índice INDICE Descripción Pág OBJETIVOS DIODOS EMISORES DE LUZ 3

Presentación del tema: "índice INDICE Descripción Pág OBJETIVOS DIODOS EMISORES DE LUZ 3"— Transcripción de la presentación:

1 índice INDICE Descripción Pág OBJETIVOS 2 6.1 DIODOS EMISORES DE LUZ 3
6.2 FOTODIODOS 19 6.3 FOTOTRANSISTORES 26 6.4 OPTOACOPLADORES 40

2 OBJETIVO 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. INTRODUCCIÓN

3 6.1 DIODOS EMISORES DE LUZ 6.1. DIODOS EMISORES DE LUZ

4 Definición y principio de operación:
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).

5 Construcción y símbolo
6.1. DIODOS EMISORES DE LUZ Construcción y símbolo

6 Construcción y símbolo (Cont…)
6.1. DIODOS EMISORES DE LUZ Construcción y símbolo (Cont…)

7 6.1. DIODOS EMISORES DE LUZ LED Típico

8 PRINCIPIOS DE OPERACIÓN
6.1. DIODOS EMISORES DE LUZ 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.

9 Las curvas corresponden a diferentes flujos luminosos
6.1. DIODOS EMISORES DE LUZ 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

10 El patrón de iluminación depende del tipo de encapsulado.
6.1. DIODOS EMISORES DE LUZ El patrón de iluminación depende del tipo de encapsulado.

11 6.1. DIODOS EMISORES DE LUZ Curva característica

12 CARACTERÍSTICAS DE LOS LED Polarización directa.
6.1. DIODOS EMISORES DE LUZ 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.

13 CARACTERÍSTICAS DE LOS LED (Cont…)
6.1. DIODOS EMISORES DE LUZ 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.

14 Velocidades extremadamente altas (pocos nanosegundos)
6.1. DIODOS EMISORES DE LUZ VENTJAS DE LOS LED Velocidades extremadamente altas (pocos nanosegundos) Ancho de banda espectral estrecho, centrado próximo al pico de respuesta de muchos detectores de Si. Bajo costo Larga vida comparada con las lámparas Linealidad en un amplio margen en Psalida en función de Ientrada Funcionamiento a baja tensión, lo cual los hace compatibles con circuitos integrados . Variedad de colores .

15 Fácil destrucción por sobretensión o sobrecorriente
6.1. DIODOS EMISORES DE LUZ DESVENTAJAS DE LOS LED La potencia de salida radiante y la situación del centro de longitud de onda dependen de la temperatura Fácil destrucción por sobretensión o sobrecorriente Teóricamente no se consigue buen rendimiento excepto con enfriamiento especial o trabajo intermitente Ancho de banda óptico grande, comparado al láser Su poder de iluminación es bajo y es invisible en luz brillante El ángulo de radiación se encuentra solamente entre 30° y 60°

16 6.1. DIODOS EMISORES DE LUZ 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 .

17 6.1. DIODOS EMISORES DE LUZ APLICACIONES

18 6.1. DIODOS EMISORES DE LUZ APLICACIONES

19 6.2. FOTODIODOS 6.2. FOTODIODOS

20 Definición y principio de operación:
6.2. FOTODIODOS 6.2. FOTODIODOS Definición y principio de operación: 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

21 6.2. FOTODIODOS (Cont…) 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 .

22 6.2. FOTODIODOS (Cont…) La corriente de oscuridad es la corriente que se presentará sin iluminación aplicada. Símbolo y curva característica Símbolo la corriente solamente regresará a cero con una polarización directa aplicada igual a VT

23 Corriente inversa y flujo luminoso
6.2. FOTODIODOS (Cont…) Corriente inversa y flujo luminoso 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).

24 LAS PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LOS FOTODIODOS:
6.2. FOTODIODOS (Cont…) LAS PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LOS FOTODIODOS: 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. 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. 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.

25 APLICACIONES Sistema de alarma Operación de conteo
6.2. FOTODIODOS (Cont…) APLICACIONES Sistema de alarma Operación de conteo

26 6.3. fototransistores 6.3. FOTOTRANSISTORES

27 Definición y principio de operación:
6.3. fototransistores 6.3 EL FOTOTRANSISTOR Definición y principio de operación: 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

28 6.3. fototransistores 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

29 (c) Circuito equivalente:
6.3. fototransistores Curvas características del colector (b) Símbolo (c) Circuito equivalente: Observe las similitudes entre estas curvas y las de un transistor bipolar típico

30 Corriente de base en función de la densidad de flujo Dispositivo
6.3. fototransistores Corriente de base en función de la densidad de flujo Dispositivo Identificación de terminales Alineación angular

31 ALGUNAS ÁREAS DE APLICACIÓN DE LOS FOTOTRANSISTORES:
Sistemas de control digital Control de iluminación Indicadores de nivel Sistemas de conteo Sistemas de alarma

32 APLICACIONES DEL FOTOTRANSITOR
6.3. fototransistores 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.

33 APLICACIONES DEL FOTOTRANSITOR (CONT…)
6.3. fototransistores APLICACIONES DEL FOTOTRANSITOR (CONT…) Interruptor simple con fototransistor

34 APLICACIONES DEL FOTOTRANSITOR (CONT…)
6.3. fototransistores APLICACIONES DEL FOTOTRANSITOR (CONT…) Detector de falta de luz de gran sensibilidad

35 Se activa con presencia de luz
6.3. fototransistores APLICACIONES DEL FOTOTRANSITOR (CONT…) Relevadores controlados por luz Se activa con presencia de luz

