OSCILOSCOPIO COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA
[OSCILOSCOPIO COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA]INFORME DE LABORATORIO
N2
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERIA MECNICA
FISICA III -INFORME N2
TEMA: OSCILOSCOPIO COMO INSTRUMENTO DE MEDIDADOCENTES: ALTUNA
DIAZ ISAAC GABRIEL REYES GUERRERO REYNALDO GREGORINOALUMNOS:
CORDERO ALBRECHT, Johan E ESCOBAR SOTO, Frank MADUEO RAMIREZ,
Cristian SECCIN: A
PERIODO: 2014-II
Lima Per
I. OBJETIVOS.-1. Hacer que el estudiante conozca los controles y
empiece a manejar el osciloscopio para as poderlo usar
posteriormente como:0. Instrumento de medida de voltaje contante,
voltaje alterno, y como instrumento para medir amplitud, perodo y
frecuencia de diferentes funciones de voltaje peridicas en el
tiempo.1. Graficador XY.II. FUNDAMENTO TERICO.-
Sin duda alguna el osciloscopio constituye el instrumento que
mejor caracteriza a un laboratorio de electrnica. Su utilidad se
comprende fcilmente ya que permite la observacin y medida de
seales, usualmente peridicas, que se estn produciendo o que se estn
procesando en un circuito electrnico; es decir es un instrumento
que permite saber lo que est ocurriendo con las seales de un
circuito en tiempo real. En la actualidad se dispone de
osciloscopios de tipo anlogo y digital, cada uno con sus ventajas y
desventajas.
Osciloscopio analgico:
La tensin a medir se aplica a las placas de desviacin vertical
de un tubo de rayos catdicos (utilizando un amplificador con alta
impedancia de entrada y ganancia ajustable) mientras que a las
placas de desviacin horizontal se aplica una tensin en diente de
sierra (denominada as porque, de forma repetida, crece suavemente y
luego cae de forma brusca).
Esta tensin es producida mediante un circuito oscilador
apropiado y su frecuencia puede ajustarse dentro de un amplio rango
de valores, lo que permite adaptarse a la frecuencia de la seal a
medir. Esto es lo que se denomina base de tiempos.
En el tubo de rayos catdicos el rayo de electrones generado por
el ctodo y acelerado por el nodo llega a la pantalla, recubierta
interiormente de una capa fluorescente que se ilumina por el
impacto de los electrones. Si se aplica una diferencia de potencial
a cualquiera de las dos parejas de placas de desviacin, tiene lugar
una desviacin del haz de electrones debido al campo elctrico creado
por la tensin aplicada.
De este modo, la tensin en diente de sierra, que se aplica a las
placas de desviacin horizontal, hace que el haz se mueva de
izquierda a derecha y durante este tiempo, en ausencia de seal en
las placas de desviacin vertical, dibuje una lnea recta horizontal
en la pantalla y luego vuelva al punto de partida para iniciar un
nuevo barrido. Este retorno no es percibido por el ojo humano
debido a la velocidad a que se realiza y a que, de forma adicional,
durante el mismo se produce un apagado (borrado) parcial o una
desviacin del rayo.
Si en estas condiciones se aplica a las placas de desviacin
vertical la seal a medir (a travs del amplificador de ganancia
ajustable) el haz, adems de moverse de izquierda a derecha, se
mover hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de la polaridad de la
seal, y con mayor o menor amplitud dependiendo de la tensin
aplicada.
Al estar los ejes de coordenadas divididos mediante marcas, es
posible establecer una relacin entre estas divisiones y el perodo
del diente de sierra en lo que se refiere al eje X y al voltaje en
lo referido al Y. Con ello a cada divisin horizontal corresponder
un tiempo concreto, del mismo modo que a cada divisin vertical
corresponder una tensin concreta.
Osciloscopio digital:
En la actualidad los osciloscopios analgicos estn siendo
desplazados en gran medida por los osciloscopios digitales, entre
otras razones por la facilidad de poder transferir las medidas a un
ordenador personal.
En el osciloscopio digital la seal es previamente digitalizada
por un conversor analgico digital. Al depender la fiabilidad de la
visualizacin de la calidad de este componente, esta debe ser
cuidada al mximo.
Las caractersticas y procedimientos sealados para los
osciloscopios analgicos son aplicables a los digitales. Sin
embargo, en estos se tienen posibilidades adicionales, tales como
el disparo anticipado (pre-triggering) para la visualizacin de
eventos de corta duracin, o la memorizacin del oscilograma
transfiriendo los datos a un PC. Esto permite comparar medidas
realizadas en el mismo punto de un circuito o elemento. Existen
asimismo equipos que combinan etapas analgicas y digitales.
Estos osciloscopios aaden prestaciones y facilidades al usuario
imposibles de obtener con circuitera analgica, como los
siguientes:
-Medida automtica de valores de pico, mximos y mnimos de seal.
Verdadero valor eficaz. -Medida de flancos de la seal y otros
intervalos. - Captura de transitorios. -Clculos avanzados, como la
FFT para calcular el espectro de la seal.
