Tema: Componentes Opto electrónicos

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1 3 Bioinstrumentación Facultad Escuela Lugar de Ejecución : Ingeniería. : Biomédica : Laboratorio de Biomédica Tema: Componentes Opto electrónicos Objetivos Definir el funcionamiento de los diodos emisores de luz (LED) Calcular parámetros de polarización en los diferentes circuitos Elaborar la curva Voltaje / Corriente del LED Analizar el diodo LED en régimen impulsivo Definir el funcionamiento de los diodos emisores de luz en el campo infrarrojo (IRED) Definir el funcionamiento del Fotodiodo, Fototransistor y Foto acoplador. Describir el funcionamiento de los circuitos de transmisión y recepción utilizando fibra óptica, para la transmisión de señales digitales y analógicas. Actividad Preliminar Estudiar sobre componentes opto electrónicos Materiales y Equipo NI ELVIS II. Computadora con NI LabVIEW. Tarjeta de conexión analógica del NI ELVIS II. Sensor Opto electrónico LDAR Instrumentos de medición de NI. Tarjeta de Evaluación MCM-B6/EV Recomendaciones Tenga orden y aseo para trabajar Siempre que tenga duda del procedimiento a realizar, consúltelo con el docente.

2 Todas las piezas y componentes que se quiten se deben de ir guardando en forma ordenada Siempre anote lo que haga, aún lo mas irrelevante, ya que al final cuando el sistema se tiene desensamblado se vuelve complejo. Al finalizar el laboratorio se debe dejar en la misma ó mejor condición en que se encontró, aún los accesorios y herramientas utilizadas. Procedimiento PARTE I. Diodo Emisor de Luz (LED). Detección de la curva característica Voltaje / Corriente del diodo LED. 1. Conecte el miliamperímetro entre los punto 1 y 2, como lo muestra la figura. 2. Conecte el voltímetro digital entre el ánodo del LED y tierra. 3. Girar el potenciómetro P1 en la posición de máxima luminosidad del diodo. 4. Mover gradualmente el potenciómetro detectando el valor de la corriente y la tensión en el diodo LD1. 5. Apuntar los datos detectados en la tabla Con los datos anteriores, grafique la curva característica del LED 7. Desarrolle las mediciones anteriores en los LED LD2 de luz amarilla y LD3 de luz roja.

3 TABLA 2 Voltaje y corriente LD2 TABLA 3 Voltaje y corriente LD3 Análisis del diodo LED en régimen impulsivo. 1. Hágase referencia al circuito de la figura siguiente: 1. En el módulo está incorporado un oscilador con duty-cycle (Relación entre el tiempo en Alto y el tiempo de Bajo de la señal) variable que permite la generación de las señales de mando del transistor T1 que gobierna el LED LD4. 2. Conecte el puente J8.

4 3. A través de los puentes J1,..., J6 es posible seleccionar tres valores diferentes del duty- - cycle: J1, J4 ON Duty-Cycle = 50% J2, J5 ON Duty-Cycle = 25% J3, J6 ON Duty-Cycle = 10% Ilustre la señal en el pin 3 del NE555 para cada una de las combinaciones antes mencionadas. Verifique el duty cycle Desconecte el puente J8 y en su lugar conecte a J7. Describa lo que ocurre con el diodo LED y explique la razón de tal comportamiento Realice el mismo procedimiento entre J7 y J9. Describa lo que ocurre con el diodo LED y explique la razón de tal comportamiento. PARTE II. Fotodiodo, Fototransistor y Foto Opto- acoplador. Detección de la corriente inversa en el fotodiodo en función de la luminosidad. 1. Si no se dispone de un medidor de luminosidad se puede, con cierta aproximación, considerar la corriente inversa en el LED proporcional a la luminosidad. La distancia entre el fotodiodo y el LED es de alrededor de 20 mm. 2. Es evidente que si se cambia la distancia, cambiarán los valores de corriente en el fotodiodo a partir de la corriente circulante en el LED. El esquema al que se hace referencia se muestra en la siguiente figura: 3. Inserte el miliamperímetro entre los puntos 8 y Conectar el voltímetro entre el punto 10 y tierra. 5. Para evitar la influencia de la luminosidad exterior se aconseja cubrir con una hoja de papel el fotodiodo. 6. Comenzando por la mínima luminosidad emitida por el diodo LED LD5, aumentar de manera gradual la

