Laboratorio de Electrónica Análoga I

Práctica No. 2

Aplicaciones de Diodos en Circuitos Ópticos

Presentado por:

Santiago José Montoya Mejía

Juan Carlos Maya

Profesor:

Gustavo Patiño

Departamento de Ingeniería Electrónica

Universidad de Antioquia

2015-1

INTRODUCCION

El uso de diodos LED es ampliamente conocido, puesto que estos se utilizan en la mayoría de

dispositivos electrónicos en algunos dispositivos electrónicos algunos ejemplos de esto son:

celulares, sistemas de control, controles remotos, pantallas LED, avisos luminosos entre muchos

otros.

Estos parten de ser diodos teniendo un ánodo y un cátodo que con el paso de la corriente a través

de ellos desde su polo positivo a su polo negativo producen un potencial lumínico medido en

lumias, estos dispositivos vienen en gran cantidad y diversidad, variando colores, tamaños y

principalmente precios.

La implementación de diodos LED con otros sistemas electrónicos tales como, fototransistores,

fotorresistencias, amplificadores operacionales entre otros pueden general una infinidad de

funciones utilies para gran cantidad de aspectos tanto industriales como cotidianos.

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCION......................................................................................................................................2

OBJETIVOS...............................................................................................................................................4

Objetivo general......................................................................................................................................4

Objetivos específicos..............................................................................................................................4

MARCO TEORICO....................................................................................................................................5

DESARROLLO Y MONTAJE...................................................................................................................9

Implementos utilizados...........................................................................................................................9

Montaje Experimental.............................................................................................................................9

ANALISIS................................................................................................................................................14

CONCLUSIONES....................................................................................................................................16

BIBLIOGRAFIA......................................................................................................................................17

ANEXOS..................................................................................................................................................18

Anexo 1. Datasheet Display 7 Segmentos familia TOS5121.................................................................18

Anexo 2. Datasheet contador 0-9 CD4017BC.......................................................................................18

Anexo 3. Datasheet contador binario DM74LS90.................................................................................25

Anexo 4. Datasheet decodificador BCD a 7 segmentos DM74LS47.....................................................32

Anexo 5. Datasheet amplificador operacional LM324..........................................................................37

Anexo 6. Datasheet temporizador de precisión NE555.........................................................................44

Anexo 6. Datasheet diodo LED 5mm Rojo...........................................................................................51

OBJETIVOS

Objetivo general

Implementar en una protoboard los circuitos impresos destinados para la elaboración de la

práctica, con el fin de analizar su funcionamiento y las distancias en las cuales el circuito

funciona adecuadamente en base al LED utilizado y la corriente que por este fluye.

Objetivos específicos

1. Realizar el pre informe predispuesto para la práctica.

2. Implementar en una protoboard un circuito con la utilización de un Display 7 segmentos,

un LED, y un fototransistor.

3. Tomar datos relacionados con las distancias de funcionamiento del sistema, y los valores

de las resistencias utilizados.

MARCO TEORICO

Los diodos LED se usan como indicadores en muchos dispositivos y en iluminación. Los

primeros LED’s emitían luz roja de baja intensidad, pero los dispositivos actuales emiten luz de

alto brillo en el espectro infrarrojo, visible y ultravioleta.

Debido a su capacidad de operación a altas frecuencias, son también útiles en tecnologías

avanzadas de comunicaciones y control. Los LED’s infrarrojos también se usan en unidades de

control remoto de muchos productos comerciales incluyendo equipos de audio y video (Shubert,

2003).

Existen tres formas principales de conocer la polaridad de un LED:

• La pata más larga siempre va a ser el ánodo.

• En el lado del cátodo, la base del LED tiene un borde plano.

• Dentro del diodo LED, la plaqueta indica el ánodo. Se puede reconocer porque es más

pequeña que el yunque, que indica el cátodo.

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 ojo humano,

pero puede ser detectada por una variedad de dispositivos electrónicos, haciendo al LED ideal

para objetos como controles remotos, donde el LED no necesita ser visto para funcionar.

Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la incidencia de la

luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo

que 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 en

ausencia una fuente exterior de energía generan una corriente muy pequeña con el positivo en el

ánodo y el negativo en el cátodo (Unicrom, s.f.).

Sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz incide sobre la región de base, generando

portadores en ella. Esta carga de base lleva el transistor al estado de conducción. El fototransistor

es más sensible que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor.

