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Dispositivos Opticos

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    1.- EL EFECTO FOTOELÉCTRICO

    A fines del siglo XIX, los experimentos demostraron que cuando la luz incide sobre ciertas superficies metálicas se emiten electrones desde esas superficies. Este fenómeno se conoce como Efecto Fotoeléctrico. y los electrones que se emiten se llaman fotoelectrones. Hertz demostró que una chispa saltaba más fácilmente en el espacio interelectrónico de dos cuerpos conductores cuando una de estas superficies recibía iluminación.

    Corriente fotoeléctrica contra el voltaje para dos intensidades luminosas. La corriente aumenta con la intensidad, pero alcanza un nivel de saturación a valores grandes de V. Para voltajes iguales o menores que -Vo la corriente es cero.

    En la figura se muestra una gráfica de la corriente fotoeléctrica contra la diferencia potencial V entre el ánodo y el cátodo, para dos intensidades luminosas diferentes. Observe que para grandes valores de V, la corriente alcanza un valor máximo que corresponde a la captación total de fotoelectrones por el ánodo. Además, la corriente aumenta cuando se incrementa la intensidad de la luz incidente, como era de esperar. Finalmente, cuando V sea negativa, los fotoelectrones serán repelidos por el ánodo negativo. únicamente aquellos electrones que tengan una energía cinética mayor que eV alcanzarán el ánodo y la corriente será cero. La energía cinética máxima de los fotoelectrones está relacionada con el potencial de detención, mediante la relación

    Kmax = eVo

    Varias características del efecto fotoeléctrico no podrían explicarse con los conceptos de la Física Clásica y la teoría ondulatoria de la luz. Estas son las siguientes:

    1.  No se emitirán electrones si la frecuencia de la luz incidente cae por debajo de cierta frecuencia de corte fc la cual depende del material iluminado, Esto no concuerda con la teoría ondulatoria que predice que el efecto fotoeléctrico debe ocurrir a cualquier frecuencia, suponiendo que la intensidad luminosa es suficientemente alta.

    2.  Si la frecuencia de la luz es mayor que la frecuencia de corte se observa el efecto fotoeléctrico, y el número de fotoelectrones emitidos es proporcional a la intensidad luminosa. Sin embargo, la energía cinética máxima de los fotoelectrones es independiente de la intensidad de la luz.

    3.  La emergía cinética máxima de los fotoelectrones aumenta con el incremento de la frecuencia luminosa.

    4.  Los electrones se emiten desde la superficie catódica casi instantáneamente, incluso a bajas intensidades luminosas.

    Una explicación satisfactoria del efecto fotoeléctrico la dio Einstein en 1.905, el mismo año en que publicó su teoría especial de la relatividad. En esta disertación, por la cual recibió el premio Novel en 1.921, Einstein extendió el concepto de Planck de la cuantización al campo electromagnético. Supuso que una onda luminosa de frecuencia f, puede considerarse como un flujo de corpúsculos, o fotones, como actualmente se le denomina. Cada fotón posee una energía E. dada por

    E = hf

    Einstein visualizó la luz como una corriente de partículas viajando por el espacio, donde cada partícula podía ser absorbida como una unidad por un electrón. Además, Einstein argumento que cuando un electrón del metal absorbe uno de estos fotones, la energía cinética máxima que adquiere el electrón debe ser hf. Sin embargo, el electrón debe también pasar a través de la superficie del metal y supera una barrera de potencial interna, la cual requiere una energía adicional f. En consecuencia, para la conservación de la energía, la energía cinética máxima del fotoelectrón emitido está dada por

    Kmax = hf - f

    Es decir, el exceso de energía hf - f es la energía cinética máxima que el electrón liberado puede tener fuera de la superficie.

    El efecto fotoeléctrico es un proceso mediante el cual se pueden expulsar electrones de una superficie metálica cuando se hace incidir luz sobre esa superficie. Einstein dio una explicación exitosa de este efecto al extender la hipótesis cuántica de Planck al campo electromagnético. En este modelo, la luz se contempla como un chorro de partículas, denominadas fotones.

    Otra definición de Efecto Fotoeléctrico podría ser la siguiente: Los electrones pueden adquirir suficiente energía para escapar del metal frío si se ilumina esté con luz de energía cuántica suficientemente elevada, esto es, de una frecuencia suficientemente alta, o sea, de longitud de onda suficientemente corta. En este proceso, la energía necesaria para el escape es suministrada por la energía hf de un único cuanto de luz.

    En la siguiente figura se muestra esquemáticamente un dispositivo que puede emplearse para observar el efecto fotoeléctrico. Un haz luminoso incide sobre una superficie metálica S en un tubo en el que se ha hecho el vacío. Se emiten electrones por la superficie y estos se dirigen al colector C, mantenido normalmente a un voltaje positivo respecto a S. La intensidad de la corriente puede medirse por medio de un galvanómetro G. Se encuentra que, para cada metal utilizado para constituir la superficie S, existe una cierta frecuencia, llamada frecuencia umbral, que tiene que ser sobrepasada forzosamente por el haz luminoso antes de que se emita algún electrón.

    Los experimentos demuestran que la velocidad máxima de los electrones emitidos solamente depende de la frecuencia de luz incidente.

    El número de electrones emitidos por segundo ( determinado a partir de medidas de la intensidad de la corriente ) depende de la intensidad de la luz incidente, pero la máxima velocidad de los electrones es independiente de la intensidad de la luz incidente y solamente depende de su frecuencia.

