TECNOLOGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC

DIVISIÓN DE INGENIERIA ELECTRONICA Y TELEMATICA

APUNTES DE OPTOELECTRONICA

Profesor : Araceli Del Valle Reyes

2005-2006

APUNTES DE OPTOELECTRONICA Profesor Araceli Del Valle Reyes

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INDICE

UNIDAD 1 CONCEPTOS BASICOS 2 1.1 INTRODUCCIÓN 1.2 DEFINICIONES 1.3 ESPECTRO ELECTROMAGNETICO 1.4 UNIDADES DE MEDICIÓN 1.5 LENTES 1.6 MATERIALES SEMICONDUCTORES

UNIDAD 2 TRANSDUCTORES OPTOELECTRONICOS 17 2.1 SENSOR DE LUZ 2.2 FOTOCONDUCTOR 2.3 FOTODIODO 2.4 FOTOTRANSISTOR 2.5 FOTIRISTOR 2.6 LED´S 2.7 IRLED´S 2.8 DISPLAYS

UNIDAD 3 OPTOACOPLADORES 45 3.1 CONSTRUCCIÓN 3.2 CLASIFICACIÓN 3.3 CARACTERISTICAS ELECTRICAS 3.4 APLICACIONES

UNIDAD 4 CELDAS SOLARES 50 4.1 CONSTRUCCIÓN 4.2 EFECTO FOTOVOLTAICO 4.3 BATERIAS Y ACUMULADORES 4.4 APLICACIONES

UNIDAD 5 LASER 72 5.1 PRINCIPIOS BÁSICOS 5.2 CLASIFICACIÓN Y CONSTRUCCIÓN 5.3 APLICACIONES

UNIDAD 6 SENSORES DE IMAGEN 92 6.1 PRINCIPIOS 6.2 CLASIFICACIÓN 6.3 APLICACIÓN

UNIDAD 7 FIBRAS OPTICAS 96 7.1 PRINCIPIOS BASICOS 7.2 CONSTRUCCIÓN 7.3 MEDIOS DE TRANSMISIÓN Y RECEPCIÓN 7.4 APLICACIONES

PROYECTO DE APLICACIÓN 105

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CAPITULO 1 CONCEPTOS BASICOS

1.1 INTRODUCCIÓN. La optoelectrónica es una de las materias nuevas en el conjunto de la ingeniería, si se pensara en la naturaleza de la luz es posible darse cuenta que la óptica y la electrónica están vinculadas a través de la estructura del átomo en si. La optoelectrónica se ha desarrollado para pasar por la intervención de la lampara incandescente, el tubo de rayos catódicos, el transistor, láser, la fibra óptica y el microprocesador, hasta transformarse en uno de los avances más importante de la era tecnológica. En ingeniería se utiliza láser de baja potencia para el alineamiento de construcciones, la holografía se emplea para medir con precisión submilimetrica desplazamientos superficiales de maquinaria vibratoria, en la vida diaria el impacto de la optoelectrónica es importante, las conversaciones telefónicas se transmiten por medio de la luz a través de la fibra de vidrio de varios kilómetros de longitud, la televisión permite ver eventos alrededor de todo el mundo. Se ilustran un inmenso campo de acción de la optoelectrónica que va de la fotografía a la holografía, y en un sentido mas amplio la optoelectrónica significa la aplicación de la electrónica a sistemas ópticos. Al proporcionar al diseñador un enfoque radicalmente nuevo para el diseño del sistema, en el que la luz se utiliza como medio para transportar la información y la electrónica para controlarla y procesarla, la optoelectrónica puede plantearse de modo que revolucione la ingeniería en forma parecida a la del microprocesador. 1.2 DEFINICIONES. LUZ Luz, forma de radiación electromagnética similar al calor radiante, las ondas de radio o los rayos X. La luz corresponde a oscilaciones extremadamente rápidas de un campo electromagnético, en un rango determinado de frecuencias que pueden ser detectadas por el ojo humano. LUZ VISIBLE

Es una región muy estrecha pero la más importante, ya que nuestra retina es sensible a las radiaciones de estas frecuencias. A su vez, se subdivide en seis intervalos que definen los colores básicos (rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta).

La luz visible es sólo una pequeña parte del espectro electromagnético. Por orden decreciente de frecuencias (o creciente de longitudes de onda), el espectro electromagnético está compuesto por rayos gamma, rayos X duros y blandos, radiación ultravioleta, luz visible, rayos infrarrojos, microondas y ondas de radio

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LUZ INFRARROJA Rayos infrarrojos, emisión de energía en forma de ondas electromagnéticas en la zona del espectro situada inmediatamente después de la zona roja de la radiación visible. FLUJO LUMINOSO El flujo luminoso es la parte de la potencia radiante total emitida por una fuente de luz que es capaz de afectar el sentido de la vista. FOTÓN Fotón, cantidad mínima de energía de la luz u otra radiación electromagnética. La energía E de un fotón se expresa mediante la ecuación E = h u, donde h es una constante universal (la constante de Planck) y u es la frecuencia (número de oscilaciones por segundo) de la luz. LONGITUD DE ONDA Longitud de onda, distancia entre dos puntos consecutivos de una onda que tienen el mismo estado de vibración. La longitud de onda representa un concepto fundamental en la resolución de cualquier tipo de movimiento ondulatorio, y puede variar de valores muy grandes —por ejemplo, cientos de metros para radioondas largas— a valores muy pequeños —por ejemplo, de millonésimas de millón (10-12) para los rayos gamma. FRECUENCIA Frecuencia, término empleado en física para indicar el número de veces que se repite en un segundo cualquier fenómeno periódico. La frecuencia es muy importante en muchas áreas de la física, como la mecánica o el estudio de las ondas de sonido. DISPERSIÓN Dispersión, fenómeno de separación de las ondas de distinta frecuencia al atravesar un material. Todos los medios materiales son más o menos dispersivos, y la dispersión afecta a todas las ondas; por ejemplo, a las ondas sonoras que se desplazan a través de la atmósfera, a las ondas de radio que atraviesan el espacio interestelar o a la luz que atraviesa el agua, el vidrio o el aire. REFLEXIÓN Reflexión, propiedad del movimiento ondulatorio por la que una onda retorna al propio medio de propagación tras incidir sobre una superficie. Cuando una forma de energía —como la luz o el sonido— se transmite por un medio(superficie lisa) y llega a un medio diferente, lo normal es que parte de la energía penetre en el segundo medio y parte sea reflejada.

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REFRACCIÓN Refracción, propiedad del movimiento ondulatorio por la que una onda hace que cambie de dirección el rayo de luz que pasa oblicuamente de un medio a otro de diferente densidad(penetra a un medio transparente). ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Las ondas electromagnéticas tienen componentes eléctricos y magnéticos. La radiación electromagnética se puede ordenar en un espectro que se extiende desde ondas de frecuencias muy elevadas (longitudes de onda pequeñas) hasta frecuencias muy bajas (longitudes de onda altas). La luz visible es sólo una pequeña parte del espectro electromagnético. Por orden decreciente de frecuencias (o creciente de longitudes de onda), el espectro electromagnético está compuesto por rayos gamma, rayos X duros y blandos, radiación ultravioleta, luz visible, rayos infrarrojos, microondas y ondas de radio. Los rayos gamma y los rayos X duros tienen una longitud de onda de entre 0,005 y 0,5 nanómetros (un nanómetro, o nm, es una millonésima de milímetro). Los rayos X blandos se solapan con la radiación ultravioleta en longitudes de onda próximas a los 50 nm. La región ultravioleta, a su vez, da paso a la luz visible, que va aproximadamente desde 400 hasta 800 nm. Los rayos infrarrojos o ‘radiación de calor se solapan con las frecuencias de radio de microondas, entre los 100.000 y 400.000 nm. Desde esta longitud de onda hasta unos 15.000 m, el espectro está ocupado por las diferentes ondas de radio; más allá de la zona de radio, el espectro entra en las bajas frecuencias, cuyas longitudes de onda llegan a medirse en decenas de miles de kilómetros. 1.3 LA LUZ Y EL ESPECTRO ELECTROMAGNETICO

Los objetos celestes, aparte de los cuerpos del Sistema Solar, están tan lejos que la luz que emiten es en la práctica el único medio que tenemos para estudiarlos y entender su naturaleza. Uno de los descubrimientos fundamentales de la física del siglo XX fué que la luz tiene una naturaleza dual: a veces se comporta como ondas y a veces como partículas, llamadas fotones. Algunos fenómenos pueden interpretarse en base al modelo ondulatorio de la luz, y en otras situaciones debe enfocarse el problema desde pensando en la luz como un conjunto de fotones.

Una propiedad básica de la luz es su longitud de onda, que se define como la distancia entre crestas o depresiones consecutivas de las ondas.

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La luz visible representa apenas una pequeña porción del espectro electromagnético, que se extiende desde los rayos gamma hasta longitudes de onda de radio. Aunque en realidad ambos extremos del espectro electromagnético se extienden desde cero hasta el infinito.

La luz blanca es en realidad una mezcla de longitudes de onda. Cuando hacemos que la luz blanca pase a través de un prisma, se descompone en longitudes de onda o colores que la integran, formando un espectro. La ciencia encargada del análisis de los espectros se llama espectroscopía .

Una onda electromagnética consiste de campos eléctricos y magnéticos oscilantes. Estos campos se propagan en el vacío con una velocidad constante c = 300 000 km/s. Este valor es una constante fundamental de la naturaleza y uno de los pilares en que se sustenta la Física moderna, en especial la Teoría de la Relatividad.

Para la luz visible la unidad de medida usada es el Angstrom:

1 Ångstrom=10-8 cm

y abarca el rango de 4000 Å a 7000 Å. Otras propiedades ondulatorias de la luz son su frecuencia y su energía:

f=c/l E=hc/l

donde c es la velocidad de la luz en el vacío, h es la constante de Planck, y l es la longitud de onda.

Un fotón en la parte azul del espectro visible tiene una longitud de onda de 4500 Å. Exprese esta longitud de onda en cm. Cuál es la energía de este fotón, en ergs? EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

Las ondas electromagnéticas cubren una amplia gama de frecuencias o de longitudes de ondas y pueden clasificarse según su principal fuente de producción. La clasificación no tiene límites precisos.

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Región del espectro

Intervalo de frecuencias (Hz)

Radio-microondas 0-3.0·1012

Infrarrojo 3.0·1012-4.6·1014

Luz visible 4.6·1014-7.5·1014

Ultravioleta 7.5·1014-6.0·1016

Rayos X 6.0·1016-1.0·1020

Radiación gamma 1.0·1020-….

Fuente: Leonberger. Revealing the small range of radio-microwave frequencies. Phys. Educ. Vol. 37, September 2002, pp. 425-427

En la figura, se muestra las distintas regiones del espectro en escala logarítmica. En esta escala las ondas de radio y microondas ocupan un amplio espacio. En esta escala podemos ver todas las regiones del espectro, sin embargo, el tamaño relativo de las distintas regiones está muy distorsionado.

En esta otra figura, se representa las distintas regiones del espectro en escala lineal. Vemos como la región correspondiente a las ondas de radio y a las microondas es muy pequeña comparada con el resto de las regiones. El final de la región ultravioleta estaría varios metros a la derecha del lector, y el final de los rayos X varios kilómetros a la derecha del lector.

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Por lo tanto, no se puede dibujar la representación lineal de todo el espectro electromagnético, por que sería de un tamaño gigantesco. Pero se puede dibujar la representación lineal de una fracción del espectro electromagnético, para darnos cuenta de las dimensiones relativas reales de sus distintas regiones.

Las características de las distintas regiones del especto son las siguientes

Las ondas de radiofrecuencia

Sus frecuencias van de 0 a 109 Hz, se usan en los sistemas de radio y televisión y se generan mediante circuitos oscilantes.

Las ondas de radiofrecuencia y las microondas son especialmente útiles por que en esta pequeña región del espectro las señales producidas pueden penetrar las nubes, la niebla y las paredes. Estas son las frecuencias que se usan para las comunicaciones vía satélite y entre teléfonos móviles. Organizaciones internacionales y los gobiernos elaboran normas para decidir que intervalos de frecuencias se usan para distintas actividades: entretenimiento, servicios públicos, defensa, etc.

En la figura, se representa la región de radiofrecuencia en dos escalas: logarítmica y lineal. La región denominada AM comprende el intervalo de 530 kHz a 1600 kHz, y la región denominada FM de 88 MHz a 108 MHz. La región FM permite a las emisoras proporcionar una excelente calidad de sonido debido a la naturaleza de la modulación en frecuencia.

1.4 UNIDADES DE MEDICIÓN. En óptica a menudo usamos la micra ( µ ), la milimicra ( m µ ), y el ángstrom ( Aº ) como unidades de longitud de onda se definen asi:

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1 µ = 10*10-6 m 1 m=10*10-9 m 1 Aº=10*10-10 m La unidad básica para la intensidad de la luz radiada es candela ( cd ), la cual es 1/16 de la intensidad luminosa que emite un centímetro cuadrado de radiador “cuerpo negro” a la temperatura que el platino se solidifica. La unidad básica para el flujo luminoso es el lumen ( L m ) y se dice que es una fuente de luz puntual de una candela emite 4¶ Lm, por lo que en general el lumen es una medida de flujo luminoso por unidad de ángulo solidó. La unidad para medir λ iluminación es el lux y se dice que una superficie tiene una iluminación de lux si sobre ella incide un flujo luminoso de un lumen por metro cuadrado ( 1xlm/m² ) existen ademas las medidas de pie-candela ( foot-candle, 1m/pie ) y phot ( 1m/cm² ). El sol en un dia luminoso da una iluminación de alrededor de 80 000 lux, mientras que una iluminación de 350 750 lux es apropiada para la lectura normal. La iluminación de la luna corresponde a 0.2 lux. La iluminación de una superficie es igual al flujo luminoso irradiado, o bien a la intensidad de luz por unidad de area, y se encuentra distintas unidades para medir este parámetro: el nit ( cd/m² ); el stilb ( cd/cm² ); la candela por pie cuadrado ( cd/pie² ). 1.5 LENTES. LENTES

Las lentes con superficies de radios de curvatura pequeños tienen distancias focales cortas. Una lente con dos superficies convexas siempre refractará los rayos paralelos al eje óptico de forma que converjan en un foco situado en el lado de la lente opuesta al objeto. Una superficie de lente cóncava desvía los rayos incidentes paralelos al eje de forma divergente; a no ser que la segunda superficie sea convexa y tenga una curvatura mayor que la primera, los rayos divergen al salir de la lente, y parecen provenir de un punto situado en el mismo lado de la lente que el objeto. Estas lentes sólo forman imágenes virtuales, reducidas y no invertidas.

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Si la distancia del objeto es mayor que la distancia focal, una lente convergente forma una imagen real e invertida. Si el objeto está lo bastante alejado, la imagen será más pequeña que el objeto. Si la distancia del objeto es menor que la distancia focal de la lente, la imagen será virtual, mayor que el objeto y no invertida. En ese caso, el observador estará utilizando la lente como una lupa o microscopio simple. El ángulo que forma en el ojo esta imagen virtual aumentada (es decir, su dimensión angular aparente) es mayor que el ángulo que formaría el objeto si se encontrara a la distancia normal de visión. La relación de estos dos ángulos es la potencia de aumento de la lente. Una lente con una distancia focal más corta crearía una imagen virtual que formaría un ángulo mayor, por lo que su potencia de aumento sería mayor.

La potencia de aumento de un sistema óptico indica cuánto parece acercar el objeto al ojo, y es diferente del aumento lateral de una cámara o telescopio, por ejemplo, donde la relación entre las dimensiones reales de la imagen real y las del objeto aumenta según aumenta la distancia focal (véase Fotografía).

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La cantidad de luz que puede admitir una lente aumenta con su diámetro. Como la superficie que ocupa una imagen es proporcional al cuadrado de la distancia focal de la lente, la intensidad luminosa de la superficie de la imagen es directamente proporcional al diámetro de la lente e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia focal. Por ejemplo, la imagen producida por una lente de 3 cm de diámetro y una distancia focal de 20 cm sería cuatro veces menos luminosa que la formada por una lente del mismo diámetro con una distancia focal de 10 cm. La relación entre la distancia focal y el diámetro efectivo de una lente es su relación focal, llamada también número f. Su inversa se conoce como abertura relativa. Dos lentes con la misma abertura relativa tienen la misma luminosidad, independientemente de sus diámetros y distancias focales.

LENTES

DIOPTRIO ESFERICO.- Es estudio de la refracción de un rayo luminoso a través de una superficie esférica (porción de esfera o casquete esférico) que separa dos medios refringentes diferentes es importante porque permite establecer fácilmente la teoría de los lentes.

Puede construirse un dioptrio esférico tallando una superficie esférica en el extremo de una varilla de vidrio cilíndrica. Un medio todavía más simple consiste en pegar en a extremidad de un vidrio de lámpara cilíndrica un vidrio de reloj esférico delgado.El sistema, mantenido verticalmente, se llena de agua (fig. 1)

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FORMULA DEL DIOPTRIO. Toda da recta que paso por el centro de la esfera es un eje óptico. Consideremos un punto luminoso P (fig. 2), que forme con el centro de la esfera el eje óptico PO. Demostraremos que un rayo luminoso cualquiera como el PI, siempre que forme con el eje óptico un ángulo que no exceda de algunos grados, se refracta según IP', pasando por un punto fijo P' del eje óptico. Este punto es, por consiguiente, la imagen del punto objeto P.

(fig. 2)

VERIFICACION EXPERIMENTAL.

La fórmula del dioptrio puede verificarse ut1izando el dispositivo el vidrio de lámpara llena de agua. El objeto será una lámpara eléctrica; se buscará la imagen utilizando un pequeño vidrio esmerilado sumergido en el agua y manteniendo en el extremo de una anua metálica.

Se comprobará fácilmente que un pequeño objeto perpendicular al eje óptico tiene una imagen también perpendicular a este eje. Una construcción geométrica sencilla permite obtener la imagen cuando se conoce la posición de los focos F y F'. (fig. 3)

Fig. 3

Un rayo procedente del punto A y paralelo al eje óptico se refracta, como si procediera de un punto infinitamente alejado, pasando por el foco F’ Análogamente, un rayo incidente AF que pase por el foco-objeto, se refracta paralelamente al eje, porque la imagen de F está infinitamente alejada de S.

Esos dos rayos refractados se cortan en A, imagen el punto A, y la imagen del objeto AB es A'B. Pueden observarse que el rayo incidente AO, que pasa por el centro de la esfera, se refracta sin desviación y alcanza A'.

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LENTES ESFERICAS DELGADAS.

Se denominan lentes sólidos de materia transparente: vidrio, cristal, cuarzo, sal gema, etc., que constan de dos caras, que son casquetes esféricos, o bien una cara plana y otra esférica. El borde de los lentes suele ser, por lo general, circular, pero puede también tener otra forma; por ejemplo, los cristales de los antiguos anteojos eran ovalados o elípticos. Se denomina eje óptico de una lente la recta que pasa por los centros O y O’ de las dos esferas que limitan la cara, o la recta que pasa por el centro de la esfera perpendicular a la cara plana. Este eje atraviesa la lente en dos puntos S y S' denominados vértices. (fig. 4).

Fig. 4

Pueden ocurrir dos casos: o bien el espesor de la lente en el centro, es decir, la distancia SS' entre los vértices es superior al espesor del borde, en cuyo caso se dice que la lente es convergente, o bien, inversamente, el espesor en el centro SS' es menor que el borde, y entonces la lente es divergente. En cada tipo de lente se encuentran tres formas posibles, que tienen nombres particulares y que describiremos a continuación, agrupándolas en un cuadro para mayor claridad. (fig. 5).

Fig. 5

1. Biconvexa; 2. Planoconvexa; 3. Menisco convergente, Bicóncava; 5. Planocóncava; 6. Menisco divergente.

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ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LAS LENTES COVERGENTES.

1. Dirijamos la lente hacia objetos muy alejados, pero bien iluminados. Sobre una pantalla de papel o cartón blanco, o sobre un vidrio esmerilado, podrá obtenerse una imagen real invertida y muy pequeña de los objetos. Los rayos luminosos. que han atravesado la lente convergen en la pantalla colocada detrás de la misma, a una distancia determinada que se llama, en este caso, distancia o longitud focal (Fig. 5 y 6). El plano en el que está situada la pantalla es el plano focal, es atravesado por el eje óptico en un punto especialmente importante: el foco principal de la imagen (los

restantes punt

os del plano focal en los focos secundarios).

FIG. 5 Y 6.

Si se invierten las caras de la lente (delgada), el plano focal vuelve a encontrarse a la misma distancia. 2. Aproximemos el objeto a la lente. Sea este objeto, por ejemplo, una bujía o una lámpara cualquiera. Se comprueba que es necesario alejar la pantalla para obtener una imagen neta, siempre invertida, pero mayor que la anterior. (fig. 6 [2]). 3. Cuando el objeto está situado a una distancia de la lente exactamente igual al doble de la longitud focal, hay que colocar la pantalla detrás de la lente, a una distancia también doble de la longitud focal. La imagen, que continúa siendo invertida, tiene entonces la misma dimensión que el objeto (fig. 6 [3]). 4. Continuemos aproximando el objeto a la lente; la imagen se aleja cada vez más y continúa aumentando, siempre invertida (fig. [4]). 5 Cuando la distancia del objeto a la lente es igual a la longitud focal, ya no puede recogerse su imagen en la pantalla, por estar demasiado alejada: se dice que la imagen está en el infinito. Nos encontramos entonces en el caso inverso al primero. El objeto es el que ocupa el plano focal situado adelante de la lente (plano foco-objeto) y la imagen está infinitamente alejada. A este plano focal le corresponde un foco principal objeto (fig. 6 [5]).

