1a.- unidad optoelectrónica

8/17/2019 1a.- Unidad Optoelectrónica

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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABA OPTOELECTRÓNICA

Ing. Miguel Santamaría M Página No. 1

TRANSDUCTORES OPTOELECTRÓNICOS.

Introducción.

LA NATURALEZA DE LA LUZ. (ENERGÍA RADIANTE).

La investigación sobre las propiedades de la energía radiante electromagnética, revela a unadualidad esencial para la comprensión de su naturaleza. En algunos aspectos, las propiedades de la luzson las de una onda, mientras que en otros es evidente que la radiación consiste en una serie de

pequeños paquetes de energía (fotones). Generalmente es necesario recurrir al concepto de fotón en etratamiento riguroso de las interacciones de la radicación con la materia, si bien la imagen de onda puedeusarse para dar resultados aproximadamente correctos, cuando están involucrados grandes cantidadesde fotones.

La energía radiante puede describirse en términos de un número de propiedades o parámetros. Lafrecuencia v es el número de oscilaciones por segundo descritas por una onda electromagnética; la

unidad habitual de la frecuencia es el Hertz (1 Hz = 1 ciclo por segundo).

La velocidad c de propagación es aproximadamente de 2.9979 X 10 8 m.s para una radiación que viaja através del vacío, y tiene un valor un poco menor en el trayecto a través de un medio transparente.

La longitud de onda, λ es la distancia entre dos crestas adyacentes en una onda de un haz de radiación.Está dada por la relación entre la velocidad y la frecuencia. Las unidades de longitud de onda son: elmicrómetro (1 μm = 10 -8 m, antiguamente llamado micra, μ). El Angstrom (1Å = 10 -10 m) es ampliamenteusado en espectroscopia. Otra unidad que frecuentemente usar es el número de onda ṽ , o sea el númerode ondas por centímetro. * La unidad es el recíproco del centímetro (cm -1 ), algunas veces llamada kaiser.La velocidad, la longitud de onda, la frecuencia y el número de onda, están relacionados en la siguienteexpresión:

cv = ----- c ṽ

λ

*Afortunadamente el símbolo ṽ ha sido escogido para indicar el número de onda, ya que se presta a confusión con el v usado para la

frecuencia; efectivamente, en algunas áreas de la física estos símbolos se usan exactamente en sentido opuesto. Expresiones t ales

como “una frecuencia de 1 600 números de onda”, que se encuentran frecuentemente en la literatura, no s on correctas. La

frecuencia puede ser proporcional al número de onda, pero no puede ser igual a él, ya que las dimensiones son diferentes. Además,

un número de onda no es una unidad, de modo que “1 600 números de onda” es como si quisiéramos describir a esta hoja como “6

distancias de amplitud”.





El contenido de energía E de un fotón es directamente proporcional a la frecuencia:

hcE = hv = ------ = hc ṽ

λ

en donde h es la constante de Planck, cuyo valor es muy cercano a 6.6256 X 10 -34 J. s. Por lo tanto hayuna relación inversa entre el contenido de energía y la longitud de onda, y una relación directa entre laenergía y la frecuencia o número de onda. Debido a esta razón, se acepta cada vez más la presentaciónde un espectro en términos de frecuencia o número de onda en lugar de longitud de onda.

Con las radiaciones nucleares y los rayos X en particular, es conveniente caracterizar a laradiación por el contenido de energía de sus fotones en electrones volt (eV); 1 eV = 1.6020 X 10 -19 J

correspondiente a la frecuencia v = 2.4186 X 10 14 Hz o a la longitud λ = 1.2395 X 10 -6 m (en el vacío)Frecuentemente se encuentran en la literatura múltiplos tales como el kiloelectrón volt (keV) y emegaelectrón volt (meV).

Un haz de radiación transporta energía, la cual es emitida por una fuente y propagada a través deun medio o serie de medios a un receptor en donde se absorbe. En su trayectoria desde la fuente hastael último absorbente, el haz puede ser absorbido parcialmente por el medio que atraviesa, puede cambiarsu dirección a causa de la reflexión, refracción o difracción, o puede polarizarse parcial o totalmente.Debido a que potencia es energía por unidad de tiempo, normalmente es necesario referirse a lapotencia r adiante del haz, cantidad que con frecuencia se relaciona en una forma imprecisa con el

término intensidad. Más correctamente, la intensidad se refiere a la potencia emitida por una fuente porunidad de un ángulo sólido en una dirección particular. Una celda fotoeléctrica da una respuestarelacionada a la potencia total incidente en su superficie sensible. Por otro lado, una placa fotográficaintegra la potencia sobre el tiempo de la exposición sobre el rayo, y por lo tanto su respuesta (el depósito

de plata) es una función de la energía incidente total (más bien que de la potencia) por unidad de área.Tanto en las celdas fotoeléctricas como en las placas fotográficas, así como en el ojo humano, lasensibilidad es una función más o menos complicada de la longitud de onda.

.

Convencionalmente el espectro de la energía radiante se divide en varias regiones, tal comose muestra en la figura No. 1. Los límites de estas regiones están determinados por los límites

prácticos de métodos experimentales apropiados, de producción y detección de radiaciones. Losnúmeros de la figura no son significativos por sí mismos, sino que deben considerarse solamente

como fronteras imprecisas.La diferenciación de las regiones espectrales tiene un significado adicional que se refiere a lasinteracciones de las radiaciones con los sistemas químicos que siguen diferentes mecanismos y

proveen





Fig. No.1.- Espectro electromagnético.





PROPIEDADES ONDULATORIAS DE LA RAD IACIÓN ELECTROMAGNÉTICA .

Para muchos fines, la radiación electromagnética se presenta como un campo eléctrico y otromagnético que están en fase, con oscilaciones sinusoidales en ángulo recto de uno respecto a otro yrespecto a la dirección de la propagación. La figura No.2 a) es una representación de este tipo para

un rayo individual de una radiación electromagnética polarizada en el plano. Polarizada en el planosignifica que todas las oscilaciones tanto del campo eléctrico como del campo magnético están en unsolo plano.

La figura 2 b) es una representación bidimensional de la componente eléctrica del rayo de lafigura 2 a). En esta figura, el campo eléctrico se representa como un vector cuya longitud es

proporcional a la fuerza del campo. La abscisa de esta representación gráfica puede ser el tiempo,cuando la radiación atraviesa un punto fijo del espacio, o la distancia, cuando el tiempo se mantieneconstante. Para este análisis sólo se considerará la componente eléctrica de la radiación, ya que elcampo eléctrico es el responsable de la mayoría de los fenómenos que interesan, como la

transmisión, la reflexión, la refracción y la absorción.

Fig. No. 2.- Propagación de la luz, a) polarización de la luz. b).-Longitud de onda.

Sin embargo, cabe señalar que la componente magnética de la radiación electromagnética esla responsable de la absorción de las ondas de radiofrecuencia en la espectroscopia de resonanciamagnética nuclear.





PARÁMETROS ONDULATORIOS.

En la figura 2 b), se muestra la amplitud A de una onda sinusoidal como la longitud del vectoreléctrico en el máximo de la onda. El tiempo, en segundos, necesario para el paso de sucesivosmáximos o mínimos por un punto fijo en el espacio se denomina período de la radiación, p . la

frecuencia, v , es el número de oscilaciones del campo por segundo y es igual a 1/p. Otro parámetrode interés es la longitud de onda, λ, que es la distancia lineal entre dos puntos equivalentes de ondasucesivas (por ejemplo, máximos o mínimos sucesivos). La multiplicación de la frecuencia en ciclos

por segundo por la longitud de onda en metros por ciclo da la velocidad de propagación Vi en metros por segundo:

ESPECTRO DE ABSORCIÓN.

El espectro de absorción de una material muestra la fracción de la radiación electromagnéticaincidente que un material absorbe dentro de un rango de frecuencias. Es, en cierto sentido, elopuesto de un espectro de emisión. Cada elemento químico posee líneas de absorción en algunaslongitudes de onda, hecho que está asociado a las diferencias de energía de sus distintos orbitalesatómicos. De hecho, se emplea el espectro de absorción para identificar los elementos componentesde algunas muestras, como líquidos y gases; más allá, se puede emplear para determinar laestructura de compuestos orgánicos. Un ejemplo de las implicaciones de un espectro de absorciónes que aquel objeto que lo haga con los colores azul, verde y amarillo aparecerá de color rojocuando incida sobre él luz blanca.El espectro de emisión atómica de un elemento es un conjunto de frecuencias de las ondaselectromagnéticas emitidas por átomos de ese elemento, cuando se le comunica energía. Elespectro de emisión de cada elemento es único y puede ser usado para determinar si ese elementoes parte de un compuesto desconocido.

COLOR.-

El color es una percepción visual que se genera en el cerebro al interpretar las señalesnerviosas que le envían los fotorreceptores de la retina del ojo y que a su vez interpretan y distinguenlas distintas longitudes de onda que captan de la parte visible del espectro electromagnético.Es un fenómeno físico-químico asociado a las innumerables combinaciones de la luz, relacionadocon las diferentes longitudes de onda en la zona visible del espectro electromagnético, que percibenlas personas y animales a través de los órganos de la visión, como una sensación que nos permitediferenciar los objetos con mayor precisión.

Todo cuerpo iluminado absorbe una parte de las ondas electromagnéticas y refleja lasrestantes. Las ondas reflejadas son captadas por el ojo e interpretadas en el cerebro como coloressegún las longitudes de ondas correspondientes. El ojo humano sólo percibe las longitudes de ondacuando la iluminación es abundante. A diferentes longitudes de onda captadas en el ojocorresponden distintos colores en el cerebro.





