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Componentes optoelectrónicos
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2
Componentes optoelectrónicos
Espectro de radiación, intervalos de frecuencia y longitudes de onda
f
c=λ
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3
Componentes optoelectrónicosRadiometría Fotometría
Energíaradiante
eQ J Energíaluminosa ( ) ( ) λ⋅⋅= ∫ λλ dQKQ ev
160
380
lm.s
Densidadradiante dV
dQW e
e = J/m3 Densidadluminosa dV
dQW v
v = lm.s/m3
Flujo radiantedt
dQee =Φ w Flujo
luminoso dt
dQvv =Φ lm
IrradianciadAd
M ee
Φ= w/m2 Iluminación
dAd
M vv
Φ= lux=lm/m2
Intensidad deradiación ω
Φ=
d
dI e
ew/sr Intensidad
luminosa ωΦ
=d
dI v
vcd=lm/sr
Radianciaθ
=cosdAdI
L ee
w/m2.sr Luminanciaθ
=cosdAdI
L vv
nit=cd/m2
EmisividadbbM
M=ε Eficacia
luminosae
vv Φ
Φ=η lm/w
Eficiencialuminosa ( )
( )
( )maxK
KV
λ
λλ =
M y Mbb son las irradiancias de la muestra y de un cuerpo negro a la misma temperaturaω = ángulo sólido en estereorradianesθ = ángulo entre la línea del haz luminoso y la normal de la superficie
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4
Componentes optoelectrónicos
Curva de sensibilidad del ojo humano
Radiación emitida λ (nm) ηv (lm/w)Rojo estándar 655 60
Rojo de alta eficacia 635 135Amarillo 585 540
Verde 565 640Azul 460 50
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5
VLED (Led lamp)
IRED
Láser
Emisores
LDR
Fotodiodos
Fototransistores
Detectores OPIC
Sensores de color
Células solares
Detectores
Optoacopladores
Optointerruptores
Relés de estado sólido
Dispositivos de acoplo
VLED
LCD
Visualizadores (Displays)
Componentes optoelectrónicos
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Componentes optoelectrónicos
Diodos emisores de luz (Ligth Emitting Diode) LED (VLED) e IRED
Diodos que emiten radiación cuando circula por ellos una corriente directa
La longitud de onda de la radiación depende del material con que esté fabricado el LED, emitiendo en distintos colores de luz visible o en infrarrojos
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Componentes optoelectrónicosCaracterísticas técnicas de diodos LED
Característica V-I
Azul y verde Ámbar y rojo
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8
Componentes optoelectrónicosCaracterísticas técnicas de diodos LED
Valores máximos absolutos
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9
Componentes optoelectrónicosCaracterísticas técnicas de diodos LED
Salida luminosa del LEDPara los LED que emiten en el espectro visible, el color que percibe el ojo depende del espectro de radiación. Esta característica es igualmente importante para fijar el acoplamiento con otros detectores en aplicaciones no visuales. Los parámetros que describen el espectro son
•Longitud de onda de pico λλp: aquella a la que corresponde la intensidad máxima de radiación•Longitud de onda dominante λλd: relacionado con el color captado por el ojo humano, no tiene porqué coincidir con λλp. Así dos emisores con diferente espectro de radiación pueden percibirse con el mismo color si su λλd es la misma.
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Componentes optoelectrónicosCaracterísticas técnicas de diodos LED
Salida luminosa del LED
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Componentes optoelectrónicosCaracterísticas técnicas de diodos LED
Salida luminosa del LED
Azul y verde Ámbar y rojo
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Componentes optoelectrónicosCaracterísticas técnicas de diodos LED
Salida luminosa del LED
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Componentes optoelectrónicos
Características técnicas de diodos LED
Patrón de radiación
Define la variación relativa de la intensidad luminosa en función del ángulo con respecto al eje axial del dispositivoSe define el ángulo de intensidad mitad θ1/2 el ángulo en el que la intensidad luminosa es el 50%
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Componentes optoelectrónicosCaracterísticas técnicas de diodos LED
Patrón de radiación
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Componentes optoelectrónicosTrabajo en régimen de impulsos
En el caso peor, la temperatura de la unión no debe superar la alcanzada por el dispositivo trabajando con la máxima corriente continua. Por ello se establece una estrecha relación entre corriente de pico Ipeak, duración del impulso y relación de refresco (ciclo de trabajo).
En la figura puede comprobarse como para una misma frecuencia de la señal pulsante (strobing) cuanto más estrecho sea el pulso mayor es la relación entre los máximos de corriente de pico y corriente continua admisibles.
