UNIDAD 1CUESTIONARIO DE LOS DISPOSITIVOS OPTOELECTRONICOS

Investigue y resuelva adecuadamente el siguiente cuestionario

1.- ¿Cuáles son los materiales que se utilizan en la fabricación de fotorresistencias para que operen dentro de la región del espectro infrarrojo?

Dentro de la región del espectro infrarrojo se construye de:

Si, SilicioPbS, Sulfuro de PlomoPbSe, Seleniuro de Plomo

2.- Dibuje el circuito equivalente de un fotodiodo, indicando cada uno de sus parámetros que lo componen y su ecuación que la rige.

Is = Corriente de señalIn = Corriente de ruidoID = Corrientes oscurasRp = Resistencia inversa de la uniónRs = Resistencia SerieCp = Capacitor

El diodo bajo iluminación será pues equivalente a un diodo en paralelo con una fuente de corriente de valor IL (que dependerá del flujo luminoso incidente y de los parámetros del dispositivo). Si en la oscuridad la característica I(V) del diodo es:

I (V )=I s(eqVkT −1)

Bajo la iluminación será

I (V )=I s(eqVkT −1)−I L

3.- En un display de 7 segmentos a pleno funcionamiento ¿cuánto vale?

a) La corriente total que consumeb) La potencia total que consumec) Cual es el tipo de lógica que se emplea en el display de 7 segmentos

de cátodo común y el de ánodo común

La corriente que consume el display es la suma de las corrientes que ocupa cada segmento individual, un segmento consume 20mA por lo tanto el display consume:

20mA*7(segmentos) = 140mA

La potencia total que consume cuando se alimenta con 5v es:

P = VI = 5v (140mA) = 0.7 Watts

En los de tipo de ánodo común, todos los ánodos de los leds o segmentos están unidos internamente a una patilla común que debe ser conectada a potencial positivo (nivel “1”). El encendido de cada segmento individual se realiza aplicando potencial negativo (nivel “0”) por la patilla correspondiente a través de una resistencia que límite el paso de la corriente.

En los de tipo de cátodo común, todos los cátodos de los leds o segmentos están unidos internamente a una patilla común que debe ser conectada a potencial negativo (nivel “0”). El encendido de cada segmento individual se realiza aplicando potencial positivo (nivel “1”) por la patilla correspondiente a través de una resistencia que límite el paso de la corriente.

4.- Diga cuales son las pruebas a que se somete una fotorresistencia antes de ser utilizadas en el mercado.

Se le realizan pruebas de fotosensibilidad para corroborar su valor óhmico en condiciones de máxima oscuridad y máxima luminosidad.

5.- La fotoconductividad de una fotorresistencia se puede aumentar ¿diga como?

La fotoconductividad se produce en semiconductores como consecuencia de transiciones electrónicas inducidas por fotones en las cuales se absorbe luz, si un fotón crea un par electrón-hueco, su energía ha de ser igual o superior a la energía de la banda prohibida, el electrón sobre el que ha incidido el fotón saltará a la banda de conducción creando un hueco en la banda de valencia, ambos portadores de carga participarán ahora en la conducción aumentando la conductividad del material y por tanto con una misma diferencia de potencial en los extremos del semiconductor la corriente será mayor debido a la disminución de la resistencia y por lo tanto aumentara la fotoconductividad.

6.- Mencione los 5 parámetros de rendimiento de los fotodetectores.

ResponsividadEs una de las características fundamentales de cualquier fotodetector ya que nos indica que tan sensible es a la energía radiante y se define como la magnitud de la señal de salida entre la unidad de señal de entrada. La responsividad está dada por:

Ʀ=V sP

Donde:Ʀ = ResponsividadVs = Voltaje de salida del fotodetectorP = Potencia recibida por el fotodetector.Si el fotodetector entrega una corriente en la salida entonces la responsividad está dada por:

Ʀ=A sP

Dónde: As = Corriente de salida del fotodetector

Potencia equivalente de ruidoTodos los fotodetectores generan un ruido provocado por diversos factores como la corriente de obscuridad y la temperatura. La mínima potencia detectable depende directamente del nivel de ruido generado por el fotodetector. La potencia equivalente de ruido se define como la mínima potencia radiante requerida para producir una señal de salida igual al nivel de ruido generado por el detector.

