INSTITUTO POLITÈCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÌA MECÀNICA Y ELÈCTRICA

U.A

INGENIERÌA MECÀNICA

ELECTRONICA DE POTENCIA APLICADA

5MM3

PROFESOR: GALVAN JUAREZ AGUSTIN

ALUMNO: MARCIAL CARLON SERGIO CIRLO

OPTOELECTRONICA

5.1 ABSORCION OPTICA DE UN SEMICONDUCTOR Una manera de estudiar el comportamiento de un superconductor consiste en hacerle incidir fotones de energía conocida que exciten electrones desde estados de menor energía hasta estados de mayor energía. Para esto puede usarse un sistema de medición de transmisión óptica con el que se mide el coeficiente de transmisión de una muestra fina semiconductora. El dispositivo se conoce con el nombre de espectro-fotómetro El principio de la medición consiste en incidir radiación monocromática sobre la muestra semiconductora. Para esto, el espectro-fotómetro contiene un monocromador para filtrar luz de longitud de onda bien definidas. Cuando la energía de los fotones incidentes sea tal que favorece la excitación de electrones, se observa un cambio en la respuesta de la transmisión de radiación en función de la longitud de onda Si incide luz monocromática de longitud de onda λ e intensidad I0 sobre una muestra de espesor x, emerge una intensidad transmitida I. Se define el coeficiente de transmisión T = I / I0, relacionado con el coeficiente de absorción óptica Donde R es el coeficiente de reflexión óptico en la interface aire-semiconductor. El mecanismo predominante de la absorción proviene de las transiciones electrónicas desde la banda de valencia a la banda de conducción cruzando la banda de energía prohibida de ancho Eg. Si el semiconductor es de gap directo, es decir, si un fotón incidente solo crea un par electrón-hueco, el coeficiente de absorción está dado por: Donde A es una constante dependiente del material E es la energía del fotón incidente 5.1.1 Emisión de luz

Emisores del haz de luz

Estos dispositivos se encargan de convertir la señal eléctrica en señal luminosa, emitiendo el haz de luz que permite la transmisión de datos, estos emisores pueden ser de dos tipos:

LEDs. Utilizan una corriente de 50 a 100 mA, su velocidad es lenta, solo se puede usar en fibras multimodo, pero su uso es fácil y su tiempo de vida es muy grande, además de ser económicos.

Láser. Este tipo de emisor usa una corriente de 5 a 40 mA, son muy rápidos, se puede usar con los dos tipos de fibra, monomodo y multimodo, pero por el contrario su uso es difícil, su tiempo de vida es largo pero menor que el de los LEDs y también son mucho más costosos.

Conversores luz-corriente eléctrica

Este tipo de dispositivos convierten las señales luminosas que proceden de la fibra óptica en señales eléctricas. Se limitan a obtener una corriente a partir de la luz modulada incidente, esta corriente es proporcional a la potencia recibida, y por tanto, a la forma de onda de la señal moduladora.

Se fundamenta en el fenómeno opuesto a la recombinación, es decir, en la generación de pares electrón-hueco a partir de los fotones. El tipo más sencillo de detector corresponde a una unión semiconductora P-N

5.1.2 FOTOCELDAS Y FOTORRESISTENCIAS

Fotocelda o fotorresistencia cambia su valor resistivo conforme la intensidad de luz que incide en su superficie sensitiva.

Una fotocelda, célula fotoconductora, o foto detector es una resistencia, cuyo valor en ohmios varía ante las variaciones de la luz incidente. También llamadas fotorresistencias o LDRs (Light Dependent Resistor, resistencia dependiente de la luz), están construidas con un material sensible a la luz, de tal manera que cuando la luz incide sobre su superficie, el material sufre una reacción física, alterando su resistencia eléctrica.

Una fotocelda presenta un bajo valor de su resistencia ante la presencia de luz, y, un alto valor de resistencia ante la ausencia de luz. La fotocelda se emplea para controlar el encendido automático del alumbrado público.

