Conceptos de electrónica

Clasificación de los transductores según la variable física a medir

Temperatura:

• RTD: Sensor de tipo resistivo y que varía su resistencia según la temperatura. Actúa como un metal, por lo tanto tiene coeficiente de temperatura positivo.
  Es un sensor muy lineal, repetibilidad alta y presentan un error del 0,1% a 1%.
  La sensibilidad es 10 veces mayor a los termopares, y 10 veces menor que los termistores.
• TERMISTORES: Son semiconductores sensibles a la T. Se consigue actuando sobre la movilidad de los semiconductores.
  Hay de 2 tipos: NTC (coeficiente de temperatura negativo) y PTC (coeficiente de temperatura positivo).
  Las NTC son incluso más alineales que las PTC.
  Tienen una alta sensibilidad (10+ que las RTD), presenta una resistencia muy alta a la temperatura de trabaja, bajo calentamiento y son económicos.
  Son no-lineales. Presentan una disparidad de valores ente el mismo componente de la misma familia.
• TERMOPAR: Son sensores generadores y se basan en el efecto Peltier y del efecto Seebeck.
  Se basan en que dos metales homogéneos, A y B, con dos uniones a diferente temperatura, aparecerá una corriente eléctrica.
• PIROELECTRICOS: Son sensores generadores. Aparecen cargas superficiales en una dirección determinada cuando el material experimenta un cambio de temperatura. Estas cargas son debidas al cambio de su polarización espontánea al variar la temperatura.

Osciladores de Cuarzo

• UNIONES P-N: DIODO, TRANSISTORES, dada sus características estáticas, la movilidad de los semiconductores variará a la temperatura variando la corriente que circule por ella.

Distancia, desplazamiento o posición:

• POTENCIOMETROS: Es un sensor de tipo resistivo. Básicamente es un resistor con un contacto móvil deslizante o giratorio. Y según el ángulo girado o la distancia recorrida x la resistencia entre el contacto móvil y uno de los terminales varía.
• GALGAS: Se basan en la variación de resistencia de un conductor o un semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico.
• Si se le somete a un esfuerzo en dirección longitudinal, cada una de las tres magnitudes que intervienen en el valor de R experimenta un cambio, por lo tanto, R también cambia la forma.
• MAGNETORRESISTENCIAS: Si se le aplica un campo eléctrico a un conductor por el que circula una corriente eléctrica, dependiendo de la dirección del campo, además de la tensión de Hall hay una reducción de la corriente al ser desviados algunos electrones de su trayectoria.
• CONDENSADOR DIFERENCIAL: Sensor de tipo capacitivo. Consiste en dos condensadores variables dispuestos físicamente de tal modo que experimenten el mismo cambio pero en sentidos opuestos.
• LVDT: Sensor inductivo. Es un transformador diferencial de variación lineal. Se basa en la variación de la inductancia mutua ente un primario y cada uno de los secundarios al desplazarse a lo largo de su interior un núcleo de material ferromagnético, arrastrado por un vástago no ferromagnético, unido a la pieza cuyo movimiento se desea medir.
• CORRIENTES DE FOUCAULT: Sensor inductivo. La impedancia de una bobina por la que circula una corriente alterna queda alterada si se introduce una superficie conductora dentro de su campo magnético. Ello es debido a que se inducen corrientes de Foucault en la superficie que crean su propio campo magnético, opuesto al de la bobina. Cuanto más próximas estén la bobina y la superficie, mayor es el cambio de impedancia.

RESOLVER

• EFECTO HALL: Sensor inductivo. Consiste en la aparición de una diferencia de potencial transversal en un conductor o semiconductor, por el que circula corriente, cuando hay un campo magnético aplicado en dirección perpendicular a ésta.
• CODIFICADOR INCREMENTAL: Es un sensor digital. Hay un elemento lineal o un disco con poca inercia que se desplaza solidario a la pieza cuya posición se desea determinar.
• CODIFICADOR ABSOLUTO: Sensor digital. Ofrecen a su salida una señal codificada correspondiente a la posición de un elemento móvil, regla o disco, con respecto a una referencia interna.
• FOTOELÉCTRICOS: Basada en uniones p-n.
• REFLEXIÓN: Por ultrasonidos.