Un fototransistor es igual a un transistor común, con la diferencia que el primero puede trabajar

de 2 formas:

1. Como transistor normal con la corriente de base Ib (modo común).

2. Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de

corriente de base. Ip (modo de iluminación).

Puede utilizarse de las dos en formas simultáneamente, aunque el fototransistor se utiliza

principalmente con el pin de la base sin conectar.

En el mercado se encuentran fototransistores tanto con conexión de base como sin ella y tanto en

cápsulas plásticas como metálicas (TO-72, TO-5) provistas de una lente.

Composicióndel chip

Nombre del compuesto

Color de la luz emitida

Tensión de

trabajo en volt

(V)

Frecuencia en hertz

(Hz)

Longitud de onda en nm

GaAs Arseniuro de galio< 1,9 < 4,0 x 1014 > 760

GaAlAsArseniuro de galio

y aluminioGaP Fosfuro de galio

± 1,84,8 - 4,0x 1014 610 - 760

GaAlAsArseniuro de galio

y aluminio

AlInGaPFosfuro de

aluminio indio y   galio

GaAsP/GaPFosfuro de galio y

arsénico /   Fosfuro de galio

AlInGaPFosfuro de

aluminio indio y   galio

± 2,0

5,1 - 4,8x 1014 590 - 610

GaAsP/GaPFosfuro de galio y

arsénico /   Fosfuro de galio

AlInGaPFosfuro de

aluminio indio y   galio

5,3 - 5,1x 1014

570 - 590

GaP Fosfuro de galio

± 3,0 500 - 570InGaN

Nitruro de indio y galio

5,8 - 5,3x 1014GaN Nitruro de galio

InGaN / Zafiro

Nitruro de indio y galio / Zafiro

SiC Carburo de silicio

± 3,36,7 - 6,0x 1014

450 - 500

InGaN / Zafiro

Nitruro de indio y galio / Zafiro

GaN Nitruro de galioInGaN / Zafiro

Nitruro de indio y galio / Zafiro

InGaNNitruro de indio y

galio± 3,4

7,9 - 6,7x 1014

GaN Nitruro de galio ± 3,7 >7,9 x 1014 < 400

Ce:YAGGranate-aluminio-

itrio,  dopado de cerio

± 3,4Espectro completo

Espectro completo

Fuente: CARACTERÍSTICAS DE LOS DIODOS LED’s, tomada el 15 de Abril del 2015 de

http://www.asifunciona.com/tablas/leds/leds.htm

Tipo ColorCorrient

e Max.

Voltaje

referenci

a

Voltaj

e Max.

Voltaj

e Real

Max.

Intensida

d

lumínica

Angul

o de

visión

Longitu

d de

onda

Estándar Rojo 30mA 1.7V 2.1V 5V5mcd –

10mA60° 660nm

EstándarRojo

brillante30mA 2.0V 2.5V 5V

80mcd –

10mA60° 625nm

EstándarAmarill

o30mA 2.1V 2.5V 5V

32mcd –

10mA60° 590nm

Estándar Verde 25mA 2.2V 2.5V 5V32mcd –

10mA60° 565nm

Alta

intensida

d

Azul 30mA 4.5V 5.5V 5V60mcd –

20mA50° 430nm

Súper

brillanteRojo 30mA 1.85V 2.5V 5V

500mcd –

20mA60° 660nm

Baja

corrienteRojo 30mA 1.7V 2.0V 5V

5mcd –

2mA60° 625nm

DESARROLLO Y MONTAJE

Implementos utilizados

· Uno o más LED’s infrarrojos.

· Uno o más transistores infrarrojos.

· Diodo LED de luz visible (cualquier color).

· Resistencia de 1KΩ.

Montaje Experimental

Para el desarrollo de la práctica se realiza el montaje en una protoboard del circuito presentado en la figura 1.