COMPONENTES DE UN OSCILOSCOPIOPara comprender el funcionamiento
de un osciloscopio en su totalidad, se debe tener en consideracin
que sus complejas funciones de mediciones se llevan a cabo por el
funcionamiento de distintos subsistemas.
Las partes esenciales (o subsistemas) que se pueden distinguir
son:}- Tubos de rayos catdicos (TRC).- Amplificador X-Y sistema de
deflexin horizontal-vertical.- Fuente de poder.- Puntas de
pruebas.- Circuitos de calibracin.
La seal a medir se detecta por medio de las puntas de pruebas o
sondas del osciloscopio (generalmente cable coaxial) e ingresa al
osciloscopio (terminales de entrada del equipo). Con frecuencia la
seal en este punto tiene una amplitud demasiado pequea para activar
el TRC. Se usa la amplificacin antes de llegar a las placas de
deflexin vertical. Con todo ello y dentro del TRC, se crea un haz
de electrones mediante un can de electrones que es dirigido a una
pantalla fluorescente creando un punto de luz en el lugar del
impacto con la pantalla. Dicho haz se dirige en forma vertical en
proporcin a la magnitud del voltaje aplicado a las placas de
deflexin vertical del tubo. Esta seal amplificada de entrada tambin
est monitoreada por el sistema de deflexin horizontal, el cual
tiene la misin de barrer horizontalmente el haz de electrones a
travs de la pantalla a una velocidad uniforme.
La deflexin simultnea del haz de electrones en la direccin
vertical (por el sistema de deflexin vertical y las placas de
deflexin vertical) y en la direccin horizontal (por los circuitos
de base de tiempo y las placas de deflexin horizontal) hace que el
punto de luz producido por el haz de electrones trace una lnea en
el TRC. Si la entrada es peridica y los circuitos base de tiempo
sincronizan correctamente el barrido horizontal con la deflexin
vertical, el punto de luz recorrer el mismo camino una vez y otra
vez. Si la frecuencia de la seal peridica es bastante alta (mucho
mayor de 50 Hz), el trazo aparecer como una imagen permanente y
estable en la pantalla.
Despliegue del rayo o haz de electrones (TRC)El tubo en s es un
recipiente sellado de vidrio con un can de electrones y un sistema
de deflexin dentro de l y una pantalla fluorescente todo ello
inmerso en un alto vaco de manera que no interfieran las molculas
gaseosas en el camino del haz de electrones y pierda su alta
finesa.
Amplificador X-Y sistema de deflexin horizontal verticalEn el
can el can electrnico y la pantalla existen dos pares de electrodos
paralelos conocidos como placas deflectoras. Un par est colocado
verticalmente, produciendo una deflexin vertical (eje y) y el otro
est dispuesto en forma horizontal produciendo una deflexin
horizontal (eje x). Segn sea el potencial aplicado a estos
electrodos, ser la ubicacin del punto donde incide el haz luminoso
en la pantalla. La deflexin ser ms o menos grande y en un sentido o
en otro segn sean los valores y polaridades de los potenciales
aplicados. La aplicacin simultnea de tensiones apropiadas a ambos
pares de placas permite controlar el impacto luminoso en todo el
plano X-Y.
La pantalla fluorescenteEl interior de la pantalla est
recubierto por un depsito de fluorescente que al incidir el haz de
luz de electrones emite luz que es captada del exterior del tubo.
Esta capa es de fsforo y debe ser lo suficientemente delgada como
para ser atravesada por la luz. Las sustancias fluorescentes
naturales o sintticas, tiles para pantallas son numerosas,
produciendo distintos colores o luminosidad. Las de uso comn son
muy pocas. Algunas de estas substancias ofrecen una persistencia
grande y otras persistencia muy baja. El tiempo que tarda la
intensidad del punto para disminuir al 10 por ciento su brillantez
se llama persistencia del fsforo. Para osciloscopio de laboratorio
un fosforescente verde media da una imagen que para todos los fines
es altamente de calidad. En la siguiente tabla se indican las ms
usadas.
Trigger disparo.La posicin del punto en la pantalla de tubo de
rayos catdicos est determinada por la suma de dos vectores, que
representan la posicin en el eje X e Y.Si la seal de entrada, eje
Y, tiene una forma de onda peridica, cada ciclo de la onda base de
tiempo debe producir un trazo que coincida punto por punto con el
trazo precedente, si esto se cumple, la seal se mantiene fija en la
pantalla y se dice que es estable. El disparo interno consigue
estabilidad usando la seal Y de entrada para controlar la partida
de cada barrido horizontal.
Ganancia y sensibilidad del amplificador del OsciloscopioSe
describe a modo de repaso de la operacin combinada del atenuador,
el PreAmplificador y el amplificador vertical. El amplificador
principal (junto con el preamplificador) est diseado para dar una
ganancia, K, de un valor fijo, esto significa que todas las seales
aplicadas a la entrada se amplifican por igual factor de ganancia
(tpicamente K=1000 a 2000) lo cual tiene ventajas en su diseo desde
el punto de vista de la estabilidad y ancho de banda.