Velocidad:

• LEY FARADAY: Sensor inductivo. En un circuito con N espiras que abarque un flujo magnético, si éste varía con el tiempo se induce en él una tensión o fuerza electromotriz e.
• CODIFICADORES INCREMENTALES
• EFECTO DOPPLER

Atmel amplía la vida de la batería con sus nuevos MCU AVR picoPower

Esta tecnología reduce el consumo a 650 nA en modo power-save y a 100 nA en power-down
Artículo realizado por el Dpto. Técnico de ATMEL Anatronic, S.A.
Atmel® Corporation, empresa representada en España por Anatronic, S.A.,ha anunciado los primeros microcontroladores AVR® en incorporar una tecnología de ahorro de energía que ofrece vida de batería de varios años en control de iluminación, seguridad, entrada sin llave, ZigBee™ y otras aplicaciones que pasan la mayoría de su tiempo en modo ‘sleep’. La tecnología picoPower™ reduce el consumo ‘power-save’ a sólo 650 nA, incluso con el reloj operando a 32 kHz y detección superior ‘brown-out’, lo que supone la menor cifra de la industria.

Nuevos dispositivos Los dos dispositivos picoPower disponibles son el ATmega169P con controlador LCD de 4 X 25 segmentos, y el microcontrolador de propósitos generales ATmega165P. Ambos modelos tienen 16 Kbytes de memoria Flash, 512 bytes de EEPROM  y 1Kbytes de SRAM. También se caracterizan por un ADC de 10 bit, USART, SPI Two-Wire-Interface y operación de 1.8 a 5.5 V con rendimiento de hasta 16 MIPS. La compañía incorporará otros catorce microcontroladores AVR picoPower en los próximos doce meses. Los dispositivos picoPower consumen menos de 340 µA en modo activo, 150 µA en modo parado a 1 MHz, 650 nA en modo ‘power-save’ y 100 nA en modo ‘power-down’, siendo compatibles en pines, prestaciones y código con la gama AVR existente en el mercado.

Nuevas aplicaciones

Según Asmund Saetre, Responsable de Marketing de AVR de Atmel, “las baterías ‘multi-year’ se están convirtiendo en una exigencia para una amplia variedad de aplicaciones. A la gente no le gusta la idea de tener que cambiar la batería en su llave de coche o sistema HVAC doméstico. La duración de la pila es tan importante que forma parte de la especificación ZigBee.
Los productos ZigBee deben poseer una vida de batería de al menos dos años para obtener la certificación”.
“Los sistemas para los que se ha desarrollado picoPower comparten un atributo: pasan la mayor parte del tiempo sin hacer nada, pero tienen características que consumen energía innecesaria incluso en modo ‘sleep’. Aunque se ahorren nanoamperios por aquí y por allí, esto no parece ser esta la mejor solución en sistemas que suelen permanecer inactivos. La mejora en el consumo en modo ‘sleep’ puede aumentar en años la duración de la batería del producto final. Por lo tanto, Atmel se ha centrado en la eliminación o reducción drástica del consumo de osciladores, detectores ‘brown-out’, fuga de pines I/O, y cómo lograr MCU con la menor potencia del mercado”, concluye Saetre.

Nueva Tecnología

La tecnología picoPower de Atmel utiliza una amplia variedad de técnicas innovadoras que eliminan el consumo innecesario en modos ‘power-down’. Estas incluyen un oscilador de cristal de 32 kHz de potencia ultra baja, inutilización y reconexión automática de circuitería de detección ‘brown out’ (BOD) durante modos ‘sleep’, un registrador de reducción de potencia que reduce la energía de los periféricos, y registradores de inutilización de entrada digital que desconectan las entradas digitales a pines específicos.

Reloj en tiempo real (RTC) de 300 nA y 32 kHz

Muchos sistemas deben mantener un registro del tiempo incluso cuando están apagados. Atmel ha optimizado su oscilador de cristal de 32 kHz para reducir el consumo total de potencia del dispositivo con un RTC de sólo 650 nA.