Tiempo de respuestaEl tiempo de respuesta es el tiempo necesario para que el fotodetector responda ante un cambio en la señal de entrada irradiante. Usualmente se toman como puntos de transición el 10% y el 90% de la potencia máxima de la señal. Esta característica está directamente relacionada con el ancho de banda en el que puede operar el fotodetector.

Respuesta espectralLa respuesta espectral define como cambia la salida del fotodetector en base a un cambio en la longitud de onda de la señal radiante de entrada para un flujo constante de energía. Se debe poner mucha atención a esta característica al seleccionar el fotodetector a usar en un sistema optoelectrónico, lo más recomendable es que tenga un nivel máximo de respuesta en la longitud de onda a detectar para que se tenga un rendimiento óptimo del sistema.

Ancho de banda

El ancho de banda de un fotodiodo determina la velocidad con que responde este ante las variaciones de la potencia óptica incidente.

7.- Dibuje la curva característica de una fotorresistencia, indicando todos sus parámetros y su ecuación

Las características eléctricas de estos dispositivos no son fácil de conseguir dado su simple funcionamiento y gran variedad de fabricantes, las LDR, o fotoresistencias, se adquieren comercialmente en tamaños diversos, esto implica que el rango de resistencia cambia en función del tamaño, una LDR, de tamaño grande tiene rangos de cambio menor que una LDR pequeña. Incluso los cambios de resistencia no son exactamente iguales en dos LDR, del mismo tamaño. Estás razones hacen que la forma de mayor simplicidad para su uso sea la lectura de su resistencia, o el voltaje que se desempeña en sus terminales. Para usar una LDR, la forma más simple es realizar un divisor de voltaje con una resistencia fija, para entender este concepto se puede observar el siguiente arreglo o circuito:

Asumiendo la teoría básica de circuitos eléctricos para un divisor de voltaje se puede implementar la siguiente ecuación:

Vadc=LDR(Vcc)LDR+R

Despejando de la ecuación, el valor de la foto resistencia, LDR se obtiene la siguiente ecuación:

LDR=(Vout)(R)Vcc−Vout

8.- En condiciones favorables de laboratorio, el ojo humano es capaz de detectar aproximadamente 10-18 Joules de luz monocromática a su longitud de onda más sensible a 550 nm ¿Cuantos fotones representa lo anterior?

E=Nh cλ

Donde N = Numero de fotonesE = 10-18 Joules

h=6.63 x10−34 Js

c=3 x 108ms

λ=550 x10−9m

Por lo tanto N= Eλhc

=10−18(550x 10−9)6.63 x10−34(3x 108)

¿27.652Fotones

9.- Determinar el valor de Ve para que el LED encienda, del circuito mostrado.

Vc = - 10 V

Rc = 330 Ω

C B RB = 27 KΩ

E LED

VE

10.-Calcular los valores de RC y RB del circuito mostrado, si el VBB es un

pulso que varia de 0v a 4.5v, y la corriente máxima del led vale 35mAmp.

β=I cIB

IE=I c+ IB=(β+1 ) IB

IE=35mA

35mA=(200+1 ) I BIB=

35mA201

=0.174mA

β=I cIB

∴ IC=β IB

IC=(200 ) (0.174 )=34.8mA

RC=9V−0.7V34.8 x10−3

=238.5Ω≈240Ω

RB=4.5V−0.7V0.174 x 10−3

=21.83kΩ≈22kΩ

11.- Se tienen 2 espejos perpendiculares uno al otro. Un rayo que viaja en un plano perpendicular a ambos espejos se refleja en uno de ellos y luego en el otro (como se indica) ¿Cuál es el ángulo final del rayo respecto a su dirección inicial?

