Tema: Componentes Opto electrónicos

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Facultad
Escuela
Lugar de Ejecución
Bioinstrumentación
: Ingeniería.
: Biomédica
: Laboratorio de Biomédica
Tema: Componentes Opto electrónicos
Objetivos
 Definir el funcionamiento de los diodos emisores de luz (LED)
 Calcular parámetros de polarización en los diferentes circuitos
 Elaborar la curva Voltaje / Corriente del LED
 Analizar el diodo LED en régimen impulsivo
 Definir el funcionamiento de los diodos emisores de luz en el campo infrarrojo (IRED)
 Definir el funcionamiento del Fotodiodo, Fototransistor y Foto acoplador.
 Describir el funcionamiento de los circuitos de transmisión y recepción utilizando fibra
óptica, para la transmisión de señales digitales y analógicas.
Actividad Preliminar
Estudiar sobre componentes opto electrónicos
Materiales y Equipo
 NI ELVIS II.
 Computadora con NI LabVIEW.
 Tarjeta de conexión analógica del NI ELVIS II.
 Sensor Opto electrónico LDAR
 Instrumentos de medición de NI.
 Tarjeta de Evaluación MCM-B6/EV
Recomendaciones
Bibliografía
 Tenga orden y aseo para trabajar
Guía 1  Siempre que tenga duda del procedimiento a realizar, consúltelo con el docente.
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Instrumentación Biomédica
 Todas las piezas y componentes que se quiten se deben de ir guardando en forma
ordenada
 Siempre anote lo que haga, aún lo mas irrelevante, ya que al final cuando el sistema se
tiene desensamblado se vuelve complejo.
 Al finalizar el laboratorio se debe dejar en la misma ó mejor condición en que se
encontró, aún los accesorios y herramientas utilizadas.
Procedimiento
PARTE I. Diodo Emisor de Luz (LED).
Detección de la curva característica Voltaje / Corriente del diodo LED.
1. Conecte el miliamperímetro entre los punto 1 y 2, como lo muestra la
figura.
2. Conecte el voltímetro digital entre el ánodo del LED y tierra.
3. Girar el potenciómetro P1 en la posición de máxima luminosidad del
diodo.
4. Mover gradualmente el potenciómetro detectando el valor de la
corriente y la tensión en el diodo LD1.
5. Apuntar los datos detectados en la tabla 1.
6. Con los datos anteriores, grafique la curva característica del LED
7. Desarrolle las mediciones anteriores en los LED LD2 de luz amarilla y LD3 de luz roja.
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Instrumentación Biomédica
TABLA 2 Voltaje y corriente LD2 TABLA 3 Voltaje y corriente LD3
Análisis del diodo LED en régimen impulsivo.
1. Hágase referencia al circuito de la figura siguiente:
1. En el módulo está incorporado un oscilador con duty-cycle (Relación entre el tiempo en Alto
y el tiempo de Bajo de la señal) variable que permite la generación de las señales de mando
del transistor T1 que gobierna el LED LD4.
2. Conecte el puente J8.
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3.
Instrumentación Biomédica
A través de los puentes J1,...., J6 es posible seleccionar tres valores diferentes del duty- cycle:
J1, J4 ON Duty-Cycle = 50%
J2, J5 ON Duty-Cycle = 25%
J3, J6 ON Duty-Cycle = 10%
4. 12. Ilustre la señal en el pin 3 del NE555 para cada una de las combinaciones antes
mencionadas. Verifique el duty cycle.
5. 13. Desconecte el puente J8 y en su lugar conecte a J7. Describa lo que ocurre con el diodo
LED y explique la razón de tal comportamiento.
6. 14. Realice el mismo procedimiento entre J7 y J9. Describa lo que ocurre con el diodo LED y
explique la razón de tal comportamiento.
PARTE II. Fotodiodo, Fototransistor y Foto Opto- acoplador.
Detección de la corriente inversa en el fotodiodo en función de la luminosidad.
1. Si no se dispone de un medidor de luminosidad se
puede, con cierta aproximación, considerar la
corriente inversa en el LED proporcional a la
luminosidad. La distancia entre el fotodiodo y el LED
es de alrededor de 20 mm.
2. Es evidente que si se cambia la distancia, cambiarán
los valores de corriente en el fotodiodo a partir de la
corriente circulante en el LED. El esquema al que se
hace referencia se muestra en la siguiente figura:
3. Inserte el miliamperímetro entre los puntos 8 y 9.
4. Conectar el voltímetro entre el punto 10 y tierra.
5. Para evitar la influencia de la luminosidad exterior se
aconseja cubrir con una hoja de papel el fotodiodo.
