I 10 componenti optoelettronici che dovresti conoscere

I componenti optoelettronici generano, rilevano, controllano o convertono la luce. Alcuni producono luce visibile o infrarossa, mentre altri ricevono segnali ottici e li convertono in segnali elettrici. Trovano impiego nei sistemi di comunicazione, nell'automazione industriale, nelle apparecchiature mediche, nei veicoli, nell'elettronica di consumo, nei display e nei sistemi di sicurezza.

Il termine “optoelettronico” comprende un’ampia gamma di componenti. Due dispositivi possono sembrare simili pur presentando caratteristiche di uscita, velocità di risposta, lunghezze d’onda o requisiti circuitali molto diversi. Gli acquirenti dovrebbero quindi selezionarli in base alla funzione e ai parametri riportati nella scheda tecnica, non solo in base all’aspetto o alla denominazione della categoria.

Questa guida illustra dieci componenti optoelettronici di uso comune e le specifiche che i responsabili degli acquisti e gli ingegneri dovrebbero verificare prima di approvare un componente.

1. Diodi a emissione luminosa (LED)

Qual è la funzione dei LED nei circuiti elettronici

Un diodo a emissione luminosa converte l'energia elettrica in luce quando la corrente attraversa la sua giunzione semiconduttrice in senso diretto. La lunghezza d'onda emessa dipende principalmente dal materiale semiconduttore e dalla struttura del dispositivo.

I LED non si limitano all'illuminazione generale. I piccoli LED indicatori segnalano l'alimentazione, lo stato di funzionamento, gli allarmi e l'attività di comunicazione. I dispositivi a maggiore potenza vengono utilizzati nell'illuminazione automobilistica, nelle apparecchiature industriali, nel rilevamento ottico, nell'illuminazione a infrarossi e nella visione artificiale.

Il Categoria "Optoelettronica" di Duolink include LED indicatori 0603 ed emettitori a infrarossi per diverse applicazioni.

Tipi comuni di LED

I LED indicatori vengono solitamente utilizzati per le spie di stato, i pannelli di controllo e i gruppi elettronici compatti. I LED ad alta potenza offrono una maggiore resa ottica, ma possono richiedere una maggiore attenzione alla gestione termica.

I LED a infrarossi emettono luce al di fuori dello spettro visibile. Sono utilizzati nei telecomandi, nelle barriere fotoelettriche, nella visione artificiale, nel rilevamento di prossimità e nelle comunicazioni ottiche. I LED UV trovano impiego in applicazioni quali l'indurimento, il rilevamento, la sterilizzazione, l'ispezione e la fluorescenza, sebbene la loro idoneità dipenda dalla lunghezza d'onda e dalla potenza di uscita.

Caratteristiche da verificare nella scelta dei LED

Il nome del colore da solo non è sufficiente per identificare un LED. Gli acquirenti dovrebbero verificare:

• Lunghezza d'onda di picco o dominante
• Tensione diretta
• Corrente di carico consigliata
• Intensità luminosa o intensità radiante
• Angolo di visione
• Dimensioni dell'imballaggio e tipo di montaggio
• Intervallo di temperatura di funzionamento
• Polarità e configurazione dei pin
• Sensibilità all'umidità e condizioni di riflusso per i componenti SMD

Per i LED visibili, l’intensità luminosa descrive l’emissione percepita dall’occhio umano. Gli emettitori a infrarossi vengono invece valutati più comunemente in base all’intensità radiante o alla potenza radiante. Questi valori non devono essere considerati intercambiabili.

2. Diodi laser

Un diodo laser produce un fascio di luce coerente, stretto e concentrato. Rispetto a un normale LED, la sua emissione ottica è più direzionale e presenta un intervallo spettrale più ristretto.

I diodi laser trovano impiego nelle comunicazioni in fibra ottica, nei lettori di codici a barre, nei sistemi LiDAR, nei supporti di memorizzazione ottici, negli strumenti medici, nei sistemi di allineamento e nelle apparecchiature di misurazione industriali. È l’applicazione a determinare se il progetto richieda un’emissione in onda continua, un funzionamento a impulsi, un profilo del fascio specifico o un feedback da parte di un fotodiodo di monitoraggio.