BOD preciso de 2 µS con modo ‘sleep’

Los detectores Brown-Out (BOD) revelan cuando la fuente de alimentación se encuentra por debajo del límite requerido para la operación y, entonces, realiza un power-on-reset para proteger datos valiosos. Sin esta protección, un fallo podría cuasar un daño catastrófico en el controlador e inutilizarlo.
La precisión de los BOD es directamente proporcional a la corriente que consumen. Los BOD de baja o cero potencia tienden a ser lentos e imprecisos, mientras que los dispositivos rápidos consumen mucha más energía.

Como los BOD suelen permanecer en modo ‘sleep’, representan una disminución de la vida de la batería. Por consiguiente, muchos vendedores de MCU de ultra baja potencia sacrifican precisión y velocidad para reducir el consumo de corriente.
Atmel ha llevado a cabo una nueva solución, creando un BOD con la corriente suficiente para ofrecer detección precisa a 1.8, 2.7 y 4.5 V con un tiempo de respuesta de 2 microsegundos. La potencia se reduce al desactivar automáticamente el BOD durante modo ‘sleep’ y se activa cuando el controlador “se despierta”, antes de ejecutar cualquier instrucción. Este modelo dota de protección superior con menos pérdida de energía.

Registradores de Desactivación de Entrada Digital

Los MCU con baja cantidad de pines suelen combinar conversión analógica a digital (ADC) e IO digital en los mismos pines. Esto lleva a tener que controlar la corriente mediante el buffer IO digital. Atmel ha solventado este problema con un registrador de desactivación de entrada (DIDR) que permite al software desconectar todos los buffers digitales de las entradas que se utilizan para lecturas ADC.

Registrador de Reducción de Potencia

Un registrador de reducción de potencia (PRR) en MCU AVR picoPower contiene los bit de control para desactivar toda la distribución de reloj de módulos periféricos poco utilizados. El registrador de reducción de potencia es controlado por el software, permitiendo al usuario encender o apagar los módulos periféricos en cualquier momento.

El estado de corriente se “congela” y todos los registradores I/O permanecen inaccesibles cuando el módulo periférico está desconectado por el registrador de reducción de potencia. Cuando se restablece la conexión, el módulo periférico continúa en el mismo estado que antes del “parón”. La desactivación de un módulo periférico conlleva una reducción de entre el 5 y el 10% de todo el consumo de potencia en modo activo y entre el 10 y el 20% de todo el consumo en modo parado.

Técnicas clock-gating

Atmel también ha implementado técnicas clock-gating configurables que dividen al reloj en partes del circuito cuando no son requeridas. Después de la reactivación, el módulo reinicia en el mismo estado en que se encontraba. Las técnicas clock-gating también se pueden emplear para reducir el ruido y mejorar el rendimiento ADC en situaciones que requieren mediciones con mayor resolución.  

Flash y frecuencias bajas de reloj

Los MCU convencionales dejan Flash en modo activo, causando un consumo innecesario de energía estática con frecuencias operativas bajas de unos pocos MHz. Los microcontroladores AVR utilizan una técnica denominada “Flash sampling” que permite que la memoria Flash, durante unos pocos nanosegundos, muestra su contenido y entonces se desconecte inmediatamente, reduciendo así la fuga de energía.
Los modelos ATmega165P y ATmega169P se encuentran disponibles en encapsulados TQFP y QFN de 64 pines.  

Contactor

El contactor es un interruptor accionado o gobernado a distancia por un electroimán.

Partes constitutivas:

1-Se denomina corriente de llamada a la corriente que acciona el electroimán. La corriente absorbida
por la bobina es relativamente elevada debido a que prácticamente la única resistencia es el conductor con que está hacha la bobina. En estas condiciones, el Cos j es alto (0,8 a 0,9) y la reactancia inductiva muy baja por existir mucho entrehierro entre el núcleo y la armadura.
Una vez cerrado el circuito magnético la impedancia de la bobina aumenta, de manera tal que la corriente de llamada se reduce considerablemente. La corriente formada se la denomina de mantenimiento o trabajo. Ésta es mucho más baja – de 6 a 10 veces con un Cos j más bajo, pero con capacidad para mantener el circuito cerrado.