Figura 1. Circuito contador

Este circuito consta realmente de dos circuitos, en el primero se utiliza un diodo LED

inicialmente planteado como un LED infrarrojo debido a problemas de funcionamiento en

cuanto al rango del diodo LED utilizado, se opto por utilizar un LED de chorro azul de 5mm,

junto con una resistencia para limitar la corriente en el diodo de forma que este no se quemara

debido a un corto circuito, el segundo circuito consta de un foto diodo, el cual por problemas de

funcionamiento fue reemplazo por una fotorresistencia la cual cumple un funcionamiento

similar, adjunto a esto se utiliza un amplificador operacional en modo comparador, inicialmente

se planteo el uso de un amplificador operacional de referencia LM139 como el ilustrado en la

figura 1, sin embargo por comodidad en la adquisición de este se uso un amplificador de

referencia LM324N que para usos practicas funciona de misma forma puesto que no se

analizaría velocidades de reacción ni intervalos de frecuencia para un correcto funcionamiento,

este circuito tiene adicionalmente una sección de conteo, y una de visualización la cual en el

desarrollo practica se realiza de dos maneras simultáneamente en la primera se utilizo un

contador BCD de referencia 7490 y un decodificador para Display 7 segmentos de ánodo común

7447 y a su salida un Display de 7 segmentos de ánodo común con resistencias de 270 Ohmios

para evitar que los LED’s internos del Display se quemaran, en la segunda parte se utilizo un

contador 4017 el cual lleva la cuenta dejando en alto la salida correspondiente a la cuenta, en

esta salida se conecto un LED rojo de 5mm, con la finalidad de demostrar dos sistemas de

conteo diferentes pero funcionales.

La finalidad del primer circuito consta en emitir luz únicamente, sin embargo se vario la

resistencia de carga con el fin de obtener diversos valores de corriente y así probar la distancia

de funcionamiento a la cual el segundo circuito lograba percibir las interrupciones producidas

entre el diodo LED emisor y la fotorresistencia.

Tabla 1. Resultados prácticos

Resistencia (Ω) Corriente (mA) Distancia (cm)

120 41.67 65

270 18.51 30

330 15.15 25

720 6.94 5

1k 5.00 2

2k 2.50 0

En la tabla anterior se observan los valores de resistencias utilizadas y las correspondientes

corrientes para esta resistencia y la distancia máxima a la cual el receptor aún percibió la luz

emitida por el diodo LED, vale aclarar que el valor de alimentación para cada circuito fui de

5VDC.

En base al Datasheet del LED 5mm Azul utilizado se sabe que las corrientes de funcionamiento

de este son 15-30mA sin embargo este tiene un funcionamiento hasta 60mA corriendo el riesgo

de este quemarse pasados unos minutos por lo que los valores utilizados, permitieron su

funcionamiento sin este quemarse.

Analizando los valores de las distancias vemos que luego de exceder la corriente máxima

optima del LED se obtuvo una distancia de 2.17 veces la distancia obtenida con el siguiente

valor de resistencia probado correspondiente este a 270 Ohmios.

Una aproximación grafica de la información obtenida se da en la siguiente grafica.

120 270 330 720 1k 2k0

10

20

30

40

50

60

70

Resistencia vs Distancia

Resistencia vs Distancia

Gráfica 1. Resistencia vs Distancia

41.67 18.51 15.15 6.94 5.00 2.500

10

20

30

40

50

60

70

Distancia vs Corriente

Distancia vs Corriente

Gráfica 2. Distancia vs corriente

Inicialmente mediante el análisis teórico se planteo que los valores para las resistencias del

circuito variarían tanto para el emisor como para los voltajes de comparación del amplificador

operacional

Tabla 2. Resistencias teóricas

R1(Ω) R2(Ω) R3(Ω)4,7 4,7 120

10 10 270

330 330 330

470 470 1k

720 720 2k

Sin embargo por falta de tiempo en la elaboración de la práctica se vario únicamente los valores

para la resistencia 3 correspondiente a la resistencia del LED emisor por lo que la tabla

realmente utilizada fue:

Tabla 3. Valores utilizados

R1(Ω) R2(Ω) R3(Ω)1k 1k 120

1k 1k 270

1k 1k 330

1k 1k 1k

1k 1k 2k

ANALISIS

El uso de diodos de diferentes tipos tales como diodos LED rojos, amarillos verdes, azules,

infrarrojos o ultravioletas pueden tener una misma utilidad para el desarrollo de este tipo de

práctica experimental, puesto que el verdadero uso o finalidad de estos es tener una fuente

lumínica que aumentara o disminuyera la resistencia del receptor para el cual también era

aceptable el uso tanto de fototransistores o fotorresistencias puesto que su finalidad en este caso

era la misma, sin embargo hay un punto a considerar de los LED’s utilizados y la interferencia

producida por la luz ambiente, un aspecto a cuestionarse es el uso de LED’s de chorro puesto

que estos permiten enfocar la luz con mayor facilidad debido esto a la forma de emisión casi

lineal que estos producen diferenciándose de los LED’s difusos los cuales generan una mayor

dispersión de la luz y de esta forma se desperdicia su potencial lumínica una alternativa a

considerar es el diseño cubiertas tanto para el LED como para el emisor que permitan enfocar la

luz de los LED’s difusos y evitar la interferencia por parte de la luz ambiente.

