OPTOELECTRONICA - OPTOELECTRONICA APLICADA A LA ROBOTICA
   
  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.
   
  - INSTRODUCCION
   
  Un robot puede ser visto en diferentes niveles de sofisticación, depende de la perspectiva con que se mire. Un técnico en mantenimiento puede ver un robot como una colección de componentes mecánicos y electrónicos; por su parte puede pensar que un robot es una colección de subsistemas interrelacionados; un programador de cambio, simplemente lo ve como una máquina que ha de ser programada; por otro lado para un ingeniero de manufactura es una máquina capaz de realizar una tarea específica. En contraste, un científico puede pensar que un robot es un mecanismo el cual él construye para probar una hipótesis.

Un robot está formado por un conjunto de subsistemas que básicamente son de procesos, planeación, control, sensores, eléctricos y mecánicos. Desde el punto de vista del Ingeniero en Electrónica podemos analizar una parte de uno de esos subsistemas en especial, el cual sería el sistema de sensores, los cuales pueden ser químicos, mecánicos, ópticos, electrónicos, dentro de los mismos podríamos seguir clasificando durante hojas y más hojas pero al ser este muy amplio lo delimitaremos únicamente a aquellos que han cobrado gran importancia entre los estudiosos de la electrónica, esto por su ahora facilidad de uso, disminución de costos para proyectos y prototipos tanto industriales como educativos, nos referimos a los dispositivos optoelectrónicos.

La finalidad no es hablar sobre robots, sino sobre los dispositivos optoelectrónicos aplicados a los mismos, su funcionamiento y variedad que es muy extensa por lo cual se expondrán los conceptos básicos, elementos más comunes y sobre todo que este acercamiento nos de el suficiente entendimiento para su uso y aplicación inmediata desde el más sencillo interruptor hasta su uso más sofisticado
   
  - OPTOELECTRONICA
   
  Su uso se ha extendido más allá al ampliar sus capacidades y sus prestaciones por lo cual lejos de ser una pieza de exhibición que sólo emite luz ha llegado al punto que hay tal cantidad de variantes y usos que no imaginamos cualquier tipo de sensor que no incorpore alguna de sus ventajas. Estos dispositivos responden a una frecuencia específica de radiación. Básicamente hay tres bandas en el espectro óptico de frecuencias:

INFRARROJO: Esta banda corresponde a las longitudes de onda de la luz que son muy largas para ser vistas por el ojo humano.

VISIBLE: Corresponde a las longitudes de onda de las cuales responde el ojo humano. Comprende aproximadamente entre los 400nm y 800nm de longitud de onda. En esta banda están comprendidos todos los colores que el ojo humano distingue.

ULTRAVIOLETA: Longitudes de onda que son muy cortas para ser vistas por los humanos.

El campo de la optoelectrónica se ha convertido en un área de creciente interés en la electrónica; dispositivos tales como LED´s optocopladores y fotodetectores se están construyendo ahora con una mayor capacidad de manejo de corriente. La optoelectrónica ha probado ser de alta efectividad en el campo de las comunicaciones, donde las fibras ópticas pueden manejar frecuencias mayores a las velocidades de conmutación de la electrónica de hoy en día.
   
  - COMO SE CLASIFICAN
   
  Todos los dispositivos optoelectrónicos realizan una de dos funciones, las cuales se utilizan para su clasificación.

CONVERSION DE ENERGIA ELECTRICA A ENERGIA RADIANTE
Basados en la excitación por una corriente eléctrica que provoca en aquellos la emisión de energía luminosa en forma de radiaciones visibles o no. A estos dispositivos se les llama electroluminicentes. Es importante aclarar que la mayoría de los cristales semiconductores al ser bombardeados con fotones, calor o electrones emiten luz visible o en la banda infrarroja. Sin embargo, específicamente llamamos electroluminiscentes a aquéllos que responden a la corriente eléctrica. Al aplicarle una corriente a dichos dispositivos, los electrones se mueven del material N hacia el P y se combinan con los huecos. Cuando los electrones se mueven del alto estado energético de la banda de conducción al bajo estado energético de la banda de valencia, fotones de energía son liberados. Dichos materiales pueden emitir luz visible, o como en el caso de los diodos infrarrojos, luz infrarroja.

