Informe EAI Práctica 6

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, SEDE BOGOTÁ

30 de Abril del 2014

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Práctica 6 – Primera entrega proyecto final de Electrónica Análoga I Johan Sebastián Pérez Velandia Cód. 286047 e-mail: [email protected] Johnnatan Nicolás Ruiz Sánchez Cód. 25451428 e-mail: [email protected]

Abstract - In this practice, we found the characteristic curve of the reference photodiode BPW21, reacting with light and depending on the sensitivity in what part of the spectrum of light work best. This was done with the intention of knowing the distances that these diodes work better when the light hits them, for this case we analyze the current passing through the LED and the tension that had the resistance was in series with the photodiode . Keywords – Fotodiodo, LED.sensibilidad. Palabras Clave – Photodiode, LED, sensibility.

I. INTRODUCCIÓN En esta práctica se encontró la curva característica del fotodiodo de referencia BPW21, al reaccionar con la luz y dependiendo de su sensibilidad en que parte del espectro de la luz funcionan mejor. Esto se hizo con la intensión de conocer las distancias a las que mejor funcionan estos diodos cuando les incide la luz, para este caso analizamos la corriente que pasaba por el LED y la tensión que tenía la resistencia que estaba en serie con el fotodiodo. En los últimos años la tecnología de emisión de luz dado tanto en la atención al desarrollo como en las nuevas aplicaciones. Hoy en día los diodos emisores de luz (LED) están incluidos en gran cantidad de aplicaciones. Este tipo de luz posee una gran variedad de ventajas, tales como un consumo de potencia más reducido y eficiente, aumento en la duración, disminución del tamaño del emisor de luz y un mayor grado de libertad en las posibilidades de iluminación. Adicionalmente, la luz basada en LED requiere un menor mantenimiento durante su vida útil y su costo sigue decreciendo rápidamente. Debido a todas estas características los LED se han vuelto atractivos, no solo para iluminación sino también decoración e iluminación.

Figura 1 – Símbolo circuital del fotodiodo.

El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón - hueco debido a la energía luminosa. Este hecho es lo que le diferencia del diodo rectificador de silicio en el que, solamente existe generación térmica de portadores de carga. La generación luminosa, tiene una mayor incidencia en los portadores minoritarios, que son los responsables de que el diodo conduzca ligeramente en inversa. El comportamiento del fotodiodo en inversa se ve claramente influenciado por la incidencia de luz. Conviene recordar que el diodo real presenta unas pequeñas corrientes de fugas de valor IS. Las corrientes de fugas 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 minoritarios, lo que se traduce en un aumento de la corriente de fuga en inversa tal y como se ve en la figura. Por supuesto, el material de los fotodiodos responderá a unas longitudes de onda determinadas. Es decir, la variación de sensibilidad 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.

II. MARCO TEÓRICO A. Conocimientos Previos a la Práctica 1) Fotodiodos Los fotodiodos son diodos de unión PN cuyas características eléctricas dependen de la cantidad de luz que incide sobre la union. [1]

Figura 2 – Variación de sensibilidad en función a la longitud de onda de la radiación incidente.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, SEDE BOGOTÁ 2) Diodos emisores de luz (LED) Un diodo emisor de luz es un dispositivo de unión PN que cuando se polariza directamente emite luz. Al aplicarse una tensión directa a la unión, se inyectan huecos en la capa P y electrones en la capa N. Como resultado de ello, ambas capas tienen una mayor concentración de portadores (electrones y huecos) que la existente en equilibrio. Debido a esto, se produce una recombinación de portadores, liberándose en dicha recombinación la energía que les ha sido comunicada mediante la aplicación de la tensión directa. Se pueden distinguir dos tipos de recombinación en función del tipo de energía que es liberada: 

Recombinación no radiante: la mayoría de la energía de recombinación se libera al cristal como energía térmica.



Recombinación radiante: la mayoría de la energía de recombinación se libera en forma de radiación.


