OPTOELECTRONICA - OPTOELECTRONICA APLICADA A LA ROBOTICA

	OPTOELECTRONICA - OPTOELECTRONICA APLICADA A LA ROBOTICA - 2

	En la edición anterior de Saber Electrónica dimos comienzo a esta serie de artículos sobre optoelectrónica aplicada a la robótica. Explicamos cómo se clasifican los dispositivos optoelectrónicos, qué es y cómo funciona un LED, las características y variedades de LEDs, el Diodo Laser, Fotodetectores, etc. En esta segunda entrega veremos algunos circuitos aplicables con LDRs, qué son los fotodiodos, los fototransistores y optoacopladores, dejando para una tercera y última entrega la explicación sobre sensores de imagen.

	*- CIRCUITOS CON LDR*

	VALORES TOMADOS PARA EL LDR: LDR min = 700W LDR max = 7MW CIRCUITO A (Figura 1) Ib = 20mA / 100 = 0,2mA IR3 = 10 . 0,2mA VR3 = 0´7V R3 = 500W R4 = 10,2V / 20mA = 510W (470W) CIRCUITO B (Figura 2) Los mismos valores de componentes pero cambiando la LDR por el potenciómetro, y viceversa. También se puede aplicar un relé. Entonces la carga queda totalmente aislada eléctricamente del circuito principal (Figura 3)



	*- EL FOTODIODO*

	Un fotodiodo consiste en esencia de una unión de material "P" y material "N" polarizada inversamente, en la cual la corriente inversa está en función de la luz que incid een el fotodiodo y se considera que a mayor intensidad de luz existe una corriente de fuga mayor. Cuando la luz de longitud de onda apropiada es dirigida hacia la unión, se crean pares hueco-electrón que se desplazan a través de la unión debido al campo generado en la región deprimida. El resultado es un flujo de corriente, denominado fotocorriente, en el circuito externo, que es proporcional a la irradiancia efectiva en el dispositivo. El fotodiodo se comporta básicamente como un generador de corriente constante hasta que se alcanza la tensión de avalancha. En las figuras 4 y 5 vemos un fotodiodo sensible a la luz con unión PN polarizada inversamente. El fotodiodo exhibe un pico de respuesta en una longitud de onda radiante determinada. Para esta longitud de onda, se produce la máxima cantidad de pares huecos-electrón en la proximidad de la unión. El máximo de la curva de respuesta espectral de un fototransistor típico se halla en 850 mm aproximadamente. En directa, el fotodiodo se comporta como un diodo normal. Si está fabricado en silicio, la tensión que cae en el dispositivo será aproximadamente de 0,7V. El comportamiento del fotodiodo en directa apenas se ve alterado por la generación luminosa de portadores. Esto es debido a que los portadores, provenientes del dopado (portadores mayoritarios) son mucho más numerosos que los portadores de generación luminosa. La totalidad de los detectores de luz comunes consisten en una unión a fotodiodo y un aplificador. En la mayoría de dispositovs comerciales, la corriente del fotodiodo se halla en el margen comprendido entre el sumicroamperio y las decenas de microamperios, pudiendo añadirse a la pastilla un amplificador por un costo mínimo.



	*- FOTODIODO DE AVALANCHA*

	Es posible incorporar un tipo de sistema amplificador de empleo común formando parte del propio fotodiodo. El fotodiodo de avalancha utiliza la multiplicación por avalancha para conseguir amplificar la fotocorriente creada por los pares hueco-electrón. Esto proporciona una elevada sensibilidad y gran rapidez. Sin embargo, el equilibrio entre ruido y ganancia es difícil de conseguir y como consecuencia, el costo es alto. Asimismo la estabilidad de temperatura es deficiente y se requiere una tensión de alimentación de valor elevado (100-300V), estrechamente controlada. Por estas razones, el fotodiodo de avalancha tiene limitadas aplicaciones. CARACTERISTICAS CORRIENTE OSCURA: Es la corriente en inversa del fotodiodo cuando no existe luz incidente. SENSIBILIDAD: Es el incremento de intensidad al polarizar el dispositivo en inversa por unidad de intensidad de luz, expresada en luxes. GEOMETRIA: Presenta una construcción análoga a la de un diodo LED *APLICACIONES* - Comunicaciones - Fotómetros - Control de iluminación y brillo - Control remoto por infrarrojos - Monitorización de llamas de gas y de petróleo (radiación ultravioleta centrada en la banda de 310nm) - Enfoque automático y control de exposición en cámaras Cuando son combinados con alguna fuente de luz: - Codificadores de posición - Medidas de distancia - Medidas de espesor - Transparencia - Detectores de proximidad y de presencia - Sensado de color para inspección y control de calidad Cuando se hace un "array" o arreglo de sensores: - Reconocimiento de formas - Lectores de tarjetas codificadas Algunos ejemplos más cotidianos de su aplicación: - En la aplicación de la figura 7 el fotodiodo se emplea en un sistema de alarma. La corriente inversa continuará fluyendo mientras el rayo de luz no se corte. En este caso la corriente inversa caerá al nivel de la corriente de oscuridad y hará sonar la alarma. - En la aplicación de la figura 8 se usa un fotodiodo para contar artículos en una banda transportadora. Cuando pasa cada artículo, el rayo de luz corta y la corriente inversa cae a nivel de corriente de oscuridad y el contador aumenta en uno. NOTA: Se comercializan fotodiodos con amplificadores, compensación de temperatura y estabilización en el mismo chip. La integración reduce los problemas debidos a corrientes de fuga, interferencias y picos de ganancia debidos a capacitancias parásitas.



