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Fotodetector de estado slido con respuesta entre 200 y 1200 nm

Pablo Apaez, Armando Bustos, Jaime de Urquijo

AGPO091182@upemor.edu.mx, jdu@fis.unam.mx bustos@fis.unam.mx

Instituto de Ciencias Fsicas

Av. Universidad S/N Col. Chamilpa, Cuernavaca, Morelos, Mxico

RESUMEN

Se ha desarrollado un fotodetector basado en un fotodiodo cuya respuesta espectral est centrada en 580 nm, y que se ha conectado a una cadena de amplificacin consistente de un amplificador corriente-voltaje con 5 dcadas de amplificacin, sucedido por una segunda etapa de amplificacin lineal con una ganancia de 67. Adems se ha dotado al instrumento con un discriminador de amplitud que permite indicar, mediante una seal TTL, la presencia de un umbral de luz, o bien la deteccin de un pulso luminoso. El rango espectral til cubierto por este fotodetector es 260-850 nm. PALABRAS CLAVE: Fotodetector, Fotodiodo, Luz ultravioleta, Luz Visible, Luz infrarroja.

1 INTRODUCCIN

En el laboratorio de Plasmas de Baja Temperatura del Instituto de Ciencias Fsicas se producen y estudian descargas elctricas luminosas con espectros de emisin diversos, pero la mayora dentro del intervalo de longitudes de onda entre el ultravioleta (UV) y el infrarrojo (IR) cercanos (190-2,400 nm). En estos experimentos es importante monitorear la emisin de la fuente, ya sea ubicndose en alguna lnea tpica, filtrada con filtros de interferencia o un monocromador, o bien observando la emisin integrada del espectro. Esto es conveniente para contar con un parmetro de normalizacin cuando las mediciones toman tiempos tan largos que la emisin de la fuente vara. Para tal efecto, hemos diseado y construido un fotodetector basado en un fotodiodo de respuesta amplia entre el UV y el IR, tomando en cuenta que los que se consiguen comercialmente son demasiado caros y con prestaciones que no se necesitan para el propsito mencionado.

2 DISEO

Como sensor se ha elegido el fotodiodo VTB1113H [1] por su buena respuesta en el intervalo 320 720 nm. En la Fig. 1 se muestra el circuito completo del fotodetector. La primera etapa consiste de un convertidor corriente-voltaje (amplificador de transimpedancia), constituido por U1, que ante una corriente generada por la incidencia de luz, Id, genera un voltaje a su salida, V01, dado por la ecuacin 1 [2,3]

01 =

1+ , (1)

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donde Rf es la resistencia de retroalimentacin (R1 a R5 en la Fig. 1), es la frecuencia angular y

= 1. La razn de conectar el condensador en paralelo es para reducir el ruido generado por el propio circuito, lo cual tambin hace que las frecuencias altas de corte, segn la ecuacin 2:

= (21)1 (2)

Se ubiquen entre 3.38 MHz y 380 Hz, para valores de Rf entre R1 y R5, respectivamente. Estas resistencias proveen factores de amplificacin de la seal dentro de 5 rdenes de magnitud, lo cual hace de este detector uno muy sensible a niveles bajos de radiacin luminosa. La segunda etapa provee a la seal de un factor de amplificacin en voltaje fijo de -10, usando un amplificador operacional (U2) en la configuracin de amplificador inversor, aunque nicamente para seales negativas, ya que cuando la seal es positiva, el diodo que se encuentra conectado en paralelo con la resistencia de realimentacin proporciona una ganancia cercana a cero. Obsrvese que las tres etapas del circuito se han flotado sobre un voltaje cercano a 0.7 V, generado por la polarizacin directa del diodo D1. Esto se hizo para flotar a las etapas amplificadoras, evitando as que ruidos espurios pudiesen generar seales falsas. Finalmente, la tercera etapa de este circuito consiste de un amplificador no-inversor con una ganancia de 6.7, formado por U3 [2].

Figura 1. Circuito de deteccin y amplificacin de la seal luminosa. PD1: fotodiodo VTB1113H, D1 y D2, IN4148; R1 a R5: 1 k, 10 k, 100 k, 1 M y 10 M, respectivamente. U1 a U3: LMC

6484. Los amplificadores operacionales U1 a U3 se polarizan con +5 V. Cuando se trate de seales pulsadas, se ha considerado conveniente dotar al sensor con una salida digital, de la norma TTL, para que pueda utilizarse fcilmente en circuitos de adquisicin, control o conteo. Para ello se ha conectado a la salida del amplificador no-inversor un comparador de voltaje (U4, LM339 AD), mostrado en la Fig. 2. Para poder ubicar un umbral de disparo, se ha hecho que el voltaje de referencia sea variable al ajustar la resistencia de 5 k. An ms, se pens que para dotar de mayores prestaciones al fotodetector, resultara conveniente que la salida TTL fuese variable en el tiempo. Para ello se us un multivibrador monoestable 74LS123 (U5),

A la entrada

del comparador

S1

C147pF

5V

D1

PD1

R1

R5

R4

R2

R3

3.3k 100k 1.5k

10k

D2

100k

10k

5V

+

U3+ U2

+ U1

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mostrado en la Fig. 3, el cual provee de tres pulsos de anchuras de 10s, 100s y 1ms mediante el interruptor de 1 polo-tres tiros. El tiempo de duracin del pulso est dado por la ecuacin 3:

= , (3) donde K= 0.37 [5].

Figura 2. El comparador de voltaje de la seal proveniente de la etapa de amplificacin. U4: LM339 AD

Figura 3. Conexin del multivibrador monoestable 74 LS123 (U5) para generar los pulsos TTL a su salida.