Una vez realizado el circuito mediremos la tensión generada en la resistencia del fotodiodo para distintos valores de polarización inversa. Con este fin podemos insertar un amperímetro como se muestra en el esquema del circuito o bien medir la correspondiente caída de tensión en la resistencia del LED. Hay que tener en cuenta que la máxima tensión inversa del BPW21 es 10 V, por lo que dejaremos la tensión fija en 4 V. Además, incluimos una resistencia de 20k ohms en serie con el fotodiodo para que pase una corriente muy minima sobre este. Se realizaron 4 diferentes pruebas, para el LED verde, para el LED blanco de mayor tamaño, para el LED azul y para el LED blanco de tamaño normal respectivamente. Para cada una de estas diferentes pruebas ubicamos el diodo LED a 90 grados del fotodiodo, es decir, ubicamos los dos diodos frente a frente, ya que la luz que ese es el mejor angulo de incidencia para el que funciona el fotodiodo. Para la primera parte analizamos la corriente por el LED y la tensión en la resistencia del fotodiodo. Las comparamos para examinar la curva característica del fotodiodo, cuando se le incide una luz verde, proveniente del LED de chorro a 6,5 cm; 4 cm; 2,5 cm; 2 cm; 1 cm y 0 cm de distancia al fotodiodo.

B. Materiales Necesarios Para Llevar a Cabo la Práctica     

Dos Multímetros Fluke. 1 Fuente Dual DC. Resistencias de ¼[w] (según cálculos). Diodos emisor de luz (LED de chorro). Fotodiodo BPW21 (Diodo detector de luz).

C. Metodología 1) Análisis de los circuitos El fotodiodo se encuentra polarizado en inversa y suministra una corriente proporcional a la luz que incide sobre el mismo. Por su parte, el LED está polarizado en directa y la intensidad de corriente que pasa por él viene determinada por la resistencia. El primer paso es pues calcular el valor de esta resistencia para obtener un valor de corriente adecuado, por ejemplo 50 mA (la máxima corriente por el LED en modo estático es de 100 mA, por lo que es prudente no acercarse demasiado a ese valor). Con objeto de realizar este cálculo es necesario saber la caída de tensión en el LED para ese valor de la corriente, dato que puede obtenerse de las hojas de características. Mirando la gráfica de corriente (If) frente a tensión (Vf) en estas hojas encontramos que VLED = 1,5V, si usamos un LED rojo, la menor diferencia de voltaje y teniendo en cuenta que la fuente no pase de 6 voltios, para que la resistencia tenga el voltaje más alto, por lo tanto la resistencia tendría que ser de 90 ohms, usaremos una de 100 para que de mayor corriente y se prenda el diodo con facilidad. Hay que procurar que ambos diodos permanezcan alineados entre sí de forma que la señal producida por el detector sea máxima y las medidas sean comparables unas con otras.

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Obtuvimos los siguientes datos:

Distancia: 6,5 cm Voltaje Corriente Voltaje Fuente LED Resistencia [V] [mA] [V] 2,4 0,025 0,011 2,6 0,070 0,028 2,8 0,371 0,032 3,0 1,150 0,033 3,2 1,899 0,049 3,4 2,161 0,058 3,6 3,390 0,069 3,8 4,490 0,099 4,0 6,900 0,101 4,2 8,300 0,117 4,4 10,810 0,125 4,6 12,250 0,140 4,8 13,530 0,148 5,0 15,340 0,167 5,2 16,410 0,192 5,4 18,060 0,195 5,6 19,430 0,240 5,8 21,400 0,253 6,0 22,860 0,263

Tabla I – LED a 6,5 cm de distancia del fotodiodo.