Con poca luz se ve en blanco y negro. En la denominada síntesis aditiva (comúnmentellamada "superposición de colores luz") el color blanco resulta de la superposición de todos loscolores, mientras que el negro es la ausencia de color. En la síntesis sustractiva (mezcla de pinturas,tintes, tintas y colorantes naturales para crear colores) el blanco solo se da bajo la ausencia de

pigmentos y utilizando un soporte de ese color y el negro es resultado de la superposición de los colorescian, magenta y amarillo.

La luz blanca puede ser descompuesta en todos los colores (espectro) por medio de un prisma.En la naturaleza esta descomposición da lugar al arco iris.

BIRREFRINGENCIA.

La birrefr ingencia o doble refracción es una propiedad de ciertos cuerpos, especialmente eespato de Islandia, de desdoblar un rayo de luz incidente en dos rayos linealmente polarizados de

manera perpendicular entre sí como si el material tuviera dos índices de refracción distintos.

La primera de las dos direcciones sigue las leyes normales de la refracción y se llama rayoordinario; la otra tiene una velocidad y un índice de refracción variables y se llama rayoextraordinario. Ambas ondas están polarizadas perpendicularmente entre sí. Este fenómeno sólo

puede ocurrir si la estructura del material es anisótropa. Si el material tiene un solo eje deanisotropía, (es decir es uniaxial), la birrefringencia puede describirse asignando dos índices derefracción diferentes al material para las distintas polarizaciones.

La birrefringencia está cuantificada por la relación:

∆= ne – n0

donde ne y no son los índices de refracción para las polarizaciones perpendicular (rayo ordinario) y paralela al eje de anisotropía (rayo extraordinario), respectivamente.

La birrefringencia puede también aparecer en materiales magnéticos, pero las variacionessustanciales en la permeabilidad magnética de materiales son raras a las frecuencias ópticas.

Dentro de los diferentes materiales birrefringentes, el papel de celofán es un materialbirrefringente común.

En materiales biológicos, indica una ordenación de las moléculas, por ejemplo orientadosentre sí, como sucede en un cristal.

Los materiales usados en los cristales líquidos como en los Displays de Cristal Líquido (LCD)son también materiales birrefringentes.





Fig. No.3.- Efecto óptico de la luz al pasar por un material birrefringente.

La ref lexión en las su perf ic ies: c olores su stract ivos

Cuando la luz incide sobre un objeto, su superficie absorbe ciertas longitudes de onda y reflejaotras. Sólo las longitudes de onda reflejadas podrán ser vistas por el ojo y por tanto en el cerebro

sólo se percibirán esos colores. Es un proceso diferente a luz natural que tiene todas las longitudesde onda, allí todo el proceso nada más tiene que ver con luz, ahora en los colores que percibimos enun objeto hay que tener en cuenta también el objeto en sí, que tiene capacidad de absorber ciertaslongitudes de onda y reflejar las demás, a este fenómeno le llamamos Espectro de absorción .

Consideremos una manzana "roja". Cuando es vista bajo una luz blanca, parece roja. Peroesto no significa que emita luz roja, que sería el caso una síntesis aditiva. Si lo hiciese, seríamoscapaces de verla en la oscuridad. En lugar de eso, absorbe algunas de las longitudes de onda quecomponen la luz blanca, reflejando sólo aquellas que el humano ve como rojas. Los humanos ven lamanzana roja debido al funcionamiento particular de su ojo y a la interpretación que hace el cerebro

de la información que le llega del ojo.





Fig. No. 4.- La naturaleza del color, longitudes onda y reflexión de las mismas.





POLARIZACIÓN Y ACTIVIDAD ÓPTICA.

Otra propiedad que a veces muestra la materia es la capacidad para polarizar la luz. Un haz

de radiación puede considerarse como un conjunto de ondas con movimientos vibratorios,distribuidas sobre una familia de planos, los cuales incluyen la línea de propagación. La figura 5 (a)muestra un corte transversal de un rayo que avanza en una dirección perpendicular al plano de estahoja de papel. Si este rayo de luz pasa por un polarizador, cada onda del conjunto por separado,

por ejemplo, la que vibra en el vector AOA`, Figura 5 (b), se descompone en sus componentes BOBy COC´ en las direcciones de los ejes ortogonales x y y característicos del polarizador. El materia

polarizante tiene la propiedad de eliminar una de estas vibraciones componentes (por ejemplo laCOC´) y de dejar pasar a la otra (BOB´). Por lo tanto, el rayo resultante está constituido solamente

por el haz que vibra en un solo plano, figura 5 (c), por lo que se dice que esta luz está polarizada.

Fig. No. 5.- Vibración de vectores de una radiación electromagnética ordinaria y en un plano-polarizado.

Si se coloca un segundo material polarizante (denominado ANALIZADOR) dejará pasarsolamente a aquel componente de la luz que esté vibrando paralelamente a su eje. Como el rayo de

luz ya está polarizado, esencialmente el segundo polarizador permitirá pasar toda la radiación en unasola posición; pero si se gira el analizador 90° se reducirá a cero la intensidad transmitida. Esto seilustra en la Figura No. 6, la radiación de una fuente luminosa, por ejemplo, de una lámparaincandescente, se hace pasar a través del primer polarizador que tiene su eje orientadoverticalmente, lo que permite que únicamente pase la luz que está vibrando verticalmente, si acontinuación se pone un segundo material polarizante con su eje orientado horizontalmente, dacomo resultado que el paso de la luz se reduce a cero. Si el analizador es girado en su propio plano,la potencia de radiación transmitida varia como el seno del ángulo.





La polarización tiene importancia en el análisis químico, debido a la capacidad que poseenalgunos cristales y líquidos para rotar el plano de la luz polarizada que pasa a través de ellos. Esta

propiedad se conoce como act iv idad ópt ica . Su variación con la longitud de onda se llama

dispers ión ópt ica rotator ia , y está relacionada con las regiones de absorción, en una forma similara la dispersión refractiva.

Algunos materiales cristalinos transparentes muestran un fenómeno que se conoce comorefracción do ble o b irrefr ingencia , que se hace evidente por el hecho de que un rayo de luz que

pasa por un cristal se divide en dos rayos de igual potencia que divergen uno del otro en un pequeñoángulo. En este caso se encuentra que los dos rayos están polarizados en un plano formandoángulos rectos uno con respecto al otro. Este efecto es de gran valor en la identificación y en elestudio de cristales.

Varios dispositivos ópticos pueden servir como polarizadores. Un tipo consiste en un par de

prismas de un cristal birrefringente como el cuarzo o la calcita, cortados con una referencia particulara los ejes ópticos. Cada prisma dual es capaz de descomponer un haz de radiación no polarizada enlos componentes x y

Fig. No.- 6.- Efecto de la polarización de la luz





Fig. No.7.- Efecto de los planos polarizantes.





FUENTES DE RADIACIÓN LUMINOSA .

Desde un punto de vista puramente físico es conveniente clasificar a las fuentes luminosas

según produzcan un espectro continuo o uno discontinuo.

Las fuentes continuas (a veces llamadas fuentes blancas) emiten radiaciones sobre unabanda amplia de longitudes de onda (λ). Se utilizan en el estudio de espectros de absorción y comoiluminantes en campos como el de la microscopía y la turbidimetría.

Las fuentes más conocidas de radiación continua son las incandescentes. Cualquier sustanciaemite radiaciones a una temperatura mayor que el cero absoluto. La teoría de esta emisión térmicase ha trabajado concienzudamente en términos de un emisor ideal llamado cuerpo negro.

También puede obtenerse un espectro continuo con una descarga eléctrica en un gas (luz no

incandescente) sujeto a una presión relativamente alta. En un gas la descarga produce un espectrode líneas típico. A presiones bajas, cada línea se acerca a una sola longitud de onda, pero alaumentar la presión, las líneas se ensanchan proporcionalmente, hasta el punto de que a presioneslo suficientemente altas las líneas vecinas se juntan, resultando un espectro continuo.

Los electrones están continuamente cayendo desde diferentes distancias “infinitas” hastacualquiera de los niveles energéticos atómicos o moleculares, originando un espectro continuo conun límite definido hacia longitudes de onda mayores y con una superposición considerable de laestructura fina.

Un LASER es una fuente de radiación monocromática principalmente disponible principalmente en las regiones del visible y del infrarrojo. Un LASER (del inglés LASER: Ligh Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificación de Luz por emisión Estimulada deRadiación) es un dispositivo que utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida oestimulada, para generar un haz de luz coherente de un medio adecuado y con el tamaño, la forma yla pureza controlados.

Los láseres pueden hacerse con otros muchos materiales activos. La luz de un rayo lásertiene varias propiedades únicas. Es altamente monoc romática. La luz emitida es coherente, lo quesignifica que las ondas originadas por todos los átomos o moléculas de la sustancia emisora están

en fase entre todas ellas (lo que no ocurre en las fuentes de luz convencionales).





Fig. No.8.- Estructura atómica de un metal (clavo)

Fig. No. 9.- Si a un átomo se le aplica algún tipo de energía, puede ser: calorífica, térmica omagnética, los electrones de las capas inferiores pueden ascender a las capas superiores.





Fig. No.10.- Si se continúa incrementando la energía aplicada al átomo, los electrones orbitales

pueden ascender a las capas superiores e inclusive se pueden desprender del átomo.

Fig. No 11.- Al dejar de aplicarle energía a los átomos, lo electrones se reintegran al átomo,devolviendo la energía ganada en forma de fotones, los cuales salen a diferentes longitudes deonda.





CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES DE LUZ . (TRANSDUCTORES)

Un t ransductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía

de entrada, en otra diferente a la salida.

El nombre del transductor ya nos indica cual es la transformación que realiza (por ejemplo,

transductor electromecánico, transforma una señal eléctrica en mecánica o viceversa). Es un

dispositivo usado principalmente en la industria, en la medicina interna, en la agricultura, en robótica

en aeronáutica, etc., para obtener la información de entornos físicos y químicos y conseguir (a partir

de esta información) señales o impulsos eléctricos o viceversa. Los transductores siempre consumen

cierta cantidad de energía por lo que la señal medida resulta atenuada.

