santiago montoya juan carlos maya practica 2 laboratiorio electronica analoga 1
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Laboratorio de Electrónica Análoga I
Práctica No. 2
Aplicaciones de Diodos en Circuitos Ópticos
Presentado por:
Santiago José Montoya Mejía
Juan Carlos Maya
Profesor:
Gustavo Patiño
Departamento de Ingeniería Electrónica
Universidad de Antioquia
2015-1
INTRODUCCION
El uso de diodos LED es ampliamente conocido, puesto que estos se utilizan en la mayoría de
dispositivos electrónicos en algunos dispositivos electrónicos algunos ejemplos de esto son:
celulares, sistemas de control, controles remotos, pantallas LED, avisos luminosos entre muchos
otros.
Estos parten de ser diodos teniendo un ánodo y un cátodo que con el paso de la corriente a través
de ellos desde su polo positivo a su polo negativo producen un potencial lumínico medido en
lumias, estos dispositivos vienen en gran cantidad y diversidad, variando colores, tamaños y
principalmente precios.
La implementación de diodos LED con otros sistemas electrónicos tales como, fototransistores,
fotorresistencias, amplificadores operacionales entre otros pueden general una infinidad de
funciones utilies para gran cantidad de aspectos tanto industriales como cotidianos.
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCION......................................................................................................................................2
OBJETIVOS...............................................................................................................................................4
Objetivo general......................................................................................................................................4
Objetivos específicos..............................................................................................................................4
MARCO TEORICO....................................................................................................................................5
DESARROLLO Y MONTAJE...................................................................................................................9
Implementos utilizados...........................................................................................................................9
Montaje Experimental.............................................................................................................................9
ANALISIS................................................................................................................................................14
CONCLUSIONES....................................................................................................................................16
BIBLIOGRAFIA......................................................................................................................................17
ANEXOS..................................................................................................................................................18
Anexo 1. Datasheet Display 7 Segmentos familia TOS5121.................................................................18
Anexo 2. Datasheet contador 0-9 CD4017BC.......................................................................................18
Anexo 3. Datasheet contador binario DM74LS90.................................................................................25
Anexo 4. Datasheet decodificador BCD a 7 segmentos DM74LS47.....................................................32
Anexo 5. Datasheet amplificador operacional LM324..........................................................................37
Anexo 6. Datasheet temporizador de precisión NE555.........................................................................44
Anexo 6. Datasheet diodo LED 5mm Rojo...........................................................................................51
OBJETIVOS
Objetivo general
Implementar en una protoboard los circuitos impresos destinados para la elaboración de la
práctica, con el fin de analizar su funcionamiento y las distancias en las cuales el circuito
funciona adecuadamente en base al LED utilizado y la corriente que por este fluye.
Objetivos específicos
1. Realizar el pre informe predispuesto para la práctica.
2. Implementar en una protoboard un circuito con la utilización de un Display 7 segmentos,
un LED, y un fototransistor.
3. Tomar datos relacionados con las distancias de funcionamiento del sistema, y los valores
de las resistencias utilizados.
MARCO TEORICO
Los diodos LED se usan como indicadores en muchos dispositivos y en iluminación. Los
primeros LED’s emitían luz roja de baja intensidad, pero los dispositivos actuales emiten luz de
alto brillo en el espectro infrarrojo, visible y ultravioleta.
Debido a su capacidad de operación a altas frecuencias, son también útiles en tecnologías
avanzadas de comunicaciones y control. Los LED’s infrarrojos también se usan en unidades de
control remoto de muchos productos comerciales incluyendo equipos de audio y video (Shubert,
2003).
Existen tres formas principales de conocer la polaridad de un LED:
• La pata más larga siempre va a ser el ánodo.
• En el lado del cátodo, la base del LED tiene un borde plano.
• Dentro del diodo LED, la plaqueta indica el ánodo. Se puede reconocer porque es más
pequeña que el yunque, que indica el cátodo.
Los LED infrarrojos son un tipo específico de diodo emisor de luz (LED por sus siglas en inglés)
que produce luz en el espectro infrarrojo. La luz en este rango no es visible para el ojo humano,
pero puede ser detectada por una variedad de dispositivos electrónicos, haciendo al LED ideal
para objetos como controles remotos, donde el LED no necesita ser visto para funcionar.
Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la incidencia de la
luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo
que se producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz. Debido a su
construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, iluminados en
ausencia una fuente exterior de energía generan una corriente muy pequeña con el positivo en el
ánodo y el negativo en el cátodo (Unicrom, s.f.).
Sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz incide sobre la región de base, generando
portadores en ella. Esta carga de base lleva el transistor al estado de conducción. El fototransistor
es más sensible que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor.
Un fototransistor es igual a un transistor común, con la diferencia que el primero puede trabajar
de 2 formas:
1. Como transistor normal con la corriente de base Ib (modo común).
2. Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de
corriente de base. Ip (modo de iluminación).
Puede utilizarse de las dos en formas simultáneamente, aunque el fototransistor se utiliza
principalmente con el pin de la base sin conectar.
En el mercado se encuentran fototransistores tanto con conexión de base como sin ella y tanto en
cápsulas plásticas como metálicas (TO-72, TO-5) provistas de una lente.
Composicióndel chip
Nombre del compuesto
Color de la luz emitida
Tensión de
trabajo en volt
(V)
Frecuencia en hertz
(Hz)
Longitud de onda en nm
GaAs Arseniuro de galio< 1,9 < 4,0 x 1014 > 760
GaAlAsArseniuro de galio
y aluminioGaP Fosfuro de galio
± 1,84,8 - 4,0x 1014 610 - 760
GaAlAsArseniuro de galio
y aluminio
AlInGaPFosfuro de
aluminio indio y galio
GaAsP/GaPFosfuro de galio y
arsénico / Fosfuro de galio
AlInGaPFosfuro de
aluminio indio y galio
± 2,0
5,1 - 4,8x 1014 590 - 610
GaAsP/GaPFosfuro de galio y
arsénico / Fosfuro de galio
AlInGaPFosfuro de
aluminio indio y galio
5,3 - 5,1x 1014
570 - 590
GaP Fosfuro de galio
± 3,0 500 - 570InGaN
Nitruro de indio y galio
5,8 - 5,3x 1014GaN Nitruro de galio
InGaN / Zafiro
Nitruro de indio y galio / Zafiro
SiC Carburo de silicio
± 3,36,7 - 6,0x 1014
450 - 500
InGaN / Zafiro
Nitruro de indio y galio / Zafiro
GaN Nitruro de galioInGaN / Zafiro
Nitruro de indio y galio / Zafiro
InGaNNitruro de indio y
galio± 3,4
7,9 - 6,7x 1014
GaN Nitruro de galio ± 3,7 >7,9 x 1014 < 400
Ce:YAGGranate-aluminio-
itrio, dopado de cerio
± 3,4Espectro completo
Espectro completo
Fuente: CARACTERÍSTICAS DE LOS DIODOS LED’s, tomada el 15 de Abril del 2015 de
http://www.asifunciona.com/tablas/leds/leds.htm
Tipo ColorCorrient
e Max.
Voltaje
referenci
a
Voltaj
e Max.
Voltaj
e Real
Max.
Intensida
d
lumínica
Angul
o de
visión
Longitu
d de
onda
Estándar Rojo 30mA 1.7V 2.1V 5V5mcd –
10mA60° 660nm
EstándarRojo
brillante30mA 2.0V 2.5V 5V
80mcd –
10mA60° 625nm
EstándarAmarill
o30mA 2.1V 2.5V 5V
32mcd –
10mA60° 590nm
Estándar Verde 25mA 2.2V 2.5V 5V32mcd –
10mA60° 565nm
Alta
intensida
d
Azul 30mA 4.5V 5.5V 5V60mcd –
20mA50° 430nm
Súper
brillanteRojo 30mA 1.85V 2.5V 5V
500mcd –
20mA60° 660nm
Baja
corrienteRojo 30mA 1.7V 2.0V 5V
5mcd –
2mA60° 625nm
DESARROLLO Y MONTAJE
Implementos utilizados
· Uno o más LED’s infrarrojos.
· Uno o más transistores infrarrojos.
· Diodo LED de luz visible (cualquier color).
· Resistencia de 1KΩ.
Montaje Experimental
Para el desarrollo de la práctica se realiza el montaje en una protoboard del circuito presentado en la figura 1.