Fuente de PoderFuentes de poder internas convierten el voltaje
AC de consumo, en potenciales DC continuos necesario para el
funcionamiento del instrumento. Si es necesario por el tipo de
osciloscopio, tambin producen la alta tensin con que trabaja el
tubo de rayos catdicos.
Puntas de prueba del osciloscopioLas puntas de prueba del
osciloscopio efectan la importante tarea de detectar las seales en
su fuente y transferirlas hasta las entradas del osciloscopio.
Idealmente las puntas deberan efectuar esta funcin sin cargar o
perturbar de modo alguno los circuitos bajo prueba.
Los tipos ms sencillos de puntas seran tan slo tramos de
conductor entre el circuito a medir y el osciloscopio. Sin embargo,
tales puntas casi siempre resultan inadecuadas debido a que tendran
predisposicin a recoger y alimentar al osciloscopio de seales
indeseadas espreas. La respuesta de frecuencia de una punta de
prueba se debe igualar a la respuesta del osciloscopio en el que se
fije. Por ejemplo una punta con una frecuencia de 50 MHz y -3 dB no
sera adecuada para un osciloscopio de 400 MHz.
Tambin se debe observar el nivel de tensin mximo que es posible
aplicar a una punta de prueba.Existen 3 tipos de puntas de
prueba:a) Puntas de compensacin pasiva para voltaje.b) Puntas de
prueba activas de voltaje.c) Puntas de prueba para corriente.
Circuitos de calibracinEs fundamental que en forma peridica se
estn revisando los circuitos de calibracin. Para esto la mayora de
los osciloscopios generan una seal de referencia de frecuencia y
magnitud conocidas.Dicha seal es del tipo cuadrada de magnitud 1
Volt PP y frecuencia 1 kHz. Esta referencia alimenta los
amplificadores verticales y base de tiempo para ser calibrados.
Tambin esta seal permite efectuar los ajustes de compensacin de
puntas de pruebas.
Para usar un osciloscopio tenemos primero que tener
conocimientos previos sobre las ondas ya que trabajaremos con
funciones de voltaje peridicas en el tiempo:
Tipos de ondas Se pueden clasificar las ondas en los cuatro
tipos siguientes: Ondas senoidales Ondas cuadradas y rectangulares
Ondas triangulares y en diente de sierra. Pulsos y flancos
escalones.
Ondas senoidales Son las ondas fundamentales y eso por varias
razones: Poseen unas propiedades matemticas muy interesantes (por
ejemplo con combinaciones de seales senoidales de diferente
amplitud y frecuencia se puede reconstruir cualquier forma de
onda), la seal que se obtiene de las tomas de corriente de
cualquier casa tienen esta forma, las seales de test producidas por
los circuitos osciladores de un generador de seal son tambin
senoidales, la mayoria de las fuentes de potencia en AC (corriente
alterna) producen seales senoidales. La seal senoidal amortiguada
es un caso especial de este tipo de ondas y se producen en
fenomenos de oscilacin, pero que no se mantienen en el tiempo.Ondas
cuadradas y rectangulares Las ondas cuadradas son bsicamente ondas
que pasan de un estado a otro de tensin, a intervalos regulares, en
un tiempo muy reducido. Son utilizadas usualmente para probar
amplificadores (esto es debido a que este tipo de seales contienen
en si mismas todas las frecuencias). La televisin, la radio y los
ordenadores utilizan mucho este tipo de seales, fundamentalmente
como relojes y temporizadores. Las ondas rectangulares se
diferencian de las cuadradas en no tener iguales los intervalos en
los que la tensin permanece a nivel alto y bajo. Son
particularmente importantes para analizar circuitos digitales.
Ondas triangulares y en diente de sierra Se producen en
circuitos diseados para controlar voltajes linealmente, como pueden
ser, por ejemplo, el barrido horizontal de un osciloscopio analgi
co el barrido tanto horizontal como vertical de una televisin. Las
transiciones entre el nivel mnimo y mximo de la seal cambian a un
ritmo constante. Estas transiciones se denominan rampas. La onda en
diente de sierra es un caso especial de seal triangular con una
rampa descendente de mucha ms pendiente que la rampa
ascendente.
III. EQUIPO UTILIZADO.-
Osciloscopio de 25 Mhz, Elenco modelo S-1325.- Un osciloscopio
es un instrumento de medicin electrnico para la representacin
grfica de seales elctricas que pueden variar en el tiempo. Es muy
usado en electrnica de seal, frecuentemente junto a un analizador
de espectro.Presenta los valores de las seales elctricas en forma
de coordenadas en una pantalla, en la que normalmente el eje X
(horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa
tensiones. La imagen as obtenida se denomina oscilograma. Suelen
incluir otra entrada, llamada "eje THRASHER" o "Cilindro de
Wehnelt" que controla la luminosidad del haz, permitiendo resaltar
o apagar algunos segmentos de la traza.Los osciloscopios,
clasificados segn su funcionamiento interno, pueden ser tanto
analgicos como digitales, siendo el resultado mostrado idntico en
cualquiera de los dos casos, en teora.
