Laboratorio 1: LED y Fotodiodos Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Concepción, Concepción, Chile. Prof. Sergio Torres I.

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1 OPTRÓNICA Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Concepción, Concepción, Chile. Prof. Sergio Torres I. Ayudantes: Felipe Pedreros Bustos Osvaldo Medina Arenas 25 de mayo de Introducción Esta actividad pretende en primera instancia introducirlo al manejo de equipos de laboratorio e instruirlo sobre las características básicas de los principales elementos circuitales y optoelectrónicos. Además lo inicia en el trabajo de laboratorio que será de vital importancia en sus futuras asignaturas. Deberá montar un circuito emisor de luz y detector de luz y realizar las mediciones para obtener la curva de corriente generada por el fotodiodo en función de la intensidad de luz producida por el LED. Además se pide verificar el voltaje de polarización de 3 LEDs (Rojo, Amarillo, Verde). Se espera que logre conocer el funcionamiento y modo de operación de un fotodiodo acompañado de un amplificador y la forma de polarizar un diodo emisor de luz (LED). 2. Marco Teórico Los fotodiodos son dispositivos semiconductores que contienen una unión p-n. En escencia son diodos comunes y corrientes pero que tienen una cierta respuesta a la luz que incide sobre la juntura. Existen tres modos de operación del fotodiodo: circuito abierto o fotovoltaico, cortocircuito y fotoconductivo. Cada uno de estos modos presenta características distintas; pueden generar corriente o tensión en un circuito en forma lineal o no lineal a la radiación que reciben. Los fotodiodos o detectores fotosensibles en general, se caracterizan por su eficiencia cuántica, tiempo de respuesta y responsividad (responsivity)[1] para un rango de frecuencias o longitud de onda de la radiación incidente. El diodo emisor de luz (Light Emiting Diode, LED), es un diodo de juntura p-n que al ser polarizado en forma directa y atravesado por una corriente mínima, comienza a emitir luz incoherente en un cierto espectro (definido por el tipo de material usado) en forma proporcional a la corriente que circula por el 1. La forma más simple de operar un LED es con una fuente de tensión y una resistencia conectadas en serie. La resistencia R debe limitar la corriente para encender el LED (alrededor de 10mA). Existe un voltaje mínimo de operación que va desde 1.3 a 3.8 V, dependiendo del LED y junto a la corriente que lo atravieza permite que emita una buena intensidad de luz.[2]. 1 Verificar hasta que punto es esta afirmación correcta. 1

2 Un Amplificador Operacional es un circuito electrónico integrado compuesto de una serie de transistores, resistencias y condensadores, que forman un amplificador diferencial con elevada ganancia de voltaje, muy alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. La salida del amplificador (V out ) depende de la configuración de este. Para la presente experiencia se utiliza un amplificador cuya salida está dada por: V out = 2R I in Es necesario tomar en cuenta todas estas características para un correcto análisis de los resultados de este laboratorio. 3. Actividades 3.1. Actividad 1: Polarización de LEDs De acuerdo al circuito mostrado a continuación deberá realizar lo que sigue. Fig. 1: Circuito de polarización para un LED 1. Monte el circuito tal como se describe en el esquemático. Preste atención a la polaridad de los LEDs. Espere la aprobación antes de alimentar el circuito. 2. Polarice para 5V DCmax cada LED (Rojo, Verde, Blanco de Alto Brillo) calculando la resistencia limitadora R S. Conecte el multímetro y selecciones V (voltaje contínuo, DC) al LED. 3. Varíe el voltaje de la fuente hasta que el LED comienze a brillar. Tabule el voltaje de polarización directa para cada color. Nota alguna diferencia en las tensiones de operación para cada LED? Explique su respuesta. En que unidades se mide la intensidad de luz irradiada por el LED? Busque algunos datos reales de LED comerciales. En que rango la intensidad emitida por el LED tiene una respuesta lineal a la corriente circulante? Muestre datos de LED comerciales Actividad 2: Caracterización Fotodiodo Se utilizarán los circuitos emisor y detector de luz mostrados en la figura 2. Se debe recalcar que el detector con fotodiodo es usado en aplicaciones para la detección en forma óptica de radicales libres de emisión en el proceso de combustión de una llama de petróleo. [3]. Siga cada uno de los pasos enumerados en la pauta y de forma cuidadosa realize lo que se le indica. 1. Monte el circuito de detección, tal como se describe en el esquemático. Preste atención en los pines del AO y la polaridad del fotodiodo. Felipe Pedreros B. 2

