DIODOS DE PROPÓSITO ESPECÍFICO

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DIODOS DE PROPÓSITO ESPECÍFICO ELECTRÓNICA I IE704 Profesor: JAIME ALFONSO CALDAS MARTINEZ Presentado por: YEISON DE JESUS ROTAVISTA GOMEZ JHON FREDY CUELLAR FIERRO UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA

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este documento es un trabajo realizado en el curso de electrónica uno presentado en la Universidad Tecnológica de Pereira, referente a diodos especiales

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DIODOS DE PROPÓSITO ESPECÍFICO

ELECTRÓNICA I

IE704

Profesor:

 JAIME ALFONSO CALDAS MARTINEZ

Presentado por:

YEISON DE JESUS ROTAVISTA GOMEZ

JHON FREDY CUELLAR FIERRO

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA

PEREIRA-RISARALDA

OCTUBRE DE2012

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DIODOS DE PROPÓSITO ESPECÍFICO

1. Diodos LED

El diodos LED como su nombre lo indica es un Diodo Emisor de Luz (LED); consiste en un tipo espacial de diodo que es capaz de emitir luz visible una vez que es energizado, la luz emitida puede ser de diferentes colores dependiendo del material semiconductor empleado en la construcción del diodo.

Estructura interna

La estructura interna del LED es muy similar a la de un diodo común o propósito general; en cualquier unión p-n cuando se polariza en conducción directa se presenta una recombinación de huecos y electrones en las zonas cercanas a la unión, esta recombinación requiere que la energía poseída por el electro libre sin enlace sea transferida hacia otro estado. En las uniones de materiales semiconductores p-n esta energía es liberada una parte en forma de calor y otra parte en forma de fotones, de acuerdo al tipo de material se logra que la emisión de fotones sea mayor o menor a la emisión de calor, para el Silicio y el Germanio se presenta una mayor radiación de calor pero para otros materiales como el fosfuro de arseniuro de galio (GaASp) o el fosfuro de galio (GaP) el número de fotones de energía luminosa emitida es suficiente como para crear una fuente de luz alta mente visible.

Figura 1.1: estructura interna de un diodo LED

Puede observarse que la superficie metálica contada al lado p es menor que la conectada al lado n, esto es con el objetivo de lograr una la mayor emisión de fotones.

Una presentación común del dispositivo es la que se muestra en la figura 1.2

Luz visible emitida

(+) Contacto metálico

(-) Contacto metálico

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Figura 1.2: presentación común de un diodo emisor de luz (LED)

Símbolo

La representación esquemática o el símbolo del LED es similar a la de un diodo común solo que se le adicionan un par de flechas saliendo del diodo, las cuales representan la emisión de luz.

Figura 1.3: símbolo diodo LED

Características de operación

La corriente del diodo ( I D ), está dada por la ecuación exponencial usual del diodo de propósito general.

I D=I S(e

V D

V T −1)L corriente por lo general es del orden de mA. El valor del voltaje de polarización directa del diodo (V f ) varia en el rango de 1 a 2 V dependiendo del tipo de diodo y el color de la luz emitida.

La potencia óptica de salida del diodo emisor de luz está relacionada con la corriente de diodo en polarización directa y depende de la emisividad (ε ) la cual obedece a varios factores como: la geometría del dispositivo y el tipo de material semiconductor utilizado en la construcción del diodo.

Popt=ε I D

Algunas características de operación para un tipo de diodo específico son:

Valores nominales absolutos máximos a T A=25 °

Parámetro 4160 rojo de alta eficiencia unidadesmA

Disipación de potencia 120 mACorriente picos en polarización directa 20 mARango de temperatura para operación -55 -100 °C

KA

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Características eléctricas/ópticas a T A=25 °

símbolo descripción típico unidad

V f Voltaje en polarización directa

2.2 V

BV R Voltaje de ruptura inverso

5 V

I V Intensidad luminosa axial

3.0 mcd

λ pico Longitud de onda 628 nm

ηv Eficiencia luminosa 147 Im/W

C capacitancia 11 pF

Tabla 1.1: algunas características de operación de un LED

Aplicaciones

Los diodos emisores de luz son usados en el ámbito de la iluminación (incluyendo la señalización de tráfico) actualmente es moderado pero es previsible que se incremente en el futuro, ya que sus prestaciones son superiores a las de la lámpara incandescente y la lámpara fluorescente, desde diversos puntos de vista. La iluminación con este tipo de dispositivos presenta indudables ventajas: fiabilidad, mayor eficiencia energética, mayor resistencia a las vibraciones, mejor visión ante diversas circunstancias de iluminación, menor disipación de energía, menor riesgo para el medio ambiente, capacidad para operar de forma intermitente de modo continuo, respuesta rápida, etc. Asimismo, con los LED se pueden producir luces de diferentes colores con un rendimiento luminoso elevado. Cabe destacar también que diversas pruebas realizadas por importantes empresas y organismos han concluido que el ahorro energético varía entre el 70 y el 80% respecto a la iluminación tradicional que se utiliza hasta ahora. Todo ello pone de manifiesto las numerosas ventajas que los LED ofrecen en relación al alumbrado público.

