1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES DE LUZ

La luz está formada por ondas, que se propaga en todas direcciones y siempre en línea  recta. Las ondas luminosas son diferentes a las ondas sonoras, ya que pueden propagarse a través del vacío y se llaman ondas electromagnéticas. Dentro del espectro electromagnético,  las longitudes de onda que pueden ser percibidas por el ojo humano, se les conoce como luz visible ya que esta radiación electromagnética es capaz de afectar el sentido de la visión. El sol es  la fuente luminosa natural de la tierra. Como la luz blanca en realidad está compuesta por siete colores, de  acuerdo al tipo de luz que absorben y que reflejan, vemos los objetos de diferentes  colores.

            Las longitudes de onda de la luz visible se midieron en la primera década del siglo XIX, mucho antes de que se imaginase que la luz era una onda electromagnética. Se encontró que sus longitudes de onda estaban entre 4.0 x  m y 7.5 x  m; o lo que es lo mismo, entre 400 nm  y 750 nm  (1 nm = m). Las frecuencias de los rayos de luz visibles se pueden encontrar utilizando la ecuación 1.1.

fλ= c                                                                                       (E. 1.1)

            Donde f y λ son la frecuencia y la longitud de onda, respectivamente. Aquí, c es la velocidad de la luz, 3.00x  m/s; tiene el símbolo especial c por su universalidad para todas las ondas electromagnéticas en el espacio libre. Así, la ecuación 1.1 nos dice que las frecuencias de la luz visible están entre 4.0 x Hz y 7.5 x  Hz. (recuerde que 1 Hz =  1 ciclo por segundo y que frecuencia   es el número de veces que se repite el ciclo de una señal en 1 segundo, se mide en Hz).

 Al igual que la luz visible, existen distintos tipos de radiación electromagnética, los cuales pueden arreglarse en una secuencia bien determinada: ondas de radio, luz infrarroja, luz visible, luz ultravioleta, rayos X y rayos gamma. La diferencia entre estos distintos tipos de radiación es su "longitud de onda". Las ondas de radio tienen una "longitud de onda" mayor (desde miles de metros hasta un milímetro), mientras que los rayos gamma tienen longitudes de onda menores que el tamaño de un átomo.  Así como la "banda electromagnética" de luz visible se separa en los distintos colores, como se muestra en la Figura 1.1, cada una de las otras "bandas" (radio, infrarrojo, ultravioleta, rayos X y gamma) puede separarse en componentes. El ejemplo más familiar es el de las ondas de radio que incluyen las bandas de AM y FM, las de televisión (en las cuales encontramos las de muy alta frecuencia, VHF, y de ultra alta frecuencia, UHF), las bandas de radar y las microondas, como se muestra en la Figura  1.2. 

Cabe mencionar que la naturaleza de la luz, no es fundamentalmente  diferente de las otras radiaciones electromagnéticas, la característica que distingue a la luz de otras radiaciones es su energía,  el contenido energético de la luz varía de casi 2.8 a 5x  Joules.

Se considera que el comportamiento de la luz es de carácter dual, se conserva la teoría ondulatoria al considerar que el fotón tiene una frecuencia y una energía que es proporcional a esta. 

La teoría ondulatoria generalmente se utiliza para explicar la propagación de la luz, por otro lado la teoría corpuscular es necesaria para descifrar  la interacción de la luz con la materia,  por lo tanto, puede definirse a la luz como: energía radiante trasportada por fotones y trasmitida por un campo ondulatorio.

No se pretende aquí realizar un estudio riguroso a cerca de la radiación electromagnética. Simplemente se recordarán algunos conceptos básicos.

1. La radiación electromagnética está formada por fotones.2. Cada fotón lleva asociada una energía que se caracteriza por su longitud de

onda según la ecuación 1.2.E=hc/λ                                                                                                                      (E.1.2)

Dónde:                      E = energía del fotón                                        c = velocidad de la luz 3x108 m/s 

 h = constante de Planck (6.626x  j/s)       λ = longitud de onda del fotón.

El numerador de la ecuación 1.2 es una constante. Por eso, la energía de un fotón es mayor cuanto menor sea la longitud de onda, que se encuentra en el denominador.

