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AGRADECIMIENTOS
A Dios, verdadera y única fuente
de luz y sabiduría por el don de
la vida de la inteligencia, por
la
Gracia
de
iluminar
las
tinieblas de mi entendimiento y
así conseguir aprender, entender,
interpretar, resolver.
A la Virgen, Madre de Dolores,
por cuya intercesión Dios nos
concede todas las Gracias.
A mis padres por haberme regalado
la posibilidad de cursar una
carrera universitaria, por su
apoyo y paciencia a lo largo de
estos años.
En particular a mi madre, quien
me ha enseñado a luchar en la
vida, a ir siempre adelante, por
su amor, cariño y comprensión.
A mis hermanos, por su apoyo
incondicional, por sus palabras
de
aliento,
por
su
ayuda
constante sin la cual jamás
hubiera sido posible culminar
esta etapa en mi vida.
A
Mauricio,
por
su
amistad
incondicional, por ser parte de
esa familia que uno escoge y que
acostumbramos llamar amigos.
Al Mtro. Alfonso Domínguez, por
guiarme durante este proyecto,
por
sus
consejos,
apoyo,
paciencia y palabras de aliento.
Al Dr. Agustín Gallardo, por sus
consejos, orientación, escucha y
apoyo durante el desarrollo de
este proyecto.
A los maestros, Dr. Pablo Luna,
Mtro. Eduardo Gasca y Mtro. Luis
Varela que conforman la comisión
revisora, por haber colaborado en
el mejoramiento de este trabajo.
Por su aportación de gran valor a
mis conocimientos.
A todas y cada una de las
personas que he conocido en el
camino de la vida y de quienes he
aprendido algo para ser mejor
persona.
A todos muchas gracias.
La gracia de las gracias, la gracia de la perseverancia.
Pbro. Dr. José Benigno Zilli Mánica
Para esto he nacido y para esto he venido al mundo para dar
testimonio de la Verdad.
Jesús de Nazareth
Amigo Platón, más amiga la verdad.
Aristóteles
Es evidente que existe la verdad. Porque el que niega que existe
la verdad, conoce que la verdad existe. Si, pues, no existe la
verdad, es verdad que la verdad no existe.
Santo Tomás de Aquino
0
INDICE
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………………………………………………3
OBJETIVOS……………………………………………………………………………………………………………………….4
CAPÍTULO I LÁSERES…………………………………………………………………………………………………………5
1.1 Qué es Láser….………………………………………………………………………………………………………6
1.1.1 Explicación de la formación del fenómeno láser………………………………………………6
1.2 Tipos de Láser………………………………………………………………………………………...............11
1.2.1 Sólido………….………………………………………………………………………………………….........11
1.2.2 Gas…………………………………………………………………………………………………….............12
1.2.3 Semiconductor……………………………………………………..………………………………………..13
1.2.3.1 Construcción….………………………………………………………………………………….........13
1.2.3.2 Principio de funcionamiento….……………………………………….…………………………14
1.2.3.3 Características propias del diodo láser………………..…………………………………….16
1.2.3.4 Características del haz de un diodo láser.………………………………………………….17
1.2.3.5 Parámetros importantes de los diodos láser.…………………………………………….18
1.3 Aplicaciones de los Láseres…………………………………………………………………………………..21
1.3.1 Aplicaciones del Láser en Telecomunicaciones……………………………………………….21
1.3.2 Aplicaciones del Láser en Medicina………………….……………………………………………..21
1.3.3 Aplicaciones del Láser en Metrología……………….……………………………………………..21
1.3.4 Aplicaciones del Láser en Tecnología Militar.….……………………………………………….22
1.3.5 Aplicaciones del Láser en la Industria.….………………………………………………………….22
CAPÍTULO II DESARROLLO DE UNA FUENTE DE PODER PARA DIODO LÁSER……………………24
2.1 Parámetros importantes en fuentes de poder para diodo láser…………………………..25
2.2 Requerimientos de la fuente de poder programable a desarrollar……………………….28
2.3 Descripción de fuentes de poder analizadas………………………………………………………….28
2.4 Elección y construcción de una fuente de poder adecuada…………………………………..32
2.4.1 Diseño del circuito impreso (PCB)…………………………………………………………………….34
2.4.2 Pruebas de funcionamiento……………………………………………………………………………..34
1
2.5 Pruebas de funcionamiento de Diodos Láser………………………………………………………..35
2.5.1 Pruebas de funcionamiento de un Diodo Láser infrarrojo………………………………..35
2.5.2 Pruebas de funcionamiento de un Diodo Láser rojo…………………………………………36
2.6 Diseño del controlador láser………………………………………………………………………………….37
2.6.1 Controlador empleando un microcontrolador………………………………………………….38
2.6.1.1 Fuente de voltaje………………………………………………………………………………………..40
2.6.1.2 Etapa de control………………………………………………………………………………………….40
2.6.1.3 Microcontrolador ATMEGA 8535 de Atmel…………………………………………………41
2.6.1.4 Rutina de despliegue….............................................................................42
2.6.1.5 Rutina de atención al teclado……………………………………………………………………..44
2.6.1.6 Simulaciones y pruebas de funcionamiento……………………………………………….46
2.7 Descripción de Resultados obtenidos……………………………………………………………………51
CAPÍTULO III PRUEBAS DEL SISTEMA LÁSER EN SEMILLAS……………………………………………….53
3.1 Bioestimulación…………………………………………………………………………………………………….54
3.1.2 Bioestimulación por métodos químicos……………………………………………………………54
3.1.3 Bioestimulación acústica………………………………………………………………………………….54
3.1.4 Bioestimulación por luz……………………………………………………………………………………54
3.2 Antecedentes……………………………………………………………………………………………………….54
3.3 Pruebas de Bioestimulación utilizando la fuente de poder desarrollada.........……55
Conclusiones……………………………………………………………………………………………………………..59
Especificaciones técnicas……………………………………………………………………………………………60
Referencias Bibliográficas…………………………………………………………………………………………..61
Apéndice 1 Fuentes de las imágenes utilizadas……………………………..…………………………...63
Apéndice 2 Tipos de controladores…………………………………………………………………………....64
2
INTRODUCCIÓN
Investigaciones recientes muestran que la luz, en especial la de color rojo, puede activar y
desactivar genes en las células [1-3]. De igual forma algunas investigaciones realizadas
sobre bioestimulación en semillas y algunas bacterias, muestran que es posible acelerar
algunos procesos biológicos en las semillas tales como el crecimiento utilizando luz láser
proporcionada por diodos láser [1-3].
Los láseres permiten aplicar dosis de luz altamente monocromática con una
eficiencia e intensidad mayor a la que se obtendría con otras fuentes de luz, además que
presentan características necesarias para producir ciertos fenómenos de estimulación [4].
Los parámetros determinantes para que se produzcan los fenómenos de bioestimulación
son: la monocromaticidad de la luz, la longitud de onda, la intensidad o potencia y el
tiempo de aplicación.
Desde hace varias décadas se han realizado estudios sobre estos efectos, todavía
se carece de resultados que especifiquen las características que debe presentar la luz para
producir efectos de bioestimulación útiles [4]. Este trabajo busca ser un aporte teniendo
como finalidad colaborar con el control de algunos de los parámetros que influyen en la
bioestimulación.
Con base en lo anterior ha surgido la necesidad de elaborar una fuente de poder
capaz de controlar la corriente en los diodos láser y con ello la intensidad de la luz, con lo
cual se podrán realizar nuevas investigaciones en el área ya mencionada.
3
OBJETIVOS
El objetivo general de este trabajo es desarrollar una fuente de poder
programable, misma que debe ser capaz de poder controlar la corriente que circula por
los diodos láser empleados en la bioestimulación con semillas.
Como objetivo particular, esta fuente debe ser capaz de brindar una corriente que
se mantenga superior a la corriente de disparo de un diodo láser e inferior a la corriente
máxima soportada por dicho láser. Así como variar la corriente que circula a través de un
láser y con ello la intensidad de la luz.
4
CAPÍTULO I
LÁSERES
5
1.1 QUÉ ES LÁSER
La palabra láser es un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
(Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación).
El láser es un dispositivo que amplifica la luz y produce haces altamente
coherentes. Decimos que un haz de luz es coherente cuando sus ondas o sus fotones se
propagan en fase. Esto hace que la luz láser pueda ser extremadamente intensa, muy
direccional y altamente monocromática [5].
1.1.1
Explicación de la formación del fenómeno laser.
Los electrones tienden a existir en estados de energía discretos no continuos y se pueden
mover a estados de mayor energía con la adición de ésta o a estados de menor energía,
cuando la emiten.
En su estado básico los átomos, las moléculas o los iones del medio excitable se
encuentran en su nivel más bajo de energía conocido como estado basal o estado
fundamental. Para lograr que haya emisión es necesario excitarlos, esto se hace con un
“bombeo de energía” de forma tal que sus átomos, moléculas o iones puedan ubicarse en
un nivel más alto de energía, dando paso a lo que se conoce con el nombre de “inversión
de población” [6].
