Muchos dispositivos electrónicos cotidianos dependen en gran medida de los fotodiodos, un hecho que a menudo pasamos por alto. Estos componentes cruciales son esenciales para diversas aplicaciones, desde objetos comunes como mandos a distancia de televisores y detectores de humo, hasta equipos médicos avanzados y sistemas de comunicación por fibra óptica.
En este artículo, exploraremos las definiciones, características y aplicaciones clave de los fotodiodos. Una vez que comprenda el funcionamiento interno de estos versátiles componentes, podrá apreciar el papel fundamental que desempeñan en la tecnología de comunicaciones avanzada actual y cómo mejoran nuestra vida diaria.
¿Qué es un Fotodiodo?
Un fotodiodo es un diodo que detecta la luz. Tiene dos terminales y se presenta en diversas formas y encapsulados. Cuando la luz incide sobre un fotodiodo, la corriente fluye a través de él de dos maneras: o bien se genera una pequeña corriente a partir de la luz, o bien la luz permite el paso de una corriente mayor.
El símbolo del fotodiodo se parece al símbolo del diodo emisor de luz, con la diferencia de que sus flechas apuntan hacia adentro.
Cómo usar un fotodiodo
Cuando se utiliza un fotodiodo sin voltaje de polarización, al iluminarlo se genera un pequeño voltaje entre sus terminales.
Si se conecta un resistor en paralelo, una corriente muy pequeña fluye a través de ella. Esto se denomina modo fotovoltaico y funciona mejor en condiciones de baja frecuencia (es decir, cuando la luz no se enciende y apaga muy rápidamente).
Por otro lado, cuando está en polarización inversa, es decir, cuando el ánodo está conectado al voltaje negativo y el cátodo al voltaje positivo, se encuentra en modo fotoconductor. En este modo, funciona más como un interruptor. La luz que incide sobre el fotodiodo “cierra el interruptor” y la corriente fluye a través de él.
En este modo, puede encenderse y apagarse mucho más rápido. Generalmente se utilizan fotodiodos en este modo.
Dicho esto, el circuito anterior no es muy práctico, ya que la corriente que atraviesa el diodo será mínima (normalmente unos pocos microamperios).
¿Cómo funciona un fotodiodo?
Internamente, un fotodiodo posee una unión p-n, que se forma al fusionar un material semiconductor de tipo p con un material semiconductor de tipo n. Un material semiconductor de tipo p tiene huecos como portadores de carga positiva, mientras que un material semiconductor de tipo n tiene electrones como portadores de carga negativa.
Dado que la unión p-n posee portadores móviles con cargas opuestas, estos se neutralizan entre sí y forman una región de agotamiento en la unión. Se denomina región de agotamiento porque carece de portadores de carga móviles. La parte del material de tipo p en la unión p-n carece de huecos, por lo que adquiere carga negativa. De manera similar, la parte del semiconductor de tipo n en la unión p-n adquiere carga positiva.
Cuando los fotones (luz) con energía suficiente inciden sobre la unión p-n del fotodiodo, rompen e ionizan los enlaces covalentes de los átomos inmóviles. Esto genera nuevos pares electrón-hueco. Este fenómeno se denomina efecto fotoeléctrico. Los electrones generados se desplazan hacia el material de tipo n (debido a que la región de agotamiento de este material está cargada positivamente). Los huecos se desplazan hacia el material de tipo p (debido a que la región de agotamiento de este material está cargada negativamente). Este flujo de carga produce una fotocorriente o simplemente corriente eléctrica.
En otras palabras, un fotodiodo detecta la luz y produce corriente eléctrica como salida. Un fotodiodo también se conoce como fotosensor, fotodetector o detector de luz.
Tu primer circuito con fotodiodo: Un sensor de incendios
Puedes construir tu primer circuito con fotodiodo usando solo unos pocos componentes en un protoboard. Este circuito detectará el fuego y activará una alarma. La lista de componentes es:
- Fotodiodo infrarrojo (lo encontrarás en cualquier tienda de componentes electrónicos)
- Transistor BC547 (u otro transistor NPN de uso general)
- Zumbador (activo)
- Diodo emisor de luz (LED)
- Resistor de 470 Ω (R1)
- Batería de 9 V
- Protoboard
Conecte este circuito en un protoboard como se muestra en la imagen a continuación:
Cómo funciona este circuito
Cuando la luz infrarroja (proveniente de un incendio) incide sobre el fotodiodo polarizado inversamente, circula una corriente a través de él. Esto activa la base del transistor. El BC547, que antes estaba apagado, se enciende y comienza a conducir corriente entre sus terminales de colector y emisor. Esta corriente también circula por el zumbador, produciendo una alarma y haciendo que el LED se ilumine.