A menudo nos encontramos con la necesidad de detectar y/o cuantificar la energía luminosa presente ya sea en el medio o bien en un sistema que utiliza la luz para trasmitir información; cuando esta situación se presenta, el diseñador tiene a su disposición una variedad de elementos eléctricos o electrónicos conocidos como transductores optoelectrónicas para realizar esta tarea. Y la elección de cualquiera de ellos depende de la naturaleza y requerimientos de la aplicación específica, por ello la importancia que hoy en día adquiere la optoelectrónica, ya que es el nexo de unión entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos.            Los transductores Optoelectrónicas, son aquellos cuyo funcionamiento está relacionado directamente con la luz, es decir, son aquellos dispositivos capaces de convertir energía luminosa en eléctrica o viceversa. Es posible  clasificar estos elementos también conocidos como foto detectores o sensores de luz, según el mecanismo mediante el cual responden a la luz incidente, en base a esto se les clasifica en 3 categorías que son:

a)      Detectores Semiconductores.- Como el diodo de unión o el resistor dependiente de la luz, en los cuales los electrones son excitados de la banda de valencia a la banda de conducción del material fotosensible.

b)      Detectores fotoemisores.- Caracterizados por el tubo fotomultiplicador, en los cuales los electrones son rechazados de un material fotosensible por la irradiación de luz.

c)      Detectores Térmicos.- Como la termopila basada en el efecto de calentamiento producido por la luz para elevar la temperatura del material irradiado, con el cambio consecuente en una o más de sus propiedades.

Para todos los objetivos de la optoelectrónica el detector semiconductor es imprescindible. Su bajo costo, pequeño tamaño, aguante y bajos requisitos de energía, su ancho intervalo espectral, aceptable sensibilidad y rápida respuesta casi lo convierten  en el detector optoelectrónico ideal. Sin embargo, hay ocasiones en las que el detector semiconductor no es la mejor elección.

Resulta atractivo el uso de los detectores fotoemisores y más concretamente del tubo fotomultiplicador cuando la fuente de iluminación es débil y solo se dispone de unos cuantos microwatts de potencia óptica, pese a que estos son voluminosos, frágiles y requieren fuente de alimentación de alto voltaje. Este tipo de sensores, basan su funcionamiento en la propiedad que tienen algunos materiales, especialmente los metales alcalinos como Sodio, Litio, Cesio y sus aleaciones, los cuales liberan electrones de su superficie cuando son iluminados por una fuente de luz externa. Este es el bien conocido fenómeno de la Emisión fotoeléctrica   y es la base de la operación de los detectores fotoemisivos como el fototubo de vacío, el fototubo de gas y el fotomultiplicador, este último es de mayor uso en la optoelectrónica moderna por lo que a continuación se describe.

Los electrones son rechazados por la superficie fotosensible cuando los fotones incidentes tienen suficiente energía para liberar el electrón de su enlace y removerlo del material como se indica en la Figura 1.3 esta energía corresponde a  la diferencia de energía entre la parte de la banda de valencia y el nivel de ionización del material, por lo que representa la mínima energía requerida para expulsar un electrón de la superficie fotosensible. La consecuencia de este comportamiento es que existe una longitud de onda umbral, o de corte, por encima del cual no se emiten fotoelectrones. Esta condición puede expresarse como:

=                                                                             (E.1.2)

Donde λ  es la longitud de onda de corte.

Figura  1.3: Emisión fotoeléctrica de un metal alcalino

Los tubos fotomultiplicadores suelen constar de una superficie fotosensible, denominada fotocátodo, una serie de electrodos secundarios denominados dínodos   y un colector de fotoelectrones, el ánodo  como se indica el la figura 1.4. La luz incide sobre el fotocátodo el cual expulsa electrones de la superficie. El potencial eléctrico entre el cátodo y el ánodo aceleran los fotoelectrones hacia la cadena de dínodos, cada uno de estos, está a un potencial ligeramente superior que su antecesor. A medida que un electrón golpea un dínodo se produce cierta cantidad de electrones secundarios, cada uno de los cuales produce más electrones en los dínodos consecutivos..

Figura 1.4: Fotomultiplicador de caja y rejilla.

La ganancia global de electrones puede ser bastante alta de hasta. La construcción que se muestra en la Figura 1.5 es la estructura común de caja y rejilla. Otras configuraciones, la persiana lineal o circularmente enfocada, ofrecen mejoras en tamaño o en rendimiento. Por ejemplo las estructuras de persiana veneciana y de caja y rejilla son poco costosas y útiles para dispositivos de gran

área, mientras que las estructuras enfocadas ofrecen eficiencias de colección más altas, frecuencias de modulación tan bajas como de 1 nanosegundo.

