Caracterización de un diodo LED

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1 Práctica 5 Caracterización de un diodo LED OBJETIVOS Observar el funcionamiento y conocer algunas propiedades del LED, como una de las fuentes utilizadas en sistemas de comunicaciones vía fibra óptica. Obtener la curva característica del LED. Observar el efecto que tiene la temperatura sobre este dispositivo INTRODUCCION Como se dijo en la introducción de la practica 1, un sistema de comunicaciones consta de 3 elementos principales: Transmisor, Vía o medio y Receptor, ver figura 1.1. En el caso específico en el que se utiliza una fibra como vía o canal, el transmisor está compuesto por: un convertidor de voltaje a corriente, una fuente luminosa y una interfaz de fuente a fibra, ver figura 5.1. Interconexión eléctrica Acoplador Señal eléctrica, analógica o digital Convertidor de Voltaje a corriente Fuente luminosa Interfaz fuente - fibra Señal óptica viajando en FIBRA Fig. 5.1 Diagrama a bloques de un transmisor para un sistema de comunicaciones por fibra óptica. La fuente óptica debe tener las siguientes características generales: La intensidad de luz (potencia óptica) debe ser grande para alcanzar distancias grandes de propagación. Su estructura debe permitir un acoplamiento de luz efectivo fuente-fibra. La longitud de onda de la luz que emana de la fuente debe ser compatible con la longitud de onda más conveniente de la fibra óptica. El ancho de línea debe ser lo más delgado posible para permitir una alta razón de datos. El tiempo de respuesta debe ser corto para soportar una alta razón de datos. La potencia luminosa de una fuente tiene un comportamiento parecido al de una gaussiana, entonces, el ancho de línea se define como el ancho en longitudes de onda entre dos puntos, donde la energía luminosa de la fuente atraviesa un medio del valor de su potencia máxima.

2 Debe producir una potencia óptica estable, que no varíe con la temperatura u otras condiciones ambientales, además de ser confiable. Hay dos clases de fuentes utilizadas comúnmente en sistemas de fibra óptica, estas son el diodo de inyección láser (ILD) y el diodo emisor de luz (LED). Ambos se basan en dispositivos semiconductores 1, específicamente, en el principio de funcionamiento de los diodos semiconductores de unión p-n. Para algunos sistemas de comunicación, cualquiera de las dos fuentes (ILD ó LED) puede ser utilizada, brindando una operación satisfactoria. Sin embargo para algunos sistemas de comunicación específicos, uno es claramente mejor que el otro. En la figura 5.2 se puede observar una gráfica de potencia óptica contra corriente, a través de una unión p-n, En ella podemos observar la región en la que trabaja un LED, y después de un umbral, la región donde trabaja un LASER. Un LED (Light Emitting Diode), es un dispositivo semiconductor que emite radiación visible, infrarroja o ultravioleta, por emisión espontánea 2. Esencialmente es una unión p-n cuyas regiones p y n pueden estar hechas del mismo o diferente material semiconductor altamente radiante. El color de la luz emitida está determinado por la energía del fotón. Fig Curva de emisión de potencia-corriente. Principalmente hay dos clases de diodos emisores de luz, basados en la forma que es colectada la luz de la región activa: -LED de emisión superficial y pozo grabado de Burrus: emite luz en muchas direcciones, haciendo toda su superficie, el área activa. El de pozo grabado es de emisión superficial, pero se graba un hueco o pozo, permitiendo concentrar la luz en una área más pequeña. 1 Dispositivo fabricado de uno o más materiales sólidos que tiene un valor de resistividad entre un conductor y un aislante. El material más utilizado es el silicio que al ser dopado con materiales con 5 electrones en su capa de valencia, forma el material tipo p (exceso de electrones), y si es dopado con materiales con 3 elementos en su capa de valencia forma el material tipo n (exceso de huecos). 2 La luz se emite como resultado de la recombinación de electrones con huecos. Cuando se polariza directamente la unión p-n, los portadores minoritarios se recombinan con portadores mayoritarios y desprenden energía en forma de luz.

3 -LED de emisión de borde: Emiten una distribución más direccional de luz, la luz se emite de una banda activa, y forma un haz elíptico. Se emite menos luz que un uno de superficie, pero también las pérdidas por acoplamiento son menores. Parámetros importantes de un LED Los parámetros que caracterizan el funcionamiento de un LED y que sirven de base para la elección del modelo más adecuado para la aplicación concreta a que se le va a destinar, son los siguientes: Eficiencia Es la relación entre la intensidad luminosa emitida, medida en milicandelas (mcd), y la corriente eléctrica en ma que produce dicha radiación. Se representa por Iv. Los valores normales oscilan entre los 0.5 y 2 mcd a 20 ma. Pero los de alta eficiencia alcanzan hasta las 20 mcd a 10 ma. Directividad Está definida por el máximo ángulo de observación de luz que permite un tipo concreto de LED, respecto al eje geométrico del mismo. Este parámetro depende de la forma del encapsulado, así como de la existencia o no de una lente amplificadora incluida en el mismo. En los modelos de mayor directividad este ángulo es pequeño y tienen la apariencia de producir una intensidad luminosa más elevada que los otros, en los que la luz se reparte sobre una superficie mucho mayor. Cada modelo de LED dispone de una curva de directividad en la que se representa el nivel de intensidad luminosa en función del ángulo de observación. Esta curva resulta de mucha utilidad para la elección de un modelo determinado. En la siguiente figura 2 se muestran algunos ejemplos. Fig Curvas de directividad para distintos tipos de LED s Voltaje de polarización directa (VF) Es el voltaje que se produce entre las terminales del LED cuando le atraviesa la corriente de excitación. Esta comprendida entre 1,5 y 2,2 v. para la mayoría de los modelos.

