Los componentes optoelectrónicos generan, detectan, controlan o convierten la luz. Algunos producen luz visible o infrarroja, mientras que otros reciben señales ópticas y las convierten en señales eléctricas. Se utilizan en sistemas de comunicación, automatización industrial, equipos médicos, vehículos, electrónica de consumo, pantallas y sistemas de seguridad.
El término “optoelectrónico” abarca una amplia gama de componentes. Dos dispositivos pueden parecer similares, pero presentar estructuras de salida, velocidades de respuesta, longitudes de onda o requisitos de circuito muy diferentes. Por lo tanto, los compradores deben seleccionarlos en función de su función y de los parámetros de la ficha técnica, y no solo por su aspecto o por el nombre de la categoría.
En esta guía se describen diez componentes optoelectrónicos habituales y las especificaciones que los responsables de compras y los ingenieros deben comprobar antes de aprobar una pieza.
1. Diodos emisores de luz (LED)
Qué función desempeñan los LED en los circuitos electrónicos
Un diodo emisor de luz convierte la energía eléctrica en luz cuando la corriente fluye a través de su unión semiconductora en sentido directo. La longitud de onda emitida depende principalmente del material semiconductor y del diseño del dispositivo.
Los LED no se limitan a la iluminación general. Los pequeños LED indicadores muestran el estado de alimentación, el estado de funcionamiento, las alarmas y la actividad de comunicación. Los dispositivos de mayor potencia se utilizan en la iluminación de automóviles, equipos industriales, sensores ópticos, iluminación infrarroja y visión artificial.
El Categoría de optoelectrónica de Duolink Incluye LED indicadores 0603 y emisores de infrarrojos para diferentes aplicaciones.
Tipos habituales de LED
Los LED indicadores suelen utilizarse en luces de estado, paneles de control y conjuntos electrónicos compactos. Los LED de alta potencia ofrecen un mayor rendimiento óptico, pero pueden requerir una mayor atención a la gestión térmica.
Los LED infrarrojos emiten luz fuera del espectro visible. Se utilizan en mandos a distancia, barreras fotoeléctricas, visión artificial, detección de proximidad y comunicaciones ópticas. Los LED UV se emplean en aplicaciones de curado, detección, esterilización, inspección y fluorescencia, aunque su idoneidad depende de la longitud de onda y la potencia de salida.
Características que hay que tener en cuenta a la hora de elegir LED
El nombre del color por sí solo no basta para identificar un LED. Los compradores deben comprobar lo siguiente:
- Longitud de onda máxima o dominante
- Tensión directa
- Corriente directa recomendada
- Intensidad luminosa o intensidad radiante
- Ángulo de visión
- Dimensiones del embalaje y tipo de montaje
- Rango de temperaturas de funcionamiento
- Polaridad y configuración de los pines
- Sensibilidad a la humedad y condiciones de reflow para componentes SMD
En el caso de los LED visibles, la intensidad luminosa describe la potencia de salida tal y como la percibe el ojo humano. Los emisores de infrarrojos se evalúan más habitualmente mediante la intensidad radiante o la potencia radiante. Estos valores no deben considerarse intercambiables.
2. Diodos láser
Un diodo láser produce un haz de luz coherente, estrecho y concentrado. En comparación con un LED convencional, su salida óptica es más direccional y tiene un rango espectral más estrecho.
Los diodos láser se utilizan en las comunicaciones por fibra óptica, los lectores de códigos de barras, los sistemas LiDAR, el almacenamiento óptico, los instrumentos médicos, los sistemas de alineación y los equipos de medición industrial. La aplicación determina si el diseño requiere una salida de onda continua, un funcionamiento pulsado, un perfil de haz específico o la retroalimentación de un fotodiodo de monitorización.
La longitud de onda es solo el primer factor de selección. El ingeniero también debe tener en cuenta la potencia de salida óptica, la corriente umbral, la corriente de funcionamiento, la tensión directa, el encapsulado, la configuración del fotodiodo de monitorización, la temperatura de funcionamiento y los requisitos térmicos.