La fotocelda o fotorresistencia tiene la propiedad de variar su resistencia con la incidencia de la luz. Son fabricadas de sulfuro de cadmio (SCd) y de seleniuro de Cadmio (SeCd).

Para SCd la máxima respuesta espectral ocurre a 5100 A con un tiempo de respuesta de 100ms y para SeCd a 6150 A el tiempo de respuesta es de 10 ms. Generalmente la resistencia de una fotocelda puede variar de unos 100Ωa plena luz hasta unos 100kΩa oscuridad

5.2 EMISORES Y DETECTORES INFRAROJOS Los sensores infrarrojos detectan la radiación emitida por los materiales calientes y la transforman en una señal eléctrica. Para una amplia gama de aplicaciones se utilizan ópticas que reducen el campo visual con el agregado de un valor predeterminado de temperatura de conmutación. Con esto se logra una localización y un posicionado preciso de objetos calientes Por ejemplo En acerías, laminaciones, forjas, fundición, industrias del vidrio y cerámica. Las partes calientes pueden ser localizadas a varios metros de distancia, el control de llama permite remover dichos objeto detectado. La línea de productos incluye versiones compactas con procesamiento electrónico integrado, como así también los modelos para ambientes de hasta + 290 °C , con cable de fibra óptica entre esta y la electrónica. Los Sensores infrarrojos reconocen la radiación natural de objetos calientes a gran distancia. Ellos se aplican cuando otros sensores de proximidad no pueden operar correctamente dada la alta radiación o altas temperaturas del ambiente.

5.2.1 LEDS INFRAROJOS

LED viene de las siglas en inglés de Light-EmittingDiode(diodo emisor de luz), los leds básicamente son lámparas de estado sólido, o sea sin filamento ni gas inerte que lo rodee, ni cápsula de vidrio que lo recubra. El led es un semiconductor unido a dos terminales cátodo y ánodo (negativo y positivo respectivamente) recubierto por una resina epoxi transparente. Cuando una corriente circula por el led se produce un efecto llamado electroluminiscencia o sea el led emite luz monocromática en frecuencias que van desde el infrarrojo pasando por todo el espectro de luz visible y llega hasta el ultravioleta.

Un led infrarrojo es un tipo de diodo emisor de luz, solo que esta luz no es visible al ojo humano. El led infrarrojo es un tipo de diodo emisor de luz infrarroja, IRED (Infra-Red

EmittingDiode), y el hecho de que este tipo de señal no se pueda ver a simple vista es porque la longitud de onda de los rayos infrarrojos es muy pequeña (850-900 nm), es por eso que la señal infrarroja se puede ver interrumpida por casi cualquier cosa, como una puerta, una persona, una hoja de papel.

5.2.2 FOTO DIODOS El fotodiodo se parece mucho a un diodo semiconductor común, pero tiene una característica que lo hace muy especial: es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que lo incide (lo ilumina). Esta corriente eléctrica fluye en sentido opuesto a la flecha del diodo y se llama corriente de fuga. El fotodiodo se puede utilizar como dispositivo detector de luz, pues convierte la luz en electricidad y esta variación de electricidad es la que se utiliza para informar que hubo un cambio en el nivel de iluminación sobre el fotodiodo. Si el fotodiodo es polarizado en directa, la luz que incide no tendría efecto sobre él y se comportaría como un diodo semiconductor normal. (Recuerde, el fotodiodo trabaja en inversa). La mayoría de los fotodiodos vienen equipados con un lente que concentra la cantidad de luz que lo incide, de manera que su reacción a la luz sea más evidente. A diferencia del LDR o fotorresistencia, el fotodiodo responde a los cambios de oscuridad a iluminación y viceversa con mucha más velocidad, y puede utilizarse en circuitos con tiempo de respuesta más pequeño Aplicaciones de Fotodiodos • Transmisiones rápidas de datos • Aparatos de medición ópticos • Cortinas de luz