También puede apreciarse como para una duración constante del pulso el valor de pico máximo admisible crece al aumentar el periodo de la señal eléctrica (reducir la frecuencia) y por tantodecrementar el ciclo de trabajo efectivo.
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Componentes optoelectrónicosTrabajo en régimen de impulsos
Cuando un LED trabaja con pulsos cabe hablar de intensidad luminosa media IV AVG ya que el ojo humano promedia temporalmente la respuesta luminosa del emisor.
En la figura se puede ver la relación entre intensidad luminosa media y la corriente directa media para diferentes valores de pico
En esta figura se puede ver la utilidad del régimen pulsatorio (strobing)
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Componentes optoelectrónicosPotencia disipada en LEDs.
( )[ ]FPEAKdFAVGAVG
FF
IIrVIP
VIP
−+=
⋅=:pulsanterégimen en Normalmente en características viene la
gráfica IF en función de la temperatura
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Componentes optoelectrónicos
5mm
3mm
...
Tamaño
Redondos
Rectangulares
Ovalados
Triangulares
etc..
Forma
Bicolor
Alta luminosidad
Barras
...
Especiales
LEDs
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Componentes optoelectrónicosDiodo láserLa mayor diferencia con los LEDs normales es que en éstos la emisión de radiación es estimulada y no espontánea, por lo que el láser debe tener una cavidad resonante en el plano de la unión P-N.
El diodo láser debe superar un cierto umbral antes de que emita comportándose por debajo de dicho umbral como un LED ineficaz. La corriente directa de este tipo de diodos es mucho mayor que en un LED normal.
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Componentes optoelectrónicos
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Componentes optoelectrónicos
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Componentes optoelectrónicosVisualizadores LED (Displays)
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Componentes optoelectrónicosVisualizadores LED (Displays). Fuentes más comunes.
7 segmentos 9 segmentos 16 segmentos
Matriz 4x7 modificada Matriz 5x7 modificada Matriz 5x7
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Componentes optoelectrónicos
Visualizadores LED (Displays)
Display 7 segmentos, ánodo común o cátodo común
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Componentes optoelectrónicos
Visualizadores LED (Displays)
Matriz de leds de 5x7
Strobing vertical
Strobing horizontal
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Componentes optoelectrónicos
Diagrama de bloques del subsistema electrónico asociado al visualizador
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Componentes optoelectrónicos
Conexión directa de un decodificador/excitador de 7segmentos a un display de cátodo común
Display de ánodo común activado por un decodificador/excitador de 7 segmentos
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Componentes optoelectrónicos
Diferentes métodos de conexión de excitadores de displays de 7 segmentos
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Componentes optoelectrónicos
Diagrama de bloques de un excitador multiplexado de un array de displays de 5 dígitoscon el circuito equivalente para el cálculo de los resistores de excitación de segmentos.
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Componentes optoelectrónicosVisualizadores LCD (Cristal líquido)
• Compuestos por materiales orgánicos que presentan un estado intermedio entre sólido y líquido a determinadas temperaturas.
• Las moléculas de estos materiales se ordenan de una forma especial, dando lugar estructuras de forma helicoidal.
• Según el orden en que se agrupan las moléculas, estos materiales se pueden dividir en:
• Nemáticos• Colestéricos• Esmécticos
• Los más empleados son los nemáticos (TN Twisted Nematic) y los nemáticos de supertorsión (STN Super Twisted Nematic).
