1.8 Interruptor óptico

Ya que se han visto los elementos sensibles a la luz, ahora realizaremos los circuitos de algunos interruptores ópticos 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 óptico con LDR y SCR

El circuito se alimenta directo de la corriente de línea, la fotorresistencia deberá estar aislada de la luz de la lámpara, de tal forma que cuando una luz externa incida sobre el LDR,  este reducirá su resistencia haciendo que la caída de voltaje entre las terminales del divisor de voltaje aumente. El SCR entrará en estado de conducción permaneciendo así hasta que  la luz sea retirada. El ajuste de la sensibilidad, se realiza entonces por medio del potenciómetro de 1M.

En la figura 1.28 se presenta otro circuito, también 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 está iluminado su resistencia es baja y causa que el voltaje en la base del transistor se incremente. El primer transistor conducirá, lo que causará que el segundo transistor entre en corte. De esta manera el Relay / relé 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 pequeña. El valor de la fotorresistencia no es crítico y se puede utilizar casi cualquiera pues se incluye un potenciómetro en serie para controlar la sensibilidad del circuito interruptor.

Figura 1.28: Interruptor óptico con LDR y relevador electromagnético

En la figura 1.29, se presenta un circuito para cuado se tenga que usar un fotodiodo; recordando que la señal 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 tensión de salida en estas condiciones, cae  a un valor mínimo en una transición bastante rápida. A la salida de este circuito, se puede agregar una etapa para el control de un relevador o de un triac, sin embargo también pudiera ser entrada  para un microcontrolador ya que la caída de voltaje que existirá sobre la resistencia de salida,  no supera los 5 v en ningún momento.

Figura 1.30: Interruptor óptico con fototransistor con salida TTL.

1.7 LED`s infrarrojos (Irled's).

Cuando la unión es polarizada directamente, los electrones de la región N se recombinarán con el exceso de huecos del material P en una región de recombinación especialmente diseñada “emparedada” que se encuentra entre los materiales tipo P y N. Durante este proceso de recombinación se irradia energía del dispositivo en forma de fotones. Los fotones generados serán reabsorbidos por la estructura o abandonarán la superficie del dispositivo como energía radiante, como se muestra en la figura 1.25.

Sus fundamentos son los mismos que para los diodos LED; encontrando la única diferencia en su espectro de radiación: la longitud de onda se sitúa 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 radiación no visible.

Figura 1.25: Estructura general de un diodo semiconductor  Emisor IR

A continuación, se muestra en la figura 1.26 el flujo radiante en mW en función de la corriente directa para un dispositivo típico; obsérvese la relación 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, 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 las lectoras de tarjetas y de cinta perforada, los codificadores de eje, los sistemas de transmisión de datos y las alarmas de intrusión.

1.6 Led's

El diodo emisor de luz (LED, por sus siglas en inglés de: Light Emitting Diode) es como su nombre lo indica un diodo semiconductor de juntura P-N que emite luz visible o radiación cercana a la infrarroja  cuando se encuentra polarizado.

Figura 1.21: Símbolo y polarización del LED

En polarización directa, todos los diodos emiten una cierta cantidad de radiación cuando los pares electrón-hueco se recombinan, es decir, cuando los electrones caen desde la banda de conducción (de mayor energía) a la banda de valencia (de menor energía), es decir, requiere que la energía que posee un electrón libre se transfiera a otro estado. Indudablemente, la frecuencia de la radiación emitida y por ende su color, dependerá de la altura de la banda prohibida (diferencias de energía entre las bandas de conducción 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 energía en forma de calor y radiación 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, además tienen geometrías especiales para evitar que la radiación emitida sea reabsorbida por el material circundante del propio diodo, lo que sucede en los convencionales. Al proceso de emisión de luz mediante la aplicación de  una fuente de energía eléctrica se le llama 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 número máximo de fotones de energía lumínica. Nótese en la figura 1.22 que la recombinación de los portadores inyectados debido a la unión polarizada directamente da como resultado la emisión de luz en el sitio de la recombinación. Desde luego es posible que haya algo de absorción de los paquetes de energía fotónica 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 está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de cristal que usualmente se emplean en las bombillas. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida (cuadro 1.2), además tienen geometrías especiales para evitar que la radiación emitida sea reabsorbida por el material circundante del propio diodo, en la figura 1.23 se observa la apariencia física de un LED común.

Figura 1.23: Apariencia física de los LED’s.

En el siguiente cuadro se observan los  materiales mas usados en la fabricación de diodos emisores de luz.

Compuesto	Color	Frecuencia
Arseniuro de Galio (GaAs)	Infrarrojo	940nm
Arseniuro de Galio y Aluminio (AlGaAs)	Rojo e infrarrojo	890nm
Arseniuro fosfuro de Galio (GaAsP)	Rojo, naranja y amarillo	630nm
Fosfuro de Galio (GaP)	Verde	555nm
Nitruro de Galio (GaN)	Verde	525nm
Seleniuro de Zinc (ZnSe)	Azul
Nitruro de Galio e Indio (InGaN)	Azul	450nm
Carburo de Silicio (SiC)	Azul	480nm
Diamante (C)	Ultravioleta
Silicio (Si)	En desarrollo

Cuadro 1.2: Materiales usados para la fabricación de LED’s

Algunos conceptos importantes que los fabricantes proporcionan son:

·         La corriente máxima directa es de 20 mA, con 10 mA como nivel típico de operación, como se indica en la columna de condiciones de prueba.