5 luminosidad (luego, la corriente en el miliamperímetro), y medir la corriente y la tensión. 7. Sabiendo que R17 vale 100 K_, calcular el valor de corriente que circula en el fotodiodo (para cada valor de tensión medido). 8. Apuntar los datos detectados en la tabla 4. Análisis del funcionamiento del fototransistor. 1. Insertar el miliamperímetro entre los puntos 11 y Conectar entre sí los puntos 13 y Mantener desconectado el puente J Conectar el voltímetro digital entre el punto 15 y tierra. 5. Para evitar la influencia de la luminosidad exterior, se aconseja cubrir con una hoja de papel el fototransistor. 6. Poner el potenciómetro P7 en una posición correspondiente entorno a su valor medio. 7. Comenzando por la mínima luminosidad emitida por el diodo LED LD6 (corriente mínima en el miliamperímetro), aumentar de manera gradual la luminosidad, es decir, la corriente en el miliamperímetro en serie a LD6 y mida los valores de Voltaje entre colector y emisor, y Corriente a través del fototransistor.

6 8. Insertar ahora el puente J La conexión de este puente provoca la conexión del potenciómetro P6, luego una variación de la polarización del transistor y consecuentemente de su sensibilidad. 10. Varíe el potenciómetro P6 a su posición media. Repita las mediciones del paso 15, y anote los resultados en la tabla 5 Análisis del funcionamiento del foto Opto- acoplador. 1. Inserte el puente J13 para habilitar el gobierno en régimen impulsivo del Foto acoplador, con ello, la señal impulsiva procedente del generador constituida por IC1 es enviada a la entrada del foto acoplador 2. Realice una medición simultánea de la señal procedente de IC1 y la señal de salida del foto acoplador e identifique las diferencias y similitudes entre ambas. 3. Probar ahora a variar el potenciómetro P8 en serie con el circuito de entrada del foto acoplador. 4. La variación del potenciómetro provoca una variación de la corriente que circula en el diodo de entrada del fotoacoplador. Qué provoca este cambio de corriente?. 5. Conectar el puente J12 habilitando así la intervención del potenciómetro P9 que suministra una polarización en la base del transistor. 6. Varíe el potenciómetro P9, junto con P8, y controlar su influencia sobre la señal en el punto 16. Qué provoca la variación de la resistencia de polarización de la base del fototransistor en el interior del foto opto acoplador?.

7 PARTE III. Fibras Ópticas. 1. Para el estudio de la transmisión de la señales ópticas a través de una fibra se utiliza la sección del módulo para tal efecto. 2. El LED emisor TX está montado en un conector que facilita la conexión, con la fibra. 3. El cable óptico esta constituido de una fibra óptica sintética, de tipo de salto de índice (stepindex), con atenuación de 250 db/km a 600 nm, el diámetro total del cable es de 2.2 mm, la cubierta es de PVC. 4. En la recepción la fibra se conecta a través de otro conector, con el detector óptico constituido por un fototransistor RX utilizado como fotodiodo (se usa la unión colectorbase). 5. El gobierno de TX se realiza mediante el transistor T3. 6. A través del potenciómetro P13 puede variarse la corriente en el LED transmisor. 7. La señal de entrada puede ser de dos tipos: - ANALÓGICA: en este caso tiene que enviarse al borne 21 (efectuar la conexión del puente J17). - DIGITAL: en este caso tiene que enviarse al borne 20 cortocircuitando la resistencia R34 con el puente J La señal, al final de la transmisión en la fibra, está disponible en el borne 22. Detección de la señal en RX en función de la corriente en Tx a través de la fibra. 1. Conecte el puente J Inserte el cable óptico en los conectores (TX y RX). 3. Cortocircuite la resistencia R34 con el puente J Gire totalmente el potenciómetro P14 (perilla girada en el sentido contrario al de las agujas del reloj). 5. Reduzca el valor de P13 gradualmente de modo que se midan los valores de tensión en los extremos de R33, como se muestra en la columna respectiva de la siguiente tabla, a los que correspondan valores de corriente como se muestra en la columna 2 (por ser R33=200_).