2-El núcleo es una parte metálica, de material ferromagnético y generalmente en forma de E, y que va
fija a la carcasa.
Su función es concentrar y aumentar el flujo magnético que genera la bobina – colocada en la columna central del núcleo – para atraer con mayor eficiencia laarmadura. Se construye con una serie de láminas delgadas, de acero al silicio con la finalidad de reducir al máximo las corrientes parásitas, aisladas entre sí pero unidas fuertemente por remaches. El magnetismo remanente se elimina completamente por medio de la inserción de un material paramagnético, complementando al pequeño entrehierro.
Cuando se alimenta a la bobina con, el núcleo debe llevar un elemento adicional llamado espira de sombra
o anillo de desfasaje. Este elemento, al estar desfasado de la onda principal, suministra al circuito magnético un flujo adicional creando una especie de CC. Esto evita ruidos y vibraciones, evitando la elevación la corriente de mantenimiento.
Los contactos son elementos conductores que tienen por objeto establecer o interrumpir el paso de la corriente, ya sea en el circuito de potencia o en el de mando, tan pronto como se energice la bobina.
Éstos se pueden dividir en contactos principales y contactos auxiliares.

Contactos Principales:

Son contactos instantáneos cuya función específica es establecer o interrumpir el circuito principal, a través del cual se transporta la corriente desde la red a la carga, por el cual deben estar debidamente calibrados y dimensionados para permitir el paso de intensidades requeridas por la carga sin peligro de deteriorarse. Por su función, son contactos únicamente abiertos.
Cuando un contactor bajo carga se desenergiza produce una chispa, de manera que aunque la parte móvil se
haya separado de la fija, el circuito no se interrumpe inmediatamente. Por eso, y más al trabajar con intensidades muy altas, se necesita de una cámara apagachispas, la cual tiene como función evitar la formación de arco o la propagación del mismo de distintos sistemas.
Soplado por autoventilación:
la cámara se construye de tal manera que presenta una abertura grande un la parte inferior y una pequeña en la parte superior, produciendo una especie de chimenea, la cual enfría el aire alrededor de la chispa, apagándola rápidamente.
Soplomagnético:
se canaliza el campo eléctrico formado para aumentar el arco y así poder aumentar también la resistencia, evitando que la corriente pase.
Baño de aceite:
Si la chispa no se extingue se produce el arco, por eso, en este sistema se sumerge la cámara apagachispas en un baño de aceite dieléctrico que absorbe el calor, evitando la formación del arco.
Cámara desionizadora:
son cámaras en donde sus paredes se recubren con láminas metálicas para que absorban el calor producido actuando como disipadores, de esta manera el aire no se ioniza y no forma el arco.
Transferencia y fraccionamiento del arco:
consiste en dividir el arco en muchos arcos más pequeños, de tal manera que su extinción sea más rápida y sencilla.
Contactos Auxiliares:
Son aquellos contactos cuya función específica es permitir o interrumpir el paso de corriente a las bobinas de los contactos o a los elementos de señalización, por lo cual están diseñados para intensidades débiles.
Éstos actúan tan pronto se energiza la bobina a excepción de los retardados.
Existen dos clases:

• Contactos NA: llamados también instantáneos de cierre, cuya función es cerrar un circuito cuando se energiza la bobina del contactor al cual pertenecen.
• Contactos NC: llamados también de instantáneos apertura, cuya función es abrir un circuito cuando se energiza la bobina del contactor al cual pertenecen.

Un contactor debe llevar necesariamente un contacto auxiliar instantáneo NA

Uno de los contactos auxiliares NA debe cumplir la función de asegurar la autoalimentación de la bobina,
por lo cual recibe el nombre específico de auxiliar de sostenimiento o retención.
Existen contactores que tienen únicamente contactos auxiliares, ya sean NA, NC o NA y NC. Estos se los llama contactores auxiliares o relés.
Cuando un contactor no tiene el número suficiente de contactos auxiliares se puede optar por Bloques aditivos o Contactores auxiliares
Para identificar a un contacto auxiliar, a pesar de las marcas del fabricante se utiliza un sistema de números:
Si son NC, la entrada es (11, 21, 31, 41...) y la salida (12, 22, 32, 42...)
Si son NA, la entrada es (13, 23, 33, 43...) y la salida (14, 24, 34, 44...)