Pila de 1.5v.-
Fuente de voltaje constante con varias salidas y Multmetro
Digital.-El multmetro digital es un instrumento electrnico de
medicin que generalmente calcula voltaje, resistencia y corriente,
aunque dependiendo del modelo de multmetro puede medir otras
magnitudes como capacitancia y temperatura. Gracias al multmetro
podemos comprobar el correcto funcionamiento de los componentes y
circuitos electrnicos.
Transformador de voltaje alterno 220v/6v, 60 Hz.-El
transformador es un dispositivo que convierte la energa elctrica
alterna de un cierto nivel de tensin, en energa alterna de otro
nivel de tensin, por medio de interaccin electromagntica. Est
constituido por dos o ms bobinas de material conductor, aisladas
entre s elctricamente y por lo general enrolladas alrededor de un
mismo ncleo de material ferromagntico. La nica conexin entre las
bobinas la constituye el flujo magntico comn que se establece en el
ncleo.
Generador de Funcin Elenco GF-8026.-El generador de funciones es
un equipo capaz de generar seales variables en el dominio del
tiempo para ser aplicadas posteriormente sobre el circuito bajo
prueba.Las formas de onda tpicas son las triangulares, cuadradas y
senoidales. Tambin son muy utilizadas las seales TTL que pueden ser
utilizadas como seal de prueba o referencia en circuitos digitales.
Otras aplicaciones del generador de funciones pueden ser las de
calibracin de equipos, rampas de alimentacin de osciloscopios,
etc
IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y TOMA DE DATOS.-
Despus de la identificacin de los controles e interruptores de
nuestro Osciloscopio, procedimos con la medicin de los voltajes
d.c. (Corriente Continua) con el Multmetro y con el Osciloscopio,
obteniendo la siguiente tabla de datos:Ejm: Medicin del Voltaje de
la Fuente a 3V con el Multmetro y la grfica del voltaje a escala
0,5(El eje X est ubicado 2 casillas debajo del centro)
MultmetroOsciloscopio
FUENTE3 3,1221,55 3,1
65,95236,00
98,8024,58,80
Posteriormente procedimos con la medicin de voltaje a.c.
(Corriente Alterna) del transformador usando el Osciloscopio y el
Multmetro; y usamos el Generador de Seales para producir funciones
de onda que dependen del tiempo en forma cuadrada, diente de sierra
y senoidal.
Generador (Hz)Osciloscopio (Hz)seal
f1 156153,85
f2129125,0
f3206200,0
Ondas producidas por el generador de seales del tipo senoidal,
diente de sierra ycuadrada.
Lo siguiente de la experiencia fue utilizar el Osciloscopio como
graficador XY, siguiendo los pasos enseados por el profesor con
respecto a los controles, ubicamos en un canal el Transformador y
en el otro el Generador de Seales con el cual hicimos variar la
frecuencia y obtuvimos los siguientes grficos:
V. CLCULOS Y RESULTADOS.-
1. Haga una tabla de tres columnas indicndole voltaje medido con
el osciloscopio, el voltaje medido con el multmetro y el voltaje
nominal de cada salida de la fuente.Voltaje Nominal
MultmetroOsciloscopio
FUENTE33,123,1
65,956,0
98,808,9
2. Es realmente constante el voltaje de cada salida dado por
esta fuente?
En los materiales se supone en primera instancia que la fuente
es de voltaje constante.Pero en nuestra tabla para un voltaje
nominal y tambin el voltaje medido por el multmetro hace parecer
que es constante pero con el osciloscopio se nota que el voltaje
vara en pequea magnitud. Y esto significara que su voltaje es
alterno.Adems para la fuente nos genera una grafica de la forma
senoidal, y para que sea constante ya la grafica debera ser una
recta (constante en el tiempo) como es el caso para la pila. Grfica
de la fuente:(Voltaje variable en el tiempo)
3. Cul es el periodo del voltaje alterno dado por el
transformador de 6 v? Diga el nmero de divisiones cuando el control
28 est en posicin 1ms/divisin, 2ms/ divisin, 5ms/ divisin Cul es la
frecuencia medida?Voltaje alterno (6V):
Fuente Pila (V)Osciloscopio (div)Perodo (ms)Frecuencia (Hz)
1 ms / div2 ms / div5 ms /div
6 7,6 3,81,52 7,6131,58
Perodo:
Frecuencia:
Voltaje alterno (6V):Fuente Pila (V)Multmetro (V) Amplitud(5
volts / div)Osciloscopio(5 volts / div)
65,5585,66
Amplitud:
Voltaje pico-pico:
4. Dibuje la pantalla cuadriculada del osciloscopio e indique lo
observado en el osciloscopio usado como graficador XY en los pasos
17 y 18 de la gua.