De forma impredecible estos mismos átomos, iones o moléculas caen a un nivel
inferior de energía por sí mismos. Mientras caen a su estado inferior emiten un solo fotón
de luz de forma aleatoria. Este fenómeno es
conocido con el nombre de emisión
espontánea, que por sí mismo no es de gran utilidad.
Sin embargo, el físico Albert Einstein en el año de 1916, propuso que si uno de
estos fotones encuentra en su camino a un átomo, molécula o ion excitado, se lograría
que el átomo, ión o molécula cayera a su nivel de energía produciendo así un nuevo fotón
con las mismas características que el anterior. Es decir, ambos tendrán la misma longitud
de onda, la misma fase, y será emitido en la misma dirección [6].
Este fenómeno es la llamada emisión estimulada, base para que pueda generarse
el fenómeno láser. El cual está diseñado de tal forma que se genera la inversión de
población de manera constante, para ello el láser requiere de:
6
1) Un medio excitable
2) Un medio que permita bombear energía en el medio excitable
3) Un resonador
El láser está formado por un núcleo, donde se generan los fotones. El núcleo
contiene materiales que poseen electrones fácilmente excitables y que pueden quedar
excitados durante un tiempo mínimo, esto para que se presente el fenómeno de la
emisión estimulada. En la figura 1.1 puede observarse un ejemplo de esto.
Junto al núcleo se encuentra el excitador, el cual se encarga de provocar la
excitación de los electrones del material que forma el núcleo. Puede ser de tipo eléctrico,
químico, óptico, u otro.
Los láseres de semiconductor normalmente se excitan a través de fuentes de
corriente continua (DC) aunque también pueden ser bombeados de forma óptica o a
través de un haz de electrones.
Cuando se da la excitación los fotones se moverán en forma aleatoria; para lograr
controlar el movimiento de los fotones y lograr obtener la luz con las características
propias de la luz láser es necesario una cavidad de resonancia también conocida como
resonador.
Por lo general es utilizado el tipo de Fabry-Perot, que consiste en un par de
espejos, uno a cada lado del láser los cuales permiten que la luz estimulada rebote de un
lado al otro a través del medio excitable. Generalmente uno de los espejos es reflexivo
mientras que el otro es parcialmente transparente para permitir que el haz del láser
escape. Así los fotones al rebotar aseguran la generación de más fotones con idénticas
características. En la figura 1.2 se muestran las partes básicas que conforman un láser.
7
Figura 1.1 Figura que muestra la construcción básica de un láser de Rubí.
Figura 1.2 En esta figura pueden observarse claramente las partes básicas que
conforman un láser de Rubí.
Las características propias de la luz láser son:
8
a) Monocromaticidad
b) Coherencia
c) Direccionalidad
d) Potencia
La luz que viene de un láser es diferente a la de otra fuente de luz conocida (figura
1.3 y 1.5). Su ancho espectral es relativamente angosto y su longitud de onda de emisión
está bien definida. Es decir, la luz láser es monocromática (figura 1.4), de un mismo color,
puesto que todas las ondas del haz se encuentran en la misma longitud de onda.
Figura 1.3 Figura que muestra la comparación de dos fuentes de luz, una monocromática
y una policromática.
Figura 1.4. Figura que muestra el espectro de emisión de diversos láseres.
9
Figura 1.5 Figura que compara el espectro de emisión de la luz láser y la de un LED.
Es coherente pues todas las ondas están en fase, caso que no se da en otras
fuentes de luz que emiten ondas en distintas fases. La luz láser presenta coherencia de
dos tipos: espacial y temporal. La coherencia espacial consiste en una coherencia de las
fases de las ondas de luz a diferentes puntos en el espacio, y la coherencia temporal
consiste en que existe armonía de las fases de las ondas de luz en un punto en el espacio
durante un tiempo determinado. (Figura 1.6 y figura 1.7).
Figura 1.6 Comparación entre los rayos de una fuente de luz extendida
incoherente inciso (a); y una fuente de luz extendida inciso (b) de emisión coherente.
10
Figura 1.7 Muestra la diferencia entre la elevada coherencia en las fases de la luz
láser (gráfica de color rojo) y la nula coherencia en otra fuente de luz (gráfica de color
amarillo).
El haz de salida del láser es altamente colimado pues concentra su energía en un
área muy pequeña, es por esto que su potencia puede ser muy elevada en comparación
con otras fuentes de luz. Un ejemplo de esto se muestra en la figura número 1.8.
Figura 1.8 Ejemplo de un haz de luz colimado y un haz no colimado.
1.2
TIPOS DE LÁSER
Existen diferentes tipos de láseres que se pueden clasificar de diversas formas siendo las
más comunes aquellas que se refieren a su medio excitable o conjunto de átomos o
moléculas que pueden excitarse. Dentro de los principales tipos de láseres tenemos:
1.2.1 SÓLIDO
Su material puede presentar forma de barra, de tabla o de disco de cristal. Este tipo de
láseres se bombea comúnmente con lámparas de destellos o de arco, diodos láser de alta
potencia o con arreglos de diodos láser. El bombeo a través de fibras ópticas dopadas
utilizando diodos láser de alta potencia es común y su finalidad es proporcionar un medio
11
de ganancia. Las salidas obtenidas pueden ser pulsadas, continuas (CW) o cuasi-continuas
(cuasi-CW) dependiendo del diseño y de la aplicación que se le dará. La longitud de onda
va desde el Infrarrojo cercano (1064 nm en los de material Nd dopado) hasta el visible
(rubí a 694.1 nm). Es posible utilizar a la salida un multiplicador de frecuencia para
obtener longitudes de onda en el espectro visible (532 nm) o en el Ultravioleta (355 a 266
nm). Su potencia de salida varía ampliamente. Este tipo de láseres tiene usos en la
industria militar, telémetros láser, investigación atómica, aplicaciones médicas y
quirúrgicas, entre otras áreas.
1.2.2 GAS
Dentro de la gran variedad de láseres que existen tenemos a los que su medio activo está
hecho de gas, dentro de ellos destacan los de Helio-Neón (He-Ne) y los de dióxido de
carbono (CO2).
» Láser de Helio-Neón (He-Ne).
El láser de He-Ne fue el primer láser de gas construido, siendo de gran utilidad en la
actualidad. Los centros activos de este láser son los átomos neutros de neón, pero el
bombeo es realizado preferentemente a través de los átomos de helio.
Los más comunes son empaquetados en tubos de plasma con espejos internos, su
fuente de alimentación es de alto voltaje. Es posible utilizar espejos externos cuyo costo
es elevado.
La longitud de onda en estos dispositivos es en el rojo (652.8 nm), naranja (611.9
nm), amarillo (594.1 nm), verde (543.5 nm), e Infrarrojo (1523.1 nm), presentan baja
eficiencia. La salida que se obtiene está muy bien colimada sin el uso de óptica externa,
presenta una excelente longitud en su coherencia y es muy monocromático. La potencia
típica de salida es de 0.5 a 35 mW.
» Láser de Dióxido de carbono (CO2).
La fuente de excitación de estos láseres puede ser una fuente de alto voltaje en DC, una
fuente de Radiofrecuencia, un haz de electrones u otra fuente que proporcione una alta
energía.
Las longitudes de onda más comunes que se manejan son de 10600 nm a 9600 nm.
La calidad del haz es alta. La potencia de salida va desde unos cuantos vatios hasta el
12
orden de 100 kW o más. Estos láseres son utilizados en trabajos más pesados como el
corte de metales, en la soldadura, para el tratamiento de superficies, para el
procesamiento de materiales y en medicina en cirugía.
1.2.3 SEMICONDUCTOR
Los láseres de semiconductor están divididos en dos tipos principalmente (a) con bombeo
por haz electrónico y (b) con bombeo por inyección de portadores de carga, más
conocidos como diodo láser.
En este caso se hará más énfasis en los diodos láser que son con los que
trabajaremos.
Un diodo láser es un chip de material semiconductor controlado por una fuente de
alimentación de bajo voltaje. Este tipo de láser tiene una retroalimentación óptica a través
de un fotodiodo cuyo objetivo es regular la corriente del diodo láser.
Las longitudes de onda de estos dispositivos son el rojo, rojo profundo e Infrarrojo.
Actualmente se cuenta con diodos láser en la región del ultravioleta cercano,
violeta y azul desde los 380 nm hasta los 450 nm.
La calidad del haz depende del diseño. El haz presenta una forma elíptica siendo
muy astigmático. Para corregir esto se necesita óptica adicional externa o interna. La
longitud de su coherencia va desde unos cuantos milímetros hasta algunos metros. Las
potencias de salida más comunes en el mercado van desde 0.1mW hasta 5mW [7-9].
1.2.3.1 CONSTRUCCIÓN
En la Figura 1.9 puede observarse el encapsulado de un diodo láser tal como el que se
incluye en un apuntador, un reproductor, CDRW o DVDRW. El encapsulado es muy
pequeño y se encuentra entre los 5 y 10 mm de longitud, pero el diodo láser es en
realidad de menos de 1 mm de longitud.