Tipos de transductores:

1.- Transductor electro acústico

2.- Transductor electromagnético

3.- Transductor electromecánico

4.- Transductor electroquímico

5.- Transductor electrostático

6.- Trans du cto r fot oeléctr ico

7.- Transductor magnetorestrictivo

8.- Transductor piezoeléctrico9.- Transductor radioacústico

10.- Transductor termoeléctrico

Por ejemplo, un micrófono es un transductor electro acústico que convierte la energía acústica

(vibraciones sonoras: oscilaciones en la presión del aire) en energía eléctrica (variación de

voltaje)

Un ventilador es un transductor que convierte la energía eléctrica en energía mecánica,

(movimiento de las aspas del ventilador)

Los teclados comunes que transforman el impulso de los dedos sobre las membranas de las

teclas y estas generan el código de la tecla presionada.

https://es.wikipedia.org/wiki/Rob%C3%B3tica


https://es.wikipedia.org/wiki/Transductor_electroac%C3%BAstico


https://es.wikipedia.org/wiki/Transductor_electromagn%C3%A9tico


https://es.wikipedia.org/wiki/Transductor_electromec%C3%A1nico


https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Transductor_electroqu%C3%ADmico&action=edit&redlink=1


https://es.wikipedia.org/wiki/Transductor_electrost%C3%A1tico



https://es.wikipedia.org/wiki/Transductor_fotoel%C3%A9ctrico


https://es.wikipedia.org/wiki/Transductor_magnetoestrictivo


https://es.wikipedia.org/wiki/Transductor_piezoel%C3%A9ctrico


https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Transductor_radioac%C3%BAstico&action=edit&redlink=1


https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Transductor_termoel%C3%A9ctrico&action=edit&redlink=1

















Una cámara digital es un transductor fotoeléctrico que convierte la energía lumínica

transportada por los fotones en corriente eléctrica.

La pantalla de una computadora es también un transductor fotoeléctrico, aunque inverso al

anterior. Esta transforma la corriente eléctrica en energía lumínica a través de una matriz de puntosluminosos independientes (pixeles).

El termopar , que convierte la energía térmica en energía eléctrica mediante la unión de dos

alambres de distintos materiales, es un transductor termoeléctrico.

Fig. No.12.- Ejemplos de diferentes transductores.





De todos estos transductores, los que más nos interesan son los de tipo fotoeléctrico, los cualeslos podemos a su vez subclasifican en:

a).- Transdu ctores fotor resistivos. b).- Transdu ctores fotovol ta icos.

c).- Transductores fotoemisores.

Transdu ctores fotor resist ivos.

Dentro de este tipo de transductores uno de los más usuales son las llamadas fotorresistencias,las cuales tienen múltiples aplicaciones en la optoelectrónica.

La fotorresistencia o LDR (Light Dependent Resistor) o resistencia dependiente de la luz otambién fotocélula, es una resistencia que varía su resistencia óhmica en función de la luz que incidesobre su superficie. Cuanto mayor sea la intensidad de la luz que incide en la superficie de la LDRmenor será su resistencia y cuanta menos luz incida mayor será su resistencia.

Fig. No.13.- Fotografía y simbología usada para una fotorresistencia.

Material de Fabricación

Los materiales fotosensibles más utilizados para la fabricación de las resistencias LDR son, esulfuro de talio, el sulfuro de cadmio, el sulfuro de plomo, y el seleniuro de cadmio.





Funcionamiento

Cuando la LDR no está expuesta a radiaciones luminosas los electrones están firmementeunidos en los átomos que la conforman, pero cuando sobre ella inciden radiaciones luminosas estaenergía libera electrones con lo cual el material se hace más conductor, y de esta manera disminuye

su resistencia.Las resistencias LDR solamente reducen su resistencia con una radiación luminosa situada

dentro de una determinada banda de longitudes de onda. Las construidas con sulfuro de cadmio sonsensibles a todas las radiaciones luminosas visibles, las construidas con sulfuro de plomo solamenteson sensibles a las radiaciones infrarrojas.

Valor Ohmico

Si medimos entre sus extremos nos encontraremos que pueden llegar a medir en la oscuridadvalores cercanos al MegaOhm (1MΩ) y expuestas a la luz mediremos valores en el entorno de los100 Ω.

Fig. No.-14.- Curva de respuesta de una fotorresistencia.





Tiemp o de respuesta

El tiempo de respuesta típico de un LDR está en el orden de la décima de segundo.

Apl icaciones

Se emplean en iluminación, apagado y encendido de alumbrado (interruptores crepusculares),en alarmas, en cámaras fotográficas, en medidores de luz. Las de la gama infrarroja en control demáquinas y procesos de conteo y detección de objetos.

Ejemp lo de apl icacion de una fotorresistencias en un c ircui to.

Circu ito qu e accio na un relédu rante un cierto tiem po c uand o una person a o algún

objeto en mo vimiento se aproxim an a un sensor de luz (LDR) o foto-celda de sul furo decadmio.

http://electronica-electronics.com/Alarmas/Sensor_proximidad.html











EL FOTODIODO.-

Un fo tod iodo es un semiconductor construido con una unión P N , sensible a la incidencia dela luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con loque se producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz. Debido a su

construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, iluminados enausencia de una fuente exterior de energía generan una corriente muy pequeña con el positivo en elánodo y el negativo en el cátodo.

Recordando que la luz está formada por paquetes discretos de energía llamados fotones

estos poseen un nivel de energía directamente relacionado con la frecuencia de la onda de luz segúnlo determina la siguiente ecuación:

W = Ҡ f en joules.

d onde Ҡ es la constante de Planck y es igual a 6.624 x 10 -34 joules-segundo. Claramente estableceque dado que Ҡ es una constante, la energía asociada con las ondas de luz incidentales seencuentra directamente relacionada con la frecuencia de la onda.

La frecuencia a su vez, se encuentra directamente relacionada con la longitud de onda (la

distancia entre los picos sucesivos) de la onda mediante la siguiente ecuación:

=

donde λ = longitud de la onda.

v = velocidad de la luz. 3 x 10 8 m/s

f

= frecuencia de la onda en hertz

La longitud de la onda por lo general se mide en unidades angstrom (Å) o en micrómetros (µm)donde:

1 Å = 10 -10 m y 1 µm = 10 -6 m

https://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor

https://es.wikipedia.org/wiki/Uni%C3%B3n_PN




https://es.wikipedia.org/wiki/Luz_visible

https://es.wikipedia.org/wiki/Infrarrojo

https://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_fotovoltaica

https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81nodo

https://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1todo

https://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1todo

https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81nodo

https://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_fotovoltaica

https://es.wikipedia.org/wiki/Infrarrojo

https://es.wikipedia.org/wiki/Luz_visible


https://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor





La longitud de la onda ( λ ) es importante porque determina el material que se utilizará en e

dispositivo opto electrónico. La respuesta espectral relativa del Ge, Si y selenio se señala en lasiguiente gráfica. El espectro de luz visible se ha incluido también junto con una indicación de lalongitud de onda asociada con los distintos colores.

Fig. No.15.- Respuesta espectral relativa para el Si, Ge y Selenio en comparación con el ojohumano.

El fotodiodo es un dispositivo semiconductor de unión p – n cuya región de operación se limita ala región de polarización inversa. El arreglo básico de polarización, la construcción y el símbolo deeste dispositivo se muestran en las siguientes figuras.





Fig. No. 16.- Fotodiodo, arreglo básico de polarización, construcción, símbolo y fotografía.

El número de electrones generado en cada material es proporcional a la intensidad de luzincidente. La intensidad luminosa es una medida de la cantidad de lujo luminoso que incide sobre elárea de una superficie particular. El flujo luminoso, por lo general se mide en lúmenes (lm) o watts.Las dos unidades se encuentran relacionadas mediante:

1 lm = 1.496 x 10 -10 W

La intensidad luminosa normalmente se mide en lm/ft 2 , pies candela (fc) o W/m2 , donde

1 lm/ft 2 = 1 fc = 1.609 x 10 -9 W/m2

Dado que los cambios de estado entre conducción y no conducción (los parámetros de cambio

de estado) son muy pequeños en el fotodiodo (en el rango de los nanosegundos), el dispositivo puede emplearse para aplicaciones de conteo o conmutación de alta velocidad. De acuerdo con lasgráficas de la figura No.15.- Observamos que el Ge abarca un espectro más amplio de longitudesde onda que el Si. Esto lo vuelve adecuado para que el tipo de luz incidente sea en la regióninfrarroja que proporcionan las fuentes luminosas de láser e IR (infrarrojas). Por supuesto, el Getiene mayor corriente de obscuridad que el silicio, pero también tiene un mayor nivel de corrienteinversa. El nivel de corriente generado por la luz incidente sobre un fotodiodo es talque no es posibleutilizarla como un control directo, pero puede amplificarse para este propósito.





Apl icaciones del fotodiodo.

Dentro de las múltiples aplicaciones del fotodiodo están las de circuitos contadores de alta

velocidad, detectores de luz, acopladores ópticos, detectores de posición, alarmas tanto de intrusoscomo de seguridad, controles remotos. Etc.

Fig. No.-16.- Algunos circuitos de aplicaciones del fotodiodo.





FOTOTRANSISTOR

Un fototransistor es similar a un transistor BJT excepto porque la corriente en la base es

producida y controlada por la luz en lugar de por una fuente de voltaje. El fototransistorefectivamente convierte la energía luminosa en una señal eléctrica.

Los fototransistores combinan en un mismo dispositivo la detección de luz y la amplificación(ganancia). Su construcción es similar a la de los transistores convencionales, excepto que lasuperficie superior de la base se expone a la luz a través de una ventana o lente como se muestraen la Figura No. 17.-

Fig. No.17.- Estructura interna de un fototransistor, símbolo y fotografía.

