Electrónica básica: diodos optoelectrónicos
Estos son los diodos que funcionan con luz. La palabra "Opto" significaLight. Hay tipos que conducen dependiendo de la intensidad de la luz y otros tipos cuya conducción entrega algo de luz. Cada tipo tiene aplicaciones propias. Analicemos los tipos prominentes entre estos.
Algunos diodos conducen según la intensidad de la luz que incide sobre ellos. Hay dos tipos principales de diodos en esta categoría. Son fotodiodos y células solares.
Diodo de foto
El fotodiodo, como su nombre lo indica, es una unión PN que funciona con luz. La intensidad de la luz afecta el nivel de conducción en este diodo. El fotodiodo tiene un material tipo P y un material tipo N con unintrinsic material o un depletion region entre.
Este diodo generalmente se opera en reverse biascondición. Cuando la luz se enfoca en la región de agotamiento, se forman pares de agujeros de electrones y se produce el flujo de electrones. Esta conducción de electrones depende de la intensidad de la luz enfocada. La siguiente figura muestra un fotodiodo práctico.
La siguiente figura indica el símbolo de un fotodiodo.
Cuando el diodo está conectado en polarización inversa, una pequeña corriente de saturación inversa fluye debido a pares de huecos de electrones generados térmicamente. Como la corriente en polarización inversa fluye debido a portadores minoritarios, el voltaje de salida depende de esta corriente inversa. A medida que aumenta la intensidad de la luz enfocada en la unión, aumenta el flujo de corriente debido a los portadores minoritarios. La siguiente figura muestra la disposición básica de polarización de un fotodiodo.
El fotodiodo está encapsulado en un paquete de vidrio para permitir que la luz caiga sobre él. Para enfocar la luz exactamente en la región de agotamiento del diodo, se coloca una lente sobre la unión, tal como se ilustra arriba.
Incluso cuando no hay luz, fluye una pequeña cantidad de corriente que se denomina como Dark Current. Al cambiar el nivel de iluminación, se puede cambiar la corriente inversa.
Ventajas del fotodiodo
El fotodiodo tiene muchas ventajas, como:
- Ruido bajo
- Alta ganancia
- Operación de alta velocidad
- Alta sensibilidad a la luz
- Bajo costo
- Talla pequeña
- Larga vida
Aplicaciones del fotodiodo
Hay muchas aplicaciones para fotodiodos como:
- Detección de caracteres
- Los objetos se pueden detectar (visibles o invisibles).
- Utilizado en circuitos que requieren alta estabilidad y velocidad.
- Utilizado en demodulación
- Utilizado en circuitos de conmutación
- Utilizado en codificadores
- Utilizado en equipos de comunicación óptica
Otro diodo de este tipo es la celda solar. Se denomina celda aunque es un diodo. Entremos en los detalles.
Célula solar
Los diodos dependientes de la luz incluyen la celda solar, que es un diodo de unión PN normal pero tiene su conducción por la ráfaga de fotones que se convierten en el flujo de electrones. Es similar a un fotodiodo, pero tiene otro objetivo: convertir la luz incidente máxima en energía y almacenarla.
La siguiente figura representa el símbolo de una celda solar.
Una célula solar tiene su nombre y símbolo que indican el almacenamiento de energía aunque es un diodo. La característica de extraer más energía y almacenarla se concentra en la célula solar.
Construcción de una celda solar
Se hace que un diodo de unión PN con un material intrínseco en la región de deleción se encapsule en un vidrio. La luz se hace incidir en la máxima superficie posible con un fino cristal en la parte superior para recoger la máxima luz con la mínima resistencia.
La siguiente figura muestra la construcción de una celda solar.
Cuando la luz incide en la célula solar, los fotones de la luz chocan con los electrones de valencia. Los electrones se energizan para dejar los átomos originales. Por lo tanto, se genera un flujo de electrones y esta corriente es directamente proporcional a la intensidad de la luz enfocada en la celda solar. Este fenómeno se denomina comoPhoto-Voltaic effect.
La siguiente figura muestra cómo se ve una célula solar y cómo se hacen juntas varias células solares para formar un panel solar.
Diferencia entre un fotodiodo y una célula solar
El fotodiodo funciona más rápido y se concentra en la conmutación en lugar de proporcionar más potencia en la salida. Tiene un valor de capacitancia bajo debido a esto. También el área de incidencia de la energía lumínica es menor en los fotodiodos, según sus aplicaciones.
Una celda solar se concentra en entregar energía de alto rendimiento y almacenar la energía. Esto tienehigh capacitancevalor. La operación es un poco más lenta que el fotodiodo. Según el propósito de la célula solar, el área de incidencia de la luz es mayor que el fotodiodo.