Conforme el haz emerge del diodo láser este presentará una forma de cuña siendo
altamente divergente y con una apertura de 10° (eje X) x 30° (eje Y). Se requiere de una
óptica aparte para producir haces colimados (paralelos).
13
Figura 1.9 Encapsulado de un Diodo Láser
Debido a la naturaleza de la unión esta produce un haz con forma de cuña y una
divergencia no proporcional así como la presencia de astigmatismo. Por lo general
podemos ignorar la cantidad de astigmatismo dado que es pequeña, en aquellos casos en
los cuales no sea posible trabajar con la presencia de este astigmatismo es necesario el
uso de una lente cilíndrica o de una lente con una curvatura astigmática para compensar
estas características. Normalmente el haz es de forma elíptica o rectangular pero puede
ser corregido con algunos prismas [7-9].
1.2.3.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
En electrónica se conocen muchos tipos de diodos. Todos ellos tienen en común que
conducen la corriente eléctrica en una sola dirección.
Un diodo semiconductor se caracteriza por tener dos zonas bien diferentes en sus
propiedades eléctricas: la zona N, donde la carga negativa es debida a los electrones
libres, y la zona P, donde la carga positiva es debida a los “huecos” (niveles energéticos de
átomos que han perdido los electrones que los poblaban). Cuando suministramos energía
con una batería conectando el polo positivo en la zona P y el polo negativo en la zona N el
diodo está en conducción y los electrones se dirigen a la frontera de la zona N con la zona
P, denominada unión del diodo. En la zona de unión ocurre intensamente el fenómeno
denominado recombinación: los electrones libres abandonan su estado y saltan a llenar
los huecos. Ello permite que se establezca una corriente eléctrica en el diodo.
En esencia, al encontrarse los electrones y los huecos en la unión del diodo, se
obtiene la condición de inversión de población. Efectivamente, electrones en niveles más
14
energéticos se encuentran con niveles energéticos despoblados, “vacios”. Sin embargo, al
saltar los electrones a los huecos no obligatoriamente se emitirán fotones por el diodo.
Para que un diodo pueda emitir luz eficientemente, debe ser construido con materiales
adecuados y encapsulado especialmente para ello. La unión PN de los diodos láser, al igual
que en los Diodos Emisores de Luz (LED, por sus siglas en inglés), al polarizarle
directamente emite luz. Los LED´s emiten fotones a partir de la recombinación de
electrones presentando un espectro ancho. Cuando se agrega un resonador (puede ser
del tipo Fabry-Perot o resonador externo) o cavidad de resonancia, con alta calidad la
retroalimentación puede ser lo suficientemente alta como para activar la acción láser ya
que la función de dicho resonador es lograr controlar el movimiento de los fotones y que
pueda generarse la emisión estimulada. En la mayoría de los casos la cavidad de los diodos
láser es interna (Fabry-Perot), aunque existen excepciones que poseen una cavidad
externa. Al añadir la cavidad, la línea de emisión se vuelve más angosta que la de un LED
(más monocromática), y el rayo también lo hace espacialmente.
Existen dos tipos de configuraciones para los diodos láser, siendo la de homounión, con una sola unión PN, la primera en existir, dando paso posteriormente, a la
configuración de hetero-unión, con más de una unión PN. El más simple es el formado
por GaAs y capas de AlGaAs (figura 1.10 y figura 1.11) [5,7-8].
Figura 1.10 Configuración de un láser de hetero-unión (GaAs-AlGaAs).
15
Figura 1.11 Diferentes configuraciones de láser de homo-unión y de heterounión
(GaAs).
1.2.3.3 CARACTERÍSTICAS PROPIAS DEL DIODO LÁSER
Podemos describir los aspectos en los que difiere un diodo láser de los demás como los
siguientes:
-
Transiciones banda a banda: en los láseres comunes las transiciones cuánticas
ocurren entre niveles de energía discretos, mientras que en los diodos láser las
transiciones son asociadas con las propiedades de la banda material.
-
Tamaño compacto: el tamaño de los diodos láser es muy pequeño.
-
Angulo de divergencia de radiación: la región activa de un láser de diodo es muy
ancha, de manera que la divergencia del rayo es considerablemente mayor que la
del otro tipo de láser.
-
Alta eficiencia: puesto que la energía eléctrica puede ser convertida directamente
en fotones, los diodos láser poseen la más alta eficiencia de todos los tipos de
láseres.
16
-
Modulación directa a alta frecuencia: un diodo láser puede ser
modulado
mediante la modulación directa de la corriente de polarización.
Los diodos láser más comunes son aquellos usados en los reproductores o
unidades de CD y DVD.
El rayo que producen los láseres utilizados en las unidades de CD se encuentra en
la parte del infrarrojo cercano a una longitud de onda de 780 nm. Las unidades de DVD
emiten en el rojo, es decir, a 650 nm aproximadamente.
1.2.3.4 CARACTERÍSTICAS DEL HAZ DE UN DIODO LÁSER
El haz puro obtenido a la salida de un diodo láser es altamente divergente y sufre de dos
asimetrías: astigmatismo y presenta forma elíptica. Esto se deriva de la forma de la
apertura emisora en uno de los lados del diodo láser la cual presenta forma alargada y no
circular.
La asimetría tanto en el eje X como en el eje Y, hacen que el haz del diodo presente
un perfil elíptico (figura 1.12), este perfil es común describirlo con la forma de cuña. Es
posible observar que con este tipo de láseres se obtiene una línea recta o un rectángulo y
no un punto.
El astigmatismo del diodo láser resulta de la divergencia desigual. Es posible
observar que un diodo láser con potencia de 5 mW, presentará un astigmatismo de 40
µm, considerado valor típico [7].
Figura 1.12 Fotografía donde se muestra la emisión en forma de cuña de un diodo
láser de color rojo.
17
1.2.3.5 PARÁMETROS IMPORTANTES DE LOS DIODOS LÁSER
Es importante tener en cuenta algunos parámetros propios de los diodos láser, los que se
describen a continuación han sido obtenidos de las hojas de datos de diodos láser de baja
potencia (5mW) [10-13].
»Máximos intervalos permitidos.
-
Temperatura de encapsulado. Es la temperatura medida en la base de su
encapsulado.
-
Temperatura de operación. Intervalo de temperatura de encapsulado dentro de la
cual puede ser operado de manera segura.
-
Potencia óptica de salida. Es la potencia óptica máxima permitida ya sea en modo
continuo o en modo pulsado. Se considera que esta potencia es medida desde el
diodo láser sin ningún lente u objeto óptico dentro de la ruta de medición.
-
Voltaje inverso. Voltaje máximo permitido cuando se polariza inversamente el
diodo láser o el fotodiodo. Para los diodos láser con fotodiodo sensor incluido, este
parámetro se define como VR(LD) para el diodo láser y VR(PD) para el fotodiodo
-
Temperatura de almacenamiento. Es la temperatura de encapsulado a la que el
dispositivo puede ser almacenado de manera segura.
» Términos que describen características electroópticas
-
Tiempo de caída (Fall Time). Es el tiempo requerido para que la salida óptica caiga
del 90% al 10% de su valor máximo.
-
Tiempo de subida (Rise Time). Es el tiempo requerido para que la salida óptica
aumente del 10% al 90% de su valor máximo.
18
-
Modo de brincos (ModeHopping). Cuando la temperatura de un diodo láser
aumenta, la longitud de onda de operación también aumenta y cambia de manera
discreta.
-
Corriente de monitor (Monitor current, Im). Es la corriente a través del fotodiodo
a un voltaje inverso especificado cuando el diodo láser está produciendo una salida
óptica típica.
-
Corriente de operación (Operatingcurrent, Iop). Es la corriente a través del diodo
láser cuando este está produciendo una salida óptica típica a una temperatura de
operación especificada.
-
Voltaje de operación (Operating voltaje, Vop). Es el voltaje en el diodo láser
polarizado directamente cuando el diodo láser está produciendo una salida óptica
típica a una temperatura de operación especificada.
-
Corriente de oscuridad del fotodiodo (Photodiodedarkcurrent, ID(PD)). Es la
corriente a través del fotodiodo interno cuando el diodo láser no está emitiendo.
-
Pendiente de eficiencia. Es el valor promedio del cambio incremental en la
potencia óptica para un cambio incremental en la corriente de operación cuando
el dispositivo está operando en una región láser de la curva de potencia óptica de
salida contra corriente de operación.
-
Corriente de Umbral (Thresholdcurrent, Ith). Es el límite entre la emisión
espontánea y la emisión estimulada que se muestra en una gráfica de potencia
óptica de salida contra corriente de operación (figura 2.1). Por debajo de la
corriente de umbral, la salida es semejante a la de un LED. Una vez superada la
corriente de umbral la emisión de luz es la de un láser. Una corriente de umbral
19
típica es de 40 mA a temperatura ambiente. Por encima del umbral la potencia
óptica de salida se incrementa linealmente con la corriente.