Son componentes electroluminiscentes los LED (Light Emiting Diode) y todas sus configuraciones, los diodos emisores de infrarrojos IRED (infrared Emitting Diode), diodos LASER (Light Amplification by Simulate Emision of Radiation), que producen la emisión estimulada de los fotones como una radiación monocromática y los visualizadores de cristal líquido LCD (Liquid Cristal Display).

CONVERSION DE ENERGIA RADIANTE A ENERGIA ELECTRICA
A partir de la excitación luminosa producen o controlan cambios de energía eléctrica. Este tipo de dispositivos a menudo son llamados FOTOSENSIBLES. En este caso, la energía que entra al cristal de semiconductor excita a los electrones a niveles más altos de energía, dejando huecos atrás. Posteriormente estos electrones y huecos se alejan unos de otros, conformando una corriente eléctrica. Entre estos componentes se encuentran las LDR, fotopilas, fototiristores, fotoleds, fotodiodos y fototransistores bipolares.
   
  - DIODO LED
   
  DIODO EMISOR DE LUZ
Un LED (Light Emmiting Diode - Diodo Emisor de Luz), es un dispositivo semiconductor que emite radiación visible, infrarroja o ultravioleta cuando se hace pasar un flujo de corriente eléctrica a través de este en sentido directo. Esencialmente es una unión PN cuyas regiones P y regiones N pueden estar hechas del mismo o diferente semiconductor. El color de la Luz emitida está determinado por la energía del fotón, y en general, esta energía es aproximadamente igual a la energía de salto de banda del material semiconductor en la región activa del LED.

Los elementos de la cubierta de los LED´s son transparentes o coloreados, de un material resina-epoxy de forma adecuada y dentro del chip semiconductor.

Los terminales se extienden por debajo de la cápsula del LED o foco e indican cómo deben ser conectados al circuito. El lado negativo está indicado de dos formas:

- Por la cara plana del foco
- Por el de menos longitud. El terminal negativo debe ser conectado al terminal negativo de un circuito.

Los LED´s operan con un voltaje relativamente bajo, entre 1 y 4 volts, y la corriente está en un rango entre 10 y 40 miliamperes. Voltajes y corrientes superiores a los indicados pueden destruir al LED.

La parte más importante del LED es el chip semiconductor localizado en el centro del foco, como se ve en la figura 1.
   
 
 
   
  El chip tiene dos regiones separadas por una juntura. La región P está dominada por las cargas positivas, y la N por las negativas. La juntura actúa como una barrera al paso de los electrones entre la región P y la N; sólo cuando se aplica el voltaje suficiente al chip puede pasar la corriente y entonces los electrones pueden cruzar la juntura hacia la región P.

Si la diferencia de potencial ente los terminales del LED no es suficiente, la juntura presenta una barrera eléctrica al flujo de electrones.

El material que compone el diodo LED, es importante ya que el color de la luz emitida por el LED depende únicamente del material y del proceso de fabricación principalmente de los dopados. En la tabla 1 aparecen algunos ejemplos de materiales utilizados para la fabricación de un diodo junto con los colores obtenidos.

Resulta difícil distinguir, por pura inspección visual, el modelo del LED así como el fabricante: los valores máximos de tensión y corriente que puede soportar y que suministra el fabricante serán por lo general desconocidos. Por esto, cuando se utilice un diodo LED en un circuito, se recomienda que la intensidad que lo atraviese no supere los 20 mA, precaución de carácter general que resulta muy válida. En la figura 2 se muestra el símbolo electrónico de este tipo de diodo. Las flechas indican la radiación emitida por el diodo
   
 
   
  - FUNCIONAMIENTO DE UN LED
   
  Al polarizar directamente un diodo LED conseguimos que por la unión PN sean inyectados huecos en el material tipo N y electrones en el material tipo P; produciéndose, por consiguiente una inyección de portadores minoritarios. Cuando estos portadores se recombinan, se produce la liberación de una cantidad de enrgía proporcional al salto de banda de energía del material semiconductor. Una parte de esta energía se libera en forma de luz, mientras que la parte restante lo hace en forma de calor, estando determinadas las proporciones por la mezcla de los procesos de recombinación que se producen.

La energía contenida en un fotón de luz es proporcional a su frecuencia, es decir, su color. Cuanto mayor sea el salto de banda de energía del material semiconductor que forma el LED, más elevada será la frecuencia de la luz emitida.

en la figura 3 vemos un diodo emisor de luz con la unión polarizada en sentido directo.
   
 
   
  - ACTIVACION DE UN LED
   
 

Un LED puede ser activado por corriente continua, por pulsos o corriente alterna.

