Capítulo 7: Dispositivos detectores de luz.

 

            Los detectores de luz, dispositivos basados en la tecnología de semiconductores de silicio, producidos en gran escala, que convierten las señales de luz en señales eléctricas, son otra parte importante de la moderna imagen de la optoelectrónica del semiconductor.

 

1.      El fotodiodo.

 

El fotodiodo de unión pn polarizada en sentido inverso es un elemento básico para comprender los dispositivos fotosensibles de silicio. Cuando la luz de longitud de onda apropiada es dirigida hacia la unión, se crean pares hueco-electrón que se desplazan a través de la unión debido al campo generado en la región deprimida. El resultado es un flujo de corriente, denominado fotocorriente, en el circuito externo, que es proporcional a la irradiancia efectiva en el dispositivo. El fotodiodo se comporta básicamente como un generador de corriente constante hasta que se alcanza la tensión de avalancha.

 

 

 

Fotodiodo sensible a la luz con unión pn polarizada inversamente.

 

            El fotodiodo exhibe un pico de respuesta en una longitud de onda radiante determinada. Para esta longitud de onda, se produce la máxima cantidad de pares huecos-electrón en la proximidad de la unión.

 

            El máximo de la curva de respuesta espectral de un fototransistor típico se halla en 850 nm, aproximadamente.

            La totalidad de los detectores de luz comunes consisten en una unión a fotodiodo y un amplificador. En la mayoría de dispositivos comerciales, la corriente del fotodiodo se halla en el margen comprendido entre el submicroamperio y las decenas de microamperios, pudiendo añadirse a la pastilla un amplificador por un coste mínimo.

 

 

2.      Fotodiodo de avalancha.

 

Es posible incorporar un tipo de sistema amplificador de empleo común formando parte del propio fotodiodo. El fotodiodo de avalancha utiliza la multiplicación por avalancha para conseguir amplificar la fotocorriente creada por los pares hueco-electrón. Esto proporciona una elevada sensibilidad y gran rapidez. Sin embargo, el equilibrio entre ruido y ganancia es difícil de conseguir y como consecuencia, el coste es alto. Asimismo la estabilidad de temperatura es deficiente y se requiere una tensión de alimentación de valor elevado (100-300 v.), estrechamente controlada. Por estas razones, el fotodiodo de avalancha tiene limitadas aplicaciones.

 

3.      Fototransistor.

 

El transistor sensible a la luz es una de las combinaciones fotodiodo amplificador más simples. Dirigiendo una fuente de luz hacia la unión pn polarizada en sentido inverso (colector-base), se genera una corriente de base, que es  amplificada por la ganancia de corriente del transistor.

 

 

Se requiere un cuidadoso proceso de elaboración de la pastilla del transistor para hacer compatible la máxima reducción de la corriente en la oscuridad del fototransistor, con la obtención de una alta sensibilidad a la luz. Las corrientes de este tipo, típicas del fototransistor para una tensión inversa de 10v, son del orden de 1 nA a temperatura ambiente y aumentan en un factor de 2 para cada 10 ºC de aumento de temperatura. Las especificaciones del fototransistor garantizan normalmente unos límites de corriente en la oscuridad mucho más altos, por ejemplo 50 a 100 nA, debido a las limitaciones del equipo automático de prueba.

 

 

4.      Fotodarlington.

 

Básicamente, este dispositivo es el mismo que el transistor sensible a la luz, excepto que tiene una ganancia mucho mayor debido a las dos etapas de amplificación, conectadas en cascada, incorporadas en una sola pastilla.

 

 

Amplificador fotodarlington.

 

5.      Foto SCR.

 

El circuito equivalente con dos transistores del rectificador controlado de silicio mostrado en la figura ilustra el mecanismo de conmutación de este dispositivo.

 

            La corriente debida a los fotones, generada en la unión pn polarizada en sentido inverso, alcanza la región de puerta y polariza en sentido directo el transistor npn, iniciando la conmutación.

 

 

6.      Otros amplificadores fotodetectores.

 

La tecnología de los circuitos integrados permite múltiples combinaciones de dispositivos fotosensibles con elementos activos y pasivos, en una pastilla de silicio única. Ejemplos específicos de estos dispositivos son el fotodarlington con resistencia base-emisor integral, el fotodetector a FET bilateral analógico, los dispositivos de activación de triacs y el disparador de Schmitt con entrada óptica.

 

 

Capítulo 8: Optoacopladores.