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Componentes optoelectrónicosCristales nemáticos
Orientación de las moléculas (ángulo de torsión 90º)
Cristal delantero
Cristal trasero
Vista lateral
Vista superior
Electrodo transparentedelantero
Separador
Electrodo transparentetrasero
Cristal líquido
LuzPolarizador delantero
Cristal delantero
Capas de alineamiento
Cristal traseroPolarizador trasero
Reflector(Para panelreflectivo)
Panel LCD nemático
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Luz incidente sin polarizar
Primer polarizador
Luz polarizada
Primera lámina de vidrio
El rayado del vidriosuperior alinea las moléculas
El haz polarizado gira alatravesar el material Las moléculas adoptan
disposición helicoidal
El rayado del vidrio inferioralinea las moléculas
Segunda lámina de vidrio
Segundo polarizador
El haz girado atraviesael vidrio y llega al
segundo polarizador
La luz pasa el segundo polarizador
Efecto óptico en una célula de cristal líquido sin excitación eléctrica
Componentes optoelectrónicos
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Componentes optoelectrónicosLuz incidente sin polarizar
Primer polarizador
Luz polarizada
Primera lámina de vidrio
Las moléculas se disponenverticales y paralelas
Segunda lámina de vidrio
Segundo polarizadorEl haz no gira y llega alsegundo polarizador
La luz no pasa el segundo polarizador
El haz polarizado no giraal atravesar el material
Electrodos superiore inferior transparentes
Efecto óptico en una célula de cristal líquido con excitación eléctrica
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Componentes optoelectrónicosModos de visión en cristales LCD
Reflexivo Transflectivo Transmisivo
Tipo positivo Tipo negativo Tipo negativo con inversiónde imagen
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Componentes optoelectrónicos
Modo devisión
Descripcióndel display
Comentariosde aplicación
Luz solardirecta
Luz deoficina
Penumbra Semioscuridad
ReflectivaImagenpositiva
Segmentososcuros sobrefondo claro
Sin luzposterior. Buencontraste
Excelente Muy buena Media Pobre
TransflectivaImagenpositiva
Segmentososcuros sobrefondo gris
Se puede verpor reflexiónde luz ambienteo por fuenteposterior
Excelente(Sin luzposterior)
Buena(Sin luzposterior)
Buena(Con luzposterior)
Muy buena(Con luzposterior)
TransflectivaImagennegativa
Segmentosluminososgrises sobrefondo oscuro
Necesita muchaluz ambiente ofuente posterior
Buena(Sin luzposterior)
Media(Sin luzposterior)
Buena(Con luzposterior)
Muy buena(Con luzposterior)
TransmisivaImagennegativa
Segmentosluminosossobre fondooscuro
No se puedever porreflexión
Pobre(Con luzposterior)
Buena(Con luzposterior)
Muy buena(Sin luzposterior)
Excelente(Con luzposterior)
TransmisivaImagenpositiva
Segmentososcuros sobrefondo luminoso
Diseñado paraambientes conpoca luz
Buena(Sin luzposterior)
Buena(Con luzposterior)
Muy buena(Con luzposterior)
Excelente(Con luzposterior)
Modos de visión en cristales LCD
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Componentes optoelectrónicosModos de iluminación posterior en LCD
Electroluminiscente (EL)Provee una luz muy uniforme. Se pueden emplear varios colores (el más común es el blanco). Aunque el consumo de energía es relativamente bajo, deben funcionar con tensiones de 80 a 100 VAC, por lo que se debe suministrar con un inversor que convierta 5, 12 ó 24VDC a AC. Su vida útil es relativamente baja (de 3000 a 5000 horas para tener la mitad de brillo
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Componentes optoelectrónicosModos de iluminación posterior en LCD
LEDOfrece un mayor tiempo de uso (50000 horas mínimo) con la misma luminosidad que los displays EL. El consumo es mayor que los EL pero pueden operar directamente a 5VDC. Los LEDs se disponen en forma de matriz debajo del LCD, existen gran variedad de colores, siendo los más utilizados el amarillo y el verde.
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Componentes optoelectrónicosModos de iluminación posterior en LCD
Lámpara Fluorescente de Cátodo Frío (CFL)Este dispositivo de iluminación proporciona una luz blanca muy brillante con un consumo bajo. Se emplean dos tecnologías:
•Lámpara en un flanco (dispositivo más plano y menor consumo)
•Lámparas directamente debajo del LCD
En ambos casos se emplea un difusor para distribuir la luz por el área de visión. Necesita una alimentación de 270 a 300VAC. Empezaron a usarse con los displays gráficos. Su vida media se sitúa entre las 10000 y 15000 horas.
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Componentes optoelectrónicos
Diferentes tipos de pantallas LCD
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Componentes optoelectrónicosDetectores
Fotodiodo
El fotodiodo es un dispositivo optoelectrónico de dos terminales caracterizado por la relación entre la corriente generada y la iluminación de la radiación incidente. El símbolo habitual, utilizado para representar este dispositivo en los esquemas de circuitos electrónicos, es el de la figura
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Componentes optoelectrónicosFotodiodos
Característica tensión-corriente
La característica I-V responde a la que se ve en la figura, donde la iluminación es el parámetro de la familia de curvas. Para iluminación nula, la curva es como la de un diodo normal.