CORRIENTE CONTINUA
El circuito empleado se mostró anteriormente. El valor de la corriente está dado por medio de la resistencia R y su valor es:

R = (E - Vf) / If

Siendo E la tensión de alimentación, Vf la tensión en bornes del LED e If la corriente que lo atraviesa. La tensión E debe ser, por lomenos, dos veces la tensión Vf. Para los colores rojo, anaranjado y amarillo se recomienda un valor de If de 5 a 15mA, mientras que para el verde se recomienda de 10 a 20mA. Los parámetros para un LED de color azul son bastante diferentes, ya que presentan una Vf = 5V y una corriente If de 60mA para una intensidad luminosa de 50mcd.

PULSOS
Este es el método más empleado, ya que el LED presenta una mayor fiabilidad y ofrece las siguientes ventajas frente al método anterior:

- La intensidad luminosa puede ajustarse variando la amplitud o el ancho del impulso aplicado
- Genera mayor intensidad luminosa para una misma corriente media.

COMO DETERMINAR LA AMPLITUD DE LOS PULSOS
Cuando se realiza el control del LED por impulsos hay que determinar la amplitud de los mismos de la siguiente manera:

- Determinar la frecuencia y la duración del ciclo definidos por la aplicación
- Basándose en gráficas de los fabricantes, determinar la relación entre la corriente máxima de pico y la corriente directa máxima.
- Con ayuda de las gráficas también, determinar la corriente directa máxima. Este valor disminuye para temperaturas mayores de 50ºC.

Comparando con el control por corriente contínua, para la misma corriente media, el control por impulsos ofrece una mayor intensidad luminosa media y una menor disipación de potencia.

El funcionamiento por pulsos de un LED provoca un fenómeno de percepción conocido como "luz enriquecida". Este fenómeno es debido en parte, a la retención del ojo de altos niveles de brillo, como los producidos por undestello de luz. Este fenómeno sólo aparece en los dispositivos de GaAsP debido a que este material no satura en condiciones de elevadas corrientes.

Cuando el ojo humano es el detector de la energía visible, la menor energía es consumida en funcionamiento por pulsos. Esto es una ventaja especialmente importante en equipos alimentados por baterías y cuando hay que controlar grandes conjuntos de LEDs.

   
  - CORRIENTE ALTERNA
   
  Cuando un diodo LED se conecta a un circuito de alterna hay que prever una protección contra la tensión inversa si se espera exceder el valor máximo de Vr. En la figura siguiente semuestra un método de protección utilizando un diodo en conexión inversa.
   
  - CARACTERISTICAS Y VARIEDADES DE LOS LED
   
  CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO:
Los parmámetros que caracterizan el funcionamiento de un LED y que sirven de base para la elección del modelo más adecuado para la aplicación concreta a que se le va a destinar, son los siguientes:

EFICIENCIA:
Es la relación entre la intensidad luminosa emitida, medida en unas unidades denominadas milicandelas (mcd) y la corriente eléctrica en mA que produce dicha radiación. Se representa por Iv. Los valores normales oscilan entre los 0,5 y 2mcd a 20mA. Pero los de alta eficiencia alcanzan hasta 20mcd a 10mA.

El color depende de la frecuencia de la radiación, existiendo tres que son los que han estandarizado la mayoría de los fabricantes, se trata del rojo, ver y amarillo-anaranjado. En el caso de LED de infrarrojos, la radiación no será visible y, por lo tanto, este factor no existirá.

LA DIRECTIVIDAD:
Está definida por el máximo ángulo de observación de luz que permite el tipo concreto de LED, respecto al eje geométrico del mismo. Este parámetro depende de la forma del encapsulado, así como de la existencia o no, de una lente amplificadora incluída en el mismo.

En los modelos de mayor directividad este ángulo es pequeño y tienen la apariencia de producir una intensidad luminosa más elevada que los otros, en los que la luz se reparte sobre una superficie mucho mayor.

Cada modelo de LED dispone de una curva de directividad en la que se representa el nivel de intensidad luminosa en función del ángulo de observación. Esta curva resulta de mucha utilidad para la elección de un modelo determinado.

EL EFECTO CRISTALINO:
Las lentes de los primeros LEDs fueron diseñadas para permitir el paso de la máxima cantidad de luz en la dirección perpendicular a la superficie de montaje.