5. Dibuje la pantalla cuadriculada del osciloscopio e indique lo
observado en el osciloscopio usado como graficador XY en los pasos
17 y 18 de la gua.CHANNEL ICHANNEL II
6. Repita 5 pero con el control 16 en la posicin afuera
CHANNEL I
CHANNEL II
VI. OBSERVACIONES.-
Los potenciales obtenidos en cada uno de los casos varan en
cierto rango debido a la incertidumbre y a la seleccin de la escala
que usamos en el osciloscopio, y esta tambin varia con respecto al
Multmetro por su distinta precisin instrumental. Notamos que el
multmetro tiene mayor precisin que el osciloscopio debido a que el
multmetro muestra una cifra que oscila mnimamente y el osciloscopio
varia mas segn la escala seleccionada. Cuando se utiliz el
osciloscopio para las medidas de voltaje, se observa que al
instante de conectar la fuente de voltaje constante, el punto
luminoso cambia inmediatamente de posicin, subiendo el punto hacia
arriba, aqu se tuvo que graduar el selector 13 para medir el
voltaje de la fuente. Posteriormente cuando se conect el
transformador, y se procedi al clculo de los valores de amplitud y
voltaje pico a pico; aqu se tuvo que detener la curva senoidal para
un mejor conteo del nmero de divisiones en el grfico. Lo mismo
sucedi para determinar el periodo del voltaje alterno. Al comparar
los valores de voltaje eficaz con el voltaje obtenido por el
multmetro, encontramos que el valor obtenido estuvo muy prximo al
del multmetro. De lo cual podemos concluir que el osciloscopio es
una herramienta muy til para el clculo del voltaje eficaz. Adems
que no slo se realiza este clculo de manera casi exacta, sino
tambin realiza otras operaciones como medir la amplitud, periodo y
frecuencia de diferentes funciones de voltaje peridicas en el
tiempo Las figuras en XY que se generan al conectar el generador de
funcin con el transformador varan de acuerdo a las frecuencia
asignada con el generador de de funcin, debido a que la del
transformador es constante.
VII. CONCLUSIONES:
El osciloscopio es un instrumento de importancia puesto que
permite medir voltajes, frecuencia, amplitudes, periodos y adems
permite tambin la grfica de funciones de voltajes en XY.
El osciloscopio se utiliza a menudo para tomar medidas en
circuitos elctricos. Es especialmente til porque puede mostrar cmo
varan dichas medidas a lo largo del tiempo, o cmo varan dos o ms
medidas una respecto de otra.
La diferencia entre los valores de voltaje del osciloscopio y
del multmetro digital es que el primero mide como vara el voltaje
(pico-pico) y el segundo mide el voltaje eficaz, donde .
Un Generador de Funciones es un aparato electrnico que produce
ondas senoidales, cuadradas y triangulares. Sus aplicaciones
incluyen pruebas y calibracin de sistemas de audio, ultrasnicos y
servo.
Una onda senoidal se puede obtener en el conector de la salida
principal cuando se presiona la opcin de onda senoidal en el botn
de funcin y cuando cualquier botn del rango de frecuencia est
tambin presionado. La frecuencia de la onda se establece por la
combinacin del botn de rango y el control de variacin de
frecuencia. La salida tendr que ser revisada con un
osciloscopio.
Una onda cuadrada se puede obtener en el conector de la salida
principal cuando se presiona la opcin de onda cuadrada en el botn
de funcin y cuando cualquier botn del rango de frecuencia est
tambin presionado. La frecuencia de la onda se establece por la
combinacin del botn de rango y el control de variacin de
frecuencia.
VIII. BIBLIOGRAFIA.-
http://www.unicrom.com/Tut_osciloscopio1.asp
http://www.apuntesdeelectronica.com/instrumentacion/osciloscopio-2.htm
http://www2.ing.puc.cl/~iee2172/files/instrumentacion/osciloscopio_guia.pdf
http://www.udb.edu.sv/Academia/Laboratorios/ccbasicas/EMA/guia7EMA.pdf
http://www.slideshare.net/guest07963/osciloscopio-presentation
IX. ANEXO:ELECTRONICA ORGANICA:1. Qu es la electrnica orgnica y
que materiales y compuestos utiliza?La electrnica orgnica naci en
1977 con el descubrimiento de los polmeros conductores, por parte
de Hideko Shirakawa, Alan Heeger y Alan MacDiarmi. Este
descubrimiento los condujo a ganarse el premio Nobel de qumica en
el ao 2000.Los materiales orgnicos se dividen en compuestos, de
pocas molculas (monmeros y oligmeros) y en compuestos de grandes
cantidades de molculas o compuestos polimricos. Estos materiales
tienen la capacidad de conducir energa y emitir luz gracias a que
tienen una configuracin especfica, denominada conjugacin. Esta
configuracin se caracteriza por la alternacin de enlaces simples y
dobles en la cadena principal de estos materiales.Los materiales
orgnicos con propiedades electrnicas y optoelectrnicas han sido
toda unarevolucinen laindustriaelectrnica, la cual los ha comenzado
a implementar en pantallas para celulares, televisores, celdas
fotovolticas, lseres, etc., adems de implementar nuevas
aplicaciones tales como, papel electrnico,msculosartificiales,
ventanas inteligentes, nervios artificiales, entre otras.La
electrnica orgnica aun no alcanza eldesempeode la electrnica
tradicional del silicio y el germanio, pero en el mediano plazo, se
espera que reemplace a los semiconductores inorgnicos en el campo
optoelectrnico, gracias a su facilidad de fabricacin, bajoprecioy
mejor desempeo. En el largo plazo, se espera que los
semiconductores orgnicos mejoren su velocidad y puedan competir con
la electrnica tradicional en todos los campos.