 

            Existen muchas aplicaciones en las que la información debe ser transmitida entre dos circuitos eléctricamente aislados uno de otro. Este aislamiento puede ser conseguido mediante relés, transformadores de aislamiento y receptores de línea.

 

            Existe, no obstante, otro dispositivo que puede ser utilizado de manera igualmente efectiva para resolver estos problemas. Este dispositivo es el optoacoplador. Su empleo es muy importante en aplicaciones en las que el aislamiento de ruido y de alta tensión y el tamaño son características determinantes.

 

            Un optoacoplador es un dispositivo que contiene una fuente de luz y un detector fotosensible separados una cierta distancia y sin contacto eléctrico entre ellos. La clave del funcionamiento de un optoacoplador está en el emisor, un LED, y en el detector fotosensible a la salida.

La energía de luz proporcionada por el emisor está situada generalmente en la región de los infrarrojos o muy cercana a ella.

 

 

Capítulo 9: Aplicaciones de diversos LEDS y optoacopladores.

 

Aplicación práctica del sensor óptico por reflexión CNY70.

 

Fases de la aplicación del CNY70.

 

·        Fase cero: ¿ Dónde puedo encontrar las características del  circuito?

 

Actualmente con encontrar un ordenador conectado a INTERNET y usar un “ buscador “ las características se encuentran instantáneamente,o ir la dirección de INTERNET  www.vishay.com  que es la empresa que lo fabrica actualmente.

 

 

·        1ª Fase de la aplicación: ¿ Qué elementos tiene en su interior para poder cumplir la función que se le encomienda, la cual será la de distinguir entre el color negro y el color blanco ?   En su interior dispone de un diodo emisor de luz infrarroja y un receptor en forma de fototransistor.

 

 

·        2ª Fase: ¿ Cómo se conexionan para que el diodo emita y el fototransistor al recibir la emisión de luz infrarroja se ponga a trabajar lo más próximamente a las zonas de corte-saturación, es decir, como un interruptor ?          

 

            El diodo se le conectará una resistencia limitadora de corriente:

 

 

            Observando las características del diodo emisor vemos que soporta unos 50 mA. como máximo, tendrá una caída de tensión de 1,6 v. también como máximo y una potencia máxima de 100 mW.

 

            Observando la gráfica nº 3, vemos que para una corriente de unos 5 mA, la caída de tensión es de aproximadamente de unos 1,1 v.

 

            Conectándole una resistencia de 1K teóricamente deberían atravesar unos 5 mA. Al tener una caída de 1v. para esa corriente, al diodo será atravesado por unos 4 mA aproximadamente y disipará una potencia de unos 4 mW.

 

El transistor será conectado como un seguidor de señal, o sea, con una resistencia en el emisor conectada a masa.

 

 

La corriente máxima del transistor es de unos 50 mA y la potencia máxima es de 100 mW.

 

Teóricamente atravesará por el transistor al conducir unos 0,1 mA. El fototransistor tiene una caída de tensión de aproximadamente de 1v con lo cual la corriente se reduce un poco. La tensión al saturarse el transistor será aproximadamente de unos 4v, y la de corte de unos 0 v y la potencia disipada rondará los 0,1 mW.

 

·        3ª Fase: filtrar la señal binaria presente en el emisor del transistor para que no halla falsas señales binarias. ¿ Cómo hacemos esto?

 

            Conectaremos al emisor un Schmitt-Trigger o disparador que discriminará los falsos niveles de tensión que estén presentes en el emisor  debido a ruidos, interferencias luminosas, etc.

 

 

·        4ª Fase: ¿ Cómo funcionarán todos los dispositivos al enfrentar el sensor con la superficie negra y blanca ?

 

            El negro absorbe las radiaciones luminosas y por lo tanto el haz emitido por el diodo no rebotará y el fototransistor no se excitará saturándose.

El fototransistor estará en corte y la tensión en el emisor estará entorno a los cero voltios. El circuito disparador es un inversor lógico por lo que en su salida habrá 5v., que es la tensión de su alimentación.

 

         El blanco si refleja el haz luminoso del diodo y al incidir sobre el fototransistor lo saturará apareciendo unos 4 v. Como esa tensión está dentro de los márgenes de un uno lógico para el disparador, a la salida aparecerá cero voltios.

           

En conclusión:

 

            Color blanco = Transistor saturado = 0v. Disparador = “ 0 ”.

 

            Color negro = Transistor cortado = 5v. Disparador = “ 1 ”.

 

 

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