1 componentes optoelectrónicos · departamento de electrónica y telecomunicaciones 14 ... display...

eman ta zabal zazu

universidaddel país vasco

euskal herrikounibersitatea

Departamento de Electrónicay Telecomunicaciones

1

Componentes optoelectrónicos

eman ta zabal zazu




2


Espectro de radiación, intervalos de frecuencia y longitudes de onda

f

c=λ

eman ta zabal zazu




3

Componentes optoelectrónicosRadiometría Fotometría

Energíaradiante

eQ J Energíaluminosa ( ) ( ) λ⋅⋅= ∫ λλ dQKQ ev

160

380

lm.s

Densidadradiante dV

dQW e

e = J/m3 Densidadluminosa dV

dQW v

v = lm.s/m3

Flujo radiantedt

dQee =Φ w Flujo

luminoso dt

dQvv =Φ lm

IrradianciadAd

M ee

Φ= w/m2 Iluminación

dAd

M vv

Φ= lux=lm/m2

Intensidad deradiación ω

Φ=

d

dI e

ew/sr Intensidad

luminosa ωΦ

=d

dI v

vcd=lm/sr

Radianciaθ

=cosdAdI

L ee

w/m2.sr Luminanciaθ

=cosdAdI

L vv

nit=cd/m2

EmisividadbbM

M=ε Eficacia

luminosae

vv Φ

Φ=η lm/w

Eficiencialuminosa ( )

( )

( )maxK

KV

λ

λλ =

M y Mbb son las irradiancias de la muestra y de un cuerpo negro a la misma temperaturaω = ángulo sólido en estereorradianesθ = ángulo entre la línea del haz luminoso y la normal de la superficie

eman ta zabal zazu




4


Curva de sensibilidad del ojo humano

Radiación emitida λ (nm) ηv (lm/w)Rojo estándar 655 60

Rojo de alta eficacia 635 135Amarillo 585 540

Verde 565 640Azul 460 50

eman ta zabal zazu




5

VLED (Led lamp)

IRED

Láser

Emisores

LDR

Fotodiodos

Fototransistores

Detectores OPIC

Sensores de color

Células solares

Detectores

Optoacopladores

Optointerruptores

Relés de estado sólido

Dispositivos de acoplo

VLED

LCD

Visualizadores (Displays)


eman ta zabal zazu




6


Diodos emisores de luz (Ligth Emitting Diode) LED (VLED) e IRED

Diodos que emiten radiación cuando circula por ellos una corriente directa

La longitud de onda de la radiación depende del material con que esté fabricado el LED, emitiendo en distintos colores de luz visible o en infrarrojos

eman ta zabal zazu




7

Componentes optoelectrónicosCaracterísticas técnicas de diodos LED

Característica V-I

Azul y verde Ámbar y rojo

eman ta zabal zazu




8


Valores máximos absolutos

eman ta zabal zazu




9


Salida luminosa del LEDPara los LED que emiten en el espectro visible, el color que percibe el ojo depende del espectro de radiación. Esta característica es igualmente importante para fijar el acoplamiento con otros detectores en aplicaciones no visuales. Los parámetros que describen el espectro son

•Longitud de onda de pico λλp: aquella a la que corresponde la intensidad máxima de radiación•Longitud de onda dominante λλd: relacionado con el color captado por el ojo humano, no tiene porqué coincidir con λλp. Así dos emisores con diferente espectro de radiación pueden percibirse con el mismo color si su λλd es la misma.

eman ta zabal zazu




10


Salida luminosa del LED

eman ta zabal zazu




11



Azul y verde Ámbar y rojo

eman ta zabal zazu




12



eman ta zabal zazu




13


Características técnicas de diodos LED

Patrón de radiación

Define la variación relativa de la intensidad luminosa en función del ángulo con respecto al eje axial del dispositivoSe define el ángulo de intensidad mitad θ1/2 el ángulo en el que la intensidad luminosa es el 50%

eman ta zabal zazu




14


Patrón de radiación

eman ta zabal zazu




15

Componentes optoelectrónicosTrabajo en régimen de impulsos

En el caso peor, la temperatura de la unión no debe superar la alcanzada por el dispositivo trabajando con la máxima corriente continua. Por ello se establece una estrecha relación entre corriente de pico Ipeak, duración del impulso y relación de refresco (ciclo de trabajo).

En la figura puede comprobarse como para una misma frecuencia de la señal pulsante (strobing) cuanto más estrecho sea el pulso mayor es la relación entre los máximos de corriente de pico y corriente continua admisibles.