    Debido a que los electrones absorben fotones a varias profundidades dentro del metal y adquieren velocidades iniciales en varias direcciones, existirá una distribución de energía de los electrones que emergen de la superficie. Pero la energía cinética máxima mv2max de los electrones emitidos por el metal sobre el cual incide luz de frecuencia f, viene dada por la ecuación fotoeléctrica de Einstein.

    mv2max = hf - f = h ( f - f / h ).

    Los resultados experimentales se hallan descritos precisa y completamente por esta expresión. Para un metal particular, la representación gráfica de la energía máxima en función de la frecuencia de la luz es una línea recta cuya pendiente determina el valor de la constante cuántica h.

    La energía máxima se anula a la frecuencia umbral en que hf = f; por debajo de esta frecuencia no se emiten electrones debido a que la absorción de un fotón no comunica a un electrón la suficiente energía para rebasar la barrera de potencial existente en la superficie del metal. El efecto fotoeléctrico proporciona la primera prueba directa del principio cuántico.

    2.- CÉLULA FOTOELÉCTRICA

    La célula fotoeléctrica es una clase de célula que despide electrones por medio de la luz. Es este maravilloso dispositivo el que ha hecho posible muchas de las más recientes invenciones, desde la televisión y el cine parlante hasta el manejo automático de instalaciones eléctricas y alarmas contra robos. Suele dársele el nombre de ojo "eléctrico", aunque es infinitamente más sensible y rápida que la vista humana. Se dice que en el lapso de unas tres milmillonésimas de segundo después que las ondas de luz golpean la superficie de potasio de una fotocélula comienza ésta a emitir electrones y a establecer una corriente en el circuito al que se halla conectada.

    Está fotocélula emplea un metal sensible a la luz (como el selenio) y otro que contribuye a producir la máxima cantidad de corriente. Cuando la luz hiere el metal sensible se produce una corriente que los alambres hacen a un medidor.

     


    En 1.886 el descubridor de las ondas de radio, Enrique Hertz, se dio cuenta accidentalmente de que la luz ultravioleta que caía entre dos alambres terminales reducía la resistencia al paso de una descarga eléctrica. Al año siguiente Guillermo Hallwachs comenzó a investigar el fenómeno: limpio cuidadosamente una placa de cinc aislada e hizo caer luz ultravioleta sobre ella. Paulatinamente fue adquiriendo la placa una pequeña carga positiva. Hallwachs cargó entonces la placa negativamente y le hizo llegar rayos de luz, con lo cual la placa perdía gradualmente su electricidad negativa.

    En 1.889, Julio Elster y Juan Geitel descubrieron que los metales fuertemente electropositivos, tales como el sodio, el potasio, el rubidio y el cesio son extraordinariamente sensible a la luz visible ordinaria.

    Conviene hacer notar que todos estos experimentos se llevan a cabo antes de haberse descubierto el electrón.

    Hoy se sabe que el fenómeno fotoeléctrico descubierto por Hertz y estudiado por otros consiste en la expulsión de electrones de una superficie metálica, expulsión que se produce al caer determinada clase de luz sobre el metal. En 1.905 aportó Alberto Einstein una importante contribución al conocimiento de las leyes que rigen este fenómeno:

    Demostró que el número de electrones liberados depende de la fuerza de la luz que hiere la superficie, y que la velocidad con la cual los electrones son expedidos varía según la longitud de la onda de la luz. Así, la luz roja no expele los electrones con la misma velocidad que la luz azul, en tanto que la luz ultravioleta lo hace en forma mucho más efectiva que la luz visible.

    Tal descubrimiento demuestra que la luz viaje en pequeñas unidades de energía luminosa denominada fotones, y que la energía de éstos depende del color de la luz. Así, un fotón de luz roja tiene mucho menos energía que uno de luz azul.

    De los anteriores experimentos y teorías resultó la célula fotoeléctrica o fotocélula. dicho dispositivo consiste en un tubo al vacío que contiene una pequeña cantidad de helio y cuyas paredes interiores están revestidas de un metal sensible a la luz, generalmente potasio. El polo negativo del circuito hace contacto a través de un alambre con las paredes de metal, mientras que el polo positivo se conecta a un anillo hecho de algún metal inactivo, como el níquel o el platino. Dicho anillo se halla colocado en el interior de la célula. Los electrones comienzan entonces a salir en proporción directa a la fuerza de la luz recibida, de suerte que la corriente que fluye en el circuito sigue la fluctuaciones de la intensidad de la luz con maravillosa precisión. Si la fuente de la luz se corta totalmente, también la corriente se interrumpe. La corriente puede ser amplificada eléctricamente y trasmitida en la misma forma que se envían las ondas de radio y las corrientes telefónicas.

    El funcionamiento de la fotocélula es sumamente sencillo. Supóngase que uno de estos dispositivos ha sido instalados para abrir automáticamente las puertas de una tienda. Cada persona que se aproxima a la puerta interrumpe la fuente de la luz que se halla dirigida hacia la fotocélula, con la cual se cambia la corriente y se hace funcionar un mecanismo automático que abre la puerta.

    Existen además otras dos clases de fotocélulas que merecen ser mencionadas. La variedad conocida como célula fotoconductiva, la cual consiste en dos piezas de metal separadas por una delgada capa de selenio, elemento químico de la familia del azufre. En la oscuridad, el selenio ofrece mucha resistencia al paso de una corriente eléctrica, pero cuando la luz lo hiere, su resistencia disminuye rápidamente. Ahora bien, cuando una de estas células forma parte de un circuito eléctrico, muy poca corriente fluye cuando el selenio se halla en la oscuridad, pero en cuanto recibe la luz, el flujo de la corriente aumenta rápidamente.