-
Longitud de onda ( Wavelength, Ip). Es la longitud de onda emitida por un diodo
láser.
-
Aspecto (Aspect ratio, AR). Es la proporción de los ángulos de divergencia de los
diodos láser.
-
Astigmatismo (Astigmatism, AS o Das). El astigmatismo está definido como la
distancia entre dos fuentes aparentes. Un rayo láser aparenta tener diferentes
fuentes para las direcciones paralela y perpendicular del plano de unión.
-
Divergencia del rayo (Beam divergente). Se le conoce también como ángulo de
radiación. La divergencia del rayo es medida como el punto del ángulo completo y
la mitad de la intensidad máxima.
-
Eficiencia de acoplamiento (Couplingefficiency). El rayo proveniente del rayo láser
diverge según las especificaciones de divergencia del rayo. Cuando se acopla un
diodo láser con un rayo ampliamente divergente hacia una lente o cualquier otro
dispositivo como una fibra óptica, el resultado es típicamente menos de 100% de
eficiencia de acoplamiento. La eficiencia de acoplamiento está definida como el
porcentaje total de potencia óptica de salida que efectivamente entra al
dispositivo externo.
-
Patrón de intensidad de campo lejano. Es el perfil de intensidad del rayo láser
cuando se le mide a una distancia de la cara frontal del diodo láser.
-
Patrón de intensidad de campo cercano. Es el perfil de intensidad del rayo láser
cuando se le mide en la cara frontal del diodo láser.
20
1.3
APLICACIONES DE LOS LÁSERES
Las propiedades de la luz que se produce por emisión estimulada han logrado que el láser
tenga infinidad de aplicaciones en la industria, en las telecomunicaciones, en la
investigación científica, en medicina, en metrología, en la tecnología militar, etc.
1.3.1 APLICACIONES DEL LÁSER EN TELECOMUNICACIONES.
Es al desarrollar la fibra óptica, donde el láser ha venido a jugar un papel muy importante
en las telecomunicaciones.
Dadas las necesidades que surgieron con el paso del tiempo en las comunicaciones
y siendo cada vez más difícil la comunicación con los medios ya existentes surgió la idea de
utilizar la luz como medio para transmitir la información, entonces fue desarrollada la
fibra óptica y después en ella se ha utilizado el láser como fuente de luz portadora de
información principalmente por tener un espectro bastante angosto, siendo esto muy
bueno para la transmisión de información.
1.3.2 APLICACIONES DEL LÁSER EN MEDICINA
Las aplicaciones del láser en medicina dependen de la interacción entre el láser y los
tejidos humanos. Según sea el tejido a tratar estará compuesto de unas determinadas
moléculas, que tendrán una determinada absorción de la energía láser dependiendo de su
longitud de onda. Cuanto mayor sea la absorción la penetración del haz será menor y los
efectos serán más superficiales.
En oftalmología se utiliza el láser de excímeros para el modelado de la córnea que
se aplica en corrección de miopías, hipermetropías y astigmatismos moderados.
En cirugía el láser es utilizado como escarpelo de precisión. Con haces intensos y
estrechos de luz láser es posible cortar y cauterizar ciertos tejidos en una fracción de
segundo, sin dañar el tejido sano circundante.
1.3.3 APLICACIONES DEL LÁSER EN METROLOGÍA
Gracias a la propiedad de direccionalidad los láseres son utilizados en los sistemas de
alineamiento como punteros para definir de forma precisa una dirección.
Otra aplicación es la medición de distancias. Para las distancias menores a 100
metros se utiliza el método de interferometría que consiste en dividir el haz láser en dos
brazos que recorren diferentes caminos, uno fijo y otro correspondiente a la distancia
21
buscada. El patrón de interferencia que producen las dos ondas permite extraer la
información de la diferencia de caminos que han seguido ambos haces.
Para medir distancias superiores a 100 metros se utiliza el método de la telemetría
de la modulación de amplitud. Este método consiste en enviar la luz de un láser modulado
en amplitud sobre el blanco. La diferencia de fase entre la luz emitida y recibida está
relacionada con la distancia.
1.3.4 APLICACIONES DEL LÁSER EN LA TECNOLOGÍA MILITAR
La tecnología militar dispone de sistemas de guiado por láser para misiles, aviones, y
satélites. También existen armas con visión láser y mira láser.
El sistema LIDARF es una técnica para detectar la distancia de blancos. Su alcance
es de 10-20 km con precisiones aproximadas de ± 5 metros. Su principio consiste en: la
distancia es calculada midiendo el tiempo que invierte un pulso de un láser en viajar al
blanco, ser reflejado y regresar.
1.3.5 APLICACIONES DEL LÁSER EN LA INDUSTRIA
En la industria el láser se ha ido incorporando en los procesos que ha conseguido hacerlos
más efectivos. Hoy en día el láser tiene un papel importante en la verificación de piezas,
detección de piezas, guiado de vehículos, detección de defectos de pieza mediante la
interferometría oleográfica y en el procesado de materiales.
Cuando un láser incide sobre un material, este absorbe su energía transformándola
en calor. Este calor es utilizado para vaporizar, fundir o transformar material. De esta
manera se consiguen diferentes aplicaciones, como pueden ser el corte, el perforado, el
marcaje, la soldadura, el tratamiento térmico de temple y aleaciones.
La principal ventaja de la tecnología láser respecto a otras es que la energía se
aplica en un espacio muy pequeño.
Para realizar el corte con un láser el haz es focalizado mediante una lente sobre el
material. El haz láser calienta un cilindro de material fundiendo y evaporando parte del
mismo. El corte se consigue mediante el movimiento relativo entre el láser y la pieza. La
figura 1.13 muestra el proceso de corte.
22
Figura 1.13 Corte realizado con láser.
El marcado con láser consiste en producir cambios permanentes en la superficie de la
pieza. Los generadores más utilizados en el marcado son el de Nd-YAG y el de CO2
El sistema más utilizado para el marcado con láseres es mediante dos espejos
galvanométricos.
La figura 1.14 muestra el proceso con los espejos galvanométricos.
Figura 1.14 Marcado con láser mediante espejos galvanométricos.
23
CAPÍTULO II
DESARROLLO DE
UNA FUENTE DE
PODER PARA
DIODO LÁSER
24
2.1 PARÁMETROS IMPORTANTES EN FUENTES DE PODER PARA DIODO
LÁSER
A diferencia de los LED´s los diodos láser requieren de un circuito de polarización de
corriente controlada.
En los trabajos con diodos láser, las fuentes de poder que utilizamos son
comúnmente conocidas como drivers. Un driver es un dispositivo cuya función principal es
proveer corrientes adecuadas de polarización y modulación a un diodo láser.
Existe una corriente máxima que no debe ser excedida por un tiempo mayor a un
microsegundo. De exceder esta corriente el dispositivo podría ser dañado, por eso es
importante tener en cuenta las siguientes características:

Descarga electrostática. Los diodos láser son dispositivos altamente sensibles por
ello deben ser tratados con mucho cuidado y teniendo precaución ante este tipo
de eventos.

Circuitos de manejo. Los diodos láser siempre deben ser polarizados por corriente
constante o control automático de potencia. Los circuitos de encendido
normalmente utilizados nos brindan la seguridad de evitar los picos y los
transitorios, también proporcionan un encendido lento.

Restricción de corriente. Esto incluye inmunidad a los transitorios en la línea de
alimentación mientras se encuentra en funcionamiento la fuente de poder o
encendido el diodo láser, así como aquellos que ocurran al encender y apagar la
alimentación de un diodo láser cuando éste funciona en ciclos.

Regulación de corriente. La eficiencia y la potencia óptica a la salida en un diodo
láser se incrementan conforme se decrementa la temperatura. Esto significa que
sin la retroalimentación óptica un diodo láser encendido y ajustado a la
temperatura ambiente de la habitación verá reducida su salida una vez que éste se
caliente. Por el contrario si la corriente se eleva después de que el diodo láser se
haya calentando, probablemente se destruirá la próxima vez que encienda a la
temperatura de la habitación si no existe retroalimentación óptica que regule tal
corriente [14].
25
El correcto funcionamiento de un diodo láser es altamente dependiente de la
temperatura, pueden darse cambios importantes, por ejemplo, en la longitud de onda con
tan solo el aumento de 1°C en la temperatura. También pueden haber cambios tales
como: la corriente de umbral, la longitud de onda, la curva de eficiencia y el tiempo de
vida.
Dentro de todas los aplicaciones que tiene el diodo láser es necesario controlar la
corriente con que es alimentando, ya que debido a sus características si esta corriente no
está siendo monitoreada y a su vez controlada puede suceder que con el menor aumento
de corriente que supere a la corriente máxima soportada durante un tiempo
relativamente corto el diodo láser sea dañado de por vida.
Existen dos esquemas de polarización para los diodos láser que nos ayudan en el
caso que no se cuente con las medidas de seguridad necesarias agregadas al circuito de
polarización. Estos esquemas son el modo de corriente constante y el modo de potencia
constante.