5.2.3 FOTO TRANSISTORES

.Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, solo que puede trabajar de 2 maneras diferentes: - Como un transistor normal con la corriente de base (IBn), modo normal. - Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. (Iλ), (modo de iluminación). Se pueden utilizar las dos en forma simultánea, aunque el fototransistor se utiliza principalmente con el terminal de la

base sin conectar. (IB = 0), incluso en algunos fototransistores no esta disponible dicho terminal. La corriente de base total es igual a corriente de base (modo normal) + corriente de base (por iluminación): IBT = IBn + Iλ Si se desea aumentar la sensibilidad del fototransistor, debido a la baja iluminación, se puede incrementar la corriente de base (IB), con ayuda de polarización externa El circuito equivalente de un fototransistor, es un transistor común con un fotodiodo conectado entre la base y el colector, con el cátodo del fotodiodo conectado al colector del transistor y el ánodo a la base. Aplicaciones para fototransistores • Conmutadores ópticos (p. e. Barreras de luz) • Sensores claro-oscuro • Transmisión simple de datos de baja velocidad

5.2.4 FOTO DIACS

Dispositivo semiconductor de dos terminales de estructura similar a la del transistor que presenta cierto tipo de conductividad biestable en ambos sentidos. Cuando las tensiones presentes en sus terminales son suficientemente altas se utiliza principalmente junto a los triacs que para el control en fase de los circuitos.

Es un tipo de tiristor que puede conducir en los dos sentidos. Es un dispositivo de dos terminales que funciona básicamente como dos diodos Shockley que conducen en sentidos opuestos.

Cualquiera que sea la polarización del dispositivo, para que cese la conducción hay que hacer disminuir la corriente por debajo de la corriente de mantenimiento IH. Las partes izquierda y derecha de la curva, a pesar de tener una forma análoga, no tienen por qué ser simétricas.

5.3 Opto aisladores y foto acopladores

Un opto acoplador, también llamado optoaislador o aislador acoplado ópticamente, es un dispositivo de emisión y recepción que funciona como un interruptor excitado mediante la luz emitida por un diodo LED que satura un componente opto electrónico, normalmente en forma de fototransistor o fototriac. De este modo se combinan en un solo dispositivo semiconductor, un fotoemisor y un fotorreceptor cuya conexión entre ambos es óptica. Estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP. Se suelen utilizar para aislar eléctricamente a dispositivos muy sensibles.

Estos dispositivos se llaman optoacopladores, son más necesarios en situaciones donde se desea protección contra altos voltajes y aislamiento de ruidos, así como cuando el tamaño de dispositivo es un factor a considerar. Al realizar un acople entre dos sistemas mediante la trasmisión de energía radiante (fotones), se elimina la necesidad de una tierra común, es decir que ambas partes acopladas pueden tener diferente voltajes de referencia, lo cual constituye la principal ventaja de los optoacopladores.

Opto acoplador en encapsulado

DIL-8

Símbolo electrónico

Tipo Semiconductor

Principio de

funcionamiento

Efecto

fotoeléctrico

El opto acoplador combina un LED y un fototransistor.

La figura de la izquierda muestra un opto acoplador 4N35 formado por un LED y un fototransistor. La tensión de la fuente de la izquierda y la resistencia en serie establecen una corriente en el LED emisor cuando se cierra el interruptor S1. Si dicha corriente proporciona un nivel de luz adecuado, al incidir sobre el fototransistor lo saturará, generando una corriente en R2. De este modo la tensión de salida será igual a cero con S1 cerrado y a V2 con S1 abierto.

Si la tensión de entrada varía, la cantidad de luz también lo hará, lo que significa que la tensión de salida cambia de acuerdo con la tensión de entrada. De este modo el dispositivo puede acoplar una señal de entrada con el circuito de salida, aunque hay que tener en cuenta que las curvas tensión/luz del LED no son lineales, por lo que la señal puede distorsionarse. Se venden optoacopladores especiales para este propósito, diseñados de forma que tengan un rango en el que la señal de salida sea casi idéntica a la de entrada.

