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• Diana D'l Angel

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Optoelectrónica

Transductores Optoelectrónicos Introducción La optoelectrónica es la rama de la electrónica que concierne al estudio, diseño y aplicación de dispositivos que combinan elementos electrónicos y ópticos. Actualmente el campo de la optoelectrónica se ha convertido en un área de creciente interés en la electrónica; dispositivos tales como LED´s, optoacopladores y fotodetectores se están construyendo ahora con una mayor capacidad de manejo de corriente. La optoelectrónica ha probado ser de alta efectividad en el campo de las comunicaciones, donde las fibras ópticas pueden manejar frecuencias mayores a las velocidades de conmutación de la electrónica de hoy en día.

Clasificación de los dispositivos optoelectrónicos Los dispositivos optoelectrónicos se clasifican de acuerdo a las funciones que realizan en dos grupos: los que realizan la conversión de energía eléctrica a energía radiante y los que realizan la operación de conversión de energía radiante a energía eléctrica.

Conversión de energía eléctrica a energía radiante A estos dispositivos se les llama electroluminicentes. Es importante aclarar que la mayoría de los cristales de semiconductores al ser bombardeados con fotones, calor o electrones emiten luz visible o infrarroja. Sin embargo, específicamente llamamos electroluminiscentes a aquellos que responden a la corriente eléctrica. Al aplicarle una corriente a dichos dispositivos los electrones se mueven del material N hacia el P y se combinan con los huecos. Cuando los electrones se mueven del alto estado energético de la banda de conducción al bajo estado energético de la banda de valencia, fotones de energía son liberados. Dichos materiales pueden emitir luz visible o, como en el caso de los diodos infrarrojos, luz infrarroja.

Ejemplos de dispositivos luminiscentes

LEDs (Light Emitting Diode)

IRLED (infrared LED)

Display LED

Ing. Manuel A. Arenas Méndez

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Conversión de energía radiante a energía eléctrica Este tipo de dispositivos a menudo son llamados fotodetectores. En este caso, la energía que entra al cristal de semiconductor excita a los electrones a niveles más altos de energía, dejando huecos atrás. Posteriormente estos electrones y huecos se alejan unos de otros, conformando una corriente eléctrica. Ejemplos de dispositivos fotodetectores Fotoemisores Emiten electrones cuando existe energía radiante que incide sobre la terminal de material sensible a dicha radiación. Dentro de esta categoría encontramos:

Fototransitores

LASCR (Light Sensitive Sillicon Controlled Rectifier)

Fotoconductores Cambian su resistencia eléctrica debido a la exposición a energía radiante. Ejemplos:

Fotoresistores

Fotodiodo

Ing. Manuel A. Arenas Méndez

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Fotovoltaicos Generan un voltaje al exponerse a energía radiante. Ejemplo:

Fotoceldas

Foto-resistencia (LDR) (Light Dependent Resistor - Resistencia dependiente de la luz) El LDR es una resistencia que varía su valor dependiendo de la cantidad de luz que la ilumina. Los valores de una fotoresistencia cuando está totalmente iluminada y cuando está totalmente a oscuras varían ya que puede medir de 50 a 1K en iluminación total y puede ser de 50K a varios M cuando está a oscuras. El LDR se fabrica a partir de materiales que en condiciones de oscuridad poseen una muy baja concentración de portadores libres por lo que su resistencia, en estas condiciones, es bastante alta. Cuando absorben radiación, de una determinada longitud de onda, la interrelación entre fotones y pares electrón-hueco dan lugar a un incremento considerable de la población de portadores y por lo tanto de la conductividad. Los materiales más comunes utilizados para la fabricación de LDR son: sulfuro de cadmio y seleniuro de cadmio.

Símbolo LDR

La constitución general de una célula fotoconductora se muestra en la siguiente figura en donde se aprecia como un sustrato aislante (vidrio o cerámica) se recubre por evaporación en vacío de una capa de material fotosensible en la que a continuación se deposita un juego de electrodos con forma de peines imbricados, por lo general, a los que se soldaran las conexiones de salida. El conjunto se protege de los agentes exteriores con un simple recubrimiento de resina sintética transparente o por una capsula de vidrio provista de una ventanilla transparente.