Leyes de Reflexión:

1ª El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en el mismo plano.

2ª El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Debido a las leyes de reflexión podemos de deducir que el ángulo final del rayo

respecto a su dirección inicial es π2−∅ 1

Como se puede observar en la imagen siguiente:

12-13.- Para el siguiente caso RA es una fotorresistencia con las siguientes especificaciones:

Fotorresistencia: Resistencia de oscuridad = 500 KΩ Resistencia de iluminación = 500 ΩTransistor: Β = 50 Vce sat = Vbe sat = 0.7 VRele: Corriente operacional del rele (Imax) =25 mADetermine: a) IB Requerida para operar el rele b) RB Requerida para la operación correcta c) Tensión en el punto Vx

β=I cIB

IB=ICβ

=25mA50

=500Μa

IE=IC+ IB

IE=25mA+500 μA=25.5Ma

∴ IB=500μA

IC=25mA

IE=25.5mA

−10V +RA IB+RB I B+O .7V=0

−10V +500 (500μA )+RB (500 μA )+0.7V=0

(500 μA ) RB=9.05V

RB=18.1kΩ

V X=RB IB+O .7V=18.1kΩ (500 μA )+0.7V

V x=9.75V

15.-Cuales son los ángulos de refracción que se producen al incidir un rayo de luz de 37º a una superficie del: 1-Diamante (2.42), al 2-agua (1.33), después al 3-vidrio crow (1.52), este a su vez al 4- benceno (1.5), este al 5- Hielo (1.31) y finalmente al aire.

Nota: se recomienda hacer su diagrama esquemático general

n1 senθ1=n2 senθ2

1 sen (37 )=2.42 senθ2

θ2=sen−1( 0.60182.42 )=14.39 °………Diamante

2.42 sen14.39 °=1.33 senθ2

θ2=26.88°……… Agua

1.33 sen 26.88°=1.52 senθ2

θ2=23.30°………VidrioCrow

1.52 sen23.30 °=1.5 senθ2

θ2=23.62°………Benceno

1.5 sen θ2=1.31 senθ2

θ2=27.30°………Hielo

1.31 sen27.30 °=1 senθ2

θ2=36.92°……… Aire

16.-Si un electrón es acelerado a través de una diferencia de potencial de 100 V ¿Qué energía adquirirá?

1V=1 JC

Energiadel electrón=100 (1.6021756∗10−19 )

Energíadel electrón=1.6021756∗10−17 electrón−volt

17.- Realizar una tabla de conversión y equivalencias de unidades luminosas entre si, así mismo, el equivalente a corriente.

Nota:

lux Lumen candela estereorradianes

UNIDAD EQUIVALENCIASLUX 1 lux = 1 lm/m2

1 lux = 10−4 lm/cm2

1 lux = 0.09 Pie-cd.1 lux = 10−4 Phot.1 lux = 1000 Nox.

LUMEN 1 lm = 1 cd/sr1 lm = lux/m2

CANDELA 1Lumen/sr = 1 cd1Hefnerkerze = 1,1069676153 cd1Candlepower = 1,0193679918 cd1 cd = 12.6 Lumens.

CANDELA/METRO2 1 Kilo candela/ m2 = 0.001 cd/m2

1 candela/cm2 = 0.0001 cd/m2

1 candela/ft2 = 0.09290304 cd/m2

1 pie/Lambert= 0.0003141593 cd/m2

1 Nit = 1 cd/m2

1 stilb = 0.0001 cd/m2

ESTEREORRADIÁN

Donde:Ω= el ángulo solido en sr.A= áreaR= Radio

18.- Cuales son las características más importantes de los fototransistores.

1. Mayor sensibilidad que los fotodiodos.2. Velocidad de conmutación.3. La sensibilidad del dispositivo depende del área de recolección (únion base-

colector).4. Presenta un área de recolección de grande.

