VAR)]. Un LASCR ofrece total aislamiento eléctrico entre la fuente de disparo luminoso y el dispositivo de conmutación de un convertidor de potencia, que flota a un potencial tan alto como unos cuantos cientos de kilovoltios. La especificación de voltaje de un LASCR puede llegar tan alto como 4 kv a 1500 A, con una potencia de disparo luminoso de menos de 100mw. El di/dt típico es 250 A/m s y el dv/dt puede ser tan alto como 2000v/ms.

Como lo dice es un SCR cuyo estado es controlado por la luz que incide sobre una capa semiconductora de silicio en el dispositivo, tambien se proporciona la terminal de compuerta para permitir el disparo del dispositivo usando los metodos del SCR mas comunes.

Algunas areas de aplicacion del LASCR incluyen los controles remotos, opticos, relevadores, control de fase, control de motor y una diversidad de aplicaciones en la PC.

FotoTRIAC

Se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un triac. Cuando la luz es suficiente, los electrones de valencia son desalojados de sus orbitas y se convierten en electrones libres. Cuando estos electrones libres circulan del colector a un transistor a la base del otro se inicia la realimentacion positiva y el TRIAC conduce.

Se integra en un chip como sensor de optoacoplamiento para disparar TRIAC de potencia como en los relevadores estaticos para el control de motores.

3.4 Optoacopladores

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.

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. Los fotoemisores que se emplean en los optoacopladores de potencia son diodos que emiten rayos infrarrojos (IRED) y los fotoreceptores pueden ser tiristores o transistores.
Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo IRED, este emite un haz de rayos infrarrojo que transmite a través de una pequeña guia-ondas de plástico o cristal hacia el fotorreceptor. La energía luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que este genere una tensión eléctrica a su salida. Este responde a las señales de entrada, que podrían ser pulsos de tensión.

Aplicaciones practicas del Optoacoplador:

CNY17

MOC3041

 

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