Aplicaciones de la célula solar
Hay muchas aplicaciones para células solares como:
Science and Technology
- Utilizado en paneles solares para satélites
- Utilizado en telemetría
- Utilizado en sistemas de iluminación remota, etc.
Commercial Use
- Utilizado en paneles solares para almacenamiento de electricidad.
- Utilizado en fuentes de alimentación portátiles, etc.
- Se utiliza en usos domésticos como cocinar y calentar con energía solar.
Electronic
- Watches
- Calculators
- Juguetes electrónicos, etc.
Algunos diodos emiten luz según el voltaje aplicado. Hay dos tipos principales de diodos en esta categoría. Son LED y diodos láser.
LED (diodos emisores de luz)
Este es el diodo más utilizado en nuestra vida diaria. Este también es un diodo de unión PN normal, excepto que, en lugar de silicio y germanio, se utilizan materiales como arseniuro de galio, arseniuro de galio fosfuro en su construcción.
La siguiente figura muestra el símbolo de un diodo emisor de luz.
Como un diodo de unión PN normal, este está conectado en condición de polarización directa para que el diodo conduzca. La conducción tiene lugar en un LED cuando los electrones libres en la banda de conducción se combinan con los huecos en la banda de valencia. Este proceso de recombinación emitelight. Este proceso se llama comoElectroluminescence. El color de la luz emitida depende del espacio entre las bandas de energía.
Los materiales utilizados también afectan los colores como, el fosfuro de arseniuro de galio emite rojo o amarillo, el fosfuro de galio emite rojo o verde y el nitrato de galio emite luz azul. Mientras que el arseniuro de galio emite luz infrarroja. Los LED para luz infrarroja no visible se utilizan principalmente en controles remotos.
La siguiente figura muestra cómo se ven los prácticos LED de diferentes colores.
El LED de la figura anterior tiene un lado plano y un lado curvo, el cable del lado plano se hace más corto que el otro, para indicar que el más corto es Cathode o terminal negativo y el otro es Anode o el terminal positivo.
La estructura básica de LED se muestra en la figura siguiente.
Como se muestra en la figura anterior, cuando los electrones saltan a los agujeros, la energía se disipa espontáneamente en forma de luz. El LED es un dispositivo que depende de la corriente. La intensidad de la luz de salida depende de la corriente a través del diodo.
Ventajas del LED
Hay muchas ventajas de los LED como:
- Alta eficiencia
- Alta velocidad
- Alta fiabilidad
- Baja disipación de calor
- Mayor vida útil
- Bajo costo
- Fácilmente controlable y programable
- Altos niveles de brillo e intensidad.
- Requisitos de baja tensión y corriente
- Requiere menos cableado
- Bajo costo de mantenimiento
- Sin radiación UV
- Efecto de iluminación instantánea
Aplicaciones de LED
Hay muchas aplicaciones para LED como:
In Displays
- Especialmente utilizado para pantalla de siete segmentos
- Relojes digitales
- Hornos de microondas
- Señalización de tráfico
- Tableros de anuncios en ferrocarriles y lugares públicos
- Toys
In Electronic Appliances
- Sintonizadores estéreo
- Calculators
- Fuentes de alimentación DC
- Indicadores de encendido / apagado en amplificadores
- Indicadores de potencia
Commercial Use
- Máquinas legibles por infrarrojos
- Lectores de códigos de barras
- Pantallas de video de estado sólido
Optical Communications
- En aplicaciones de conmutación óptica
- Para acoplamiento óptico donde la ayuda manual no está disponible
- Transferencia de información a través de FOC
- Circuitos de detección de imágenes
- Alarmas antirrobo
- En técnicas de señalización ferroviaria
- Puertas y otros sistemas de control de seguridad.
Así como el LED tiene muchas ventajas y aplicaciones, existe otro diodo importante llamado diodo láser, que también tiene muchas características avanzadas y alcance futuro. Discutamos sobre el diodo láser.
Diodo láser
El diodo láser es otro diodo popular para su tipo. Este es un diodo óptico que emite luz pero con proceso estimulado. El nombreLASER implica Lbien Asimplificación por Stimulado Emisión de Radiación.
Emision estimulada
Este es un diodo de unión PN cuya acción comienza cuando un rayo de luz incide sobre él. Con un rayo de luz, cuando los fotones inciden sobre un átomo, el átomo se excita y alcanza un nivel superior que se puede denominar comoHigher Energy Level.
El átomo cuando pasa del nivel de energía superior a un Lower Energy Level, libera two photons cuales son similar in characteristics al fotón incidente y están en equal phaselo. Este proceso se llama comoStimulated Emission. Un átomo generalmente puede permanecer en este estado excitado durante10-8 secs de tiempo.