Figura 1.5: Fotomultiplicador, estructura de caja y rejilla

En cuanto a los detectores térmicos, los cuales aprovecha el efecto de calentamiento que produce la luz al incidir sobre su superficie; de entre estos, uno de los más utilizados es la termopila, misma que consiste en dos cables de metales distintos, conectados en un extremo donde se produce un pequeño voltaje asociado a una temperatura. Las mediciones de temperatura que utilizan termopilas o termopares se basan en el descubrimiento hecho por Seebeck en 1821. Este se puede resumir de la siguiente manera: una corriente fluye en un circuito continuo de dos alambres de distintos metales, si las conexiones o uniones se encuentran a temperaturas distintas. La corriente será proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones.

A continuación, se presentan los materiales mas comúnmente usados en la construcción de elementos sensibles a la luz:

Cuadro 1.1: Materiales usados en elementos fotosensibles.

Un factor también importante al momento de elegir el transductor optoelectrónico adecuado, es la longitud de onda (puede medirse en Ángstrom o micrómetros (μm)) de la fuente a monitorear; considerando que en optoelectrónica el rango del espectro electromagnético que puede ser captado mediante dispositivos sensibles abarca desde 200 nm en el ultravioleta lejano, extremo de la

DETECTOR TK(operación) max minGe 0.67 193 1.9GaAs 1.12 300 1.1Cd Se 1.5 300 0.9CdS 1.8 300 0.69

2.4 300 0.52

longitud de onda corta hasta aproximadamente 15 μm en el infrarrojo lejano, extremo de la longitud de onda larga.

La longitud de onda es importante porque determinará el material que se utilizará para la construcción del dispositivo optoelectrónico. En la Figura 1.6 se muestra la respuesta espectral del Ge, Si, y Selenio  así como del ojo humano.

Figura 1.6: Respuesta espectral relativa para el Si, Ge y Selenio en comparación con la del ojo.

1.2 FOTORRESISTENCIA

Una fotorresistencia se compone de un material semiconductor cuya resistencia varía en función de la iluminación. La fotorresistencia reduce su valor resistivo en presencia de rayos luminosos. Es por ello, que también se le llama resistencias dependientes de luz LDR (por sus siglas en ingles Light Dependent Resistors), fotoconductores o células fotoconductoras, su representación simbólica se muestra en la Figura 1.7.

Figura 1.7: Cualquiera de estos símbolos representa una fotorresistencia.

Cuando incide la luz en el material fotoconductor se generan pares electrón-hueco ya sea por transiciones de banda a banda (intrínsecos) o por transición que involucra niveles de energía de la banda prohibida (extrínsecos). Al haber un mayor número de portadores, el valor de la resistencia disminuye. De este modo, la fotorresistencia iluminada tiene un valor de resistencia bajo.

Si dejamos de iluminar, los portadores fotogenerados se recombinarán hasta volver a sus valores iniciales. Por lo tanto el número de portadores disminuirá y el valor de la resistencia será mayor, esto se puede comprender mejor si observamos la curva característica de una LDR en la Figura 1.8. Por supuesto, el material de la fotorresistencia responderá a unas longitudes de onda determinadas. Es decir, la variación de resistencia será máxima para una longitud de onda determinada. Esta longitud de onda depende del material y el dopado, y deberá ser suministrada por el proveedor. En general, la variación de resistencia en función de la longitud de onda presenta curvas como la de la Figura 1.9

Figura 1.8: Curva característica

Figura 1.9: Variación de resistencia en función de la longitud de onda de la radiación.

La  longitud de onda de corte para el fotoconductor intrínseco se da por:

Donde λ es la longitud de onda que corresponde al ancho de la banda Eg  para longitudes de onda mas cortas que λ   la radiación incidente es absorbida  por el semiconductor, y pares de electrón-hueco se generan (Figura 1.3). Para el caso extrínseco, la fotoexcitación puede ocurrir entre un extremo de la banda de conducción y un nivel de Eg energía en la banda. La  fotoconductividad se basa por la absorción de fotones de energía igual o mayor que la separación de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción. En este caso, la longitud de onda de corte se determina por el espesor del nivel de energía de la banda prohibida.

Un fotodetector consiste simplemente de una capa de semiconductor con contactos ohmicos unidos en sus terminales opuestas como se ve en la Figura 1.10, es fabricado con materiales de estructura cristalina, y utiliza sus propiedades fotoconductoras. Los cristales utilizados más comúnmente son: sulfuro de Cadmio y seleniuro de Cadmio.

Figura 1.10: Diagrama esquemático de un fotoconductor

Para la realización de un fotodetector en general y para un fotoconductor en particular se mide en términos de tres parámetros:1.- La eficiencia cuántica o ganancia.