Los diodos láser son sensibles a las descargas electrostáticas, a las sobrecorrientes y a la temperatura. Los equipos de compras deben verificar el número de referencia completo y la configuración del encapsulado, en lugar de aceptar un dispositivo basándose únicamente en la longitud de onda y la potencia nominal. Cualquier sustitución requiere además la aprobación del departamento de ingeniería, ya que las características ópticas y las condiciones de funcionamiento pueden variar.
3. Fotodiodos
Cómo convierten los fotodiodos la luz en señales eléctricas
Un fotodiodo es un detector semiconductor que genera una corriente cuando la luz incide sobre su unión activa. La intensidad de la corriente suele corresponder a la potencia óptica incidente dentro del rango espectral especificado para el dispositivo.
Los fotodiodos se utilizan en comunicaciones ópticas, medición de luz, instrumentos médicos, equipos de seguridad, codificadores, detección de infrarrojos y sensores industriales. A menudo se combinan con un amplificador, ya que la corriente generada puede ser demasiado pequeña para su procesamiento directo.
El circuito circundante es importante. La condición de polarización, el ancho de banda del amplificador, la capacitancia de entrada, el ruido y el diseño de la placa de circuito impreso pueden afectar al rendimiento del detector.
Fotodiodos PIN frente a fotodiodos de avalancha
Un fotodiodo PIN tiene una amplia región intrínseca entre sus capas semiconductoras. Se utiliza ampliamente en aplicaciones en las que se requiere baja capacitancia, buena linealidad y respuesta rápida.
Un fotodiodo de avalancha, o APD, proporciona ganancia interna cuando funciona con una tensión de polarización inversa más elevada. Es capaz de detectar señales ópticas más débiles, pero requiere un circuito de polarización y control más complejo. Es necesario tener en cuenta el ruido, el comportamiento térmico y la tensión de ruptura.
Un APD no debe considerarse un sustituto directo de mayor sensibilidad de un fotodiodo PIN.
Sensibilidad, corriente oscura y tiempo de respuesta
La sensibilidad indica la cantidad de señal eléctrica que genera un fotodiodo ante una señal óptica de entrada determinada en una longitud de onda específica. La corriente oscura es la pequeña corriente que existe en ausencia de iluminación y que puede afectar a las mediciones en condiciones de poca luz. El tiempo de respuesta o ancho de banda determina la rapidez con la que el dispositivo puede seguir una señal óptica cambiante.
Los fotodiodos, los fototransistores y las fotorresistencias no son equivalentes:
| Componente | Resistencia típica | Limitación habitual | Uso habitual |
|---|---|---|---|
| Fotodiodo | Rápido y adecuado para mediciones precisas | A menudo requiere amplificación | Comunicación e instrumentación |
| Fototransistor | Mayor sensibilidad intrínseca | Normalmente es más lento que un fotodiodo | Detección y conmutación |
| Fotoresistencia | Interfaz sencilla basada en la resistencia | Respuesta lenta y amplia tolerancia | Control básico de la iluminación |
El recambio debe tener en cuenta tanto la topología del circuito como las especificaciones ópticas.
4. Fototransistores
Un fototransistor utiliza la luz incidente para controlar la corriente del colector. Su funcionamiento como transistor proporciona una mayor ganancia de señal que un fotodiodo básico, lo que lo hace útil cuando la sensibilidad es más importante que una velocidad muy alta o una medición lineal.
Entre sus aplicaciones habituales se incluyen la detección de objetos, los contadores, la detección de posición, los interruptores ópticos, los sistemas de seguridad y la automatización industrial. Los fototransistores también se utilizan con frecuencia como detectores en fotointerruptores y optoacopladores básicos.
En comparación con un fotodiodo, un fototransistor suele ofrecer una señal de salida eléctrica mayor, pero responde con mayor lentitud. La saturación puede alargar aún más su tiempo de desactivación. Esto es importante en codificadores, contadores de pulsos y circuitos de comunicación.