·         El nivel de Vp bajo las condiciones de polarización directa se lista como Vf y se extiende desde 2.2 hasta 3 V. En otras palabras uno puede esperar una corriente típica de operación de alrededor de 10 mA a 2.5 volts para una buena emisión de luz.

Los valores anteriores son nominales máximos absolutos a TA = 25° C.

Otros valores importantes como característica eléctrico/ópticas a TA = 25° C son:

·         Intensidad luminosa axial (Iv), que se mide en candelas. Una candela emite un flujo luminoso de 4p lumen y establece una iluminación de 1 pie candela sobre un área de 1 pie cuadrado a un pie  de distancia desde la fuente luminosa.

·         Eficiencia luminosa (h_v). Por definición el término eficiencia es una medida de la capacidad de un dispositivo para producir un efecto deseado. Para el LED esto corresponde a la porción del número de lúmenes generado por watt aplicado de energía eléctrica.

Tiene enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, como su bajo consumo de energía, 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 señalización (de tráfico, de emergencia, etc.) y en paneles informativos (el mayor del mundo, del NASDAQ, tiene 36,6 metros de altura y está en Times Square, Manhattan). Sin embargo una de las aplicaciones más populares de los LEDs esta en el arreglo de 7 LEDs (segmentos) como se muestra en la figura.

Figura 1.24: Display de 7 segmentos

 

___1.5 Fototiristor

El termino tiristor, incluye todos los dispositivos semiconductores los cuales presentan un funcionamiento inherente como dispositivos de corte y conducción, poseen una estructura de cuatro capas PNPN con tres uniones PN intermedias y tres terminales accesibles denominadas ánodo, cátodo y compuerta (gate). Existen dos formas de operación, 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 electrónico, esto quiere decir que en su comportamiento tiene dos estados de operación: en el estado de apagado o de bloqueo, idealmente el SCR actúa como un circuito abierto entre el ánodo y el cátodo; en realidad, en vez de haber un circuito abierto, existe una resistencia muy alta. El otro es el estado de conducción, el SCR actúa idealmente como un corto circuito entre el ánodo y el cátodo; en realidad presenta una resistencia muy baja. En la figura 1.18 se presenta su símbolo y estructura.

Normalmente el SCR se comporta como un circuito abierto hasta que se activa su compuerta con una pequeña corriente (Disparo); en ese momento, el dispositivo entrará en conducción comportándose  como un diodo en polarización directa. Después de ser activado el SCR, se queda conduciendo y se mantiene así. Si se desea que el tiristor deje de conducir, el voltaje +V entre ánodo y cátodo debe ser reducido a 0 Voltios.

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

Existen varias formas de activar o disparar un SCR, aquí 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 cátodo, fluirá una corriente que activará el dispositivo. El método de disparo que emplea la luz, es el que nos ocupa en esta ocasión ya que un fototiristor o LASCR (Light Activated SCR) es también un dispositivo semiconductor de cuatro capas que opera esencialmente como el SCR normal, solamente que es activado por medio de energía 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 se retire la 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 así porque la terminal de compuerta permite el disparo en la forma normal y además se puede reducir dentro de ciertos márgenes la sensibilidad del disparo por luz, mediante la conexión de una resistencia variable entre la compuerta y el cátodo, el LASCR es mas sensible a la luz cuando la terminal de compuerta esta abierta (alta impedancia).

Figura 1.19: a) Símbolo del LASCR, b) Estructura y c) Construcción básica.

En la Figura 1.20 se muestra la curva característica del LASCR que prácticamente 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 óptico en general, controles ópticos luminosos, relevadores, control de fase, control de motores, y una variedad de aplicaciones en computadoras.

Figura 1.20: Curva característica del fototiristor.

___1.4 Fototransistor

Dispositivo que tiene una unión P-N de colector a  base fotosensible (Figura 1.17), donde la corriente inducida por efectos fotoeléctricos  viene a ser la corriente de base del transistor. Así, 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: Símbolo del fototransistor.

El comportamiento fundamental de los dispositivos fotoeléctricos se presentó 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 energía fotónica que incide sobre la unión 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 más intensa sobre la misma. Por tanto, si se obtienen curvas de colector (figura 1.16) tomando la iluminación como parámetro, los resultados son parecidos a los de un transistor bipolar normal donde se toma la intensidad de base como parámetro.

Figura 1.16: Curvas características de colector.

Un fototransistor opera, generalmente sin terminal de base (I_b=0) aunque en algunos casos hay fototransistores que tienen disponible una terminal de base para trabajar como un transistor normal.

La construcción de un fototransistor se representa en la figura 1.17, donde se observa que en ocasiones se representa al fototransistor como un arreglo de un transistor y un fotodiodo (figura 1.17 b) por ello la sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un fotodiodo, ya que la pequeña 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 último la base no existe, y sólo lleva dos patillas.

Figura 1.17: a) estructura interna, b) circuito equivalente y c) Alineación angular

En la figura 1.17 b se puede ver el circuito equivalente de un fototransistor. Se observa que está compuesto por un fotodiodo y un transistor. La corriente que entrega el fotodiodo (circula hacia la base del transistor) se amplifica β veces, y es la corriente que puede entregar el fototransistor, gracias a esta puede ser utilizado en aplicaciones donde la detección de iluminación es muy importante ya que su entrega de corriente eléctrica es mucho mayor que el fotodiodo.

Algunas de las áreas de aplicación del  fototransistor  incluyen lectoras de tarjetas perforadas, circuitería lógica de computadora, control de iluminación (en autopistas), Indicación de nivel, relevadores y sistemas de  conteo.