    El tipo de célula autogeneradora conocida como "célula fotovoltaica", consiste básicamente en un disco de cobre cubierto de óxido cúrprico. Cuando la luz hiere la célula determina que se produzca en ésta un desprendimiento de electrones y que llegue la célula hasta generar un pequeño voltaje, suficiente para hacer funcionar "relays" o medidores sensibles, sin necesidad de baterías u otras fuentes de corriente. El tipo de medidor de luz corrientemente usado por los fotógrafos contiene una fotocélula de tipo autogenerador, conectada a un aparato que determina la cantidad de corriente generada por la luz. Este dispositivo muestra la sensibilidad de la luz y está debidamente graduado para indicar el tiempo de exposición que requiere la película.

    3.- DIODO FOTOELÉCTRICO

    También conocidos como Fotodiodos, son unos dispositivos semiconductores construidos a base de una unión P-N, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja.

    Su funcionamiento esta basado en el fenómeno inverso de los LED, es decir, que en este caso se produce una separación de huecos y electrones, como consecuencia de la absorción de la energía de la luz incidente sobre la estructura del semiconductor.

    Región de Transición:

    Suponiendo un fotodiodo inversamente polarizado por la acción de una tensión exterior, se generará en el mismo una región de transición, similar a la del caso de un diodo convencional, en las zonas próximas a la superficie de contacto entre el lado P y el N. En esta región es donde estará aplicada la gran mayoría de la tensión externa, ya que es la zona de máxima resistencia de la estructura. Si el fotodiodo recibe una radiación luminosa, se producirá la separación de cargas, antes citada, en cualquiera de las tres regiones: P, región de transición y N. En las zonas P y N, estas cargas se reconbinarán, ya que no existe una tensión eléctrica que las pueda hacer circular, por lo tanto no ejercerán ninguna influencia. Sin embargo, las cargas eléctricas, en forma de huecos y electrones producidas en la región de transición se separarán rápidamente, forzadas por la tensión aplicada, dirigiéndose los huecos hacia el lado P y los electrones hacia el lado N, dando lugar a la circulación de una corriente eléctrica.

    El fenómeno será tanto mayor cuanto más ancha sea la región de transición, por lo tanto en la fabricación de estos componentes se recurre a producir una zona de elevada resistividad a base de introducir entre la región P y la N una tercera zona semiconductora sin dopar o en estado intrínseco l, formándose un diodo P-l-N.

    La estructura geométrica del fotodiodo es vertical, de forma que la capa N es la inferior, sobre ella se encuentra la zona l y en la parte superior la P por tanto la luz incide en esta última capa que debe ser atravesada para poder alcanzar la zona activa.

    Como puede deducirse, la aplicación de estos componentes en los circuitos se realiza de forma que queden inversamente polarizados, con lo que producirán una cierta circulación de corriente en los momentos en que sean exitados por la luz exterior.

    4.- FOTOTRANSISTORES

    Existen transistores FET (de efecto de campo), 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. Todos los transistores son sensibles a la luz, pero los fototransistores están diseñados para aprovechar esta característica.

    Funcionamiento:

    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 la región activa, y 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 amplificarla mediante el uso de un sólo dispositivo.

    Construcción:

    Los fototransistores están constituidos por silicio o germanio, parecido a un transistor bipolar. Existen fototransistores NPN como PNP. Debido a que la radiación es la que dispara la base del transistor 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 de 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 hacha de un material llamado epoxy, que es una resina que permite el ingreso de radiación hacia la base del transistor.

    Aplicaciones :

    Este circuito muestra el principio de un seguidor, o control de posición en el cual se utiliza un fototransistor CA. Cuando exista una misma cantidad de radiación de luz incidiendo sobre los dos transistores, el capacitor C se carga durante ambas medias ondas senoidales a través de los transistores, con la misma carga pero polaridad opuesta. El voltaje resultante por lo tanto es próximamente cero. Cuando existe una radiación desigual en los fototransistores, la señal diferenciales amplificada con el OP AMP, con el fin de energizar un motor, por ejemplo. En el semiciclo positivo de la onda de entrada, la corriente viaja por el diodo D1, por el fototransistor derecho, y por lo tanto aparece una carga neta positiva en el capacitor. Por el contrario, cuando viene el semiciclo negativo de onda, el diodo D2 conduce, y aparece un voltaje negativo en el capacitor. Este cambio de polaridad se puede utilizar para controlar la dirección de giro de un motor, controlando la radiación incidente sobre los fototransistores.

    5.- EFECTO FOTOVOLTAICO

    Cuando el fotodiodo p-n se polariza inversamente con una tensión grande, se recoge una corriente casi constante debido a los portadores minoritarios inyectados. Si la tensión aplicada se reduce en magnitud, la barrera en la unión es menor. Esta disminución de la barrera de potencial no afecta a la corriente de minoritarios (puesto que esta partícula desciende por la barrera), pero cuando la barrera se reduce suficientemente, algunos portadores mayoritarios pueden cruzar también la unión. Estos portadores corresponden a una corriente directa y, por tanto, tal flujo reducirá la corriente neta (inversa). Es este aumento del flujo de mayoritarios el que explica la caída de corriente inversa cerca del cero del eje de tensión.

    En la siguiente figura se representa en escala ampliada el origen de esta figura.

    Características tensión-corriente de los fotodiodos de unión p-n LS222 y LS223 a una intensidad luminosa de 500 bujias-pie

     


    Potencial Fotovoltaico:

    Si se aplica una polarización directa, la barrera de potencial disminuye, y la corriente de mayoritarios aumenta rápidamente. Cuando esta corriente de mayoritarios iguala a la minoritarios, la corriente total es cero. La tensión a la cual la corriente resultante es cero se denomina potencial fotovoltaico. Puesto que en circuito abierto no circula corriente, en los terminales abiertos de una unión p-n se obtiene una fem fotovoltaica.