	*- FOTOTRANSISTOR*

	Un fototransistor es una combinación integrada de fotodiodo y transitor bipolar npn (sensible a la luz) donde la base recibe la radiación óptica. Es una de las combinaciones fotodiodo amplificador más simples. Dirigiendo una fuente de luz hacia la unión PN polarizada en sentido inverso (colector-base), se genera una corriente de base, que es amplificada por la ganancia de corriente del transistor. La corriente inducida por el efecto fotoeléctrico es la corriente de base del transistor. Si asignamos la notación Ibf para la corriente de base fotoinducida, la corriente de colector resultante, de forma aproximada, es: *Ic = hfe Ibf** En la figura 9 se muestra el esquema de un fototransistor Se requiere un cuidadoso proceso de elaboración de la pastilla del transistor par hacer compatible la máxima reducción de la corriente en la oscuridad del fototransistor, con la obtención de una alta sensibilidad a la luz. Las corriente de este tipo, típicas del fototransistor para una tensión inversa de 10V, son del orden de 1nA a temperatura ambiente y aumentan en un factor de 2 para cada 10ºC de aumento de temperatura. Las especificaciones del fototransistor garantizan normalmente unos límites de corriente en la oscuridad mucho más altos, por ejemplo 50 a 100 nA, debido a las limitaciones del equipo automático de prueba. El funcionamiento de un fototransistor viene caracterizado por los siguientes puntos: - Al exponer el fototransistor a la luz, los fotones entran en contacto con la base del mismo, generando huecos y con ello una corriente de base que hace que el transistor entre en la región activa, y se presente una corriente de colector a emisor. Es decir, los fotones en este caso, reemplazan la corriente de base que normalmente se aplica eléctricamente. Es por este motivo que a menudo la patilla corespondiente a la base está ausente del transistor. La características más sobresaliente de un fototransistor es que permite detectar luz y amplificar mediante el uso de un sólo dispositivo (Ib = 0). - La sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un fotodiodo, ya que la pequeña corriente fotogenerada es multiplicada por la ganancia del transistor

	*- CONSTRUCCION DE LOS FOTOTRANSISTORES*

	Los fototransistores se construyen con silicio o germanio, similarmente a cualquier tipo de transistor bipolar. Existen tanto fototransistores NPN como PNP. Debido a que la radiación es la que dispara la base del transistor, y no una corriente aplicada eléctricamente, usualmente la patilla correspondiente a la base no se incluye en el transistor. El método de construcción es el de difusión. Este consiste en que se utiliza silicio o germanio, así como gases, impurezas o dopantes. Por medio de la difusión, los gases dopantes penetran la superficie sólida del silicio. Sobre una superficie sobre la cual ya ha ocurrido la difusión, se pueden realizar difusiones posteriores, creando capas de dopantes en el material. La parte exterior del fototransistor está hecha de un material llamado epoxy, que es una resina que permite el ingreso de radiación hacia la base del transistor. En la figura 10 se puede observar el aspecto físico de un fototransistor.



	*- FOTODARLINGTON*

	Básicamente, este dispositivo es el mismo que el transistor sensible a la luz, excepto que tiene una ganancia mucho mayor debido a las dos etapas de amplificación, conectadas en cascada, incorporadas en una sola pastilla. En la figura 11 se puede observar el diagrama eléctrico de un fotodarlington