Los diodos emisores de luz también son utilizados en pantallas conocidas como: Pantalla de LEDs la cual es un tipo de pantalla muy brillante, formada por filas de diodos verdes, azules y rojos, ordenados según la arquitectura, controlados individualmente para formar imágenes vivas, muy brillantes, con un altísimo nivel de contraste, entre sus principales ventajas frente a otras pantallas se encuentran: buen soporte de color, brillo extremadamente alto (lo que le da la capacidad de ser completamente visible bajo la luz del sol), además altísima resistencia a impactos.

Otra aplicación es utilización en múltiples aparatos electrónicos como indicadores, por ejemplo el encendido o apagado de un aparato se puede indicar por uno de estos diodos.

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2. Despliegue de siete segmentos

El display de siete segmentos es un componente electrónico utilizado principalmente para la representación de números en muchos sistemas electrónicos debido a su facilidad de utilización. Tiene la forma de (8 ) como se muestra en la figura 2.1, esta disposición en pequeños segmentos permiten la representación de cualquier número y algunas letras, muy útiles para indicar diferentes valores en un determinado dispositivo electrónico. Cada segmento se denomina por una letra a, b, c, d, e, f y g. como se muestra en la figura 2.2

Figura 2.1: display de 7 segmentos

Símbolo

El símbolo utilizado a menudo para la representación de este dispositivo electrónico es el siguiente

Figura 2.2: símbolo del despliegue de siete segmentos

Estructura interna

Internamente está conformado por un conjunto de ocho diodos emisor de luz o LED, siete de estos están dispuestos en forma de ocho (8 ), y uno formando un punto en la parte inferior derecha, están configurados de manera que cada segmento puede ser encendido individualmente.

La estructura eléctrica interna puede ser de dos formas, de ánodo común o de catado común; en el primer caso el ánodo de los siete diodos LED están interconectados de manera común como se aprecia en la siguiente gráfica.

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Figura 2.3: estructura eléctrica de ánodo común

Para la estructura de cátodo común los que se han interconectado son los catos de los siete diodos y el encendido o apagado de cada uno se controla por los terminales del ánodo como se indica en la figura 2.4.

Figura 2.4: estructura eléctrica de cátodo común

Características de operación

Para operar un display de siete segmentos es necesario emplear un circuito integrado que se encarga de proporcionar la información lógica necesaria para que esté presente el digito deseado.

Características eléctricas a T A=25 °

símbolo característica máximo unidades

Bv Voltaje de ruptura 60 (mínimo) V

V F Voltaje en polarización directa 1.5 V

I R Corriente inversa 100 mAC capacitancia 5 pF

V FM voltaje pico en polarización directa 4

t fr Tiempo de recuperación directo 40 nst rr Tiempo de recuperación inverso 10-50 ns

∆ V F Ajuste de voltaje directo 15 mV

Valores nominales absolutos máximos

I f Corriente continua en polarización directa

350 mA

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WIV voltaje inverso de trabajo 55 V

Algunas de la principales características de operación para un despliegue de sietes segmentos son las que se presentan a continuación en la tabla 2.1

Tabla 2.1: algunas características de un despliegue de siete segmentos

Aplicaciones

Los display de siete segmentos son utilizados como indicadores en múltiples aparatos eléctricos y electrónicos como son por ejemplo: temporizadores, relojes, indicadores de distancia, velocidad, temperatura, en aparatos de medida como osciloscopios, multímetros y vatímetros entre otros.

3. Fotodiodos

Un fotodiodo o un diodo detector de luz es un dispositivo electrónico cuya estructura es similar a la de un diodo común de unión p-n, con la diferencia de que en este caso la unión puede ser expuesta a la luz externa formando así una tercer “terminal” óptica para la cual la luz es la variable de entrada.

Figura 3.1: fotodiodos

Símbolo

El símbolo empleado para representar este dispositivo electrónico es el que se muestra en la siguiente figura.

Figura 3.2. Símbolo de un fotodiodo

Estructura interna

Como se dijo anteriormente la estructura interna es similar a la de un diodo pero difiere en que la unión está expuesta a la luz externa. Por lo general los dispositivos llevan un lente en la unión con el fin de lograr mayor cesibilidad, como se aprecia en la siguiente imagen.

