Prctica 5

Caracterizacin de un diodo LED

OBJETIVOS

Observar el funcionamiento y conocer algunas propiedades del LED, como una de las fuentes utilizadas en sistemas de comunicaciones va fibra ptica.

Obtener la curva caracterstica del LED.

Observar el efecto que tiene la temperatura sobre este dispositivo

INTRODUCCION

Como se dijo en la introduccin de la practica 1, un sistema de comunicaciones consta de 3

elementos principales: Transmisor, Va o medio y Receptor, ver figura 1.1.

En el caso especfico en el que se utiliza una fibra como va o canal, el transmisor est

compuesto por: un convertidor de voltaje a corriente, una fuente luminosa y una interfaz de

fuente a fibra, ver figura 5.1.

Fig. 5.1 Diagrama a bloques de un transmisor para un sistema de comunicaciones por fibra ptica.

La fuente ptica debe tener las siguientes caractersticas generales:

La intensidad de luz (potencia ptica) debe ser grande para alcanzar distancias grandes de propagacin.

Su estructura debe permitir un acoplamiento de luz efectivo fuente-fibra.

La longitud de onda de la luz que emana de la fuente debe ser compatible con la longitud de onda ms conveniente de la fibra ptica.

El ancho de lnea debe ser lo ms delgado posible para permitir una alta razn de datos.

El tiempo de respuesta debe ser corto para soportar una alta razn de datos.

La potencia luminosa de una fuente tiene un comportamiento parecido al de una gaussiana, entonces, el

ancho de lnea se define como el ancho en longitudes de onda entre dos puntos, donde la energa luminosa de

la fuente atraviesa un medio del valor de su potencia mxima.

Convertidor

de Voltaje a

corriente

Interconexin

elctrica

Fuente

luminosa

Interfaz

fuente - fibra

Acoplador

Seal elctrica,

analgica o

digital

Seal ptica

viajando en

FIBRA

Debe producir una potencia ptica estable, que no vare con la temperatura u otras condiciones ambientales, adems de ser confiable.

Hay dos clases de fuentes utilizadas comnmente en sistemas de fibra ptica, estas son el

diodo de inyeccin lser (ILD) y el diodo emisor de luz (LED). Ambos se basan en

dispositivos semiconductores1, especficamente, en el principio de funcionamiento de los

diodos semiconductores de unin p-n.

Para algunos sistemas de comunicacin, cualquiera de las dos fuentes (ILD LED) puede

ser utilizada, brindando una operacin satisfactoria. Sin embargo para algunos sistemas de

comunicacin especficos, uno es claramente mejor que el otro. En la figura 5.2 se puede

observar una grfica de potencia ptica contra corriente, a travs de una unin p-n, En ella

podemos observar la regin en la que trabaja un LED, y despus de un umbral, la regin

donde trabaja un LASER.

Un LED (Light Emitting Diode), es un dispositivo semiconductor que emite radiacin

visible, infrarroja o ultravioleta, por emisin espontnea2. Esencialmente es una unin p-n

cuyas regiones p y n pueden estar hechas del mismo o diferente material semiconductor

altamente radiante. El color de la luz emitida est determinado por la energa del fotn.

Fig. 5.2. Curva de emisin de potencia-corriente.

Principalmente hay dos clases de diodos emisores de luz, basados en la forma que es

colectada la luz de la regin activa:

-LED de emisin superficial y pozo grabado de Burrus: emite luz en muchas

direcciones, haciendo toda su superficie, el rea activa. El de pozo grabado es de emisin

superficial, pero se graba un hueco o pozo, permitiendo concentrar la luz en una rea ms

pequea.

1 Dispositivo fabricado de uno o ms materiales slidos que tiene un valor de resistividad entre un conductor

y un aislante. El material ms utilizado es el silicio que al ser dopado con materiales con 5 electrones en su

capa de valencia, forma el material tipo p (exceso de electrones), y si es dopado con materiales con 3 elementos en su capa de valencia forma el material tipo n(exceso de huecos). 2 La luz se emite como resultado de la recombinacin de electrones con huecos. Cuando se polariza

directamente la unin p-n, los portadores minoritarios se recombinan con portadores mayoritarios y

desprenden energa en forma de luz.