Distancia: 4,0 cm

Distancia: 2,5 cm

Voltaje Fuente [V]

Corriente LED [mA]

Voltaje Resistencia [V]

Voltaje Fuente [V]

Corriente LED [mA]


2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0 5,2 5,4 5,6 5,8 6,0

0,037 0,144 0,594 1,344 2,243 3,970 5,100 6,850 8,150 9,920 11,350 12,830 14,380 16,120 18,020 19,690 21,060 22,500 24,500

0,011 0,014 0,027 0,046 0,067 0,103 0,129 0,140 0,170 0,195 0,214 0,232 0,249 0,265 0,288 0,304 0,316 0,327 0,342

2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0 5,2 5,4 5,6 5,8 6,0

0,033 0,131 0,676 1,140 2,310 3,530 5,210 5,990 8,370 9,380 10,880 12,870 14,140 16,360 17,760 19,530 21,020 22,880 24,040

0,010 0,017 0,044 0,106 0,184 0,232 0,367 0,390 0,500 0,544 0,602 0,668 0,718 0,786 0,830 0,880 0,922 0,974 1,003

Tabla II – LED a 4 cm de distancia del fotodiodo.

Tabla IV – LED a 2,5 cm de distancia del fotodiodo.

Distancia: 1,0 cm

Distancia: 2,0 cm Votaje Fuente [V]

Corriente LED [mA]


Voltaje Fuente [V]

Corriente LED [mA]

Voltaje resistencia [V]

2,4 2,8 3,2 3,6 4 4,4 4,8 5,2 5,6 6

0,03 0,72 2,72 5,32 8,35 10,95 14,43 17,76 21,53 24,49

0,023 0,116 0,342 0,572 0,795 0,961 1,156 1,318 1,48 1,594

2,4 2,8 3,2 3,6 4 4,4 4,8 5,2 5,6 6

0,04 0,58 2,73 5,22 6,93 9,95 14,97 17,97 21,31 24,55

0,024 0,167 0,755 1,344 1,715 2,23 2,97 3,36 3,75 4,11

Tabla III – LED a 2 cm de distancia del fotodiodo.

Tabla V – LED a 1 cm de distancia del fotodiodo.

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Obtuvimos los siguientes datos:

Distancia: 0,0 cm

Distancia: 0,0 cm

Voltaje Fuente [V]

Corriente LED [mA]


Voltaje Fuente [V]

Corriente LED [mA]


2,4 2,8 3,2 3,6 4 4,4 4,8 5,2 5,6 6

0,008 0,287 1,233 3,7 6,37 9,03 12,29 15,62 18,34 21,66

0,021 0,164 0,562 1,313 1,943 2,476 3,041 3,567 3,93 4,37

2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0

0,01 1,11 3,66 6,66 9,7 12,79 15,6 18,54 23,06 26,63

0,024 0,185 0,534 0,896 1,21 1,541 1,823 2,072 2,369 2,601

Tabla V – LED a 0 cm de distancia del fotodiodo.

Tabla VI – LED a 0 cm de distancia del fotodiodo.

Al analizar estos datos y comparar cada una de las distancias en una gráfica, encontramos:

Para la segunda parte analizamos la corriente por el LED y la tensión en la resistencia del fotodiodo. Las comparamos para examinar la curva característica del fotodiodo, cuando se le incide una luz blanca, proveniente del LED de chorro, cuyo volumen es mayor a todos los demás, con distancias de 4 cm; 2 cm; 1 cm y 0 cm de distancia al fotodiodo.

Distancia: 1,0 cm Voltaje Fuente [V]

Corriente LED [mA]


2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0

0,01 0,03 2,43 4,92 8,54 11,9 14,52 18,09 21,88 24,7

0,034 0,109 0,191 0,33 0,707 0,993 1,195 1,375 1,552 1,77

Tabla VII – LED a 1 cm de distancia del fotodiodo.

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5



Corriente LED [mA]


2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0

0,02 0,77 3,77 6,5 9,52 13,44 16,55 19,69 22,91 26,31

0,011 0,054 0,209 0,334 0,459 0,623 0,765 0,927 1,1 1,276

Tabla VIII – LED a 2 cm de distancia del fotodiodo.