	*- FOTO SCR*

	El circuito equivalente con dos transistores del rectificador controlado de silicio mostrado en la figura ilustra el mecanismo de conmutación de este dispositivo. La corriente debida a los fotones, generada en la unión PN polarizada en sentido inverso, alcanza la región de puerta y polariza en sentido directo el transistor NPN, iniciando la conmutación. En la figura 12 vemos el circuito equivalente de un foto SCR La figura 13 nos musetra un circuito de aplicación de un fototransistor FUNCIONAMIENTO La figura muestra un amplificador DC utilizando fototransistores, y con compensación de temperatura. El circuito contiene el fototransistor T1 empleado como fotodetector, y al fototransistor T2 ocurecido, empleado como referencia. Como se sabe de los dispositivos semiconductores, la temperatura origina también que se generen corrientes en el fototransistor, por lo que se pueden obtener respuestas que no sólo dependen de la luz. Para corregir este efecto, y que el circuito entregue una salida dependiente sólo de la radiación que caiga sobre él, se incluye el fototransitor T2 oscurecido, de manera que el operacional es comandado únicamente por una señal de diferencia. La dispersión entre especímenes de los fototransistores y del amplificador operacional se compensa por medio del potenciómetro R1. La ganancia es fijada por la resistencia R2. Este circuito se emplea como amplificador de escaneo y como detector de acopladores y optoelectrónicos.

	*- OPTOACOPLADORES*

	Existen muchas aplicaciones en las que la información debe ser transmitida entre dos circuitos eléctricamente aislados uno de otro. Este aislamiento puede ser conseguido mediante relés, transformadores de aislamiento y receptores de línea. Existe, no obstante, otro dispositivo que puede ser utilizado de manera igualmente efectiva para resolver estos problemas. Este dispositivo es el optoacoplador. Su empleo es muy importante en aplicaciones en las que el aislamiento de ruido y de alta tensión y el tamaño son características determinantes. Un optoacoplador es un dispositivo que contiene una fuente de luz y un detector fotosensible separados a una cierta distancia y sin contacto eléctrico entre ellos. La clave del funcionamiento de un optoacoplador está en el emisor, un LED que generalmente es un IRED cuya energía radiante está dentro de la región de los infrarrojos, y en el detector fotosensible a la salida el cual puede ser un fototransistor. Dichos componentes se encapsulan conjuntamente y de tal forma que las radiaciones emitidas por el diodo incidan sobre el fototransistor. Al estar compuestos por un componente electroluminiscente (generalmente un diodo IRED) y otro fotosensible (fototransistor), cuyos comportamientos ya han sido estudiados, nos fijaremos en su funcionamiento como bloque.

	*- CARACTERISTICAS DE UN OPTOACOPLADOR*

	Para utilizar completamente las características ofrecidas por un optoacoplador es necesario que el diseñador tenga conocimiento de las mismas. Las diferentes características entre las familias son atribuídas principalmente a la diferencia en la construcción. Las características más usadas por los diseñadores son las siguientes: AISLAMIENTO DE ALTO VOLTAJE: El aislamiento de alto voltaje entre las entradas y las salidas son obtenidos por el separador físico entre el emisor y el sensor. Este aislamiento es posiblemente el más importante avance de los optoacopladores. Estos dispositivos pueden resistir grandes diferencias de potencial, dependiendo del tipo de alcance medio y la construcción del empaquetado. AISLAMIENTO DE RUIDO: El ruido eléctrico en señales digitales recibidas en la entrada de el optoacoplador es aislado desde la salida por el acople medio, desde el diodo de entrada el ruido de modo común es rechazado. GANANCIA DE CORRIENTE: La ganancia de corriente de un optoacoplador es en gran medida determinada por la eficiencia de los sensores npn y por el tipo de transmisión usado. Por ejemplo para el TIL103 la ganancia de corriente es mayor que uno, el cual en algunos casos elimina la necesidad de amplificadores de corriente en la salida. Sin embargo, ambos el TIL102/TIL103 y el TIL120/TIL121, tienen niveles de salida de corriente que son compatibles con las entradas de circuitos integrados como 54/74TTL y muestran la relación entre la corriente de entrada y de salida típica proporcionado por el fabricante. TAMAÑO: Las dimensiones de estos dispositivos permiten ser usados en tarjetas impresas estándares. Los empaquetados de los optoacopladoers son, por lo general, del tamaño del que tienen los transistores. En la figura 14 vemos la representación de un optoacoplador. En la figura 15 podemos observar los terminales de un optoacoplador 4N26



	*- DIFERENCIA ENTRE LEDS Y OPTOACOPLADORES*

	Los diodos LED están basados en la emisión de luz producida por la aplicación de una tensión directa a una unión PN, mientras que los optoacopladores utilizan esta propiedad junto con un dispositivo sensible a la luz para reunir en una sola cápsula un elemento emisor y otro receptor de luz, eléctricamente aislado uno de otro. Continúa en la próxima edición.

	*Autor: Ing. Juan Cárlos Téllez Barrera*