Los valores más significativos son:
•Tensión en circuito abierto Voc
•Corriente en cortocircuito Isc
•Corriente de oscuridad
•Tensión de disrrupción
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Componentes optoelectrónicosFotodiodos, zonas de trabajo
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Componentes optoelectrónicosFotodiodos
Trabajo en el primer cuadrante
Recta de carga Circuito de polarización Circuito equivalente del fotodiodo
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Componentes optoelectrónicosFotodiodos
Trabajo en el tercer cuadrante (modo fotoconductivo)
Recta de carga Circuito de polarizaciónCircuito equivalente del fotodiodo
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Componentes optoelectrónicosFotodiodos
Trabajo en el cuarto cuadrante (modo fotovoltaico)
Recta de carga Circuito de polarizaciónCircuito equivalente del fotodiodo
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Componentes optoelectrónicosFototransistores
El fototransistor es un dispositivo optoelectrónico basado en lasensibilidad de la unión P-N a la energía radiante, actuando como un amplificador de fotocorriente. Los símbolos que los representan habitualmente son los de la figura.
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Componentes optoelectrónicosFototransistores, Características técnicas.
Básicamente, las características de un fototransistor son similares a las de un transistor normal, exceptuando las que hacen referencia a su comportamiento óptico (Sensibilidad espectral, corriente de oscuridad, etc...). Una característica muy importante es la de salida Ic=f(Vce), muy similar a la de un transistor NPN donde se sustituye el parámetro corriente de base por la irradiación Ee o densidad de flujo irradiado (mW/cm2)
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Componentes optoelectrónicosClasificación de fototransistores.
FOTOTRANSISTOR SIMPLE FOTODARLINGTONTIPOS Sin
Terminal baseCon
Terminal baseSin
Terminal baseCon
Terminal base
SÍMBOLO
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Componentes optoelectrónicosEl fototransistor frente a otros detectores optoelectrónicos
FOTOSENSOR Ventajas InconvenientesFotorresistores LDR Gran sensibilidad radiante.
Responden al espectro visible.Elevados tiempos de respuestaRelación no lineal con irradiaciónRango limitado de temperaturas
Fotodiodos Respuesta rápidaMuy lineales con la irradiaciónAncho margen de respuesta espectral
Bajos niveles de salida
Células fotovoltaicas No necesitan tensión de polarización Respuesta lenta.Relación no lineal de la tensión fotogeneradacon la irradiación
Fototransistor básico Considerable fotocorriente Respuesta en frecuencia limitada (500KHz)No linealidad con la irradiación
Fotodarlington Alta ganancia de corriente Mayor lentitud que el básicoAlta corriente de oscuridad
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Componentes optoelectrónicosDetectores OPIC
•Acrónimo de Circuito Integrado Óptico (Optical Integrated Circuit).
•Integra un fotodiodo, un circuito de procesado de señal y un regulador de tensión.
•La salida es una señal digital dependiente de la iluminación recibida
•Características
Iluminación umbral EVLH EVHL
Tiempos de respuesta tpLH tpHL
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Componentes optoelectrónicosDispositivos ópticos de acoplamiento
• Acopladores ópticos u optoacopladores• Optointerruptores• Fototiristores y fototriacs• Relés de estado sólido
Aseguran un buen aislamiento galvánico entre circuitos cuya diferencia de potencial es elevada y evitan bucles de tierra indeseados.
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Componentes optoelectrónicosOptoacopladores
Es una combinación integrada de un emisor y un detector de luz.
La señal de transfiere de forma radiante, manteniendo la entrada y la salida aisladas eléctricamente.
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Componentes optoelectrónicosTipos de optoacopladores
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Componentes optoelectrónicosCaracterísticas técnicas (optoacopladores)
• Relación de transferencia de corriente CTR (Current Transfer Ratio)
• Aislamiento entrada-salida
Tensión de aislamiento
Resistencia de aislamiento
Capacidad de aislamiento
• Velocidad de respuesta tpHL tpLH
• Rechazo del modo común CMRR (Common Mode Rejection Ratio)
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Componentes optoelectrónicosCaracterísticas técnicas (optoacopladores)
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Componentes optoelectrónicosCaracterísticas técnicas (optoacopladores)
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Componentes optoelectrónicosCaracterísticas técnicas (optoacopladores)
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Componentes optoelectrónicosOptointerruptores
El optointerruptor o fotointerruptor es unna combinación de emisor y receptor de luz diseñado para detectar la presencia o posición de un objeto que se interponga en el camino óptico fijado por los dos elementos internos.
Tipos:
• Transmisivo
• Reflexivo (con o sin elemento reflector)