Figura 1. Circuito contador
Este circuito consta realmente de dos circuitos, en el primero se utiliza un diodo LED
inicialmente planteado como un LED infrarrojo debido a problemas de funcionamiento en
cuanto al rango del diodo LED utilizado, se opto por utilizar un LED de chorro azul de 5mm,
junto con una resistencia para limitar la corriente en el diodo de forma que este no se quemara
debido a un corto circuito, el segundo circuito consta de un foto diodo, el cual por problemas de
funcionamiento fue reemplazo por una fotorresistencia la cual cumple un funcionamiento
similar, adjunto a esto se utiliza un amplificador operacional en modo comparador, inicialmente
se planteo el uso de un amplificador operacional de referencia LM139 como el ilustrado en la
figura 1, sin embargo por comodidad en la adquisición de este se uso un amplificador de
referencia LM324N que para usos practicas funciona de misma forma puesto que no se
analizaría velocidades de reacción ni intervalos de frecuencia para un correcto funcionamiento,
este circuito tiene adicionalmente una sección de conteo, y una de visualización la cual en el
desarrollo practica se realiza de dos maneras simultáneamente en la primera se utilizo un
contador BCD de referencia 7490 y un decodificador para Display 7 segmentos de ánodo común
7447 y a su salida un Display de 7 segmentos de ánodo común con resistencias de 270 Ohmios
para evitar que los LED’s internos del Display se quemaran, en la segunda parte se utilizo un
contador 4017 el cual lleva la cuenta dejando en alto la salida correspondiente a la cuenta, en
esta salida se conecto un LED rojo de 5mm, con la finalidad de demostrar dos sistemas de
conteo diferentes pero funcionales.
La finalidad del primer circuito consta en emitir luz únicamente, sin embargo se vario la
resistencia de carga con el fin de obtener diversos valores de corriente y así probar la distancia
de funcionamiento a la cual el segundo circuito lograba percibir las interrupciones producidas
entre el diodo LED emisor y la fotorresistencia.
Tabla 1. Resultados prácticos
Resistencia (Ω) Corriente (mA) Distancia (cm)
120 41.67 65
270 18.51 30
330 15.15 25
720 6.94 5
1k 5.00 2
2k 2.50 0
En la tabla anterior se observan los valores de resistencias utilizadas y las correspondientes
corrientes para esta resistencia y la distancia máxima a la cual el receptor aún percibió la luz
emitida por el diodo LED, vale aclarar que el valor de alimentación para cada circuito fui de
5VDC.
En base al Datasheet del LED 5mm Azul utilizado se sabe que las corrientes de funcionamiento
de este son 15-30mA sin embargo este tiene un funcionamiento hasta 60mA corriendo el riesgo
de este quemarse pasados unos minutos por lo que los valores utilizados, permitieron su
funcionamiento sin este quemarse.
Analizando los valores de las distancias vemos que luego de exceder la corriente máxima
optima del LED se obtuvo una distancia de 2.17 veces la distancia obtenida con el siguiente
valor de resistencia probado correspondiente este a 270 Ohmios.
Una aproximación grafica de la información obtenida se da en la siguiente grafica.
120 270 330 720 1k 2k0
10
20
30
40
50
60
70
Resistencia vs Distancia
Resistencia vs Distancia
Gráfica 1. Resistencia vs Distancia
41.67 18.51 15.15 6.94 5.00 2.500
10
20
30
40
50
60
70
Distancia vs Corriente
Distancia vs Corriente
Gráfica 2. Distancia vs corriente
Inicialmente mediante el análisis teórico se planteo que los valores para las resistencias del
circuito variarían tanto para el emisor como para los voltajes de comparación del amplificador
operacional
Tabla 2. Resistencias teóricas
R1(Ω) R2(Ω) R3(Ω)4,7 4,7 120
10 10 270
330 330 330
470 470 1k
720 720 2k
Sin embargo por falta de tiempo en la elaboración de la práctica se vario únicamente los valores
para la resistencia 3 correspondiente a la resistencia del LED emisor por lo que la tabla
realmente utilizada fue:
Tabla 3. Valores utilizados
R1(Ω) R2(Ω) R3(Ω)1k 1k 120
1k 1k 270
1k 1k 330
1k 1k 1k
1k 1k 2k
ANALISIS
El uso de diodos de diferentes tipos tales como diodos LED rojos, amarillos verdes, azules,
infrarrojos o ultravioletas pueden tener una misma utilidad para el desarrollo de este tipo de
práctica experimental, puesto que el verdadero uso o finalidad de estos es tener una fuente
lumínica que aumentara o disminuyera la resistencia del receptor para el cual también era
aceptable el uso tanto de fototransistores o fotorresistencias puesto que su finalidad en este caso
era la misma, sin embargo hay un punto a considerar de los LED’s utilizados y la interferencia
producida por la luz ambiente, un aspecto a cuestionarse es el uso de LED’s de chorro puesto
que estos permiten enfocar la luz con mayor facilidad debido esto a la forma de emisión casi
lineal que estos producen diferenciándose de los LED’s difusos los cuales generan una mayor
dispersión de la luz y de esta forma se desperdicia su potencial lumínica una alternativa a
considerar es el diseño cubiertas tanto para el LED como para el emisor que permitan enfocar la
luz de los LED’s difusos y evitar la interferencia por parte de la luz ambiente.