Entonces, el proceso anterior establece el principio para el diodo láser.
Principio del diodo láser
Siempre que un fotón incide sobre un átomo, ese átomo se excita desde un estado de menor energía a un estado de mayor energía y se liberan dos fotones en este proceso. En realidad, un átomo generalmente puede permanecer en este estado excitado durante10-8segundos de tiempo. Entonces, para lograr la amplificación, durante este proceso excitado, se hace que el átomo se coloque en otro estado llamadoMeta Stable State que está por debajo del nivel de energía más alto y por encima del nivel de energía más bajo.
Un átomo puede permanecer en este estado metaestable durante 10-3segundos Mientras que el átomo llega al estado inferior de esto, se liberan dos fotones. Si hay más átomos en el estado excitado, antes de que los fotones golpeen los átomos, entonces tenemos elLasing Effect.
En este proceso, tenemos dos términos para entender. Tener más átomos en el estado metaestable que el estado de menor energía o el estado fundamental se denomina comoPopulation inversion. Entonces, la energía que permite que los átomos se envíen desde un estado de menor energía a un estado de mayor energía para lograr la inversión de población, se denomina comoPumping. Esto esOptical pumping.
Ventajas
Hay muchas ventajas del diodo láser como:
- La potencia utilizada por los diodos láser es mucho menor
- Mayor velocidad de conmutación ON / OFF
- Mas Compacto
- Menos costoso
- Son más baratos que los generadores láser
- Menos posibilidades de provocar descargas eléctricas
Desventajas
Hay algunas desventajas del diodo láser como:
- Rayos más divergentes y, por lo tanto, la calidad no es tan buena.
- Su vida útil es menor en comparación con los LED.
- Propenso a sufrir daños durante fuentes de alimentación inestables
Aplicaciones
Hay muchas aplicaciones de diodos láser como:
Utilizado como láser de bomba y láser de semillas
Utilizado en dispositivos de almacenamiento de datos ópticos
Se utiliza en impresoras láser y máquinas de fax láser.
Utilizado en punteros láser
Utilizado en lectores de códigos de barras
Se utilizan en unidades de DVD y CD.
Utilizado en tecnología HD DVD y BLU RAY
Tiene muchos propósitos industriales, como tratamiento térmico, revestimiento, soldadura de costuras, etc.
Tiene muchos usos en la tecnología de la comunicación, como el enlace y la transmisión de datos.
Después de pasar por todos estos, intentemos comprender algunos términos.
Componente
- Los componentes son los elementos básicos individuales de la electrónica.
- Tienen diferentes propiedades con respecto a su construcción.
- Cada componente tiene diferentes aplicaciones.
Ex - Resistencia, condensador, diodo, etc.
Circuito
- Un circuito es una red de diferentes componentes.
- Los componentes del circuito, en conjunto, sobreviven a un propósito previsto.
- Si un circuito tiene que estar activo, debe contener una fuente de alimentación.
Ex - circuitos de clipper y clamper, circuitos amplificadores, circuitos de relé, etc.
Dispositivo
Un dispositivo es un equipo que se compone de diferentes circuitos.
Todos los circuitos del dispositivo lo ayudan a funcionar para cumplir su propósito.
Un dispositivo se puede utilizar para medir señales, generar señales, controlar los resultados o proteger los circuitos, etc.
Ex - CRO, generador de funciones, etc.
Dispositivos de estado sólido
Anteriormente solíamos tener tubos de vacío, que funcionan según el principio termoiónico y están llenos de vacío en el interior. Eran más grandes que los componentes actuales. Estos tubos de vacío fueron reemplazados por dispositivos semiconductores, que también se denominan comoSolid state devices.
Dispositivos activos
Los dispositivos (o precisamente los componentes) que pueden controlar el flujo de corriente se pueden denominar dispositivos activos.
- Requieren alguna fuente de alimentación de entrada para entrar en conducción.
- El funcionamiento de estos componentes define el comportamiento del circuito.
Ex - Tubos de vacío, diodos, transistores, SCR
Dispositivos pasivos
Los dispositivos (o precisamente los componentes) que no pueden controlar el flujo de corriente se pueden denominar dispositivos pasivos.
- No requieren una fuente de alimentación de entrada para funcionar.
- El funcionamiento de estos componentes altera ligeramente el comportamiento del circuito.
Ex - Resistencia, condensador, inductor, etc.
Dopaje
El proceso de agregar electrones o crear huecos para alterar las características del material semiconductor, ya sea haciéndolo más positivo o haciéndolo más negativo, se puede entender como Doping.
Las aplicaciones de los diodos incluyen muchos circuitos a partir de circuitos clipper y clamper, que se discutirán en el tutorial CIRCUITOS ELECTRÓNICOS.