Componentes optoelectrónicos

Transcripción

1 Componentes optoelectrónicos 1

2 Componentes optoelectrónicos Espectro de radiación, intervalos de frecuencia y longitudes de onda λ = c f 2

3 Componentes optoelectrónicos Energía radiante Radiometría Q J Energía e luminosa Q v Fotometría 160 = K λ 380 ( λ ) Q e( ) dλ lm.s Densidad radiante Flujo radiante Irradiancia Intensidad de radiación Radiancia Emisividad dq W = e J/m 3 Densidad e dv luminosa Φ = dq e w Flujo e dt luminoso dφe w/m 2 Iluminación M e = da dφe w/sr Intensidad Ie = d ω luminosa die w/m 2.sr Luminancia Le = dacosθ M Eficacia ε = luminosa M bb Eficiencia luminosa V( ) dq W = v lm.s/m 3 v dv Φ = dq v lm v dt dφv lux=lm/m 2 M v = da dφv cd=lm/sr Iv = d ω div nit=cd/m 2 Lv = dacosθ Φv lm/w ηv = Φ K e ( λ ) K ( λ )max M y M bb son las irradiancias de la muestra y de un cuerpo negro a la misma temperatura ω = ángulo sólido en estereorradianes θ = ángulo entre la línea del haz luminoso y la normal de la superficie λ = 3

4 Componentes optoelectrónicos Radiación emitida λ (nm) η v (lm/w) Rojo estándar Rojo de alta eficacia Amarillo Verde Azul Curva de sensibilidad del ojo humano 4

5 Emisores Detectores Dispositivos de acoplo Visualizadores (Displays) VLED (Led lamp) LDR Optoacopladores VLED IRED Fotodiodos Optointerruptores LCD Láser Fototransistores Relés de estado sólido Detectores OPIC Sensores de color Células solares 5

6 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 6

7 Componentes optoelectrónicos Características técnicas de diodos LED Característica V-I Azul y verde Ámbar y rojo 7

8 Componentes optoelectrónicos Características técnicas de diodos LED Valores máximos absolutos 8

9 Componentes optoelectrónicos Características técnicas de diodos LED Salida luminosa del LED Para 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 λ p : aquella a la que corresponde la intensidad máxima de radiación Longitud de onda dominante λ d : relacionado con el color captado por el ojo humano, no tiene porqué coincidir con λ p. Así dos emisores con diferente espectro de radiación pueden percibirse con el mismo color si su λ d es la misma. 9

10 Componentes optoelectrónicos Características técnicas de diodos LED Salida luminosa del LED 10

11 Componentes optoelectrónicos Características técnicas de diodos LED Salida luminosa del LED Azul y verde Ámbar y rojo 11

12 Componentes optoelectrónicos Características técnicas de diodos LED Salida luminosa del LED 12

13 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 dispositivo Se define el ángulo de intensidad mitad θ 1/2 el ángulo en el que la intensidad luminosa es el 50% 13

14 Componentes optoelectrónicos Características técnicas de diodos LED Patrón de radiación 14

15 Componentes optoelectrónicos Trabajo 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 I peak, 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 tanto decrementar el ciclo de trabajo efectivo. 15

16 Componentes optoelectrónicos Trabajo en régimen de impulsos Cuando un LED trabaja con pulsos cabe hablar de intensidad luminosa media I V 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) 16

17 Componentes optoelectrónicos Potencia disipada en LEDs. P = I P AVG F V = I F en régimen pulsante : AVG [ V + r ( I I )] F d PEAK F Normalmente en características viene la gráfica I F en función de la temperatura 17

18 Componentes optoelectrónicos LEDs Tamaño Forma Especiales 5mm 3mm... Redondos Rectangulares Ovalados Triangulares etc.. Bicolor Alta luminosidad Barras... 18

19 Componentes optoelectrónicos 19

20 Componentes optoelectrónicos Diodo láser La 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. 20

21 Componentes optoelectrónicos 21

22 Componentes optoelectrónicos 22

23 Componentes optoelectrónicos Visualizadores LED (Displays) 23

24 Componentes optoelectrónicos Visualizadores LED (Displays). Fuentes más comunes. 7 segmentos 9 segmentos 16 segmentos Matriz 4x7 modificada Matriz 5x7 modificada Matriz 5x7 24

25 Visualizadores LED (Displays) Display 7 segmentos, ánodo común o cátodo común 25

26 Visualizadores LED (Displays) Matriz de leds de 5x7 Strobing horizontal Strobing vertical 26

27 Diagrama de bloques del subsistema electrónico asociado al visualizador 27

28 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 28

29 Diferentes métodos de conexión de excitadores de displays de 7 segmentos 29

30 Diagrama de bloques de un excitador multiplexado de un array de displays de 5 dígitos con el circuito equivalente para el cálculo de los resistores de excitación de segmentos. 30

31 Visualizadores 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). 31

32 Cristales nemáticos Cristal delantero Luz Polarizador delantero Vista lateral Cristal trasero Electrodo transparente delantero Separador Electrodo transparente trasero Cristal delantero Capas de alineamiento Cristal trasero Polarizador trasero Vista superior Cristal líquido Reflector (Para panel reflectivo) Orientación de las moléculas (ángulo de torsión 90º) Panel LCD nemático 32