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6. Acerquemos el objeto todavía más, situándolo entre el foco y la lente: no podrá obtenerse imagen alguna sobre la pantalla, cualquiera que sea la posición de está ultima. No obstante, si nos colocamos detrás de la lente, divisaremos al mismo lado que el objeto una imagen aumentada y del mismo sentido que el objeto, es decir, una imagen virtual y derecha ( fig. 6 [6]). LENTES DIVERGETES. Seguiremos en el estudio de estas lentes la misma marcha que en el caso de los convergentes. No es posible recoger en una pantalla la imagen de un objeto real, cualquiera que sea su posición con respecto al lente. Es posible, no obstante, ver esta imagen1 que parece situada al mismo lado que el objeto con respecto a la lente, y más cerca de esta última; por consiguiente, es virtual y derecha, del mismo sentido que el objeto. Existe, también, un plano focal-imagen virtual, en el que se encuentran situadas las imágenes de los puntos infinitamente alejados de la lente. Los dos focos principales equidistantes también de la lente, pero están invertidas, por hallarse el foco-objeto F a la derecha, si el sentido de la luz es de izquierda a derecha, y el foco-imagen F a la izquierda. DEFECTOS DE LAS LENTES. Las lentes, incluso delgadas, presentan defectos, denominados también aberraciones. Estas aberraciones pueden manifestarse de diferentes formas, según las propiedades que traten de obtenerse: 1. Si se desea obtener de un punto-objeto una imagen lo más fina posible (como Esucederá con los anteojos astronómicos), habrá que corregir la aberración de esfericidad del sistema óptico. Esta aberración se manifiesta de que por el hecho que los rayos refractados por los bordes de la lente (rayos marginales) cortan el eje óptico en puntos que están más cerca de la lente que los rayos centrales. (fig. 7). Es posible suprimir está aberración con una sola lente, ya que depende del índice del vidrio, de los radios de curvatura (forma de la lente), de su orientación con respecto a la luz incidente y de la distancia del objeto. Es mínima para un objeto situado en infinito cuando el radio de la cara de entrada es seis veces menor que el de la cara de salida. En la práctica, se toma la forma planoconvexa. Para suprimir la aberración de esfericidad, hay que utilizar varios lentes. 2 Una de las aberraciones más molestas de /as lentes es la aberración cromática; consideraremos una lente convergente que da en su foco la imagen de una fuente luminosa blanca muy alejada. Los bordes de la lente, actuando como prismas de ángulos pequeños (fig. 8). Desvían más los rayos rojos, de donde (fig. 7 y 8). Desvían más los rayos rojos, de donde resulta que el foco de los rayos azules y violeta se encuentran más cerca de la lente que el foco de los rayos rojos. Fig. 7 y 8

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Si se coloca una pantalla en la posición 1, se obtendrá una mancha circular con bordes rojos. En la

Posición 2, la mancha tendrá un diámetro mínimo, pero sus bordes estarán todavía coloreados, produciendo la superposición del violeta y el rojo púrpura y rosa Pálido. En la posición 3, aparecerá en la pantalla una mancha circula con borde violeta. La distancia entre los focos de los rayos rojos y los rayos azules es relativamente considerable, variando según la naturaleza del vidrio entre 1 y 1 de la longitud focal. 60 30 Para corregir esta aberración y obtener lentes acromáticas, se adhieren a lentes convergentes talladas en vidrios poco dispersivos, denominados crowns, lentes divergentes de vidrios muy dispersivos, los flints, constituidos a base de silicato de plomo, como el cristal.

3. Las otras aberraciones tiene de particular que dependen no solamente de la posición y de la abertura del diafragma que pueda acompañar a la lente. En primer lugar, la imagen de un objeto plano perpendicular al eje óptico es una superficie curva de revolución alrededor de este eje. sobre una pantalla plana perpendicular al eje se recibe la imagen de un cuadrado, puedo obtenerse una figura cuyos lados son más o menos abombados en

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forma de la media luna, o bien en forma de tonel (figura 10), esta aberración se llama distorsión, y es debida a que aumento lineal varia al alejarse del eje.

Señalaremos, finalmente, la última aberración: el astigmatismo, que se manifiesta principalmente si se toma como objeto un plano en el que han trazado círculos centrados en el eje y radios salidos del centro. Es imposible ajustar en una pantalla plana (figuras 11 y 12), círculos y radios al mismo tiempo.

Se logra corregir más o menos todas estas aberraciones utilizando varios lentes de vidrios diferentes adheridas o separados por intervalos de aire, y disponiendo el diafragma convenientemente, ya delante, detrás o entre los lentes. Lentes delgadas Para entender los lentes, debemos primero definir algunos términos Algunas Definiciones

El punto focal es la localización en la que los rayos paralelos al eje óptico de un espejo ideal converge en un punto.

El lente focal es la distancia entre el punto focal y la mitad de la lente. Será representado por F. También se mencionará 2F. 2F se refiere simplemente a dos veces la distancia focal.

La distancia desde el centro de la lente hacia el objeto será representada por do

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La distancia desde el centroi de la lente a la imagen será representada por di.

Una Imagen Real es una imagen óptica en la que los rayos que vienen del objeto convergen. Es invertida o "flipped" de arriba a abajo.

Una imagen virtual es el punto desde el cual los rayos de luz parecen converger sin hacerlo realmente. Es recto (en la misma dirección del objeto).

Un lente cóncavo es una lente más delgada en el centro que en los bordes y es divergente.

Un lente convexo es una lente más ancha en el centro que en los bordes y es convergente.

Las lentes son medios transparentes limitados por dos superficies, siendo curva al menos una de ellas.

Las lentes convergentes son más gruesas por el centro que por el borde, y concentran (hacen converger) en un punto los rayos de luz que las atraviesan. A este punto se le llama foco (F) y la separación entre él y la lente se conoce como distancia focal (f).

Tipos de lentes convergentes

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Observa que la lente 2 tiene menor distancia focal que la 1. Decimos, entonces, que la lente 2 tiene mayor potencia que la 1.

La potencia de una lente es la inversa de su distancia focal y se mide en dioptrías si la distancia focal la medimos en metros.

Las lentes convergentes se utilizan en muchos instrumentos ópticos y también para la corrección de la hipermetropía. Las personas hipermétropes no ven bien de cerca y tienen que alejarse los objetos. Una posible causa de la hipermetropía es el achatamiento anteroposterior del ojo que supone que las imágenes se formarían con nitidez por detrás de la retina.

Si las lentes son más gruesas por los bordes que por el centro, hacen diverger (separan) los rayos de luz que pasan por ellas, por lo que se conocen como lentes divergentes.

Tipos de lentes divergentes

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Si miramos por una lente divergente da la sensación de que los rayos proceden del punto F. A éste punto se le llama foco virtual.

En las lentes divergentes la distancia focal se considera negativa.

La miopía puede deberse a una deformación del ojo consistente en un alargamiento anteroposterior que hace que las imágenes se formen con nitidez antes de alcanzar la retina. Los miopes no ven bien de lejos y tienden a acercarse demasiado a los objetos. Las lentes divergentes sirven para corregir este defecto.

Formación de imágenes:

Si tomas una lente convergente (seguro que las tienes en el laboratorio de tu Centro) y la mueves acercándola y alejándola de un folio blanco que sostienes con la otra mano, comprobarás que para una cierta distancia se forma una imagen invertida y más pequeña de los objetos que se encuentran alejados de la lente. Cuando es posible proyectar la imagen formada decimos que se trata de una imagen real, y si no la podemos proyectar la denominamos imagen virtual.

Las lentes convergentes, para objetos alejados, forman imágenes reales, invertidas y de menor tamaño que los objetos

En cambio, si miras un objeto cercano a través de la lente, observarás que se forma una imagen derecha y de mayor tamaño que el objeto.

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Para objetos próximos forman imágenes virtuales, derechas y de mayor tamaño.

Intenta hacer lo mismo con una lente divergente y observarás que no es posible obtener una imagen proyectada sobre el papel y que al mirar a su través se ve una imagen derecha y de menor tamaño que los objetos.

1.6 MATERIALES SEMICONDUCTORES.

SEMICONDUCTORES

Elemento que se comporta como conductor o como aislante dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla siguiente. Las propiedades de los semiconductores se estudian en la física del estado sólido

Elemento Grupo

Electrones en la última capa

Cd 12 (II A)

2 e-

Al, Ga, B, In

13 (III A)

3 e-

Las imágenes producidas por las lentes divergentes

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Si, Ge 14 (IV A)

4 e-

P, As, Sb 15 (V A)

5 e-

Se, Te, (S)

16 (VI A)

6 e-

El elemento semiconductor más usado es el silicio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). De un tiempo a esta parte se ha comenzado a emplear también el azufre.

La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s2p2.

Bandas de energía

Supongamos una red cristalina formada por átomos de silicio (o cualquier mezcla de las mencionadas). Cuando los átomos están aislados, el orbital s (2 estados con dos electrones) y el orbital p (6 estados con 2 electrones y cuatro vacantes) tendrán una cierta energía Es y Ep respectivamente (punto A).

A medida que disminuye la distancia interatómica comienza a observarse la interacción mutua entre los átomos, hasta que ambos orbitales llegan a formar, por la distorsión creada, un sistema electrónico único. En este momento tenemos 8 orbitales híbridos sp3 con cuatro electrones y cuatro vacantes (punto B).

Si se continua disminuyendo la distancia interatómica hasta la configuración del cristal, comienzan a interferir los electrones de las capas internas de los átomos, formándose bandas de energía (punto C).

Las tres bandas de valores que se pueden distinguir son:

1. Banda de Valencia. 4 estados, con 4 electrones.

2. Banda Prohibida. No puede haber electrones con esos valores de energía en el cristal.

3. Banda de Conducción. 4 estados, sin electrones.

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Conductividad eléctrica del cristal

Para que la conducción de la electricidad sea posible es necesario que haya electrones en la capa de conducción, así podemos considerar tres situaciones.

Los metales, en los que ambas bandas de energía se superponen, son conductores.

Los aislantes, en los que la diferencia existente entre las bandas de energía, del orden de 6 eV impide, en condiciones normales el salto de los electrones.

Los semiconductores, en los que el salto de energía es pequeño, del orden de 1 eV, por lo que suministrando energía pueden conducir la electricidad; pero además, su conductividad puede regularse, puesto que bastará disminuir la energía aportada para que sea menor el número de electrones que salte a la banda de conducción; cosa que no puede hacerse con los metales, cuya conductividad es constante, o más propiamente, poco variable con la temperatura.

DOPAR

Otro método para obtener electrones para el transporte de electricidad consiste en añadir impurezas al semiconductor o doparlo. La diferencia del número de electrones de valencia entre el material dópate (tanto si acepta como si confiere electrones) y el material receptor hace que crezca el número de electrones de conducción negativos (tipo n) o positivos (tipo p). Los electrones o los huecos pueden conducir la electricidad.

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Tipos de Semiconductores

Un cristal de germanio o de silicio que contenga átomos de impurezas donantes se llama semiconductor negativo, o tipo n, para indicar la presencia de un exceso de electrones cargados negativamente.

Semiconductores intrínsecos

Un cristal de silicio forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura representados en el plano por simplicidad.

Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente, algunos electrones pueden, absorbiendo la energía necesaria, saltar a la banda de conducción, dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente son de 1,1 y 0,72 eV para el silicio y el germanio respectivamente.

Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno, se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece invariable.

Siendo n la concentración de electrones (cargas negativas) y p la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que:

ni = n = p

Siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura.

Si se somete el cristal a una diferencia de tensión, se producen dos corrientes eléctricas.

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Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos (2), originando una corriente de huecos en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.

Semiconductores extrínsecos

Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, le añadimos un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Las impurezas pueden o no sustituir al correspondiente átomo del semiconductor intrínseco en su estructura cristalina original.

Semiconductor extrínseco tipo n

Es el que se ha dopado con elementos pentavalentes (As, P o Sb).

Al tener éstos elementos 5 electrones en la última capa, resultará que al formarse, como antes, la estructura cristalina, el quinto electrón no estará ligado en ningún enlace covalente, encontrándose, aún sin estar libre, en un nivel energético superior a los cuatro restantes.

Si como antes, consideramos el efecto de la temperatura, observaremos que ahora, además de la formación de pares e-h, se liberarán también los electrones no enlazados, ya que la energía necesaria para liberar el electrón excedente es del orden de la centésima parte de la correspondiente a los electrones de los enlaces covalentes (en torno a 0,01 eV).

Así, en el semiconductor aparecerá una mayor cantidad de electrones que de huecos; por ello se dice que los electrones son los portadores mayoritarios de la energía eléctrica y puesto que este excedente de electrones procede de las impurezas pentavalentes, a éstas se las llama donadoras.

Aún siendo mayor n que p, la ley de masas se sigue cumpliendo, dado que aunque aparentemente sólo se aumente el número de electrones libres, al hacerlo, se incrementa la probabilidad de recombinación, lo que resulta en un disminución del número de huecos p, es decir:

n > ni = pi > p, tal que: n·p = ni2

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Por lo que respecta a la conductividad del material, ésta aumenta enormemente, así, por ejemplo, introduciendo sólo un átomo donador por cada 1000 átomos de silicio, la conductividad es 24100 veces mayor que la del silicio puro.

Semiconductor extrínseco tipo p

Es el que se ha dopado con elementos trivalentes (Al, B, Ga o In). En este caso, las impurezas aportan una vacante, por lo que se las denomina aceptarás (de electrones, se entiende). Ahora bien, el espacio vacante no es un hueco como el formado antes con el salto de un electrón, si no que tiene un nivel energético ligeramente superior al de la banda de valencia (del orden de 0,01 eV).

En este caso, los electrones saltarán a las vacantes con facilidad dejando huecos en la banda de valencia en mayor número que electrones en la banda de conducción, de modo que ahora son los huecos los portadores mayoritarios.

Al igual que en el caso anterior, el incremento del número de huecos se ve compensado en cierta medida por la mayor probabilidad de recombinación, de modo que la ley de masas también se cumple en este caso:

p > pi = ni > n, tal que: n·p = ni2

Difusión

Como acabamos de ver, en un semiconductor sometido a una campo electrico, se producen dos corrientes de desplazamiento, la de electrones en la banda de conducción y la de huecos en la banda de valencia. A éstas hay que añadir la difusión, que es el proceso mediante el cual las propiedades de un sólido se reparten a lo largo de su volumen hasta hacerse uniformes en todo él.

APLICACIONES

CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

En una célula fotovoltaica, la luz excita electrones entre capas de materiales

semiconductores de silicio. Esto produce corrientes eléctricas.

Las células solares hechas con obleas finas de silicio, arseniuro de galio u otro

material semiconductor en estado cristalino, convierten la radiación en electricidad

de forma directa.

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RECTIFICADORES

En las aplicaciones de baja tensión, como en los equipos electrónicos, se emplean

casi exclusivamente rectificadores de tubo de vacío o de semiconductores.

Circuito integrado, pequeño circuito electrónico utilizado para realizar una función

electrónica específica, como la amplificación. Se combina por lo general con otros

componentes para formar un sistema más complejo y se fabrica mediante la

difusión de impurezas en silicio monocristalino, que sirve como material

semiconductor, o mediante la soldadura del silicio con un haz de flujo de

electrones.

CIRCUITO INTEGRADO

Este circuito integrado, un microprocesador F-100, tiene sólo 0,6 cm2, y es lo

bastante pequeño para pasar por el ojo de una aguja.

MICROCONTROLADOR

Un microprocesador no es un ordenador completo. No contiene grandes

cantidades de memoria ni es capaz de comunicarse con dispositivos de entrada —

como un teclado, un joystick o un ratón— o dispositivos de salida como un monitor

o una impresora. Un tipo diferente de circuito integrado llamado microcontrolador

es de hecho una computadora completa situada en un único chip, que contiene

todos los elementos del microprocesador básico además de otras funciones

especializadas. Los microcontroladores se emplean en videojuegos, reproductores

de vídeo, automóviles y otras máquinas.

El microprocesador es un tipo de circuito sumamente integrado. Los circuitos

integrados, también conocidos como microchips o chips, son circuitos electrónicos

complejos formados por componentes extremadamente pequeños formados en

una única pieza plana de poco espesor de un material conocido como

semiconductor.

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CAPITULO 2 TRANSDUCTORES OPTOELECTRONICOS

2.1 SENSORES DE LUZ

Los sensores de luz visible y de infrarrojos cubren un amplio espectro de complejidad. Las fotocélulas se encuentran entre los más sencillos de todos los sensores para hacer su interfaz con el microprocesador, y la interpretación de la salida de una fotocélula es directa. Las cámaras de vídeo, por el contrario, requieren una buena cantidad de circuitería especializada para hacer que sus salidas sean compatibles con un microprocesador, además las complejas imágenes que las cámaras graban son todo menos fáciles de interpretar.

Los sensores son un componente crucial a cualquier máquina que se denomine un robot. Los sensores entregan información sobre el robot y el ambiente en el cual está interactuando, al computador (cerebro) del robot. El programa computacional del robot decide que hacer basándose en esa información y en sus propias instrucciones de tareas de alto nivel. Un sensor de luz es un sensor que mide la cantidad de luz que recibe. Le entrega al RCX un número que varía entre 0 (oscuridad total) y 100 (muy brillante). El sensor de luz tiene una fuente de luz propia, un Diodo Emisor de Luz (LED) rojo que ilumina una pequeña área al frente del receptor. El sensor de luz puede determinar si esta viendo un trozo de papel blanco o negro. Cuando el sensor de luz está sobre papel blanco, lee un valor de 50. Cuando está sobre el papel Negro, mide un valor de 33 (valores aproximados). El sensor de luz detecta luz en ángulo muy amplio. Para disminuir el campo de visión se puede colocar una barra de 1x2 con un agujero frente al sensor. De ese modo el sensor solo detectará la luz directamente al frente de él. Los sensores de luz posibilitan comportamientos de un robot tales como esconderse en la oscuridad, jugar con un flash, y moverse hacia una señal luminosa. Los sensores de luz simples son fotorresistencias, fotodiodos o fototransistores.

2.2 FOTOCONDUCTOR DE UNA PIEZA (FOTORRESISTENCIA).

Resistencias LDR

Un LDR es una resistencia con una característica muy particular: su valor depende de la intensidad de luz que incide en ella. Cuando la intensidad de la luz aumenta, el valor de la resistencia desciende, y viceversa. Una aplicación es la

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automatización de los sistemas de iluminación, de tal manera que al oscurecer se enciendan las luces. El circuito es muy sencillo, y del mismo modo que sucede con el resto de resistencias no es necesario tener en cuenta la polaridad.

Una fotorresistencia (o fotocélula) tiene una interfaz con un microprocesador fácil de hacer. Las fotorresistencias son simplemente resistencias variables con la luz en muchos aspectos parecidos a los potenciómetros, excepto en que estos últimos varían girando un botón.

Una fotorresistencia se compone de un material semiconductor cuya resistencia varia en función de la iluminación. La fotorresistencia reduce su valor resistivo en presencia de rayos luminosos. Es por ello por lo que también se le llama resistencias dependientes de luz (light dependent resistors), fotoconductores o células fotoconductoras.

Cuando incide la luz en el material fotoconductor se generan pares electrón - hueco. Al haber un mayor número de portadores, el valor de la resistencia disminuye. De este modo, la fotorresistencia iluminada tiene un valor de resistencia bajo.

Figura 10: Foto generación de portadores

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Si dejamos de iluminar, los portadores foto generados se recombinarán hasta volver hasta sus valores iniciales. Por lo tanto el número de portadores disminuirá y el valor de la resistencia será mayor.

Figura 11: Estado de conducción sin foto generación

Por supuesto, el material de la fotorresistencia responderá a unas longitudes de onda determinadas. Es decir, la variación de resistencia será máxima para una longitud de onda determinada. Esta longitud de onda depende del material y el dopado, y deberá ser suministrada por el proveedor. En general, la variación de resistencia en función de la longitud de onda presentan curvas como las de la figura siguiente.

Figura 12: Variación de resistencia en función de la longitud de onda de la radiación.

El material mas utilizado como sensor es el CdS, aunque también puede utilizarse Silicio, GaAsP y GaP.

2.3 FOTODIODO Es un fotoconductor o fotodetector que cambia su resistencia eléctrica debido a la exposición a energía radiante. Un fotodiodo consiste en esencia de una unión de material "P" y material "N" polarizada inversamente, en la cual la corriente inversa está en función de la luz que incide en el fotodiodo y se considera que a mayor intensidad de luz existe una corriente de fuga mayor.

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El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón - hueco debido a la energía luminosa. La aplicación de la luz a la unión dará como resultado una transferencia de energía de las ondas de luz incidentes (en forma de fotones) a la estructura atómica, dando como resultado un aumento en la cantidad de portadores minoritarios y un incremento del nivel de la corriente inversa. *Curva característica: Respuesta

La corriente de fuga en la oscuridad (Io) aumenta al haber mayor intensidad de luz (H). El espaciado casi igual entre las curvas para el mismo incremento en flujo luminoso revela que la corriente inversa y el flujo luminoso están relacionados casi linealmente. En otras palabras, un aumento en intensidad de luz dará como resultado un incremento similar en corriente inversa. Con base a la gráfica de respuesta se puede determinar que el dispositivo es lineal. El comportamiento del fotodiodo en inversa se ve claramente influenciado por la incidencia de la luz. Las corrientes de fuga son debidas a los portadores minoritarios, electrones en la zona P y huecos en la zona N. La generación de portadores debido a la luz provoca un aumento sustancial de portadores

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minoritarios, lo que se traduce en un aumento de la corriente de fuga en inversa. El modelo circuital del fotodiodo en inversa esta formado por un generador de intensidad cuyo valor depende de la cantidad de luz. En directa, el fotodiodo se comporta como un diodo normal. Si está fabricado en silicio, la tensión que cae en el dispositivo será aproximadamente de 0.7 V. El comportamiento del fotodiodo en directa apenas se ve alterado por la generación luminosa de portadores. Esto es debido a que los portadores, provenientes del dopado (portadores mayoritarios) son mucho más numerosos que los portadores de generación luminosa. *Parámetros principales: - Corriente Oscura (Dark Current): Es la corriente en inversa del fotodiodo cuando no existe luz incidente. - Sensibilidad: Es el incremento de intensidad al polarizar el dispositivo en inversa por unidad de intensidad de luz, expresada en luxes. *Aplicaciones - Comunicaciones ópticas. - Fotómetros. - Control de iluminación y brillo. - Control remoto por infrarrojos. - Enfoque automático y control de exposición en cámaras **Combinadas con una fuente de luz: - Codificadores de posición. - Medidas de distancia. - Medidas de espesor. - Transparencia. - Detectores de proximidad y de presencia. - Sensado de color para inspección y control de calidad **Agrupando varios sensores: - Reconocimiento de formas. - Lectores de tarjetas codificada

Los fotodiodos tienen una gran sensibilidad, producen una salida lineal en un amplio rango de niveles de luz, y responden con rapidez a los cambios de iluminación. Esto les hace útiles en los sistemas de comunicación para detectar luces moduladas; el mando a distancia de casi todos los TV, equipos estéreos y reproductores de CD los emplean. La salida de un fotodiodo requiere, no obstante, amplificación antes de poder ser empleada por un microprocesador.

2.4 FOTOTRANSISTOR

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Los fototransistores dan mayor sensibilidad a la luz que las fotoresistencias. Un fototransistor tiene una interfaz con un microprocesador casi tan fácil como el de una fotoresistencia.