2.- El tiempo de respuesta.3.- Sensitividad (detectividad).Así, es importante que al momento de elegir una fotorresistencia se tomen en cuenta los puntos siguientes:

·         En 1er lugar, el rango de resistencia. Sin luz, un buen LDR se ha de comportar como un circuito abierto (alta impedancia). En tanto que presencia de luz, su mínima resistencia ha de estar en torno a los cien ohmios, o menos si pudiera ser.

·         En segundo lugar, se ha de tener en cuenta, el tiempo que emplea un LDR en pasar de un estado de máxima resistencia, a otro de mínima resistencia, es decir, lo que tarda en conmutar desde una posición de circuito "cerrado", a otro estado de circuito "abierto". Este tiempo debe ser lo más pequeño posible, y ha de estar en torno al segundo.

El valor de la fotorresistencia (en Ohmios) no varía de forma instantánea cuando se pasa de luz a oscuridad o al contrario, y el tiempo que dura este proceso no siempre es igual si se pasa de oscuro a iluminado que si se pasa de iluminado a oscuro.

Esto hace que la LDR no se pueda utilizar en muchas aplicaciones, especialmente aquellas que necesitan de mucha exactitud en cuanto a tiempo para cambiar de estado (oscuridad a iluminación o iluminación a oscuridad) y a exactitud de los valores de la fotorresistencia al permanecer en cualquiera de los estados anteriores.

Hay muchas aplicaciones en las que una fotorresistencia es muy útil. En casos en que la exactitud de los cambios no es importante como en los siguientes circuitos:

-          Luz nocturna de encendido automático, que utiliza una fotorresistencia para activar una o mas luces al llegar la noche

-          Relé controlado por luz, donde el estado de iluminación de la fotorresistencia, activa o desactiva un Relay (relé), que puede tener un gran número de aplicaciones

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

1.3 EL FOTODIODO

El fotodiodo se parece mucho a un diodo semiconductor común como se observa en el la Figura 1.11, pero tiene una característica que lo hace muy especial: es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que incide en él, y su región de operación esta limitada a la región de polarización inversa (Figura 1.12).

Figura 1.11: Símbolos del fotodiodo

Como se sabe la corriente de saturación inversa esta normalmente limitada a unos cuantos microamperes, debido a los portadores minoritarios generados en forma térmica en los materiales tipo N y P. Al exponerlo a radiaciones luminosas, la energía aportada por éstas provoca la ruptura de enlaces covalentes y por tanto libera portadores, permitiendo la circulación de corriente inversa generada por la fuente de polarización exterior (figura 1.14 b).

Figura 1.12: Curva característica del fotodiodo.

La corriente de oscuridad (Figura 1.12, 1.13) es aquella que ocurre sin luz aplicada. La corriente solo retornará a cero con una polarización positiva aplicada igual a  VT. El espaciamiento casi igual entre las curvas para el mismo incremento en el flujo luminoso indica que la corriente inversa y el flujo luminoso se relacionan en forma muy parecida a la lineal. Es decir, un aumento es  la intensidad luminosa dará  como resultado un incremento similar en la corriente inversa.  En la Figura 1.13 se muestra una grafica de estas dos cantidades  para mostrar  su    relación lineal   con respecto a un voltaje fijo VA de 20 V.

Figura 1.13:   I ( A) Vs fc ( a Va= 20v ) para el fotodiodo.Un fotodiodo presenta una construcción análoga a la de un diodo LED, en el

sentido que necesita una ventana transparente a la luz por la que se introduzcan los rayos luminosos para incidir en la unión PN. En la Figura 1.14, aparece una geometría típica.

Figura 1.14: (a) Construcción, (b) Arreglo de polarización básico

El fotodiodo se puede utilizar como dispositivo detector de luz, pues convierte la luz en una variación de corriente eléctrica y esta variación es la que se utiliza para informar que hubo un cambio en el nivel de iluminación sobre el fotodiodo.

A diferencia del LDR o fotorresistencia, el fotodiodo responde a los cambios de oscuridad a iluminación y viceversa con mucha más velocidad, y puede utilizarse en circuitos con tiempo de respuesta más pequeño.

Los materiales para  construir los fotodiodos son por lo general el Silicio o el Selenio, con menor frecuencia se emplean materiales como arseniuro de Galio, sulfuro de Cadmio y arseniuro de indio.

1.4 FOTOTRANSISTOR

Dispositivo que tiene una unión P-N de colector a  base fotosensible (Figura 1.17), donde la corriente inducida por efectos fotoeléctricos  viene a ser la corriente de base del transistor. Así, se puede decir que existen similitudes entre este y un transistor normal, puesto que un incremento en la intensidad luminosa corresponde a un aumento en la corriente de colector.

Figura 1.15: Símbolo del fototransistor.