El modo de corriente constante provee un lazo de control rápido y una corriente
de referencia (mediante el fotodiodo sensor) para monitorear de manera precisa la
corriente de operación del diodo láser [14].
El modo de potencia constante elimina la posibilidad de que la potencia óptica de
salida aumente al disminuir drásticamente la temperatura de operación. Pero, si el
disipador del diodo láser es inadecuado y la temperatura de operación se incrementa, la
potencia óptica disminuirá. Esto provocará que el circuito incremente la corriente de
polarización del diodo láser en un intento por mantener constante la potencia de salida
[14].
Como se mencionó con anterioridad los diodos láser son muy parecidos a los LED´s
por lo que en sus terminales se tendrá un voltaje de 2.2 Volts en promedio, pues esto
dependerá de la longitud de onda del láser, para cualquier corriente directa que se haga
presente en el dispositivo motivo por el cual no es recomendable el control del diodo por
medio de voltaje. El control del dispositivo por medio de corriente hace que su manejo sea
más confiable. Por debajo de una determinada corriente de disparo (corriente de umbral)
el dispositivo se comporta como un LED de baja intensidad. En cambio, por arriba de la
26
corriente de umbral, la operación del láser se vuelve óptima observando que la intensidad
de la luz a la salida aumenta rápidamente en función de la corriente que circula por el
diodo (Figura 2.1)
Figura 2.1 Grafica de potencia de salida contra corriente de operación de un diodo
láser.
La corriente de umbral varía ampliamente de un dispositivo a otro y esto a su vez
varia con la temperatura [4].
Dado que la aplicación de la fuente a desarrollar no es para diodo láser en
comunicaciones no afectan las pequeñas variaciones que puedan presentarse en la
longitud de onda de la luz láser. Sí es importante considerar que la operación sea por
encima del umbral y por debajo de la corriente máxima establecida para cada diodo láser.
También es necesario evitar picos de corriente y transitorios en la línea de alimentación
mientras el diodo láser se encuentran funcionando ya que podría resultar dañado.
27
2.2 REQUERIMIENTOS DE LA FUENTE DE PODER PROGRAMABLE A DESARROLLAR
Tomando en cuenta los parámetros importantes para que se produzcan los fenómenos de
bioestimulación (monocromaticidad de la luz, longitud de onda, intensidad o potencia y el
tiempo de irradiación) es que se ha buscado desarrollar una fuente de poder programable
para diodo láser con la cual fuera posible controlar la corriente suministrada al dispositivo
láser.
Como se ha expuesto, uno de los parámetros con mayor importancia y con el que
debe tenerse sumo cuidado es la corriente aplicada al diodo láser, ya que al exceder la
corriente máxima soportada este puede dañarse de por vida, de igual forma un diodo
láser comienza a emitir dentro de la región láser una vez que ha superado cierta corriente
denominada corriente de umbral, es sabido que dichos valores varían de dispositivo a
dispositivo [10-13], por esta razón es necesario contar con un dispositivo que pueda
brindar distintos valores de corriente, mismos que deben encontrarse dentro de los
valores comunes de los diodos láser, así como una corriente que pueda mantenerse
estable durante un tiempo considerado razonable para la irradiación (este tiempo según
algunas investigaciones se localiza entre 10 y 20 minutos en promedio [14]), es decir, debe
mantenerse dentro del rango de emisión láser del dispositivo sin superar la corriente
máxima soportada ni ser inferior a la corriente de umbral. De acuerdo con algunas hojas
de datos de diodos láser el rango promedio entre corriente de umbral y corriente máxima
se localiza alrededor de 25 mA. Así mismo se debe poder variar la corriente, ya que
mediante la variación de la corriente que circula a través del diodo láser puede variarse su
intensidad o potencia.
2.3 DESCRIPCIÓN DE FUENTES DE PODER ANALIZADAS
Ha sido necesario partir de algunos drivers ya existentes pensando en elegir el mejor para,
posteriormente, elaborar la fuente con todas las características descritas anteriormente.
A continuación se describen algunos ejemplos de circuitos driver para diodo láser
que se probaron con la finalidad de elegir el más apto según las necesidades de este
proyecto y de la bioestimulación:
El primer circuito analizado tiene como base un regulador de tensión (LM317) cuyo
diagrama se muestra en la figura 2.2:
28
Figura 2.2 Diagrama de un driver utilizando LM317
El circuito integrado LM317 es un regulador de tensión que conectado como se
muestra en la figura 2.2 permite, mediante una resistencia variable (RV2), variar la
corriente que fluye a través de los diodos conectados en serie.
El valor de corriente de salida está dado por la ecuación 1
=
………………………………. (Ecuación 1)
Dónde:
Imáx= Corriente que circulará por los diodos
Vref= Voltaje de referencia del LM317
R= valor de resistencia RV2 + R1
El valor de Voltaje de referencia (Vref), es fijo y se encuentra en 1.25 Volts en todo
momento. En este circuito los diodos conectados en serie simulan un diodo láser a través
de los cuales fluye la corriente.
A partir de las pruebas realizadas se observó la ineficiencia de este circuito para los
fines que era requerido, pues no brindaba la estabilidad necesaria, ya que la corriente de
salida variaba indeterminadamente, presentándose variaciones repentinas de más de 20
mA en algunos casos, las cuales podrían superar en algún momento dado la corriente
máxima soportada por el diodo láser. Además no fue posible mantener constante la
29
corriente durante un tiempo adecuado (20 minutos) para la bioestimulación, ya que luego
de un tiempo menor a 20 minutos se presentaba un incremento constante de la misma.
El circuito mostrado en la figura 2.3 fue el segundo en ser probado, su elemento
principal es un Regulador de corriente y voltaje.
Figura 2.3 Circuito regulador con L200
Este circuito está formado por un circuito integrado llamado L200 el cual permite
limitar la corriente en un punto deseado así como regular el voltaje de salida a través de la
variación de una resistencia. El voltaje es regulado en la terminal 4 por medio del
potenciómetro RV1 y la corriente con la resistencia R3 a través de los terminales 2 y 5.
De acuerdo con la hoja de datos del L200 entre los pines 2 y 5 se localiza un
circuito interno de limitación de corriente, por ello entre estos dos pines debe colocarse
una resistencia que será la encargada de limitar la corriente de salida. El voltaje entre los
pines 2 y 5 es constante, de 0.45 V valor típico (la corriente de salida fluye por el pin 5). Así
tenemos la ecuación 2:
Io=V5-2 /R3 ………………………………. (Ecuación 2)
Donde:
Io= Corriente de salida
V5-2 = Voltaje entre los pines 5 y 2
R3= Resistencia de limitación de corriente
Para el caso de este circuito se tomó de la hoja de datos del propio L200 la
configuración de la figura 2.3. De acuerdo con lo especificado en la hoja de datos con esta
30
configuración es posible obtener una corriente variable en la salida del L200 mediante el
cambio de la resistencia RV2.
En el momento de realizar las pruebas pertinentes con algunos diodos
semiconductores se observó un comportamiento adecuado, es decir, podía variarse la
corriente partiendo desde 0 mA hasta valores superiores a 100 mA, pero al cambiar el
circuito de prueba de los diodos comunes por un diodo láser (rojo o infrarrojo) era
imposible lograr dicha variación ya que la corriente quedaba ajustada en un valor, siendo
imposible obtener alguna modificación mediante el cambio de la resistencia RV2. Por
ejemplo, si estando colocados los diodos de prueba (simulando un diodo láser) podía
variarse por rangos pequeños (cercanos a 1 mA) cada vez que se cambiaba el valor de la
resistencia variable RV2, una vez que se colocaba el diodo láser el circuito fijaba un valor
de corriente y resultaba imposible realizar la variación. Al observar lo anterior debió
descartarse este circuito ya que se determinó que no podían cumplirse dos de los
propósitos de este proyecto: obtener una fuente cuyos valores de corriente pudieran ser
variables para aplicarse en aquellos diodos láser cuyas características de funcionamiento
se desconocen y variar la corriente que circula a través del láser y con ello la intensidad o
potencia del mismo.
El siguiente circuito (figura 2.4) fue el tercero en ser probado y está basado en un
dispositivo FET IRF520. La corriente que fluye por la terminal drenador cambia al modificar
el voltaje que es suministrado en la compuerta.
Figura 2.4 Circuito regulador con transistor FET
31
El circuito mostrado en la figura anterior sirvió como prueba de inicio para
comprobar que dicho dispositivo podría proveer los valores de corriente requeridos por
los diversos tipos de diodo láser [10-13], también que se adecuara a las pruebas que
debían realizarse en bioestimulación, como no tener variaciones de corriente repentinas
que pudieran superar la corriente máxima soportada por el diodo láser, una respuesta de
velocidad considerable en la corriente que fluye por el terminal drenador respecto al
voltaje de entrada de compuerta y que la corriente pudiera ser variada esperando con ello
variar la intensidad o potencia del láser utilizado.