Para la tercera parte analizamos la corriente por el LED y la tensión en la resistencia del fotodiodo. Las comparamos para examinar la curva característica del fotodiodo, cuando se le incide una luz azul, proveniente del LED de chorro cuyas distancias son de 4 cm; 2 cm; 1 cm y 0 cm de distancia al fotodiodo.

Distancia: 4,0 cm

Distancia: 0,0 cm

Voltaje Fuente [V]

Corriente LED [mA]


2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0

0,02 1,22 3,77 6,64 9,58 13,36 16,64 18,35 22,42 25,7

0,021 0,07 0,157 0,263 0,363 0,445 0,533 0,6 0,693 0,767

Tabla IX – LED a 4 cm de distancia del fotodiodo.

Voltaje Fuente [V]

Corriente LED [mA]


2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0

0,04 1,43 3,85 6,63 9,84 12,51 15,53 18,30 21,07 23,43

0,012 0,390 1,049 1,705 2,376 2,900 3,409 3,866 4,303 4,472

Tabla X – LED a 0 cm de distancia del fotodiodo.



Distancia: 1,0 cm

6

Distancia: 4,0 cm

Voltaje Fuente [V]

Corriente LED [mA]


Voltaje Fuente [V]

Corriente LED [mA]


2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0

0,06 1,59 3,84 6,83 10,22 12,86 16,43 18,89 21,72 24,89

0,009 0,046 0,098 0,15 0,211 0,25 0,302 0,334 0,368 0,403

2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0

0,10 1,28 4,07 6,46 9,76 12,74 15,83 19,21 22,10 24,44

0,016 0,020 0,025 0,030 0,034 0,039 0,043 0,048 0,051 0,055

Tabla XI – LED a 1 cm de distancia del fotodiodo.

Tabla XIII – LED a 4 cm de distancia del fotodiodo.



Corriente LED [mA]


2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0

0,004 1,87 4,46 6,83 10,21 13,58 16,92 19,64 22,87 25,68

0,013 0,027 0,045 0,061 0,079 0,096 0,111 0,122 0,136 0,146

Tabla XII – LED a 2 cm de distancia del fotodiodo.

Para la cuarta parte analizamos la corriente por el LED y la tensión en la resistencia del fotodiodo. Las comparamos para examinar la curva característica del fotodiodo, cuando se le incide una luz blanca, proveniente del LED de chorro con volumen normal, cuyas distancias son de 4 cm; 2 cm; 1 cm y 0 cm de distancia al fotodiodo.



Distancia: 0,0 cm

Distancia: 2,0 cm

Voltaje Fuente [V]

Corriente LED [mA]


Voltaje Fuente [V]

Corriente LED [mA]


2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0

0,07 1,69 4,34 7,25 10,33 13,81 16,63 19,40 22,50 25,60

0,017 0,972 2,729 4,289 4,499 4,519 4,527 4,530 4,541 4,545

2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0

0,03 1,62 4,91 7,4 10,7 13,83 17,75 19,96 23,17 25,71

0,011 0,265 0,888 1,317 1,869 2,355 2,896 3,237 3,672 4,007

Tabla XIV – LED a 0 cm de distancia del fotodiodo.

Tabla XVI – LED a 2 cm de distancia del fotodiodo.

Distancia: 1,0 cm

Distancia: 4,0 cm

Voltaje Fuente [V]

Corriente LED [mA]


Voltaje Fuente [V]

Corriente LED [mA]


2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0

0,06 1,87 4,76 7,91 11,1 13,9 17,75 20,2 24,01 26,15

0,010 0,855 2,277 3,745 4,471 4,493 4,512 4,519 4,527 4,532

2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0

0,04 1,36 4,88 7,53 10,91 13,91 16,86 20,37 23,47 26,11

0,010 0,099 0,380 0,575 0,818 1,018 1,207 1,384 1,605 1,768

Tabla XV – LED a 1 cm de distancia del fotodiodo.

Tabla XVII – LED a 4 cm de distancia del fotodiodo.