El comportamiento fundamental de los dispositivos fotoeléctricos se presentó con el fotodiodo, el funcionamiento del fototransistor es similar al del fotodiodo, salvando las diferencias entre un diodo y un transistor. La corriente de colector es gobernada por la energía fotónica que incide sobre la unión base-colector; y es importante reconocer que la corriente de base del fototransistor aumenta a medida que la presencia de un haz de luz sea más intensa sobre la misma. Por tanto, si se obtienen curvas de colector (figura 1.16) tomando la iluminación como parámetro, los resultados son parecidos a los de un transistor bipolar normal donde se toma la intensidad de base como parámetro.

Figura 1.16: Curvas características de colector.

Un fototransistor opera, generalmente sin terminal de base (Ib=0) aunque en algunos casos hay fototransistores que tienen disponible una terminal de base para trabajar como un transistor normal.

La construcción de un fototransistor se representa en la figura 1.17, donde se observa que en ocasiones se representa al fototransistor como un arreglo de un transistor y un fotodiodo (figura 1.17 b) por ello 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. Hay que destacar un detalle importante (figura 1.17 c),  en muchas ocasiones se confunde un fotodiodo con un fototransistor, ya que en este último la base no existe, y sólo lleva dos patillas.

Figura 1.17: a) estructura interna, b) circuito equivalente y c) Alineación angular

En la figura 1.17 b se puede ver el circuito equivalente de un fototransistor. Se observa que está compuesto por un fotodiodo y un transistor. La corriente que entrega el fotodiodo (circula hacia la base del transistor) se amplifica β veces, y es la corriente que puede entregar el fototransistor, gracias a esta puede ser utilizado en aplicaciones donde la detección de iluminación es muy importante ya que su entrega de corriente eléctrica es mucho mayor que el fotodiodo.

Algunas de las áreas de aplicación del  fototransistor  incluyen lectoras de tarjetas perforadas, circuitería lógica de computadora, control de iluminación (en autopistas), Indicación de nivel, relevadores y sistemas de  conteo.

1.5 FOTOTIRISTOREl termino tiristor, incluye todos los dispositivos semiconductores los cuales presentan un funcionamiento inherente como dispositivos de corte y conducción, poseen una estructura de cuatro capas PNPN con tres uniones PN intermedias y tres terminales accesibles denominadas ánodo, cátodo y compuerta (gate). Existen dos formas de operación, una es bidireccional (Triac) y la otra es unidireccional (SCR).

            El SCR (Rectificador Controlado de Silicio) es un elemento unidireccional, conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez. Se utiliza como interruptor electrónico, esto quiere decir que en su comportamiento tiene dos estados de operación: en el estado de apagado o de bloqueo, idealmente el SCR actúa como un circuito abierto entre el ánodo y el cátodo; en realidad, en vez de haber un circuito abierto, existe una resistencia muy alta. El otro es el estado de conducción, el SCR actúa idealmente como un corto circuito entre el ánodo y el cátodo; en realidad presenta una resistencia muy baja. En la figura 1.18 se presenta su símbolo y estructura.

Normalmente el SCR se comporta como un circuito abierto hasta que se activa su compuerta con una pequeña corriente (Disparo); en ese momento, el dispositivo entrará en conducción comportándose  como un diodo en polarización directa. Después de ser activado el SCR, se queda conduciendo y se mantiene así. Si se desea que el tiristor deje de conducir, el voltaje +V entre ánodo y cátodo debe ser reducido a 0 Voltios.

Figura 1.18: a) Símbolo del SCR, b) Estructura del SCR.

Existen varias formas de activar o disparar un SCR, aquí solo hablaremos de las formas convencionales que son: por corriente de compuerta y por medio de luz. Con la primera; al aplicar un voltaje positivo entre la compuerta y la terminal de cátodo, fluirá una corriente que activará el dispositivo. El método de disparo que emplea la luz, es el que nos ocupa en esta ocasión ya que un fototiristor o LASCR (Light Activated SCR) es también un dispositivo semiconductor de cuatro capas que opera esencialmente como el SCR normal, solamente que es activado por medio de energía luminosa que incide sobre una de las junturas PN, cuando la luz incidente es suficientemente intensa, el LASCR se dispara y permanece en ese estado aunque se retire la luz.

Observando la Figura 1.19, podemos notar, que pese a que el disparo del fototiristor se lleva a cabo por medio de luz, este conserva aun la terminal de compuerta, esto es así porque la terminal de compuerta permite el disparo en la forma normal y además se puede reducir dentro de ciertos márgenes la sensibilidad del disparo por luz, mediante la conexión de una resistencia variable entre la compuerta y el cátodo, el LASCR es mas sensible a la luz cuando la terminal de compuerta esta abierta (alta impedancia).