El circuito cuyo componente principal es el FET IRF520 tiene una etapa en la
compuerta que permite realizar las variaciones de voltaje mediante el potenciómetro que
se ha colocado en la primera etapa; al cambiar el voltaje de compuerta se obtiene una
variación de corriente del drenador. Se ha podido observar una variación de corriente muy
adecuada, pues ha sido posible obtener incrementos y/o decrementos cercanos a 1 mA.
Posteriormente se han realizado algunos cambios necesarios para adecuar un circuito que
permitiera hacer una conversión digital/analógica esto pensando en la utilización
posterior de un microcontrolador.
2.4 ELECCIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE UNA FUENTE DE PODER ADECUADA
Luego de realizar las pruebas necesarias con cada uno de los circuitos anteriormente
descritos se llegó a la conclusión que el mejor y que aportaba los requerimientos
necesarios para este trabajo de investigación es el circuito construido a base de un FET
IRF520, cuya característica de funcionamiento es suministrarle un voltaje en el terminal de
compuerta el cual es proporcional a la corriente de salida que fluye a través del drenador.
Debido a su comportamiento que permite variar la corriente del drenador al variar
el voltaje de compuerta y a que puede brindar una gran seguridad, pues no presenta
variaciones de corriente tales que al ser tan amplias puedan superar la corriente máxima
soportada por el diodo láser, es que este dispositivo ha sido elegido para llevar a cabo el
desarrollo del proyecto de la fuente de poder para el diodo láser. [15-16]
El circuito desarrollado ha sido el de la figura 2.5:
32
Figura 2.5 Circuito con transistor IRF520 en el cual se agrega una etapa digital.
Como es sabido, la corriente de drenador será estable en la medida en que el
voltaje de compuerta lo sea, ya que si este presenta alguna variación, la corriente de
drenador también habrá de variar, es posible reducir esta variación al añadir una etapa
digital de la cual proviene el voltaje de compuerta que se suministra al FET. Dicha etapa
digital estará compuesta por un convertidor digital analógico, DAC0800, y posteriormente
habrá de añadirse un microcontrolador con el cual se controlaran las entradas digitales del
DAC utilizado. En la figura 2.5 puede observarse como ya se ha incluido en el circuito la
etapa digital cuyo funcionamiento consiste en ingresar un valor digital al DAC utilizado, de
este obtenemos una salida de voltaje analógica que es amplificada en la siguiente etapa
construida por un amplificador TL081 cuya salida ya amplificada va directamente a la
compuerta del FET IRF520.
Como puede observarse la etapa de variación manual por medio de una resistencia
variable en la compuerta del IRF520 ha sido sustituida por una etapa de conversión digital
a analógica la cual cumple la función de variar el voltaje de entrada mediante la variación
de las entradas digitales en el DAC0800. Como se ha dicho, esto permite, brindarle una
mayor estabilidad en el voltaje de compuerta por tratarse de valores de voltaje
33
provenientes de una etapa digital: el DAC0800 y un microcontrolador que se ha empleado
posteriormente.
La primera etapa del circuito de la figura 2.5, que es la comprendida del
convertidor digital a analógico al amplificador, fue tomada de la hoja de datos del
dispositivo DAC0800 [17], en dicha etapa se obtienen diversos valores de voltaje a la salida
del amplificador operacional los cuales corresponden con determinados valores binarios
de entrada en el DAC. En la tabla 2.1 se muestra algunos valores con sus respectivos
voltajes de salida.
Voltaje
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
1
0
1
1
1
0
0
1
4.13 V
1
0
1
1
1
1
0
0
4.23 V
1
0
1
1
1
1
1
0
4.30 V
1
0
1
1
1
1
1
1
4.33 V
1
1
0
0
0
1
1
0
4.57 V
1
1
0
0
1
0
0
0
4.64 V
de salida
Tabla 2.1 Muestra los valores binarios de entrada en el DAC0800 (B1…B8) y sus
respectivos valores de voltaje de salida.
2.4.1 DISEÑO DEL CIRCUITO IMPRESO (PCB)
Una vez realizadas las pruebas necesarias en la tablilla de prototipos y observando que el
dispositivo se comporta de manera correcta se ha procedido a realizar el diseño del PCB
para poder realizar pruebas más seguras (tratando de evitar los problemas relacionados
con falsos contactos que suelen presentarse con la tablilla de prototipos), ahora con el
diodo láser, tanto infrarrojo como diodo láser rojo.
El PCB ha sido diseñado mediante varios software desarrollados para este fin, esto
con el propósito de poder elegir aquel cuyo funcionamiento sea el apropiado. Las
plataformas utilizadas han sido AltiumDesigner y CircuitWizard. Dando ambas resultados
correctos de muy buena calidad para el diseño del circuito impreso.
2.4.2 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Una vez desarrollado el circuito impreso (PCB) se han llevado a cabo las pruebas
pertinentes para comprobar que funciona el dispositivo de manera adecuada.
34
Las pruebas han consistido en la variación de los distintos valores binarios en la
entrada del dispositivo DAC para poder comparar los valores digitales ingresados contra la
corriente de salida. Esto sirvió para conocer qué valor de corriente corresponde con cada
valor digital y con cada valor de voltaje.
Una segunda prueba consistió en corroborar que se obtuviera el voltaje con que se
alimentaba la compuerta del IRF520 a su vez la corriente que correspondía a dicho
voltaje, ya que en diversas ocasiones el funcionamiento no es el mismo que el observado
en el software de simulación.
Como tercera parte de las pruebas se han agregado cuatro diodos
semiconductores como simulación de un diodo láser rojo para comprobar que mediante la
colocación de un dispositivo semiconductor el circuito diseñado se comportaría de la
misma manera y así pasar a la etapa de pruebas de funcionamiento de los Diodos Láser.
2.5 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DE DIODOS LÁSER.
Se realizaron pruebas con diversos tipos de diodos láser cuyas características de
funcionamiento se desconocen utilizando el dispositivo controlador, diseñado en el
presente trabajo de investigación.
El procedimiento consiste en verificar las zonas de emisión de cada diodo láser,
identificando en primer lugar la corriente a la cual comienza a operar dentro de la región
láser o corriente de umbral, la intensidad, así como la corriente máxima que puede
circular a través del dispositivo. Es posible determinar que el dispositivo se encuentra en
la región láser observando el haz emitido ya que es muy diferente cuando la emisión no se
encuentra en la región láser al haz presentado por el mismo una vez que ha superado la
corriente de umbral y por lo tanto su emisión se localiza dentro de la región láser
2.5.1 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DE UN DIODO LÁSER INFRARROJO
Al realizar las pruebas de funcionamiento con diodos láser cuya emisión de luz se
encuentra en el infrarrojo fue posible observar cómo la corriente de umbral varía de
dispositivo a dispositivo sin importar que estos se encuentren dentro de la misma longitud
de onda de operación o no. Durante las pruebas de funcionamiento fue posible observar
que los diodos láser de infrarrojo comienzan a emitir dentro de la región láser cuando
35
circula una corriente de entre 50 y 60 mA (corriente de umbral) y soportando una
corriente máxima de 90 mA.
En la figura 2.6 se puede observar un diodo láser infrarrojo, el cual solo es posible
ver su emisión con dispositivos diseñados para observar en el infrarrojo.
Figura 2.6 Diodo láser infrarrojo emitiendo.
2.5.2 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DE UN DIODO LÁSER ROJO
Las pruebas de funcionamiento en los láseres rojos es más fácil de realizar puesto que es
posible observar mediante el incremento manual de la corriente, el incremento de la
intensidad de la luz láser. De la misma manera que en el caso de los láseres infrarrojos se
pudo observar que la corriente de umbral de los diodos láser rojos varía en amplios
rangos. Se observaron algunos que comenzaban a emitir dentro de la región láser a partir
de una corriente de 35 mA soportando una corriente máxima que oscila entre los 55 mA y
65 mA aproximadamente, una vez superada esta corriente el diodo láser dejó de
funcionar en la región láser, teniendo la luz emitida las características de un LED (figura
2.7).
36
Figura 2.7 Diodo láser rojo dañado una vez superada su corriente umbral.
En la figura 2.8 puede observarse el comportamiento de un láser rojo en su región
activa. Es posible ver la forma de cuña del haz emitido. La corriente de emisión en este
caso es de 53mA.
Figura 2.8 Emisión de un láser rojo en la región láser.
2.6 DISEÑO DEL CONTROLADOR LÁSER
Como se ha explicado el diodo láser funciona en la región de emisión láser una vez que ha
superado determinada corriente denominada “corriente de umbral” misma que va a
variar de acuerdo con cada diodo láser en particular.
La principal función de un controlador es la de proveer corrientes adecuadas de
polarización a un diodo láser. En aplicaciones en las comunicaciones suele utilizarse un
sistema de retroalimentación para estabilizar la longitud de onda, pero para el caso de la
37
bioestimulación no es necesario tener una retroalimentación que nos permita tener
estable la longitud de onda del diodo láser ya que puede ser permisible que existan
algunas variaciones en ella.