36 APLICACIONES DEL FOTOTRANSITOR (CONT…) Relevadores controlados por luz
6.3. fototransistores APLICACIONES DEL FOTOTRANSITOR (CONT…) Relevadores controlados por luz Se desactiva con presencia de luz

37 APLICACIONES DEL FOTOTRANSITOR (CONT…) Alarmas activadas por luz
6.3. fototransistores APLICACIONES DEL FOTOTRANSITOR (CONT…) Alarmas activadas por luz Con relevador

38 APLICACIONES DEL FOTOTRANSITOR (CONT…) Alarmas activadas por luz
6.3. fototransistores APLICACIONES DEL FOTOTRANSITOR (CONT…) Alarmas activadas por luz Con circuito directo

39 APLICACIONES DEL FOTOTRANSITOR (CONT…)
6.3. fototransistores APLICACIONES DEL FOTOTRANSITOR (CONT…) Regulador de voltaje para una lámpara de proyector

40 6.4. OPTOACOPLADORES 6.4 OPTOACOPLADORES

41 6.4. OPTOACOPLADORES

42 6.4. OPTOACOPLADORES (CONT…)

43 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…)

44 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.

45 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) ¿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.

46 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…)
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.

47 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) 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 en la salida del optoacoplador. No iluminará. Sin embargo, un relevador de se puede colocar en la salida que operará.

48 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…)
Para obtener una señal de salida de un optoacoplador como la mostrada, se necesita colocar una resistencia de carga.

49 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…)
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.

50 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…)
Un optoacoplador puede invertir la señal o proporcionar la no inversión de la señal :

51 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) TIPOS FOTODIODO FOTOTRANSISTOR
FOTODARLINGTON FOTOSCR FOTOTRIAC

52 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) 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.

53 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) TIPOS DE OPTOACOPLADORES
Fototriac: Se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un triac

54 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) HOJAS DE ESPECIFICACIONES MOC3041-43
PC87

55 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…)
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.

56 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) NUEVA SERIE DE OPTOACOPLADORES
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 HCPL-90xx/-09xx de alta velocidad de Agilent

57 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) 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.

58 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) Gama de optoacopladores.

59 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) Gama de optoacopladores.

60 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) CORTE DE UN OPTOACOPLADOR

61 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) 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

62 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) 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

63 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) APLICACIONES
La 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.

64 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) 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

65 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) 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).

66 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) APLICACIONES
Un optoacoplador controlando un MOSFET

67 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) APLICACIONES Sensores de objetos

68 6.4. OPTOACOPLADORES (Cont…) APLICACIONES Interruptor óptico

69 6.5. SENSORES MAGNETICOS 6.5 SENSORES MAGNETICOS

70 6.5. SENSORES DE MAGNETISMO – Introducción
6.5. SENSORES MAGNETICOS 6.5. SENSORES DE MAGNETISMO – Introducción En robótica, algunas situaciones de medición del entorno pueden requerir del uso de elementos de detección sensibles a los campos magnéticos. En principio, si nuestro robot debe moverse en ambientes externos a un laboratorio, una aplicación importante es una brújula que forme parte de un sistema de orientación para nuestro robot. Otra aplicación es la medición directa de campos magnéticos presentes en las inmediaciones, que podrían volverse peligrosos para el "cerebro" de nuestro robot si su intensidad es importante. Una tercera aplicación es la medición de sobrecorrientes en la parte motriz (detectando la intensidad del campo magnético que genera un conductor en la fuente de alimentación). También se podrán encontrar sensores magnéticos en la medición de movimientos, como el uso de detectores de "cero movimiento" y tacómetros basados en sensores por efecto Hall o pickups magnéticos.

71 6.5. SENSORES DE MAGNETISMO – (Cont…)
6.5. SENSORES MAGNETICOS (cont…) 6.5. SENSORES DE MAGNETISMO – (Cont…) Pickups magnéticos (sensores inductivos) Entre los sensores de proximidad industriales de uso frecuente se encuentran los sensores basados en un cambio de inductancia debido a la cercanía de un objeto metálico

72 6.5. SENSORES DE MAGNETISMO – (Cont…)
6.5. SENSORES MAGNETICOS (cont…) 6.5. SENSORES DE MAGNETISMO – (Cont…) La figura muestra el esquema de un sensor inductivo o "pickup magnético", que consiste en una bobina devanada sobre un imán permanente, ambos insertos en un receptáculo o cápsula de soporte. Si se coloca el núcleo del sensor en proximidad de un material ferromagnético, se produce un cambio en la posición de las líneas de flujo del imán permanente. En condiciones estáticas, no hay movimiento en las líneas de flujo y, por consiguiente, no se induce corriente en la bobina. Sin embargo, cuando un objeto ferromagnético ingresa en el campo del imán y/o lo abandona, el cambio que resulta en las líneas de flujo induce un impulso de corriente, cuya amplitud y forma son proporcionales a la velocidad de cambio del flujo. La tensión que se mide sobre la bobina varía como función de la velocidad a la que se introduce el material ferromagnético en el campo del imán. La polaridad de la tensión depende de que el objeto esté ingresando en el campo o abandonándolo.

73 6.5. SENSORES DE MAGNETISMO – (Cont…)
6.5. SENSORES MAGNETICOS (cont…) 6.5. SENSORES DE MAGNETISMO – (Cont…) También existe una relación entre la amplitud de la tensión y la distancia sensor-objeto. La sensibilidad cae rápidamente al aumentar la distancia. El sensor es eficaz a un milímetro o menos.