Figura 1.19: a) Símbolo del LASCR, b) Estructura y c) Construcción básica.

En la Figura 1.20 se muestra la curva característica del LASCR que prácticamente es igual a la del SCR con la diferencia que el LASCR es activado con luz. Normalmente este tipo de dispositivos se aplica en alarmas antirrobo, detectores de presencia en puertas y ascensores, circuitos de control óptico en general,

controles ópticos luminosos, relevadores, control de fase, control de motores, y una variedad de aplicaciones en computadoras.

Figura 1.20: Curva característica del fototiristor.

1.6 LED`s infrarrojos (Irled's).

Cuando la unión es polarizada directamente, los electrones de la región N se recombinarán con el exceso de huecos del material P en una región de recombinación especialmente diseñada “emparedada” que se encuentra entre los materiales tipo P y N. Durante este proceso de recombinación se irradia energía del dispositivo en forma de fotones. Los fotones generados serán reabsorbidos por la estructura o abandonarán la superficie del dispositivo como energía radiante, como se muestra en la figura 1.25.

Sus fundamentos son los mismos que para los diodos LED; encontrando la única diferencia en su espectro de radiación: la longitud de onda se sitúa fuera del espectro visible, en el rango del infrarrojo, esto es debido a que son fabricados con Arseniuro de Galio (GaAs) como se indica en el cuadro 1.2, y se emplean cuando se requiere una radiación no visible.

Figura 1.25: Estructura general de un diodo semiconductor  Emisor IR

A continuación, se muestra en la figura 1.26 el flujo radiante en mW en función de la corriente directa para un dispositivo típico; obsérvese la relación casi lineal entre las dos.

Figura 1.26: Flujo radiante en mW.

Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia de televisores, habiéndose generalizado su uso en otros electrodomésticos como equipos de aire acondicionado, equipos de música, etc. y en general para aplicaciones de control remoto, así como las lectoras de tarjetas y de cinta perforada, los codificadores de eje, los sistemas de transmisión de datos y las alarmas de intrusión.

1.7 INTERRUPTOR ÓPTICO

Ya que se han visto los elementos sensibles a la luz, ahora realizaremos los circuitos de algunos interruptores ópticos usando los elementos ya conocidos. Primeramente, se presenta el circuito de la figura 1.27, donde se puede observar un interruptor usando un LDR y un SCR.

Figura 1.27: Interruptor óptico con LDR y SCR

El circuito se alimenta directo de la corriente de línea, la fotorresistencia deberá estar aislada de la luz de la lámpara, de tal forma que cuando una luz externa incida sobre el LDR,  este reducirá su resistencia haciendo que la caída de voltaje entre las terminales del divisor de voltaje aumente. El SCR entrará en estado de conducción permaneciendo así hasta que  la luz sea retirada. El ajuste de la sensibilidad, se realiza entonces por medio del potenciómetro de 1M.

En la figura 1.28 se presenta otro circuito, también hacemos uso de una fotorresistencia como elemento sensor en el circuito interruptor: el funcionamiento es parecido al de la figura 1.27, cuando el LDR está iluminado su resistencia es baja y causa que el voltaje en la base del transistor se incremente. El primer transistor conducirá, lo que causará que el segundo transistor entre en corte. De esta manera el Relay / relé no se activa en tanto la fotorresistencia permanezca iluminada. Cuando el LDR no esta iluminado su resistencia es alta y causa que el voltaje en la base del transistor se haga pequeña. El valor de la fotorresistencia no es crítico y se puede utilizar casi cualquiera pues se incluye un potenciómetro en serie para controlar la sensibilidad del circuito interruptor.

Figura 1.28: Interruptor óptico con LDR y relevador electromagnético

En la figura 1.29, se presenta un circuito para cuado se tenga que usar un fotodiodo; recordando que la señal que produce el fotodiodo, requiere ser amplificada, esto se hace con la ayuda del amplificador operacional lm106.

Figura 1.29: Circuito detector con fotodiodo

1.8 DISPLAYS.

El display de 7 segmentos, consta de 7 LEDs (diodos emisores de luz), dispuestos geométricamente de forma tal que forme un 8. Encendiendo los distintos segmentos del mismo se logra mostrar todas las cifras decimales: 1, 2, 3, 4, …9. Como se muestra en la figura 1.31 A.

 

Figura 1.31: a) Apariencia física de un display de 7 segmentos, b) estructura interna del display.