Los materiales orgnicos son compuestos que basan su estructura
en el tomo de carbono. Este al igual que el silicio y el germanio
hace parte del grupo IV de la tabla peridica y como es
caracterstica de los elementos de este grupo, tiene una valencia de
cuatro, lo que le permite enlazarse con cuatro tomos ms. El carbono
como tambin los dems elementos del grupo IV presentan una
distribucin electrnica que termina en sp, que determina que solo
son capaces de formar dos enlaces, pero esto est muy alejado de la
realidad, en donde como ya mencionamos se enlazan con cuatro tomos,
entonces, Cmo es posible que se formen cuatro enlaces?.
2. Cules son sus aplicaciones actuales y futuras?Capacitores de
PolypirrolEn general, las cargas en los capacitores convencionales
son almacenadas en la superficie de los electrodos. Si en estos se
incrementa el rea de la superficie, proporcionalmente se incrementa
la capacitancia. Sin embargo, los capacitores basados en polmeros
conductores, tienen la ventaja de almacenar carga a travs del
material y no simplemente en la superficie. Una segunda ventaja de
los capacitores basados en polmeros conductores (CPC"s) es que la
separacin efectiva de las placas esta en el orden de los 2 nm,
permitiendo un tremendo almacenamiento de energa. No obstante, en
la actualidad, estos dispositivos tienen anchos de banda que estn
varios ordenes de magnitud por debajo de los capacitores
convencionales y los potenciales aplicados alcanzan tan solo 4
V.
Celdas fotovoltaicas orgnicasLas celdas fotovoltaicas orgnicas,
son dispositivos que convierten la luz en electricidad, de manera
contraria a los OLED, y en los cuales el semiconductor, al igual
que en todos los dispositivos electrnicos orgnicos, es un material
orgnico conjugado. El mecanismo mediante el cual estos dispositivos
convierten la luz en corriente elctrica, se denomina efecto
fotovoltaico."Kallman reporto la primera celda fotovoltaica orgnica
basada en un cristal individual de antraceno en 1959. Sin embargo
estas celdas basadas en materiales orgnicos fueron consideradas
inadecuadas como fuentes de energa, esto en parte, debido a que las
excitaciones pticas producan pares electrn/hueco fuertemente
acoplados. Por lo tanto, los portadores de carga fotogenerados de
esta manera, no eran directamente asequibles a circuitos externos,
lo cual resultaba en una eficiencia cuntica externa insuficiente.
Esta pobre respuesta fotovoltaica fue atribuida a la naturaleza
cuasi-aislante de los semiconductores orgnicos intrnsecos"[88].
Lser orgnicoMuchos polmeros conjugados son capaces de emitir
luz. Esto puede ser generado por fotoluminiscencia o
electroluminiscencia, mediante la aplicacin de un voltaje. La
vigorosa actividad relacionada con el desarrollo de polmeros
emisores de luz en todo el mundo a conllevado a avances
extraordinarios en los materiales en la dcada pasada, facilitando
el desarrollo de otras aplicaciones como transistores, celdas
solares y lseres."Hay muchas razones por las cuales los materiales
orgnicos semiconductores son atractivos como materiales para
lseres. Entre ellas estn que: existe una gran variedad de polmeros
que pueden emitir luz en el espectro visible, los polmeros tienen
amplios espectros (posibilitando la fabricacin de lseres
sintonizables), los polmeros tienen fuertes coeficientes de
absorcin, lo cual implica que tienen el potencial para grandes
amplificaciones de la luz, el espectro de absorcin y de
fluorescencia estn bien separados, por lo tanto la absorcin de la
luz emitida es dbil y adems los polmeros semiconductores combinan
las ventajas especificas para lseres, con las ventajas generales de
los polmeros, como son la variacin de las caractersticas de emisin
de luz mediante cambios en la estructura del polmero, fabricacin
simple y barata y la flexibilidad"
3. Se podr fabricar transistores y computadoras con molculas
organicas?Transistores orgnicos de efecto de campoEl transistor es
la piedra angular de la electrnica de estado slido, y representa
una de las mas grandes invenciones del siglo XX. Todos los
transistores se caracterizan por tener tres terminales, en donde la
corriente entre dos de estos es controlada por un tercer terminal.
Los transistores pueden ser clasificados en dos familias, de
acuerdo a como estos controlan su funcionamiento. Una de estas
familias se caracteriza porque su control es a travs de una
corriente por el tercer terminal, y la otra familia se caracteriza
porque su control es a travs de un voltaje en el tercer terminal.En
los transistores controlados por corriente, los tres terminales son
llamados: base (B), colector (C), y emisor (E). En estos la base
controla la corriente entre el colector y el emisor. Tales
transistores son fabricados dopando el mismo semiconductor
(normalmente el silicio), con dopantes tipo n y tipo p en
diferentes regiones, logrando configuraciones tanto npn como pnp, y
son llamados transistores bipolares."Los semiconductores orgnicos
no permiten la manufactura de transistores bipolares, ya que la
mayora de los semiconductores orgnicos solo pueden transportar o
huecos o electrones y los materiales orgnicos intrnsecos tipo p no
pueden ser transformados en tipo n mediante el dopaje con
donantes.Los transistores controlados por voltaje son conocidos
como FET (field effect transistor) o transistores de efecto de
campo. En estos los terminales son llamados source (S), drain (D) y
gate (G), fuente, drenaje y compuerta respectivamente. Un voltaje
en la gate o compuerta controla la corriente S-D (fuente/drenaje).