Un fototransistor es una combinación integrada de fotodiodo y transistor bipolar npn (sensible a la luz) donde la base recibe la radiación óptica. Es importante notar que todos los transistores son sensibles a la luz, pero los fototransitores están diseñados para aprovechar esta característica. Existen transistores FET, que son muy sensibles a la luz, pero encontramos que la mayoría de los fototransistores consisten en una unión npn con una región de base amplia y expuesta, como se muestra en la figura :

La corriente inducida por el efecto fotoeléctrico es la corriente de base del transistor. Si asignamos la notación Ibf para la corriente de base fotoinducida, la corriente de colector resultante, de forma aproximada, es: Ic = hfe * Ibf

En la siguiente gráfica se proporciona un conjunto de características representativas para un fototransistor, junto con la representación simbólica del dispositivo. Es importante notar las similitudes entre estas curvas y las del transistor bipolar típico. Como se espera, un incremento en la intensidad de la luz corresponde a un incremento en la corriente de colector.

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El funcionamiento de un fototransistor es el siguiente:

Al exponer el fototransistor a la luz, los fotones entran en contacto con la base del mismo, generando huecos y con ello una corriente de base que hace que el transistor entre en la región activa, y se presente una corriente de colector a emisor. Es decir, los fotones en este caso, reemplazan la corriente de base que normalmente se aplica eléctricamente. Es por este motivo que a menudo la patilla correspondiente a la base está ausente del transistor. La característica más sobresaliente de un fototransistor es que permite detectar luz y amplificar mediante el uso de un sólo dispositivo. La sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un fotodiodo, ya que la pequeña corriente fotogenerada es multiplicada por la ganacia del transistor.

Construcción de los fototransistores

Los fototransistores se construyen con silicio o germanio, similarmente a

cualquier tipo de transistor bipolar. Existen tanto fototransistores NPN como PNP. Debido a que la radiación es la que dispara la base del transistor, y no una corriente aplicada eléctricamente, usualmente la patilla correspondiente a la base no se incluye en el transistor. El método de construcción es el de difusión. Este consiste en que se utiliza silicio o germanio, así como gases como impurezas o dopantes.

Por medio de la difusión, los gases dopantes penetran la superficie sólida

del silicio. Sobre una superficie sobre la cual ya ha ocurrido la difusión, se pueden realizar difusiones posteriores, creando capas de dopantes en el material. La parte exterior del fototransistor está hecha de un material llamado epoxy, que es una resina que permite el ingreso de radiación hacia la base del transistor

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Aplicación

2.5 FOTOTIRISTOR

Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los Tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones.

FOTOTIRISTOR, ( LASCR ). Photothyristor. Tiristor cuyas características de funcionamiento dependen de la luz recibida.

El SCR y la corriente continua: Rectificador controlado de silicio, estos elementos semiconductores son muy utilizados para controlar la cantidad de potencia que se entrega a una carga, donde: - A = ánodo - C = cátodo, también representado por la letra K - G = compuerta o gate

Normalmente el SCR se comporta como un circuito abierto hasta que activa su compuerta (GATE) con una pequeña corriente (se cierra el interruptor S) y así este conduce y se comporta como un diodo en polarización directa

Si no existe corriente en la compuerta el tristor no conduce.

Al mover el ratón, se hace rodar una bola que

hay en su interior. Esta rotación hace girar

dos ejes, correspondientes a las dos

dimensiones del movimiento. Cada eje mueve

un disco con ranuras. De un lado de cada

disco, un diodo emisor de luz (LED, acrónimo

de Light-Emitting Diode) envía luz a través

de las ranuras hacia un fototransistor de

recepción situado al otro lado. A continuación,

la secuencia de cambios de luz a oscuridad

se traduce en una señal eléctrica, que indica

la posición y la velocidad del ratón, que se

ven reflejadas en el movimiento del cursor en

la pantalla del ordenador o computadora.

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Lo que sucede después de ser activado el SCR, se queda conduciendo y se mantiene así. Si se desea que el tristor deje de conducir, el voltaje +V debe ser reducido a 0 Voltios.

Si se disminuye lentamente el voltaje (tensión), el tristor seguirá conduciendo hasta que por el pase una cantidad de corriente menor a la llamada "corriente de mantenimiento o de retención", lo que causará que el SCR deje de conducir aunque la tensión VG (voltaje de la compuerta con respecto a tierra no sea cero.

Como se puede ver el SCR , tiene dos estados:

1- Estado de conducción, en donde la resistencia entre ánodo y cátodo es muy baja 2- Estado de corte, donde la resistencia es muy elevada

SCR activado por luz (LASCR) Fototiristores.

CARACTERISTICAS DE LOS TIRISTORES:

Un Tiristor es dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura pnpn con tres uniones pn tiene tres terminales: ánodo cátodo y compuerta. La fig. 1 muestra el símbolo del tiristor y una sección recta de tres uniones pn. Los tiristores se fabrican por difusión. Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, las uniones J1 y J3 tienen polarización directa o positiva. La unión J2 tiene polarización inversa, y solo fluirá una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo. Se dice entonces que el tiristor está en condición de bloqueo directo o en estado desactivado llamándose a la corriente fuga corriente de estado inactivo ID. Si el voltaje ánodo a cátodo VAK se incrementa a un valor lo suficientemente grande la unión J2 polarizada inversamente entrará en ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje de ruptura directa VBO. Dado que las uniones J1 y J3 ya tienen polarización directa, habrá un movimiento libre de portadores a través de las tres uniones que provocará una gran corriente directa del ánodo. Se dice entonces que el dispositivo está en estado de conducción o activado.

Fig. 1 Símbolo del tiristor y tres uniones pn

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La caída de voltaje se deberá a la caída ohmica de las cuatro capas y será pequeña, por lo común 1V. En el estado activo, la corriente del ánodo está limitada por una impedancia o una resistencia externa, RL, tal y como se muestra en la fig. 2. La corriente del ánodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche IL, a fin de mantener la cantidad requerida de flujo de portadores a través de la unión; de lo contrario, al reducirse el voltaje del ánodo al cátodo, el dispositivo regresará a la condición de bloqueo. La corriente de enganche, IL, es la corriente del ánodo mínima requerida para mantener el tiristor en estado de conducción inmediatamente después de que ha sido activado y se ha retirado la señal de la compuerta. En la fig. 2b aparece una gráfica característica v-i común de un tiristor.

Fig.2 Circuito Tiristor y característica v-i

Una vez que el tiristor es activado , se comporta como un diodo en conducción y ya no hay control sobre el dispositivo. El tiristor seguirá conduciendo, porque en la unión J2 no existe una capa de agotamiento de vida a movimientos libres de portadores. Sin embargo si se reduce la corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento IH , se genera una región de agotamiento alrededor de la unión J2 debida al número reducido de portadores; el tiristor estará entonces en estado de Esto significa que ILbloqueo. La corriente de mantenimiento es del orden de los miliamperios y es menor que la corriente de enganche, IL. >IH . La corriente de mantenimiento IH es la corriente del ánodo mínima para mantener el tiristor en estado de régimen permanente. La corriente de mantenimiento es menor que la corriente de enganche. Cuando el voltaje del cátodo es positivo con respecto al del ánodo, la unión J2 tiene polarización directa, pero las uniones J1 y J3 tienen polarización inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso a través de ellos. El tiristor estará en estado de bloqueo inverso y una corriente de fuga inversa, conocida como corriente de fuga inversa IR, fluirá a través del dispositivo.

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TIPOS DE TIRISTORES.

Los tiristores se fabrican casi exclusivamente por difusión. La corriente del ánodo requiere de un tiempo finito para propagarse por toda el área de la unión, desde el punto cercano a la compuerta cuando inicia la señal de la compuerta para activar el tiristor. Para controlar el di/dt, el tiempo de activación y el tiempo de desactivación, los fabricantes utilizan varias estructuras de compuerta.

Dependiendo de la construcción física y del comportamiento de activación y desactivación, en general los tiristores pueden clasificarse en nueve categorías:

1. Tiristores de control de fase (SCR). 2. Tiristores de conmutación rápida (SCR). 3. Tiristores de desactivación por compuerta (GTO). 4. Tiristores de tríodo bidireccional (TRIAC). 5. Tiristores de conducción inversa (RTC). 6. Tiristores de inducción estática (SITH). 7. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR) 8. Tiristores controlados por FET (FET-CTH) 9. Tiristores controlados por MOS (MCT)

2.6 DIODO LED

Un diodo LED, acrónimo inglés de Light Emitting Diode (diodo emisor de luz) es un dispositivo semiconductor que emite luz monocromática cuando se polariza en directa y es atravesado por la corriente eléctrica. El color depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo pudiendo variar desde el ultravioleta, pasando por el espectro de luz visible, hasta el infrarrojo, recibiendo éstos últimos la denominación de diodos IRED ( Infra-Red Emitting Diode ). El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de cristal que usualmente se emplean en las bombillas. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida. Debe escogerse bien la corriente que atraviesa el LED para obtener una buena intensidad luminosa; el voltaje de operación va desde 1,5 a 2,2 voltios aproximadamente y la gama de intensidades que debe circular por él va de 10 a 20 mA en los diodos de color rojo y de entre 20 y 40 mA para los otros LEDs. El primer diodo LED que emitía en el espectro visible fue desarrollado por el ingeniero de General Electric Nick Holonyak en 1962.

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Tecnología LED/OLED

En directa, todos los diodos emiten una cierta cantidad de radiación cuando los pares electrón-hueco se recombinan, es decir, cuando los electrones caen desde la banda de conducción (de mayor energía) a la banda de valencia (de menor energía). Indudablemente, la frecuencia de la radiación emitida y por ende su color, dependerá de la altura de la banda prohibida (diferencias de energía entre las bandas de conducción y valencia), es decir, de los materiales empleados. Los diodos convencionales, de silicio o germanio, emiten radiación infrarroja muy alejada del espectro visible, sin embargo con materiales especiales pueden conseguirse longitudes de onda visibles. Los diodos LED e IRED, además tienen geometrías especiales para evitar que la radiación emitida sea reabsorbida por el material circundante del propio diodo, lo que sucede en los convencionales.

Los primeros diodos construidos fueron los diodos infrarrojos y de color rojo, permitiendo el desarrollo tecnológico posterior la construcción de diodos para longitudes de onda cada vez menores. En particular, los diodos azules fueron desarrollados a finales de los 90 por Shuji Nakamura, añadiéndose a los rojos y verdes desarrollados con anterioridad, lo que permitió, por combinación de los mismos, la obtención de luz blanca. El diodo de seleniuro de zinc puede emitir también luz blanca si se mezcla la luz azul que emite con la roja y verde creada por fotoluminiscencia. La más reciente innovación en el ámbito de la tecnología LED son los diodos ultravioletas, que se han empleado con éxito en la producción de luz blanca al emplearse para iluminar materiales fluorescentes. Tanto los diodos azules como los ultravioletas son relativamente caros si los comparamos con los más comunes (rojo, verde, amarillo e infrarrojo) siendo por ello menos empleados en las aplicaciones comerciales.

Compuestos empleados en la construcción de diodos LED.

Compuesto Color Frec.

Arseniuro de galio (GaAs) Infrarrojo 940nm

Arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs)

Rojo e infrarrojo

890nm

Arseniuro fosfuro de galio (GaAsP)

Rojo, naranja y amarillo

630nm

Fosfuro de galio (GaP) Verde 555nm

Nitruro de galio (GaN) Verde 525nm

Seleniuro de zinc (ZnSe) Azul

Nitruro de galio e indio (InGaN) Azul 450nm

Carburo de silicio (SiC) Azul 480nm

Diamante (C) Ultravioleta

Silicio (Si) En desarrollo

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Los LED comerciales típicos están diseñados para potencias del orden de los 30 a 60 mW. En torno a 1999 se introdujeron en el mercado diodos capaces de trabajar con potencias de 1 W para uso continuo; estos diodos tienen obviamente unas matrices semiconductoras de dimensiones mucho mayores para poder soportar tales potencias e incorporan además aletas metálicas para disipar el calor (ver convección) generado por efecto Joule. En 2002 se comercializaron diodos para potencias de 5 W, con eficiencias en torno a 60 lm/W, es decir, el equivalente a una bombilla incandescente de 50 W. De continuar esta progresión, en el futuro será posible el empleo de diodos LED en la iluminación. El comienzo del siglo XXI ha visto aparecer los diodos OLED (diodos LED orgánicos), fabricados con materiales polímeros orgánicos semiconductores. Aunque la eficiencia lograda con estos dispositivos está lejos de la de los diodos inorgánicos, su fabricación promete ser considerablemente más barata que la de aquellos, siendo además posible depositar gran cantidad de diodos sobre cualquier superficie empleando técnicas de pintado para crear pantallas a color. Desventajas Sus desventajas son que su potencia de iluminación es tan baja, que su luz es invisible bajo una fuente de luz brillante y que su ángulo de visibilidad está entre los 30° y 60°. Este último problema se corrige con cubiertas difusores de luz.

Aplicaciones

Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento.

Ejemplos - Se utilizan para desplegar contadores - Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente directa. - Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna. - En dispositivos de alarma

Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia de televisores, habiéndose generalizado su uso en otros electrodomésticos como equipos de aire acondicionado, equipos de música, etc. y en general para aplicaciones de control remoto, así como en dispositivos detectores.

Los diodos LED se emplean con profusión en todo tipo de indicadores de estado (encendido/apagado) en dispositivos de señalización (de tráfico, de emergencia, etc.) y en paneles informativos (el mayor del mundo, del NASDAQ, tiene 36,6 metros de altura y está en Times Square, Manhattan). También se emplean en el alumbrado de pantallas de cristal líquido de teléfonos móviles, calculadoras, agendas electrónicas etc., así como en bicicletas y usos similares. Existen además impresoras LED. El uso de lámparas LED en el ámbito de la iluminación (incluyendo la señalización de tráfico) es previsible que se incremente en el futuro, ya que aunque sus

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prestaciones son intermedias entre las lámpara incandescentes y los tubos fluorescentes, presenta indudables ventajas frente a ambos sistemas de iluminación particularmente su larga vida útil, su menor fragilidad y la menor disipación de energía.

2.7 IRLEDS O DIODO LASER

Un diodo láser es dispositivo semiconductor similar a los diodos LED pero que bajo las condiciones adecuadas emite luz láser. A veces se los denomina diodos láser de inyección, o por sus siglas inglesas LD o ILD. Cuando un diodo convencional o LED se polariza en directa, los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona n hacia la zona p; ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo. Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse cayendo el electrón al hueco y emitiendo un fotón con la energía correspondiente a la banda prohibida. Esta emisión espontánea se produce en todos los diodos, pero sólo es visible en los diodos LED que tienen una disposición constructiva especial con el propósito de evitar que la radiación sea reabsorbida por el material circundante, y una energía de la banda prohibida coincidente con el espectro visible; en el resto de diodos, la energía se disipa en forma de radiación infrarroja. En condiciones apropiadas, el electrón y el hueco pueden coexistir un breve tiempo, del orden de milisegundos, antes de recombinarse, de forma que si un fotón con la energía apropiada pasa por casualidad por allí durante ese periodo, se producirá la emisión estimulada, es decir, al producirse la recombinación el fotón emitido tendrá igual frecuencia, polarización y fase que el primer fotón. En los diodos láser, el cristal semiconductor tiene la forma de una lámina delgada lográndose así una unión p-n de grandes dimensiones, con las caras exteriores perfectamente paralelas. Los fotones emitidos en la dirección adecuada se reflejarán repetidamente en dichas caras estimulando a su vez la emisión de más fotones, hasta que el diodo comienza a emitir luz láser.

2.8 DISPLAY

EL DISPLAY DE 7 SEGMENTOS

Una de las aplicaciones mas populares de los LED’s es la de señalización. Quizás la mas utilizada sea la de 7 LED’s colocadas en forma de ocho tal y como se indica en la figura 9. Aunque externamente su forma difiere considerablemente de un diodo LED típico, internamente están constituidos por una serie de diodos LED con unas determinadas conexiones internas. En la figura 9 se indica el esquema eléctrico de las conexiones del interior de un indicador luminoso de 7 segmentos.

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Display de 7 segmentos. A la izquierda aparecen las dos posibles formas de construir el circuito

La figura muestra un indicador de siete segmentos. Contiene siete LED rectangulares (a - g), en el que cada uno recibe el nombre de segmento porque forma parte del símbolo que esta mostrando. Con un indicador de siete segmentos se pueden formar los dígitos del 0 al 9, también las letras a, c, e y f y las letras minúsculas b y d. Los entrenadores de microprocesadores usan a menudo indicadores de siete segmentos para mostrar todos los dígitos del 0 al 9 mas a, b, d, d, e y f.

Polarizando los diferentes diodos, se iluminaran los segmentos correspondientes. De esta manera podemos señalizar todos los números en base 10. Por ejemplo, si queremos representar el número de 1 en el display deberemos mandar seal a los diodos b y b, y los otros diodos deben de tener tensión cero. Esto lo podemos escribir así 0110000(0). El primer digito representa al diodo a, el segundo al b, el tercero al c, y así sucesivamente. Un cero representa que no polarizamos el diodo, es decir no le aplicamos tensión. Un uno representa que el diodo esta polarizado, y por lo tanto, emite luz.

Muchas veces aparece un octavo segmento, entre paréntesis en el ejemplo anterior, que funciona como punto decimal.

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Octavo segmento

Características

Solidez: excelente

Angulo de visibilidad: 150 grados

Consumo por digito: 50 mW

Vida media en horas: 100000

Luminosidad: buena

Facilidad de montaje: excelente

Vcc general: 1.5 volt.

La Vcc depende del color del LED.

Para un color rojo: Vcc=1.7volt.

Vcc más = 2 volt.

Dependiendo de la tensión aplicada obtendremos una intensidad. Es aconsejable no sobrepasar la Vcc recomendada. Si se alcanza la Vcc máxima se puede destruir el segmento.

PROTECCIÓN.

Cada segmento (y el punto) es un LED como cualquier otro. Debido a esto la corriente media que se debe aplicar es de 15 mA. Dependiendo de la lógica que estemos empleando debemos utilizar una resistencia por cada entrada y así no forzar el dispositivo:

Lógica TTL (5 volt): 220

Lógica CMOS(12 volt):680

Esta resistencia debe ser situada en cada patilla, haciendo de puente entre la señal lógica de excitación y el display.

DISPLAY DE CRISTAL LÍQUIDO (LCDS) Los LCD’s difieren de otros tipos de displays en que no generan luz sino que trabajan con la reflexión de la luz. El principio de funcionamiento es sencillo. Estos cristales líquidos están formados por unas moléculas alargadas con forma de puro, que se llaman moléculas nemáticas y se alinean con una estructura

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simétrica. En este estado el material es transparente. Un campo eléctrico provoca que las moléculas se desalineen de manera que se vuelven opacas a la luz. De esta manera, aplicando o no aplicando un campo eléctrico (es decir, polarizando o no polarizando), podemos jugar con oscuridad o transparencia respectivamente. Si aplicamos el campo localmente en geometrías iguales al display de 7 segmentos, conseguiremos un display análogo al de los LED’s pero con cristal líquido. En la construcción de un LCD se depositan electrodos transparentes en la cara interior de los cristales, tal y como aparece en la. Estos electrodos tienen la geometría deseada, por ejemplo, el display de 7 segmentos. El espesor del cristal líquido es muy pequeño, del orden de 0.01mm. Si no se polarizan los terminales, al incidir la luz sobre el cristal frontal, pasa a través del cristal líquido y es reflejada por el espejo incidiendo en el ojo que está mirando. El resultado: todo se ve de color claro. Si polarizamos un electrodo, por ejemplo, el electrodo a, el cristal líquido pegado al electrodo se vuelve opaco, negro, oscuro. La luz ya no es reflejada.

Esquema constructivo de un LCD

Existen diferentes tipos de "displays", según la utilización para la que están diseñados. El más elemental es el "display" de 7 segmentos, diseñado para representar números que van del 0 al 9 como ya lo vimos anteriormente. Con este tipo de indicador luminoso también se pueden representar algunas letras, pero éstas son unas veces mayúsculas (como la A) y, otras, minúsculas (como la b o la d). Aun así, es imposible generar algunos caracteres como la Y o la X, entre otras. Para solucionar estos problemas se han diseñado otros tipos distintos de "displays", llamados alfanuméricos. Existen dos tipos básicos:

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Indicadores luminosos numéricos y alfanuméricos. a) Aspecto físico de un "display" numérico de 7 segmentos. b) Tabla de caracteres y números que se pueden representar en el "display" de 7

segmentos. c) Aspecto físico de un "display" alfanumérico de 16 segmentos. d) Un "display" alfanumérico de 35 puntos. e) Tabla de caracteres y números que pueden ser representados en el "display" de

16 segmentos El de 16 segmentos, que muestra el esquema de la figura c, y el de 35 puntos, en la figura d.

El primero es muy parecido al de siete segmentos, pero usa dieciséis segmentos para poder representar un mayor número de caracteres y, en este caso, también signos especiales como los indicados en la figura ii-e. El segundo, como se puede observar en la figura ii-d, es, en realidad, una matriz de puntos ordenados en siete filas de cinco puntos por cada fila. Como es lógico pensar, la capacidad de realizar símbolos o caracteres es ahora superior a la del "display" de 16 segmentos.

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CAPITULO 3

OPTOACOPLADORES

DEFINICIÓN DE OPTOACOPLADOR

El Optoacoplador es un dispositivo que se compone de un diodo LED y un fototransistor, de manera de que cuando el diodo LED emita luz, ésta ilumine el fototransistor y conduzca. Estos dos elementos están acoplados de la forma más eficiente posible.

La corriente de salida IC (corriente de colector del fototransistor) es proporcional a la corriente de entrada IF (corriente en el diodo LED). La relación entre estas dos corrientes se llama "razón de transferencia de corriente" (CTR) y depende de la temperatura ambiente. A mayor temperatura ambiente, la corriente de colector en el fototransistor es mayor para la misma corriente IF (la corriente por el diodo LED)

La entrada (circuito del diodo) y la salida (circuito del fototransistor) están 100% aislados y la impedancia de entrada es muy grande (1013 ohms típico)

El optoacoplador es un dispositivo sensible a la frecuencia y el CTR disminuye al aumentar esta.

Este elemento puede sustituir a elementos electromecánicos como relés, conmutadores. De esta manera se eliminan los golpes, se mejora la velocidad de conmutación y casi no hay necesidad de mantenimiento.

3.1 CONSTRUCCIÓN

Un optoacoplador combina un dispositivo semiconductor formado por un fotoemisor, un fotorreceptor y entre ambos hay un camino por donde se transmite la luz. Todos estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP.