 

La configuración interna de los LEDs, se muestra en la figura 1.31 B, se observan dos configuraciones, la de cátodo común, en donde las terminales de cátodo de los LEDs están unidas a un nodo común, es decir, el potencial nulo llegará a todos los LEDs a través de una sola terminal. La configuración de ánodo común, se presenta cuando todas las terminales de  ánodo de los LEDs están unidas en un solo punto. Para facilitar su conexión,  a cada terminal del display se le denomina con una letra tal como se observa en la figura1.32 A, así por ejemplo, si tenemos un display de cátodo común y queremos representar el número 1, deberemos mandar señal de 5v mediante resistencias limitadoras de corriente a

las terminales b y c, y los otros diodos deben de tener tensión cero. Esto lo podemos escribir digitalmente así: 0110000. El primer dígito representa al diodo a, el segundo al b, el tercero al c,... y así sucesivamente. Un cero representa que no polarizamos el diodo, es decir, no le aplicamos tensión. Un uno representa que el diodo está polarizado, y por lo tanto, emite luz. Si el display con el que  contamos fuera de ánodo común, tendríamos que hacer el cambio correspondiente de bits para lograr que aparezca un 1 en el display de la siguiente forma: escribiríamos 1001111.

 

La elección de entre una u otra configuración, depende de las necesidades y requerimientos de nuestro diseño, salvo esa diferencia, ambas configuraciones cumplen la misma función. Por otro lado, existen circuitos integrados especiales que facilitan la escritura en un display de 7 segmentos,  por que en vez de usar 7 bits como en el ejemplo anterior, con un circuito decodificador (CD4511BC por ejemplo) usaremos solo 4 bits de acuerdo al cuadro 1.3.

 

 

Figura 1.32: a) Terminales del display. b) Decodificador de 7 segmentos.

 

1.9.4 LCDs

 

Las pantallas de cristal líquido (LCD) poseen la ventaja distintiva de tener un requerimiento de potencia más bajo que los LED. Es típicamente del orden de microwatts para la pantalla, en comparación al orden de miliwatts para los LED. Sin embargo, requieren una fuente de iluminación externa o interna y están limitadas a un rango de temperatura que va de cerca de 0° a 60°C. El tiempo de vida es otra área de preocupación, debido a que las LCD pueden degradarse químicamente. En la actualidad, los tipos que reciben el mayor interés son las unidades de dispersión dinámica y de efecto de campo.

 

Unidades de dispersión dinámica: Un cristal líquido es un material (normalmente orgánico para las LCD) que fluye como un líquido, pero cuya estructura molecular tiene algunas propiedades asociadas normalmente con los sólidos. Para las unidades de dispersión de luz el mayor interés está en el cristal líquido nemático, teniendo el cristal la estructura que se muestra en la figura 1.37 A. Las moléculas individuales tienen apariencia de varillas, tal como se ve en el perfil de la figura. La superficie conductora de óxido de Indio es transparente y, bajo las condiciones mostradas en la figura A, la luz incidente simplemente atraviesa y la estructura de cristal líquido aparecerá de forma clara.

 

Figura 1.37: A) Cristal liquido Nemático sin polarización aplicada B) Con polarización aplicada

 

Si se aplica un voltaje (para unidades comerciales el nivel de umbral está actualmente entre los 6 y 20 V) a través de las superficies conductoras, como se muestra en la figura 1.37 B, el acomodo molecular queda perturbado, con el resultado de que se establecerán regiones con diferentes índices de refracción. La luz incidente es, por tanto, reflejada en diferentes direcciones en la interfaz entre diferentes regiones de diferentes índices de refracción (mencionados como dispersión dinámica), de lo cual resulta que la luz dispersada tiene una apariencia de vidrio congelado. Sin embargo, obsérvese en la figura B que el aspecto opaco ocurre solo donde las superficies de conducción son opuestas y las áreas remanentes permanecen translúcidas.

 

Un dígito en una pantalla LCD puede tener la apariencia de segmentos como se muestra en la figura 1.38. El área negra es, de hecho, una superficie conductora clara conectada a las terminales que se encuentran abajo para el control externo. Dos máscaras similares se ponen en lados opuestos de una capa gruesa sellada del material de cristal líquido. Por ejemplo si se quisiera el número 2, las terminales 8, 7, 3,4 y 5, serian energizadas y sólo esas regiones serían congeladas mientras las otras áreas permanecerían claras.