La lunghezza d'onda è solo il primo fattore di selezione. L'ingegnere dovrebbe inoltre valutare la potenza ottica in uscita, la corrente di soglia, la corrente di funzionamento, la tensione diretta, il contenitore, la configurazione del fotodiodo di monitoraggio, la temperatura di funzionamento e i requisiti termici.

I diodi laser sono sensibili alle scariche elettrostatiche, alle sovracorrenti e alla temperatura. I responsabili degli acquisti dovrebbero verificare il codice articolo completo e la configurazione del contenitore, anziché accettare un dispositivo basandosi esclusivamente sulla lunghezza d'onda e sulla potenza nominale. Qualsiasi sostituzione richiede inoltre l'approvazione tecnica, poiché le caratteristiche ottiche e le condizioni di funzionamento potrebbero differire.

3. Fotodiodi

Come i fotodiodi trasformano la luce in segnali elettrici

Un fotodiodo è un rilevatore a semiconduttore che genera una corrente quando la luce raggiunge la sua giunzione attiva. L'intensità della corrente corrisponde generalmente alla potenza ottica incidente all'interno dell'intervallo spettrale specificato dal dispositivo.

I fotodiodi trovano impiego nelle comunicazioni ottiche, nella misurazione della luce, negli strumenti medici, nelle apparecchiature di sicurezza, negli encoder, nel rilevamento a infrarossi e nella rilevazione industriale. Spesso vengono abbinati a un amplificatore, poiché la corrente generata potrebbe essere troppo debole per essere elaborata direttamente.

Il circuito circostante è importante. La condizione di polarizzazione, la larghezza di banda dell'amplificatore, la capacità di ingresso, il rumore e il layout del circuito stampato possono tutti influire sulle prestazioni del rilevatore.

Fotodiodi PIN e fotodiodi a valanga

Un fotodiodo PIN presenta un’ampia regione intrinseca tra i suoi strati semiconduttori. È ampiamente utilizzato in applicazioni che richiedono bassa capacità, buona linearità e risposta rapida.

Un fotodiodo a valanga, o APD, fornisce un guadagno interno quando viene alimentato con una tensione di polarizzazione inversa più elevata. È in grado di rilevare segnali ottici più deboli, ma richiede un circuito di polarizzazione e di controllo più complesso. È necessario tenere conto del rumore, del comportamento termico e della tensione di rottura.

Un APD non dovrebbe essere considerato un sostituto diretto a maggiore sensibilità di un fotodiodo PIN.

Responsività, corrente oscura e tempo di risposta

La responsività indica la quantità di corrente elettrica generata da un fotodiodo in risposta a un dato segnale ottico in ingresso a una lunghezza d'onda specificata. La corrente oscura è la piccola corrente presente in assenza di illuminazione e può influire sulle misurazioni in condizioni di scarsa illuminazione. Il tempo di risposta o la larghezza di banda determinano la rapidità con cui il dispositivo è in grado di seguire un segnale ottico variabile.

I fotodiodi, i fototransistor e i fotoresistori non sono equivalenti:

Componente	Resistenza tipica	Limitazione tipica	Uso comune
Fotodiodo	Veloce e adatto a misurazioni precise	Spesso richiede un approfondimento	Comunicazione e strumentazione
Fototransistor	Maggiore sensibilità intrinseca	Di solito più lento di un fotodiodo	Rilevamento e commutazione
Fotoresistore	Interfaccia semplice basata sulla resistenza	Risposta lenta e ampia tolleranza	Controllo di base dell'illuminazione

Il componente sostitutivo dovrebbe tenere conto sia della topologia del circuito che delle specifiche ottiche.

4. Fototransistor

Un fototransistor utilizza la luce incidente per controllare la corrente del collettore. Il suo funzionamento come transistor garantisce un guadagno di segnale maggiore rispetto a un fotodiodo standard, il che lo rende utile quando la sensibilità è più importante rispetto a una velocità molto elevata o a una misurazione lineare.

Tra le applicazioni tipiche figurano il rilevamento di oggetti, i contatori, il rilevamento di posizione, gli interruttori ottici, i sistemi di sicurezza e l'automazione industriale. I fototransistor vengono inoltre spesso utilizzati come rilevatori all'interno di fotointerruttori e optoaccoppiatori di base.