Funcionamiento:

Cuando la bobina es recorrida por la corriente eléctrica, genera un campo magnético intenso, de manera que
el núcleo atrae con un movimiento muy rápido. Al producirse este movimiento, todos los contactos del contactor (tanto principales como auxiliares) cambien de posición solidariamente:
Los contactos cerrados se abren y los abiertos se cierren. Para volver los contactos a su posición inicial reposo basta con desenergizar la bobina.
Clasificación:
Se los puede clasificar en:

• Por tipo de corriente que alimenta la bobina: AC o DC
• Por la función y la clase de contactos:
• Contactores principales (con contactos principales y auxiliares)
• Contactores Auxiliares (con contactos únicamente auxiliares)
• Por la carga que pueden maniobrar (o categoría de empleo): Se tiene en cuenta la corriente que el contactor debe establecer o cortar durante las maniobras.

Para ello se toman en cuenta el tipo de carga que controla y las condiciones en las cuales se efectúan los cortes:

• AC1: cargas no inductivas o débilmente inductivas, cuyo factor de potencia es mínimo 0,95.
• AC2: para arranques de motores de anillos, inversión de marcha, frenado por contracorriente, marcha a impulsos de motores de anillos, cuyo factor de potencia es de 0,3 a 0,7.
• AC3: para el control de motores jaula de ardilla que se apagan a plena marcha y que en el arranque consumen de 5 a 7 veces la intensidad normal.
• AC4: Arranque de motores de rotor en cortocircuito, inversión de marcha, marcha a impulsos, frenado por contracorriente.

Ventajas:

Control y automatización de equipos y máquinas con procesos complejos, con la ayuda de los aparatos auxiliares de mando como los interruptores de posición, detectores, presostatos, etc.

Automatización en el arranque y paro de motores.

Posibilidad de maniobrar circuitos sometidos a corrientes muy altas mediante corrientes débiles.

Posibilidad de controlar completamente una máquina desde varios puntos de maniobra (estaciones).

Ahorro de tiempo al realizar maniobras prolongadas.

Criterios de elección:

Para elegir al contactor adecuado hay que tener en cuenta lo siguiente:

Tipo de corriente, tensión y frecuencia de alimentación de la bobina.

Potencial nominal de la carga.

Condiciones de servicio: ligera, normal, dura, extrema.

Frecuencia de maniobra, robustez mecánica y robustez eléctrica.

Si es para el circuito de potencia o de mando y el número de contactos auxiliares que necesita.

Posición del funcionamiento del contactor vertical u horizontal.

Categoría de empleo o clase de carga.
Causas de deterioro o daño:
Cuando un contactor o no funciona o funciona en forma deficiente, lo primero que debe hacerse es revisar el circuito de mando y de potencia verificando el estado de los conductores y de las conexiones.
Otras partes del contactor que suelen sufrir daño o desgaste son:

La bobina:

Por utilizar más o menos corriente de la especificada por el fabricante

El núcleo o la armadura:

Cuando no se juntan o lo hacen, pero de manera ruidosa es necesario verificar la tensión en la bobina,
que no sea menor a la especificada, que los muelles estén vencidos o muy tensos o la presencia de cuerpos extraños en el entrehierro.
Los contactos:
Su deterioro prematuro ocurre cuando circula a través de ellos corrientes superiores a las que fueron diseñados. De tal manera que conviene revisar: Si se eligió bien el contactor (que corresponda a la potencia nominal del motor), pero si el contactor el es adecuado el daño puede tener su origen en el circuito de mando o por caídas de tensión, cortes de tensión y microcortes.