También puede apreciarse como para una duración constante del pulso el valor de pico máximo admisible crece al aumentar el periodo de la señal eléctrica (reducir la frecuencia) y por tantodecrementar el ciclo de trabajo efectivo.

eman ta zabal zazu




16

Componentes optoelectrónicosTrabajo en régimen de impulsos

Cuando un LED trabaja con pulsos cabe hablar de intensidad luminosa media IV AVG ya que el ojo humano promedia temporalmente la respuesta luminosa del emisor.

En la figura se puede ver la relación entre intensidad luminosa media y la corriente directa media para diferentes valores de pico

En esta figura se puede ver la utilidad del régimen pulsatorio (strobing)

eman ta zabal zazu




17

Componentes optoelectrónicosPotencia disipada en LEDs.

( )[ ]FPEAKdFAVGAVG

FF

IIrVIP

VIP

−+=

⋅=:pulsanterégimen en Normalmente en características viene la

gráfica IF en función de la temperatura

eman ta zabal zazu




18


5mm

3mm

...

Tamaño

Redondos

Rectangulares

Ovalados

Triangulares

etc..

Forma

Bicolor

Alta luminosidad

Barras

...

Especiales

LEDs

eman ta zabal zazu




19


eman ta zabal zazu




20

Componentes optoelectrónicosDiodo láserLa mayor diferencia con los LEDs normales es que en éstos la emisión de radiación es estimulada y no espontánea, por lo que el láser debe tener una cavidad resonante en el plano de la unión P-N.

El diodo láser debe superar un cierto umbral antes de que emita comportándose por debajo de dicho umbral como un LED ineficaz. La corriente directa de este tipo de diodos es mucho mayor que en un LED normal.

eman ta zabal zazu




21


eman ta zabal zazu




22


eman ta zabal zazu




23

Componentes optoelectrónicosVisualizadores LED (Displays)

eman ta zabal zazu




24

Componentes optoelectrónicosVisualizadores LED (Displays). Fuentes más comunes.

7 segmentos 9 segmentos 16 segmentos

Matriz 4x7 modificada Matriz 5x7 modificada Matriz 5x7

eman ta zabal zazu




25


Visualizadores LED (Displays)

Display 7 segmentos, ánodo común o cátodo común

eman ta zabal zazu




26


Visualizadores LED (Displays)

Matriz de leds de 5x7

Strobing vertical

Strobing horizontal

eman ta zabal zazu




27


Diagrama de bloques del subsistema electrónico asociado al visualizador

eman ta zabal zazu




28


Conexión directa de un decodificador/excitador de 7segmentos a un display de cátodo común

Display de ánodo común activado por un decodificador/excitador de 7 segmentos

eman ta zabal zazu




29


Diferentes métodos de conexión de excitadores de displays de 7 segmentos

eman ta zabal zazu




30


Diagrama de bloques de un excitador multiplexado de un array de displays de 5 dígitoscon el circuito equivalente para el cálculo de los resistores de excitación de segmentos.

eman ta zabal zazu




31

Componentes optoelectrónicosVisualizadores LCD (Cristal líquido)

• Compuestos por materiales orgánicos que presentan un estado intermedio entre sólido y líquido a determinadas temperaturas.

• Las moléculas de estos materiales se ordenan de una forma especial, dando lugar estructuras de forma helicoidal.

• Según el orden en que se agrupan las moléculas, estos materiales se pueden dividir en:

• Nemáticos• Colestéricos• Esmécticos

• Los más empleados son los nemáticos (TN Twisted Nematic) y los nemáticos de supertorsión (STN Super Twisted Nematic).

eman ta zabal zazu




32

Componentes optoelectrónicosCristales nemáticos

Orientación de las moléculas (ángulo de torsión 90º)

Cristal delantero

Cristal trasero

Vista lateral

Vista superior

Electrodo transparentedelantero

Separador

Electrodo transparentetrasero

Cristal líquido

LuzPolarizador delantero

Cristal delantero

Capas de alineamiento

Cristal traseroPolarizador trasero

Reflector(Para panelreflectivo)