4 Corriente Inversa (IR) Es la máxima corriente que es capaz de circular por el LED cuando se le somete a una polarización inversa. Valores típicos de este parámetro se encuentran alrededor de los 10 A. Disipación de potencia Es la fracción de la potencia que absorbe el LED y no transforma en radiación visible, teniéndola que disipar al ambiente en forma de calor. En las aplicaciones clásicas de los LED s se necesita una resistencia en serie con él, para limitar la corriente. Ancho de Línea Los terminos utilizados para describir el rango de longitudes de onda emitida, varia de un fabricante a otro. Algunos de los más usados son Respuesta espectral, Flujo radiante espectral o espectro de emisión. Recuerde que el ancho de línea es el rango de longitudes de onda al 50% de la potencia máxima radiada. Un ancho de línea grande produce una dispersión grande, que a su vez limita el ancho de banda de modulación, que da lugar a una baja razón de datos. Tiempo de respuesta El tiempo de respuesta es la rapidez con la que se lleva al LED de encendido a apagado, usualmente llamado tiempo de subida y tiempo de bajada. Es decir el tiempo que tarda en llegar desde el 10% al 90% de la potencia máxima radiada, una vez que se hace fluir corriente a través de sus terminales, como se puede observar en la figura 5.4. Corriente del LED Intensidad de luz radiada 90% T r 10% T r T r T f Fig. 5.4 Tiempo de subida (T r ) y tiempo de bajada (T f ). La razón de modulación (la máxima razón de datos a la que el LED puede operar) debe contemplar a T r y T f, lo que significa que debe ser menor que 1/( T r + T f ). Ancho de banda El ancho de banda óptico es aproximadamente:

5 y el ancho de banda eléctrico es: BW opt = 0.35/T r (5) BW elect = (0.707) BW opt (6) PROCEDIMIENTO EQUIPO Y MATERIAL REQUERIDO Modelo Description Descripción SG-22-2 Breadboard, 2 ft x 2 ft Tablero de trabajo 1815-C Optical Power Meter Medidor de potencia óptica 505B Laser Diode Driver (200/500 Controlador del diodo laser ma) (200/500 ma) FK-LED Assy., light-emitting diode Fuente óptica led BASES TEORICAS NECESARIAS Para la mejor comprensión del funcionamiento de los LED s y el desarrollo experimental de esta práctica se sugiere que el alumno tenga conocimiento de los siguientes temas: - Principios de dispositivos semiconductores. - Fundamentos de Diodos semiconductores - Emisión estimulada - Emisión espontánea Experimento.- Obtener curvas de corriente inyectada al diodo contra potencia óptica radiada de un LED, a una temperatura ambiente 1. Investigar e imprimir las Hojas de especificaciones del FK- LED, y obtener las características importantes, según se analizó en la introducción. También, encuentre los rangos de operación del mismo. 2. Conecte el LED a su controlador de corriente y posiciónelo en el Poste de 2" modelo SP-2 sobre la mesa de sujeción. 3. Coloque el medidor de potencia lo más cercano posible a la salida del LED, como se puede observar en la figura 5.5. Para modificar la corriente de polarización del LED, es suficiente con manipular la perilla del controlador respectivo en un intervalo de corriente permitido por las fuentes de luz, que es de 0 a 120 ma. Es recomendable aislar estos elementos de cualquier fuente de luz, para tener mejores resultados.

6 Potencia Óptica (mw) Potencia Óptica (mw) Fig Arreglo para medir la potencia del FK-LED. 4. Para la operación de los controladores es preciso que se encuentre activado el modo I. Una vez confirmado lo anterior, se realiza el ajuste de la corriente mediante la perilla correspondiente. 5. Para tener el rayo de luz a la salida del LED la llave de seguridad se debe encontrar encendida (ON), de la misma manera que el botón output. 6. Variar la corriente de entrada desde o a 120 mw, completando la siguiente tabla y dibujando la gráfica resultante. I(mA) P(mW) I (ma) 7. Encontrar la forma de variar unos cuantos grados (1-5) la temperatura que rodea al LED, tratando de mantenerla lo mas estable posible y repetir el paso anterior. I(mA) P(mW)

7 Conteste las siguientes preguntas Cómo considera que es la dependencia con la temperatura del fotoemisor? Que puede comentar con respecto de la linealidad? Según las hojas de especificaciones Cuál es el ancho de banda óptico y eléctrico de este dispositivo? A que longitud de onda debe trabajar un sistema de comunicaciones por fibra, si utilizamos este LED como fuente? Describa un método para medir el tiempo de respuesta del LED, y describa las limitaciones que tendria. 9. Realice la CONCLUSION de esta práctica.

8 BIBLIOGRAFÍA [1] Newport Corporation. Model 500 Series Laser Diodo Drivers, Operating Manual [2] Newport Corporation. 818 Series Photodetector Guiede, Operator Manual. [3] Newport Corporation. Power Meter, Operating Manual [4] INTRODUCTION TO OPTICAL FIBER COMMUNICATIONS SYSTEMS; Jones William B. JR; USA; Oxford University Press,1988. [5] FIBER OPTICS COMMUNICATION AND OTHER APPLICATIONS; Henry Zanger, Cynthia Zanger; USA; Macmillan Publishing Company,1991. [6] SISTEMAS DE COMUNICACIONES ELECTORONICAS; Cuarta Edición; Wayne Tomasi; Impreso en México; Prentice Hall, 2003.

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