En la Fig. 4 se muestra una fotografa del fotodetector ensamblado. A la derecha se encuentra el fotodiodo, en tanto que a la izquierda se encuentran dos salidas BNC correspondientes a las componentes analgicas (salida del amplificador no-inversor) y digital (salida del multivibrador monoestable). Entre estas dos salidas se encuentra el interruptor de encendido, en tanto que en los costados de la caja se han ubicado los interruptores selectores de amplificacin y duracin del pulso TTL. El fotodiodo cuenta con un tubo negro que permite acoplarlo a la fuente de radiacin luminosa, a un tiempo que evita el ingreso de radiacin espuria.

A la entrada del

multivibrador

monoestable

Seal de la etapa

de amplificacin

5V

5V

5k1k 1.5k

+ U4

Seal del comparador

Cx

RxCx

Q

A

B

MR

74LS123

Salida

TTL

U5

5V

Cx

.01uFS2

5V

270k

27k

Rx

2.7k

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En el interior del detector se ubica una batera de 9 V para hacerlo completamente porttil, se ha implementado un regulador de voltaje a 5V ya que los amplificadores y el circuito digital utilizados trabajan sobre este nivel de voltaje. Sus dimensiones fsicas aproximadas son 15 cm de largo, 6 cm de anchura y 2.5 cm de espesor.

Figura 4. Fotografa del fotodetector para 260-850 nm

3 PRUEBAS Y RESULTADOS

3.1 Respuesta espectral

Se ha hecho un intento preliminar por determinar la respuesta espectral del fotodetector. Para ello se utiliz un arreglo de medicin convencional, consistente en una lmpara de tungsteno cuasi-puntual (PASCO TD-8555) [4] que emite desde el UV cercano hasta el IR medio. La luz de la lmpara se hizo pasar por un par de monocromadores pequeos, primeramente con uno que cubre el intervalo 200-650 nm y despus el segundo, de 750-1200 nm. A la salida del monocromador se coloc el fotodiodo y se us la salida analgica para medir el voltaje. El espectro resultante se muestra en la Fig. 6. Es importante insistir en que se trata de un espectro relativo, ya que no se estudi el espectro de emisin de la lmpara de tungsteno. 3.2 Respuesta a un pulso de luz. Se utiliz un lser de nitrgeno ( =337 nm) que emite un pulso de 3 ns de anchura media y una energa de 120 J. El espectro resultante se muestra en la Fig. 5. Primeramente, queda demostrada la habilidad del fotodiodo para responder a la luz UV. Segundo, se observa que la respuesta temporal es limitada, adems de haber un retardo entre la excitacin y la respuesta a la salida TTL del fotodetector de 290 ns. Entonces, aun cuando este instrumento no es til para reproducir la estructura de un pulso tan rpido como el del lser de nitrgeno, s sirve para indicar la presencia de luz pulsada, siempre y cuando se tenga en cuenta el retardo inherente en la respuesta.

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Wavelength (nm)

200 400 600 800

Voltaje

de s

alid

a (

V)

360

400

440

Fotodetector UV-IR

Figura 5. Respuesta espectral del fotodetector, obtenida de una lmpara de tungsteno.

Figura 6. Respuesta del fotodetector a la excitacin de la luz de un lser de nitrgeno (superior). La curva inferior corresponde al pulso de disparo (TTL) del lser. Base de tiempo: 10

s/div. Canal 1: 500 mV/div, y canal 2: 5 V/div.

Tambin se excit al fotodetector con un LED (blanco) para observar la respuesta a la salida digital. Este resultado se muestra en la Fig. 7. Se observa que primeramente hay un ascenso rpido,

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seguido de otro lento, con duracin de 1.4 s, aproximadamente, hasta alcanzar la meseta, adems de haber un retardo de 2.5 s con respecto a la entrada, debido principalmente a la accin del comparador de voltaje (Fig. 2). Finalmente, en la Fig. 8 se muestran en detalle los flancos de ascenso y descenso del pulso con duracin de 10 s.

Figura 7. Respuesta a la salida TTL del fotodetector cuando el fotodiodo se excita con un pulso de

LED.

Figura 8. Detalles de los tiempos de ascenso (inicial, canal 2 a la izquierda) y descenso (canal 2 a

la derecha) del sistema a la salida TTL. El pulso de entrada no se observa a esta resolucin temporal por el retardo que se muestra en la Fig. 7.

4 CONCLUSIN Se ha desarrollado un fotodetector cuya respuesta se extiende entre 260 y 850 nm con capacidad de proporcionar una seal analgica, proporcional a la intensidad de luz incidente, y otra digital (TTL) para la deteccin de fenmenos pulsados. Se ha discutido y presentado mediciones sobre su sensibilidad en el intervalo de longitudes de onda mencionado, as como sus capacidades para detectar pulsos luminosos. Este instrumento, de muy bajo coste, puede ser muy til en la

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investigacin experimental como monitor de luz, en la docencia como un fotmetro para la realizacin de diversos experimentos de fsica moderna y ptica, y en otras aplicaciones industriales.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue apoyado por los proyectos DGAPA-UNAM IN111014.

REFERENCIAS

[1] http://www.excelitas.com/Lists/Photodiodes%20and%20Phototransistors/DispForm.aspx?ID=9 [2] Pablo Apaez Gorostieta, Sistemas sensibles a la deteccin y amplificacin de seales luminosas desde el Ultravioleta hasta el Infrarrojo cercanos, Tesina, Universidad Politcnica del Estado de Morelos, Mxico, Abril 2014. [3] Norbert A. Malik, Circuitos Electrnicos: Anlisis, simulacin y diseo. Prentice Hall, Madrid, 1998. [4] Stephan Boltzmanns lamp, TD-8555, PASCO Scientific. [5] http://pdf.datasheetcatalog.net/datasheets/105/232285_DS.pdf