Antes de realizar la compra, comprueba la sensibilidad espectral, la tensión colector-emisor, la corriente del colector, la corriente oscura, los tiempos de subida y bajada, el ángulo de visión, el encapsulado y la temperatura de funcionamiento. Las condiciones de prueba que figuran en la ficha técnica son importantes, ya que los valores de sensibilidad y tiempo de conmutación no pueden compararse de forma equitativa cuando los fabricantes utilizan corrientes, cargas o niveles de iluminación diferentes.
5. Optoacopladores y optoaisladores
Cómo proporciona aislamiento eléctrico un optoacoplador
Un optoacoplador contiene una fuente de luz de entrada, normalmente un LED, y un fotodetector de salida dentro de un mismo encapsulado. La trayectoria óptica transmite una señal al tiempo que mantiene la separación eléctrica entre los circuitos de entrada y salida.
Estos dispositivos se utilizan en fuentes de alimentación, accionamientos de motores, controles industriales, interfaces de comunicación, circuitos de retroalimentación y sistemas que requieren la transmisión de señales entre diferentes dominios eléctricos.
El rendimiento del aislamiento no depende únicamente de la tensión indicada en la denominación del producto. Es posible que los ingenieros tengan que evaluar la tensión de funcionamiento, la tensión transitoria, la distancia de fuga, la distancia de aislamiento, la estructura del aislamiento, la inmunidad a transitorios en modo común y la homologación de seguridad correspondiente.
Fototransistores frente a optoacopladores lógicos de alta velocidad
Un dispositivo del tipo PC817 suele utilizar una salida de fototransistor. Es adecuado para tareas de conmutación más lenta, retroalimentación y aislamiento en general, en las que la relación de transferencia de corriente es importante.
Un optoacoplador del tipo 6N137 incorpora un detector integrado de alta velocidad y una salida lógica. Vishay describe su familia 6N137 como un optoacoplador monocanal de 10 MBd con salida de drenaje abierto. Está diseñado para aplicaciones como el aislamiento de buses digitales y las interfaces de microprocesadores. El fabricante Información sobre el producto 6N137 También muestra por qué es necesario comprobar la estructura de la salida y los requisitos lógicos.
No se deben intercambiar un PC817 y un 6N137 simplemente porque ambos sean optoacopladores. Su número de pines, requisitos de alimentación, velocidad, etapas de salida y condiciones de aplicación son diferentes.
CTR, tensión de aislamiento y velocidad de conmutación
En el caso de un optoacoplador de fototransistor, la relación de transferencia de corriente (CTR) describe la relación entre la corriente de colector de salida y la corriente del LED de entrada en las condiciones de ensayo especificadas. La CTR puede variar en función del grado, la temperatura, la corriente del LED y el envejecimiento del dispositivo.
Los optoacopladores lógicos de alta velocidad suelen seleccionarse en función de la velocidad de transmisión de datos, el retardo de propagación, la distorsión de la anchura de pulso, el comportamiento del umbral, el tipo de salida y la inmunidad a transitorios en modo común.
La lista de comprobación para las compras debería incluir:
- Número de referencia completo del fabricante y compartimento CTR
- Condiciones de corriente de entrada en sentido directo
- Tipo de salida y requisitos de alimentación
- Requisitos de velocidad de transmisión o de tiempo de conmutación
- Índice de aislamiento y homologaciones aplicables
- Requisitos de distancia de fuga y distancia de aislamiento
- Configuración del paquete y de los pines
- Clase de temperatura
- Requisitos relativos a cintas, bobinas, tubos o bandejas
Duolink incluye en su gama de optoelectrónica componentes de las series PC817, LTV-817, 6N137, TLP291-4 y VO615A. Se recomienda confirmar la disponibilidad y los sufijos exactos en cada consulta.