6. Comenzando por la mínima luminosidad emitida por
el diodo LED LD5, aumentar de manera gradual la
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Instrumentación Biomédica
luminosidad (luego, la corriente en el miliamperímetro), y medir la corriente y la tensión.
7. Sabiendo que R17 vale 100 K_, calcular el valor de corriente que circula en el fotodiodo (para
cada valor de tensión medido).
8. Apuntar los datos detectados en la tabla 4.
Análisis del funcionamiento del fototransistor.
1. Insertar el miliamperímetro entre los puntos 11 y 12.
2. Conectar entre sí los puntos 13 y 14.
3. Mantener desconectado el puente J11.
4. Conectar el voltímetro digital entre el punto 15 y
tierra.
5. Para evitar la influencia de la luminosidad exterior,
se aconseja cubrir con una hoja de papel el
fototransistor.
6. Poner el potenciómetro P7 en una posición
correspondiente entorno a su valor medio.
7. Comenzando por la mínima luminosidad emitida
por el diodo LED LD6 (corriente mínima en el
miliamperímetro), aumentar de manera gradual la
luminosidad,
es
decir,
la
corriente
en
el
miliamperímetro en serie a LD6 y mida los valores
de Voltaje entre colector y emisor, y Corriente a través del fototransistor.
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Instrumentación Biomédica
8. Insertar ahora el puente J11.
9. La conexión de este puente provoca la conexión del potenciómetro P6, luego una variación
de la polarización del transistor y consecuentemente de su sensibilidad.
10. Varíe el potenciómetro P6 a su posición media. Repita las mediciones del paso 15, y anote
los resultados en la tabla 5
Análisis del funcionamiento del foto Opto- acoplador.
1. Inserte el puente J13 para habilitar el gobierno en
régimen impulsivo del Foto acoplador, con ello, la
señal impulsiva procedente del generador constituida
por IC1 es enviada a la entrada del foto acoplador
2. Realice una medición simultánea de la señal
procedente de IC1 y la señal de salida del foto
acoplador e identifique las diferencias y similitudes
entre ambas.
3. Probar ahora a variar el potenciómetro P8 en serie
con el circuito de entrada del foto acoplador.
4. La variación del potenciómetro provoca una variación
de la corriente que circula en el diodo de entrada del
fotoacoplador. ¿Qué provoca este cambio de
corriente? .
5. Conectar el puente J12 habilitando así la intervención del potenciómetro P9 que suministra
una polarización en la base del transistor.
6. Varíe el potenciómetro P9, junto con P8, y controlar su influencia sobre la señal en el punto
16. ¿Qué provoca la variación de la resistencia de polarización de la base del fototransistor
en el interior del foto opto acoplador?.
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Instrumentación Biomédica
PARTE III. Fibras Ópticas.
1. Para el estudio de la transmisión de la señales ópticas a través de una fibra se utiliza la
sección del módulo para tal efecto.
2. El LED emisor TX está montado en un conector que facilita la conexión, con la fibra.
3. El cable óptico esta constituido de una fibra óptica sintética, de tipo de salto de índice (stepindex), con atenuación de 250 dB/Km a 600 nM, el diámetro total del cable es de 2.2 mm, la
cubierta es de PVC.
4. En la recepción la fibra se conecta a través de otro conector, con el detector óptico
constituido por un fototransistor RX utilizado como fotodiodo (se usa la unión colectorbase).
5. El gobierno de TX se realiza mediante el transistor T3.
6. A través del potenciómetro P13 puede variarse la corriente en el LED transmisor.
7. La señal de entrada puede ser de dos tipos:
-
ANALÓGICA: en este caso tiene que enviarse al borne 21 (efectuar la conexión del
puente J17).
-
DIGITAL: en este caso tiene que enviarse al borne 20 cortocircuitando la resistencia
R34 con el puente J18.
8. La señal, al final de la transmisión en la fibra, está disponible en el borne 22.
Detección de la señal en RX en función de la corriente en Tx a través de la fibra.
1. Conecte el puente J17.
2. Inserte el cable óptico en los conectores (TX y RX).
3. Cortocircuite la resistencia R34 con el puente J18.
4. Gire totalmente el potenciómetro P14 (perilla girada en el sentido contrario al de las agujas
del reloj).
5. Reduzca el valor de P13 gradualmente de modo que se midan los valores de tensión en los
extremos de R33, como se muestra en la columna respectiva de la siguiente tabla, a los que
correspondan valores de corriente como se muestra en la columna 2 (por ser R33=200_).
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Instrumentación Biomédica
6. Medir en correspondencia de la tensión de salida en el borne 22 y apuntar los valores en la
última columna de la tabla 6.
7.
Determine la linealidad existente entre VR33 e ITx.