Rispetto a un fotodiodo, un fototransistor fornisce solitamente un segnale elettrico di uscita più ampio, ma risponde più lentamente. La saturazione può prolungare ulteriormente il suo tempo di spegnimento. Ciò è importante negli encoder, nei contatori di impulsi e nei circuiti di comunicazione.

Prima dell'acquisto, verificare la sensibilità spettrale, la tensione collettore-emettitore, la corrente del collettore, la corrente di buio, i tempi di salita e di discesa, l'angolo di visione, il contenitore e la temperatura di funzionamento. Le condizioni di prova indicate nella scheda tecnica sono importanti perché i valori relativi alla sensibilità e ai tempi di commutazione non possono essere confrontati in modo equo quando i produttori utilizzano correnti, carichi o livelli di illuminazione diversi.

5. Optoaccoppiatori e optoisolatori

Come un optoaccoppiatore garantisce l'isolamento elettrico

Un optoaccoppiatore contiene una sorgente luminosa di ingresso, solitamente un LED, e un fotorilevatore di uscita all'interno di un unico contenitore. Il percorso ottico trasmette un segnale mantenendo la separazione elettrica tra i circuiti di ingresso e di uscita.

Questi dispositivi sono presenti in alimentatori, azionamenti per motori, sistemi di controllo industriale, interfacce di comunicazione, circuiti di retroazione e sistemi che richiedono il trasferimento di segnali tra diversi domini elettrici.

Le prestazioni di isolamento non dipendono solo dalla tensione indicata nel nome del prodotto. Gli ingegneri potrebbero dover valutare la tensione di esercizio, la tensione transitoria, la distanza di dispersione, la distanza isolante, la struttura dell’isolamento, l’immunità ai transitori in modo comune e le certificazioni di sicurezza applicabili.

Fototransistor vs. optoaccoppiatori logici ad alta velocità

Un dispositivo di tipo PC817 utilizza normalmente un'uscita a fototransistor. È adatto per operazioni di commutazione più lente, retroazione e isolamento in generale, dove il rapporto di trasferimento di corrente è importante.

Un optoaccoppiatore di tipo 6N137 utilizza un rilevatore integrato ad alta velocità e un'uscita logica. Vishay descrive la sua famiglia 6N137 come un optoaccoppiatore monocanale da 10 MBd con uscita a drain aperto. È destinato ad applicazioni quali l'isolamento dei bus digitali e le interfacce dei microprocessori. Il produttore Informazioni sul prodotto 6N137 dimostra inoltre perché è necessario verificare la struttura dei risultati e i requisiti logici.

Un PC817 e un 6N137 non devono essere scambiati tra loro semplicemente perché entrambi sono optoaccoppiatori. Il numero di pin, i requisiti di alimentazione, la velocità, gli stadi di uscita e le condizioni di impiego sono infatti diversi.

CTR, tensione di isolamento e velocità di commutazione

Nel caso di un optoaccoppiatore a fototransistor, il rapporto di trasferimento di corrente (CTR) descrive la relazione tra la corrente di collettore in uscita e la corrente del LED in ingresso nelle condizioni di prova specificate. Il CTR può variare in base alla classe, alla temperatura, alla corrente del LED e all'invecchiamento del dispositivo.

Gli optoaccoppiatori logici ad alta velocità vengono solitamente scelti in base alla velocità di trasmissione dei dati, al ritardo di propagazione, alla distorsione della larghezza d'impulso, al comportamento della soglia, al tipo di uscita e all'immunità ai transitori in modo comune.

La lista di controllo per gli acquisti dovrebbe includere:

• Codice articolo completo del produttore e categoria CTR
• Condizioni di corrente diretta in ingresso
• Tipo di uscita e requisiti di alimentazione
• Velocità di trasmissione dati o requisito relativo al tempo di commutazione
• Grado di isolamento e omologazioni applicabili
• Requisiti relativi alla distanza di isolamento e alla distanza di sicurezza
• Configurazione del pacchetto e dei pin
• Classe di temperatura
• Requisiti relativi a nastri, bobine, tubi o vassoi

Duolink include nella propria gamma di prodotti optoelettronici i componenti delle serie PC817, LTV-817, 6N137, TLP291-4 e VO615A. Per ogni richiesta è necessario verificare la disponibilità e i suffissi esatti.