6. Emisores y receptores de infrarrojos
Los emisores de infrarrojos generan luz que, por lo general, es invisible para el ojo humano. Los receptores detectan la señal de infrarrojos y la convierten en una señal eléctrica.
Se utilizan en mandos a distancia, puertas automáticas, contadores de objetos, sensores de proximidad, barreras fotoeléctricas, detección industrial y comunicaciones ópticas. Algunos receptores son simples fotodiodos o fototransistores. Otros contienen filtros, amplificadores y circuitos de demodulación.
La adaptación de la longitud de onda entre el emisor y el receptor es una de las primeras comprobaciones de diseño. Un emisor de 850 nm y un receptor optimizado para otra región espectral pueden seguir mostrando cierta respuesta, pero el sistema puede perder alcance de detección o margen de ruido. Un conjunto de adaptación no garantiza la compatibilidad espectral.
Los compradores deben comparar la longitud de onda máxima del emisor con la curva de sensibilidad espectral del receptor. Asimismo, deben comprobar la intensidad radiante, el ángulo óptico, la corriente de excitación, la sensibilidad del detector, el tiempo de respuesta, la supresión de la luz ambiental, la orientación del encapsulado y la temperatura de funcionamiento.
De Duolink’s Página del LED infrarrojo SFH 4253 ofrece un ejemplo de un emisor de montaje superficial de 860 nm. El diseño completo aún necesita un receptor compatible y un circuito de control adecuado.
7. Sensores de luz ambiental y de proximidad
Los sensores de luz ambiental miden la iluminación del entorno para que un controlador pueda ajustar el brillo de la pantalla, la iluminación, el consumo energético o el comportamiento de los equipos. Los sensores integrados pueden incluir un fotodetector, circuitos de acondicionamiento de señal, un convertidor analógico-digital y una interfaz digital.
Entre sus aplicaciones se incluyen los smartphones, las tabletas, las pantallas para automóviles, la iluminación inteligente, los electrodomésticos, la electrónica de consumo y los equipos de control industrial.
Los sensores de proximidad suelen combinar un emisor y un detector de infrarrojos. El sensor mide la luz reflejada para determinar si hay algún objeto presente. El diseño de la carcasa, la transmisión del cristal protector, el color del objetivo, la distancia, la alineación y la energía infrarroja ambiental pueden influir en el resultado.
Entre los parámetros de selección más importantes se encuentran la respuesta espectral, el rango de medición, la resolución, la tensión de alimentación, la interfaz, el tiempo de conversión, el encapsulado, las funciones de interrupción y la temperatura de funcionamiento. En el caso de los dispositivos digitales, también son importantes el mapa de registros y la compatibilidad con el software.
El VEML7700, por ejemplo, es un sensor de luz ambiental integrado con interfaz I²C. De Vishay, página oficial del producto VEML7700 Se debe comprobar que se disponga de las fichas técnicas y la información de diseño actualizadas antes de aprobar un sufijo concreto.
8. Fotorresistencias y resistencias dependientes de la luz
Una fotorresistencia, también denominada resistencia dependiente de la luz o LDR, varía su resistencia a medida que cambia la luz incidente. Su sencilla interfaz la hace útil en circuitos sencillos de detección de luz.
Entre sus aplicaciones más habituales se incluyen las lámparas automáticas, los medidores de luz, los sistemas de alarma, los controles de brillo de las pantallas, los juguetes y la detección básica de la luz diurna. Un circuito divisor de tensión puede ser suficiente cuando la aplicación solo necesita distinguir entre condiciones generales de luz y oscuridad.
Los LDR suelen ser más lentos que los fotodiodos y pueden presentar amplias tolerancias entre piezas. Es necesario comprobar su resistencia, su comportamiento de recuperación, su respuesta espectral, los efectos de la temperatura y su conformidad con las normas medioambientales.
Un fotodiodo no es necesariamente mejor que un LDR. La elección correcta depende de la medición:
- Utiliza un LDR cuando el circuito requiera una detección de luz sencilla y a baja velocidad.