Diodo Laser

Los Diodos láser, emiten luz por el principio de emisión estimulada, la cual surge cuando un fotón induce a un electrón que se encuentra en un estado excitado a pasar al estado de reposo, este proceso esta acompañado con la emisión de un fotón, con la misma frecuencia y fase del fotón estimulante. Para que el numero de fotones estimulados sea mayor que el de los emitidos de forma espontánea, para que se compensen las perdidas, y para que se incremente la pureza espectral, es necesario por un lado tener una fuerte inversión de portadores, la que se logra con una polarización directa de la unión, y por el otro una cavidad resonante, la cual posibilita tener una trayectoria de retroalimentación positiva facilitando que se emitan mas fotones de forma estimulada y se seleccione ciertas longitudes de onda haciendo mas angosto al espectro emitido.

La presencia de una inversión grande de portadores y las propiedades de la cavidad resonante hacen que las características de salida (potencia óptica como función de la corriente de polarización) tenga un umbral a partir del cual se obtiene emisión estimulada, el cual es función de la temperatura.

Un diodo láser es diferente en este aspecto, ya que produce luz coherente lo que significa que todas las ondas luminosas están en fase entre sí. La idea básica de un diodo láser consiste en usar una cámara resonante con espejos que refuerza la emisión de ondas luminosas a la misma frecuencia y fase. A causa de esta resonancia, un diodo láser produce un haz de luz estrecho que es muy intenso, enfocado y puro.

El diodo láser también se conoce como láser semiconductor o también conocidos como láseres de inyección, Estos diodos pueden producir luz visible (roja, verde o azul) y luz invisible (infrarroja).

Se usan en productos de consumo y comunicaciones de banda ancha.

APLICACIÒN BÀSICA

La aplicación básica que se le ha dado al diodo LASER es como fuente de alimentación lumínica para sistemas de telecomunicaciones vía fibra óptica. El diodo láser es capaz de proporcionar potencia óptica entre 0.005-25mW, suficiente para transmitir señales a varios kilómetros de distancia y cubren un intervalo de longitud de onda entre 920 y 1650 nm. Sin embargo para utilizar un diodo láser como fuente lumínica, es necesario diseñar un sistema de control que mantenga el punto de operación del sistema fijo, debido a que un corrimiento de este punto puede sacar al diodo fuera de operación o incluso dañarlo.

CARACTERISTICAS BASICAS

Característica de salida de los diodos láser Dependencia de la característica de salida como Función de la temperatura

Los diodos láser son más recomendables como fuentes ópticas para sistemas de comunicación con grandes separaciones entre repetidores y altas velocidades de transmisión. Se puede lograr distancias de 100Km sin repetidores con velocidades de 1 GHz.

Diferencias del diodo láser con un diodo LED.

LASER	LED
*Más rápido	*Mayor estabilidad térmica
*Potencia de salida mayor	*Menor potencia de salida, mayor tiempo de vida
*Emisión coherente de luz	*Emisión incoherente
*Construcción es más compleja	*Mas económico
*Actúan como fuente s adecuadas en sistemas de telecomunicaciones	Se acoplan a fibras ópticas en distancias cortas de transmisión
*Modulación a altas velocidades, hasta GHz	*Velocidad de modulación hasta 200MHz

Ventajas del diodo láser con un diodo LED

• La emisión de luz es dirigida en una sola dirección: Un diodo LED emite fotones en muchas direcciones. Un diodo láser, en cambio, consigue realizar un guiado de la luz preferencial una sola dirección.
  
• La emisión de luz láser es monocromática: Los fotones emitidos por un láser poseen longitudes de onda muy cercanas entre sí. En cambio, en la luz emitida por diodos LED, existen fotones con mayores dispersiones en cuanto a las longitudes de onda.
  

Con el láser se pueden conseguir rayos de luz monocromática dirigidos en una dirección determinada. Como además también puede controlarse la potencia emitida, el láser resulta un dispositivo ideal para aquellas operaciones en las que sea necesario entregar energía con precisión.