Lo que requiere el controlador a diseñar es asegurar que no exista algún
incremento de corriente que pueda dañar al láser superando la corriente máxima que
soporta, además de suministrar la corriente necesaria para que pueda emitir la luz en la
región láser y no lo haga como un simple LED. Además de contar con las características
propias de un controlador para diodo láser, debe reunir unas características específicas
debido a que será aplicado en sistemas biológicos para efectos de bioestimulación.
Dentro de estas características encontramos la capacidad de poder elegir la
corriente que se suministrará al dispositivo diodo láser debido a que es indistinto el diodo
láser que será utilizado. De igual forma, variación de la corriente suministrada al diodo
láser que se esté manipulando, ya que de esta manera puede variarse la intensidad de la
luz que está siendo aplicada en el sistema biológico.
A partir de lo anterior es que se ha buscado realizar una fuente con dos
modalidades de funcionamiento; una denominada manual con la cual se podrá
incrementar o decrementar la corriente, esto con la finalidad de probar los diodos láser
cuyas características de funcionamiento se desconocen, así como poder incrementar o
decrementar la intensidad de la luz láser. Otra de las modalidades de funcionamiento es la
denominada automática, la cual consiste en elegir uno de los valores de corriente
preestablecidos por medio de la programación el cual será suministrado a aquellos diodos
láser cuyas características de operación son conocidas.
2.6.1 CONTROLADOR EMPLEANDO UN MICROCONTROLADOR
Como ya se mencionó, un diodo láser es un dispositivo muy sensible a las variaciones de
corriente no soportando el exceso de una corriente que supere su corriente máxima por
un tiempo relativamente corto ya que esto ocasionaría el daño permanente del
dispositivo. Es por esto que se deben tener en consideración algunas características.
a) Evitar los transitorios que suelen venir de la fuente de alimentación mientras el
dispositivo esté en funcionamiento.
b) Evitar incrementos de corriente superiores a la corriente máxima que soporta.
38
c) Control en la temperatura del diodo láser ya que en cada encendido, si su
temperatura va en aumento, puede verse dañado ya que si la corriente se eleva
una vez que el diodo se haya calentado, se destruirá [4].
En un diodo láser independientemente de la corriente directa que se haga circular
a través de él, tendremos una tensión en sus terminales de 2.2 V aproximadamente [4].
Debido a eso el control del voltaje no es una buena alternativa. Es por esto que se recurre
a realizar el control por medio de la corriente que se hace circular a través del dispositivo.
Es necesario tener en cuenta que la corriente de disparo varía de un dispositivo a
otro y también suele variar con la temperatura [4]. Por ello no es posible fijar un valor de
corriente, ya que no sería de mucha utilidad.
Los diodos láser con los que se trabajará tienen corrientes de operación entre los
30 y los 100 mA y voltajes de operación entre 2 y 4.7 V, variando de dispositivo a
dispositivo. De acuerdo con las pruebas de funcionamiento de los dispositivos con que se
cuenta se ha encontrado que: La corriente de operación del diodo láser rojo está entre los
35 mA y los 70 mA y para lo infrarrojos oscila entre los 50 y los 90 mA. Como se mencionó
anteriormente el dispositivo desarrollado debe permitir variar la corriente entre los
valores típicos de funcionamiento de los diodos láser, para poder probar aquellos cuyas
características se desconocen y también poder variar la intensidad de la luz láser. De
acuerdo con las pruebas realizadas los valores de voltaje de compuerta del FET IRF520
deben encontrarse entre 2 V y 6 V generando así valores de corriente en el drenador de
dicho dispositivo entre 0 mA y 120 mA.

DESCRIPCIÓN
Tomando en cuenta estas necesidades es que se ha procedido al diseño del dispositivo
controlador que se describe a continuación:
El controlador diseñado está dividido en tres etapas.

Una primera etapa consiste en la fuente de alimentación para el circuito en
general.

Una etapa de control que se encarga de elegir la corriente de alimentación de
acuerdo con el tipo de diodo láser que se esté manipulando, variar la corriente que
39
circula por el láser y elegir un valor de corriente predeterminado. Esto mediante
uno de los modos de manipulación del dispositivo, manual o automático.

La tercera etapa consiste en mostrar en una pantalla LCD el valor de corriente de
salida.
2.6.1.1 FUENTE DE VOLTAJE
Una fuente de voltaje (figura 2.9) es un dispositivo que permite convertir la tensión
alterna de la red de suministro en una o varias tensiones continuas, que se utilizan en la
alimentación de circuitos electrónicos. Las fuentes de alimentación pueden clasificarse en
lineales y conmutadas. Una fuente de alimentación lineal se compone de cuatro bloques
principalmente: Transformador, rectificador, filtro y regulador o estabilizador. La fuente
de alimentación utilizada en este proyecto es una fuente conmutada de voltaje que
permite suministrar los valores necesarios para los componentes manipulados tales como
el microcontrolador, DAC y amplificadores operacionales en uso. Los valores requeridos
son 12 V. -12V y 5 V. Esta fuente cuenta con la protección de un fusible, al cual se ha
añadido una Resistencia Dependiente del Voltaje con la finalidad de evitar un daño debido
a los picos de corriente o transitorios que pudieran presentarse inesperadamente.
Figura 2.9 Fuente de alimentación.
2.6.1.2. ETAPA DE CONTROL
Esta etapa es la principal dentro del desarrollo de este proyecto pues en ella se concentra
la esencia del mismo que consiste en poder obtener valores convenientes de la corriente
que circula a través del diodo láser. Es por ese motivo que dentro de esta misma etapa se
40
encuentran algunas subetapas que serán explicadas por separado debido a la importancia
de la función que desempeñan dentro del control.
Este controlador electrónico cumple, como se ha mencionado anteriormente,
distintas funciones, en su desarrollo se ha utilizado el dispositivo microcontrolador
ATmega8535 de ATMEL, un teclado matricial, una pantalla de cristal líquido de 16 x 2
renglones.
2.6.1.3 MICROTONTROLADOR ATMEGA 8535 DE ATMEL.
Con el microcontrolador se tiene la ventaja que la programación es relativamente sencilla.
Además que tiene la ventaja de requerir un mínimo de componentes externos para su
funcionamiento. Solo se requiere un oscilador externo (el microcontrolador puede
funcionar desde DC hasta 8 o 10 MHz dependiendo del modelo.)
El microcontrolador es compatible con señales TTL y posee 8kB de memoria FLASH.
Cuenta con 512 Bytes de EEPROM y 512 Bytes de SRAM. También cuenta con
características como modulador de ancho de pulso, temporizadores de 8 y 16 bits,
comparador analógico, comunicación RS232, entre otras funciones [18-19].

PROGRAMACIÓN
La etapa de control al encender opera de la siguiente manera.
1. Despliega un mensaje inicial en el Display.
2. Se debe presionar una tecla para elegir el valor de corriente requerido.
3. Existe la posibilidad de elegir entre un modo predeterminado de corriente o
incrementarla o disminuirla manualmente.
4. El Display muestra el valor de corriente seleccionado o en su defecto el modo
manual seleccionado (decremento o incremento).
41
Figura 2.10 Ejemplo de teclado matricial.
En la Figura 2.10 podemos observar el ejemplo del teclado matricial utilizado.
Las teclas correspondientes a los números del 4 al 9 se utilizan para los valores
predeterminados de corriente que van desde los 40 mA hasta 90 mA. Las teclas con las
letras “C” y “D” corresponden al cambio manual, ya sea que se trate de incrementar o de
decrementar, respectivamente. El resto de las teclas no se ha utilizado ya que los valores
de corriente entre los cuales operan la mayoría de los diodos láser se localizan entre los 30
mA y los 90 mA, por esta razón las teclas con valores predeterminados proporcionan
dichos valores. Para utilizar cualquier otro valor existe el método de control Manual el
cual va desde 1 mA a valores superiores a los 100 mA. Además con el método manual es
posible variar la intensidad o potencia del láser
Para la explicación del programa del microcontrolador se mostrara en dos
subetapas, una por cada rutina.
2.6.1.4 RUTINA DE DESPLIEGUE
El Display empleado es de cristal líquido (LCD) 16 caracteres por dos renglones, con
temporizador y con microcontrolador integrado. Por ello el despliegue de datos se lleva a
cabo mediante ciertas palabras de control. Para poder comunicarse con el ATMega8535,
el display consta de 8 líneas de datos y 3 de control de flujo. Por las líneas de datos circula
el código ASCII del carácter que se va a desplegar o un comando.
Las líneas de control son RS, R/W y E, estas líneas sirven para controlar el flujo y
tipo de datos que circulan en el bus de datos del display. Mediante RS se le indica si los
datos que circulan en el bus son de control (0) o un carácter (1). R/W es para determinar si
42
se va a leer una localidad de la memoria del display o si se enviará un comando o caracter.
Por último, E sirve como un comando de ejecución con el cual se acepta el código
propuesto en el Bus de datos.