 

Figura 1.38: Indicador de dígitos de 8 segmentos LCD

 

Como se dijo anteriormente, la LCD no genera su propia luz, sino que depende de una fuente externa o interna. Bajo condiciones oscuras será necesario que la unidad tenga su propia fuente de luz interna, ya sea por detrás o a un lado de la LCD. Durante el día, o en áreas iluminadas, se puede poner un reflector atrás de la LCD para reflejar la luz a través de la pantalla para una intensidad máxima. Para una operación óptima, los actuales fabricantes de relojes están usando una combinación de modos trasmisivo (su propia fuente de luz) y reflectivos llamada transflectiva.

           

            Unidades de efecto de campo: La LCD de efecto de campo o nemático de giro tiene la misma apariencia de segmentos y capa delgada de cristal líquido encapsulado, pero funciona diferente que el de dispersión dinámica, también de modo transmisivo y reflectivo con fuente interna, figura 1.39. En la imagen de perfil, la fuente de luz interna está a la derecha y quien la ve está a la izquierda. Esta figura se nota más diferente que la de la figura 1.37 porque se agrega un polarizador de luz. Solamente el componente vertical de la luz que entra por la derecha puede pasar a través del polarizador de luz vertical de la derecha. En la LCD de efecto de campo, la superficie conductora clara de la derecha es tratada químicamente, o se aplica una película orgánica para orientar las moléculas del cristal líquido en el plano vertical, paralelas a la pared de la celda. Obsérvense las varillas a la extrema derecha en el cristal líquido.

 

La superficie conductora opuesta también está tratada para asegurar que las moléculas estén 90° fuera de fase en la dirección mostrada (horizontal), pero todavía paralelas a la pared de la celda. Entre las dos paredes del cristal líquido hay un cambio general de una polarización a la otra, como se muestra en la figura. El polarizador de luz del lado izquierdo también permite el paso de la luz incidente polarizada verticalmente. Si no hay voltaje aplicado a las superficies conductoras, la luz polarizada verticalmente entra a la región de cristal líquido y sigue la desviación de 90° de la estructura molecular. Su polarización horizontal ante el polarizador de luz vertical del lado izquierdo no le permite cruzar, y quien la observa ve un patrón oscuro uniforme en toda la pantalla. Cuando se aplica un voltaje de umbral (para unidades comerciales de 2 a 8 V), las moléculas similares a varillas se alinean por sí mismas con el campo (perpendicular a la pared) y la luz pasa directamente sin la desviación de 90°.

 

 

Figura 1.39: LCD de efecto de campo transmisivo sin polarización aplicada

 

La luz incidente vertical puede entonces pasar directamente por la segunda pantalla de polarización vertical y quien observa puede notar un área iluminada. Mediante una excitación adecuada de los segmentos de cada dígito.

                 

                  En la figura 1.40 se describe  la LCD de efecto de campo de tipo reflectivo. En este caso, la luz que se polariza horizontalmente en el extremo derecho encuentra un filtro polarizado horizontalmente y pasa a través de él hasta el reflector, en donde se refleja de regreso al cristal líquido, deflexionando de nuevo en la otra polarización vertical y regresando al observador del mismo lado. Si no hay voltaje aplicado, existe una pantalla alumbrada uniformemente. La aplicación de un voltaje da como resultado una luz incidente vertical que encuentra un filtro de polarización vertical a la izquierda, el cual no permitirá que pase y sea reflejado. Resultado de esto es un área oscura en un cristal.

 

Figura 1.40: LCD de efecto de campo reflectivo sin polarización aplicada

 

Las LCD de efecto de campo son usadas por lo general cuando la fuente de energía es un factor principal (por ejemplo, en relojes, instrumentación portátil, etc.), debido a que consumen una potencia considerablemente menor que las de tipo de dispersión de luz, del rango de microwatts, comparado con el de pocos miliwatts. Por lo general, el costo es mayor para las unidades de efecto de campo y su altura está limitada a cerca de 2 pulgadas, mientras que en las unidades de dispersión de luz están disponibles en unidades de hasta 8 pulgadas de altura.

 

                  Una consideración adicional en las pantallas es su tiempo de encendido y apagado. Las LCD son mucho más lentas que los LED. Las LCD tienen tiempos de respuesta típicos en el rango de 100 a 300 ms, mientras que se dispone de LED con tiempos de respuesta inferiores a 100 ns. Sin embargo, hay varias aplicaciones, como los relojes, en donde la diferencia entre 100 ns y 100 ms es de pocas consecuencias. Para tales aplicaciones la menor demanda de potencia de las LCD es una característica muy atractiva. El tiempo de vida de las unidades LCD se incrementa en forma sostenida, más allá del límite de 10,000 horas. Debido a que el color generado por las unidades LCD depende de la fuente de iluminación, hay un mayor rango de alternativas de color.