La ventaja fundamental de un optoacoplador es el aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida. Mediante el optoacoplador, el único contacto entre ambos circuitos es un haz de luz. Esto se traduce en una resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden de miles de MΩ. Estos aislamientos son útiles en aplicaciones de alta tensión en las que los potenciales de los dos circuitos pueden diferir en varios miles de voltios.

Tipos

En general, los diferentes tipos de optoacopladores se distinguen por su diferente etapa de salida. Entre los principales cabe destacar el fototransistor, ya mencionado, el fototriac y el fototriac de paso por cero. En este último, su etapa de salida es un triac de cruce por cero, que posee un circuito interno que conmuta al triac sólo en los cruce por cero de la fuente.

Etapa de salida a fototransistor.

Etapa de salida a fototriac.

5.3.1 Opto aisladores con transistor de salida Fototransistor: o lineal, conmuta una variación de corriente de entrada en una variación de tensión de salida. Se utiliza en acoplamientos de líneas telefónicas, periféricos, audio ..

Etapa de salida a fototransistor. 5.3.2 Opto aisladores con SCR de salida

5.3.3 Opto aisladores con triac de salida

Fototriac: se compone de un optó acoplador con una etapa de salida formada por un triac

Fototriac de paso por cero: Optó acoplador en cuya etapa de salida se encuentra un triac de cruce por cero. El circuito interno de cruce por cero conmuta al triac sólo en los cruce por cero de la corriente alterna.

Etapa de salida a fototriac

5.3.4 Interruptores ópticos Un interruptor óptico sirve para trasmitir en una determinada dirección seleccionada, un tren de ondas proyectados sobre el. Como parte de un interruptor óptico es apropiado un material permeable a la luz en el que se genera una estructura tridimensional de difracción al aplicar un campo eléctrico, mediante el cual se puede modificar la dirección del tren de ondas. El interruptor óptico de la invención presenta un material con propiedades ópticas no lineales, en el que esta almacenada la estructura de difracción tridimensional. El material forma al menos una capa única que se extiende por encima de un substrato. Existen electrodos mediante un campo eléctrico aplicable sobre el se puede modificar la estructura de difracción en la capa. Una parte del tren de ondas proyectada sobre la capa se desvía de acuerdo con la intensidad del campo eléctrico existente entre los dos electrodos. Las dos partes que forman un interruptor óptico. Todos los optos están compuestos de dos partes; un emisor y un receptor. El emisor es un LED de infrarrojos (LED significa diodo emisor de luz). El receptor es un fototransistor sensible a la luz infrarroja. Una vez que se enciende el pinball, los emisores están emitiendo continuamente la luz infrarroja hacia el receptor, cuando el rayo de luz es interrumpido por el paso de la bola (o de algún mecanismo), esto es interpretado como interruptor "activado" o "abierto" (los optos trabajan al revés que el resto de interruptores, aquí abierto es activado). Debido a que el emisor está siempre emitiendo luz (y de esta forma calor) es la parte que falla el 98 % de la veces que un opto se estropea, el receptor raramente falla. En optos de pie, normalmente el LED emisor se monta con un pie BLANCO de plástico en una pequeña tarjeta VERDE. El receptor se suele montar con un pie NEGRO en una pequeña tarjeta AZUL

5.3.5 Foto detectores y fibras ópticas

La definición básica de un fotodetector radica en su funcionamiento como transductor de luz que proporciona una señal eléctrica como respuesta a la radiación óptica que incide sobre la superficie sensora.

Existen dos tipos fundamentales de detectores de luz, los térmicos y los fotónicos que operan con mecanismos de transducción diferentes.