Panel LCD nemático

eman ta zabal zazu




33

Luz incidente sin polarizar

Primer polarizador

Luz polarizada

Primera lámina de vidrio

El rayado del vidriosuperior alinea las moléculas

El haz polarizado gira alatravesar el material Las moléculas adoptan

disposición helicoidal

El rayado del vidrio inferioralinea las moléculas

Segunda lámina de vidrio

Segundo polarizador

El haz girado atraviesael vidrio y llega al

segundo polarizador

La luz pasa el segundo polarizador

Efecto óptico en una célula de cristal líquido sin excitación eléctrica


eman ta zabal zazu




34

Componentes optoelectrónicosLuz incidente sin polarizar

Primer polarizador

Luz polarizada

Primera lámina de vidrio

Las moléculas se disponenverticales y paralelas

Segunda lámina de vidrio

Segundo polarizadorEl haz no gira y llega alsegundo polarizador

La luz no pasa el segundo polarizador

El haz polarizado no giraal atravesar el material

Electrodos superiore inferior transparentes

Efecto óptico en una célula de cristal líquido con excitación eléctrica

eman ta zabal zazu




35

Componentes optoelectrónicosModos de visión en cristales LCD

Reflexivo Transflectivo Transmisivo

Tipo positivo Tipo negativo Tipo negativo con inversiónde imagen

eman ta zabal zazu




36


Modo devisión

Descripcióndel display

Comentariosde aplicación

Luz solardirecta

Luz deoficina

Penumbra Semioscuridad

ReflectivaImagenpositiva

Segmentososcuros sobrefondo claro

Sin luzposterior. Buencontraste

Excelente Muy buena Media Pobre

TransflectivaImagenpositiva

Segmentososcuros sobrefondo gris

Se puede verpor reflexiónde luz ambienteo por fuenteposterior

Excelente(Sin luzposterior)

Buena(Sin luzposterior)

Buena(Con luzposterior)

Muy buena(Con luzposterior)

TransflectivaImagennegativa

Segmentosluminososgrises sobrefondo oscuro

Necesita muchaluz ambiente ofuente posterior


Media(Sin luzposterior)



TransmisivaImagennegativa

Segmentosluminosossobre fondooscuro

No se puedever porreflexión

Pobre(Con luzposterior)


Muy buena(Sin luzposterior)

Excelente(Con luzposterior)

TransmisivaImagenpositiva

Segmentososcuros sobrefondo luminoso

Diseñado paraambientes conpoca luz




Excelente(Con luzposterior)

Modos de visión en cristales LCD

eman ta zabal zazu




37

Componentes optoelectrónicosModos de iluminación posterior en LCD

Electroluminiscente (EL)Provee una luz muy uniforme. Se pueden emplear varios colores (el más común es el blanco). Aunque el consumo de energía es relativamente bajo, deben funcionar con tensiones de 80 a 100 VAC, por lo que se debe suministrar con un inversor que convierta 5, 12 ó 24VDC a AC. Su vida útil es relativamente baja (de 3000 a 5000 horas para tener la mitad de brillo

eman ta zabal zazu




38


LEDOfrece un mayor tiempo de uso (50000 horas mínimo) con la misma luminosidad que los displays EL. El consumo es mayor que los EL pero pueden operar directamente a 5VDC. Los LEDs se disponen en forma de matriz debajo del LCD, existen gran variedad de colores, siendo los más utilizados el amarillo y el verde.

eman ta zabal zazu




39


Lámpara Fluorescente de Cátodo Frío (CFL)Este dispositivo de iluminación proporciona una luz blanca muy brillante con un consumo bajo. Se emplean dos tecnologías:

•Lámpara en un flanco (dispositivo más plano y menor consumo)

•Lámparas directamente debajo del LCD

En ambos casos se emplea un difusor para distribuir la luz por el área de visión. Necesita una alimentación de 270 a 300VAC. Empezaron a usarse con los displays gráficos. Su vida media se sitúa entre las 10000 y 15000 horas.

eman ta zabal zazu




40


Diferentes tipos de pantallas LCD

eman ta zabal zazu




41

Componentes optoelectrónicosDetectores

Fotodiodo

El fotodiodo es un dispositivo optoelectrónico de dos terminales caracterizado por la relación entre la corriente generada y la iluminación de la radiación incidente. El símbolo habitual, utilizado para representar este dispositivo en los esquemas de circuitos electrónicos, es el de la figura

eman ta zabal zazu




42

Componentes optoelectrónicosFotodiodos

Característica tensión-corriente

La característica I-V responde a la que se ve en la figura, donde la iluminación es el parámetro de la familia de curvas. Para iluminación nula, la curva es como la de un diodo normal.