    Otra explicación física sería la siguiente: La altura de la barrera de potencial en una unión p-n en un circuito abierto se ajusta por si misma de forma tal que la corriente resultante es cero, siendo el sentido del campo eléctrico en la unión tal que repele los portadores mayoritarios. si se ilumina la superficie, se inyectan portadores minoritarios, y puesto que éstos descienden por la barrera, la corriente de minoritarios aumenta. Como en el circuito abierto la corriente total debe ser cero, la corriente de mayoritarios debe aumentar en la misma proporción que la de minoritarios. Este aumento de la corriente de mayoritarios es posible solamente si el campo retardador se reduce. Por tanto, la altura de la barrera se reduce automáticamente debido a la radiación. En los terminales del diodo aparece una tensión exactamente igual a la cantidad en la que disminuye el potencial de la barrera. Este potencial es fem fotovoltaica, y es del orden de 0,5 V para una célula de silicio y 0,1 V para una de germanio.

    Potencial de salida máxima:

    Si se coloca una resistencia RL directamente entre los terminales del diodo, la corriente resultante puede calcularse, dibujando una línea de carga correspondiente a RL a través del origen. Si RL = 0 la tensión de salida V es cero, y para RL=, la corriente de salida es cero. Por tanto, para estos dos valores extremos de la carga, la potencia de salida es cero. Si para cada valor de RL se leen los valores de V e 1 y se dibuja P=V1 en función de RL, se puede calcular la resistencia de carga óptima para la cual la potencia de salida es máxima.

    Corriente en Cortocircuito:

    Tenemos que circula cierta corriente (distinta de cero) cuando la tensión aplicada es cero. Por tanto, una fotocélula de unión puede utilizarce en cortocircuito. Como hemos insistido, esta corriente l, es proporcional a la intensidad de la luz. Esta relación lineal se obtiene experimentalmente.

    Respuesta Espectral:

    La sensibilidad espectral de una célula fotovoltaica depende del material semiconductor. Tal dispositivo (el silicio) tiene una sensibilidad excelente en todo el margen visible. Células de otros materiales semiconductores tienen sus respuestas máxima fuera de la región visible.

    Conversión de Energía Solar:

    La corriente dada por una célula fotovoltaica puede utilizarce para alimentar equipos electrónicos o, más frecuentemente, para cargar baterías auxiliares. Estos conversores de energía que utilizan la luz solar como la principal fuente de energía se denominan baterías solares, y se utilizan en satélites. Una célula fotovoltaica de silicio de gran estabilidad y con un rendimiento de conversión elevado (14%) se fabrica difundiendo una capa delgada de impurezas tipo n sobre una base tipo p. Con luz solar al mediodía, tales células generan una tensión en circuito abierto de aproximadamente 0,6 V.

    6. CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

    Los electrones son expulsados de la superficie del cátodo que se halla recubierto de cesio, potasio, etc., en el caso de una célula fotovoltaica a válvula. Consta dicha válvula de cátodo y ánodo ambos están en el interior de una ampolla de vidrio en el cual se ha practicado el vacío y, a veces, se introduce un gas. Hay que hacer notar que estas válvulas carecen de filamentos.

    El fotocátodos se comporta como el filamento de un diodo de vacío que emite electrones que van hacia el ánodo. La emisión del cátodo es proporcional a la luz incidente en él. Los materiales catódicos mas idóneos son: cesio- antimonio o cesio - óxido de plata. En presencia de gas, los electrones del cátodo provocan un efecto de avalancha con los electrones del gas y la sensibilidad aumenta.

     


    El efecto fotoemisor es la base de autenticas fotopilas. En esta categoría están incluidos también los elementos conocidos como células solares o células fotovoltaicas. En la practica, éstas son pilas que proporcionan una tensión cuando la luz incide en ellas, tensión que se incrementa al aumentar la intensidad de la luz.

    Construcción:

    Las células individuales se forman a partir de una oblea de silicio obtenida de un lingote de este elemento de 57 mm de diámetro. El lingote está dopado con boro para convertirlo en semiconductor tipo P. A continuación se difunde fósforo en una de las superficie de la oblea para formar una región superficial tipo N, con una unión PN a pocas decenas de micrómetros por debajo de la superficie el contacto con la cara superior de la oblea se efectúa mediante una rejilla de metal que cubre un 7% de la superficie. La superficie completa de tipo N está cubierta por una capa antirreflectante de TiO2. El lado tipo P de la oblea se metaliza totalmente para reflejar los fotones no absorbidos y proporciona un segundo contacto.

    Principio del Funcionamiento:

    Una célula solar puede ser considerada como un diodo de silicio de gran superficie. En una célula en circuito abierto (no conectada) y no expuesta a radiación, la falta de homogeneidad de carga en la unión PN hace que algunos electrones suministrados por átomos donadores se hallen en el lado N de la unión y que se difunda a través de la unión en la región de baja intensidad de electrones en el lado P. Esta difusión ioniza positivamente los átomos donadores que crean un espacio de carga positiva en la región N próxima a la unión. Los electrones difundidos en la región P llenarán los niveles de valencia de los átomos aceptadores y quedarán inmovilizados creando un espacio de carga negativa cerca de la unión. En condiciones de equilibrio, esta separación de carga produce una barrera de potencial VB (difusión) a lo largo de la unión.