Los detectores térmicos absorben (detectan) la energía de los fotones incidentes en forma de calor con lo que se produce un incremento en la temperatura del elemento sensor que implica también un cambio en sus propiedades eléctricas como por ejemplo la resistencia. El cambio en esta propiedad eléctrica en función del flujo radiante recibido es lo que permite su medida a través de un circuito exterior. La mayoría de esta clase de fotodetectores son bastante ineficientes y relativamente lentos como resultado del tiempo requerido para cambiar su temperatura, lo que les hace inadecuados para la mayor parte de las aplicaciones fotónicas.

Fig. 4.1 Esquema básico de un dispositivo fotodetector

Los detectores fotónicos no utilizan la energía del fotón en forma de calor, sino que la invierten en incrementar la energía de sus portadores de carga, con lo que se modifican las propiedades de conducción eléctrica de los sistemas detectores en función del flujo de fotones recibido. Este proceso de conversión implica la transformación de los fotones incidentes en electrones, pero esta respuesta simple no tendría ninguna relevancia si esos electrones no se ponen en movimiento para generar una corriente, que es la magnitud que realmente podemos medir, para ello en ocasiones hay que aplicar un campo eléctrico, dando lugar a un esquema como el de la figura 4.1. Dado su origen, la corriente así generada recibe el nombre de fotocorriente. Es a esta clase de detectores a la que nos vamos a dedicar en este tema.

2. Propiedades de los detectores fotónicos

Son los más utilizados en los sistemas de comunicaciones, y como ya se ha dicho, están basados en la capacidad de ionización de un material semiconductor, de forma que los diferentes dispositivos que veremos no son más que variaciones de este mismo principio. Para caracterizar el comportamiento de estos detectores, existen unos parámetros fundamentales a tener en cuenta en el proceso de selección para cada aplicación particular. Estos parámetros son

Eficiencia cuántica

Responsividad

Tiempo de respuesta

Características de ruido

En general, los fabricantes de dispositivos proporcionan datos relacionados con estas características fundamentales, aunque en ocasiones no se den éstos de manera

explícita. Aparte de la información de los dispositivos como detectores de radiación, también hay que tener en cuenta sus propiedades eléctricas en virtud de las características de componente electrónico que presentan. A lo largo del tema podremos ver algunos ejemplos de cómo trabajar con estos datos.

Detector óptico

En los sistemas de comunicación por fibra óptica se utilizan fundamentalmente dos tipos de detectores de luz en el extremo receptor. La débil señal óptica que llega al final de la fibra debe ser convertida a una señal eléctrica, antes de que continúe su paso por etapas de amplificación, demodulación, demultiplexaje, etc. Un detector de luz es, entonces, el primer elemento de la cadena de dispositivos que propiamente conforman al equipo receptor.

Los dos tipos de detectores que se emplean son, ambos, fotodiodos. De acuerdo con lo dicho, su función es transformar la potencia óptica de entrada a una corriente eléctrica de salida.

Al igual que las fuentes luminosas, los detectores ópticos están fabricados con semiconductores de estado sólido, que en base a la teoría de las uniones P-N generan un flujo de corriente cuando captan un fotón; su grado de respuesta depende de los materiales empleados y de la longitud de onda de trabajo. La explicación de los principios físicos bajo los cuales funcionan los fotodiodos es un análisis amplio en electrónica.

Entre otros parámetros de operación, es deseable que los fotodiodos sean altamente eficientes, que tengan un bajo nivel de ruido, un amplio ancho de banda (es decir, que respondan de manera uniforme y rápida en todas las longitudes de onda de la señal), que sean poco sensibles a las variaciones de temperatura, baratos, pequeños, etc.

La eficiencia de un fotodiodo está relacionada con su responsividad, es decir, la cantidad de electrones que es capaz de generar en relación con los fotones recibidos. Dicho de otra forma, es la corriente eléctrica que entrega a la salida en relación con la potencia óptica de entrada.