19.- Que características se deben de tomar en cuenta; cuando se realiza un circuito con display (enumérelos)

Cuando sea necesario visualizar números utilizaremos displays.

En nuestro caso serán displays de 7 segmentos, que son dispositivos con 7 diodos LED con la forma y disposición adecuadas para representar los dígitos cuando activamos distintas combinaciones de diodos.

Pueden ser de dos tipos:

• Ánodo común: los ánodos de todos los diodos del dispositivo están unidos entre sí. Uno de los terminales del display será el ánodo (común a todos los LEDs) y los demás pines serán los cátodos de cada diodo.

• Cátodo común: en este caso estarán unidos los cátodos de todos los diodos.

Con respecto a la forma de conectar un display en el circuito, al igual que ocurre cuando empleamos cualquier diodo de forma aislada, es necesario conectar una resistencia a cada uno de los LEDs para limitar la corriente que los atraviesa. Además, el terminal común de los displays debe estar conectado a la tensión adecuada, según el tipo. Como normalmente dispondremos del dato a visualizar en binario, será necesario utilizar un decodificador para obtener las señales de excitación de los segmentos. Obviamente, los decodificadores serán diferentes para displays de ánodo común y de cátodo común.

Los displays de ánodo común se conectan a un decodificador 7447 conectados como se muestra en la figura, con resistencias de 330Ω.

Si no se dispone de las hojas de características del display, será necesario averiguar con qué diodo se corresponde cada pin. A continuación se expone un método general para los displays de ánodo común, que será fácilmente extrapolable a displays de cátodo común intercambiando los valores de tensión.

En primer lugar debemos localizar el terminal común (ánodo). Normalmente se puede hacer por simple inspección visual de la parte inferior del display, que suele ser semitransparente, viendo donde se unen los diodos, y siguiendo esa pista hasta su pin/pines correspondientes.

En el pin localizado anteriormente conectamos 1,5 voltios de la fuente de alimentación, y una limitación de corriente suficientemente pequeña como para que no se queme el diodo.

Con la masa de la fuente de alimentación se va tocando cada pin del display, y apuntando qué diodo se ilumina al tocar cada uno. Ese toque debe realizarse rápidamente, ya que si la limitación de corriente de la fuente de alimentación no es suficiente podría dañarse el diodo. Para aumentar la seguridad, se puede realizar a través de una resistencia limitadora.

Hay que considerar que puede haber pines no conectados a ningún diodo y que es posible (depende del modelo) que el terminal común se corresponda con varios pines. En este caso los pines estarán conectados internamente, por lo que solo uno de ellos tendrá que estar conectado a Vcc.

20.- Realice una tabla donde involucre a todos los dispositivos ópticos vistos e indique sus características básicas, así mismo sus aplicaciones principales.

DISPOSITIVO CARACTERISTICAS APLICACIONESFotoresistencia 1.- Los valores típicos varían entre

12 MΩ, en la oscuridad y 1000 Ω con luz brillante.

Luz de encendido automático.

2.- Disipación máxima, (50 mW-1W).

3.- Voltaje máximo que puede soportar (600V).

4.- Respuesta Espectral de mayor a menor resistencia

5.- El tiempo de respuesta típico de un LDR es de 0.1Seg.

Relé controlado por luz.

El LDR o foto resistencia es un elemento muy útil para aplicaciones en circuitos donde se necesita detectar la ausencia de luz de día.

Fotodiodo 1.- Al aplicar polarización inversa sin luz presente, la corriente inversa (corriente de fuga) varía en proporción al campo eléctrico presente.

2.- Cuando se aplica luz adecuada y se incida sobre la unión PN en inverso se producen Pares Hueco-Electrón que son desplegados a lo largo de la juntura por el campo eléctrico.

3.- Polarizado el fotodiodo en inversa se comporta como una fuente de corriente constante hasta obtenerse una tensión de avalancha.