El uso de dos sistemas de conteo se baso en la idea de simplificar el espacio sin embargo el

método realizado con el contador 4017 es análogo en el sentido que enciende un único LED por

cada cuenta que este realice, por lo que se debe tener presente el orden en el cual se ubiquen los

LED’s en base a sus salidas para tener claridad de en qué valor va la cuenta, mientras que el

sistema de conteo BCD usado con el integrado 7490 y la decodificación de este para el uso de un

Display 7 segmentos trabaja de una forma digital y no análoga, este método permite una mejor

visualización del valor actual de la cuenta representando mediante 7 LED’s los números entre el

0 y el 9, incluso permitiéndonos adicionar letras a la cuenta en el caso que fuera una cuenta en

hexadecimal, a costa de tiempo de montaje en protoboard y el uso de dos circuitos integrados, lo

cual podría tomar hasta 40 minutos más que si se implementara utilizando un contador 4017.

Por falta de tiempo no se pudo realizar los experimentos variando todas las resistencias que el

experimento involucran sin embargo con el planteamiento inicial de solo 5 experimentos los

datos pueden ser vagos y no mostrar el comportamiento real de los circuitos, en los cuales las

resistencias tienen porcentajes de variación de hasta un %5 por ciento para las resistencias

utilizadas, queda en duda el comportamiento del circuito para las variaciones de las resistencias

1 y 2, sin embargo con los datos tomados mediante la variación de la resistencia 3 se puedo

realizar 2 graficas de comportamiento.

Hay que anexar que para el correcto funcionamiento de los dos sistemas de conteo se utilizo un

circuito integrado NE555 en modo monoestable debido a que en el proceso de conteo las señales

de entrada tendía a rebotar, por lo que se utilizo este con un tiempo de 1 segundo entre las

cuentas llevadas por los contadores.

CONCLUSIONES

Fuera de la cantidad lumínica que los LED’s emiten debido al paso de corriente a través

de ellos, es necesario tomar en cuenta algunas variables externos que pueden afectar el

circuito tales como impedancias no deseadas en los componentes siendo estas por errores

de fabrica, la luz ambiente que percibe el receptor, la temperatura ambiente ya que esta

puede influir en el funcionamiento del circuito y la cantidad lumínica que los LED’s

pueden emitir.

La implementación de dos contadores simultáneamente puede producir problemas en las

señales internas del circuito, por lo que se recomiendo utilizar cada uno por separado o

utilizar un temporizador de precisión como el NE555 de forma que este genere un retardo

entre la entrada de las señales y no se genere este tipo de problemas.

La variación de únicamente uno de los 3 valores de resistencias puede permitir analizar el

funcionamiento del circuito y de las distancias de lectura del receptor en base al emisor,

sin embargo es pertinente la variación de todas las resistencias desarrollando un diseño

experimental donde se puedan tomar una cantidad de datos significativas que nos

permitan diseñar un circuito con el menor consumo posible, y una optimización del

mismo puesto que en la generalidad de los dispositivos electrónicos estos no cuentan con

una fuente de voltaje regulada la cual trae gastos indirectos, sino que se usan pilas o

baterías por las que se busca optimizar su rendimiento.

BIBLIOGRAFIA

Johnson, D. (1996). ANÁLISIS BÁSICO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS, Prentice Hall Hispanoamericana.

Sanjurjo, E. Lázaro, P. de Miguel. (1997). TEORÍA DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS, R.. Ed. McGraw-Hill.

Shubert, E. Fred (2003), Light-Emitting Diodes, Cambridge University Press, ISBN 0-521-82330-7.

ANEXOS

Anexo 1. Datasheet Display 7 Segmentos familia TOS5121

Anexo 2. Datasheet contador 0-9 CD4017BC

Anexo 3. Datasheet contador binario DM74LS90

Anexo 4. Datasheet decodificador BCD a 7 segmentos DM74LS47

Anexo 5. Datasheet amplificador operacional LM324

Anexo 6. Datasheet temporizador de precisión NE555

Anexo 6. Datasheet diodo LED 5mm Rojo