Los tipos de fotodiodos que se emplean son el fotodetector PIN y el fotodiodo de avalancha (APD). La responsividad de un fotodiodo de avalancha es mayor que la de un fotodector PIN. Sin embargo, el primero es más sensible a los cambios de temperatura y más caro que el segundo. El detector PIN se usa más comúnmente en enlaces de corta distancia y el ADP es muy útil en transmisiones de larga distancia, donde la señal óptica de llegada es muy débil y se requiere alta responsividad. Por lo que se refiere a la velocidad de respuesta, ambos fotodiodos pueden trabajar actualmente a velocidades muy altas de transmisión digital.

Detectores Fotónicos: tipos y características

Dentro de la categoría de detectores fotónicos podemos encontrar una gran variedad de dispositivos, cada uno de ellos presentará unas características particulares. En este apartado, veremos algunos ejemplos de detectores teniendo en cuenta las propiedades más importantes. El conocimiento de estas propiedades podrá ayudarnos en la elección del fotodetector adecuado para cada aplicación concreta.

Fotoconductores

Constituye el caso más simple de la aplicación de materiales semiconductores a la detección de radiación óptica, pues consiste simplemente en la absorción de luz por parte de un trozo de semiconductor con contactos eléctricos, tal y como aparece en la figura 4.5a. Cuando un fotón alcanza al semiconductor y es absorbido, se produce la generación de un par eh. La influencia del campo eléctrico que hay entre los contactos provoca la migración de electrones y huecos hacia ellos, con lo que se produce un cambio en la resistencia del material en función de la cantidad de luz que reciben, es decir, su conductividad aumenta proporcionalmente al flujo de electrones recibido, con lo que se obtiene una fotocorriente medible en el circuito de la figura 4.5a. Con este tipo de fotodetectores se puede registrar esa fotocorriente o bien medir la caída de tensión en una resistencia de carga colocada en serie con el dispositivo.

Fig.4.4. a) Esquema básico de del funcionamiento de un fotoconductor. b) Configuración más habitual para fotoconductores comerciales.

Una configuración usual de esta clase de detectores es la que se muestra en la figura 4.5b, donde el ánodo y el cátodo se encuentran sobre la misma superficie del material de forma que el tiempo de transición entre uno y otro se minimiza al tiempo que se maximiza la transmisión de luz. Aquí encontramos una característica útil para los detectores en general, y es que cuanto menor sea su tamaño, su comportamiento en conmutación será mejor, aunque esta reducción en las dimensiones hace que recolecte menos luz.

Fotodiodos: configuraciones básicas

De la misma forma que en el caso de los fotoconductores, el fenómeno que interviene es la absorción de radiación por parte de un material semiconductor, generando pares de portadores de carga que contribuyen a la fotocorriente. Existen diferentes configuraciones para los fotodiodos, cada una de ellas con características específicas. En este apartado vamos a ver las más comunes, que además presentan propiedades que también encontraremos en fotodetectores más complejos.

Fotodiodo pn

Fig. 4.7 Esquema básico del funcionamiento de un fotodiodo pn

A grandes rasgos, podemos definir un fotodiodo pn como una unión pn en la que la corriente inversa aumenta con el flujo de fotones incidente.

En principio, los fotones pueden ser absorbidos en toda la estructura como en el caso de los fotoconductores, pero aquí aparece el efecto de la unión de forma que existe un campo eléctrico intenso en la zona de la unión con la dirección np (figura 4.7) que es capaz de separar los pares de portadores generados rápidamente, disminuyendo así la probabilidad de que se produzcan recombinaciones que impidan la contribución a la fotocorriente. Será en esta zona donde será deseable que se produzca la absorción. A temperatura ambiente existe una cierta probabilidad de que se produzcan transiciones espontáneas entre bandas aún en ausencia de iluminación, con lo que se puede generar una pequeña corriente que recibe el nombre de corriente de oscuridad. Esta corriente de oscuridad dependerá de la temperatura y de las condiciones eléctricas de operación del fotodiodo (figura 4.8).

Fig 4.7 a)Corriente de oscuridad en función de la tensión aplicada al diodo y b) En función de la temperatura para una tensión fija.