8 6. Medir en correspondencia de la tensión de salida en el borne 22 y apuntar los valores en la última columna de la tabla Determine la linealidad existente entre VR33 e ITx. PARTE IV. Sensibilidad de un dispositivo en relación a la longitud de onda Incidente 1. Conecte la fuente de luz (Roja, Verde) en el circuito de divisor de voltaje de la Fuente de alimentación fija + 5 V del NI ELVIS II+. 2. Ubique la fuente de luz por encima de la abertura de la celda. En esta posición, la fuente de luz extinguida bloquea a la luz externa, y la resistencia medida del LDR es la resistencia oscura.

9 3. Registre la resistencia medida en la tabla 7, (A fin de obtener una lectura correcta, espere hasta que esta se estabilice.). 4. Ajuste VR-1 y calibre la tensión VLDAR según la tabla 7 (La posición de la fuente de luz con relación a la celda permanece igual). Registre la resistencia LDR en cada caso. 5. Mida y registre en la siguiente tabla la corriente ILS y Resistencia promedio obtenida: VLDAR(V) 0% 5% % % % 2.0 ROJA 60% % % % 3.68 ILS (ma) R (Ω) VERDE ILS (ma) R (Ω) TABLA 7. Medición de la resistencia de la celda del LDR para cada una de las longitudes de onda. 6. Ahora intercambie Conectando la fuente de luz verde(o roja según sea el caso) en el circuito implementado en él NI ELVIS II+. 7. Repita los pasos del 3 al 6 con la nueva fuente de luz. Registre los datos en la tabla Represente gráficamente los resultados obtenidos en la tabla El valor óhmico de la LDR en condiciones de mínima iluminación: ohm y máxima intensidad de iluminación alcanzado: ohm. 100% 4.0 Análisis de Resultado 1. Presente las graficas y valores obtenidos en la práctica y explíquelos detalladamente 2. Presente los cálculos matemáticos que expliquen los diferentes circuitos de polarización utilizados 3. Indique la razón para el uso de diferentes configuraciones en el circuito transmisor (Fibra Óptica), si la señal es analógica o digital.

10 Investigación complementaria 1. Investigue acerca del uso de la Fibra Óptica en la práctica médica. 2. Simule Algunas aplicaciones de Los componentes opto electrónicos 3. Diseñe e implemente un detector de al menos tres colores. Bibliografía 1. Design of biomedical devices and systems, autor: King, Fries (2009), código biblioteca: K Introduction to biomedical engineering, autor: Enderle- Bronzino (2005), código biblioteca: I

11 Reporte de laboratorio (Tema) Asignatura: Bioinstrumentación Ciclo: Docente Ing. Fermín Díaz / Ing. Pedro Alvarez Grupo: 01T Fecha: Semana: Carnet Alumno C1 20% C2 30% C3 10% C4 10% C5 2.5% C6 2.5% C7 15% C8 7.5% C9 2.5% PROM FIRMA Circuito: 1. Funcionamiento: Se evalúa si el circuito ejecuta correctamente la función solicitada 2. Desempeño: Durante las prácticas de laboratorio se asignara una hora clase para la implementación del circuito a entregar al final de cada periodo. (Esta ponderación es individual) 3. Evaluación: Se hará una pregunta representativa sobre el funcionamiento del circuito para evaluar los conocimientos adquiridos con la implementación de este. (Esta ponderación es individual) 4. Estética: Se evalúa si el circuito se presenta de forma ordenada. Si los alambres siguen alguna nomenclatura de colores para identificar el tipo de señal manejada por ellos. Además se evalúa si el circuito y sus accesorios se presentan de forma ordenada. Documentación: 5. Presentación: Se evalúa si el documento es pulcro y ordenado, y si los autores se han adherido al formato indicado. Debe prestarse la debida atención a la calidad de las ilustraciones, tablas y ecuaciones. 6. Redacción, ortografía y notación: Se evalúa si todos los elementos de lenguaje, sea el convencional escrito o la notación matemática, han sido adecuadamente empleados. 7. Contenido y coherencia en el desarrollo del tema: Se evalúa si el contenido es auténtico y si es desarrollado de forma completa y coherente satisfaciendo las expectativas planteadas en la descripción de la asignación. 8. Comentarios y recomendaciones: Se evalúa si lo expresado es pertinente en relación con lo mostrado en el documento 9. Referencias: Se evalúa la calidad de las fuentes de referencia elegidas por los autores, la adecuada remisión a las mismas y el reconocimiento de la autoría de todo material que se use y consulte para elaborar o reforzar el documento.