Puede pensarse que la combinación de detección de luz y la función de amplificación en unsolo dispositivo, es ya el sensor perfecto, pero esto no es cierto en muchas aplicaciones. Primero, es

importante tener en cuenta que en el fototransistor la corriente oscura (I cbo ) también se multiplica por β, como la fotocorriente de base. Una buena prueba de este hecho es una comparación de lairradiancia, cuando I luz = I oscura para varios fotodetectores. La respuesta en frecuencia de losfototransistores es menor que la de la combinación fotodiodo-amplificador. Esto es debido a la grancapacidad base-colector del fototransistor que toma una carga elevada que sólo puede descargarse

por la corriente oscura, relativamente baja. El problema de la linealidad y muchas otras limitacionesdel fototransistor, se deben a la variación de β con el nivel de corriente y la temperatura.





Un fototransistor puede ser un dispositivo de dos o de tres terminales de conexión. En laconfiguración de tres terminales de conexión, la terminal de conexión en la base queda fuera, demodo que el dispositivo puede ser utilizado como un BJT convencional con o sin la característica de

sensibilidad a la luz adicional. En la configuración de dos terminales de conexión, la base no estáeléctricamente disponible y el dispositivo puede ser utilizado sólo con luz como la entrada deactivación. En muchas aplicaciones, el fototransistor se utiliza en la versión de dos terminales deconexión.

La figura No.18.- Muestra un fototransistor con un circuito de polarización y curvascaracterísticas de colector típicas. Observe que cada curva individual en la gráfica corresponde a uncierto valor de intensidad de luz (en este caso, las unidades son mW/cm2 y que la corriente en ecolector se incrementa con la intensidad de luz.

Fig. No.18.- Circuito fototransistor y curvas características típicas del colector.





Los fototransistores no son sensibles a todo el espectro de luz sino sólo a la luz dentro de uncierto intervalo de longitudes de onda. Son más sensibles a longitudes de onda particulares en la

parte roja e infrarroja del espectro, como lo muestra la cresta de la curva de respuesta espectra

infrarroja de la siguiente figura.

Fig. No. 19.- Respuesta espectral típica de un fototransistor

APL ICACIONES DEL FOTOTRANSISTOR.

Se utilizan fototransistores en una amplia variedad de aplicaciones. En la Figura No. 20. (a), semuestra un circuito de un relevador operado por luz. El fototransistor Q1 excita al BJT Q2 . Cuandoexista suficiente luz incidente sobre Q1, el transistor Q2 es llevado a la saturación y la corriente en e

colector que circula a través de la bobina del relevador energiza a éste. El diodo en paralelo con labobina del relevador e inversamente polarizado impide, por su acción limitante, que ocurra un grantransitorio de voltaje en el colector de Q2 cuando el transistor se apaga.

La figura No.20 (b) Muestra un circuito en el cual un relevador es desactivado por la luzincidente sobre el fototransistor. Cuando la luz es insuficiente, el transistor Q 2 se polariza y mantieneal relevador energizado. Cuando la luz es suficiente, el fototransistor Q1 se activa; esto lleva a labase de Q2 a un nivel bajo y Q2 se desenergiza y por lo tanto desenergiza al relevador.





Fig. No.- 20.- Aplicación del fototransistor para controlar un relevador.





F O T O T I R I S T O R E S.

Antes de analizar a los fototiristores, es conveniente recordar que los tiristores

son los dispositivos electrónicos que manejan la mayor potencia en la electrónica, yque existen diferentes tipos, dependiendo de la aplicación específica en que se van aemplear.

A la familia de los tiristores pertenecen: EL DIAC, EL RECTIFICADORCONTROLADO DE SILICIO (SCR), EL TRIAC, EL CUADRAC, etc. La siguiente figuraes una representación tanto del símbolo como de la imagen de los tiristores másutilizados en la electrónica de potencia.

Fig. No. 21.- Símbolo y fotografía de un DIAC, SCR, TRIAC Y QUADRAC respectivamente.





Se debe hacer mención que los tiristores son tema de la materia de electrónica de potencia endonde se analizan con toda amplitud, tanto en cuanto a su construcción como en su aplicación en elmanejo de altas corrientes usadas en el control industrial de potencia. También se debe recordar que

este tipo de dispositivos se denominan también dispositivos de cuatro capas, debido a que enconstrucción se utilizan varias capas tipo N como varias capas tipo P como se muestra en lassiguientes imágenes.

Fig. No. 22.- Dispositivos electrónicos de dos y tres capas.





Fig. No.22.- Tiristores o dispositivos de cuatro capas.





ACCION DE LA LUZ SOBRE EL TIRISTOR

Si se permite que la luz llegue a las junturas del tiristor en donde se coloca la terminal decompuerta, aumentarán los portadores minoritarios electrón-huecos, aumentando la corriente de lacompuerta, hasta provocar la activación del tiristor. Este mecanismo se utiliza para activar tiristoresque trabajan en convertidores para alta tensión, utilizando fibras ópticas para su activación yaislamiento eléctrico del circuito generador de los pulsos de disparo, a los tiristores rectificadorescontrolados de silicio y activados por luz se les acostumbra representar por las iniciales LASCR.

Fig. No.23.- Representación del símbolo de un LASCR, representación de las cuatro capas y vista

interna de su estructura.





Fig. No.24.- Fotografías de fototiristores de mediana potencia.





DIODO EMISOR DE LUZ (LED)

Podemos decir que hasta el fototiristor se consideran elementos receptores de luz, a partir del

LED comenzamos a ver a los emisores de luz, a ambos los consideramos transductores.En años recientes se han hecho accesibles una familia de dispositivos semiconductores

capaces de emitir luz tanto visible como infrarroja. La emisión de luz mediante semiconductores fuedescubierta por primera vez en 1907 por H J Round, pero no fue sino hasta 1960 cuando se pudohacer eficiente la generación de luz mediante semiconductores.

El material que hizo posible la generación de luz de una manera eficiente es el Arseniuro deGalio (GaAs). Al igual que el Germanio, el Silicio y ciertos otros materiales, el Arseniuro de Galio esun semiconductor y por lo tanto posee la propiedad de conducción electrónica intermedia entre losconductores y los aislantes, pero el GaAs tiene una propiedad única y es su alta eficiencia paraconvertir una corriente eléctrica directamente en luz.

Realmente todos los dispositivos semiconductores poseen alguna habilidad para convertir unflujo de corriente en luz visible o infrarroja.

La unión de materiales tipo N y tipo P no es siempre necesaria, pero la mejor eficiencia en lageneración de luz ocurre en la interface de las uniones P y N, un diodo ordinario se Silicio oGermanio producirán una pequeña cantidad de luz infrarroja cuando es atravesado por la corrientede polarización.

Un ejemplo de diodo común el cual es capaz de producir luz más eficientemente que otros,cuando es polarizado correctamente es el 1N3070, este diodo común de Silicio brillará cuando seaatravesado por una corriente de 100 mA, esta luz se puede ver mediante un convertidor de luzinfrarroja, como se puede ver la siguiente figura.

Fig. No.25.- Radiación por recombinación de un diodo común de Silicio.





Para la mayoría de los propósitos prácticos, el Silicio y el Germanio NO son los más adecuados para la generación visible o infrarroja. La radiación que estos generan es muy ineficiente y ademáses acompañada por una cantidad considerable de calor, a diferencia el Arseniuro de Galio genera luz

con una muy alta eficiencia, la razón para esta eficiencia es explicada mediante la emisión de luz porlos semiconductores;

El más pequeño constituyente de un elemento es el átomo, como se muestra en la Fig. No.26.-los átomos contienen una variedad de partículas subatómicas, para nuestro propósito lo másimportante es el electrón, mientras que en la Fig. No.26- muestra al electrón como una partículafinita, es más correcto pensar en un electrón como una carga negativa rodeando al núcleo como unanube alrededor de él. La Fig. No.26.- muéstralos electrones orbitales del átomo de neón, ocupandodiferentes niveles discretos de energía. Todos los átomos siguen esta pauta y aquellos átomos conmás cantidad de electrones que el átomo de Neón tienen mayores niveles de energía.

Fig. No.26.- Átomo de Neón.

El nivel más exterior es llamado la banda de valencia , y el número de electrones que estacontenga determinan la estabilidad del átomo, en todos los átomos excepto el del Hidrógeno, labanda de valencia debe tener completa su estructura con 8 electrones para tener el más alto gradode estabilidad.

Los átomos con la banda de valencia completa son muy estables y son llamados gases nobles,(Helio, Neón, Argón, Kriptón, Xenón y Radón) son inertes y todos los otros elementos tienen lugaresvacantes en su banda de valencia. La habilidad de un elemento para conducir electricidad estádirectamente relacionada con el número de electrones en la banda de valencia.

Elementos que contienen de uno a tres electrones en la banda de valencia, son químicamenteactivos y buenos conductores de la electricidad, pero elementos con seis u ocho electrones en labanda de valencia son inactivos y pobres conductores de la electricidad.





Fig. No.27.- Estructura de átomos buenos conductores de la electricidad.

Fig. No.28.- Estructura de átomos pobres conductores de la electricidad.

Una vez vista la estructura básica del átomo, vamos a describir como un átomo emite luz. Unátomo puede absorber energía externa tal como calor, luz, rayos X o rayos Gamma, el átomocompensa esta entrada de energía originando que algunos de sus electrones de valencia se muevana niveles más altos de energía, este nuevo nivel es llamado banda de conducción y estánormalmente desocupada bajo circunstancias normales, el electrón no puede ocupar un sitio entre la

banda de valencia y la banda de conducción, por esta razón este espacio es llamado la región

prohibida.





Un átomo estimulado pude retener un electrón en la banda de conducción por un tiempo que vadesde nanosegundos a días, sin embargo, más tarde o más temprano, el átomo recobra su estadonormal cuando el electrón cae de regreso hacia la banda de valencia (algunas veces referido como

el estado aterrizado). Cuando esto ocurre el equilibrio energético es preservado y el electrónestimulado devuelve la energía absorbida en forma de luz o calor. La energía radiada es llamada

radiación por recombinación, debido a que el electrón ha ocupado un hueco en un nivel inferior,en este proceso emite radiación.