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3.2 CLASIFICACIÓN

Existen varios tipos de optoacopladores cuya diferencia entre sí depende de los dispositivos de salida que se inserten en el componente. Según esto tenemos los siguientes tipos:

Fototransistor: o lineal, conmuta una variación de corriente de entrada en una variación de tensión de salida. Se utiliza en acoplamientos de líneas telefónicas, periféricos, audio...

Optotiristor: Diseñado para aplicaciones donde sea preciso un aislamiento entre una señal lógica y la red.

Optotriac: Al igual que el optotiristor, se utiliza para aislar una circuiteria de baja tensión a la red.

En general pueden sustituir a relés ya que tienen una velocidad de conmutación mayor, así como, la ausencia de rebotes.

Símbolo del optotransistor Símbolo de un optotransistor en configuración Darlington

Símbolo de un optotransistor de encapsulado ranurado

Símbolo del Optotiristor Símbolo Optotriac

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También se denominan optoaisladores o dispositivos de acoplamiento óptico. Basan su funcionamiento en el empleo de un haz de radiación luminosa para pasar señales de un circuito a otro sin conexión eléctrica. Fundamentalmente este dispositivo está formado por una fuente emisora de luz, y un fotosensor de silicio, que se adapta a la sensibilidad espectral del emisor luminoso.

ENCAPSULADOS

El encapsulado varia en función del tipo de optoacoplador y de su aplicación, así como del número de unidades que se encuentren en su interior. En el caso de optoacopladores sencillos la cápsula, de tipo DIL, suele tener 6 patillas, siendo estos los más utilizados (observa en la figura su construcción interna). Los dobles, también de tipo DIL tienen 8 pines; algunos pueden tener hasta cuatro unidades en cápsulas DIL de 16 patillas. Normalmente, los pines del elemento emisor están a un lado de la cápsula y los del sensor en el lado opuesto. Existen unos encapsulados diferentes en los que, físicamente se puede interrumpir el haz luminoso (usados para control de posición, nº de revoluciones, cerraduras...). De esta forma el encapsulado presenta una ranura entre el emisor y el receptor. Se les denomina de cápsula ranurada o fotocélulas de herradura.

Optotransistor insertado en cápsula tipo DIL

Dos tipos de optoacopladores de cápsulas ranuradas

Aspecto de un encapsulado DIL de 6 patillas (pdf)

Encapsulados DIP-8 y DIP-14

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3.3 CARACTERISTICAS ELECTRICAS

Existen muchas situaciones en las cuales se necesita transmitir información entre circuitos conmutadores aislados eléctricamente uno del otro. Este aislamiento(aislamiento galvánico) ha sido comúnmente provisto por relés o transformadores de aislamiento.. Existen sin embargo en el mercado otros dispositivos capaces de proporcionar el aislamiento requerido, los cuales son muy efectivos para solucionar este tipo de situaciones . Estos dispositivos se llaman optoacopladores, los optoacopladores son más necesarios en situaciones donde se desea protección contra altos voltajes y aislamiento de ruidos, así como cuando el tamaño de dispositivo es un factor a considerar. Al realizar un acople entre dos sistemas mediante la transmisión de energía radiante (fotones), se elimina la necesidad de una tierra común , es decir que ambas partes acopladas pueden tener diferente voltajes de referencia, lo cual constituye la principal ventaja de los optoacopladores. La señal de entrada es aplicada al fotoemisor y la salida es tomada del fotorreceptor. Los optoacopladores son capaces de convertir una señal eléctrica en una señal luminosa modulada y volver a convertirla en una señal eléctrica. La gran ventaja de un optó acoplador reside en el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida. Los fotoemisores que se emplean en los optoacopladores de potencia son diodos que emiten rayos infrarrojos (IRED) y los fotorreceptores pueden ser tiristores o transistores. Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo IRED, este emite un haz de rayos infrarrojo que transmite a través de una pequeña guía-ondas de plástico o cristal hacia el fotorreceptor. La energía luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que este genere una tensión eléctrica a su salida. Este responde a las señales de entrada, que podrían ser pulsos de tensión. Para utilizar completamente las características ofrecidas por un optó acoplador es necesario que el diseñador tenga conocimiento de las mismas. Las diferentes características entre las familias son atribuidas principalmente a la diferencia en la construcción. Las características más usadas por los diseñadores son las siguientes: 1. Aislamiento de alto voltaje. El aislamiento de alto voltaje entre las entradas y las salidas son obtenidos por el separador físico entre el emisor y el sensor. Este aislamiento es posiblemente el más importante avance de los optoacopladores. Estos dispositivos pueden resistir grandes diferencias de potencial, dependiendo del tipo de acople medio y la construcción del empaquetado. El vidrio IR separa el emisor y el sensor en el TIL1027TIL103 Y TIL1207TIL121 tienen una capacidad de aislamiento de 1000 voltios, la resistencia de aislamiento es mayor que 10E12 omhios. 2. Aislamiento de ruido: El ruido eléctrico en señales digitales recibidas en la entrada de el optó acoplador es aislado desde la salida por el acople medio, desde el diodo de entrada el ruido de modo común es rechazado. 3. Ganancia de corriente: La ganancia de corriente de un optó acoplador es en gran medida determinada por la eficiencia de los sensores npn y por el tipo de

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transmisión media usado. Para el TIL103 ganancia de corriente es mayor que uno, el cual en algunos casos elimina la necesidad de amplificadores de corriente en la salida. Sin embargo ambos el TIL102/TIL103 y el TIL120/TIL121, tienen niveles de salida de corriente que son compatibles con las entradas de circuitos integrados como 54/74TTL. 4. Tamaño: Las dimensiones de estos dispositivos permiten ser usados en tarjetas impresas estándares. Los empaquetados de los optoacopladores es por lo general del tamaño del que tienen los transistores. Características principales de los Optoacopladores La razón de transferencia de corriente (CTR) La razón de transferencia de corriente (CTR) de un optó acoplador es la proporción del valor de la corriente de salida a la corriente de entrada El CTR es un parámetro equivalente al hFE, factor de amplificación de un transistor. El CTR es uno de las características más importantes de los optoacoples, así como el aislamiento de voltaje. En el diseño el CTR debe ser considerado en primer lugar pues el CTR. 1 Es dependiente de la corriente directa If que fluye en el LED. 2 Lo afecta los cambios en la temperatura ambiente, y 3 varía conforme el tiempo pasa. Características CTR vs. IF (iF: corriente directa que fluye a través del diodo) La razón de transferencia de corriente (CTR) depende de la magnitud de la corriente directa (If). Cuando If es baja o es más alta que una cierta magnitud, el CTR se hace más pequeño. Note que el CTR muy diferente conforme varia la magnitud de If.

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CAPITULO 4 CELDAS SOLARES

4.1 CONSTRUCCIÓN DE UNA CELDA SOLAR

Las celdas solares funcionan esencialmente con base en materiales semiconductores, típicamente silicio, a los cuales se les agregan deliberadamente impurezas específicas que permiten establecer un campo eléctrico interno dentro del semiconductor pero lo suficientemente cerca de la superficie para que una gran porción de la luz solar pueda penetrar hasta ahí. El efecto de la radiación solar consiste en la creación de un llamado par electrón-hueco, que representa un par de una carga negativa (el electrón) y una carga positiva (el hueco) y que pueden desplazarse libremente dentro del semiconductor. La eficiencia de estas celdas solares está teóricamente limitada a 28% en el caso del silicio; prácticamente ya se ha demostrado una eficiencia del 26% en el laboratorio lo cual demuestra el alto nivel tecnológico ya alcanzado con estas celdas. Celdas más complicadas, por ejemplo, las llamadas celdas tandem que se fabrican combinando dos semiconductores con banda prohibida diferente logran superar el límite del 28%; de hecho, una eficiencia de 33.7% se ha demostrado con celdas tandem de GaAs/GaSb (Arseniuro de Galio/Antimoniuro de Galio).

Estructura de una celda solar

Las celdas solares de silicio pueden ser de tipo monocristalinas, policristalinas o amorfas. La diferencia entre ellas radica en la forma como los átomos de silicio están dispuestos, es decir, en la estructura cristalina. Existe, además, una diferencia en la eficiencia. Por eficiencia se entiende el porcentaje de luz solar que es transformado en electricidad. Las celdas solares de silicio monocristalino y policristalino tienen casi el mismo y más alto nivel de eficiencia con respecto a las de silicio amorfo.

Una celda solar típica está compuesta de capas. Primero hay una capa de contacto posterior y, luego, dos capas de silicio. En la parte superior se encuentran los contactos de metal frontales con una capa de antireflexión, que da a la celda solar su típico color azul.

Durante la última década, se ha estado desarrollando nuevos tipos de celdas solares de materiales diversos, entre las que encontramos, por ejemplo, a las celdas de película delgada y a las celdas de CIS (diseleniuro de indio de cobre) y CdTe (telururo de cadmio). Éstas están comenzado a ser comercializadas.

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Celdas solares electroquímicas

Una característica común de todas las celdas solares convencionales con base en semiconductores es la materia prima relativamente cara debido a los procesos metalúrgicos necesarios para su producción. Una alternativa es la fabricación de celdas de películas delgadas con lo que se reducen los requerimientos de materia prima. Un camino diferente surgió hace varios años en un laboratorio en Lausanne, Suiza, con las llamadas celdas solares electroquímicas de inyección o celdas de Grätzel [1], según su inventor y principal promotor. Estas celdas tienen el potencial de ser producidas mucho más económicamente que las celdas existentes en el mercado gracias al bajo costo de la materia prima y sus bajos requerimientos de manufactura. La diferencia más importante de las celdas de Grätzel al compararlas con las celdas convencionales es la división de los pasos de la absorción de la luz solar, aquí realizado por un colorante, y de la separación de los pares electrón-hueco que normalmente son realizados ambos por el mismo semiconductor. Esta división de tareas permite la optimización de ambos pasos por separado y - al menos en teoría - una mayor eficiencia de la celda. (Vea Figura 1.)

Figura 1. Esquema del funcionamiento de la celda solar de Grätzel: La luz solar incidente eleva un electrón del colorante a un estado superior (“excitación”) desde el cual es inyectado a la banda de conducción (“inyección”) del semiconductor. De ahí llega hasta el contacto de la celda y puede realizar trabajo en un consumidor externo. El colorante se recupera en su estado neutro a través de la interacción con una solución electrolítica (“regeneración”). El semiconductor se fabrica en forma nanocristalina, es decir, como una red de partículas interconectadas de un tamaño minúsculo, típicamente menos de 100 nm (1 nm =10-9 m); esto crea una superficie interna enorme sobre la cual se pueden adsorber hasta 2,000 veces más moléculas del colorante que en una superficie plana.

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4.2 EFECTO FOTOVOLTAICO

Celdas Fotovoltaicas

Fotovoltaica es la conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.

El primero en notar el efecto fotoeléctrico fué el físico francés Edmundo Bequerel, en 1839. Él encontró que ciertos materiales producían pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando eran expuestos a la luz. En 1905, Albert Einstein describió la naturaleza de la luz y el efecto fotoeléctrico, en el cual está basada la tecnología fotovoltaica. Por este trabajo, se le otorgó más tarde el premio Nobel de física. El primer módulo fotovoltaico fue construido en los Laboratorios Bell en 1954. Fue descrito como una batería solar y era más que nada una curiosidad, ya que resultaba demasiado costoso como para justificar su utilización a gran escala. En la década de los 60's, la industria espacial comenzó por primera vez a hacer uso de esta tecnología para proveer la energía eléctrica a bordo de las naves espaciales.

A través de los programas espaciales, la tecnología avanzó, alcanzó un alto grado de confiabilidad y se redujo su costo. Durante la crisis de energía en la década de los 70's, la tecnología fotovoltaica empezó a ganar reconocimiento como una fuente de energía para aplicaciones no relacionadas con el espacio.

El diagrama ilustra la operación de una celda fotovoltáica, llamada también celda solar. Las celdas solares están hechas de la misma clase de materiales semiconductores, tales como el silicio, que se usan en la industria microelectrónica. Para las celdas solares, una delgada rejilla semiconductora es especialmente tratada para formar un campo eléctrico, positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando la energía luminosa llega hasta la celda solar, los electrones son golpeados y sacados de los átomos del material semiconductor. Si

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ponemos conductores eléctricos tanto del lado positivo como del negativo de la rejilla, formando un circuito eléctrico, los electrones pueden ser capturados en forma de una corriente eléctrica -- es decir, en electricidad. La electricidad puede entonces ser usada para suministrar potencia a una carga, por ejemplo para encender una luz o energizar una herramienta.

Un arreglo de varias celdas solares conectadas eléctricamente unas con otras y montadas en una estructura de apoyo o un marco, se llama módulo fotovoltaico. Los módulos están diseñados para proveer un cierto nivel de voltaje, como por ejemplo el de un sistema común de 12 voltios. La corriente producida depende directamente de cuánta luz llega hasta el módulo.

Varios módulos pueden ser conectados unos con otros para formar un arreglo. En general, cuánto más grande es el área de un módulo o arreglo, más electricidad será producida. Los módulos y arreglos fotovoltaicos producen corriente directa (CC). Estos arreglos pueden ser conectados tanto en serie como en paralelo para producir cualquier cantidad de voltaje o corriente que se requiera.

Hoy en día, los dispositivos fotovoltaicos (FV) más comunes usan una sola juntura o interfase para crear un campo eléctrico dentro de un semiconductor, como por ejemplo una celda FV. En una celda FV de una sola juntura, solamente aquellos fotones cuya energía sea igual o mayor a la del espacio ínter banda del material de la celda, pueden liberar un electrón para ser usado en un circuito eléctrico. En otras palabras, la reacción fotovoltaica de las celdas de una sola juntura está limitada a la porción del espectro solar cuya energía esté por encima del espacio ínter banda del material absorbente, y por tanto aquellos fotones con energías más bajas no son utilizados.

Una manera de sortear esta limitación es usando dos (o más) celdas diferentes, con más de un espacio de banda y más de una juntura, para generar un voltaje.

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Este tipo de celdas son conocidas como celdas "multijuntura" (también llamadas celdas "de cascada" o "tandem"). Los dispositivos multijuntura pueden lograr una mayor eficiencia de conversión total porque pueden convertir una fracción más grande del espectro luminoso en electricidad.

Como se muestra abajo, un dispositivo multijuntura es un conjunto de celdas individuales de una sola juntura, colocadas en orden descendente de acuerdo a su espacio de banda (Eg). La celda más alta captura los fotones de alta energía y deja pasar el resto de los fotones hacia abajo para ser absorbidos por las celdas con espacios de bandas más bajos.

Muchas de las investigaciones que se realizan en la actualidad sobre celdas multijuntura están enfocadas al uso del arseniuro de galio en uno (o en todos) de los componentes de las celdas. Tales celdas han alcanzado eficiencias de alrededor del 35% bajo luz solar concentrada. Otros materiales estudiados para su uso en dispositivos multijuntura son por ejemplo, el silicio amorfo y el diseleniuro de indio con cobre.

Como ejemplo de esto, el dispositivo multijuntura que se muestra abajo, utiliza una celda superior de fosfato de indio con galio, una juntura "de túnel" para facilitar el flujo de electrones entre las celdas, y una celda inferior de arseniuro de galio.

LUMINISCENCIA Cuando algunos metales se ponen bajo iluminación se crea una fuerza electromotriz o una diferencia de voltaje. Si se le conecta una carga, se produce una corriente. Esta corriente producida es proporcional al flujo luminoso que reciben. Este fenómeno se conoce como efecto fotovoltaico. En una captador solar el efecto fotovoltaico se presenta como una diferencia de voltaje en sus terminales cuando está bajo iluminación. Si a las terminales del captador se le conecta un aparato eléctrico, por ejemplo, una lámpara, entonces la lámpara se debe encender debido a la corriente eléctrica que pasa a través de él. A la unidad mínima en donde se lleva a cabo el efecto fotovoltaico se le llama celda solar. En la Figura 6 se muestra este efecto.

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Figura 6. Representación física del efecto fotovoltaico en una celda solar

Figura 6. Representación física del efecto fotovoltaico en una celda solar

Materiales de fabricación El efecto fotovoltaico se puede llevar a cabo en materiales sólidos, líquidos o gaseosos; pero es en sólidos, especialmente en los materiales semiconductores, en donde se han encontrado eficiencias aceptables de conversión de energía luminosa a eléctrica. Existen diferentes materiales semiconductores con los cuales se pueden elaborar celdas solares, pero el que se utiliza comúnmente es el silicio en sus diferentes formas de fabricación. Silicio Monocristalino: Las celdas están hechas de un solo cristal de silicio de muy alta pureza. La eficiencia de estos módulos ha llegado hasta el 17%. Los módulos con estas celdas son los más maduros del mercado, proporcionando con esto confiabilidad en el dispositivo de tal manera que algunos fabricantes los garantizan hasta por 25 años. Silicio Policristalino: Su nombre indica que estas celdas están formadas por varios cristales de silicio. Esta tecnología fue desarrollada buscando disminuir los costos de fabricación. Dichas celdas presentan eficiencias de conversión un poco inferiores a las monocristalinas pero se ha encontrado que pueden obtenerse hasta un orden de 15%. La garantía del producto puede ser hasta por 20 años dependiendo del fabricante. Silicio Amorfo: La palabra amorfo significa carencia de estructura. La estructura cristalina de estas celdas no tiene un patrón ordenado característico del silicio cristalino. La tecnología de estos módulos ha estado cambiando aceleradamente en los últimos años. En la actualidad su eficiencia ha subido hasta establecerse en el rango de 5 a 10% y promete incrementarse. La garantía del producto puede ser hasta por 10 años dependiendo del fabricante. Los semiconductores son utilizados en la fabricación de las celdas solares porque la energía que liga a los electrones de valencia al núcleo es similar a la energía que poseen los fotones que constituyen a la luz solar. Por lo tanto, cuando la luz solar incide sobre el semiconductor (generalmente silicio), sus fotones suministran la cantidad de energía necesaria a los electrones de valencia para que se rompan

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los enlaces y queden libres para circular por el material. Por cada electrón que se libera, aparece un hueco. Dichos huecos se comportan como partículas con carga positiva (+). Estos portadores fotogenerados son forzados a separarse por medio de un campo eléctrico interno, construido para ese fin, que obliga a los electrones a acumularse en una superficie del dispositivo, y a los huecos, en la otra superficie. La acumulación de cargas en las superficies del dispositivo da como resultado un voltaje eléctrico medible externamente. La unidad de medición es el volt. Este voltaje es fotogenerado mediante el efecto fotovoltaico. Si se establece un circuito eléctrico externo entre las dos superficies, los electrones acumulados fluirán a través de él regresando a su posición inicial. Este flujo de electrones forma lo que se llama una corriente fotogenerada o fotovoltaica. Corriente, voltaje, potencia eléctrica y energía eléctrica son algunos de los conceptos eléctricos fundamentales que se deben de tener en mente cuando se trata con sistemas fotovoltaicos. La corriente eléctrica que circula en el material se define como el número de electrones que fluyen a través de él en un segundo. La corriente I se mide en amperes. El voltaje eléctrico V, es el esfuerzo que debe realizar una fuerza externa sobre los electrones dentro del material, para producir la corriente y se mide en volts. La potencia eléctrica, es aquella que se genera o se consume en un instante dado, se especifica por el voltaje que obliga a los electrones a producir la corriente eléctrica continua y se expresa como:

P = V x I Siendo su unidad de potencia el Watt (1 Watt = 1 volt x 1 amper). Y en cuanto a la energía eléctrica, E, es la potencia generada o consumida en un periodo de tiempo t y se define como:

E = P x t; si el tiempo de consumo esta dado en horas, entonces las unidades para la energía producida serán: Watt-hora. Otra unidad utilizada es el Joule

1 Joule = 1 Watt por segundo, 1 kW-h = 3.6 x106 J Contactos metálicos superficiales Las celdas solares comerciales se fabrican con lingotes de silicio de alta pureza (material muy abundante en la arena). El lingote es rebanado en forma de placas delgadas llamadas obleas. El espesor típico usado es del orden de 300 nm (0.3 mm). Una fracción muy pequeña de tal espesor (del orden de 0.5 nm) es impregnado con átomos de fósforo. A esta capa se le conoce como tipo-n. El resto de la oblea es impregnado con átomos de boro y se forma la capa conocida como tipo-p. Estas capas forman un campo eléctrico (voltaje interno construído) dentro de la oblea y cerca de la superficie que recibe la luz del sol. Dicho voltaje es el responsable de separar a las cargas fotogeneradas positivas (huecos) y negativas (electrones). La celda cuenta con dos terminales que se conectan a un circuito externo para extraer la corriente eléctrica producida. La cara de la oblea expuesta a la luz, posee un enrejado metálico muy fino (plata y/o aluminio), el cual colecta los electrones fotogenerados. Esta capa corresponde a la terminal negativa. Sobre este enrejado está conectado uno de los conductores del circuito exterior. La otra cara cuenta con una capa metálica, usualmente de aluminio. Esta corresponde a la terminal positiva ya que en ella se acumulan las cargas positivas. Sobre esta

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capa está conectado el otro conductor del circuito exterior. También la celda esta cubierta con una película delgada antireflejante para disminuir las pérdidas por reflexión.