Más tarde, la luz producida fue mayor y sus lentes se diseñaron para difundir la luz sobre una amplia área, permitiendo mayores ángulos de visbilidad. Posteriormente aparecieron en el mercado los LEDs de alta luminosidad y una gran variedad de lentes epoxy color rojo fueron incorporadas para difundir la luz en una amplia área de emisión, produciendo una sensación más agradable a la vista que las lentes que concentran la luz en un punto.

La figura 4 muestra los efectos de añadir cantidades de difusores rojos al material epoxy de la lente.
   
 
   
  LA TENSION DIRECTA (VF)
Es el voltaje que se produce entre los dos terminales del LED cuando la atraviesa la corriente de excitación. Está comprendida entre 1,5 y 2,2V para la mayoría de los modelos.

LA CORRIENTE INVERSA (Ir)
Es la máxima corriente que es capaz de circular por el LED cuando se le somete a una polarización inversa. Valores típicos de este parámetro se encuentran alrededor de los 10uA.

DISIPACION DE POTENCIA
Es la fracción de la potencia que absorbe el LED y no transforma en radiación visible, teniéndola que disipar al ambiente en forma de calor. En las aplicaciones clásicas de los LEDs se necesita una resistencia en serie con el mismo, con la misión de limitar la corriente que circula por él.

IDENTIFICACIÖN
La indicación de la polaridad de los terminales se realiza haciendo que el terminal que corresponde al ánodo tenga una longitud mayor que el del cátodo. Además, se añade un pequeño aplanamiento en la cápsula en una zona próxima al terminal catódico.

Y si no lo identifica observe las terminales interiores, una es más pequeña que la otra. Ése es el ánodo. En otro caso utilice el óhmetro. Se toman dos medidas cambiando la polaridad de las puntas y se obtendrán dos medidas de ohmios: una próxima a cero y otra de un valor óhmico alto. Al conocer la polaridad de las puntas del óhmetro con la medición de cero ohmios se determina cuál es el ánodo.
   
  - TIPOS DE LEDS
   
  EL IRED
Los LEDs utilizados en aplicaciones electrónicas, debido a la respuseta espectral del silicio y a consideraciones de rendimiento, son normalmente diodos emisores de infrarrojos, IRED. Este tipo de diodo es un LED que emite luz invisible en la región del infrarrojo cercano.

Sus fundamentos son los mismos que para los diodos LED; encontrando la única diferencia en su espectro de radiación: su longitud de onda se sitúa por debajo del espectro visible, y se emplean cuando se requiere una radiación no visible, por ejemplo en el control remoto, optoacopladores, detectores, etc.

En la figura 5 vemos la polarización de IRED y su símbolo.
   
 
   
  - EL DIODO LASER
   
  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 ótpico-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.

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
Está n 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. El terminal más corto es el ánodo rojo, el del centro, es el cátodo común y el tercer es el ánodo verde.
   
  - FOTODETECTORES
   
  Los detectores de luz que son dispositivos basados en la tecnología de semiconductores de silicio, producidos en gran escala y que convierten las señales de luz en señales eléctricas, son otra parte de la optoelectrónica del semiconductor.

LA RESISTENCIA VARIABLE CON LA LUZ (LDR)
Una LDR, conocida mejor como fotorresistencia o celda fotosensible, es un dispositivo optoelectrónico capaz de variar su resistencia según la luz que incide sobre él. Cuanta más luz recibe, más baja es la resistencia.

En la figura 6 vemos el aspecto físico y curva característica.
   
 
   
  EN UNA LDR SE HAN DE TENER EN CUENTA LO SIGUIENTE
En 1er lugar, la amplitud de resistencias. Sin luz, una buena LDR se ha de comportar como un circuito abierto. Y su mínima resistencia ha de ser lo más pequeña posible, en torno a los cien ohmios, o menos si pudiera ser.

En segundo lugar, se ha de tener en cuenta, el tiempo que emplea una LDR en pasar de un estado de máxima resistencia, a otro de mínima resistencia, es decir, lo que tarda en conmutar desde una posición de circuito "cerrado", a otro estado de circuito "abierto". Este tiempo ha de ser lo más pequeño posible, y ha de estar en torno al segundo.

En la figura 7 vemos la gráfica Resistencia vs Luz.

En la próxima edición continuamos con este interesante tema y publicaremos algunos circuitos prácticos.
   
 
Autor: Ing. Juan Cárlos Téllez Barrera