- Utiliza un fotodiodo cuando la velocidad, la repetibilidad, el ancho de banda o la medición óptica calibrada sean factores importantes.
- Utiliza un sensor de luz ambiental integrado cuando el sistema necesite un valor digital, una respuesta espectral controlada o una integración más sencilla con el procesador.
Para sustituir uno de estos tipos por otro, normalmente es necesario cambiar el circuito.
9. Fotointerruptores y sensores ópticos reflectantes
Un fotointerruptor suele combinar un emisor de infrarrojos y un fototransistor o un fotodiodo en un solo encapsulado. Esta geometría fija reduce el trabajo de alineación y hace que el componente resulte útil en sistemas mecánicos compactos.
En un fotointerruptor con ranura, el emisor y el detector se sitúan a ambos lados de una ranura. Una bandera en movimiento, el borde de una hoja de papel, un engranaje o una rueda codificadora interrumpen el haz. Entre sus aplicaciones se incluyen la detección de papel en impresoras, la detección de la posición de motores, los mecanismos rotativos, el recuento de objetos y la detección de límites.
En un sensor óptico reflectante, el emisor y el detector se encuentran en el mismo lado. Detecta la luz reflejada por un objetivo cercano. Su rendimiento puede variar en función de la distancia al objetivo, el color de la superficie, la textura, el ángulo y la luz ambiental.
Para cualquiera de los dos tipos, comprueba la anchura de la ranura o la distancia de detección, las dimensiones mecánicas, la longitud de onda, la salida del detector, las intensidades nominales, el tiempo de conmutación, el método de montaje y la temperatura de funcionamiento. La huella en la placa de circuito impreso por sí sola no garantiza la compatibilidad mecánica.
El Conmutador óptico con ranura OPB817Z Es un ejemplo de dispositivo con salida de fototransistor que se utiliza para la detección basada en interrupciones.
10. Pantallas optoelectrónicas
Las pantallas optoelectrónicas convierten las señales eléctricas en información visible. Este grupo incluye pantallas LED individuales, pantallas de siete segmentos, pantallas de matriz de puntos y módulos de pantalla.
Se utilizan en cuadros de control industriales, instrumentos de medición, electrodomésticos, productos de consumo, salpicaderos de automóviles y equipos médicos. Una pantalla de siete segmentos puede mostrar un valor numérico sencillo, mientras que un dispositivo de matriz de puntos puede presentar caracteres o gráficos básicos.
Los equipos de compras no deben evaluar una pantalla únicamente por sus dimensiones y su color. Los siguientes detalles pueden determinar su compatibilidad:
- Configuración de ánodo común o de cátodo común
- Número y disposición de los segmentos
- Tensión directa y corriente del segmento
- Color y longitud de onda dominante
- Intensidad luminosa
- Requisitos de multiplexación
- Disposición de los pines
- Ángulo de visión
- Altura de los caracteres y dimensiones mecánicas
- Temperatura de funcionamiento
- Compatibilidad de controladores
Las pantallas que parecen idénticas vistas desde delante pueden tener diferentes configuraciones de pines o conexiones internas. Solicitar un esquema y la ficha técnica actualizada antes de aprobar una alternativa puede evitar problemas con la placa de circuito impreso y el firmware.