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 Verificando los datos a una distancia de 2 cm, nos damos cuenta que aunque no es una distancia muy lejana la mayoría de los diodos LED reaccionan bien a esta distancia, siempre y cuando tengan una longitud de onda cercana a la de 550, en el caso del LED azul, es casi nulo el cambio de tensión en la resistencia a esta distancia.

IV. PREGUNTAS SUGERIDAS  ¿Dados los datos de observación, considera usted que la respuesta distancia emisor-receptor es propicia para la transmisión de datos por VLC?  Si siempre y cuando se empleen varios diodos emisores de luz, ya que a mayor distancia, es menor la intensidad que llega al fotodiodo, si se genera un gran campo de luz, es posible que se pueda tener una mayor distancia propicia para la transmisión de datos.

III.

ANÁLISIS DE RESULTADOS  Observamos en cada una de las gráficas que la tensión en la resistencia del fotodiodo va a ser proporcional a la intensidad de la luz, además, observamos que para longitudes de onda cercanas a las del color verde, obtendremos una mayor tensión en la resistencia cuando incide mayor cantidad de luz, a distancias cercanas.  Cuando analizamos la gráfica para el LED de color azul, encontramos que la única distancia viable para la transmisión de datos para este, es una distancia muy cercana a 0 cm, para las demás distancias disminuye mucho el valor de la tensión en la resistencia.  Cuando analizamos la gráfica para el LED de color blanco de volumen mayor vs. la gráfica para el LED blanco de volumen normal, el de mayor volumen tiene una mayor disipación de calor y tiene menos intensidad luminosa, por lo que transmite más intensidad un LED de chorro de tamaño normal.  Observamos que para la gráfica del LED de color blanco de tamaño normal, después de que se le aplica una corriente de 10 mA y si se encuentra en una distancia de menos de 1 cm se mantiene constante la tensión en la resistencia del fotodiodo.  Por otra parte, los LED probados generan una diferencia de tensión diferente entre ellos, por lo que algunos tendrían una mayor intensidad, ya que la corriente que circula sobre ellos es diferente porque la resistencia recibe una tensión diferente y esta es la que genera la corriente.

 ¿Qué consideraciones extras se deberían tener en cuenta para el próximo laboratorio correspondiente al proyecto final, en lo que al protocolo de transmisión respecta?  La consideración más importante para el próximo laboratorio correspondiente al proyecto, es la de generar una luz incidente con mayor campo y tener una distancia de más de 1 cm.  Otra consideración importante es conseguir una caja u otro artefacto que permita disipar la luz del ambiente. 

¿De qué forma transmitiría usted los datos a través de la luz emitida por el LED en próximas prácticas?  Se generará una señal en forma de onda por modulación de amplitud de pulsos. De esta forma obtendríamos una señal y la modificaríamos para poder obtener los datos enviados a través del LED.

V. CONCLUSIONES  Comparando todas las gráficas, para los diferentes colores, encontramos que las más eficientes longitudes de onda se encuentran alrededor de los 500 y 600 nm. Por lo que el color verde es el más eficiente. Sin embargo, puesto que el LED blanco genera todas las longitudes de onda visibles, en este encontramos la mayor eficiencia del fotodiodo.  Dilucidando un factor que afecta bastante en la comunicación VLC, es el ambiente, ya que la luz natural genera una especie de “ruido” que también afecta el funcionamiento de la comunicación.  Concluyendo, la tecnología VLC, funciona muy bien para transmitir datos, siempre y cuando se use a distancias muy cercanas y se use una longitud de onda respectiva para el dispositivo que este en uso, o en efecto la luz blanca, cuyo haz posee todas las longitudes de ondas visibles.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, SEDE BOGOTÁ VI. REFERENCIAS [1] Optoelectrónica. Escuela Politécnica Superior de Albacete. España. Consultado el 19/04/2014 en: http://www.info ab.uclm.es/labelec/solar/Componentes/OPTOELECTRONICA.html Figura 1 y 2 – [1] Tabla I a Tabla VIII – Tablas con datos tomados en la práctica.


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Informe EAI Práctica 6

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