3 (a) (b) Fig. 2: Circuito emisor de luz (a) y circuito detector con fotodiodo (b) 2. Monte el circuito emisor de luz, tal como se describe en el esquemático. Tenga cuidado con la polaridad del LED. Utilize la fuente DC con 9 V de alimentación. Conecte un multímetro en serie al circuito seleccionando el modo A (corriente contínua, DC). Tenga especial cuidado en las mediciones de corriente, podría ocasionar un cortocircuito y la destrucción definitiva del equipo. No conecte la alimentación hasta que sus circuitos hayan sido aprobado por su profesor o ayudante. 3. Conecte la fuente de tensión al circuito: fuente dual ±12V al amplificador. Conecte la punta de prueba del osciloscopio en canal 1 (CH1) y el multímetro en modo V (voltaje DC) en la salida del amplificador (V out ). 4. Mida y tabule los valores obtenidos con el fotodido iluminado con luz ambiente. 5. Coloque la fuente de luz a 2cm de distancia medidos desde del fotodiodo con la mayor exactitud posible y verificando que el LED ilumine en forma perpendicular a la cara del fotodiodo. Varíe el potenciómetro de forma que cambie la corriente por el LED y con ello la intensidad de luz emitida. Tabule los valores medidos en la salida del amplificador en función de la corriente que atraviesa el LED. Considere pasos de 2[mA] y hasta 22[mA]. 6. Separe la fuente del detector a 3cm y 4cm de distancia y repita las mediciones anteriores. En caso de ser necesario, pregunte al ayudante antes de realizar alguna conexión en que no tenga seguridad de lo que se hace. Recuerde que culquier daño en el instrumental es su responsabilidad. Terminadas sus mediciones, deje su banco ordenado tal y como lo recibió. Una vez concluidas sus mediciones desarrolle lo siguiente: Realize una tabla donde se muestran sus mediciones tanto en voltaje como en corriente generada por el fotodiodo, en función de la corriente del LED. (utilize ecuación de ganancia del Amplificador) Grafique las curvas de Voltaje (V out ) vs Corriente (I LED ) para las distintas separaciones del canal. Felipe Pedreros B. 3

4 Encuentre la recta que mejor se ajuste a sus gráficas (emplee algún método numérico de interpolación aprendido en cursos anteriores) y encuentre la pendiente de dichas rectas (incluya el extracto de código Matlab donde realiza esta actividad). Existen diferencias en el valor de las pendientes encontradas? Explique. Concluya y explique en qué modo está trabajando el fotodiodo y cuáles serían las diferencias en sus resultados (gráficos) si se utilizara en un modo de operación distinto. Evalúe la linealidad de la respuesta del fotodiodo (y del sistema en general) a la luz incidente. Explique la razón de utilizar un amplificador operacional en el circuito detector y qué problemas (o mejoras) se presentarían si se omitiera su uso. Evalue y explique el nivel de magnitud de las mediciones obtenidas y fundamente sus conclusiones. (Ver: responsividad, eficiencia cuántica, espectro emisión LED) 4. Resultados Los resultados de laboratorio deberán ser entregados en un informe por escrito, siguiendo el formato de esta guía, es decir; Título con nombre de la asignatura y actividad, nombre de los integrantes del grupo y fecha de la actividad. Introducción, describiendo brevemente los objetivos del laboratorio. Descripción de la actividad, enunciando el problema y los pasos seguidos en la actividad. Circuitos, mostrando el set-up empleado con una breve descripción. Resultados donde se muestran claramente las tablas, gráficos (debidamente enumeradas y con descripción), soluciones a las preguntas planteadas con una sólida argumentación, etc. Instrumental, donde enumera todos los materiales empleados en el laboratorio. Conclusiones, donde deberá (evidentemente) anotar sus deducciones, comentarios de mejora, etc. Esta sección significará la mayor parte de su nota, por lo que se recomienda poner lo mejor de usted en escribir conclusiones del mejor nivel. Referencias. Aquí deberá mencionar la fuente de toda la información, datos, comentarios utilizados en su informe. Recuerde detallar las unidades de medida donde corresponda y ser ordenado en sus desarrollo. Puede incluir cualquier información adicional a los pedido si lo estima conveniente y si aporta realmente a una mejor comprensión de los realizado. Trate de no sobrecargar el informe con datos fuera de contexto. 5. Comentarios Generales Antes de ingresar a cualquier actividad de laboratorio se debe conocer a cabalidad qué se va hacer. Por ello, es requisito obligatorio antes de comenzar este laboratorio lo siguiente: 1. Asistir a la clase introductoria de laboratorio. Felipe Pedreros B. 4

5 2. Haber leído y compendido la presente guía de laboratorio. 3. Llevar preparadas las tablas para anotar sus datos 4. Llevar delantal, regla y destornillador pequeño para regular potenciómetro multivuelta. 5. Preguntar! (en la clase introductoria) si existen dudas y/o consultas. La idea es llegar al laboratorio con toda la información clara a montar el circuito y medir sin mayores complicaciones. Recuerde llegar puntualmente a la hora acordada. Nuestro tiempo es tan importante como el suyo. El laboratorio se realizará en grupos de 2 personas y el informe tendrá un plazo de 1 semana desde la realización del laboratorio, para ser entregado en secretaría. Todas estas indicaciones tienen por objetivo ayudarlo a que su trabajo se haga de forma óptima, además de introducirlo a las normas que se verá enfrentado en las próximas asignaturas experimentales y en su posible futuro laboral. Referencias [1] E.A. Saleh, Carl Teich. Fundamentals of Photonics. c John Wiley & Sons, INC. [2] Wikipedia, The Free Encyclopedia. LED. [3] Luis Arias P. Diseño y Desarrollo de un sensor óptico, para la detección de variables características de una llama. Memoria de Título Ing. Civil Electrónico, Universidad de Concepción. Felipe Pedreros B. 5