    La tensión VB puede ser considerada como un potencial de contacto. Sin embargo, si se establecen contactos a la región N y la P con el mismo metal y se establece un circuito a través de un voltímetro de elevada resistencia, no se podrá medir ninguna tensión puesto que los potenciales de contactos se anulan.

    Si ahora se irradia la célula con energía solar, se generan pares electron-hueco en la región de la unión, separados mediante el campo eléctrico asociado VB, forzando a los huecos a trasladarse hacia el lado P y a los electrones hacia el lado N. En consecuencia, |VB| cae de manera brusca. Con ello el contacto P se hallará a un potencial +0,6V por encima del contacto N. Esta tensión puede ser medida (debido a que el potencial de difusión de la unión inversa formada en el circuito extremo se ve afectado) y, con una irradiación suficiente puede mantener un flujo de corriente de la región P a la región N.

    La presente figura representa una célula solar irradiada, la corriente circula de la región N a la P por el interior de la célula. Esta es la denominada corriente fotovoltaica. La generación de la corriente fotovoltaica (o tensión) , siendo la máxima corriente que se puede obtener aproximadamente proporcional al nivel de irradiación.

    7.- CÉLULAS SOLARES

    Cuando consideramos que la densidad de la potencia recibida del sol a nivel del mar es aproximadamente 100 mW/cm2 (1kW/m2), en verdad es ésta una fuente de energía que requiere más investigación y desarrollo para maximizar la eficiencia de la conversión de energía solar a eléctrica.

    La construcción básica de una celda solar de unión p-n de silicio se presenta en la siguiente figura:

    Como se muestra en la vista superior, se hace todo tipo de esfuerzos para asegurar que el área superficial perpendicular al sol sea máxima. Además, nótese que la capa metálica conectada al material tipo p y el grosor de este mismo so tales que aseguran que un número máximo de fotones de energía luminosa alcancen la unión. Un fotón de energía luminosa en esta región puede chocar con un electrón de valencia e impartir suficiente energía para que abandone el átomo padre. El resultado es una generación de electrones libres y huecos. Este fenómeno ocurrirá a cada lado de la unión.

    En el material tipo p los nuevos electrones generados son portadores minoritarios y se moverán con bastante libertad a través de la unión, como en el caso de la unión p-n básica sin polarización aplicada. Un argumento similar se cumple para los huecos generados en el material tipo n. El resultado es un aumento en el flujo de portadores minoritarios, cuya dirección es opuesta a la de la corriente directa convencional de una unión p-n. Este incremento en la corriente inversa se muestra en la siguiente figura.

    Puesto que V=0 en todas partes sobre el eje vertical y representa una condición de corto circuito, la corriente en esta intersección se denomina corriente de corto circuito y se representa mediante la notación lsc. En condiciones de circuito abierto (id=0) se producirá el voltaje fotovaltico Voc.

    Este es una función logarítmica de la iluminación, Voc es el voltaje terminal de una batería en condiciones sin carga (circuito abierto). También se observa que la corriente de cortocircuito es una función lineal de la iluminación. Esto es, se duplicará para el mismo incremento en la iluminación.

    El selenio y el silicio so los materiales que más se usan en las celdas solares, aunque también se emplean, entre otros, el arseniuro de galio, el arseniuro de indio y el sulfuro de cadmio. La longitud de onda de la luz incidente afectará la respuesta de la unión p-n ante los fotones incidentes.

    En la figura anterior nótese la proximidad de la curva de respuesta de la celda de selenio a la correspondiente al ojo. Este hecho tiene una aplicación ampliamente utilizada en el equipo fotográfico, tal como los medidores de exposición y los diafragmas de exposición automática. El silicio también se traslapa con el espectro visible, pero tiene su máximo en la longitud de onda de 8000A que se encuentra en la región infrarroja. En general, el silicio tiene una eficiencia de conversión más alta y una mayor estabilidad, y está menos sujeto a la fatiga. Ambos materiales tienen excelentes características de temperatura. Es decir, pueden soportar temperaturas muy altas o bajas sin una disminución importante de la eficiencia.

    Una innovación muy reciente en el empleo de las celdas solares aparece en la figura anterior. El arreglo en serie de las celdas solares permite un voltaje que supera al correspondiente a un solo elemento. El funcionamiento de un arreglo común de cuatro celdas aparece en la misma figura. Para una corriente de aproximadamente de 2.6 mA la salida de voltaje es alrededor de 1.6V, lo que produce una potencia de salida de 4.16 mW. El diodo de barrera Schottky se incluye para evitar el consumo de corriente de batería a través del convertidor de potencia. Es decir, la resistencia del diodo Schottky es muy alta como para que circule el flujo de carga ( de + a - ) a través del convertidor de potencia, por lo que éste aparecerá como un circuito abierto para la batería recargable y no extrae corriente de ella.

    8.- TRANSDUCTORES ELECTROLUMINOSOS

    Son aquellos que cambian la energía eléctrica en energía calórica. Los transductores también se conocen como censores; por definición, un transductor permite que la energía de un sistema controle la energía de otro sistema.

    Es conveniente considerar un transductor como un dispositivo que convierte energía de una forma a otra, como por ejemplo, se considera que un micrófono es un transductor, por que convierte la energía del sonido en energía eléctrica.

    Tipos de Transductores:

    Existen dos tipos de transductores: Pasivos y Activos.

    Un transductor pasivo utiliza algún elemento e circuito básico que no genera voltaje. Un fotorresistor es un ejemplo de transductor pasivo, pues su resistencia depende de la cantidad de luz a la cual esté expuesto. Se puede decir que el fotorresistor transforma la energía de la luz en energía eléctrica.