I P

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Figura 3.3: esquema y polarización de un fotodiodo

El fotodiodo es operado por lo general en polarización inversa y su funcionamiento depende de la cantidad de luz que este incidiendo sobre la unión; cuando no hay presencia de luz en la unión la corriente a través de diodo en polarización inversa es cero. Pero si en esta configuración incide sobre la unión alguna cantidad de luz con los suficientes fotones de energía se crearan pares adicionales hueco-electrón permitiendo que la unión conduzca, el número de pares excedente hueco-electrón generados en la unión será proporcional a la intensidad de luz incidente, lo que es una medida de los fotones que inciden por unidad de tiempo. Puesto que el número de portadores se incrementa con la intensidad de luz, el fotodiodo funciona esencialmente como dispositivo de tres terminales en el cual la variable de entra es la luz incidente y la variable de salida es la corriente eléctrica I P generada.

Los fotodiodos pueden fabricarse de silicio, pero a menudo se fabrican de arseniuro de galio o de otros semiconductores llamados, de banda de energía directa activa, ya que este tipo de materiales pueden pasar mucho más rápido de estado activo a inactivo y además son más sensibles a la intimidad de luz incidente.

Características de operación

A continuación se presenta las características V-I de un diodo discreto típico

V

p n

R

Lente

Luz externa

Flujo de corriente

I P

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Figura 3.4: curva característica de operación

Nótese que se ha definido el voltaje de salida V P como positivo cuando el fotodiodo tiene polarización inversa, como puede observarse en la gráfica para V P positivo hay una región en la que la corriente I Pes constante y está dada por la siguiente ecuación. I P=β1 L1

Donde:

I P=corriente inversadel diod o

L1=intencidad de luzincidente medidia enmW /cm2

β1=intencidad−es la fotoconductacia del fotodiod o

También puede observarse que puede fluir una corriente I P positiva cuando V P sea cero (terminales del diodo encorto circuito) bajo estas condiciones el fotodiodo opera como celda solar en el cual la corriente se produce totalmente debido a la luz incidente. Para V Pmás negativo que −V f el fotodiodo tiene polarización directa y el flujo de corriente está formado por una corriente de polarización directa y una corriente foto inducida por la luz la cual está dada por la siguiente ecuación.

I P=I s(e

V P

V T−1)+β1 L1

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Aplicaciones

Los fotodiodos son usados Los fotodiodos son utilizados para la trasferencia de información mediante fibra óptica, como detectores de proximidad, detectores de colores, detectores de humo, instrumentación analítica (fluorescencia, bioluminiscencia y colorimetría) además en opto acopladores de alta velocidad

Otra de las aplicaciones de estos dispositivos es en lectores de CD-DVD recuperando información grabada en este, transformando la luz del haz láser reflejado en el mismo en impulsos eléctricos para ser procesada por el sistema y obtener como resultados los datos grabados

4. Diodos emisores infrarrojos (IR)

Los diodos emisores infrarrojos son dispositivos electrónicos diseñados principalmente de arseniuro de galio, los cuales emiten un rayo de flujo radiante cuando se polariza directamente.

Figura 4.1: presentación del dispositivo (IR)

Símbolo

El símbolo electrónico para la representación de este dispositivo es el que se muestra en la figura

Figura 4.2: símbolo del diodo emisor infrarrojo

Estructura interna

La construcción interna de un diodo emisor infrarrojo es como se muestra en la siguiente figura

Emisión de luz

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Figura 4.3: estructura interna de un diodo IR

Cuando la unión se encuentra en polarización directa, los electrones de la región n se recombinaran con el exceso de huecos del material p, en una región especifica entre los materiales tipo p y n, durante este proceso se irradia energía del dispositivo en forma de fotones los cuales se reabsorben en la estructura o la abandonan en forma de energía radiante.

Características de operación

Una de las características importantes en la mayoría de estos dispositivos es que corriente directa I F varía casi linealmente con el flujo radiante el cual influye en la potencia de salida.

Algunas características eléctricas de operación para el diodo emisor infrarrojo ECG 3017 son las que se muestran en la siguiente tabla

Diodo emisor infrarrojo ECG3027 para control de TV

símbolo descripción valor unidades

PA Mínima potencia de salida 15 mWV F Voltaje en polarización directa 1.7 VV R Voltaje inverso 5 VI F Corriente en polarización directa 150 mAPdis Potencia disipada 210 m/Wλ p Pico de emisión de longitud de onda 950 nMtR Tiempo de respuesta 400 nsθ Angulo del haz 60 °

Tabla 4.1: algunas características de un diodo emisor infrarrojo

Aplicaciones

Los diodos emisores infrarrojos se emplean muy comúnmente en controles remotos para televisores, equipos de sonido, reproductores de DVD entre otros

También son usados en dispositivos detectores o sensores de presencia, al igual que en cámara de visión nocturna, otra de sus aplicaciones es en la transmisión de datos entre dispositivos eléctricos como redes de computadores y otros dispositivos como teléfonos celulares y reproductores de música, aunque en la actualidad este mecanismo ha sido reemplazado por otras nuevas tecnologías.