Un diodo láser requiere de una fuente de alimentación de 100 a 200 mW. Se les hizo funcionar primero en el modo de pulsos en 1962. Luego se usaron en operación en onda continua (OC) en los años setentas.
Los diodos láser han tenido uso extenso como emisores en comunicación por fibras ópticas de alcance corto y largo, y como sensores en los reproductores de discos de compactos (DC). Los diodos láser se modulan con facilidad, conmutando la corriente de entrada a conectado y desconectado

Los diodos láser de un solo modo, capaces de emitir de 20 a 50 mW, tienen demanda para grabación óptica, impresión a alta velocidad, sistemas de distribución de datos, transmisión de datos y comunicaciones espaciales entre satélites en órbita.

COMPOSICION QUIMICA DE UN DIODO LASER DE ESTADO SÓLIDO

El funcionamiento del diodo láser lo determinan su composición química y su geometría.

Todos los diodos son, en esencia, estructuras de varias capas, formadas por varios tipos diferentes de material semiconductor. Los materiales son contaminados con impurezas por medio de químicos, para darles ya sea un exceso de electrones (Tipo N) o un exceso de vacantes de electrones (Tipo P).

Los diodos láser que emiten en la región 0.78 a 0.9 micrón, están formados por capas de arseniuro de galio (GaAs) y arseniuro de aluminio y galio (ALGaAs) desarrollado sobre un subestrato de GaAs. Los dispositivos para longitud de onda mayor, que emiten a 1.3 a 1.67 micrones, se fabrican con capas de arseniuro fosfuro de indio y galio (InGaASP) y fosfuro de indio (InP), desarrollado sobre un subestrato de InP.

La ilustración muestra las características estructurales comunes a todos los diodos láser de onda continua (OC). La base del diodo es un subestrato formado por GaAs o InP, tipo N, con alta impurificación. Sobre la parte superior del subestrato, y a manera de descubrimiento, se desarrolla una capa plana más ligera del mismo material, Tipo N y con impurificación. Sobre la capa de recubrimiento tipo N se desarrolla una capa activa de semiconductor (AlGaAs o InGaAsP) sin impurificaciones. Después, sobre la capa activa de tipo P, con alto grado de impurificación.

Cuando pasa la corriente por los contactos metálicos los electrones inyectados desde la capa tipo N y los huecos inyectados desde la capa tipo P se recombinan en el área activa delgada, y emiten luz. La luz viaja hacia atrás y hacia delante entre las facetas parcialmente reflectantes de los extremos del diodo. La acción lasérica comienza al incrementarse la corriente. La ganancia óptica en viaje redondo debe superar las pérdidas debidas a absorción y dispersión que se dan en la capa activa, para sostener dicha acción.

Muchos diodos láser tienen una capa delgada de oxido, depositada sobre la parte superior de la capa de cubierta final tipo P. En esta capa de oxido se hace un ataque químico de manera que pueda formarse una cinta metálica de contacto en receso de poca profundidad, longitudinalmente a lo largo de la superficie superior del diodo. El índice de refracción de la capa activa es mayor que el del material tipo P y del material tipo N (las capas de recubrimiento) que están arriba y abajo de ésta. Como resultado, la luz es atrapada en una guía dieléctrica de ondas formada por las dos capas de recubrimiento y la capa activa, y se propaga en ambas, la capa activa y las de recubrimiento.

El haz de luz que emerge del diodo láser forma una elipse vertical (en sección transversal), aunque la región lasérica es una elipse horizontal. La luz que se propaga dentro del diodo, se extiende hacia afuera en forma transversal (verticalmente) desde las capas de recubrimiento superior e inferior.
Cuando el diodo está funcionando en el modo fundamental, el perfil de intensidad de su haz emitido en el plano transversal, es una curva de Gauss de forma acampanada.

En el láser se amplifica la luz al viajar hacia atrás y hacia adelante en la dirección longitudinal, entre las facetas de cristal de cada extremo del diodo. Los modos resonantes que se extienden en dirección perpendicular a la unión PN, se llaman modos transversales. La inyección de electrones y huecos en la capa activa situada abajo de la cinta metálica de contacto, altera el índice de refracción de la capa activa, y confina la luz lateralmente para que no se disperse hacia afuera, hacia ambos lados del centro de la capa activa.

