Ingeniería al día: Dispositivos Optoelectrónicos

Son los dispositivos que están relacionados con la luz:

Diodo LED.
Fotodiodo.
Display de 7 segmentos.
Optoacoplador.

Diodo Led

Es un diodo emisor de luz. Símbolo:

Se basa en:

El negativo de la pila repele a los electrones que pasan de n a p, se encuentran en p con un hueco, se recombina con él y ya no es electrón libre, al bajar de BC a BV pierde una energía E que se desprende en forma de luz (fotón de luz).
Diferencias entre un diodo normal y un LED:

Diodo normal, E en forma de calor.
Diodo LED, E en forma de fotón.(E = h*f, h = cte de Planck, f = frecuencia que da color a esa luz).
Diodo normal hecho de silicio.
Diodo LED hecho de As, P, Ga y aleaciones entre ellas. Para cada material de estos la distancia de BC y BV es distinta y así hay distintos colores, y mezclándolos se consiguen todos, hasta de luz invisible al ojo humano.

Aplicación:

Lámparas de señalización.
Alarmas (fotones no visibles).
Etc...

El diodo LED siempre polarizado en directa, y emitirá luz.
Podemos usar esto en una fuente de alimentación que hemos dado.

La intensidad del LED:

Normalmente para el valor de 10 mA se suelen encender (ver en el catálogo). La tensión en el LED:

Diferencia con el silicio, la tensión es mayor. Cuando no dice nada se coge V_LED = 2 V.

Aquí el diodo LED es un indicador que nos dice si la fuente de alimentación está encendida o apagada.
EJEMPLO: TIL 222 LED verde
V_LED = 1,8 : 3 V
Hay que ver que luz da, si funciona bien en ese rango de valores. Se sacan las intensidades para los 2 extremos:

La corriente varía muy poco, lo que implica que la iluminación varía muy poco, está muy bien diseñado.
EJEMPLO:

No es muy buen diseño porque la intensidad varía bastante, y la iluminación varía mucho.
Conclusión: Los circuitos con tensiones grandes y resistencias grandes funcionan bien, por lo tanto, si se pueden tomar valores grandes.
Display de 7 segmentos
Son 7 diodos LED:

Se utiliza en electrónica digital con + 5 V y 0 V.
EJEMPLO: El 7:

En este ejemplo se han encendido los LED A, B y C.
Simulación
En esta applet podemos ver los distintos dígitos que se pueden conseguir utilizando el display de 7 segmentos.
Al pulsar cada botón aparecerá el dígito respectivo.

El Fotodiodo
Recibe luz, al contrario que el led:

Se usa en polarización Inversa. Diodo normal en inversa:

Cuando se coloca una pila en inversa, el negativo atrae a los huecos y los saca de la unión con el ión ( lo mismo con el positivo y los electrones). Pero se llega a un equilibrio, un equilibrio con una W (anchura de z.c.e.) concreta.
Y no tenemos ni huecos ni electrones en la z.c.e. (W) y esa unión me la pueden pasar los portadores (h y e) (solo quedan los iones en la W).

Hay una pequeña generación térmica y los pares h-e que se crean se recombinan antes de llegar a W... No sirve para nada, se recombinan pero los que se generan cerca de la unión pueden cruzar y los minoritarios sirven para cruzar y tenemos e hacia la izquierda y h hacia la derecha. Tenemos así una corriente inversa de saturación que es muy pequeña. Otra corriente que tenemos es la I_f que es también pequeña.
Se suele coger la corriente de p hacia n, en la realidad es al revés, por eso I = -I_S - I_f, es negativa.
En un fotodiodo además de la generación térmica se le suma la "Generación por energía luminosa", que la crean los fotones que atacan cerca de la unión formando más pares h-e y por lo tanto más corriente. Entonces tenemos:

Y la corriente es mayor:

Aumenta en valor absoluto. Es para convertir energía luminosa en energía eléctrica.
Aplicación: Las placas solares están basadas en los fotodiodos. Si los pongo en paralelo es el doble, por eso se ponen muchos.

Pero el rendimiento es pequeño todavía. En fotodiodos interesa que la luz se de cerca de la unión por eso están pintadas de negro en todo excepto cerca de la unión.

El Optoacoplador
Es un encapsulado con 4 patillas, también de negro, para que no salga luz de dentro hacia fuera.

Si vario la pila varía I_LED, varía la iluminación que recibe el fotodiodo, varía su corriente I. Esta variación de V afecta a la I y esta a la tensión en R_L. En realidad ese circuito es como:

Pero el fotodiodo sirve para aislar, puede dar problemas conectar directamente a la carga.
EJEMPLO: Conectar un torno, le tengo que pasar información con un control numérico.

Le mando información en 5 V y 0 V y como es un ambiente malo puede haber información que varía, picos problemas (o vuelven del torno picos). Hay que aislar un circuito de control (CNC) de la máquina que voy a controlar.

El optoacoplador suele quitar los picos, amortigua los parásitos, no reacciona tan bruscamente a la luz y se reducen esos picos problemáticos.
Aplicación: Osciloscopio
Tiene problemas de tierra. Se puede hacer un cortocircuito entre las 2 tierras