4.- La respuesta espectral y el tiempo de respuesta dependen del área de recolección y de la impurificación del material.

Sistemas de alarmas.

Fototransistor 1.-Mayor sensibilidad que los fotodiodos.

2.- Velocidad de conmutación rápida.3.-La sensibilidad del dispositivo depende del área de recolección (unión Base-Colector).

4.-Presenta un área de recolección de grande.

Lectoras de tarjetas perforadoras.

Circuitos mecánicos-electrónicos en

Computadoras.

Indicadores de nivel.

Relevadores.

Sistema de conteos.

Nota: Se puede variar la sensibilidad del fototransistor:

1.- Cuando se conecta una fuente externa a la base, se aumenta la sensibilidad.

2.- Cuando no existe terminal de base este dispositivo tiene una sensibilidad constante.

Fototiristor Al aumentar la temperatura de la unión (Tj) produce una reducción en la energía luminosa necesaria para activar el dispositivo.

El fototiristor es más sensible a la luz cuando la terminal de compuerta se encuentra abierta.

La sensibilidad a diferentes cantidades de iluminación puede controlarse mediante la inserción de una resistencia en la compuerta.

Controles ópticos luminosos.

Relevadores.

Control de fase.

Control de motores.

Aplicaciones de disparo.

Led 1.-Dimensiones y color del diodoLos Leds tienen diferentes tamaños, formas y colores. Las dimensiones en los Led redondos son 3mm, 5mm, 10mm y uno gigante de 20mm. Los de formas poliédricas suelen tener unas dimensiones aproximadas de 5x5mm.

Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento.

Se utilizan para desplegar

2. Ángulo de vistaCuando el Led es puntual la emisión de luz sigue la ley de Lambert, permite tener un ángulo de vista relativamente grande y el punto luminoso se ve bajo todos los ángulos.

3. LuminosidadLa intensidad luminosa en el eje y el brillo están intensamente relacionados. Tanto si el Led es puntual o difusor, el brillo es proporcional a la superficie de emisión.

contadores Para indicar la

polaridad de una fuente de alimentación de corriente continúa.

Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna.

En dispositivos de alarma, etc.

Irled 1.-Característica es emitir una luz correspondiente al espectro infrarrojo, invisible para el ojo humano.

2.-Funcionan como dispositivos de visión nocturna cuando la luz ambiente resulta ser insuficiente.

Se emplean, ampliamente, en videoporteros

domésticos para ver y grabar imágenes en la obscuridad.

Para grabaciones de noche con videocámaras con la función “night-shot”.

En mandos domésticos de control remoto para el cambio de canales en los televisores.

En muchas otras aplicaciones enmarcadas dentro de los sectores de la electrónica doméstica e industrial.

Display 7 segmentos

1.- Conector con pines.

2.- Angulo de visión ancho.

3.- Rápida respuesta.

4.- Bajo consumo.

5- Alto contraste

Todas aquellas aplicaciones en las que requieras visualizar valores numéricos.

Contadores. Relojes. Temporizadores. Instrumentos de

medición (voltímetro, amperímetro, etc.).

Medidores de nivel y distancias.

Indicadores de movimiento.

Lcd 1.-La tensión nominal de alimentación es de 5V, con un consumo menor de 5mA.

2.-El LCD dispone de una matriz de 5x8 puntos para representar cada carácter. En total se pueden representar 256 caracteres diferentes.

3.-240 caracteres están grabados dentro del LCD y representan las letras mayúsculas, minúsculas, signos de puntuación, números, etc.

4.-Existen 8 caracteres que pueden ser definidos por el usuario.

5-El LCD dispone de dos tipos de memorias independientes: la DD RAM y la CG RAM

Todas aquellas aplicaciones en las que requieras visualizar caracteres.

Las aplicaciones de los módulos LCD son infinitas ya que podrán ser aplicados en la informática, comunicaciones, telefonía, instrumentación, robótica, automóviles, equipos industriales, etc.