33 Luz incidente sin polarizar Primer polarizador El rayado del vidrio superior alinea las moléculas El haz polarizado gira al atravesar el material El rayado del vidrio inferior alinea las moléculas Luz polarizada Las moléculas adoptan disposición helicoidal Primera lámina de vidrio Segunda lámina de vidrio El haz girado atraviesa el vidrio y llega al segundo polarizador Segundo polarizador La luz pasa el segundo polarizador Efecto óptico en una célula de cristal líquido sin excitación eléctrica 33

34 Luz incidente sin polarizar Primer polarizador El haz polarizado no gira al atravesar el material Electrodos superior e inferior transparentes Luz polarizada Primera lámina de vidrio Las moléculas se disponen verticales y paralelas Segunda lámina de vidrio El haz no gira y llega al segundo polarizador Segundo polarizador La luz no pasa el segundo polarizador Efecto óptico en una célula de cristal líquido con excitación eléctrica 34

35 Modos de visión en cristales LCD Reflexivo Transflectivo Transmisivo Tipo positivo Tipo negativo Tipo negativo con inversión de imagen 35

36 Modos de visión en cristales LCD Modo de visión Reflectiva Imagen positiva Transflectiva Imagen positiva Transflectiva Imagen negativa Transmisiva Imagen negativa Transmisiva Imagen positiva Descripción del display Segmentos oscuros sobre fondo claro Segmentos oscuros sobre fondo gris Segmentos luminosos grises sobre fondo oscuro Segmentos luminosos sobre fondo oscuro Segmentos oscuros sobre fondo luminoso Comentarios de aplicación Sin luz posterior. Buen contraste Se puede ver por reflexión de luz ambiente o por fuente posterior Necesita mucha luz ambiente o fuente posterior No se puede ver por reflexión Diseñado para ambientes con poca luz Luz solar Luz de Penumbra Semioscuridad directa oficina Excelente Muy buena Media Pobre Excelente (Sin luz posterior) Buena (Sin luz posterior) Pobre (Con luz posterior) Buena (Sin luz posterior) Buena (Sin luz posterior) Media (Sin luz posterior) Buena (Con luz posterior) Buena (Con luz posterior) Buena (Con luz posterior) Buena (Con luz posterior) Muy buena (Sin luz posterior) Muy buena (Con luz posterior) Muy buena (Con luz posterior) Muy buena (Con luz posterior) Excelente (Con luz posterior) Excelente (Con luz posterior) 36

37 Modos 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 37

38 Modos de iluminación posterior en LCD LED Ofrece 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. 38

39 Modos 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 y horas. 39

40 Diferentes tipos de pantallas LCD 40

41 Detectores 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 41

42 Fotodiodos 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 V oc Corriente en cortocircuito I sc Corriente de oscuridad Tensión de disrrupción 42

43 Fotodiodos, zonas de trabajo 43

44 Fotodiodos Trabajo en el primer cuadrante Recta de carga Circuito de polarización Circuito equivalente del fotodiodo 44

45 Fotodiodos Trabajo en el tercer cuadrante (modo fotoconductivo) Recta de carga Circuito de polarización Circuito equivalente del fotodiodo 45

46 Fotodiodos Trabajo en el cuarto cuadrante (modo fotovoltaico) Recta de carga Circuito de polarización Circuito equivalente del fotodiodo 46

47 Fototransistores El fototransistor es un dispositivo optoelectrónico basado en la sensibilidad 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. 47

48 Fototransistores, 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 I c =f(v ce ), muy similar a la de un transistor NPN donde se sustituye el parámetro corriente de base por la irradiación E e o densidad de flujo irradiado (mw/cm 2 ) 48

49 Clasificación de fototransistores. TIPOS FOTOTRANSISTOR SIMPLE Sin Con Terminal base Terminal base FOTODARLINGTON Sin Terminal base Con Terminal base SÍMBOLO 49

50 El fototransistor frente a otros detectores optoelectrónicos FOTOSENSOR Ventajas Inconvenientes Fotorresistores LDR Gran sensibilidad radiante. Elevados tiempos de respuesta Responden al espectro visible. Relación no lineal con irradiación Fotodiodos Respuesta rápida Muy lineales con la irradiación Ancho margen de respuesta espectral Rango limitado de temperaturas Bajos niveles de salida Células fotovoltaicas No necesitan tensión de polarización Respuesta lenta. Relación no lineal de la tensión fotogenerada con 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 básico Alta corriente de oscuridad 50

51 Detectores 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 E VLH E VHL Tiempos de respuesta t plh t phl 51

52 Dispositivos ópticos de acoplamiento Aseguran un buen aislamiento galvánico entre circuitos cuya diferencia de potencial es elevada y evitan bucles de tierra indeseados. Acopladores ópticos u optoacopladores Optointerruptores Fototiristores y fototriacs Relés de estado sólido 52

53 Optoacopladores 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. 53

54 Tipos de optoacopladores 54

55 Características 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 t phl t plh Rechazo del modo común CMRR (Common Mode Rejection Ratio) 55

56 Características técnicas (optoacopladores) 56

57 Características técnicas (optoacopladores) 57

58 Características técnicas (optoacopladores) 58

59 Optointerruptores 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) 59

60 Optointerruptores 60