-LED de emisin de borde: Emiten una distribucin ms direccional de luz, la luz se

emite de una banda activa, y forma un haz elptico. Se emite menos luz que un uno de

superficie, pero tambin las prdidas por acoplamiento son menores.

Parmetros importantes de un LED

Los parmetros que caracterizan el funcionamiento de un LED y que sirven de base para la

eleccin del modelo ms adecuado para la aplicacin concreta a que se le va a destinar, son

los siguientes:

Eficiencia

Es la relacin entre la intensidad luminosa emitida, medida en milicandelas (mcd), y la

corriente elctrica en mA que produce dicha radiacin. Se representa por Iv. Los

valores normales oscilan entre los 0.5 y 2 mcd a 20 mA. Pero los de alta eficiencia

alcanzan hasta las 20 mcd a 10 mA.

Directividad

Est definida por el mximo ngulo de observacin de luz que permite un tipo concreto

de LED, respecto al eje geomtrico del mismo. Este parmetro depende de la forma del

encapsulado, as como de la existencia o no de una lente amplificadora incluida en el

mismo. En los modelos de mayor directividad este ngulo es pequeo y tienen la

apariencia de producir una intensidad luminosa ms elevada que los otros, en los que la

luz se reparte sobre una superficie mucho mayor. Cada modelo de LED dispone de una

curva de directividad en la que se representa el nivel de intensidad luminosa en funcin

del ngulo de observacin. Esta curva resulta de mucha utilidad para la eleccin de un

modelo determinado. En la siguiente figura 2 se muestran algunos ejemplos.

Fig. 5.3.- Curvas de directividad para distintos tipos de LEDs

Voltaje de polarizacin directa (VF)

Es el voltaje que se produce entre las terminales del LED cuando le atraviesa la

corriente de excitacin. Esta comprendida entre 1,5 y 2,2 v. para la mayora de los

modelos.

Corriente Inversa (IR)

Es la mxima corriente que es capaz de circular por el LED cuando se le somete a una

polarizacin inversa. Valores tpicos de este parmetro se encuentran alrededor de los

10 A.

Disipacin de potencia

Es la fraccin de la potencia que absorbe el LED y no transforma en radiacin visible,

tenindola que disipar al ambiente en forma de calor. En las aplicaciones clsicas de los

LEDs se necesita una resistencia en serie con l, para limitar la corriente.

Ancho de Lnea

Los terminos utilizados para describir el rango de longitudes de onda emitida, varia de

un fabricante a otro. Algunos de los ms usados son Respuesta espectral, Flujo radiante

espectral o espectro de emisin. Recuerde que el ancho de lnea es el rango de

longitudes de onda al 50% de la potencia mxima radiada. Un ancho de lnea grande

produce una dispersin grande, que a su vez limita el ancho de banda de modulacin,

que da lugar a una baja razn de datos.

Tiempo de respuesta

El tiempo de respuesta es la rapidez con la que se lleva al LED de encendido a apagado,

usualmente llamado tiempo de subida y tiempo de bajada. Es decir el tiempo que tarda

en llegar desde el 10% al 90% de la potencia mxima radiada, una vez que se hace fluir

corriente a travs de sus terminales, como se puede observar en la figura 5.4.

Fig. 5.4 Tiempo de subida (Tr) y tiempo de bajada (Tf).

La razn de modulacin (la mxima razn de datos a la que el LED puede operar) debe

contemplar a Tr y Tf, lo que significa que debe ser menor que 1/( Tr + Tf).