PARTE IV. Sensibilidad de un dispositivo en relación a la longitud de onda Incidente
1. Conecte la fuente de luz (Roja, Verde) en el circuito de divisor de voltaje de la Fuente de
alimentación fija + 5 V del NI ELVIS II+.
2. Ubique la fuente de luz por encima de la abertura de la celda. En esta posición, la fuente
de luz extinguida bloquea a la luz externa, y la resistencia medida del LDR es la
resistencia “oscura”.
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Instrumentación Biomédica
3. Registre la resistencia medida en la tabla 7, (A fin de obtener una lectura correcta, espere
hasta que esta se estabilice.).
4. Ajuste VR-1 y calibre la tensión VLDAR según la tabla 7 (La posición de la fuente de luz
con relación a la celda permanece igual). Registre la resistencia LDR en cada caso.
5. Mida y registre en la siguiente tabla la corriente ILS y Resistencia promedio obtenida:
VLDAR(V) 0%
5%
0.2
15%
0.6
30%
1.2
50%
2.0
ROJA
60%
2.4
75%
3.0
85%
3.4
92%
3.68
100%
4.0
ILS (mA)
R (Ω)
VERDE
ILS (mA)
R (Ω)
TABLA 7. Medición de la resistencia de la celda del LDR para cada una de las longitudes de onda.
6. Ahora intercambie Conectando la fuente de luz verde(o roja según sea el caso) en el
circuito implementado en él NI ELVIS II+.
7. Repita los pasos del 3 al 6 con la nueva fuente de luz. Registre los datos en la tabla 7.
8. Represente gráficamente los resultados obtenidos en la tabla 7.
9. El valor óhmico de la LDR en condiciones de mínima iluminación: ________ ohm y
máxima intensidad de iluminación alcanzado: __________ ohm.
Análisis de Resultado
1. Presente
las graficas y valores obtenidos en la práctica y explíquelos detalladamente
Guía
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2. Presente los cálculos matemáticos que expliquen los diferentes circuitos de polarización
Guía utilizados
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3. Indique la razón para el uso de diferentes configuraciones en el circuito transmisor (Fibra
fía
Óptica), si la señal es analógica o digital.
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Instrumentación Biomédica
Investigación complementaria
1. Investigue acerca del uso de la Fibra Óptica en la práctica médica.
2. Simule Algunas aplicaciones de Los componentes opto electrónicos
3. Diseñe e implemente un detector de al menos tres colores.
Bibliografía
1. Design of biomedical devices and systems, autor: King, Fries (2009), código biblioteca:
610.284 K54 2009.
2. Introduction to biomedical engineering, autor: Enderle- Bronzino (2005), código biblioteca:
610.28 I47 2005
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Instrumentación Biomédica
Reporte de laboratorio
(Tema)
Asignatura:
Bioinstrumentación
Ciclo:
01 2016
Docente
Fecha:
Ing. Fermín Díaz / Ing. Pedro Alvarez
Grupo:
Semana:
01T
Carnet
Alumno
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8
C9
20%
30%
10%
10%
2.5%
2.5%
15%
7.5%
2.5%
PROM
FIRMA
Circuito:
1.
Funcionamiento: Se evalúa si el circuito ejecuta correctamente la función solicitada
2.
Desempeño: Durante las prácticas de laboratorio se asignara una hora clase para la implementación del circuito
a entregar al final de cada periodo. (Esta ponderación es individual)
3.
Evaluación: Se hará una pregunta representativa sobre el funcionamiento del circuito para evaluar los
conocimientos adquiridos con la implementación de este. (Esta ponderación es individual)
4.
Estética: Se evalúa si el circuito se presenta de forma ordenada. Si los alambres siguen alguna nomenclatura de
colores para identificar el tipo de señal manejada por ellos. Además se evalúa si el circuito y sus accesorios se
presentan de forma ordenada.
Documentación:
5.
Presentación: Se evalúa si el documento es pulcro y ordenado, y si los autores se han adherido al formato
indicado. Debe prestarse la debida atención a la calidad de las ilustraciones, tablas y ecuaciones.
6.
Redacción, ortografía y notación: Se evalúa si todos los elementos de lenguaje, sea el convencional escrito o la
notación matemática, han sido adecuadamente empleados.
7.
Contenido y coherencia en el desarrollo del tema: Se evalúa si el contenido es auténtico y si es desarrollado de
forma completa y coherente satisfaciendo las expectativas planteadas en la descripción de la asignación.
8.
Comentarios y recomendaciones: Se evalúa si lo expresado es pertinente en relación con lo mostrado en el
documento
9.
Referencias: Se evalúa la calidad de las fuentes de referencia elegidas por los autores, la adecuada remisión a
las mismas y el reconocimiento de la autoría de todo material que se use y consulte para elaborar o reforzar el
documento.