6. Emettitori e ricevitori a infrarossi

Gli emettitori a infrarossi generano una luce generalmente invisibile all'occhio umano. I ricevitori rilevano il segnale a infrarossi e lo convertono in un segnale elettrico.

Trovano impiego nei telecomandi, nelle porte automatiche, nei contatori di oggetti, nei sensori di prossimità, nelle barriere fotoelettriche, nel rilevamento industriale e nella comunicazione ottica. Alcuni ricevitori sono semplici fotodiodi o fototransistor. Altri contengono filtri, amplificatori e circuiti di demodulazione.

La corrispondenza delle lunghezze d'onda tra emettitore e ricevitore è uno dei primi controlli da effettuare in fase di progettazione. Un emettitore a 850 nm e un ricevitore ottimizzato per un'altra regione spettrale potrebbero comunque mostrare una certa risposta, ma il sistema potrebbe perdere portata di rilevamento o margine di rumore. Un pacchetto di corrispondenza non garantisce la compatibilità spettrale.

Gli acquirenti dovrebbero confrontare la lunghezza d'onda di picco dell'emettitore con la curva di sensibilità spettrale del ricevitore. Dovrebbero inoltre verificare l'intensità radiante, l'angolo ottico, la corrente di pilotaggio, la sensibilità del rilevatore, il tempo di risposta, la reiezione della luce ambientale, l'orientamento del contenitore e la temperatura di funzionamento.

Di Duolink Pagina dedicata al LED a infrarossi SFH 4253 fornisce un esempio di emettitore a montaggio superficiale da 860 nm. Il progetto completo richiede ancora un ricevitore compatibile e un circuito di pilotaggio adeguato.

7. Sensori di luce ambientale e di prossimità

I sensori di luce ambientale misurano l'illuminazione circostante in modo che un controller possa regolare la luminosità del display, l'illuminazione, il consumo energetico o il funzionamento delle apparecchiature. I sensori integrati possono comprendere un fotorilevatore, circuiti di condizionamento del segnale, un convertitore da analogico a digitale e un'interfaccia digitale.

Tra le applicazioni figurano smartphone, tablet, display per autoveicoli, illuminazione intelligente, elettrodomestici, elettronica di consumo e apparecchiature di controllo industriale.

I sensori di prossimità spesso combinano un emettitore e un rilevatore a infrarossi. Il sensore misura la luce riflessa per determinare se è presente un oggetto. Il design dell'alloggiamento, la trasmissività del vetro di copertura, il colore del bersaglio, la distanza, l'allineamento e l'energia infrarossa ambientale possono influenzare il risultato.

Tra i parametri di selezione più importanti figurano la risposta spettrale, il campo di misura, la risoluzione, la tensione di alimentazione, l'interfaccia, il tempo di conversione, il contenitore, le funzioni di interruzione e la temperatura di funzionamento. Per i dispositivi digitali, sono importanti anche la mappa dei registri e la compatibilità software.

Il VEML7700, ad esempio, è un sensore di luce ambientale integrato dotato di interfaccia I²C. Il prodotto di Vishay pagina ufficiale del prodotto VEML7700 Prima di approvare un suffisso specifico, è necessario verificare la disponibilità delle schede tecniche e delle informazioni di progettazione aggiornate.

8. Fotoresistori e resistori fotosensibili

Un fotoresistore, detto anche resistore dipendente dalla luce o LDR, varia la propria resistenza al variare della luce incidente. La sua interfaccia intuitiva lo rende utile nei circuiti semplici di rilevamento della luce.

Tra le applicazioni più comuni figurano le lampade automatiche, gli esposimetri, i sistemi di allarme, i controlli della luminosità dei display, i giocattoli e il rilevamento di base della luce diurna. Un circuito divisore di tensione può essere sufficiente quando l’applicazione richiede solo di distinguere tra condizioni generali di luce e di buio.

Gli LDR sono solitamente più lenti dei fotodiodi e possono presentare ampie tolleranze da pezzo a pezzo. È necessario verificarne la resistenza, il comportamento di recupero, la risposta spettrale, gli effetti della temperatura e la conformità alle norme ambientali.