Ancho de banda

El ancho de banda ptico es aproximadamente:

Corriente del LED

Intensidad de luz radiada

Tr Tf

90%

Tr

10%

Tr

BWopt= 0.35/Tr (5)

y el ancho de banda elctrico es:

BWelect = (0.707) BWopt (6)

PROCEDIMIENTO

EQUIPO Y MATERIAL REQUERIDO

Modelo Description Descripcin

SG-22-2 Breadboard, 2 ft x 2 ft Tablero de trabajo

1815-C Optical Power Meter Medidor de potencia ptica

505B Laser Diode Driver (200/500

mA)

Controlador del diodo laser

(200/500 mA)

FK-LED Assy., light-emitting diode Fuente ptica led

BASES TEORICAS NECESARIAS

Para la mejor comprensin del funcionamiento de los LEDs y el desarrollo experimental

de esta prctica se sugiere que el alumno tenga conocimiento de los siguientes temas:

- Principios de dispositivos semiconductores. - Fundamentos de Diodos semiconductores - Emisin estimulada - Emisin espontnea

Experimento.- Obtener curvas de corriente inyectada al diodo contra potencia ptica

radiada de un LED, a una temperatura ambiente

1. Investigar e imprimir las Hojas de especificaciones del FK- LED, y obtener las caractersticas importantes, segn se analiz en la introduccin. Tambin, encuentre

los rangos de operacin del mismo.

2. Conecte el LED a su controlador de corriente y posicinelo en el Poste de 2" modelo SP-2 sobre la mesa de sujecin.

3. Coloque el medidor de potencia lo ms cercano posible a la salida del LED, como se puede observar en la figura 5.5. Para modificar la corriente de polarizacin del

LED, es suficiente con manipular la perilla del controlador respectivo en un

intervalo de corriente permitido por las fuentes de luz, que es de 0 a 120 mA. Es

recomendable aislar estos elementos de cualquier fuente de luz, para tener mejores

resultados.

Fig. 5.5. Arreglo para medir la potencia del FK-LED.

4. Para la operacin de los controladores es preciso que se encuentre activado el modo I. Una vez confirmado lo anterior, se realiza el ajuste de la corriente mediante la

perilla correspondiente.

5. Para tener el rayo de luz a la salida del LED la llave de seguridad se debe encontrar encendida (ON), de la misma manera que el botn output.

6. Variar la corriente de entrada desde o a 120 mW, completando la siguiente tabla y dibujando la grfica resultante.

I(mA) P(mW)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

7. Encontrar la forma de variar unos cuantos grados (1-5) la temperatura que rodea al LED, tratando de mantenerla lo mas estable posible y repetir el paso anterior.

I(mA) P(mW)

0

10

20

30

0 20 40 60 80 100 1200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

I (mA)

Pote

nci

a

ptica

(m

W)

0 20 40 60 80 100 1200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

I (mA)

Pote

nci

a

ptica

(m

W)

40

50

60

70

80

90

100

110

120

8. Conteste las siguientes preguntas

Cmo considera que es la dependencia con la temperatura del fotoemisor?

Que puede comentar con respecto de la linealidad?

Segn las hojas de especificaciones Cul es el ancho de banda ptico y elctrico de

este dispositivo?

A que longitud de onda debe trabajar un sistema de comunicaciones por fibra, si

utilizamos este LED como fuente?

Describa un mtodo para medir el tiempo de respuesta del LED, y describa las

limitaciones que tendria.

9. Realice la CONCLUSION de esta prctica.

BIBLIOGRAFA

[1] Newport Corporation. Model 500 Series Laser Diodo Drivers, Operating Manual. 1995.

[2] Newport Corporation. 818 Series Photodetector Guiede, Operator Manual.

[3] Newport Corporation. Power Meter, Operating Manual. 1995.

[4] INTRODUCTION TO OPTICAL FIBER COMMUNICATIONS SYSTEMS;

Jones William B. JR; USA; Oxford University Press ,1988.

[5] FIBER OPTICS COMMUNICATION AND OTHER APPLICATIONS; Henry

Zanger, Cynthia Zanger; USA; Macmillan Publishing Company,1991.

[6] SISTEMAS DE COMUNICACIONES ELECTORONICAS; Cuarta Edicin;

Wayne Tomasi; Impreso en Mxico; Prentice Hall, 2003.