Figura 7. Generación eléctrica en una celda fotovoltaica

Módulo fotovoltaico Una celda solar expuesta a la luz genera electricidad; es decir, en las terminales eléctricas externas del dispositivo aparece un voltaje que puede ser medido con un voltímetro. Corriente a corto circuito Icc (Isc): en sus signos de íngles: Es la máxima corriente generada por la módulo solar y se mide cuando se conecta un circuito exterior a la celda con resistencia nula. La unidad de medición es el amper. Su valor depende del área superficial y de la radiación luminosa. Voltaje a circuito abierto Vca (Voc): Es el voltaje máximo que genera una módulo solar. Su unidad de medición es el volt. Este voltaje se mide cuando no existe un circuito externo conectado a la celda. Las celdas se agrupan en lo que se denomina el módulo solar o fotovoltaico. Este conjunto de celdas deben estar convenientemente conectadas, de tal forma que reúnan las condiciones óptimas para su integración en sistemas de generación de energía, siendo compatibles con las necesidades y los equipos estándares existentes en el mercado. Las celdas se pueden conectar en serie o en paralelo. Comercialmente, las celdas solares se conectan en serie, se agrupan, se enlaminan y se empaquetan entre hojas de plástico y vidrio, formando la unidad del módulo solar. El módulo tiene un marco (usualmente de aluminio) que le da rigidez y facilidad en el manejo y transportación. Además, en éste se encuentran las cajas de conexiones eléctricas para conectar el cableado exterior. El número de celdas que contienen los módulos depende de la aplicación para la que se necesita. Es costumbre configurar el número de celdas conectadas en serie para tener módulos que sirvan para cargar acumuladores (o baterías) de 12 volts. Se pueden encontrar generalmente módulos de 36 celdas conectadas en serie. Estos módulos proporcionan un voltaje de salida que sirve para cargar baterías a 12

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volts, incluyendo las pérdidas de voltaje en los circuitos eléctricos así como en los sistemas de control y manejo de energía. El comportamiento eléctrico de los módulos está dado por las curvas de corriente contra voltaje (curva IV) o potencia contra voltaje (curva PV) que los caracteriza. La curva de potencia se genera multiplicando la corriente y el voltaje en cada punto de la curva IV. La Figura 9 muestran curvas IV y PV para un módulo fotovoltaico típico. Bajo condiciones estándares de prueba (irradiancia de 1kW/m2 y temperatura de celda de 25 °C), cada modelo de módulo tiene una curva IV (o PV) característica. En la curva de potencia contra voltaje, la potencia máxima (Pp) es la capacidad nominal o tamaño del módulo. La corriente y el voltaje en el punto de máxima potencia (Ip y Vp) corresponden a la corriente nominal y voltaje nominal del módulo, respectivamente. Otros parámetros de importancia son la corriente de corto circuito (Icc) y el voltaje de circuito abierto (Vca). Es importante notar que cuando el módulo opera lejos del punto de máxima potencia, la potencia entregada se reduce significativamente. La potencia máxima o tamaño de los módulos comerciales varía entre 25 y 300 Watts. El voltaje nominal de la mayoría de los módulos fluctúa entre los 16 y 17.5 voltios. Cada módulos tiene en su parte posterior una placa del fabricante con el modelo y las especificaciones eléctricas. Por ejemplo, la placa en la parte posterior del módulo de la Figura 8 se muestra en la Tabla 2. Figura 8. Curva IV y PV para un módulo fotovoltaico típico a 1,000 W/m2 y 25 °C

Tabla 2. Placa del fabricante de un módulo Solarex VLX-53

Modelo VLX-53

Pp 53 W

Vp 17.2 V

Ip 3.08 A

Vca 21.5 V

Icc 3.5 A

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Condiciones 1000 W/m2 25 °C

El funcionamiento del módulo fotovoltaico se ve afectado por la intensidad de la radiación y de la temperatura. La Figura 9 muestra el comportamiento de la corriente producida en función del voltaje para diferentes intensidades de la radiación solar. Se presenta un aumento proporcional de la corriente producida con el aumento de la intensidad. También se debe observar que el voltaje a circuito abierto Vca, no cambio lo cual demuestra su estabilidad frente a los cambios de iluminación. En la Figura 10 se muestra el efecto que produce la temperatura sobre la producción de corriente en el módulo. Esta vez, el efecto se manifiesta en el voltaje del módulo. La potencia nominal se reduce aproximadamente 0.5% por cada grado centígrado por encima de 25 °C.

Figura 9. Dependencia de la corriente producida en función del voltaje para diferentes intensidades de radiación (temperatura constante de 25 °C).

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Figura 10. Dependencia de la corriente producida en función del voltaje

para diferentes temperaturas de operación (irradiancÍa constante 1,000W/m2)

El módulo FV es el componente más confiable del sistema. Es la calidad de la instalación, especialmente de las interconexiones entre los módulos, la que determina la confiabilidad del arreglo FV en su conjunto. Finalmente, la potencia nominal del arreglo es la suma de la potencia nominal de cada módulo. Arreglos fotovoltaicos Un arreglo FV es un conjunto de módulos conectados eléctricamente en serie o paralelo. Las características eléctricas del arreglo son análogas a la de módulos individuales, con la potencia, corriente y voltaje modificados de acuerdo al número de módulos conectados en serie y en paralelo. Incrementando el voltaje: Los módulos solares se conectan en serie para obtener voltajes de salida mas grandes. El voltaje de salida, Vs, de módulos conectados en serie esta dado por la suma de los voltajes generados por cada módulo.

V = V1 + V2 +V3 +.. Una forma fácil de entender el concepto de sistemas conectados en serie, es mediante la analogía presentada en la Figura 11 entre un sistema hidráulico y un eléctrico. Como se puede observar en el sistema hidráulico (izquierda) el agua que cae desde cuatro veces la altura de 12 metros produce una caída de agua con cuatro veces la presión a la misma tasa de flujo, 2 L/s. La cual se puede comprar con los 48 voltios que el sistema eléctrico (derecha) alcanza al pasar una corriente de 2 amperios por cuatro módulos conectados en serie. La corriente se compara con el flujo ya que ambas permanecen constantes en el circuito, y el voltaje es análogo al papel de la presión en el sistema hidráulico.

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Figura 11. Analogía de una conexión en serie entre un sistema eléctrico y un hidráulico

Incrementando la corriente: Los módulos solares o paneles se conectan en paralelo para obtener corrientes generadas mas grandes. El voltaje del conjunto es el mismo que el de un módulo (o un panel); pero la corriente de salida, Is, es la suma de cada unidad conectada en paralelo.

IT = I1 + I2 + I3 +. De manera similar al sistema conectado en serie, los sistemas conectados en paralelo también pueden ser comparados en un sistema hidráulico, tal y como se muestra en la Figura 12. En el sistema hidráulico (arriba) el agua que cae de la misma altura, da la misma presión que cada bomba indivudual, pero el flujo es igual al total de los flujos de toda las bombas. Entonces en el sistema eléctrico, el voltaje permanece constante y la corriente de salida de los cuatro módulos es sumada, produciendo 8 amperes de corriente a 12 voltios.

Figura 12. Analogía de una conexión en paralelo entre un sistema eléctrico y un hidráulico

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Para evitar el flujo de corriente en la dirección opuesta se utilizan diodos de bloqueo. Y los diodos de paso, proporcionan un camino de alivio para evitar que circule corriente por un panel o un módulo sombreado (sombra de nubes o de objetos). Un módulo sombreado no genera energía, por lo cual, los demás módulos lo verán como un punto de resistencia. En consecuencia, fluirá corriente hacia él convirtiéndose en un punto caliente del arreglo. Aumentará su temperatura y se degradará aceleradamente. En la Figura 13 se muestra un ejemplo de módulos conectados en serie y en paralelo. En ella también se muestra la posición de los diodos de paso y el diodo de bloqueo. Este último debe ser calculado tomando en consideración la máxima corriente que generará el arreglo fotovoltaico en condiciones de corto circuito. La norma internacional dice que el valor de la corriente que soporta el diodo debe ser por lo menos 1.56 veces el valor de la corriente circuito del arreglo de corto.

Figura 13. La conexión de módulos fotovoltaicos

Ejemplo 1:16 módulos FV como el de la Tabla 2 han sido interconectados para accionar un equipo de bombeo de agua. El arreglo consta de 2 hileras en paralelo, con 8 módulos en serie cada una. La curva IV y PV que describe el comportamiento del arreglo tendrá las mismas cualidades que las curvas de la Figura 9, pero con los siguientes parámetros: Ip = 3.08 × 2 = 6.16A, Vp = 17.2 × 8 = 140 V, Pp = 53 × 16 = 850 W = 0.85 kW.

Inclinación del arreglo fotovoltaico La máxima energía se obtiene cuando los rayos solares llegan perpendiculares a la superficie del captador. En el caso de arreglos fotovoltaicos la perpendicularidad entre las superficies de los módulos y los rayos solares solo se puede conseguir si las estructuras de montaje del arreglo se mueven siguiendo al Sol. Existen estructuras de soporte del arreglo que ajustan automáticamente el azimut y/o la elevación. Estas estructuras de montaje se llaman seguidores. Generalmente el ángulo de elevación del arreglo es fijo. En algunos casos se usan seguidores azimutales. Dependiendo de la latitud del lugar, los seguidores azimutales pueden incrementar la insolación promedio anual en un 15-25%.

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En el caso de que no se tenga un seguidor solar, el arreglo se monta en una estructura fija como se muestra en la Figura 14. Este montaje tiene la ventaja de ser muy sencillo. Debido a que el ángulo de elevación del Sol cambia durante el año, se debe tener un criterio de selección del ángulo óptimo del arreglo que garantice la máxima producción de energía eléctrica. En el hemisferio Norte el Sol se declina hacia el Sur, por lo cual se requiere que los arreglos fijos se coloquen inclinados (respecto de la horizontal) viendo hacia el Sur.

Figura 14. Orientación de una estructura fija para maximizar la captación de radiación solar a lo largo del año

Regla de Mano:

La inclinación del arreglo se selecciona para satisfacer la demanda de agua durante todo el año.

Si se desea bombear la máxima cantidad de agua al año, la inclinación del arreglo deberá de ser igual al valor de la latitud del lugar.

Se ha visto que la energía que entrega un módulo o arreglo fotovoltaico depende de la irradiancia y la temperatura. Es posible estimar la energía eléctrica (en kWh/día) que se espera de un arreglo de cierta potencia nominal utilizando las siguientes aproximaciones:

1. Los módulos fotovoltaicos instalados en una estructura anclada al suelo trabajan aproximadamente 55°C durante el día, 30°C por encima de las condiciones estándares de prueba (25°C).

2. Esto significa que la capacidad real del arreglo es aproximadamente 15% menor que su potencia nominal. Es decir, su capacidad real es 85% de la capacidad nominal.

3. La energía eléctrica (kWh) esperada es el producto de la capacidad real del arreglo (en kW) por la insolación (en horas solares pico) al ángulo de elevación del arreglo. La energía fotovoltaica generada varía con la época del año, de acuerdo a los cambios en los niveles de insolación.

4. Si se usa un seguidor azimutal, la energía disponible se aumenta entre un 15 y 25%.

Ejemplo 2: El arreglo del Ejemplo 1 fue instalado en la granja familiar "El Jeromín," cerca de

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Aldama, Chihuahua, México. El arreglo tiene un azimut en la dirección del sur verdadero y una inclinación fija igual a la latitud (30 °N). No se usa seguidor azimutal. La capacidad real del arreglo trabajando a una temperatura de celda de 55 °C es de 0.85 × 0.85 kW = 0.72 kW. De acuerdo a las tablas del Apéndice, la insolación esperada es de 6.1 kWh/m2 por día en el primer trimestre del año, y 6.6 kWh/m2 por día en el tercer trimestre del año. La energía que se puede esperar del arreglo es, aproximadamente, 6.1 × 0.72 = 4.4 kWh por día en el primer trimestre, y 6.6 × 0.72 = 4.8 kWh por día en el tercer trimestre. Si el mismo arreglo se instala a una elevación de 15° (latitud menos 15°) la insolación estimada es de 5.7 kWh/m2 por día en el primer trimestre, y 6.9 kWh/m2 en el tercer trimestre. En este caso, la energía eléctrica esperada es de 4.1 kWh y 5.0 kWh por día en el primer y tercer trimestre, respectivamente.

Figura 15. Sistema de bombeo de agua asistido por módulos solares, en El Jeromín, Chihuahua

4.3 BATERIAS Y ACUMULADORES BATERIA Batería, aparato que transforma la energía química en eléctrica, y consiste en dos o más pilas eléctricas conectadas en serie o en paralelo en mixto. Se han desarrollado diversos tipos de nuevas baterías para vehículos eléctricos. Se trata de versiones mejoradas de las baterías convencionales, pero aún tienen numerosos inconvenientes como su corta duración, alto costo, gran volumen o problemas medioambientales. Las baterías destinadas a vehículos eléctricos incorporan sulfuro de litio-hierro, cinc-cloro, hidruro de níquel y sulfuro de sodio. Las compañías suministradoras de electricidad están desarrollando este tipo de baterías para utilizarlas como “niveladores de carga”, a fin de compensar las

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fluctuaciones esporádicas del sistema. Estas baterías ocupan poco espacio y apenas tienen efectos dañinos para el medioambiente.

Acumulador de plomo Inventado en 1859 por Gastón Planté, el acumulador de plomo sigue utilizándose en automóviles, camiones y aviones. El acumulador contiene un grupo de células conectadas en serie. Cada célula consiste en una placa de plomo, otra de óxido de plomo, y una disolución electrolítica de ácido sulfúrico. Cuando estos acumuladores se descargan, pueden recargarse creándose una corriente en sentido opuesto a la que fluye cuando el acumulador está completamente cargado. Acumulador eléctrico

En Electricidad y Electrónica, un acumulador o batería de acumuladores es un dispositivo que almacena energía por procedimientos electroquímicos y de la que se puede disponer en forma de electricidad .

Es necesario distinguir entre baterías recargables o acumuladores y baterías desechables o pilas La diferencia entre ambos tipos está en que las baterías recargables permiten revertir la reacción química que se ha producido durante la descarga mediante la aplicación en sus electrodos de una corriente eléctrica de procedente de un generador externo. En el caso de las pilas esta reversión no es posible por lo que una vez descargadas han de ser desechadas.

Los acumuladores se basan en la fuerza electromotriz (FEM.) de polarización que se crea durante un proceso de electrolisis y que se opone a la fem.. aplicada para llevar a cabo esa electrolisis.

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Tipos de acumuladores Aunque existen muy diversos tipos, en general un acumulador consta de dos electrodos, generalmente de distinto material, sumergidos en un electrolito. Podemos encontrar los siguientes tipos de acumuladores:

Batería de plomo: Constituyen el tipo primitivo de acumulador. Están constituidos por dos electrodos de plomo y el electrolito es una disolución de ácido sulfúrico. Este tipo de acumulador se sigue usando aún en muchas aplicaciones, entre ellas en los automóviles

Su funcionamiento es el siguiente: Durante el proceso de carga inicial en el polo positivo, se desprende oxigeno (O2), por lo que en un proceso de oxidación se forma peróxido de plomo (Pb O2), mientras que en el negativo, se desprende hidrógeno (H), por lo que si el electrodo tuviese algo de óxido, este sería reducido quedando finalmente como plomo metálico. Durante la descarga los átomos de plomo del electrodo negativo ceden dos electrones que a través del circuito de descarga pasan al electrodo positivo, donde estos atraen los iones H+ del ácido sulfúrico del electrolito neutralizándolos y formando sulfato de plomo (SO4Pb). En el electrodo negativo los iones SO4

- - reaccionan con el plomo formando también sulfato de plomo. En la carga siguiente mediante la aplicación de una corriente eléctrica se realiza el intercambio electrónico inverso, restituyendo los electrodos a su primitivo estado de peróxido de plomo el positivo y plomo metálico el negativo. No obstante, este proceso no se puede repetir indefinidamente porque cuando el sulfato de plomo forma cristales muy grandes estos ya no pueden ser modificados y se dice que el acumulador se ha sulfatado, por lo que debe ser sustituido.

Batería alcalina: También denominada de ferro níquel, sus electrodos son láminas de acero en forma de rejilla con panales rellenos de óxido niqueloso (NiO) el electrodo positivo y de óxido ferroso (FeO) el negativo, estando formado el electrolito por una disolución de potasa cáustica (KOH) . Durante la carga se produce un proceso de oxidación anódica y reducción catódica, tranformandose el óxido niqueloso en niquélico y el óxido ferroso en hierro metálico. Esta reacción se produce en sentido inverso durante la descarga.

Baterías Níquel-Hidruro (Ni-H): Utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación de metal-hidróxido. Cada célula de Ni-H puede proporcionar un voltaje de 1,2 V y una capacidad entre 0,8 y 2,3 Ah. Su densidad de energía llega a los 80 Wh/kg. Este tipo de baterías se encuentran afectadas por el llamado efecto memoria: en cada recarga se limita el voltaje o la capacidad (a causa de un tiempo largo, una alta temperatura, o una corriente elevada), imposibilitando el uso de toda su energía.

Baterías Níquel-Cadmio (NiCd): Utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de un compuesto de cadmio. El electrolito es de hidróxido de potasio. Esta

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configuración de materiales permite recargar la batería una vez está agotada para su reutilización. Cada célula de NiCd puede proporcionar un voltaje de 1,2 V y una capacidad entre 0,5 y 2,3 Ah. Sin embargo, su densidad de energía es de tan sólo 50 Wh/kg, lo que hace que tengan que ser recargadas cada poco tiempo. También se ven afectadas por el efecto memoria. Batería eléctrica DISTINTOS TIPOS DE PILAS Una pila o batería eléctrica es un dispositivo que genera energía eléctrica mediante un procedimiento electroquímico. Es necesario distinguir entre baterías recargables (acumuladores) y pilas o baterías desechables. La diferencia fundamental entre ambos tipos está en que las baterías recargables permiten revertir la reacción química en la que está basado su funcionamiento, mientras que las desechables no. Funcionamiento El funcionamiento de una batería desechable se basa en el potencial de contacto entre un metal y un electrolito, esto es el potencial que se produce al poner en contacto un metal con la disolución de una de sus sales. Así al introducir una placa de zinc (Zn) en agua, el zinc se disuelve algo en forma de iones Zn++ que pasan al líquido, esta emisión de iones hace que la placa adquiera una carga negativa respecto al líquido, creándose entre ambos una

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diferencia de potencial. Los iones que están en el líquido ejercen una presión osmótica, por lo que la disolución continuará hasta que la presión adquiera un valor determinado llamado tensión de disolución, cesando aparentemente en ese momento. Tipos de pilas A partir del fenómeno descrito, surgió una de las primeras pilas eléctricas, la Pila Daniell. Una pila Daniell está formada por un electrodo de zinc sumergido en una disolución diluida de sulfato de zinc y otro electrodo de cobre sumergido en una disolución concentrada de sulfato de cobre. Ambas disoluciones están separadas por una pared porosa. En esta situación la tensión de disolución del zinc es mayor que la presión osmótica de los iones Zn++ y el electrodo se disuelve emitiendo Zn++ y quedando cargado negativamente. En la disolución de sulfato de cobre, debido a su alta concentración de iones Cu, depositándose Cu++ sobre el electrodo de este metal que de este modo queda cargado positivamente. En estas condiciones existirá una diferencia de potencial de 1 voltio aproximadamente entre ambos electrodos. Similar a la anterior es la Pila de Volta, considerada la primera en su especie. En esta los electrodos son también zinc y cobre y el electrolito es ácido sulfúrico. Al disolverse ambos metales en el ácido, el cobre adquiere un potencial mayor que el zinc, estableciéndose por tanto una diferencia de potencial de aproximadamente 1 voltio entre ambos. Esta pila tiene el inconveniente de que al desprenderse hidrógeno en el proceso, este se deposita en parte sobre el cobre impidiendo el paso de corriente, por lo que se dice que en estas condiciones la pila se ha polarizado. Otra pila basada en el mismo principio es la Pila Leclanché. En esta el electrolito es una solución de cloruro amónico (Cl NH4), siendo el electrodo negativo de zinc y el positivo una placa de carbón rodeado de una mezcla de bióxido de manganeso y carbón pulverizado introducido en un vaso de paredes porosas. El bióxido de manganeso actúa como despolarizante, parta evitar el fenómeno de la polarización citado en la pila de Volta. La tensión de disolución del Zn hace a este disolverse formando cloruro de zinc y adquiriendo el electrodo un potencial negatico respecto a la solución. Los iones NH4

+ del cloruro amónico se descargan sobre el electrodo de carbón produciendo NH3 e hidrógeno, el cual actuando sobre el bióxido de manganeso (Mn O2) lo reduce a óxido manganoso (Mn O). Tenemos finalmente las denominadas pilas secas, que son las que normalmente utilizamos. Estas son pilas de Leclanché en las que la disolución de cloruro amónico y la mezcla de carbón y bióxido de manganeso se ha sustituido por una pasta formada por bióxido de manganeso, cloruro de zinc, carbón de cok, agua y una pequeña cantidad de grafito. El recipiente de zinc es el electrodo negativo y una barra de carbón introducida en la pasta el positivo. El cierre del recipiente se hace con una pasta no conductora que lo hace hermético. Puesto que son fuente de energía, las baterías tienen dos parámetros fundamentales a tener en cuenta: el voltaje y la capacidad. El voltaje en la

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mayoría de las baterías lo tienen ajustado a 1,5 V este valor puede variarse. La capacidad de la batería viene medida en amperios hora, o más generalmente en el caso de pilas pequeñas en miliamperios hora (mAh). A modo de ejemplo, 100 mAh indica que es posible obtener una corriente de 100 mA durante una hora (o 200 mA durante media hora) antes de que se agote la batería. Esta relación no es lineal, pues una corriente más elevada hace que se acorte la vida de la batería, mientras que una corriente más suave puede alargar la duración de la misma.

4.4 APLICACIONES

El primer automóvil solar español Bautizado con el nombre de "Despertaferro", fue presentado oficialmente por vez primera el 20 de diciembre de 1999 en Barcelona. El proyecto ha sido realizado por el equipo Mediterrani de la U.P.C., contando con la colaboración de Censolar y de otras empresas e instituciones.

Instalación solar multifuncional Enersun, una empresa creada por antiguos alumnos de Censolar, ha realizado una instalación de A.C.S. con apoyo a calefacción y refrigeración para la Empresa Municipal de Limpieza y Medio Ambiente en Getafe, una localidad cercana a Madrid. Los colectores solares, como puede apreciarse en la fotografía, además de dar sombra a los automóviles en el aparcamiento, suministran A.C.S. para las duchas utilizadas diariamente por 100 operarios, para las máquinas de limpieza de los contenedores de basura de camiones del parque móvil, y por último, apoyan al sistema de calefacción y refrigeración de la nave. En total son 80 colectores de la marca Garol 1, con una superficie unitaria de 1,88 m2 (150 m2 en total), y cuatro depósitos en serie de 5000 litros cada uno. El caudal

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total del circuito primario es de 14.000 litros a la hora y el del secundario, de 26.000 litros a la hora. La energía producida supone aproximadamente un 75% de la total necesaria, ahorrándose anualmente unos 25.000 litros de gasóleo, o 23.000 m3 de gas natural. Como consecuencia, la instalación se paga sola, con el ahorro que va produciendo mes a mes, y se calcula que evita unas 80 toneladas de vertidos de CO2 que anualmente irían a parar a la atmósfera.

Sistemas con Diodos Laser La optoelectrónica es la unión entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos. En general podría decirse que los componentes optoelectrónicos son aquellos capaces de convertir energía luminosa en eléctrica o viceversa, de ellos el más conocido es el diodo LED (light emmiter diode), el cual es conocido como un dispositivo electrónico con la capacidad de emitir luz. El diodo láser es una forma especial de LED o IRED con dimensiones físicas y propiedades ópticas estrechamente controladas en la zona de la unión productora de luz. Esta circunstancia hace posible conseguir una cavidad resonante óptica para la longitud de onda operativa tal, que la realimentación óptico-eléctrica asegure una producción de luz monocromática direccional con un elevado rendimiento. El estrecho e intenso haz virtualmente monocromático y la alta frecuencia de funcionamiento que son características típicas del diodo láser, pueden ser muy ventajosas en aplicaciones tales como fibra óptica, interferometría, sistemas de alineamiento preciso y sistemas de exploración.