Los principios bsicos de los FET datan de 1930 (J. E Lilienfeldt,
US Patent 1745175, 1930). Con respecto al diseo, los FET son ms
simples que los transistores bipolares, ya que requieren solo
materiales de un solo tipo de portador de carga (n o p). Los FET
pueden ser fabricados en grandes densidades de integracin y son
tpicamente utilizados en compuertas lgicas en electrnica
digital."Debido a su operacin con un solo tipo de portador de
carga, los transistores fabricados con materiales orgnicos son
invariablemente transistores de efecto de campo (FET). Los FET
orgnicos u OFET, se conocen usualmente como transistores orgnicos
de pelcula delgada u OTFT y estos sern los que trataremos en esta
seccin. El mayor impulso detrs de las investigaciones en FETs
orgnicos (OFETs) provino de la idea de hacer circuitos integrados
de bajo desempeo completamente de plstico, con los cuales poder
hacer displays mas baratos, livianos y flexibles"[71].5.2.1 Diseo
del transistor: Los OTFT o transistores orgnicos de pelcula delgada
segn Haldun[72], estn diseados en dos formas. Una es con los
contactos de drain y source en el tope y la otra es con los
contactos de drain y source en el fondo del semiconductor.
Computadoras Organicas:Un equipo de investigadores de Japn y
Estados Unidos han construido una "computadora molecular" cuyas
operaciones imitan elcerebrohumano. El pequeo circuito, hecho con
molculasorgnicassobre una capa de oro, es capaz de hacer clculos
ultrarpidos, a la manera en que los hacen lasneuronas.
Cuando actualmente comparamos la capacidad delcerebrocon
lascomputadoras, incluso las ms rpidas y multitarea estn a
kilmetros de distancia detrs de la mente humana. Aunque
lasneuronassolo hagan algunos miles de tareas por segundo
(comparados con los millones de clculos que una computadora puede
hacer en el mismo lapso) lamente humanapuede entender y responder
de una forma todava imposible para cualquier mquina.
Arriba: Imgenes de resonancia magntica de un cerebro humano.
Abajo, lospatrones de procesamiento del nuevo procesador. Imagen:
A. Bandyopadhyay
Esto es porque lascomputadorasprocesan la informacin
secuencialmente, mientras que el cerebro es una red complejamente
interconectada donde un solo impulso elctrico hace muchsimas
"operaciones concurrentes" o simultneas. As lo explica el
fsicoRanjit Pati, de la Universidad Tecnolgica de Michigan.
Las computadoras no pueden hacer eso todava. PeroPatiest
trabajando para que sea posible. El y su equipo estn trabajando con
unamolcula orgnicallamadaDDQ, que est hecha con nitrgeno, oxgeno,
carbono y cloro, capaz de cambiar entre cuatro estados de
conductividad: cero, uno, dos y tres; en lugar del cero y uno de la
notacin binaria de lascomputadorasconvencionales.Estamolculapuede
interactuar con otras de una forma parecida a cmo interactan
lasneuronasen elcerebro. Esteprocesador orgnico no solo es ms
inteligente y multitarea que un procesador binario, tambin se cura
a s mismo: si una molcula "muere" o deja de funcionar, otra la
reemplaza en su mista tarea.Esteprocesador, en su rudimentario
estado actual, ya ha provocado algunos escalofros a sus creadores
ya que al comparar grficamente suspatrones de cmputocon imgenes de
resonancia magntica reales delcerebro humanoen funcionamiento
aparecen espontneamente patrones similares que no se pueden
adjudicar al azar.Si todo va bien y se puede ir aumentando y
afinando el poder de este nuevoprocesador, los cientficos esperan
usarlo en tareas de clculo que hoy rebasan la capacidad de
lascomputadorasms grandes y poderosas, como por ejemplo el clculo
de probabilidades de fenmenos ultra complejos como el clima, la
evolucin molecular de ciertas enfermedades, la ocurrencia de
desastres naturales, etc.