    Un transductor activo genera un voltaje que depende de la cantidad de energía de entrada. La fotocelda es un ejemplo de transductor activo.

    La siguiente figura muestra una versión simplificada de un censor de parada de carrete que se usa en una reproductora de cintas de vídeo. Si el carrete deja de girar por alguna razón, el circuito detiene el funcionamiento de la reproductora y esto, a su vez, impide que se rompa la cinta.

    La operación depende del hecho que siempre se produce un voltaje cuando la bobina corta un campo magnético.

    Consideremos el simple diodo de unión P-N que se muestra en la siguiente figura, cuya parte sombreada representa la región de agotamiento; ésta es una zona no conductora que se forma cuando se fabrica el diodo. La línea punteada sobre el diodo muestra la energía de un electrón cuando pasa del material N, a través de la región de agotamiento, hacia el material P. Obsérvese que después de que el electrón atraviesa la región del agotamiento hay una caída considerable en el nivel de energía, por lo tanto, se desprenderá luz cuando el electrón pase de un nivel alto a un nivel bajo.

    Cuando un electrón atraviesa el diodo disminuye su nivel de energía transformándola en energía luminosa.

     


    Si el diodo está hecho de germanio, la caída de un nivel de energía es relativamente bajo, incluso hasta el diodo de silicio tiene una caída baja en el nivel de energía cuando el electrón atraviesa la región de agotamiento; sin embargo, si el diodo se ha fabricado con arseniuro de galio (GaAs) la caída en el nivel de energía es más alto.

    Con una pequeña ventanilla conectada a la zona de unión, la luz que se desprende es suficientemente alta para ser visible, entonces, lo que se tiene en el diodo simple con la adición de la ventanilla es un diodo emisor de luz (DEL).

    La luz de dicho diodo es de color rojizo. Al unir el arseniuro de galio con productos químicos especiales es posible obtener diferentes colores en la luz de diodo. Tal proceso se efectúa durante la creación del semiconductor.

    El Diodo de Láser:

    En el diodo emisor de luz y en el diodo emisor de luz infrarroja la luz que se emite no es coherente y, por lo tanto, no son formas de láser.

    Consideremos ahora el diodo especial donde la región que atraviesa el electrón es muy pequeña, asimismo, la zona de agotamiento también es muy pequeña. Si se aplica un pulso positivo al diodo para forzar a los electrones a través de la unión, viajarán cruzando la región muy estrecha y caerán por el mismo nivel de energía al mismo tiempo, lo cual producirá luz coherente. este es el método de operación del diodo de láser.

    Una de las características más importantes de cualquier luz de láser es el hecho de que se puede enfocar en una zona pequeñísima; esta característica se emplea en la tecnología de discos de láser, tales como los discos compactos.

    Aplicaciones:

    Como muchos otros componentes y circuitos de la electrónica, estos no son completamente nuevos, sino que lo que los hace importantes en la tecnología moderna es que ahora es posible construirlos en un solo circuito integrado. El costo del circuito integrado es bajo y, por lo tanto, se pueden usar circuitos de amarre de fase por bucle (PLL) en muchas aplicaciones en donde no era posible cuando los circuitos se construían con bulbos.

    En la siguiente figura se muestra un circuito de amarre de fase por bucle básico que está contenido dentro de una sola pastilla de circuito integrado; aunque no se muestren en la ilustración, existen terminales que permiten el acceso a algunas de las conexiones internas.

    En esta figura hay una frecuencia de entrada marcada f1. Esta señal se genera fuera del circuito integrado y se entrega al bloque número 1, que se denomina "comparador de fase".

    En realidad hay dos entradas al comparador de fase, la segunda proviene de un oscilador interno controlado por voltaje, identificado como f (oscilador). El comparador de fase produce un voltaje de salida proporcional a la diferencia entre las dos frecuencias de entrada.

    Partes básicas de un circuito de amarre de fase por bucle

     


    Cuando las dos frecuencias son idénticas, la salida del comparador de fase es cero voltios. La señal del comparador de fase se hace pasar a través de un filtro de pasa bajos, este elimina cualquier residuo de f1 y f (oscilador).

    El voltaje del comparador de fase y el filtro de pasa bajos se entrega a un amplificador. La salida del amplificador se entrega al OCV-oscilador controlado por voltaje (bloque 4), si la frecuencia son idénticas, entonces pasa una tensión de cero voltios alrededor del bucle y regresa al OCV, esto significa que no se necesita corrección en la frecuencia OCV, por lo tanto, la frecuencia del oscilador controlado por voltaje es idéntica a la frecuencia de entrada (f1).

    Si existe una pequeña diferencia entre las dos frecuencias, habrá un voltaje de CD en la salida del bloque 1. Entonces, el bucle retroalimentará un voltaje de CD para corregir el OCV hasta que la frecuencia y la fase sean idénticas a las de la señal de entrada.

    Mediante el empleo de combinaciones de dividir por medio de circuitos es posible usar una sola frecuencia (f1) y circuitos de "dividir entre" para obtener una amplia gama de frecuencias. Este procedimiento para lograr una frecuencia de salida f de una sola frecuencia f1 de entrada recibe el nombre de síntesis de frecuencias.

    Esto se emplea para producir frecuencias del oscilador local en la sección del sintonizador de una videocasetera y también para la sección del sintonizador de los receptores de televisión.