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La cavidad óptica de precisión es de difícil fabricación y puede originar tensiones en la estructura del cristal del láser que, en caso de producirse, causarán una rápida disminución de la potencia de salida luminosa. Aunque los diodos láser ofrecen unas elevadas prestaciones, son en contrapartida de utilización poco económica y por otra parte su fiabilidad debe comprobarse en cada aplicación. Las características eléctricas del LED, diodo láser e IRED son similares a las de otros diodos de unión pn en lo que se refiere a presentar una caída de tensión directa ligeramente superior a la de los diodos de silicio y a la reducida tensión de ruptura inversa, como consecuencia de los niveles de dopado requeridos para una eficiente producción. Otros tipos de diodos Hay dos tipos de diodos que en este apartado sólo nombraremos ya que internamente se constituyen de diodos en distintas configuraciones, entre ellos están: LED BICOLOR Están formados por dos diodos conectados en paralelo e inverso. Se suele utilizar en la detección de polaridad. LED TRICOLOR Formado por dos diodos LED (verde y rojo) montado con el cátodo común. La Terminal más corta es el ánodo rojo, el del centro, es el cátodo común y el tercer es el ánodo verde.

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CAPITULO 5 LASER

5.1 PRINCIPIOS BASICOS LOS LÁSERES

EL LÁSER, cuyo nombre se ha formado con la primera letra de cada palabra de la frase en inglés Light Amplification Simulated Emission of Radiation (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación), ha ampliado repentina y grandemente los horizontes de la óptica. Cuando se descubrió, se vio inmediatamente que era un instrumento con grandes posiblidades de aplicación, pero como surgió por accidente, no originado por una necesidad, hubo que comenzar a buscar para qué era útil. Al decir accidente lo que se quiere decir es que las investigaciones, originalmente dirigidas a otro fin, llevaron inesperadamente al descubrimiento del láser. Debido a esto, se decía en broma en un principio que el láser era una solución en busca de un problema que resolver.

HISTORIA DEL LÁSER

La historia del láser se remonta al año de 1916, cuando Albert Einstein estudió y predijo el fenómeno de emisión estimulada en los átomos, según el cual un átomo que recibe luz de la misma longitud de onda de la que puede emitir, es estimulado a emitirla en ese instante.

El siguiente trabajo fundamental para la evolución posterior del láser fue el del bombeo óptico, desarrollado a principios de la década de los cincuenta por Alfred Kastler (1902-1984), nacido en Guewiller, Alsacia, y educado en Colmar, entonces posesión alemana. Durante la primera Guerra Mundial Kastler fue enrolado en el ejército alemán, pero al concluir la guerra ingresó a la École Normale Supérieure en París, donde obtuvo su maestría. Más tarde obtuvo el doctorado en física en la Universidad de Bourdeaux. Desde entonces hasta su muerte vivió en Francia. En 1974 Kastler estuvo de visita algunos días en el Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica, en Tonantzintla, Puebla, donde el autor de este libro tuvo el gran placer de conocerlo personalmente. Era una persona dotada de un gran carisma y sencillez, que afirmaba que los grandes descubrimientos científicos como los que él había hecho se lograban simplemente manteniendo la mente despierta para examinar cualquier acontecimiento imprevisto. El trabajo de Kastler sobre el bombeo óptico, basado en técnicas de resonancia ópticas, fue desarrollado con la colaboración de su alumno Jean Brossel, de la École Normale Supérieure de París, y fructificó con el descubrimiento de métodos para subir el nivel energético de los átomos; dicho de otro modo, métodos para que los electrones de los átomos suban al nivel deseado, utilizando efectos de resonancia óptica. Estos métodos recibieron el nombre de bombeo óptico por el mismo Kastler, quien mereció el premio Nobel de física en 1966.

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Charles H. Townes (1915- ) se encontraba en la ciudad de Washington el mes de abril de 1951, para asistir a una reunión científica. En el hotel compartía una habitación con su amigo, Arthur Schawlow. En esta época Townes se encontraba muy preocupado por encontrar un método para producir ondas de radio de longitud de onda muy corta, del orden de milímetros. Townes, casado y con hijos, tenía la costumbre de levantarse muy temprano, mientras que Schawlow, que era soltero, acostumbraba levantarse muy tarde. La mañana del día 26, Townes, como de costumbre, se levantó muy temprano, y para no molestar a su amigo salió del cuarto en silencio y se dirigió al parque Franklin, cercano al hotel. Cuenta el mismo Townes que fue en ese parque, aquella mañana, donde se le ocurrió un método para producir microondas usando el fenómeno de la emisión estimulada, basándose en la predicción de Einstein y en los estudios sobre bombeo óptico que realizó Alfred Kastler. La comprobación de su idea se la propuso como trabajo de tesis doctoral a su alumno James P. Gordon, en la Universidad de Columbia. Tres años les tomó construir, con la colaboración de Herbert Zeiger, un dispositivo que amplificaba microondas mediante emisión estimulada, al que llamaron máser.

Independientemente, sin tener ninguna conexión con Townes, Nicolai G. Basov (1922- ) y Aleksandr M. Prokhorov (1916- ) obtuvieron resultados similares en el Instituto Levedev de Moscú. Townes, Basov y Prokhorov compartieron el premio Nobel de física en 1964. En septiembre de 1957, Townes, junto con su colega, amigo y ahora cuñado Arthur Schowlow, comenzaron a pensar en el problema de construir ahora otro dispositivo similar al máser, pero que emitiera luz en lugar de microondas. Es interesante conocer la anécdota de que Townes solicitó una patente para artefactos que emitieran luz por el mecanismo de emisión estimulada, y de que poco después lo hizo también otro investigador de la misma Universidad de Columbia, llamado Gordon Gould, reclamando prioridad. Hay algunos que creen que Gould tenía razón. Lo cierto es que nadie niega que sí hizo algunos descubrimientos similares independientemente. Hasta la fecha sigue el pleito legal sobre quién tiene la razón.

Finalmente, Theodore H. Maiman logró construir el láser en 1960 en los laboratorios de investigación de la compañía aérea Hughes, en Malibu, California. Más adelante describiremos los detalles de este gran avance científico y tecnológico.

QUÉ ES EL LÁSER

El láser es simplemente una fuente luminosa con dos propiedades muy especiales e importantes de su luz, que técnicamente reciben los nombres de coherencia espacial y coherencia temporal. Aunque estos nombres pueden parecer impresionantes, denotan unas características de la luz que pueden ser explicadas fácilmente.

A fin de ilustrar lo anterior, consideremos una fuente luminosa muy pequeña a la que llamaremos puntual, que emite luz cuyos frentes de onda son esféricos y concéntricos con dicho punto. Si colocamos una lente convergente frente a esta fuente luminosa, como se muestra en la figura 1 (a), veremos que la onda se

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refracta, haciéndose ahora el haz luminoso convergente a un punto después de esta lente. Este ejemplo es sólo imaginario e idealizado, pues las fuentes luminosas puntuales no existen en la vida real, ya que por pequeñas que sean tienen un tamaño finito. Por lo tanto, las fuentes luminosas reales no emiten una sola onda con frentes de onda esféricos, sino una multitud, cada una de ellas saliendo de un punto diferente sobre la fuente. Al colocar ahora la lente convergente frente a esta fuente de luz, la energía luminosa ya no se concentra en un punto infinitamente pequeño después de la lente, como en nuestro experimento imaginario. Lo que se obtiene es simplemente una imagen de la fuente luminosa, con la energía distribuida sobre toda su área, como se muestra en la figura 1(b).

Figura 1. Lente convergente frente a una fuente luminosa a una distancia mayor que su distancia focal. (a) Fuente puntual y (b) fuente extendida.

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Figura 2. Lente convergente con una fuente luminosa colocada en su foco anterior. (a) Fuente puntual y (b) fuente extendida.

Volviendo de nuevo a nuestro experimento idealizado, supongamos que la lente se coloca frente a la fuente luminosa puntual, de tal manera que quede sobre el foco de la lente convergente, como se muestra en la figura 2 (a). La luz saldría entonces de la lente en un haz de rayos paralelos, o lo que es lo mismo, con frentes de onda planos y paralelos entre sí, como se muestra en esta misma figura. Como las fuentes luminosas no son infinitamente pequeñas, la luz no saldrá como un haz de rayos paralelos, sino como una multitud de haces, todos viajando en diferentes direcciones, como se muestra en la figura 2 (b). De esta manera se esparce la energía luminosa en la forma de un cono divergente. Se dice que la fuente infinitamente pequeña o puntual tiene una coherencia espacial perfecta, mientras que la extendida la tiene muy pobre.

Desafortunadamente, son muchísimas las situaciones en las que es necesario tener una gran coherencia espacial: por ejemplo, para tener un frente de onda único en interferometría, para concentrar la energía luminosa en un punto muy pequeño a fin de obtener una densidad de energía muy alta, o para enviar el haz luminoso a gran distancia. Como es fácil de entender, se puede obtener una fuente luminosa de gran coherencia espacial colocando simplemente una hoja de papel aluminio con una perforación muy pequeña hecha con una aguja sobre una fuente de luz extendida. Sin embargo, de esta manera se reduce considerablemente la intensidad luminosa, como se muestra en la figura 3. Otra manera sería alejar la fuente una gran distancia, hasta que ya no se le aprecie ningún tamaño, sino que se le vea como un punto, como es el caso de las

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estrellas. También en este caso se reduce la intensidad luminosa de manera considerable. La luz de un láser tiene una coherencia espacial casi perfecta, sin ningún sacrificio de su intensidad.

La segunda propiedad del láser tiene que ver con la cantidad de colores que emite la fuente luminosa simultáneamente, es decir, con el grado de monocromaticidad. Por ejemplo, una fuente de luz blanca no es nada monocromática, pues emite todos los colores del arco iris al mismo tiempo. La luz emitida por un foco rojo o de cualquier otro color sería menos policromática, porque contiene luz de varios colores cercanos al rojo, por ejemplo, naranja e infrarrojo. Una fuente de luz bastante monocromática se puede obtener mediante varios procedimientos basados en los fenómenos de la dispersión de la luz en un prisma, en el de la difracción en una rejilla de difracción o en el de la interferencia en los filtros de interferencia. Desafortunadamente todos estos métodos se basan en la eliminación de los colores indeseados, pero de ninguna manera refuerzan el deseado. Por lo tanto, el haz de luz se hace sumamente débil. Mientras más monocromático sea un haz luminoso, se dice que tiene más coherencia temporal. En cambio, la luz de un láser tiene coherencia temporal casi perfecta, es decir, tiene una alta monocromaticidad.

Figura 3. Simulación de una fuente de luz con coherencia tanto espacial como temporal, por medio de una pequeña perforación, y un filtro de color con banda de transmisión muy angosta. (a) Fuente luminosa, (b) fuente luminosa con filtro de color y (c) fuente luminosa con filtro de color y diafragma.

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Recordemos ahora que la luz es una onda electromagnética idéntica en todo a una onda de radio o televisión, sólo que su frecuencia es mucho más alta, y por lo tanto su longitud de onda (distancia entre dos crestas de la onda) es mucho más corta. Cuando decíamos que la fuente de luz debería ser muy pequeña para tener coherencia espacial grande, lo pequeño o grande de la fuente era en comparación con la longitud de onda de la onda luminosa. De aquí se puede concluir que es relativamente más fácil producir una onda de radio coherente que una onda de luz coherente.

Esta es la razón por la cual prácticamente todas las ondas de radio y televisión son coherentes, y por supuesto existen mucho antes de la aparición del láser.

CÓMO FUNCIONA EL LÁSER

A fin de comprender el fenómeno de emisión estimulada, comencemos por recordar que la luz es emitida y absorbida por los átomos mediante los mecanismos llamados de emisión y de absorción, respectivamente. Si el electrón de un átomo está en una órbita interior, puede pasar a una exterior solamente si absorbe energía del medio que lo rodea, generalmente en la forma de un fotón luminoso. Este es el proceso de absorción que se representa mediante los diagramas de la figura 4 (a). Si el electrón se encuentra en una órbita exterior, puede caer a una órbita interior si pierde energía, lo cual puede también suceder mediante la emisión de un fotón. Este proceso de emisión se muestra en los diagramas de la figura 4(b). En ambos procesos la frecuencia V de la onda absorbida o emitida está determinada por la magnitud E de la energía emitida o absorbida, según la relación ya obtenida por Planck, como mencionamos anteriormente:

E = hv

Figura 4. Esquemas que representan los procesos atómicos de (a) emisión espontánea, (b) absorción y (c) emisión estimulada.

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Cuando un electrón está en una órbita exterior también decimos que está en un estado superior. El electrón no puede permanecer en un estado superior un tiempo demasiado grande, sino que tiende a caer al estado inferior, emitiendo un fotón, después de un tiempo sumamente corto, menor que un microsegundo, al que se denomina vida media del estado. Es por eso que este proceso de emisión se conoce como emisión espontánea.

Figura 5 . Emisión incoherente de fotones de una fuente de luz extendida.

La energía que necesita un electrón para subir al estado superior no necesariamente se manifiesta bajo la forma de fotón luminoso. También puede absorber la energía que se le comunique mediante otros mecanismos, como por ejemplo, mediante una colisión con otro átomo. Si estamos subiendo constantemente los átomos de un cuerpo al estado superior mediante un mecanismo cualquiera, éstos caerán espontáneamente al estado inferior emitiendo luz. A este proceso se le conoce con el nombre de "bombeo óptico". La emisión de luz es entonces un proceso en el que todos los átomos del cuerpo participan, pero en forma independiente y totalmente desincronizada. Dicho de otro modo, las fases de las ondas no tienen ninguna relación entre sí, o lo que es lo mismo, las crestas de estas ondas no están alineadas, como se muestra en la figura 5.

Figura 6. Amplificación de luz por medio de emisión estimulada.

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Existe una segunda forma de emisión de luz por un átomo, llamada emisión estimulada, que se representa mediante el diagrama de la figura 4(c). Si un electrón está en el estado superior y recibe un fotón de la misma frecuencia del que emitiría si bajara al nivel inferior, desestabilizará a este átomo, induciéndolo a emitir inmediatamente. Después de esta emisión estimulada existirán dos fotones en lugar de uno, el que estimuló y el estimulado. Naturalmente, para que la emisión estimulada tenga lugar se requiere que el electrón permanezca en el estado superior un tiempo suficientemente largo para darle oportunidad al fotón estimulador a que llegue al átomo. Por esta razón, el proceso de emisión estimulada es más fácil si el nivel superior tiene una vida media relativamente larga.

Como los átomos tienden constantemente a caer al estado o nivel inferior, la mayoría de ellos en un momento dado estarán ahí. Lo que logra el bombeo óptico es que la mayoría de los átomos estén constantemente en el nivel superior. Este proceso se denomina inversión de población, y es absolutamente indispensable para que se produzca la emisión láser. Consideremos un material en la figura 6, sujeto a bombeo óptico a fin de que sus átomos regresen constantemente al nivel superior. Supongamos también que la vida media de este estado superior es lo suficientemente larga como para permitir la emisión estimulada. Finalmente, hagamos incidir en este material un fotón de la frecuencia adecuada para provocar la emisión estimulada. Es fácil ver que se provocará una reacción en cadena, por lo que a la salida se tendrán no uno, sino una multitud de fotones. Dicho de otro modo, se habrá amplificado la luz mediante el mecanismo de emisión estimulada.

A fin de que éste sea un proceso continuo, podemos colocar un espejo semitransparente a la salida, para regresar parte de los fotones que salen, y así seguir provocando la emisión estimulada. A la entrada se coloca otro espejo, totalmente reflector. Este dispositivo se muestra en la figura 7. Naturalmente, el lector se estará preguntando cómo se puede ahora introducir al láser el primer fotón disparador de la emisión estimulada. Esto no es necesario, pues tarde o temprano se producirá un fotón por emisión espontánea.

Figura 7. Uso de espejos retroalimentadores de la luz para hacer un láser.

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5.2 CLASIFICACIÒN Y CONSTRUCCIÓN

DIFERENTES TIPOS DE LÁSERES

Como ya se mencionó antes, el primer láser lo construyó Theodore H. Maiman en Malibú, California. Trabajando solo, sin ninguna ayuda, Maiman construyó su láser con una barra de rubí aproximadamente de un centímetro de diámetro, rodeada de una lámpara de xenón en forma de hélice. Los extremos de la barra de rubí habían sido recubiertos con unas películas reflectoras, a fin de que actuaran como espejos. El bombeo óptico de los átomos de cromo del rubí se efectuaba mediante una descarga luminosa muy intensa proporcionada por la lámpara de xenón, como se muestra en la figura 8. El láser entonces emitía una descarga muy rápida e intensa de luz roja. Este tipo de láser no era continuo sino pulsado o intermitente.

Figura 8. Esquema del láser de rubí.

Figura 9. Esquema del láser de helio-neón.

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Figura 10. Fotografía de un láser de helio-neón construido en el Instituto de Astronomía de la UNAM en 1967 por Daniel Malacara y colaboradores.

Maiman redactó sus resultados y los mandó a una de las revistas de más prestigio, que es la Physical Review Letters. Increíblemente, el artículo le fue rechazado por considerar los editores que el campo de los máseres ya no era una gran novedad. En 1960 el artículo fue enviado a la revista británica Nature, donde lo publicaron inmediatamente, aunque no contenía más de 300 palabras. Ese mismo año Arthur Schawlow construyó el primer láser de gas, el ahora sumamente popular láser de helio-neón. Este láser consta de un tubo de vidrio que tiene en su interior una mezcla de los gases helio y neón, como se muestra en la figura 9. Los átomos que producen la emisión láser son los del neón. El propósito de emplear el helio es producir colisiones entre los átomos de helio y los del neón, para que la energía del choque sea absorbida por los átomos del neón, produciendo así el bombeo óptico. A fin de provocar estas colisiones se establece una corriente eléctrica dentro del gas, por medio de dos electrodos. En los extremos del tubo se colocan los espejos para retroalimentar el láser. La figura 31 muestra un láser de helio-neón fabricado en México, y la figura 11 uno comercial.

Los principales tipos de láser que existen se pueden clasificar en continuos o pulsados, de baja potencia o de alta potencia, según el color de la luz que emiten, o según el material del que están hechos. A continuación se mencionarán brevemente algunos de los principales láser, clasificándolos según el estado del material que se usa como medio amplificador:

a) Láser de gas. Estos son sin duda los láser más comunes y útiles. El siguiente cuadro muestra algunos de estos láser con sus principales características.

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CUADRO 3. Algunos láseres de gas

Sistema Elemento activo

Región espectral o color

Forma de operación

Potencia típica

He-Ne neón rojo continua 10 mW

632.8 nm

verde

infrarrojo

He-Cd cadmio violeta, UV continua 10 mW

He-Se selenio verde continua 10 mW

Ar+ argón verde, azul continua 10 W

o pulsada

Kr+ kriptón rojo continua 10 W

o pulsada

Co2-N2-He

bióxido de infrarrojo continua 100 W

carbono 10.6 mm o pulsada o más

Los primeros tres láseres tienen mucho en común. En éstos, el helio tiene como función ayudar en el proceso del bombeo óptico. El elemento activo es el neón en el primero, el vapor de cadmio en el segundo y el vapor de selenio en el tercero. El primero de estos láseres es el más popular. Estos láseres se construyen con un tubo de vidrio con dos electrodos internos para mantener una descarga eléctrica a través del gas.

Una segunda categoría de láseres de gas son los de gas ionizado, por ejemplo, los de argón y kriptón ionizados. Estos láseres requieren de una corriente muy grande, del orden de amperes, para poder ionizar el gas y producir la inversión de población. La corriente tan alta impone muchas restricciones de tipo práctico que no tienen los otros láseres. Por ejemplo, es necesario el enfriamiento por agua, y el tubo debe tener una construcción muy complicada y especializada. Además, la vida de estos láseres es corta, comparada con la de los otros láseres de gas. A cambio de estas desventajas, la potencia es grande, del orden de varios watts.

Figura 11. Un láser de helio-neón comercial.

La figura 11 muestra el espectro de emisión de un láser de argón ionizado. Como se puede ver; emite varias líneas al mismo tiempo, lo que en algunos casos puede

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ser una desventaja. Con el propósito de seleccionar una sola línea haciendo que la cavidad quede alineada sólo para esa longitud de onda, frecuentemente se coloca un prisma dispersor dentro de la cavidad del láser.

El láser de bióxido de carbono funciona con niveles de energía moleculares en lugar de atómicos. La potencia infrarroja que emite en 10.6 m es tan alta que puede cortar muy fácilmente una gran variedad de materiales. Por ello, sus aplicaciones industriales son muy grandes. La figura 34 muestra un láser de bióxido de carbono construido en el Centro de Investigaciones en Óptica, A. C.

Figura 11. Espectro de emisión del láser de argón ionizado.

b) Láseres sólidos. Se entiende por láser sólido aquel en el que el medio activo es sólido. Esto incluye a los semiconductores, llamados también de estado sólido. El cuadro 2 muestra algunos de los principales láseres sólidos.

Figura 12. Láser de bióxido de carbono construido en el Centro de Investigaciones en Óptica, en 1987, por el doctor Vicente Aboites y colaboradores.

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El láser de rubí, ya descrito anteriormente, fue el primero en inventarse. El cromo de una barra de rubí es el elemento activo. Como ya se describió antes, para excitar este láser se usa una lámpara helicoidal de xenón pulsada. Como el pulso de la lámpara de xenón debe ser muy intenso, se dispara por medio de un banco de capacitores. Este láser es pulsado, aunque se pueden obtener pulsos dobles, separados menos de un microsegundo, con el fin de emplearlos en la holografía interferométrica, que se describirá más adelante.

El láser de Nd-YAG (del inglés: NeodimiumYttrium Aluminum Garnet) tiene como elemento activo el neodimio hospedado en una barra de YAG. Al igual que el láser de rubí, se excita con una lámpara de xenón pulsada. El láser semiconductor; a diferencia de los otros sólidos, se excita con una corriente eléctrica. Este láser puede ser tanto pulsado como continuo; es muy compacto y se puede modular, es decir, transmitir información con él muy fácilmente. El haz luminoso es infrarrojo, con una longitud de onda de 900 nm y tiene forma de abanico al salir del láser, con una divergencia angular de alrededor de ocho grados. Aunque su coherencia no es muy alta, es el dispositivo ideal para comunicaciones por fibras ópticas. Éste es el láser que se usa en los reproductores de sonido a base de discos digitales compactos, y en las lecturas de discos ópticos para computadora. La figura 13 muestra uno de estos láseres.