Un fotodiodo non è necessariamente migliore di un LDR. La scelta corretta dipende dal tipo di misurazione:

• Utilizzare un LDR quando il circuito richiede un rilevamento della luce semplice e a bassa velocità.
• Utilizzare un fotodiodo quando sono fondamentali velocità, ripetibilità, larghezza di banda o misurazioni ottiche calibrate.
• Utilizzare un sensore di luce ambientale integrato quando il sistema richiede un valore digitale, una risposta spettrale controllata o una più facile integrazione con il processore.

Una sostituzione tra questi tipi richiede solitamente una modifica del circuito.

9. Fotocellule e sensori ottici a riflessione

Un fotointerruttore combina solitamente un emettitore a infrarossi e un fototransistor o un fotodiodo in un unico contenitore. Questa geometria fissa riduce il lavoro di allineamento e rende il componente adatto all'impiego in sistemi meccanici compatti.

In un fotointerruttore a fessura, l'emettitore e il rilevatore sono posizionati sui lati opposti di una fessura. Una bandierina in movimento, il bordo di un foglio di carta, un ingranaggio o una ruota di un encoder interrompono il raggio. Tra le applicazioni figurano il rilevamento della carta nella stampante, il rilevamento della posizione del motore, i meccanismi rotanti, il conteggio di oggetti e il rilevamento dei finecorsa.

In un sensore ottico a riflessione, l'emettitore e il rilevatore si trovano sullo stesso lato. Il sensore rileva la luce riflessa da un bersaglio vicino. Le prestazioni possono variare in base alla distanza dal bersaglio, al colore della superficie, alla sua struttura, all'angolo di incidenza e alla luce ambientale.

Per entrambi i tipi, verificare la larghezza dello slot o la distanza di rilevamento, le dimensioni meccaniche, la lunghezza d'onda, l'uscita del rilevatore, i valori nominali di corrente, il tempo di commutazione, il metodo di montaggio e la temperatura di esercizio. L'ingombro sul PCB da solo non garantisce la compatibilità meccanica.

Il Interruttore ottico a fessura OPB817Z è un esempio di dispositivo con uscita a fototransistor utilizzato per il rilevamento basato su interruzioni.

10. Display optoelettronici

I display optoelettronici convertono i segnali elettrici in informazioni visibili. Questo gruppo comprende display a LED singoli, display a sette segmenti, display a matrice di punti e moduli di visualizzazione.

Vengono utilizzati nei quadri di comando industriali, negli strumenti di misura, negli elettrodomestici, nei prodotti di consumo, nei cruscotti delle automobili e nelle apparecchiature mediche. Un display a sette segmenti può visualizzare un semplice valore numerico, mentre un dispositivo a matrice di punti è in grado di riprodurre caratteri o grafici di base.

I responsabili degli acquisti non dovrebbero valutare un display solo in base alle sue dimensioni e al suo colore. I seguenti dettagli possono determinare la compatibilità:

• Configurazione ad anodo comune o a catodo comune
• Numero e disposizione dei segmenti
• Tensione diretta e corrente di segmento
• Colore e lunghezza d'onda dominante
• Intensità luminosa
• Requisiti di multiplexing
• Disposizione dei pin
• Angolo di visione
• Altezza dei caratteri e dimensioni meccaniche
• Temperatura di esercizio
• Compatibilità con i driver

I display che sembrano identici visti frontalmente possono presentare configurazioni dei pin o collegamenti interni diversi. Richiedere un disegno e la scheda tecnica aggiornata prima di approvare un'alternativa può evitare problemi relativi al PCB e al firmware.