    Diodo p-i-n :

    Los diodos optoelectrónicos se pueden dividir en dos clases: los que emiten luz y los que se activan o se conectan mediante la luz; estos últimos se conocen como diodos activados por la luz, o DAL.

    un diodo en particular, de los activados por la luz, encuentra un uso amplisimo en el campo de las vídeo caseteras y los controles remotos para televisores. Se llama diodo p-i-n y se ilustra a continuación.

    Está figura muestra que el diodo se fabrica uniendo capas de materiales de los tipos P y N mediante un material representado por I; la letra I significa intrínseco. En la tecnología de los semiconductores, un material semiconductor intrínseco. En la tecnología de los semiconductores, un material semiconductor intrínseco es puro, es decir, no tiene impurezas y posee una estructura perfecta de rejilla.

    Un material intrínseco, por ejemplo el silicio, es un semiconductor. Este material no conduce bien la electricidad, pero tampoco es un buen aislante y, por lo tanto, sin la introducción de una luz infrarroja por la ventanilla, el diodo estará en la condición de corte aunque esté polarizado directamente como se muestra en la figura anterior.

    cuando entra luz infrarroja por la ventanilla hacia la zona intrínseca, los fotones de la luz chocan contra los átomos del material intrínseco y producen electrones libres. Estos electrones libres convierten el material intrínseco en un conductor razonablemente bueno y, por lo tanto, el diodo conduce.

    Los diodos p-i-n se emplean como receptores de la luz infrarroja procedente de los controles manuales; esta luz adopta la forma de código binario. Dentro del receptor de la televisión o videocasetera hay un circuito que descifra la señal infrarroja y después realiza la función especifica ara el código.

    9.- DIODOS LUMINISCENTES ( LED )

    El principio de los LED consiste en la emisión de una radiación luminosa por un elemento en estado sólido cuando se le somete a una determinada polarización eléctrica, excluyendo los efectos comunes de emisión de luz como consecuencia de la aplicación de una temperatura levada ( filamentos de las bombillas de iluminación doméstica).

    Una forma de emisión de radiación luminosa por un sólido se produce en la pantalla de un tubo de rayos catódicos, cuando los fósforos que la recubren son sometidos a un bombardeo electrónico producido por la incidencia del haz catódico.

    Sin embargo, el efecto que se va a analizar es la electroluminiscencia de una unión P-N similar en la mayor parte de sus propiedades a la de un diodo convencional.

    Este fenómeno fue detectado en el año 1.923 por Lossew . Más recientemente, en el año 1.962, algunos estudios y experiencias realizadas con el material denominado Arseniuro de Galio (Ga As) demostraron que era posible obtener unos elevados niveles de emisión luminosa partiendo de uniones P-N.

    Recomendación :

    El efecto físico de la emisión de luz se genera en el interior de la unión P-N en el instante en que se produce una recombinación de un hueco con un electrón, este efecto puede estar o no acompañado de una radiación electromagnética, fruto de la energía liberada durante dicho fenómeno. En el caso de los semiconductores comunes no existe esta radiación y la energía se transforma en calor.

    Los diodos luminiscentes aprovechan este fenómeno y generan radiaciones, comprendidas generalmente dentro del espectro visible, o fuera del mismo como es el caso de los infrarrojos. La frecuencia de la radiación depende de los materiales utilizados en la unión P-N, con lo que pueden obtenerse diferentes colores, variando la composición de los mismos.

    La eficiencia de radiación luminosa depende fundamentalmente de la corriente que atraviesa el LED, así como el área, la geometría de la unión semiconductora y el tamaño del contacto eléctrico.

    Aplicaciones :

    Una gran aplicación de los Led reside en la construcción de pequeñas lámparas, encapusando el semiconductor en un recinto de plástico con una superficie transparente, situada en la región inmediatamente superior a la unión P-N.

    Características :

    Los parámetros que caracterizan el funcionamiento de un LED y que sirven de base para la elección del modelo más adecuado para la aplicación concreta a la que se le va a destinar, son las siguientes:

          Eficiencia.

          Color.

          Directividad.

          Tensión Directa.

          Corriente Inversa.

          Disipación de Potencia.

    La Eficiencia es la relación entre la intensidad luminosa emitida, medida en unas unidades llamadas milicadenas (mcd) y la corriente eléctrica en mA que produce dicha radiación.

    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, verde y amarillo-anaranjado. En el caso de Led infrarrojos, la radiación no será visible, y por lo tanto, este factor no existirá.

    La Directiva 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 la existencia o no de una lente amplificadora incluida 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 sirve de mucha utilidad para la elección de un modelo determinado.

    La Tensión Directa (Vf) es la diferencia de potencial que se produce en los dos terminales del LED cuando le atraviesa la corriente de excitación. Está comprendido entre 1,5 y 2,2 V 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 10 microamperios.

    La Disipación 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 LED se necesita una resistencia en serie con el mismo, con la misión de limitar la corriente que circula por él, absorbiendo la diferencia de potencial entre la fuente de alimentación y la tensión directa (Vf). El valor de esta resistencia se calcula mediante la fórmula siguiente:

    R = VA - VF / IF

    en la que VA es el valor en voltios de la tensión de la fuente, VF es la tensión directa ya conocida e IF es la corriente directa que debe de circular por el LED para alcanzar la intensidad luminosa esperada.

    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.