El par LED-resistor sirve para añadir una indicación luminosa, además del sonido del zumbador. Si prefieres simplificar el circuito, puedes omitirlo.
Circuitos típicos con fotodiodos
Los fotodiodos se pueden utilizar de diversas maneras, pero los circuitos más comunes son los dos que se muestran a continuación y que utilizan amplificadores operacionales.
En el circuito fotovoltaico, el fotodiodo se conecta en polarización directa. El ánodo del fotodiodo se conecta al terminal no inversor y el cátodo al terminal inversor del amplificador operacional. Cuando la luz incide sobre el fotodiodo, este genera una pequeña tensión y corriente. El amplificador operacional amplifica esta señal y proporciona una tensión de salida. La magnitud de la tensión depende del valor del resistor de realimentación RF.
En el circuito fotoconductor, el fotodiodo se conecta en polarización inversa. En el diagrama del circuito anterior, VEE representa una tensión negativa. Cuando la luz incide sobre el fotodiodo, circula una pequeña corriente a través de él, y se obtiene una tensión amplificada en la salida.
En ambos casos, el amplificador operacional funciona como amplificador de trans-resistencia o como amplificador de corriente-a-voltaje.
Tipos de fotodiodos
Existen cuatro tipos principales de fotodiodos:
- Fotodiodo PN: un fotodiodo simple de unión p-n que se utiliza en polarización inversa.
- Fotodiodo PIN: un fotodiodo de unión p-n con una capa semiconductora intrínseca entre los materiales de tipo p y n en la unión. Se utiliza cuando se necesita una mayor superficie de exposición a la luz.
- Fotodiodo de avalancha: un fotodiodo de unión p-n que puede utilizarse en condiciones de polarización inversa profunda. Presenta una corriente fotovoltaica mayor debido a la mayor cantidad de pares electrón-hueco que se generan en la unión p-n.
- Fotodiodo Schottky: compuesto por múltiples diodos Schottky, opera a mayor velocidad y en longitudes de onda mayores.
Aplicaciones de los fotodiodos
Gracias a su capacidad para convertir la luz en señales eléctricas, los fotodiodos son dispositivos versátiles. Algunas de sus aplicaciones más comunes incluyen:
- Sistemas de comunicación óptica: Los fotodiodos son fundamentales en las comunicaciones por fibra óptica, donde las señales luminosas transmitidas a través de las fibras ópticas se detectan y se convierten en señales eléctricas para su posterior procesamiento.
- Electrónica de consumo con control remoto: En los controles remotos, los fotodiodos detectan los haces de luz infrarroja que el control remoto envía al dispositivo conectado, lo que permite la comunicación inalámbrica.
- Instrumentos médicos: Al detectar la luz y proporcionar mediciones precisas, los fotodiodos son esenciales para dispositivos médicos y de diagnóstico como oxímetros de pulso y monitores de glucosa en sangre.
- Sistemas de imagen: En las cámaras, los fotodiodos convierten la luz en señales eléctricas para capturar imágenes y vídeos con precisión.
- Sistemas de seguridad y detección: Los diodos fotoeléctricos se utilizan en detectores de humo y llamas, donde los cambios en los patrones de luz detectan posibles peligros.
- Monitoreo ambiental: Los fotodiodos se utilizan en sensores para monitorear parámetros ambientales como los niveles de radiación UV y la calidad del aire.
- Automatización industrial: Al emplearse en sistemas de detección de objetos, reconocimiento de posición y automatización, los fotodiodos mejoran la productividad y la seguridad en entornos industriales.
- Astronomía: Los fotodiodos se utilizan en telescopios y otros instrumentos para medir la luz celeste y obtener imágenes astronómicas con fines de investigación y observación.
¿Cuál es la diferencia entre un fotodiodo y un fototransistor?
El fotodiodo es muy similar al fototransistor. Ambos son dispositivos activados por luz que se conectan de la misma manera en un circuito.
La diferencia radica en que un fototransistor es un transistor con un fotodiodo conectado a su base. Cuando la luz incide sobre el fotodiodo, la corriente fluye a través de la base y el transistor se activa para permitir el paso de la corriente.
En la mayoría de los casos, un fototransistor es más fácil de usar.
Consulta nuestro tutorial para principiantes sobre fototransistores.
Deja una respuesta