Fig. No.29.- Acción del átomo en la absorción de energía y emisión de luz porrecombinación.





Fig. No.30.- Emisión de fotones en una lámpara incandescente. (foco)

Fig. No.31.- Emisión termoiónica, dentro de la válvula electrónica. (Bulbo).





En el GaAs la radiación por recombinación es casi exclusivamente en el infrarrojo cercano, lafig. No. 32, muestra la relación desde el infrarrojo cercana hasta el espectro de luz visible y muestrala longitud de onda (λ) de varios LEDs comunes, el GaAs es una muy eficiente fuente de luz, en

efecto, en una preparación adecuada de GaAs casi todos los electrones estimulados producen unfotón en el infrarrojo cercano. La relación entre los fotones emitidos y los electrones regresantes, es

llamada eficiencia cuántica . Si por ejemplo, 8 de los 10 electrones regresantes estimulan laemisión de fotones, el semiconductor tiene una eficiencia cuántica del 80%.

Fig. No. 32.- Espectro electromagnético y composición química de los LEDs.

Mientras que un material como el GaAS puede tener una eficiencia cuántica cercana al 100%,la mayoría de la luz generada dentro del cristal de GaAs nunca emerge hacia la superficie, debido ados de los mecanismos de funcionamiento y son; la absorción dentro del cristal y la reflexión internade sus superficies. El bloqueo causado por los contactos eléctricos y el empaque de montaje deldiodo contribuyen también significativamente a la pérdida, por esta razón la eficiencia cuántica esusualmente expresada en términos de eficiencia interna y externa.





La Fig. No. 33.- Muestra el proceso de la emisión por recombinación en un eficiente generadorde luz, tal como GaAs una ineficiente fuente de luz tal como el Silicio o el Germanio. En el lado (A) latransición de un electrón excitado desde la banda de conducción hasta la banda de valencia ocurre

en una serie de pasos. Un fotón puede ser emitido únicamente en uno de esos pasos y parte de laenergía calorífica es devuelta a los otros electrones, en (B), la transición del electrón es directa y unfotón es emitido sin la emisión de calor.

Fig. No. 33.- Radiación por recombinación.

La longitud de onda (λ) de la luz emitida durante la recombinación, puede ser fácilmenterelacionada con la energía de durante la recombinación de la radiación, puede ser fácilmentecalculada, está directamente con la energía de separación entre la banda de valencia y la banda deconducción en electrones-voltios, la fórmula es:

λ =ℎ

donde:

h = es la constante de Planck (6.63 x 10 -34 Joules).

c = es la velocidad de la luz ( 3 x 10 14 micrómetros /segundo).

E = es la energía en Julios que separa la banda de valencia de la banda de conducción.





La ecuación anterior puede ser simplificada convirtiendo a electrones-voltios.

λ =

1237 ó

(ó−

Con una separación de banda prohibida de aproximadamente 1.34 electrón-voltios, el GaAsemitirá una radiación de 923 nanómetros de acuerdo con la ecuación anterior, esto es una longitudde onda de aproximadamente 905 nanómetros.

DIODOS EMISORES DE LUZ.

Un eficiente emisor de luz tal como el GaAs puede ser estimulado para emitir mediante un hazde electrones, una fuente brillante de luz, o la inyección de electrones. La inyección de electrones esun método simple y que está facilitando la fabricación de GaAs dentro de la unión P N de un diodoCuando el diodo es conectado a una fuente de corriente, los electrones son inyectados dentro de laregión N, para cruzar la barrera de potencial formada por la unión, los electrones inyectados sontransferidos a la banda de conducción como se muestra en la Fig. No.33- anterior. Cuando la uniónes cruzada, los electrones caen de nuevo a los huecos 8vacantes) en la banda de valencia y,durante el proceso devuelve su exceso de energía como una radiación de recombinación.

La radiación de recombinación en una unión del diodo de GaAs, es resumida en la Fig. No. 34 por medio de una gráfica llamada diagrama de nivel de energía.

Fig. No. 34.- Diagrama de nivel de energía de la unión NP





La banda de valencia y la banda de conducción en cada lado de la unión NP están conectadasmediante líneas pendientes, representando a la barrera en la unión al flujo de electrones. Cuando loselectrones son inyectados dentro del lado N mediante una fuente de corriente, se reduce la barrerade potencial y ocurre el flujo de corriente.

Una estructura básica planar es mostrada en la Fig. No. 35, son posibles numerosasvariaciones de construcción tanto en apariencia física como en la configuración de los electrodos.

Fig. No. 35.- Estructura básica de un LED.

Un diodo emisor de luz, típico consiste de un semiconductor tipo P, con una capa tipo Ndifundida sobre el material P, la capa tipo P es generalmente pegada al metal disipador, ya que estetiende a ser menos transparente a la radiación del diodo y más radiación puede escapar del LED conla región N en la parte superior.

Un electrodo de alambre es soldado a la capa tipo N para completar la necesaria conexióneléctrica.

En operación normal, la radiación pro recombinación del LED es emitida por todas las partesdel diodo no bloqueadas por los electrodos. Frecuentemente el metal disipador es altamentereflectivo, de tal manera que la radiación que pasa a través de la región P pueda ser reflejada haciala superficie del diodo.





Las características eléctricas de un LED son similares a aquellos de los diodos de unión, comose muestra en la gráfica de la Fig. No. 36, la corriente se eleva abruptamente con un voltaje aplicado.Si la corriente de polarización directa empieza a crecer en valores altos de corriente, ocurre un sobrecalentamiento y el diodo debe ser enfriado o la corriente hará posible la destrucción del diodo.

Fig. No. 36.- Curva de voltaje y corriente de un LED:





Fig. No. 37.- Diferentes presentaciones internas de los LEDs





LEDs INFRARROJOS

Los LED infrarrojos son un tipo específico de diodo emisor de luz (LED por sus siglas en

inglés) que produce luz en el espectro infrarrojo. La luz en este rango no es visible para el ojohumano, pero puede ser detectada por una variedad de dispositivos electrónicos, haciendo al LEDideal para objetos como controles remotos, donde el LED no necesita ser visto para funcionar.

La longitud de onda de la luz emitida por un LED infrarrojo cae en el espectro infrarrojo.Mientras este espectro es bastante ancho, la mayoría de los leds emitirán luz con una longitud deonda de cerca de 1000 nm con un ancho de banda de unos 50 nm. Esto significa que un LED convalor de 1000 nm producirá luz de entre 950 y 1050 nm.

A pesar de que la luz emitida por un LED infrarrojo no es visible para el ojo desnudo, lamayoría de los LED infrarrojos tienen una cubierta morada alrededor. Esto ayuda a transmitir el color

correcto de luz.

Fig. No. 38.- representación de diferentes tipos de LEDs infrarrojos.

Luminiscencia

El brillo de un LED se mide en miliwatts (mW). A pesar de que la luminiscencia de un LEDdepende de la cantidad de energía con que se alimente, la mayoría de los LED producen 20 mW deluz en su punto máximo y cerca de 1 mW de luz a un nivel de operación promedio.





¿QUÉ ES LA RADIACIÓN INFRARROJA?

Es conveniente tener presente que la radiación infrarroja, radiación térmica o radiación IR es un

tipo de radiación electromagnética de mayor longitud de onda que la luz visible, pero menor que lade las microondas. Consecuentemente, tiene menor frecuencia que la luz visible y mayor que lasmicroondas. Su rango de longitudes de onda va desde unos 0.7 hasta los 100 micrómetros. Laradiación infrarroja es emitida por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor que 0° Kelvin, esdecir, -273.15 grados Celsius (cero absoluto).

HISTORIA DE LA LUZ INFRARROJA .

Los rayos infrarrojos fueron descubiertos en 1800 por William Herschel, un astrónomo inglés de

origen alemán. Herschel colocó un termómetro de mercurio en el espectro obtenido por un prisma decristal con el fin de medir el calor emitido por cada color. Descubrió que el calor era más fuerte alado del rojo del espectro y observó que allí no había luz.

Fig. No. 39.- Región del espectro infrarrojo dentro del espectro electromagnético.

Esta es la primera experiencia que muestra que el calor puede transmitirse por una formainvisible de luz. Herschel denominó a esta radiación “rayos caloríficos”, denominación bastante

popular a lo largo del siglo XIX que, finalmente, fue dando un paso al más moderno término deradiación infrarroja.

Los primeros detectores de radiación infrarroja eran bolómetros, instrumentos que captan laradiación por el aumento de temperatura producida en un detector absorbente.





REGIÓN INFRARROJA .

La región infrarroja del espectro electromagnético se divide en tres regiones; el infrarrojocercano, medio y lejano, así nombrados por su relación con el espectro visible. El infrarrojo lejano(aproximadamente 400-10 cm-1) se encuentra adyacente a la región de microondas, posee una baja

energía y puede ser usado en la espectroscopía rotacional.

El infrarrojo medio (aproximadamente 4000 – 400 cm-1) puede ser usado para estudiar lasvibraciones fundamentales y la estructura rotacional vibracional, mientras que el infrarrojo cercano(14000-4000 cm-1) pueden aplicarse para excitar sobretonos o vibraciones armónicas.

La espectroscopía infrarroja se basa en el hecho de que las moléculas tienen frecuencias a lascuales rotan y vibran, es decir, los movimientos de rotación y vibración moleculares tienen niveles deenergía discretos (modos normales vibracionales).

USO DE LOS RAYOS INFRARROJOS.

Los rayos infrarrojos se utilizan en los equipos de visión nocturna cuando la cantidad de luzvisible es insuficiente para ver a los objetos. La radiación se recibe y después se refleja en una

pantalla. Los objetos más calientes se convierten en los más luminosos.