3.2.2 Fotodiodo pin

En este caso, la zona de la unión se ensancha mediante la adición de un material intrínseco o ligeramente dopado entre las zonas p y n. Con ello conseguimos una zona de transición extensa que favorece la absorción de fotones y su conversión a corriente útil. En principio, este dispositivo, que aparece de forma esquemática en la figura 4.15, puede funcionar bajo las mismas condiciones que el fotodiodo pn, y presentan una serie de ventajas sobre éstos

Aumenta la probabilidad de absorción de fotones dado el significativo aumento del volumen de material absorbente.

El ensanchamiento de la zona de transición disminuye la capacitancia de la misma, con lo que la respuesta del dispositivo será más rápida por la reducción de la constante de tiempo RC.

Pueden conseguirse tiempos de respuesta del orden de decenas de ps, correspondiente a anchos de banda de . 50 GHz.

Fig. 4.15 Esquema de un fotodiodo pin

Otros tipos de fotodiodo

Fototransistores

La influencia de la luz sobre los transistores tradicionales es conocida desde el momento de su invención, de ahí el hecho de que se encapsulen con un material opaco. Los fototransistores pretenden utilizar esa dependencia con la luz del transistor para su uso como detector. Dependiendo de donde se produzca la incidencia de luz, se generarán portadores en diferentes zonas, y el efecto será distinto según la zona en cuestión. El diseño óptimo requiere que la absorción tenga lugar en la unión entre el emisor y la base, con lo que se genera un flujo de corriente en el circuito EB (ver figura 4.16) que se amplifica por la acción del dispositivo como transistor

.

Figura 4.16 Esquema básico de un fototransistor

Su funcionamiento es básicamente equivalente al de un transistor NPN convencional, aunque en el diseño de fototransistores el área de la base es más extensa para favorecer la absorción de fotones y generar corrientes elevadas en la unión BC que se utiliza con polarización inversa (la unión BE se polariza en directa). La generación de

portadores por parte de la radiación incidente, unida a la inyección de electrones por parte del emisor, produce una corriente que a la salida del dispositivo vendrá dada por

(4.3.7)

Así pues, un fototransistor puede entenderse como un transistor bipolar con sus mismas zonas de trabajo, controlado por la radiación incidente en la región activa de la base.

Ofrece la ventaja de un menor ruido y mayor señal de salida que los APD, sin embargo su responsividad es inferior a la de los APD y pin. Su respuesta espectral es adecuada en el rango del visible y NIR, con lo que suelen utilizarse en sistemas de control remoto, de alarma, etc.

3.3.4 Fotodetectores de cavidad resonante

Una forma de conseguir una alta eficiencia cuántica al tiempo que una muy alta velocidad de respuesta, consiste en utilizar fotodetectores de cavidad resonante (RECAP). En éstos, un fotodiodo pin con una capa intrínseca delgada, se sitúa en el interior de una cavidad FabryPerot como en la figura 4.22. El hecho de que la capa intrínseca sea delgada hace que la velocidad de respuesta aumente. Para mantener la eficiencia del dispositivo, lo que se hace es que la luz pase por esa capa un gran número de veces, de forma que la probabilidad de absorción también aumenta. La cavidad resonante que forman los reflectores de Bragg de la figura 4.20 es altamente selectiva en λ, con lo que el detector también lo será. La aplicación de este tipo de detectores aparece en los modernos sistemas de comunicaciones ópticas basados en WDM.

Figura 4.22 Fotodiodo resonante

5.6 Aplicaciones en circuitos de control y potencia

Optoelectrónica aplicada a la robótica.

APLICACION DE UN OPTOACOPLADOR

CASO CONCRETO: EL SENSOR OPTICO POR REFLEXION CNY70 Este optoacoplador por reflexión se ha vuelto muy popular en aplicación educativa y mini-robótica, además de que su costo es mínimo (1 dólar moneda americana) por

unidad y fácil de conseguir. Además de que tanto el emisor y el detector, se encuentran en el mismo encapsulado con dimensiones de tan solo 7mm x 7mm.