Los valores más significativos son:

•Tensión en circuito abierto Voc

•Corriente en cortocircuito Isc

•Corriente de oscuridad

•Tensión de disrrupción

eman ta zabal zazu




43

Componentes optoelectrónicosFotodiodos, zonas de trabajo

eman ta zabal zazu




44


Trabajo en el primer cuadrante

Recta de carga Circuito de polarización Circuito equivalente del fotodiodo

eman ta zabal zazu




45


Trabajo en el tercer cuadrante (modo fotoconductivo)

Recta de carga Circuito de polarizaciónCircuito equivalente del fotodiodo

eman ta zabal zazu




46


Trabajo en el cuarto cuadrante (modo fotovoltaico)

Recta de carga Circuito de polarizaciónCircuito equivalente del fotodiodo

eman ta zabal zazu




47

Componentes optoelectrónicosFototransistores

El fototransistor es un dispositivo optoelectrónico basado en lasensibilidad de la unión P-N a la energía radiante, actuando como un amplificador de fotocorriente. Los símbolos que los representan habitualmente son los de la figura.

eman ta zabal zazu




48

Componentes optoelectrónicosFototransistores, Características técnicas.

Básicamente, las características de un fototransistor son similares a las de un transistor normal, exceptuando las que hacen referencia a su comportamiento óptico (Sensibilidad espectral, corriente de oscuridad, etc...). Una característica muy importante es la de salida Ic=f(Vce), muy similar a la de un transistor NPN donde se sustituye el parámetro corriente de base por la irradiación Ee o densidad de flujo irradiado (mW/cm2)

eman ta zabal zazu




49

Componentes optoelectrónicosClasificación de fototransistores.

FOTOTRANSISTOR SIMPLE FOTODARLINGTONTIPOS Sin

Terminal baseCon

Terminal baseSin

Terminal baseCon

Terminal base

SÍMBOLO

eman ta zabal zazu




50

Componentes optoelectrónicosEl fototransistor frente a otros detectores optoelectrónicos

FOTOSENSOR Ventajas InconvenientesFotorresistores LDR Gran sensibilidad radiante.

Responden al espectro visible.Elevados tiempos de respuestaRelación no lineal con irradiaciónRango limitado de temperaturas

Fotodiodos Respuesta rápidaMuy lineales con la irradiaciónAncho margen de respuesta espectral

Bajos niveles de salida

Células fotovoltaicas No necesitan tensión de polarización Respuesta lenta.Relación no lineal de la tensión fotogeneradacon la irradiación

Fototransistor básico Considerable fotocorriente Respuesta en frecuencia limitada (500KHz)No linealidad con la irradiación

Fotodarlington Alta ganancia de corriente Mayor lentitud que el básicoAlta corriente de oscuridad

eman ta zabal zazu




51

Componentes optoelectrónicosDetectores OPIC

•Acrónimo de Circuito Integrado Óptico (Optical Integrated Circuit).

•Integra un fotodiodo, un circuito de procesado de señal y un regulador de tensión.

•La salida es una señal digital dependiente de la iluminación recibida

•Características

Iluminación umbral EVLH EVHL

Tiempos de respuesta tpLH tpHL

eman ta zabal zazu




52

Componentes optoelectrónicosDispositivos ópticos de acoplamiento

• Acopladores ópticos u optoacopladores• Optointerruptores• Fototiristores y fototriacs• Relés de estado sólido

Aseguran un buen aislamiento galvánico entre circuitos cuya diferencia de potencial es elevada y evitan bucles de tierra indeseados.

eman ta zabal zazu




53

Componentes optoelectrónicosOptoacopladores

Es una combinación integrada de un emisor y un detector de luz.

La señal de transfiere de forma radiante, manteniendo la entrada y la salida aisladas eléctricamente.

eman ta zabal zazu




54

Componentes optoelectrónicosTipos de optoacopladores

eman ta zabal zazu




55

Componentes optoelectrónicosCaracterísticas técnicas (optoacopladores)

• Relación de transferencia de corriente CTR (Current Transfer Ratio)

• Aislamiento entrada-salida

Tensión de aislamiento

Resistencia de aislamiento

Capacidad de aislamiento

• Velocidad de respuesta tpHL tpLH

• Rechazo del modo común CMRR (Common Mode Rejection Ratio)

eman ta zabal zazu




56


eman ta zabal zazu




57


eman ta zabal zazu




58


eman ta zabal zazu




59

Componentes optoelectrónicosOptointerruptores

El optointerruptor o fotointerruptor es unna combinación de emisor y receptor de luz diseñado para detectar la presencia o posición de un objeto que se interponga en el camino óptico fijado por los dos elementos internos.

Tipos:

• Transmisivo

• Reflexivo (con o sin elemento reflector)

eman ta zabal zazu




60

Componentes optoelectrónicosOptointerruptores

1 componentes optoelectrónicos · departamento de electrónica y telecomunicaciones 14 ... display...

Documents