Un uso más común es el que hacen los mandos a distancia (o telecomandos) quegeneralmente utilizan los rayos infrarrojos en vez de ondas de radio ya que no interfieren con otrasseñales de televisión, por ejemplo. Los infrarrojos también se utilizan para comunicar a corta

distancia las computadoras periféricas.

Los equipos que utilizan este tipo de comunicación cumplen generalmente con un estándar publicado por Infrared Data Association.

La luz utilizada en las fibras ópticas es generalmente de infrarrojos.

Fig. No. 40.- Visores y cámara del espectro infrarrojo.





Fig. No. 41.- Diferentes aplicaciones de los visores infrarrojos.





INTERRUPTORES ÓPTICOS .

Los interruptores ópticos se basan en el uso de la luz (visible, infrarroja o laser) para detectar laausencia o presencia de algún objeto. La detección ocurre si el haz de luz es interrumpido oreflectado por el objeto a ser detectado.

Los interruptores (sensores) ópticos, se empezaron a usar en 1950, el primer sistema fotointerruptor consistía de dos elementos; una lámpara incandescente y un dispositivo foto resistivollamado fotocelda.

Fig. No.42.- Esquema de un fotointerruptor básico.

La lámpara era puesta de tal manera que la luz emitida se proyectara en un área que abarcaraal objeto foto sensible. Este sistema tenía tres inconvenientes; primero, la lámpara incandescente

perdía intensidad y se volvía ineficiente después de cierto tiempo, segundo, el filamento se podíaabrir (fundir), si se exponía la lámpara a vibraciones o a temperaturas extremas, tercero, con el fin deque el foto receptor recibiera únicamente la luz del emisor y para que no sea afectado por la luzambiente, tenía que ser alineada muy cuidadosamente, todos estos problemas fueron eliminadosmediante el desarrollo de los dispositivos semiconductores foto sensibles y emisores de luz.

Fig. No. 43.- Arreglo y alineación del fotocontrol respecto a la fuente de luz.





Las ventajas de los interruptores ópticos es que no hay contacto físico con el objeto a detectar yel objeto se puede detectar a distancias que pueden variar desde mm hasta metros.

Fig. No.- 44.- Foto interruptor con rango de detección de 35 m.

Podemos dividir al interruptor óptico en tres partes básicas.

a).- La fuente de luz.

b).- El foto detector.

c). - El ci rcui to electrónico.

a). - La fuente de luz suministra el haz de luz el cual es transmitido hasta el fotodetector, la

fuente de luz es llamada también, como un emisor o transmisor. Actualmente se usan másfrecuentemente los LEDs como fuentes de luz y generalmente el infrarrojo.

Los LEDs que emiten luz visible son usados en este arreglo para monitorear la operación,durante la instalación y/o calibración.

b).- El fotodetector , o sensor de la luz detecta la ausencia o presencia de un objeto, elfotocontrol es llamado también el detector, receptor o fotoreceptor. Los fotodetectores más comunesactualmente son el fotodiodo y el fototransistor.





c). - El ci rcui to electrónico . La parte detectora del sensor como se muestra en la Fig. No. 68.(a) el fototransistor es usado para detectar la señal emitida por el emisor, la longitud onda del emisorllega a la base del transistor, y la señal producida por el fototransistor es aplicada a la entrada de unamplificador de alta ganancia y de allí pasa a un filtro pasabanda, el cual está sintonizado a unacierta frecuencia modulada.

Fig. No. 45.- (a) Diagrama a bloques de un sensor de luz; (b) Sincronización entre el emisor y ereceptor.





La señal de salida del amplificador es demodulada mediante un rectificador. La función de laetapa demoduladora es reducir el problema de alineamientos críticos y esto le permite al sensor

poder ser usado en áreas donde los niveles de luz ambiente son relativamente altos o hay polvo,humo o vapores de aceite, etc. Un disparador Schmitt es usado para incrementar la velocidad deconmutación para aplicaciones de muy alta velocidad o para reducir la histéresis, hacerlo inmune alruido y para obtener niveles lógicos de salida.

Las unidades fotorreceptoras pueden estar disponibles con o sin demodulador. Losfotorreceptores sin modulación se pueden usar para detectar para detectar objetos los cuales emitensu propia luz, tal como los metales al “rojo vivo” vidrio caliente, o algún objeto que emita luz infrarrojacuya energía sea muchas veces más fuerte que la luz infrarroja que existe en el ambiente.

PAQUETE INTERRUPTOR ÓPTICO.

Un arreglo comercial que ya contiene al LED y al fotodetector, es decir, contiene únicamente la

parte óptica y la circuitería electrónica está en otra parte, por esta razón el paquete pude sercolocado en lugares muy pequeños y en ambientes muy hostiles, estos paquetes son llamados optointerruptores, como se muestran en la siguiente figura.

Fig. No. 46.- Interruptores ópticos de posición y de ranura respectivamente.





Hay una gran disponibilidad de varios modelos de opto interruptores, para ser acomodados enun rango de tamaños y requerimientos diversos de montaje. Existen interruptores ópticos con ranuracomo el que se muestra en la Fig. No.47.-, para censar la presencia del papel, como por ejemplo enlas impresoras, para tacómetros en la lectura de la velocidad de motores, sensores de posicióncomo para detectar la posición de los DVDs en las computadoras y en los videos reproductores,interruptores de límite (LS) para el control de maquinaria y para detectar posicionamiento angularusando un disco codificador.

Fig. No. 47.- Interruptor óptico como detector de posición.





Fig. No. 48.- El interruptor óptico en aplicación como detector de superficie y como tacómetro.





Fig. No. 49.- Representación de la aplicación extendida de los interruptores ópticos en los encoders.





Fig. No. 50.- Fotografías de diferentes tipos de encoders.





Fig. No. 51.- Fotografías de diferentes fotocontroles.





Fig. No 52.- Espejos retrorreflectivos para los fotocontroles.





Fig. No. 53.- Diferentes presentaciones de conexionados de los fotocontroles.





DISPLAYS DE SIETE SEGMENTOS. ,

AL FANUMÉRICOS Y MATRICIALES.La necesidad de mostrar información de forma visual es fundamental para la comunicación

visual. Avances significativos se han hecho en la comunicación visual en el pasado. Desde laaparición de la presa escrita hizo posible la transmisión visual de una persona a una grancomunidad, por muy alejada que estuviera, el desarrollo de la fotografía proporcionó otro medio decomunicación e incluso mejoró de difusión de la prensa escrita ya que ahora se acompañaba confotografías, posteriormente el desarrollo de las técnicas fotográficas produjo el movimiento defotografías dando origen al cinematógrafo, lo cual hace de la comunicación visual una forma realistay con detalles asombrosos.

Así que actualmente, los displays son necesarios para la comunicación ya sea de persona a persona o para la comunicación hombre-máquina.

Era de esperarse que otra aplicación del LED, que es muy importante, es el arreglo de variosLEDs unidos en un punto común ya sea por unidos por el cátodo, o unidos por el ánodo.

Un tipo de display numérico consiste de un arreglo de indicadores discretos (LEDs)encapsulados individualmente como se muestra en la figura No.54 (a) acomodados de tal forma que

puedan mostrar (display) los dígitos del 0 al 9.

Otro tipo de display numérico el cual es el más usado actualmente es el display de sietesegmentos como se muestra en la figura No. (b), cada uno de los segmentos es un LED separado, ymediante el encendido de únicamente ciertos segmentos, cualquiera de los dígitos desde el 0 hasta

el 9 pueden ser mostrados.Realmente se pueden mostrar 2 7 o 128 diferentes combinaciones en el display de siete

segmentos, pero las combinaciones que más se usan, son las mostradas en la Fig. No. 55, estascombinaciones pueden ser mostradas con únicamente cuatro bits de entrada (4 líneas de control 0 y1)





Fig. No. 54.- representación de un display de LEDs individual y por segmentos.





Fig. No. 55.- Representación de los dos tipos de displays, de ánodo común y de cátodo común





Fig. No. 56.- Relación del sistema binario respecto a los segmentos del display.





Fig. No. 56.- Identificación de los segmentos en un display.





DECODIFICADORES/DRIVERS PARA EL DISPLA Y.

El propósito fundamental de un display de LEDs, es mostrar la condición de un bus de salida

desde una computadora o de un microprocesador que tiene una salida codificada en binario.Con el fin de poder mostrar los valores en sistema decimal, las salidas deben ser decodificadas

y acondicionadas mediante circuitos drivers para alimentar la corriente requerida por el display.

Las siguientes figuras muestran algunos diagramas de como el display de siete segmentos esconectado a los decodificadores.

Fig. No. 57.- Decodificación de binario a siete segmentos.





Fig. No. 58.- Diagrama interno del decodificador SN 74LS47.





Fig. No. 59.- Contador binario SN 74LS73.





Fig. No. 60.- Representación gráfica y numérica del contador binario.





Fig. No.- 61. Simulación por software de la etapa contadora en binario.





Fig. No.- 62.- Década contadora con el CI. SN 74LS90.





Fig. No. 63. CI. SN 74193, contador binario y decodificador.





Fig. No. 64. Forma de conectar el CI. SN 74LS193, individual y en cadena con otros iguales.





DISPLAY CON LÓGICA TL 307

Fig. No. 65.- Diagrama interno de un display con lógica.





Fig. 66.- Contador digital a la salida de un microprocesador.





Fig. No. 67.- Contador de cuatro dígitos.





DISPLAY ALFANUMÉRICO MATRICIAL.

Con el incremento de las capacidades de las computadoras, apareció el manejo de palabras y pudieron ser manipuladas, almacenadas y recuperadas, así como también los números.

De hecho, muchas de las actuales bases de datos de las computadoras están dedicadas aalmacenar los datos en forma alfanumérica.

Los datos alfanuméricos consisten de letras, números y símbolos asociados con un texto, másbien que la solución de ecuaciones.

