Un diodo semiconductor (semiconductor diode) es un dispositivo que permite el paso de corriente en una sola dirección. Está formado por una unión entre material tipo p y tipo n, donde se produce una región de agotamiento (depletion region) que controla el flujo de carga.

Cuando el diodo se polariza directamente (forward bias), la corriente fluye; en polarización inversa (reverse bias), la corriente es prácticamente nula. La tensión mínima necesaria para conducir se denomina:

V_D ≈ tensión de umbral

En la unión PN, los electrones y huecos se recombinan, generando una corriente cuando se supera la barrera de potencial. Este comportamiento es fundamental en dispositivos optoelectrónicos.

Diodos emisores de luz

Figura : Los símbolos esquemáticos de los diodos, diodos emisores de luz (LEDs) y fotodiodos son esencialmente iguales, con la adición de flechas para indicar la luz que sale de los LEDs y la que entra en los fotodiodos. Los LEDs a veces tienen círculos alrededor, y los fotodiodos a veces no—la diferencia esencial son las flechas, no los círculos. En ocasiones, las flechas se dibujan con líneas onduladas en lugar de rectas.

Los triángulos en los símbolos de diodos indican la dirección del flujo convencional de corriente (polarización directa). El extremo positivo (el ánodo) apunta hacia el extremo negativo (el cátodo)—los nombres ánodo y cátodo pueden recordarse si se tiene en cuenta que los rayos catódicos son haces de electrones, por lo que el cátodo es donde los electrones salen del conductor.

El fotodiodo normalmente se usa en polarización inversa (con el cátodo más positivo que el ánodo), por lo que se dibuja con orientación opuesta a la de otros diodos.

Los LEDs (light-emitting diodes, LEDs) son diodos que emiten luz cuando circula corriente en sentido directo. La energía liberada en la recombinación de electrones produce fotones.

El color de la luz depende de la energía del material semiconductor, relacionada con la longitud de onda:

E = h · f

El comportamiento del diodo sigue una relación exponencial:

I ≈ I_s (e^V/V_T − 1)

Esto implica que pequeñas variaciones de tensión producen grandes cambios en la corriente.

Para evitar daños en un LED, es necesario limitar la corriente mediante una resistencia en serie:

R = (V_fuente − V_D) / I

Este cálculo es esencial en el diseño de circuitos con LEDs.

Figura: Un circuito común para ajustar la corriente a través de un LED es una resistencia limitadora de corriente (current-limiting resistor). El valor de la resistencia R se elige de modo que la caída de tensión en la resistencia produzca la corriente deseada según la ley de Ohm (Ohm’s law):

V_rail − V_f = I · R

La tensión directa (forward voltage) V_f del LED aumenta con la corriente, pero lo suficientemente lento como para que, en muchos casos, se pueda utilizar una aproximación constante para V_f.

Parámetros importantes

• Tensión directa (forward voltage): tensión necesaria para que el LED conduzca
• Corriente directa (forward current): corriente de operación del LED
• Longitud de onda (wavelength): determina el color de la luz emitida
• Intensidad luminosa (luminous intensity): brillo del LED

Los LEDs no deben conectarse directamente a una fuente de tensión sin limitación de corriente, ya que la corriente aumenta exponencialmente con la tensión y puede destruir el dispositivo.

Además, la respuesta del LED depende del material semiconductor y de factores como la temperatura y la eficiencia cuántica.

• Indicadores luminosos
• Iluminación
• Sensores ópticos
• Sistemas de comunicación óptica

Términos relacionados :

• Fotodiodo. (Photodiode)
• Fototransistor. (Phototransistor)
• Fotodarlington. (Photodarlington)
• Fotorresistor. (Photoresistor)
• Diodo semiconductor. (Semiconductor diode)
• Diodo emisor de luz. (Light-emitting diode, LED)
• Polarización directa. (Forward biasing)
• Polarización inversa. (Reverse biasing)
• Región de agotamiento. (Depletion region)
• Corriente fotoeléctrica. (Photocurrent)
• Corriente oscura. (Dark current)
• Portadores de carga. (Charge carriers)
• Par electrón-hueco. (Electron-hole pair)
• Unión p-n. (PN junction)
• Material tipo p. (P-type semiconductor)
• Material tipo n. (N-type semiconductor)
• Sensibilidad espectral. (Spectral response)
• Flujo luminoso. (Light flux)
• Intensidad luminosa. (Light intensity)
• Tiempo de respuesta. (Response time)
• Ganancia de corriente. (Current gain)
• Saturación. (Saturation)
• Modo fotoconductivo. (Photoconductive mode)
• Modo fotovoltaico. (Photovoltaic mode)
• Capacitancia de unión. (Junction capacitance)
• Longitud de onda. (Wavelength)
• Luz infrarroja. (Infrared light)
• Detector óptico. (Optical detector)
• Sensor óptico. (Optical sensor)
• Conversión electro-óptica. (Electro-optical conversion)

En resumen, los dispositivos optoelectrónicos convierten energía eléctrica en luz mediante fenómenos de recombinación en materiales semiconductores, siendo fundamentales en múltiples aplicaciones electrónicas modernas.