Confronto rapido dei componenti optoelettronici

Componente	Funzione principale	Parametri di selezione importanti
LED	Emette luce visibile o infrarossa	Lunghezza d'onda, corrente, intensità, angolo
Diodo laser	Produce luce coerente concentrata	Lunghezza d'onda, potenza ottica, corrente di soglia
Fotodiodo	Rileva la luce ad alta velocità	Responsività, corrente oscura, larghezza di banda
Fototransistor	Rileva la luce con guadagno interno	Sensibilità, tempo di commutazione, corrente oscura
Optoaccoppiatore	Trasmette un segnale attraverso un isolamento	CTR o velocità di trasmissione, isolamento, tipo di uscita
Emittente e ricevitore a infrarossi	Trasmette e rileva segnali a infrarossi	Corrispondenza spettrale, intensità, sensibilità
Sensore di luce ambientale	Misure relative alla luce	Campo, risoluzione, interfaccia, risposta spettrale
Fotoresistore	Cambia la resistenza in base alla luce	Resistenza alla luce/all’oscurità, tempo di risposta
Fotointerruttore	Rileva movimenti o ostacoli	Slot, distanza di rilevamento, uscita, velocità
Visualizza	Presenta informazioni visibili	Configurazione, piedinatura, intensità, dimensioni

Conclusione

La categoria optoelettronica comprende sia dispositivi di emissione che di rilevamento della luce, nonché dispositivi integrati che utilizzano la luce per isolare, rilevare, comunicare o visualizzare informazioni. La scelta del tipo corretto è solo l'inizio. È necessario che anche il codice articolo completo del produttore, le caratteristiche ottiche, i valori nominali elettrici, il contenitore, l'intervallo di temperatura e i requisiti applicativi siano compatibili.

Quando si acquista un componente optoelettronico, è necessario specificare il produttore, il codice articolo completo, la quantità richiesta, il tipo di confezione, l'applicazione prevista, la temperatura di funzionamento ed eventuali requisiti relativi a lunghezza d'onda, velocità, isolamento o documentazione.

Duolink Electronics è un fornitore indipendente di componenti elettronici che offre assistenza per richieste relative ai codici articolo, approvvigionamento di distinte base, verifiche di disponibilità e ricerca di componenti difficili da reperire. Gli acquirenti possono contatta Duolink Electronics insieme ai relativi dettagli tecnici e di acquisto, affinché possano essere esaminati.

Domande frequenti

Che cos’è un componente optoelettronico?

Un componente optoelettronico produce, rileva, controlla o converte la luce. Tra gli esempi più comuni figurano i LED, i fotodiodi, i fototransistor, gli optoaccoppiatori, i sensori ottici, i fotointerruttori e i display.

Un fototransistor può sostituire un fotodiodo?

Di solito non senza un'analisi del circuito. Un fototransistor offre un guadagno di corrente interno, ma è generalmente più lento e meno lineare. Un fotodiodo può richiedere un amplificatore separato, ma è più adatto al rilevamento ottico veloce o preciso.

È possibile sostituire tra loro gli optoaccoppiatori PC817 e 6N137?

No. Un dispositivo di tipo PC817 presenta normalmente un'uscita a fototransistor, mentre un dispositivo di tipo 6N137 utilizza un rilevatore logico ad alta velocità. La loro configurazione dei pin, i requisiti di alimentazione, le velocità di commutazione e i circuiti di uscita sono diversi.

Perché un emettitore a infrarossi deve avere la stessa lunghezza d'onda del ricevitore?

La sensibilità di un ricevitore varia lungo lo spettro ottico. Allineando la lunghezza d'onda di picco dell'emettitore con la risposta spettrale del ricevitore si migliorano l'intensità del segnale, la portata di rilevamento e il margine di rumore.

Quali informazioni devono essere incluse in una richiesta di offerta (RFQ) relativa a un componente optoelettronico?

Indicare il codice articolo completo del produttore, il nome del produttore, la quantità, la confezione, la lunghezza d'onda o il colore richiesto, il grado di temperatura, i requisiti ottici ed elettrici, l'applicazione prevista, le preferenze relative all'imballaggio e le esigenze in materia di documentazione.

Due componenti optoelettronici con lo stesso contenitore possono essere intercambiabili?

Il fatto che si tratti dello stesso pacchetto non garantisce la compatibilità funzionale. È necessario confrontare la configurazione dei pin, la lunghezza d'onda, i valori nominali elettrici, la potenza ottica in uscita o la sensibilità, il tempo di risposta, l'interfaccia, l'intervallo di temperatura e lo stato di qualificazione. Prima di utilizzare un prodotto alternativo, è necessario ottenere l'approvazione tecnica.