El uso de dos sistemas de conteo se baso en la idea de simplificar el espacio sin embargo el
método realizado con el contador 4017 es análogo en el sentido que enciende un único LED por
cada cuenta que este realice, por lo que se debe tener presente el orden en el cual se ubiquen los
LED’s en base a sus salidas para tener claridad de en qué valor va la cuenta, mientras que el
sistema de conteo BCD usado con el integrado 7490 y la decodificación de este para el uso de un
Display 7 segmentos trabaja de una forma digital y no análoga, este método permite una mejor
visualización del valor actual de la cuenta representando mediante 7 LED’s los números entre el
0 y el 9, incluso permitiéndonos adicionar letras a la cuenta en el caso que fuera una cuenta en
hexadecimal, a costa de tiempo de montaje en protoboard y el uso de dos circuitos integrados, lo
cual podría tomar hasta 40 minutos más que si se implementara utilizando un contador 4017.
Por falta de tiempo no se pudo realizar los experimentos variando todas las resistencias que el
experimento involucran sin embargo con el planteamiento inicial de solo 5 experimentos los
datos pueden ser vagos y no mostrar el comportamiento real de los circuitos, en los cuales las
resistencias tienen porcentajes de variación de hasta un %5 por ciento para las resistencias
utilizadas, queda en duda el comportamiento del circuito para las variaciones de las resistencias
1 y 2, sin embargo con los datos tomados mediante la variación de la resistencia 3 se puedo
realizar 2 graficas de comportamiento.
Hay que anexar que para el correcto funcionamiento de los dos sistemas de conteo se utilizo un
circuito integrado NE555 en modo monoestable debido a que en el proceso de conteo las señales
de entrada tendía a rebotar, por lo que se utilizo este con un tiempo de 1 segundo entre las
cuentas llevadas por los contadores.
CONCLUSIONES
Fuera de la cantidad lumínica que los LED’s emiten debido al paso de corriente a través
de ellos, es necesario tomar en cuenta algunas variables externos que pueden afectar el
circuito tales como impedancias no deseadas en los componentes siendo estas por errores
de fabrica, la luz ambiente que percibe el receptor, la temperatura ambiente ya que esta
puede influir en el funcionamiento del circuito y la cantidad lumínica que los LED’s
pueden emitir.
La implementación de dos contadores simultáneamente puede producir problemas en las
señales internas del circuito, por lo que se recomiendo utilizar cada uno por separado o
utilizar un temporizador de precisión como el NE555 de forma que este genere un retardo
entre la entrada de las señales y no se genere este tipo de problemas.
La variación de únicamente uno de los 3 valores de resistencias puede permitir analizar el
funcionamiento del circuito y de las distancias de lectura del receptor en base al emisor,
sin embargo es pertinente la variación de todas las resistencias desarrollando un diseño
experimental donde se puedan tomar una cantidad de datos significativas que nos
permitan diseñar un circuito con el menor consumo posible, y una optimización del
mismo puesto que en la generalidad de los dispositivos electrónicos estos no cuentan con
una fuente de voltaje regulada la cual trae gastos indirectos, sino que se usan pilas o
baterías por las que se busca optimizar su rendimiento.
BIBLIOGRAFIA
Johnson, D. (1996). ANÁLISIS BÁSICO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS, Prentice Hall Hispanoamericana.
Sanjurjo, E. Lázaro, P. de Miguel. (1997). TEORÍA DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS, R.. Ed. McGraw-Hill.
Shubert, E. Fred (2003), Light-Emitting Diodes, Cambridge University Press, ISBN 0-521-82330-7.
ANEXOS
Anexo 1. Datasheet Display 7 Segmentos familia TOS5121
Anexo 2. Datasheet contador 0-9 CD4017BC
Anexo 3. Datasheet contador binario DM74LS90
Anexo 4. Datasheet decodificador BCD a 7 segmentos DM74LS47
Anexo 5. Datasheet amplificador operacional LM324
Anexo 6. Datasheet temporizador de precisión NE555
Anexo 6. Datasheet diodo LED 5mm Rojo
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