CUADRO 4. Algunos láseres sólidos

Sistema Elemento activo

Región espectral

Forma de operación

Potencia típica

rubí cromo rojo pulsada ---

694.3 nm

Nd3+YAG neodimio infrarrojo continua o 1 W

1.06 mm pulsada

Nd-vidrio neodimio infrarrojo pulsada ---

Ga-As arsenuro infrarrojo continua o 1 W

de Galio 0.84 mm pulsada

semiconductor silicio infrarrojo continua o .5 W

0.6-0.9 mm

pulsada

c) Láseres Líquidos. Como su nombre lo indica, en estos láseres el medio activo es líquido y generalmente es un colorante, como la rodamina 6G, disuelta en un líquido.

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Figura 13. Un láser de estado sólido.

La gran ventaja de estos láseres es que se pueden sintonizar a cualquier color deseado, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, según el colorante que se use. En cambio, tienen la gran desventaja de que su excitación tiene que hacerse con el haz coherente de otro láser, como el de argón.

5.3 APLICACIONES

LOS LÁSERES EN LA INDUSTRIA

El hecho de que los láseres de alta potencia, enfocados sobre un punto, puedan perforar o cortar un material sobre el que se enfoquen los hace sumamente útiles en la industria para una gran diversidad de funciones. Para la mayoría de las aplicaciones industriales se usan solamente cuatro láseres, que son el de bióxido de carbono, el de rubí, el de neodimio en YAG y el de neodimio en vidrio. El de bióxido de carbono y el de neodimio en YAG pueden operar tanto en forma continua como pulsada, mientras que el de rubí y el de neodimio en vidrio sólo pueden operar en forma pulsada. Las principales operaciones básicas que puede efectuar un láser en la industria se pueden clasificar como sigue:

a) Perforación de agujeros. La capacidad del láser (debida a su gran coherencia espacial) de poder concentrar la energía en un punto muy pequeño, nos permite perforar algunos materiales. Esta perforación puede ser extremadamente pequeña y en materiales tan duros como el diamante. La potencia necesaria para hacer una perforación depende, como es lógico, del material. Los materiales blandos se pueden perforar con láseres de relativamente baja potencia, como el de bióxido de carbono. Los materiales duros, en cambio, pueden requerir la potencia de un láser de rubí. Las mamilas de los bebés, en algunas fábricas, se perforan ya con láser, y se obtienen agujeros más perfectos y rápidos que con medios mecánicos. Una desventaja de los agujeros hechos con láser es su forma generalmente cónica.

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b) Corte de materiales. Si el haz enfocado del láser se mueve con respecto al material, en lugar de producir solamente un agujero hace un corte. Tanto en el caso de los agujeros como en el de los cortes es necesario que la energía luminosa no sea reflejada sino absorbida por el material. Por esta razón, los materiales transparentes como el vidrio o los altamente reflectores como los metales no son los objetos ideales para esta operación. En el caso de los metales este problema se ha resuelto mediante un chorro de oxígeno, dirigido al mismo punto que el láser, a fin de favorecer la combustión en el punto calentado por el láser.

Los materiales ideales para ser cortados con láser son las telas, plásticos, algunos materiales sintéticos, fibras, pieles y otros similares. La madera no es un material adecuado, debido a que sus orillas se carbonizan.

c) Marcas y grabados. Si se controla la potencia del láser y la velocidad relativa del punto donde se enfoca la luz sobre el material, se pueden grabar materiales en su superficie sin cortarlos. Los fabricantes de circuitos integrados usan láseres para grabar sobre las obleas de silicio con las que se fabrican estos dispositivos.

d) Soldaduras. Si la potencia del láser se selecciona de tal manera que el material no se volatilice, sino que sólo se funda, no se producirá ningún corte, sino tan sólo una fusión local. De esta manera se pueden soldar piezas metálicas. En el caso de las soldaduras de microcircuitos, este método aumenta la velocidad y confiabilidad de la unión soldada en varios órdenes de magnitud. Una ventaja de los alambres que tienen barniz aislante es que se limpian y sueldan en una sola operación.

LOS LÁSERES COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA

Todas las medidas interferométricas que se describieron en la sección sobre interferometría se pueden efectuar con la luz de un láser, pero con la enorme ventaja de que la alta coherencia tanto espacial como temporal de la luz láser permite efectuar estas medidas con mucha mayor sencillez y precisión.

Además, podemos mencionar las siguientes aplicaciones metrológicas, que desde luego no son las únicas, pero que nos sirven como ejemplo:

a) En las construcciones. Aprovechando la propagación rectilínea de la luz, se puede usar la luz visible del láser de helio-neón para una gran variedad de trabajos. Por ejemplo, se puede usar para alineación de túneles, caminos, surcos de cultivo, etc. También se pueden nivelar o aplanar terrenos. Con el auxilio de otras componentes ópticas, como prismas, se puede también comprobar la perpendicularidad, horizontalidad o verticalidad de superficies.

b) En agrimensura o topografía. Ya se fabrican comercialmente instrumentos que, basados en un láser de helio neón, tienen como propósito medir distancias. Para ello se coloca el instrumento en un extremo de la distancia a medir y en el otro extremo un prisma retrorreflector. Este prisma es un sistema que, aunque no esté bien orientado, regresa el haz luminoso por el mismo camino que llegó. Esto no lo

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podría hacer un espejo plano común, a menos que se colocara exactamente perpendicular al haz luminoso incidente, lo cual no es fácil. Así colocados instrumento y retrorreflector, el láser envía pulsos luminosos muy rápidos, que recorren el trayecto a medir dos veces, de ida y de regreso. Al regresar la luz, un dispositivo electrónico dentro del mismo instrumento determina la distancia recorrida por la luz, por el tiempo que tardaron en ir y venir los pulsos luminosos.

Esta forma de medir distancias no sólo es más exacta y rápida que los métodos convencionales, sino que en algunos casos es la única. Por ejemplo, con este método se pueden medir las distancias entre dos puntos situados en dos montañas separadas.

c) En medidas astronómicas. Con el principio descrito en la sección anterior es posible medir la distancia de la Tierra a la Luna con una exactitud de unos cuantos centímetros. Con este fin, los viajeros de la nave Apolo 11 colocaron sobre la superficie de la Luna un sistema de prismas retrorreflectores. Dada la distancia, los pulsos del láser se enviaron con un láser de rubí instalado en un telescopio astronómico. Con este método no solamente se ha medido la distancia con muy pequeño margen de error, sino que además se han podido detectar pequeñas variaciones en esta distancia, lo que de otra manera hubiera sido imposible.

En 1976 se colocó en órbita un satélite geodinámico denominado Lageos. La superficie del satélite está cubierta por 496 retrorreflectores. Estos reflejan pulsos luminosos emitidos por láseres en la superficie de la Tierra. Por medio de este satélite se han podido determinar con gran precisión pequeños movimientos relativos de dos zonas diferentes en la corteza terrestre.

d) En control de calidad. El láser combinado con técnicas interferométricas es el instrumento más exacto que existe para medir distancias pequeñísimas, como se ha descrito ya en la sección sobre interferometría. El láser es la fuente de luz ideal para cualquier experimento interferométrico. Ciertamente se hace interferometría desde muchos años antes de que el láser existiera, pero no en forma tan simple, cómoda y precisa como se puede hacer ahora.

LOS LÁSERES EN MEDICINA

Una de las aplicaciones obvias de los láseres es en cierto tipo de cirugías, donde el haz luminoso del láser puede reemplazar con grandes ventajas al bisturí. La principal ventaja es que al mismo tiempo que corta va cauterizando los pequeños vasos sanguíneos, evitando prácticamente toda hemorragia. La mayoría de los láseres usados en cirugía son de bióxido de carbono. La intensidad y la velocidad del punto luminoso se regulan a fin de controlar la penetración del corte. Como el láser es en general un instrumento muy grande, el haz luminoso se lleva a la región deseada mediante un brazo plegable parecido al de los dentistas, con espejos en los codos del brazo. Mediante una lente al final de este brazo se enfoca el haz en el punto deseado.

El elevado precio del láser y sus accesorios hace que la cirugía con láser se efectúe solamente cuando es absolutamente necesario, aunque el grado de uso

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tiende a aumentar de manera constante. Sin embargo, es lógico esperar que el láser jamás llegue a eliminar por completo al bisturí. Las aplicaciones más exitosas del láser en cirugía son los siguientes tipos de operaciones:

a) Cirugía ginecológica. Los cánceres de la vagina y del útero tienen el gran inconveniente de que están ubicados en lugares de difícil acceso para el cirujano y, para agravar la situación, frecuentemente el cáncer está esparcido en una gran área. Esta es la situación ideal para el láser, pues puede irradiarse con la luz del láser toda el área deseada cuantas veces se quiera, a fin de destruir las células malignas sin provocar ningún sangrado. Esta técnica la viene aplicando con mucho éxito desde hace algunos años el doctor Michael S. Baggish en el Hospital de Monte Sinaí, en Hartford, Connecticut.

b) Operaciones de la garganta y del oído. La garganta y el oído son órganos muy delicados, que fácilmente pueden lastimarse con la cirugía convencional. Con el láser se pueden cortar o cauterizar zonas pequeñísimas de estos órganos sin lastimar el resto. El láser más usado para este tipo de intervenciones es el de argón.

c) Cirugía oftalmológica. La diabetes, con el tiempo, tiene una gran propensión a provocar una degeneración de la retina del ojo, llamada retinopatía diabética. Esta enfermedad ha llegado a ser la causa número uno de la ceguera. La causa de este tipo de ceguera es la proliferación de vasos sanguíneos en la retina, que frecuentemente se rompen debido a su gran fragilidad. El tratamiento consiste en fotocoagular con la luz de un láser de argón estos vasos. El láser más usado es el de argón, debido a que su color verde hace que sea más fácilmente absorbido por la sangre, que es roja. La luz del láser se enfoca sobre el punto deseado en la retina, usando como lente enfocadora la misma lente del ojo, por lo que no es necesario abrir el ojo con bisturí.

Desgraciadamente, esta técnica no es tan eficaz como se desearía, pues ayuda a reducir o impedir la ceguera en tan sólo el cincuenta por ciento de los casos. Por otro lado, la técnica convencional de la fotocoagulación con una lámpara de xenón de alta intensidad es tan efectiva como el láser. La ventaja de este último es su mayor facilidad de manejo.

d) Destrucción de úlceras hemorrágicas. La combinación del endoscopio y el láser es un instrumento ideal para la coagulación de las úlceras hemorrágicas. El médico localiza la úlcera observando a través del endoscopio y luego envía la luz del láser a lo largo de una fibra óptica que va unida al endoscopio. Los láseres más usados han sido en primer lugar el de neodimio en YAG y en segundo lugar el de argón. El alto costo del equipo ha impedido que esta técnica se haga más popular.

e) Cicatrización rápida de heridas. Se ha observado que la exposición prolongada a la luz de un láser de baja potencia como el de helio-neón o el de argón puede ayudar a la cicatrización y endurecimiento de heridas ulcerosas pequeñas. La desventaja de este tratamiento es que es muy largo, con muchas sesiones de

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varias horas de exposición al láser. El mecanismo que ayuda a la cicatrización no ha sido todavía comprendido, ni este uso se ha difundido mucho.

f) Cirugía de tumores cancerosos. En el Instituto Roswell Park Memorial en Búfalo, Nueva York, el doctor Thomas Dougherty ha realizado el experimento que ahora describiremos. A un paciente con cáncer se le inyecta un colorante que ha sido seleccionado de tal manera que sea absorbido preferentemente por las células cancerosas. Después se ilumina la región donde está el tumor con un láser de alta potencia. La luz del láser es de tal color que es absorbido de manera especial por las células coloreadas, es decir, por las cancerosas, destruyendo el tejido maligno sin afectar al tejido sano. Este proceso se encuentra todavía en la etapa de experimentación, pero hay muchas esperanzas de éxito.

LOS LÁSERES EN LAS COMUNICACIONES

Las telecomunicaciones han tenido una gran revolución desde la aparición del láser. Antes del láser ya se había experimentado con la comunicación por ondas luminosas, pero sin un gran éxito debido a la falta de coherencia, ya que es necesaria una gran monocromaticidad y direccionalidad.

En las comunicaciones casi siempre se emplea una técnica llamada en inglés multiplexing, para transmitir varios canales de información en una misma onda luminosa o de radio. Cada canal tiene un cierto ancho de banda para poder transmitir la información. Por ejemplo, un canal telefónico requiere al menos 5 kHz, un canal de transmisión de música en alta fidelidad requiere de 15 kHz, y un canal de televisión requiere de 3.5 MHz. Cuando se transmiten varios canales en una sola onda, llamada portadora, se colocan estos canales uno en seguida del otro. Así, diez canales telefónicos ocuparían un ancho de banda total de 50 kHz.

Es obvio que el número de canales que se pueden transmitir en una onda es igual al ancho de banda total disponible para la información que se desea transmitir, dividido entre el ancho de banda necesario para cada canal. Por lo tanto es deseable que el ancho de banda total sea 10 más grande posible, pero éste está limitado por muchos factores tanto en el transmisor como en el receptor y por supuesto también por la frecuencia de la onda portadora. En este aspecto el láser es la fuente ideal para las comunicaciones, pues su ancho de banda potencial es casi 100 000 veces mayor que el de un transmisor de microondas. Aunque hay detalles prácticos que han impedido llegar a ese límite, sí es definitivamente mucho mayor su capacidad de transmitir información.

El problema de las ondas luminosas es que son más fácilmente esparcidas o absorbidas por la atmósfera, y esto limita mucho su alcance. Una solución es usar longitudes de onda que sean menos perturbadas por la atmósfera, las cuales se encuentran en el infrarrojo. Por esta razón es más conveniente usar un láser de bióxido de carbono o de neodimio que uno de helio-neón. Una posible ventaja en algunos casos es la facilidad de su empleo, ya que el haz luminoso se puede dirigir a donde se desee con mucho mayor direccionalidad que las microondas, debido a su menor longitud de onda. La razón es que una onda se abre y se

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separa de su trayectoria debido a la difracción, tanto más cuanto mayor sea su longitud de onda.

Otra solución al problema de la atmósfera es transmitir la onda luminosa en una fibra óptica. A pesar de su costo, este método es barato comparado con el precio de un cable coaxial. Las fibras ópticas combinadas con láseres de estado sólido son ahora muy usadas en las redes telefónicas en todo el mundo.

LOS LÁSERES EN LA INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA

En la investigación científica el láser es una herramienta utilísima, que se usa cada vez con más frecuencia. Para ilustrar este punto, mencionaremos las siguientes aplicaciones:

a) Fusión de hidrógeno. Existen dos maneras de obtener energía del átomo. La primera es mediante el proceso llamado de fisión del uranio, que consiste en partir los núcleos del átomo de uranio. El método se lleva a cabo bombardeando con partículas una masa de uranio mayor que una cierta cantidad llamada masa crítica. Este es el proceso que se lleva a cabo en los reactores nucleares y, por supuesto, en la bomba atómica. Tiene la gran desventaja de que produce residuos de partículas radiactivas que son muy peligrosas, y resulta muy difícil deshacerse de ellas.

El segundo método de obtener energía del átomo es mediante un proceso esencialmente opuesto al de la fisión. El método consiste en la fusión de dos átomos de hidrógeno para obtener un átomo de helio. En el proceso se libera la energía deseada. Ésta es la manera en la cual producen energía el Sol y las estrellas. La gran ventaja de este método sobre el de la fisión de uranio es que el proceso mismo no deja residuos radiactivos, y que el hidrógeno es un material mucho más abundante que el uranio. Es tan abundante que se encuentra disponible en grandes cantidades en el agua de los océanos. La desventaja es que la fusión de hidrógeno no se puede iniciar sin una gran presión y temperatura, pero éstas se han obtenido mediante la explosión de una bomba atómica de uranio. Sin embargo, así se pierde una de las grandes ventajas inherentes de la reacción, que es la de no producir materiales radiactivos ni usar uranio. Esta es la llamada bomba de hidrógeno.

Aquí es precisamente donde aparece el láser en escena. Mediante un gran número de láseres de muy alta potencia enfocados sobre una pequeña región es posible producir tanto la temperatura como la presión deseadas. Una vez iniciada la fusión, la misma reacción mantiene la presión y la temperatura deseadas.

Desafortunadamente la fusión iniciada por láser aún se encuentra en la etapa de experimentación. Para ello se están realizando los experimentos más impresionantes y costosos que se han llevado a cabo en los últimos tiempos. Un láser de muy alta potencia se encuentra en el Laboratorio Nacional de la Lawrence Libermoore, en Libermoore, California. Tiene un tamaño equivalente al de un edificio de cuatro pisos y recibe el nombre de Shiva en memoria de la diosa hindú

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de múltiples brazos, diosa de la creación y la destrucción. Su costo es superior a los 25 millones de dólares.

Se cree que la fusión de hidrógeno será la forma de obtener energía en el futuro, cuando el petróleo se agote, pero tal vez para ello falten aún más de veinte años.

b) Obtención de presiones y temperaturas extremadamente bajas. Según la forma en la que se use el láser, se pueden lograr presiones y temperaturas muy altas o muy bajas. Con su ayuda se han podido obtener vacíos casi perfectos y temperaturas cercanas al cero absoluto.

LOS LÁSERES EN LA VIDA DIARIA

Los láseres son ahora tan populares que han invadido ya nuestras actividades cotidianas. Los láseres continuos de gas, tanto de helio-neón como los de argón se usan frecuentemente para usos decorativos. Un ejemplo es el láser de argón del faro de la Gran Plaza en la ciudad de Monterrey, Nuevo León. Otro ejemplo son los láseres de argón que se han usado ya varias veces en la Plaza de la Constitución en la ciudad de México, durante la fiesta de la Independencia, la noche del 15 de septiembre. Controlando rápidamente la dirección del haz por medio de reflectores electro-ópticos, se han formado figuras luminosas enormes sobre las paredes de los edificios de la plaza. Finalmente, otro ejemplo muy común son los láseres de helio-neón que se usan para proyectar figuras de todos tipos en los salones de algunas discotecas. Los láseres continuos de gas son la fuente luminosa que se emplea para leer el código de barras que se encuentra ahora en una multitud de productos. Mediante la lectura de este código se pasa la información sobre el tipo de producto a una computadora, donde se encuentra almacenado el costo, el precio, las existencias, el nombre y dirección del proveedor, etc. De esta manera toda la contabilidad y control de existencias se puede llevar a cabo automáticamente, sin necesidad de una intervención humana que pueda introducir errores.

Los láseres de estado sólido se usan en las impresoras láser para computadora. Estas impresoras funcionan con base en un proceso muy similar al de las copiadoras Xerox, pero con la diferencia de que la imagen no la forma un sistema de lentes sino la iluminación directa con un pequeño láser controlado por la computadora.

Los láseres de estado sólido se usan ya en un gran número de aparatos domésticos. El uso más popular de ellos es, sin duda, en los reproductores de música de disco compacto digital.

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CAPITULO 6 SENSORES DE IMAGEN

6.1 PRINCIPIOS Introducción Muchos y muy diferentes son los sensores de tipo opto-electrónico que existen hoy en día para la adquisición de imágenes en los distintos campos de aplicación científica y técnica. Cada modalidad de sensor responde en su diseño a la necesidad de adquirir una determinada información acerca de los objetos que se observan que en general serán función del estudio o uso que queramos hacer de ellos. La siguiente tabla resume la gran mayoría de tipos de imágenes usados en las aplicaciones así como los sensores usados para captarlas. Sensor de imagen El sensor de imagen de una cámara digital es el dispositivo que permite capturar la imagen. El sensor de imagen está formado por fotodiodos que reciben el impacto de la luz y la transforman en píxeles, es decir, en información digital. A cada fotodiodo le corresponde un píxel. El sensor de imagen es un mecanismo analógico, pero la información que captura la digitaliza un conversor A/D. 6.2 CLASIFICACIÓN Hay diversos tipos de sensores de imagen, en función del fabricante. Sony, por ejemplo, ha utilizado en sus últimos modelos el CCD SuperHad, y Fujifilm, el SuperCCD.

Los sensores CCD (Charged Couple Device) ofrecen, en general, una mayor sensibilidad a la luz y mayor calidad de imagen que otros sensores de imagen, como los dispositivos basados en CMOS.

Sin embargo los sensores CCD suelen ser más costosos que otras opciones, debido a la relativa complejidad de su proceso de fabricación.

Por esta razón, tradicionalmente se han utilizado los CCD para las cámaras profesionales y semiprofesionales y los CMOS para las cámaras de aficionados y cámaras Web. Un sensor CCD consume entre 2 y 5 Watts de potencia. El funcionamiento de este tipo de sensores se basa en la utilización de una pieza rectangular de silicio denominado CCD, el cual es un dispositivo de estado sólido, que ha sido manufacturado y segmentado en pequeñas células fotosensibles. Cada una de estas células corresponde a un elemento de la imagen que se va a formar en la cámara, es decir un píxel.

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Las células fotosensibles funcionan en base al efecto fotoeléctrico. Dicho efecto se refiere a la acción de ciertos materiales, que cuando se hace incidir un fotón de luz, liberan un electrón.

Los electrones emitidos son cercados en el CCD con fronteras no conductivas, de manera que puedan permanecer cierto tiempo dentro de estos límites. Mientras la luz siga incidiendo sobre la célula, se continuará acumulando energía.

Una vez realizado este proceso, se utiliza un microprocesador y un arreglo de circuitería externa, para descargar el arreglo de las células, contar los electrones en cada píxel y procesar los datos resultantes para formar una imagen.

Cámaras Matriciales

Término que se refiere a que el sensor de la cámara cubre un área o que está formado por una matriz de píxels

Una cámara matricial produce una imagen de un área, normalmente con una relación de aspecto de 4 a 3. Esta relación viene de los tiempos de las cámaras Vidicon y de los formatos de cine y televisión. Actualmente existen muchas cámaras que ya no mantienen esta relación y que no siguen los formatos de la televisión.

Los sensores de cámaras modernos son mayoritariamente CCD ( Charge Coupled Devices) que utilizan material sensible a la luz para convertir los fotones en carga eléctrica. Miles de diodos sensibles se posicionan de forma muy precisa en una matriz y los registros de desplazamiento transfieren la carga de cada píxel para formar la señal de video.