Comparación rápida de componentes optoelectrónicos
| Componente | Función principal | Parámetros de selección importantes |
|---|---|---|
| LED | Emite luz visible o infrarroja | Longitud de onda, corriente, intensidad, ángulo |
| Diodo láser | Genera luz coherente concentrada | Longitud de onda, potencia óptica, corriente umbral |
| Fotodiodo | Detecta la luz a gran velocidad | Sensibilidad, corriente oscura, ancho de banda |
| Fototransistor | Detecta la luz con ganancia interna | Sensibilidad, tiempo de conmutación, corriente oscura |
| Optoacoplador | Transmite una señal a través del aislamiento | CTR o velocidad de transmisión, aislamiento, tipo de salida |
| Emisor y receptor de infrarrojos | Envía y detecta señales de infrarrojos | Coincidencia espectral, intensidad, sensibilidad |
| Sensor de luz ambiental | Medidas relacionadas con la luz | Rango, resolución, interfaz, respuesta espectral |
| Fotoresistencia | Cambia de color con la luz | Resistencia a la luz y a la oscuridad, tiempo de respuesta |
| Fotointerruptor | Detecta movimiento u obstrucciones | Ranura, distancia de detección, salida, velocidad |
| Pantalla | Muestra información visible | Configuración, disposición de pines, intensidad, dimensiones |
Conclusión
La categoría optoelectrónica incluye tanto emisores como detectores de luz, así como dispositivos integrados que utilizan la luz para aislar, detectar, comunicar o mostrar información. Elegir el tipo adecuado es solo el principio. También deben coincidir el número de referencia completo del fabricante, las características ópticas, los parámetros eléctricos, el tipo de encapsulado, el rango de temperatura y los requisitos de la aplicación.
A la hora de adquirir un componente optoelectrónico, indique el fabricante, el número de referencia completo, la cantidad necesaria, el tipo de encapsulado, la aplicación prevista, la temperatura de funcionamiento y cualquier requisito relativo a la longitud de onda, la velocidad, el aislamiento o la documentación.
Duolink Electronics es un proveedor independiente de componentes electrónicos que ofrece servicios de consulta de referencias, búsqueda de proveedores para listas de materiales, comprobación de disponibilidad y suministro de componentes difíciles de encontrar. Los compradores pueden Ponte en contacto con Duolink Electronics junto con los detalles técnicos y de compra para su revisión.
Preguntas frecuentes
¿Qué es un componente optoelectrónico?
Un componente optoelectrónico genera, detecta, controla o convierte la luz. Entre los ejemplos más comunes se encuentran los LED, los fotodiodos, los fototransistores, los optoacopladores, los sensores ópticos, los fotointerruptores y las pantallas.
¿Puede un fototransistor sustituir a un fotodiodo?
Normalmente, no sin revisar el circuito. Un fototransistor ofrece ganancia de corriente interna, pero suele ser más lento y menos lineal. Un fotodiodo puede necesitar un amplificador independiente, pero resulta más adecuado para la detección óptica rápida o precisa.
¿Se pueden intercambiar los optoacopladores PC817 y 6N137?
No. Un dispositivo del tipo PC817 suele tener una salida de fototransistor, mientras que uno del tipo 6N137 utiliza un detector lógico de alta velocidad. Sus configuraciones de pines, requisitos de alimentación, velocidades de conmutación y circuitos de salida son diferentes.
¿Por qué el emisor de infrarrojos debe coincidir con la longitud de onda del receptor?
La sensibilidad de un receptor varía a lo largo del espectro óptico. Al hacer coincidir la longitud de onda máxima del emisor con la respuesta espectral del receptor, se mejora la intensidad de la señal, el alcance de detección y el margen de ruido.
¿Qué información debe incluirse en una solicitud de presupuesto para componentes optoelectrónicos?
Indique el número de referencia completo del fabricante, el fabricante, la cantidad, el embalaje, la longitud de onda o el color requeridos, el rango de temperatura, los requisitos ópticos y eléctricos, la aplicación prevista, las preferencias de embalaje y los requisitos de documentación.
¿Pueden ser intercambiables dos componentes optoelectrónicos con el mismo encapsulado?
El hecho de que se trate del mismo paquete no garantiza la compatibilidad funcional. Compara la disposición de los pines, la longitud de onda, los parámetros eléctricos, la potencia de salida óptica o la sensibilidad, el tiempo de respuesta, la interfaz, el rango de temperatura y el estado de homologación. Antes de utilizar un producto alternativo, es necesario obtener la aprobación del departamento de ingeniería.
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