4. Qu son los OLED y donde se viene aplicando?Dispositivos
electrnicos orgnicosEn este captulo, habiendo explicado en forma
general los aspectos fundamentales que producen que un material
orgnico se comporte como semiconductor, vamos a sondear algunas de
las principales aplicaciones en las cuales estos semiconductores
estn siendo utilizados, con el fin de tener una idea mucho ms clara
de lo que se puede hacer con estos materiales. Para comenzar,
primero nos referiremos a una de las mayores aplicaciones en las
que se est implementando la electrnica orgnica, que son los OLED o
diodos emisores de luz orgnicos. OLED (Organic Light Emiter
Diode)Desde el descubrimiento en 1987 de los LED"s fabricados con
pequeas molculas orgnicas (SMOLEDs) y en 1990 de los LED"s
fabricados con polmeros orgnicos (PLEDs), los OLED han venido
siendo estudiados en muchos laboratorios alrededor del mundo. Ambos
tipos de LED"s forman parte de una granfamiliallamada OLEDs
(dispositivos orgnicos emisores de luz), los cuales operan en
ciertos materiales orgnicos, bajo el principio de convertir energa
elctrica en luz, un fenmeno conocido como electrolumiscencia. En su
forma ms simple, segn el LAMP[59], un OLED consiste de una capa de
material orgnico luminiscente, formando un emparedado entre dos
electrodos. Cuando una corriente elctrica es pasada entre los
electrodos, a travs de la capa orgnica, la luz es emitida con un
color que depende en particular del material usado. Para poder
observar la luz emitida por un OLED, como mnimo uno de los
electrodos debe ser transparente.Aunque los SMOLED como los PLED se
diferencian en que uno utiliza polmeros (grandes molculas) y las
otras pequeas molculas como capa emisora, ambos tienen la misma
estructura, y operan esencialmente de la misma forma. Sin embargo,
en cuanto a la fabricacin existe una gran diferencia, y es que las
pequeas molculas son aplicadas usando la tcnica de deposicin
multicapa de vapor al vaco (VTE), mientras que los polmeros, con su
estructura molecular ms grande, permiten ser depositados
mediantespin coatingo inyeccin de tinta, como lo hacen
lasimpresorasconvencionales. Estastcnicasse diferencian en que la
VTE es ms complicada y costosa que elspin coatingo la impresin por
inyeccin de tinta.
Estructura de un OLED:La estructura de un OLED es de tres capas.
Una capa con la propiedad de transporte de huecos, una que emita
luz y otra de transporte de electrones, se encuentran entre un nodo
de ITO y un ctodo metlico de bajaFuncinde Trabajo. Cuando el
voltaje es aplicado, las cargas positivas y negativas inyectadas se
recombinan en la capa emisora y se da la electroluminiscencia.
Figura 40.Estructura de OLED.Fuente:Organic Light emitting
devices (OLED).[en lnea]. s.l.: LAMP. s.f [consluta: Nov 2004].
Figura .Capas funcionales de un OLED.
En la figura, se muestran las capas funcionales que conforman un
OLED tpico. All de derecha a izquierda EIL,ETL, EML, HTL y HIL son
la capa inyectora de electrones, la capa transportadora de
electrones, la capa emisora de luz, la capa de transporte de huecos
y la capa inyectora de huecos respectivamente.Funcionamiento de un
OLED:En el funcionamiento de un OLED se ven involucrados
cincoprocesosbsicos, que son:- Inyeccin de cargas:Los materiales
orgnicos tienen bajas concentraciones de portadores y no tienen
niveles superficiales. Por lo tanto, los portadores son inyectados
desde los electrodos. El electrodo que tiene una alta funcin de
trabajo se comporta como el nodo y el de la mas baja funcin de
trabajo se comporta como el ctodo. La operacin de un OLED depende
de la inyeccin de huecos del nodo y de electrones desde el ctodo,
cuando un voltaje es aplicado a travs del dispositivo.- Relajacin
de portadores:Este proceso consiste en que los portadores
inyectados desde los electrodos, crean polarones negativos y
positivos cuando entran en la capa emisora (semiconductor).-
Movimiento de portadores:Aqu los portadores se mueven durante un
proceso de conduccin porhoppinga travs de las capas orgnicas, hasta
que se encuentran con otro portador y se recombinan para formar un
excitn.- Creacin de un excitn:Los materiales orgnicos tienen una
constante dielctrica muy baja, y por lo tanto no disminuyen los
campos elctricos de las cargas. Las cargas en movimiento se unen
debido a sus fuertes interacciones y estas uniones son llamadas
excitones. Estos generan singletes o tripletes de acuerdo a la
combinacin de espines.- Emisin:Esta es la ltima etapa en el proceso
electroluminiscente, y consiste en que los excitones generados al
recombinarse emiten luz, cuya energa es equivalente a la energa del
gap de los polarones.Fabricacin de un SMOLED tpico:Segn el
Orgoworld[, la fabricacin de un SMOLED,comienza con un sustrato
transparente comovidrioo PET (poly (ethilene terephthalate)), el
cual se recubre con una capa de electrodo transparente de xido de
Indio-estao(ITO), que posteriormente se recubre con una capa
delgada decobrephthalocyanine, la cual le proporciona mayor
estabilidad trmica. Seguidamente se deposita al vaco una capa de
material tipo p como naftafenileno benzidine (NPB) y luego, tambien
al vaco, una capa de material tipo n comoaluminiohidroxiquinolena
(Alq), para finalmente depositarse una aleacin de plata-magnesio
como ctodo.
Figura .Estructura de SMOLED.
Universidad Nacional de IngenieraFacultad de Ingeniera Elctrica
y Electrnica