Ing. Manuel A. Arenas Méndez

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El valor resistivo de la fotoresistencia no varía en forma instantánea cuando pasa de un estado de luz a oscuridad o viceversa además de que el tiempo que transcurre durante este proceso no siempre es igual si se pasa de oscuro a iluminado o si se pasa de iluminado a oscuro. Esto hace que el LDR no se pueda utilizar en muchas aplicaciones, especialmente en aquellas que necesitan de mucha exactitud en cuanto a tiempo de transición de estado (oscuridad a iluminación o iluminación a oscuridad) y exactitud en cuanto a los valores de resistencia que presenta ante diferentes condiciones de iluminación. Por lo general el tiempo de respuesta típico de un LDR es de aproximadamente 0.1 segundos. Entre las principales aplicaciones del LDR destacan: 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 sobre la fotorresistencia activa o desactiva un relé). Aplicaciones donde se necesita detectar la ausencia de luz de día.

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Relevadores Un relé es un sistema mediante el cuál se puede controlar una potencia mucho mayor con un consumo en potencia muy reducido.

Tipos de relés Relés electromecánicos: o Convencionales o Polarizados o Reed inversores Relés híbridos Relés de estado sólido

Estructura de un relé

En general, podemos distinguir en el esquema general de un relé los siguientes bloques: Circuito de entrada, control o excitación. Circuito de acoplamiento. Circuito de salida, carga o maniobra.

Características generales Las características generales de cualquier relé son: El aislamiento entre los terminales de entrada y de salida. Adaptación sencilla a la fuente de control. Posibilidad de soportar sobrecargas, tanto en el circuito de entrada como en el de salida. Las dos posiciones de trabajo en los bornes de salida de un relé se caracterizan por: o o

En estado abierto, alta impedancia. En estado cerrado, baja impedancia.

Para los relés de estado sólido se pueden añadir : Gran número de conmutaciones y larga vida útil. Ausencia de ruido mecánico de conmutación. Escasa potencia de mando, compatible con TTL y MOS. Ing. Manuel A. Arenas Méndez

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Insensibilidad a las sacudidas y a los golpes. Aislado de influencias exteriores por un recubrimiento plástico.

Relés electromecánicos Están formados por una bobina y unos contactos los cuales pueden conmutar corriente continua o bien corriente alterna. Tipos de relés electromecánicos. Relés de tipo armadura Son los más antiguos y también los más utilizados. El esquema siguiente nos explica prácticamente su constitución y funcionamiento. El electroimán hace vascular la armadura al ser excitada, cerrando los contactos dependiendo de si es N.O ó N.C (normalmente abierto o normalmente cerrado).

Relés de Núcleo Móvil Estos tienen un émbolo en lugar de la armadura anterior. Se utiliza un solenoide para cerrar sus contactos, debido a su mayor fuerza atractiva, por ello es útil para manejar altas corrientes.

Relé tipo Reed o de Lengüeta Están formados por una ampolla de vidrio en cuyo interior están situados los contactos (pueden ser múltiples) montados sobre delgadas láminas metálicas. Dichos contactos se cierran por medio de la excitación de una bobina que está situada alrededor de dicha ampolla.

Ing. Manuel A. Arenas Méndez

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Relés Polarizados Llevan una pequeña armadura solidaria a un imán permanente. El extremo inferior puede girar dentro de los polos de un electroimán y el otro lleva una cabeza de contacto. Si se excita al electroimán se mueve la armadura y cierra los contactos. Si la polaridad es la opuesta girará en sentido contrario, abriendo los contactos ó cerrando otro circuito( ó varios).

Relés de estado sólido Un relé de estado sólido SSR (Solid State Relay) es un circuito electrónico que contiene en su interior un circuito disparado por nivel, acoplado a un interruptor semiconductor, un transistor o un tiristor. Por SSR se entenderá un producto construido y comprobado en una fábrica, no un dispositivo formado por componentes independientes que se han montado sobre una placa de circuito impreso. Estructura del SSR Circuito de Entrada o de Control o

Control por tensión continua en donde el circuito de entrada suele ser un LED ( Fotodiodo), solo o con una resistencia en serie, también podemos encontrarlo con un diodo en antiparalelo para evitar la inversión de la polaridad por accidente. Los niveles de entrada son compatibles con TTL, CMOS, y otros valores normalizados ( 12V, 24V, etc.).

o

Control por tensión Alterna en donde el circuito de entrada suele ser como el anterior incorporando un puente rectificador integrado y una fuente de corriente continua para polarizar el diodo LED.

Acoplamiento El acoplamiento con el circuito se realiza por medio de un optoacoplador o por medio de un transformador que se encuentra acoplado de forma magnética con el circuito de disparo del Triac. Circuito de Conmutación o de salida. El circuito de salida contiene los dispositivos semiconductores de potencia con su correspondiente circuito excitador. Este circuito será diferente según queramos conmutar CC, CA. Ing. Manuel A. Arenas Méndez

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