TECNOLOGÍA DE LOS SENSORES CCD

Los tamaños de los CCD están definidos en pulgadas, sin embargo su tamaño real no tiene nada que ver con el tamaño que viene especificado, sino que están basados en la relación de los primeros CCD con los tubos Vidicon. Los formatos más comunes actualmente son de 1/3", ½", y 2/3".

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CARACTERISTICAS DE LOS SENSORES

Factor de Relleno

El factor de relleno es el porcentaje del área de píxel que es sensible a la luz. El caso ideal es 100%, cuando los píxels activos ocupan el 100% del área del sensor. Sin embargo, circuitos como los registros de lectura y los circuitos anti-blooming reducen este factor, en algunas ocasiones hasta al 30%. El efecto de esta reducción se traduce en una menor sensibilidad y en efectos de aliasing. Para mejorar esto, muchos sensores con bajo factor de relleno ( normalmente CCD con Transferencia Inter Línea ) utilizan microlentes que cubren cada uno de los píxels incrementando la efectividad del factor de relleno.

Tipo de Transferencia

Hay varios tipos de sensores por la forma de transferencia de transferencia de la información de los píxels.

Transferencia Inter. Línea (ITL) Los CCD que incorporan esta tecnología son los más comunes y utilizan registros de desplazamiento, que se encuentran entre las líneas de píxels y que se encargan de almacenar y transferir los datos de la imagen. La principal ventaja de este tipo de CCD es la alta velocidad de obturación, pero no son tan sensible y precisos como otros tipos de tecnología. Tienen un bajo nivel de factor de relleno y un rango dinámico más bajo.

Transferencia de Cuadro- Los CCD que tienen este tipo de transferencia tienen un área dedicada al almacenamiento de la luz que está separada del área activa y otra área para los píxels activos que permiten un mayor factor de relleno. El inconveniente en este tipo de sensores es que la velocidad de obturación no puede ser tan rápida y que el coste de estos sensores es más alto al ser más grande su tamaño.

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Cuadro Entero (Full Frame).- Son los CCD que tienen una arquitectura más simple. Emplean un registro paralelo simple para exposición de los fotones, integración de la carga y transporte de la carga. Se utiliza un obturador mecánico para controlar la exposición. El área total del CCD está disponible para recibir los fotones durante el tiempo de exposición. El factor de relleno de estos tipos de CCD es del 100%

6.3 APLICACIONES.

ESTANDARS DE VÍDEO Y FORMATO ENTRELAZADO

Hay distintos estándares de transmisión de señales de video entre la cámara y otros sistemas como monitores de TV, frame grabbers o videos. Cada uno de estos estándares definen la frecuencia de la señal de video, el número de líneas por cuadro y el número de cuadros por segundo. Distintos comités internacionales establecieron estos estándares en los primeros tiempos de la televisión. Cualquier tipo de señal de video que se ajusta a estos principios se denomina señal de video estándar.

Los estándares más comunes en Europa son CCIR (Consultative Comité for International Radio) y PAL (Phase Alternation by Line). Y en Estados Unidos, RS-170 (EIA) y NTSC (National Televisión System Comite).

CCIR y RS-170 son estándares para video monocromo y PAL y NTSC son para color.

Las frecuencias de estás señales son las siguientes: CCIR y PAL 625 Líneas Entrelazadas 25 cuadros por segundo ( 50 campos por segundo)

El termino barrido progresivo significa que toda la imagen, y no solo la mitad de ella, se acumula simultáneamente en un mismo instante. El resultado es una resolución vertical completa en formato de video no entrelazado. De esta forma se pueden capturar objetos en movimiento a la máxima resolución sin efecto de desenfoque.

La mayoría de los sensores que se fabrican actualmente son entrelazados ( para aplicaciones de televisión y vigilancia). De forma que las cámaras progresivas tienen un precio más elevado que las entrelazadas pero son más adecuadas para las aplicaciones de visión artificial

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CAPITULO 7 FIBRA ÓPTICA

7.1 PRINCIPIOS BASICOS

Introducción

La Historia de la comunicación por la fibra óptica es relativamente corta. En 1977, se instaló un sistema de prueba en Inglaterra; dos años después, se producían ya cantidades importantes de pedidos de este material. Antes, en 1959, como derivación de los estudios en física enfocados a la óptica, se descubrió una nueva utilización de la luz, a la que se denominó rayo láser, que fue aplicado a las telecomunicaciones con el fin de que los mensajes se transmitieran a velocidades inusitadas y con amplia cobertura. Sin embargo esta utilización del láser era muy limitada debido a que no existían los conductos y canales adecuados para hacer viajar las ondas electromagnéticas provocadas por la lluvia de fotones originados en la fuente denominada láser. Fue entonces cuando los científicos y técnicos especializados en óptica dirigieron sus esfuerzos a la producción de un ducto o canal, conocido hoy como la fibra óptica. En 1966 surgió la propuesta de utilizar una guía óptica para la comunicación. Esta forma de usar la luz como portadora de información se puede explicar de la siguiente manera: Se trata en realidad de una onda electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, con la única diferencia que la longitud de las ondas es del orden de micrómetros en lugar de metros o centímetros.

¿Qué es la Fibra Óptica?

La fibra óptica es una guía de ondas en forma de filamento, generalmente de vidrio (en realidad, de polisilicio), aunque también puede ser de materiales plásticos, capaz de guiar una potencia óptica (lumínica), generalmente introducida por un láser, o por un LED. Las fibras utilizadas en telecomunicación a largas distancias son siempre de vidrio, utilizándose las de plástico solo en algunas redes de ordenadores y otras aplicaciones de corta distancia, debido a que presentan mayor atenuación que las de cristal.

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Núcleo y revestimiento de la fibra óptica.

Cada filamento consta de un núcleo central de plástico o cristal (óxido de silicio y germanio) con un alto índice de refracción, rodeado de una capa de un material similar con un índice de refracción ligeramente menor. Cuando la luz llega a una superficie que limita con un índice de refracción menor, se refleja en gran parte, tanto más cuanto mayor sea la diferencia de índices y mayor el ángulo de incidencia, se habla entonces de reflexión total. Así, en el interior de una fibra óptica, la luz se va reflejando contra las paredes en ángulos muy abiertos, de tal forma que prácticamente avanza por su centro. De este modo, se pueden guiar las señales luminosas sin pérdidas por largas distancias.

7.2 CONSTRUCCIÓN

Componentes y Tipos de Fibra Óptica

El Núcleo: En sílice, cuarzo fundido o plástico - en el cual se propagan las ondas ópticas. Diámetro: 50 o 62,5 um para la fibra multimodo y 9um para la fibra monomodo. La Funda Óptica: Generalmente de los mismos materiales que el núcleo pero con aditivos que confinan las ondas ópticas en el núcleo. El revestimiento de protección: por lo general esta fabricado en plástico y asegura la protección mecánica de la fibra.

¿Cómo Funciona la Fibra Óptica?

En un sistema de transmisión por fibra óptica existe un transmisor que se encarga de transformar las ondas electromagnéticas en energía óptica o en luminosa, por ello se le considera el componente activo de este proceso. Una vez que es transmitida la señal luminosa por las minúsculas fibras, en otro extremo del circuito se encuentra un tercer componente al que se le denomina detector óptico o receptor, cuya misión consiste en transformar la señal luminosa en energía electromagnética, similar a la señal original. El sistema básico de transmisión se compone en este orden, de señal de entrada, amplificador, fuente de luz, corrector óptico, línea de fibra óptica (primer tramo ), empalme, línea de fibra óptica (segundo tramo), corrector óptico, receptor, amplificador y señal de salida. En resumen, se puede decir que este proceso de comunicación, la fibra óptica

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funciona como medio de transportación de la señal luminosa, generado por el transmisor de LED’S (diodos emisores de luz) y láser. Los diodos emisores de luz y los diodos láser son fuentes adecuadas para la transmisión mediante fibra óptica, debido a que su salida se puede controlar rápidamente por medio de una corriente de polarización. Además su pequeño tamaño, su luminosidad, longitud de onda y el bajo voltaje necesario para manejarlos son características atractivas. Clasificación

La fibra óptica se clasifica en multimodo o monomodo según sea el número de modos (soluciones de las Ecuaciones de Maxwell) que admite.

Fibra multimodo. Permite que existan múltiples modos guiados. El diámetro del núcleo suele ser de 50 ó 62.5 micras.

Fibra monomodo. Sólo admite un modo guiado. En este caso el diámetro del núcleo es mucho menor, de unas 9 micras. Existen varios tipos de fibras monomodo:

o SMF (Standard Single Mode Fiber)

o DSF (Dispersion-Shifted Fiber)

o NZ-DSF (Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber)

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Fibra Monomodo: Potencialmente, esta es la fibra que ofrece la mayor capacidad de transporte de información. Tiene una banda de paso del orden de los 100 GHz/km. Los mayores flujos se consiguen con esta fibra, pero también es la más compleja de implantar. El dibujo muestra que sólo pueden ser transmitidos los rayos que tienen una trayectoria que sigue el eje de la fibra, por lo que se ha ganado el nombre de "monomodo" (modo de propagación, o camino del haz luminoso, único). Son fibras que tienen el diámetro del núcleo en el mismo orden de magnitud que la longitud de onda de las señales ópticas que transmiten, es decir, de unos 5 a 8 m m. Si el núcleo está constituido de un material cuyo índice de refracción es muy diferente al de la cubierta, entonces se habla de fibras monomodo de índice escalonado. Los elevados flujos que se pueden alcanzar constituyen la principal ventaja de las fibras monomodo, ya que sus pequeñas dimensiones implican un manejo delicado y entrañan dificultades de conexión que aún se dominan mal.

Fibra Multimodo de Índice Gradiante Gradual: Las fibras multimodo de índice de gradiente gradual tienen una banda de paso que llega hasta los 500MHz por kilómetro. Su principio se basa en que el índice de refracción en el interior del núcleo no es único y decrece cuando se desplaza del núcleo hacia la cubierta. Los rayos luminosos se encuentran enfocados hacia el eje de la fibra, como se puede ver en el dibujo. Estas fibras permiten reducir la dispersión entre los diferentes modos de propagación a través del núcleo de la fibra.

La fibra multimodo de índice de gradiente gradual de tamaño 62,5/125 m (diámetro del núcleo/diámetro de la cubierta) está normalizado, pero se pueden encontrar otros tipos de fibras:- Multimodo de índice escalonado 100/140 mm. - Multimodo de índice de gradiente gradual 50/125 m m.

Fibra Multimodo de índice escalonado:Las fibras multimodo de índice escalonado están fabricadas a base de vidrio, con una atenuación de 30 dB/km, o plástico, con una atenuación de 100 dB/km. Tienen una banda de paso que llega hasta los 40 MHz por kilómetro. En estas fibras, el núcleo está constituido por un material uniforme cuyo índice de refracción es claramente superior al de la cubierta que lo

Menor ancho de banda AB = 20 a 200 MHz/Km

Ancho de banda medio AB = 500 a 1500 MHz /Km Diámetros de núcleo/revestimiento(en mm): 50 / 125 62.5 / 125 100 / 140

Mayor ancho de banda AB > 10 GHz/Km Diámetros de núcleo/revestimiento(en mm): 8 a 10 / 125

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rodea. El paso desde el núcleo hasta la cubierta conlleva por tanto una variación brutal del índice, de ahí su nombre de índice escalonado.

El problema de las fibras multimodo es la dispersión intermodal. Este fenómeno se produce porque la luz que viaja por la fibra se acopla a los distintos modos, y cada modo viaja a una velocidad distinta, con lo que la luz acoplada a cada modo llega en distinto momento al receptor. Por ello, para la transmisión a largas distancias, se emplea la fibra monomodo, que evita este problema, pero a cambio es más cara.

También puede distinguirse entre fibra pasiva (la convencional) y activa. Esta última, que integra en su composición iones de erbio o praseodimio, permite la amplificación óptica de la señal.

Ventajas y desventajas de la fibra óptica y sus aplicaciones comerciales

VENTAJAS:

· Insensibilidad a la interferencia electromagnética, como ocurre cuando un alambre telefónico pierde parte de su señal a otro.

· Las fibras no pierden luz, por lo que la transmisión es también segura y no puede ser perturbada.

· Carencia de señales eléctricas en la fibra, por lo que no pueden dar sacudidas ni otros peligros. son convenientes por lo tanto para trabajar en ambientes explosivos.

· Liviandad y reducido tamaño del cable capaz de llevar un gran número de señales.

· Sin puesta a tierra de señales, como ocurre con alambres de cobre que quedan en contacto con ambientes metálicos.

· Compatibilidad con la tecnología digital.

· Fácil de instalar.

La fibra óptica hace posible navegar por Internet a una velocidad de dos millones de bps.

Acceso ilimitado y continuo las 24 horas del día, sin congestiones.

Video y sonido en tiempo real.

Es inmune al ruido y las interferencias.

Las fibras no pierden luz, por lo que la transmisión es también segura y no puede ser perturbada.

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Carencia de señales eléctricas en la fibra.

Presenta dimensiones más reducidas que los medios pre-existentes.

El peso del cable de fibras ópticas es muy inferior al de los cables metálicos.

La materia prima para fabricarla es abundante en la naturaleza.

DESVENTAJAS:

· Disponibilidad limitada de conectores.

· Dificultad de reparar un cable de fibras roto en el campo.

Sólo pueden suscribirse las personas que viven en las zonas de la ciudad por las cuales ya esté instalada la red de fibra óptica.

El coste es alto en la conexión de fibra óptica, las empresas no cobran por tiempo de utilización sino por cantidad de información transferida al computador, que se mide en megabytes.

El coste de instalación es elevado.

Fragilidad de las fibras.

¿Qué tipo de conectores usa?

Con la Fibra Óptica se puede usar Acopladores y Conectores: Acopladores: Un acoplador es básicamente la transición mecánica necesaria para poder dar continuidad al paso de luz del extremo conectorizado de un cable de fibra óptica a otro. Pueden ser provistos también acopladores de tipo "Híbridos", que permiten acoplar dos diseños distintos de conector, uno de cada lado, condicionado a la coincidencia del perfil del pulido.

Para la terminación de una fibra óptica es necesario utilizar conectores o empalmar Pigtails (cables armados con conector) por medio de fusión. Para el caso de conectorización se encuentran distintos tipos de conectores dependiendo el uso y l normativa mundial usada y sus Características.- ST conector de Fibra para Monomodo o Multimodo con uso habitual en Redes de Datos y equipos de Networking locales en forma Multimodo.

FC conector de Fibra Óptica para Monomodo o Multimodo con uso habitual en telefonía y CATV en formato Monomodo y Monomodo Angular.

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SC conector de Fibra óptica para Monomodo y Multimodo con uso habitual en telefonía en formato monomodo. De identificación o numeración, el cual varía según el fabricante/norma.

Existe otra clasificación, según la variación del índice de refracción dentro del núcleo, y según la cantidad de MODOS (haces de luz) :

Multimodo de índice escalonado [Multimode step index] MM

Multimodo de índice gradual [Multimode graded index] MM

Monomodo (índice escalonado) [Single Mode step index] SM

Nota: La cantidad de modos no es infinita y se puede calcular en base al radio del núcleo, la longitud de onda de la luz que se propaga por la fibra y la diferencia de índices de refracción entre núcleo y revestimiento.

7.3 MEDIOS DE TRANSMISIÓN Y RECEPCIÓN

Transmisión por Fibras Ópticas

La transmisión por FO consiste en convertir una señal eléctrica en una óptica, que puede estar formada por pulsos de luz (digital) o por un haz de luz modulado (analógica). La señal saliente del transmisor, se propaga por la fibra hasta llegar al receptor, en el cual se convierte la señal nuevamente a eléctrica.

Interfaz eléctrico/óptica E/O

FUENTE OPTICA (Laser)

Tx (modulador+transmisor)

Medio de Transmisión: F.O.

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Interfaz óptico/eléctrica O/E

DETECTOR OPTICO

(Fotodiodo pin)

Rx (receptor+demodulador)

7.4 APLICACIONES

La fibra óptica ha representado una revolución en el mundo de las telecomunicaciones, por cuanto ha desplazado a los cables de cobre para la transmisión de grandes cantidades de información, sea en forma de canales telefónicos, televisión, datos, etc. Como se ha indicado, las fibras para los enlaces de telecomunicación son siempre de vidrio y presentan notables ventajas respecto a la transmisión por cable de pares, e incluso sobre los cables coaxiales, pudiendo señalarse como las más sobresalientes las siguientes:

Baja atenuación, lo que se traduce en mayor distancia entre repetidores.

Gran ancho de banda y bajo precio, por tanto, menor coste por canal de comunicación.

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Gran flexibilidad y poco peso, lo que redunda en una instalación más fácil y un transporte más económico.

No es afectada por las radiaciones, por lo que no es preciso apantallamiento electromagnético.

Alta estabilidad con la temperatura, lo que permite su empleo en ambientes adversos sin que se vea afectada la calidad de transmisión.

No emite radiaciones, por lo que sus transmisiones son seguras, al no poder ser captadas por inducción en las proximidades de los cables.

Son dieléctricas, lo que asegura el aislamiento eléctrico del cable y permite su empleo y manipulación sin peligro en instalaciones de alta tensión. Tanto es así que en la actualidad las empresas de telecomunicación emplean fibras ópticas arrolladas a los conductores de tierra de las líneas de alta tensión de la red de transporte de energía eléctrica.

Incluso el mayor coste de algunos de los elementos que componen los terminales y regeneradores ópticos, especialmente el láser, queda ampliamente compensado por el menor número de regeneradores, al colocarse estos mucho más separados, así como por la mayor capacidad de transmisión de la fibra respecto a los otros medios.

Aplicaciones comerciales:

1. Portadores comunes telefónicos y no telefónicos.

2. Televisión por cable.

3. Enlaces y bucles locales de estaciones terrestres.

4. Automatización industrial.

5. Controles de procesos.

6. Aplicaciones de computadora.

7. Aplicaciones militares.

Cable de fibra óptica

Un cable de fibra óptica es un cable compuesto por un grupo de fibras ópticas por el cual se transmiten señales luminosas. Usos

Los cables de fibra óptica proporcionan una alternativa a los cables de hilo de cobre en la industria de las telecomunicaciones.

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Así, un cable con 8 fibras ópticas, tamaño bastante más pequeño que los utilizados habitualmente, puede soportar las mismas comunicaciones que 60 cables de 1800 pares de cobre o 4 cables coaxiales de 8 tubos, todo ello con una distancia entre repetidores mucho mayor.

Por otro lado, el peso del cable de fibras es muchísimo menor que el de los cables de cobre, ya que una bobina del cable de 8 fibras antes citado puede pesar del orden de 30 kg/km, lo que permite efectuar tendidos de 2 a 4 km de una sola vez, mientras que en el caso de los cables de cobre no son prácticas distancias superiores a 250-300 metros.

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PROYECTO DE APLICACIÓN

Los proyectos son una estrategia de aprendizaje, donde los estudiantes estimulan sus habilidades más fuertes y desarrollan algunas nuevas. Se motiva en ellos el amor por el aprendizaje, un sentimiento de responsabilidad y esfuerzo y un entendimiento del rol tan importante que tienen en sus comunidades. Los estudiantes buscan soluciones a problemas no triviales al:

Hacer y depurar preguntas.

Debatir ideas.

Hacer predicciones.

Diseñar planes y/o experimentos.

Recolectar y analizar datos.

Establecer conclusiones.

Comunicar sus ideas y descubrimientos a otros.

Hacer nuevas preguntas.

Crear artefactos

En la organización de aprendizajes a partir de un proyecto, se pone al alumno frente a una situación problemática real, se favorece un aprendizaje más vinculado con el mundo fuera de la escuela, que le permite adquirir el conocimiento de manera no fragmentada o aislada. Al trabajar con proyectos, el alumno aprende a investigar utilizando las técnicas propias de los temas en cuestión, llevándolo así a la aplicación de estos conocimientos a otras situaciones. Existen algunas características que facilitan el manejo de un proyectos 1. Un planteamiento que se basa en un problema real y que involucra distintas áreas. 2. Oportunidades para que los estudiantes realicen investigaciones que les permitan aprender nuevos conceptos, aplicar la información y representar su conocimiento de diversas formas. 3. Colaboración entre los estudiantes, maestros y otras personas involucradas con el fin de que el conocimiento sea compartido y distribuido entre los miembros de la “comunidad de aprendizaje”. 4. El uso de herramientas cognitivas y ambientes de aprendizaje que motiven al estudiante a representar sus ideas. Estas herramientas pueden ser: laboratorios computacionales, aplicaciones gráficas, etc.

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Cómo organizar un proyecto A continuación se presentan los elementos o pasos (ver esquema) necesarios para planear un proyecto..

A continuación se presentan los elementos que deben considerarse en la planeación de un proyecto: Alcance del proyecto: Proyecto piloto Proyecto a largo plazo Duración 5-10 días, Un semestre Complejidad: Un tema Múltiples materias o temas Tecnología Limitada Extensa Alcance Salón de clase Comunidad Apoyo Un maestro Varios maestros y miembros de la comunidad Al inicio del semestre se deberán formar equipos de 3 a 4 miembros, con sus compañeros, con el fin de elaborar un proyecto de campo; es decir una investigación, análisis y diagnóstico sobre una aplicación de optoelectronica Para realizar su Proyecto de campo, durante el semestre realizarán actividades de avance: Reseña del proyecto: entregar reseña del proyecto seleccionado para elaborar Informe de avance: durante las siguientes semanas identificarán los pasos para la evaluación en función del análisis de la misma Informe final: durante las siguientes semanas diseñarán, evaluarán y seleccionarán las estrategias que seguirían en el proyecto. Los alumnos tienen que dejar de pensar en que están haciendo una tarea y enfrentarse al problema

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Así pues, la propuesta final la pueden grabar en la forma como la presentarían por escrito (en diapositivas u otra presentación). El proyecto es una estrategia que tiene relación con una amplia gama de técnicas de enseñanza-aprendizaje, como lo son el estudio de casos, el debate, el aprendizaje basado en problemas, etc. El trabajar en conjunto con un proyecto crea un ambiente altamente propicio para la adquisición y el desarrollo de conocimientos, habilidades y actitudes en todos los participantes. Además de los conocimientos propios que de cada materia o disciplina aprenden los alumnos, adquieren y desarrollan habilidades y actitudes como son:

Solución de problemas.

Entendimiento del rol en sus comunidades.

Amor por aprender.

Responsabilidad.

Hacer y mejorar preguntas.

Debatir ideas.

Diseñar planes y/o experimentos.

Recolectar y analizar datos.

Establecer conclusiones.

Comunicar sus ideas y descubrimientos a otros.

Manejo de muchas fuentes de información y disciplinas.

Manejar los recursos disponibles, como el tiempo y los materiales.

Trabajo colaborativo.