ALGO MÁS ACERCA DE LOS DIODOS LASER

En un láser semiconductor, la ganancia es aportada por una corriente de inyección. De esta manera, los pares electrón-hueco dan la inversión de población necesaria para la emisión láser. La recombinación estimulada lleva a la amplificación de la luz, generando fotones con la misma dirección de propagación, polarización, frecuencia y fase que el fotón que ha inducido la recombinación.
Los pares electrón-agujero deben estar confinados en una zona estrecha para mantener la inversión de población a un nivel elevado. Si no es así, hay que suministrar inyecciones de corriente demasiado grandes al diodo para obtener emisión láser. Por simplicidad, los pares electrón-hueco se llaman portadores, y la vida media de los portadores es el tiempo medio que tardan los portadores en recombinar.

La sencilla unión p-n, resultado del crecimiento en el mismo sustrato, pero con diferentes niveles de dopaje, no es capaz de conseguir el confinamiento necesario, porque la anchura de la región en que los portadores están confinados aumenta debido a la difusión de los portadores. El problema de la difusión de los portadores puede resolverse parcialmente usando heterostructuras.
Dos tipos diferentes de estructuras pueden analizarse dependiendo del mecanismo de confinamiento lateral de los portadores. En láseres semiconductores guiados por la ganancia, no se incorpora ningún confinamiento añadido, y el perfil de la ganancia viene determinado esencialmente por la región con corriente de inyección y efectos difusivos.

En los láseres guiados por el índice, la región activa está rodeada lateralmente por material con un índice de refracción menor. En estos dispositivos, se consigue un nivel de confinamiento bastante elevado. Aparte de dar un buen confinamiento a los portadores, los láseres de doble heterostructura guiados por el índice también incorporan un confinamiento adecuado para la luz. El mecanismo de guía es debido a un mayor índice de refracción en la región activa que en el resto de capas que la rodean. De esta manera, la luz viaja hacia adelante y hacia atrás como lo haría en el interior de una fibra óptica.
Una cavidad óptica adecuada es necesaria para conseguir la emisión láser. En otros tipos de láser, la cavidad está limitada por dos espejos con curvaturas que dependen de la distancia entre ellos y de la geometría del medio activo. Mientras uno de los espejos puede diseñarse totalmente reflectante, el otro debe permitir que haya luz de salida.

Los láseres de cavidad vertical (VCSELs) tienen una longitud de cavidad muy corta, y necesitan reflectividades del 99 %. El espejo normalmente está incorporado en la estructura láser a partir del mismo sustrato, y está formado de muchas capas alternadas de diferentes materiales. El reflector de Bragg que así resulta permite una característica casi plana de la reflectividad para un rango considerable de longitudes de onda.

Láseres más convencionales (EELs) no necesitan espejos para operar. La longitud de su cavidad, de unas 300 micras, es suficientemente grande para permitir la emisión láser sin espejos adicionales. De hecho, la reflectividad en la separación láser-aire es cercana al 32 %. El valor grande del índice de refracción en la zona activa confina la luz a la región con ganancia material.

EJEMPLO DE APLICACIÓNEL LECTOR DE DISCOS COMPACTOS

Una de las muchas aplicaciones de los diodos láser es la de lectura de información digital de soportes de datos tipo CD-ROM o la reproducción de discos compactos musicales. El principio de operación de uno y otro es idéntico.

Esquema del funcionamiento del CD-ROM

Un haz láser es guiado mediante lentes hasta la superficie del CD. A efectos prácticos, se puede suponer dicha superficie formada por zonas reflectantes y zonas absorbentes de luz. Al incidir el haz láser en una zona reflectante, la luz será guiada hasta un detector de luz: el sistema ha detectado un uno digital. Si el haz no es reflejado, al detector no le llega ninguna luz: el sistema ha detectado un cero digital.
Un conjunto de unos y ceros es una información digital, que puede ser convertida en información analógica en un convertidor digital-analógico. Pero esa es otra historia que debe de ser contada en otra ocasión.

https://www.electronicafacil.net/tutoriales/Diodo-Laser.php