Optointerruptor

Un optointerruptor es sensible a un objeto que pasa entre la fuente de luz y el sensor de luz. Una disposición comparable puede usarse con un sensor de efecto Hall o un interruptor de lengüeta (reed switch), pero solo si el objeto que interrumpe es delgado y ferromagnético. Esta configuración se conoce como interruptor de aleta ferrosa.

Figura : Sensores de proximidad, sensores de lengüeta magnéticos, interruptor de lengüeta ferrosa.

Cabe señalar que el imán ejercerá una fuerza significativa sobre la aleta ferrosa. Esto se vuelve un problema en sensores donde la fuerza mecánica es limitada, por ejemplo, en sensores de paso de papel en una fotocopiadora.

Un interruptor de aleta ferrosa es un dispositivo que utiliza una aleta de material ferromagnético para modular un campo magnético entre un imán permanente y un sensor, como un sensor de efecto Hall o un interruptor de lengüeta (reed switch). Esta configuración permite detectar la posición o el movimiento de la aleta al interrumpir o modificar el flujo magnético que llega al sensor.

Principio de Funcionamiento

En un interruptor de aleta ferrosa, tanto el imán como el sensor se montan en una posición fija con un pequeño espacio entre ellos. En ausencia de la aleta, el campo magnético del imán activa el sensor, manteniéndolo en un estado específico (por ejemplo, "encendido"). Cuando una aleta ferromagnética se introduce en el espacio entre el imán y el sensor, actúa como un desvío magnético, redirigiendo las líneas de flujo lejos del sensor. Esto provoca un cambio en el estado del sensor (por ejemplo, pasando a "apagado"). Al retirar la aleta, el campo magnético vuelve a su trayectoria original, y el sensor retorna a su estado inicial.

Aplicaciones Comunes

Los interruptores de aleta ferrosa se emplean en diversas aplicaciones industriales y automotrices debido a su precisión y confiabilidad:

• Sistemas de Encendido Automotriz: En distribuidores de encendido, una aleta montada en el eje del distribuidor interrumpe el campo magnético, proporcionando señales precisas para la sincronización del encendido.
• Sensores de Velocidad y Posición: Se utilizan para detectar la velocidad de rotación o la posición de componentes mecánicos, como en sensores de velocidad de ruedas en sistemas ABS.
• Detección de Objetos en Cintas Transportadoras: En la automatización industrial, las aletas ferrosas fijadas a objetos en movimiento pueden ser detectadas al pasar entre el imán y el sensor, permitiendo el conteo o la clasificación de productos.

Ventajas del Uso de Aletas Ferrosas

• Precisión en la Detección: La interrupción abrupta del campo magnético por la aleta ferrosa genera transiciones claras en la señal del sensor, mejorando la precisión en la detección de posiciones o movimientos.
• Fiabilidad en Entornos Adversos: A diferencia de los sensores ópticos, los sistemas basados en aletas ferrosas no se ven afectados por polvo, suciedad o iluminación variable, lo que los hace ideales para entornos industriales.
• Durabilidad: Al no tener partes móviles en contacto directo, estos sistemas presentan una larga vida útil con mínimo mantenimiento.

Consideraciones de Diseño

Al implementar un interruptor de aleta ferrosa, es esencial tener en cuenta:

• Material de la Aleta: Debe ser de un material ferromagnético con alta permeabilidad para asegurar una interrupción efectiva del campo magnético.
• Dimensiones y Forma de la Aleta: La geometría de la aleta influye en la precisión y el tiempo de respuesta del sistema. Aletas más delgadas y bien alineadas proporcionan transiciones más rápidas y precisas.
• Espaciado y Alineación: Mantener un espacio constante y adecuado entre el imán, la aleta y el sensor es crucial para un funcionamiento consistente y fiable.

Términos destacados :

En resumen, los interruptores de aleta ferrosa ofrecen una solución eficaz y confiable para la detección de posición y movimiento en una variedad de aplicaciones, especialmente en entornos donde otros tipos de sensores podrían no ser adecuados debido a condiciones ambientales adversas.