Antes que nada debemos conocer su interior y funcionamiento, sobre todo tener en mente la aplicación que implementaremos con él.

En su interior dispone de un diodo emisor de luz infrarroja y un receptor en forma de

fototransistor.

Como pueden darse cuenta no sólo es importante que se polaricen adecuadamente, sino también la distancia "d" a la cual estarán colocados de la superficie reflectante, la

cual es recomendable no esté a más de 5mm para este dispositivo.

Proseguiremos con el conexionado, debemos procurar que tanto el emisor como el receptor operen dentro de las regiones óptimas de funcionamiento. Para ello, el

emisor deberá conectarse a una resistencia limitadora de corriente

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

En la figura 3 vemos que sin ningún problema podemos aplicar un voltaje de 5 volts y asignar a la resistencia un valor de 220 ohms, si hacemos los cálculos la corriente que

circulará por ese circuito será:

Ifr = (5V - 1.6V)/220 ohm = 15 miliamperes

Y aproximadamente disipará 25mW. Con ese valor no tendrá ningún problema en el funcionamiento ya que ha dado muy buenos resultados para poder lograr la

discriminación entre áreas negras y blancas.

El transistor será conectado como un seguidor de señal, eso es con una resistencia en el emisor conectada a tierra, como se ven en la figura 4

LA CORRIENTE MAXIMA DEL TRANSISTOR ES DE UNOS 50mA Y LA POTENCIA MAXIMA ES DE 100mW

Teóricamente atravesará por el transistor al conducir unos 0,1mA. El fototransistor tiene una caída de tensión, de aproximadamente 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 0V y la potencia disipada rondará los 0,1mW. El valor propuesto del

resistor puede cambiar y puede ser como mínimo de 10 kohms y aún da buenos resultados pero arrojará valores de voltaje que rondarán aproximadamente los 2.5

volts en condiciones de buena reflexión.

Quizá se preguntarán qué ocurre en la transición entre el blanco y negro, cuáles serán las variaciones intermedias y si no presentará a su salida, fluctuaciones que impidan

su conexionado a alguna lógica (TTL o CMOS) lo cual es ideal para aplicaciones robóticas.

Para responder a eso no es necesario recurrir a filtros o circuitos complicados, para

ello podemos recurrir a una etapa de acoplamiento con una compuerta con disparador Schmitt-Trigger la cual nos ayudará a discriminar las variaciones

indeseadas debidas a ruidos, interferencias u otros. Si se dan cuenta ahora si es posible acoplarla a una etapa lógica de algún circuito de control o microcontrolador.

En la figura 5 se observa el circuito completo del sensor reflectivo

Y cómo funciona? Al estar sobre una superficie negra, ésta absorbe la radiación luminosa la cual no llegará al fototransistor o por lo menos no en los niveles

necesarios para entrar en saturación, como consecuencia la entrada al disparador estará prácticamente a nivel de 0 volt y su salida estará en un nivel lógico "1" o 5 volts.

Para una superficie blanca las condiciones cambian, se presenta alta reflectividad por

lo cual la radiación luminosa alcanza al fototransistor llevándolo a saturación o a conducir niveles de corriente suficientes que provocarán en el resistor de emisor una caída de voltaje que superarán el umbral de cambio en el disparador, presentándose a

su salida un nivel lógico "0" o de o volts.

Si analizamos el circuito, su respuesta y su sencillez podemos darle un sinfin de aplicaciones y no sólo la de distinguir entre los colores blanco y negro:

- Siguelíneas en mini-robots

- Lector de discos codificados - Sensor de proximidad

- Sensor de obstáculos, etc

Conclusión La optoelectrónica es el nexo de unión entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos. Los componentes opto electrónicos son aquellos cuyo funcionamiento está relacionado directamente con la luz. 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 opto electrónicos se denominan opto aisladores o dispositivos de acoplamiento óptico.