    El LED Como Elemento Básico:

    Los displays, a base de LED, se fabrican en una gama muy amplia de formas y tamaños. Una de las más extendidas de representación es la de siete segmentos formada por un conjunto de trazos rectos, que contienen un LED cada uno, con una estructura geométrica similar a un 8. Los segmentos se designan con las letras a, b, c, d, e, f y g. Esta forma de displays permite representar todos los números pero presenta muchas limitaciones a la hora de reproducir caracteres alfabéticos, siendo de fácil utilización desde el punto de vista electrónico, existiendo incluso circuitos integrados que transforman una señal decimal a la necesaria para el encendido de los segmentos. Una extensión de este modelo es el de nueve segmentos que presenta mayor capacidad de representación alfabética, llegando al modelo de 16 segmentos que permite realizar la totalidad de los caracteres alfanuméricos, aunque no ha sido muy aceptada en la práctica.

    Otros displays están realizados a base de puntos, conteniendo un LED, que aumentan las posibilidades de representación a costa de una mayor complejidad electrónica para realizar su excitación.

    10.- FIBRAS óPTICAS

    La fibra óptica, al igual que el hilo de cobre o tubo coaxial en los cables convencionales, es la unidad básica de este nuevo tipo de cable para comunicaciones.

    Un sistema de información por fibras ópticas se compone básicamente de un transmisor que incorpora una fuente luminosa (generalmente un diodo LED o láser), de un cable de fibras ópticas y de un receptor que, a su vez, incorpora un fotodetector (por ejemplo un fotodiodo). La señal procedente de la fuente luminosa se transmite por la fibra óptica hasta un punto distante, en donde se convierte en una señal eléctrica y ésta sufre un proceso normal de amplificación y regeneración. Es posible que la señal eléctrica regenerada se adapte directamente al equipo terminal convencional o que module de nuevo a una fuente luminosa que reenvía la señal a la siguiente sección repetidora. En el segundo caso se realizaría una transmisión punto a punto.

    Los componentes esenciales de un sistema de transmisión óptico son, por tanto, la fuente de luz, la fibra óptica y el fotodetector.

    La modulación de estos sistema se basa en las características de los componentes que utilizan, fundamentalmente de la fuente luminosa.

    Características Técnicas :

    Una fibra óptica físicamente es una guía dieléctrica formada por dos cilindros coaxiales de vidrio. El cilindro interno (núcleo) está constituido por un material que tiene un índice de refracción del orden del 1% al 3% mayor que el que constituye el cilindro exterior (envoltura). Debido a esta estructura, se produce el fenómeno de reflexión total en la pared interna del núcleo y, en consecuencia, la energía luminosa se mantiene confinada en el núcleo y se propaga a lo largo de él.

    Los parámetros más importantes de la fibra óptica son:

    a.- Apertura Numérica (AN) que es igual al seno del semiángulo máximo del cono en el cual están contenidas todas las direcciones de los rayos que inciden en la sección transversal de la fibra y producen reflexión total en el dioptrio núcleo.

    Diagrama de Rayos de una fibra óptica, N1 y N2 son los índices de refracción del núcleo y envoltura respectivamente

    b.- La Atenuación (A) es igual a la relación de las potencias luminosas saliente y acoplada a la fibra expresada en decibelios y referida a la unidad de longitud.

    c.- La Dispersión es el parámetro que esta relacionado con la respuesta temporal de la fibra y se expresa, generalmente, en nanosegundos/kilómetros. Su valor indica la proporción en que un impulso de entrada muy estrecho se ensancha a medida que atraviesa un kilómetro de fibra. La anchura del impulso se mide, generalmente, a la mitad de la amplitud.

    d.- El Diámetro del núcleo y de la envoltura.

    e.- El perfil del índice de refracción a lo largo del radio del núcleo. Según la forma de este perfil se distinguen dos tipos de fibras: de salto de índice, que tienen un índice de refracción constante y del índice gradual en las que las vibraciones radial del índice de refracción es casi parabólica. Como consecuencia de este perfil gradual se produce una disminución sustancial del valor de la dispersión.

    Los materiales que constituyen las fibras ópticas son principalmente vidrios cuyos contenidos en sílice varia de unos casos a otros. Las fibras de salto de índice están formadas bien por dos vidrios compuestos diferentes que forman el núcleo y la envoltura o por una envoltura de sílice puro (n2 = 1.458) y un núcleo de sílice dopado que tiene un índice de refracción mayor. Las fibras de índice gradual están formadas generalmente por una envoltura de sílice puro y un núcleo de sílice dopado ( SiO2 + GeO2 ) de tal manera que la cantidad de dopante aumenta radialmente desde la envoltura al centro del núcleo con el fin de aumentar gradualmente el índice de refracción.

    Cable Experimental de Fibra óptica

     


    Cables y Uniones con Fibra óptica :

    Se han propuesto varios métodos para formar un cable de fibras ópticas, cada uno convenientemente protegida con una capa de plástico, para ser usado en instalaciones aéreas o subterráneas.

    La anterior figura ilustra una posible solución, la cual incluye miembros de refuerzo de acero o de plástico especial. ITT ha producido un cable experimental (como el anterior) que puede soportar 200 Kg. de esfuerzo de tensión e incluye seis fibras ópticas de menos de 10 dB/km de pérdidas.

    Se está dedicando un esfuerzo considerable a las técnicas de unión. Varios tipos de unión están en uso, pero hace falta una unión permanente que se puede efectuar en el terreno mismo.

    Ventajas y Aplicaciones de las Fibras ópticas :

    La principal ventaja de la fibra óptica sobre cables metálicos son:

        Gran ancho de banda con bajas pérdidas.

        Bajo costo del material.

        Pequeño tamaño y poco peso.

        Inmunidad a interferencias electromagnéticas.

        Aislamiento eléctrico.

        Dificultad de intersección o detección.

    Entre las principales aplicaciones de las fibras ópticas se encuentran las telecomunicaciones, aviación, náutica, grandes plantes eléctricas e industriales, etc.


     
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