Así que podemos ver que en un display es necesario que mostrar letras y los símboloscomunes, así como números.

Dentro de los displays alfanuméricos existen básicamente dos presentaciones; la matricial y lade segmentos, la matricial está formada por un arreglo matricial de 5 x 7 LEDs, es decir un total de

35 LEDs.

En el display por segmentos existen dos variantes una formada por 14 segmentos de LEDs yotra formada por 16 segmentos de LEDs como se muestra en las siguientes figuras:

Fig. No. 68.- Displays matricial y por segmentos.

Una unidad típica es mostrada en la Fig. No.68. Se debe notar que el arreglo de cada LEDindividual es diferente de los displays de siete segmentos, estos están formados por una matriz de 5

x 7 segmentos, el display consiste de 5 columnas y siete renglones, por lo que se requieren 35LEDs.





Fig. No. 69.- Display matricial alfanumérico.





Es sumamente fácil ver que para activar un diodo en particular, debe ser prendido mediante laapropiada línea X (renglón) y la línea Y (columna)

Fig. No.70.- Activación de los LEDs en los displays matriciales.

La cantidad de información que puede ser mostrada mediante este diseño es enorme, de hechoes 3.34 x 10 10 combinaciones diferentes, para este tipo de display.

Sin embargo, ya que el propósito del display alfanumérico, es la comunicación con el humano,son necesarias únicamente los caracteres que gente reconoce fácilmente y estos son los seránmostrados por el display.

La siguiente figura representa parte de los 96 caracteres más comúnmente usados en lascomputadoras.





Fig. No. 71.- Representación de los caracteres en código ASCII.





El código ASCII mostrado en la Fig. No. 71.- usa un sistema binario de 7 Bits para representarlos 96 caracteres además de 32 códigos de control.

Cuando se aplica el código ASCII a la entrada de las siete líneas de la Fig. No. 71.- el displayTIL 305 mostrará los caracteres como se muestra en la figura No.

Fig. No. 72.- Diagrama del conexionado para el display matricial TIL 305





Los displays alfanuméricos al estar formados por LEDs, se pueden obtener con emisiones dediferentes longitudes de onda, que proveerán colores, rojo, amarillo, verde, azul, etc.

Están empacados en varios tipos de presentación, desde display sencillo, es decir de un soloarreglo (un display) hasta múltiples displays en un solo arreglo

Fig. No. 73.- Representación de las salidas en el display matricial.





DISPLAYS ALFANUMERICOS POR SEGEMENTOS.

Los displays por segmentos siguen la misma tecnología para poder decodificar la informaciónaunque estos están más limitados en la cantidad de combinaciones posibles, se cumplen lasnecesarias para lograr la comunicación correcta.

Fig. No.74.- Display por segmentos, de ánodo común y de cátodo común.





Fig. No. 75.- Diferentes salidas del display por segmentos.





DISPLAY DE CRISTAL LÍQUIDO LCD

Un cristal líquido es un material (orgánico con propiedades nemáticas) es decir, que fluyen

como un líquido, pero cuya estructura molecular posee ciertas propiedades normalmente asociadascon los sólidos.

Fig. No. 76.- Estructura molecular de un cristal líquido

Para los display de dispersión de luz, el mayor interés está en el cristal líquido nemático , quecuenta con una estructura que se muestra en la Figura No. 77. Las moléculas individuales tienen unaapariencia en forma de varillas, como se señala en la figura.

La superficie conductora de óx ido de ind io es transparente y bajo la condición que se indica enla figura, la luz incidente simplemente la atravesará y la estructura del cristal líquido aparecerá deforma transparente para el espectador. Si se aplica un voltaje (para unidades comerciales el nivel deumbral se encuentra por lo regular entre 6 y 20 V) a través de las superficies conductora, como seejemplifica en la figura No. 78, el arreglo molecular se perturba, lo que ocasionará que seestablezcan regiones con distintos índices de refracción.

La luz incidente se reflejará, por lo tanto, en distintas direcciones en la interface entre regiones

con índices de refracción diferentes (efecto denominado como dispersión dinámica , estudiado por primera vez por RCA en 1968) lo que provoca que la luz dispersa tenga una apariencia de vidriocongelado. Sin embargo, observe en la figura 78 que la apariencia “congelada” se presentasolamente donde las superficies conductoras son opuestas entre sí y que las áreas restantes

permanecen traslúcidas.





Fig. No. 77.- Cristal líquido nemático sin polarización aplicada.

Fig. No. 78. Cristal líquido nemático con polarización aplicada.

Un dígito sobre una pantalla LCD podría tener la apariencia que se indica en la figura No. 79. Elárea negra es en realidad una superficie conductora transparente conectada a las terminalesinferiores para un control externo. Dos carátulas similares se colocan en lados opuestos de unadelgada capa sellada de material líquido. Si se requiera mostrar el dígito 2, las terminales 8, 7, 3, 4, y5 serían activadas y sólo estas regiones serian congeladas mientras que las otras permanecerántransparentes.





Fig. No. 79.- Display de LCD de un dígito de ocho segmentos, sin activar y activado

respectivamente. Fotografía de un display LCD tipo dispersión dinámica .

Los displays de cristal líquido presentan la ventaja distintiva de contar con un requerimiento de potencia menor que el LED, el cual se encuentra en el orden de los miliwatts de consumo, encomparación con el orden de los microwatts para el LCD. Sin embargo, el display de LCD requiereuna fuente de luz externa o interna, y se encuentra limitada a un rango de temperatura de cerca de0° hasta 60° C. El tiempo de vida es otra área de consideración debido a que las LCDs pueden

degradarse químicamente. Los displays de LCD que reciben el mayor interés actualmente son lasunidades de efecto de campo y de dispersión dinámica.

Como se indicó anteriormente, el LCD no genera su propia luz sino que depende de una fuentede luz interna o externa. Bajo condiciones oscuras, podría resultar necesario que la unidad cuentecon su propia fuente de luz interna ya sea por detrás o por un lado del LCD. Durante el día o enáreas iluminadas, puede colocarse un reflector detrás del LCD para reflejar la luz de regreso a travésde la pantalla para una máxima intensidad. Para una operación óptima, los fabricantes actuales derelojes utilizan una combinación de modo transmisivo (don fuente de luz propia) y reflectivo, llamadatransrreflectiva.

Los displays de LCD de efecto de campo o nemático de giro tienen la misma apariencia desegmentos y la delgada capa del cristal líquido encapsulado, pero su modo de operación es muy

diferente. De forma similar que, para el LCD de dispersión dinámica , el LCD de efecto de campo puede operar en el modo reflectivo o transmisivo con una fuente de luz interna.

En la figura No. 80.- se presenta la pantalla transmisiva. La fuente de luz interna se encuentra ala derecha, y el observador se encuentra a la izquierda.





Fig. No. 80 - LCD transmisivo de efecto de campo, sin polarización aplicada.

Esta figura es notoriamente distinta de la figura 78 en el hecho de que se añadió un

polari zador de luz . Solo el componente vertical de la luz que entra por la derecha puede pasar por

el polarizador de luz vertical de la derecha. En la pantalla LCD de efecto de campo, la superficieconductora transparente de la derecha se encuentra tratada químicamente, o también puedeaplicarse una película orgánica para orientar las moléculas en el cristal líquido en el plano vertical,

paralelas a la pared de la celda. Observe las varillas en el extremo derecho del cristal líquido. Lasuperficie conductora opuesta también se trata para asegurar que las moléculas se encuentren 90°fuera de fase en la dirección mostrada (horizontal), pero que sigan paralelas a la pared de la celda.En medio de las paredes de cristal líquido existe un cambio general de una polarización a la otra,como se muestra en la figura. El polarizador de luz de la izquierda también es tal, que permite el

paso únicamente de la luz incidente, verticalmente polarizada. Si no existe un voltaje aplicado sobrelas superficies conductoras, la luz verticalmente polarizada.

Si no existe un voltaje aplicado sobre las superficies conductoras, la luz verticalmente polarizada ingresará a la región de cristal líquido y seguirá la refracción de 90° de la estructuramolecular. Su polarización horizontal en el polarizador de luz vertical de la izquierda no permite queatraviese, y el observador verá un patrón oscuro uniforme a lo largo de toda la pantalla. Cuando seaplica un voltaje de umbral (que va de 2 a 8 V para unidades comerciales), las moléculas en formade varilla se alinearán con el campo (perpendicular a la pared) y la luz cruzará directamente a travésde la segunda pantalla polarizada verticalmente, y el área iluminada será visible para el observador.





Mediante una apropiada excitación de los segmentos de cada dígito, el patrón se presentarácomo el mostrado en la figura 81.

Fig. No. 81 LCD de efecto de campo tipo reflectivo.

El display LCD de efecto de campo de tipo reflectivo se muestra en la figura No. 82. En estecaso, la luz polarizada horizontalmente en el extremo izquierdo encuentra un filtro polarizadorhorizontal y pasa a través del reflector, donde se refleja de regreso al cristal líquido, se refracta haciala otra polarización vertical y regresa al observador.

Fig. No. 82.- LCD de tipo reflectivo de efecto de campo sin polarización aplicada.





Si no existe un voltaje aplicado, se presentará una pantalla uniformemente iluminada. Laaplicación de un voltaje dará por resultado una luz verticalmente incidente que encontrará un filtro

polarizado horizontalmente en la izquierda, que no podrá atravesar y que será reflejada. En el cristase obtendrá un área oscura, y aparecerá un patrón totalmente obscuro. Como se muestra en lasiguiente figura no. 83.

Fig. No. 83.- Display LCD de tipo transmisivo de efecto de campo.