Estos dispositivos son usados con frecuencia en la construcción de sensores de diferentes tipos y en distintos instrumentos de medida.

5. Optoacoplador

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Un optoacoplador o aislador acoplado ópticamente es un circuito integrado en cuyo interior se encuentran dispositivos de emisión y recepción el cual funciona básicamente como un interruptor que es actuado mediante la luz.

Figura 5.1: presentación física de un optoacoplador

Símbolo

El símbolo eléctrico para representar este dispositivo es el siguiente.

Figura 5.2: símbolo eléctrico para un optoacoplador

Estructura interna

El circuito interno contenido en el circuito integrado consta de una etapa de misión la cual se realiza con un diodo LED y una etapa de recepción la cual se hace por lo general con un fototransistor como se aprecia a continuación

Figura 5.3: circuito interno del optoacoplador

De esta manera los dos circuitos se encuentran separados eléctricamente la única comunicación entre ambos es solo óptica, cuando se energiza el LED conectado en los terminales 1 y 2, este emite luz la cual satura el fototransistor poniéndolo en conducción, como si se accionara un interruptor, colocando en funcionamiento el circuito conectado en las terminales 4 y 3.

Características de operación

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En la siguiente tabla se muestran algunas características del optoacoplador 4N25 las cuales son muy comunes en la mayoría de estos dispositivos

Características eléctricas a T A=25 °

característica símbolo típico unidadesLED

Voltaje inverso V F 1.15 VCorriente inversa I R 10 mACapacitancia CD 30-100 pF

DETECTR

Ganancia de corriente inversa hFE 200Colector emisor V de ruptura V (BR)CEO 30 VColector base V de ruptura V (BR)CBO 70 VEmisor colector V de ruptura V (BR) EBO 7 VCorriente colector -oscuro I CEO 50n Acapacitancia colector-emisor CCE 10 pFV de saturación colector-emisor V CE(sat ) 0.1-0.3 V

Tabla 5.1: algunas características eléctricas del optoacoplador 4N25

Aplicaciones

Puesto que el optoacoplador se comporta como interruptor sin contacto eléctrico es muy utilizado en la interfaz de potencia en circuitos digitales o análogos de baja potencia pues así se logra mantener aislar los circuitos de control de los de potencia o los circuitos dc de los ac.

También son utilizados en equipos electrónicos médicos, en donde por razones de seguridad es forzoso que los niveles de corriente de fuga que pasan por los pacientes conectaos al equipo se restrinjan a valores extremadamente pequeños.

6. Aplicación para un fotodiodo

Considere el circuito de la figura 6.1 suponga que el fotodiodo tiene las características v-i de la figura 3.4. Calcule.

D1

V

R

Figura 6.1: circuito empleando un fotodiodo

V out

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a) Si V=5 V ¿Cuál es el valor requerido de R para definir el voltaje pv en cero si las luz incidente tiene una intencidad de 0.3 mW /cm2 ?

b) ¿Qué intensidad de luz hará que pv llegue a 3v?

Solución

a) De acuerdo con la gráfica 3.4 para que pv sea cero teniendo en cuenta la incidencia de luz indicada se requiere una corriente I P=6μA .

Dado que el fotodiodo se encuentra en polarización inversa la única corriente que circular será I P. Por lo tanto al aplicar la segunda ley de Kirchhoff a la trayectoria cerrada se tiene

−V + I P R+V P=0 (6.1)

Dado que V P es cero, como lo sugiere el problema, podemos despejar R

R=VI P

= 5 V6 μA

=833 K Ω

b) De la ecuación 6.1 despejamos I P, puesto que los demás valores son conocidos

I P=V −V P

R=5 V−3 V

833 K Ω=2.4 μA

Con este valor y empleando la gráfica 45 obtenemos L=0.12mW /cm2

7. bibliografía

[ 1 ] Circuitos y Dispositivos Micro electrónicos (2 edición)-Mark. N.Horenstein[ 2 ]Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos (8 edición)-R.L.Boylestad[ 3 ]http://es.wikipedia.org/wiki/Led#Aplicaciones[ 4 ]http://es.slideshare.net/alejothinker/diodo-emisor-de-luz[ 5 ]http://es.wikipedia.org/wiki/Visualizador_de_siete_segmentos[ 6 ]http://www.monografias.com/trabajos11/leds/leds2.shtml[ 7 ]http://es.wikipedia.org/wiki/Optoacoplador