Los displays LCD de efecto de campo se utilizan normalmente cuando la fuente de energía esel principal factor a considerar (por ejemplo, relojes, instrumentación portátil, etc.) debido a que estasconsumen una potencia considerablemente menor que los displays de dispersión de luz, que seencuentran en el rango de los miliwatts en comparación con el rango de los microwatts. El costo porlo regular es más alto para las unidades de efecto de campo y su altura se encuentra limitada a

cerca de dos pulgadas, mientras que se encuentran disponibles unidades de dispersión de luz dehasta 8 pulgadas de alto.

Otra consideración en los display LCD es el tiempo de encendido y apagado, ya que losdisplays de LCD son característicamente mucho más lentas que los LEDs. Los display LCD cuentancon tiempos de respuesta típicos en el rango de 100 a 300 ms, mientras que los LEDs se encuentrandisponibles con tiempos de respuesta por debajo de los 100 ns. Sin embargo, existen aplicacionesnumerosas, como en un reloj, donde la diferencia entre 100 ns y 100 ms (1/10 de segundo) no tieneimportancia. Para tales aplicaciones, la baja demanda de potencia de los displays LCD es unacaracterística muy atractiva, además, el tiempo de vida de los displays LCD continuamente se

incrementa más allá del límite de las 10 000 horas. Dado que el color generado por la displays LCDdepende de la fuente de iluminación, existe una amplia selección de rango de colores.





DIODO LASER

Un LASER es una fuente de radiación monocromática principalmente disponible principalmente

en las regiones del visible y del infrarrojo. Un LASER (del inglés LASER: Light Amplification byStimulated Emission of Radiation (Amplificación de Luz por emisión Estimulada de Radiación) es undispositivo que utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada, paragenerar un haz de luz coherente de un medio adecuado y con el tamaño, la forma y la purezacontrolados.

El primer ejemplo reportado en 1960 (todavía es uno de los mejores), consta de una varilla derubí cuidadosamente molida (Al2 O3 con Cr2 O3 como constituyente menor) con terminales

paralelas. Se coloca un espejo en un extremo de modo que toda la luz que provenga del interior decristal sea reflejada. El espejo del otro extremo está cubierto con una capa delgada de plata de modoque solamente una fracción (típicamente del 80 al 90 por ciento) de la luz incidente sea reflejada,

escapándose el resto. Cuando la varilla se solamente a un destello intenso de luz, como la descargade una lámpara de xenón (Figura No. 84), casi todos los átomos de cromo se excitan y la mayoría deellos caen inmediatamente a un nivel de energía metaestable. Entonces los primeros electrones queregresan del nivel metaestable al estado basal irradian fotones de una longitud de ondacorrespondiente a 694.3 nm.

Figura No. 84.- Esquema de un láser de rubí.

Una parte de esta luz, dirigida paralelamente al eje de la varilla, se refleja varias veces en ambossentidos. La acción laser resulta debido a la presencia de esta energía radiante, que posee exactamentela frecuencia requerida para estimular la emisión del resto de los átomos de cromo metaestable, de modoque el flujo radiante, se forma rápidamente. En cada reflexión se escapa algo de luz del extremo

parcialmente plateado, formando la potencia de salida del instrumento.





La acción es tan eficiente que se emite un gran impulso de luz monocromática dentro de un periodo de aproximadamente 0.5 ms. El poder de cada impulso puede alcanzar nivele de megawatts.

Los láseres pueden hacerse con otros muchos materiales activos. La luz de un rayo láser tienevarias propiedades únicas. Es altamente monocromática . La luz emitida es coherente , lo que significaque las ondas originadas por todos los átomos o moléculas de la sustancia emisora están en fase entre

todas ellas (lo que no ocurre en las fuentes de luz convencionales).

En parte como consecuencia de dicha coherencia, el haz colimado de la radiación laser tiene muy poca tendencia a esparcirse (perder colimación) mientras se propaga. Esto permite que una grancantidad de energía se concentre en un pequeño objeto, aunque esté a una distancia considerable.Para fines analíticos la importancia de los láseres estriba en el alto grado de monocromaticidad y losniveles de alto poder que pueden alcanzarse. Como fuente de energía localizada, los láseres suelenaplicarse como excitadores para la espectroscopía Raman y como iluminadores en la interferometría

precisa.

En bastantes aplicaciones, los beneficios de los láseres se deben a sus propiedades físicas como lacoherencia, la alta monocromaticidad y la capacidad de alcanzar potencias extremadamente altas. Amodo de ejemplo, un haz láser altamente coherente puede ser enfocado por debajo de su límite dedifracción que, a longitudes de onda visibles, corresponde solamente a unos pocos nanómetros. Cuandose enfoca un haz de láser potente sobre un punto, éste recibe una enorme densidad de energía. Esta

propiedad permite al láser grabar gigabytes de información en las microscópicas cavidades de un CDDVD o Blu-ray. También permite a un láser de media o baja potencia alcanzar intensidades muy altas yusarlo para cortar, quemar o incluso sublimar materiales.

El rayo láser se emplea en el proceso de fabricación de grabar o marcar metales, plásticos y vidrio.

LASER SEMICONDUCTOR

Las fuentes de luz mediante semiconductores, fueron consideradas como posibles candidatos para la emisión de luz láser poco después de la invención del primer láser por Theodore Maiman en1960.

La eficiente emisión de luz infrarroja en el diodo de Arseniuro de Galio, fue reportada en 1962, ycientíficos de varios laboratorios empezaron a trabajar en el desarrollo del semiconductor láser.

En el otoño de 1962, científicos de tres laboratorios, casi simultáneamente anunciaron lainvención exitosa del semiconductor láser; General Electric fue el primero, IBM y el MIT un poco mástarde. Hasta ahora ningún otro láser se ha desarrollado con tanta eficiencia.

El semiconductor láser de inyección es esencialmente un LED especialmente preparado, poreso es importante por eso es importante describir su principio de operación y sus aplicaciones.





El LED láser de inyección es un diodo emisor de luz con una unión muy plana y dos espejos,como se muestra en la siguiente imagen. (Fig. No.85)

Fig. No. 85.- Diodo láser de inyección básico.

El mecanismo responsable de la generación de luz en un láser de inyección es idéntico al delLED común: Electrones provenientes de una fuente externa son inyectados dentro de una capa N dela unión. Los electrones son excitados a un estado de nivel de energía mucho más alto que el normay después cruzando la unión, ellos caen dentro de los huecos. Este proceso crea energía en formade fotones y calor.

Debajo de un punto crítico, conocido como UMBRAL DURADERO, el láser de inyección emiteluz espontáneamente y aleatoriamente con en un LED común. Si se aplica suficiente corriente aldispositivo (un gran número de electrones son inyectados al cristal) y ocurre una situación donde haymás electrones en estado excitado que los que no están en estado excitado. Esta condición esllamada INVERSIÓN DE LA POBLACIÓN y es esencial para la acción láser. Un fotón emitido al azar

puede actuar para estimular la emisión de un fotón de un electrón excitado. El nuevo fotón puedeigualmente realizar la misma acción y el proceso continua en forma de una reacción en cadena.

El proceso es llamado, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, la palabraLASER es un acrónimo para la Amplificación de Luz mediante la Emisión Estimulada de Radiación.

La importancia de la INVERSIÓN DE LA POBLACIÓN pude ser entendida rápidamente, si unavez más consideramos la emisión de luz en un LED, ya que en el LED no se puede soportar unainversión, ya que los fotones emitidos pueden ser absorbidos por los electrones que no estánexcitados (estimulando a los electrones para alcanzar niveles más altos de energía).





Cuando se logra la inversión de la población, los fotones son más parecidos a los electronesexcitados y estimulan la emisión de muchos más fotones.

La inversión por lo tanto lleva a una situación tal que la ganancia óptica excede a la pérdidaóptica. Ya que el láser de inyección ha sido provisto de dos espejos paralelos, algunos de los fotones

son reflejados una y otra vez dentro de la región activa de la unión. Ahí, ellos estimulan máselectrones a emitir fotones y se forma y emerge una longitud de onda luminosa a todo lo largo de launión.

El proceso es casi idéntico al principio de la retroalimentación en un circuito resonante. Ya quelos fotones están en fase con cada uno de los otros la onda de luz cumple los requerimientos parauna fase coherente.

Algunos de los aspectos teóricos de los láseres de inyección están resumidos en la Figura No

86, empezando con la Fig. No. 86-A. Un láser de inyección operado debajo del umbral Láser, secomporta como un LED y emite luz aleatoriamente.

Conforme más corriente es aplicada Fig. No. 86 B.- un punto es alcanzado repentinamente,dando lugar a la inversión de la población y hay más electrones en estado excitado que los que noestán excitados.

La emisión estimulada, es la clave para que ocurra la acción láser, en la Fig. No. 86 C.conforme se emiten los fotones aleatoriamente, chocan con electrones activados en la región activa

a todo lo largo de la unión y causa la emisión de fotones. Lo nuevos fotones son emitidos en fasecon sus progenitores.

Finalmente, en la Fig. No. 86 D. una onda estacionaria de fotones es formada entre los dosespejos completando la cavidad ópticamente resonante necesaria para la acción láser.

A diferencia de muchos otros láseres, los espejos de los láseres de inyección son una parteintegral del dispositivo.





Fig. No. 86.- Pasos en la producción de la luz láser.

PRECAUCIONES EN EL MANEJO DEL LÁSER.

Aún no está muy precisa la cantidad de radiación necesaria para producir una lesión en laretina o un daño ocular, por lo tanto, para evitar cualquier posibilidad de daño ocular, hay que seguirestas simples reglas de seguridad.

1ª.- Considere al láser de inyección como cualquier fuente de luz brillante y NO lo miredirectamente hacia el haz.




2ª.- No permita que el haz de luz láser choque con un espejo o alguna otra superficie reflejante.

3ª.- Use auxiliares ópticos, (gafas, googles etc.) cuando experimente con un LED láser deinyección.

Fig. No. 87.- Representación de un diodo de Láser y el símbolo de identificación y precaución láser.

1a.- unidad optoelectrónica

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