En lo que respecta a la rutina de despliegue, al encender el sistema controlador se
envía por el Display un mensaje con la leyenda “SISTEMA LÁSER”. Posteriormente nos
indica, en el caso de oprimir una tecla cual es el valor de corriente que se encuentra
circulando por el Diodo Láser o en el caso de haber seleccionado cualquiera de los modos
manuales, tanto de incremento o decremento nos indicará cual ha sido el seleccionado
con un mensaje “INCREMENTO” O “DECREMENTO” respectivamente (figuras: 2.11, 2.12,
2.13 y 2.14).
Figura 2.11 Mensaje de Inicio desplegado en el Display.
Figura 2.12 Muestra el mensaje desplegado en el display al elegir el modo de
incremento de corriente.
43
Figura 2.13 Muestra el mensaje de decremento.
Figura 2.14 Muestra los mensajes desplegados al elegir valores de corriente
específicos y preestablecidos en la programación.
2.6.1.5 RUTINA DE ATENCIÓN AL TECLADO.
En la rutina del teclado se utiliza una de las interrupciones externas del microcontrolador.
Esto sirve para evitar el rastreo continuo del teclado, lo cual consume tiempo y recursos.
Al emplear la interrupción, el teclado solo es rastreado cuando se presiona una tecla.
En el diagrama de la figura 2.15 podemos observar que existen 4 diodos
conectados a 4 líneas del Bus de datos, los ánodos de los diodos están a un 1 lógico
mediante la programación del microcontrolador, las 4 líneas restantes tienen un nivel
lógico de cero. Cuando se presiona una tecla, se unen una línea con una columna del
teclado, esto es, el ánodo de uno de los 4 diodos cambia de 1 a 0 y este cambio activa la
interrupción externa del microcontrolador provocando que el teclado sea rastreado para
44
detectar cual fue la tecla presionada. Para conseguir esto se procede como se indica a
continuación:
1. Una vez activada la interrupción, se inicializa una variable, “temp” en donde
inicialmente se carga el valor de 11101111 que se almacena en dicha variable para
hacer el rastreo de una determinada columna y fila por fila, para así detectar cual
fue la tecla pulsada.
2. Si no ha sido en esa columna la tecla pulsada, se carga ahora el valor de “temp”
con 11011111 para rastrear ahora fila por fila en la siguiente columna. Si no ha
sido en esta la tecla pulsada se continúa y así sucesivamente hasta detectar la
posición en que ha sido presionada la tecla que provocó la interrupción.
3. Una vez localizada la tecla presionada, el programa accede a enviar por el puerto
A el valor digital que corresponda a cada valor de corriente predeterminado, así
como a mostrar en el LCD el valor de corriente que ha sido emitido.
4. La rutina del LCD consiste en detectar, de la misma forma que para enviar datos
por el Puerto A, el valor de la tecla presionada y así enviar al LCD los datos propios
del mensaje.
Figura 2.15. Diagrama del circuito de control.
45
2.6.1.6 SIMULACIONES Y PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Una vez desarrollado el circuito final, se procedió a realizar las pruebas de
funcionamiento, mediante las cuales pudiera comprobarse que se obtendrían las
características requeridas en la bioestimulación, principalmente lo correspondiente a
estabilidad en un rango de corriente del circuito, control y variación de corriente,
manipulación entre los valores necesarios para el funcionamiento de los diodos láser en su
etapa de emisión láser y evitar que durante el funcionamiento del dispositivo se
presentaran transitorios y/o picos de corriente en la alimentación que pudieran superar la
corriente máxima soportada por el diodo láser y por lo tanto dañarlo, esto último fue
posible conseguirlo con la conexión de una Resistencia Dependiente de Voltaje y un
fusible los cuales se encargan de proteger al circuito en caso de presentarse tales
problemas en la alimentación.
Las pruebas consistieron en utilizar diodos rectificadores (figura 2.16) como un
simulador del diodo láser, ya que la circulación de corriente a través de los diodos
rectificadores comunes es similar a la ocurrida en los diodos láser. Al realizar estas
pruebas pudo observarse el correcto funcionamiento de la fuente de poder programable
obteniendo valores de corriente de salida, es decir, de circulación a través de los diodos
de entre 10 mA y 120 mA misma que podía mantenerse estable todo el tiempo, es decir
no existía una variación tal que pudiera llevar al valor de la corriente por debajo de la
corriente de disparo (corriente umbral) o por encima de la corriente máxima soportada
por el diodo láser.
Así mismo se realizaron pruebas manipulando las llamadas teclas predeterminadas
es decir, el “modo de control automático”, a las cuales se les había asignado un valor
previamente mediante programación. Los valores predeterminados se encuentran entre
los 40 mA y los 90 mA, aumentando en múltiplos de diez miliAmperes, es decir se
utilizaron seis teclas para el modo de control automático, esto debido a que la finalidad de
dicho método es elegir un valor de corriente para diodos láser cuya corriente de umbral es
conocida previamente, y como se ha explicado, esa corriente oscila entre los 35 y los 100
mA, principalmente.
46
Del mismo modo se hizo con valores de corriente variables, que se programaron
en el “modo de control manual” el cual permite variar, ya sea incrementando o
disminuyendo, la corriente al ir presionando una de las dos teclas predeterminadas en la
programación (una para incrementar la corriente, “C” y otra para decrementarla, “D”), con
las cuales se obtienen valores de corriente entre los 1 mA hasta más de 100 mA. Dada la
aplicación y necesidades de este proyecto, los valores superiores a 120 mA no serán
utilizados pues los diodos láser regularmente funcionan con valores de corriente inferiores
a 120 mA. (Figuras 2.17 y 2.18)
Posteriormente se cambiaron los diodos semiconductores por diodos láser y se
observó que conforme va aumentando la temperatura del FET, la corriente que circula a
través del mismo va en incremento, generando cierta inestabilidad pues de esa forma no
es posible tener un control de corriente adecuado para la bioestimulación, pero una vez
añadidos los elementos necesarios para la disipación del calor se consiguió estabilizar la
corriente en valores fijos, sin variaciones inesperadas o no previstas que puedan afectar el
proceso de emisión en los sistemas biológicos.
Para poder comprobar el correcto funcionamiento del sistema se realizaron
mediciones con el osciloscopio y con multímetro (tanto para el método automático como
para el método manual) esto con la finalidad de corroborar que no existía variación en la
corriente que circula a través del diodo láser. Derivado de estas pruebas fue posible
observar que existen pequeñas variaciones en la corriente que circula a través del láser en
el momento de estar en funcionamiento. Variaciones que se localizan en un rango
aproximado de (±) 2 mA. También se observó que el sistema requiere un tiempo de
respuesta aproximado de 25 segundos, tiempo en el cual el sistema alcanza el valor
esperado, es decir el valor escogido. El motivo de este tiempo de espera es desconocido;
pero se cree que es debido a algún efecto capacitivo o al tiempo de termalización del
propio circuito. Dichos ajustes resultan despreciables, ya que de ninguna manera se
supera la corriente máxima soportada por el diodo láser ni se alcanza un valor de
corriente inferior al de la corriente de umbral de los dispositivos, esto debido a que el
rango entre corriente de umbral y corriente máxima soportada por los diodos láser es
amplio viéndose así protegido de cualquier incremento de corriente que pudiera superar
47
la corriente máxima que soporta [10-13]. En la tabla 2.2 pueden observarse una muestra
de las mediciones realizadas durante las pruebas de funcionamiento.
VALOR DE
TECLA SELECCIONADA
CORRIENTE
ESPERADO
4
5
6
40 mA
50 mA
60 mA
MINUTOS
VALOR DE CORRIENTE
TRANSCURRIDOS
PRESENTADO
0
37.8 mA
1
41.5 mA
2
41.4 mA
3
41.2 mA
4
40.8 mA
5
40.9 mA
10
39.6 mA
20
39.2 mA
0
50.3 mA
1
51.6 mA
2
51.8 mA
3
51.4 mA
4
51.3 mA
5
51.3 mA
10
51.4 mA
20
51.1 mA
0
62.9 mA
1
62.9 mA
2
62.1 mA
3
62.7 mA
4
61.4 mA
5
61.7 mA
10
61.3 mA
20
60.9 mA
48
7
8
9
70 mA
80 mA
90 mA
0
72.2 mA
1
71.9 mA
2
71.5 mA
3
71.0 mA
4
70.4 mA
5
70.3 mA
10
69.3 mA
20
69 mA
0
77.2 mA
1
79.0 mA
2
80.0 mA
3
80.1 mA
4
81.5 mA
5
81.0 mA
10
81.3 mA
20
81.0 mA
0
80.5 mA
1
87.9 mA
2
88.0 mA
3
88.5 mA
4
88.6 mA
5
89.4 mA
10
89.7 mA
20
88.5 mA
Tabla 2.2 Muestra los valores de corriente observados durante las pruebas de
funcionamiento de la fuente de poder desarrollada. Dichos valores corresponden a la
utilización del modo de control automático.
49
Figura 2.16 Fotografía de las pruebas de funcionamiento de la fuente de poder con un
LED.
Figura 2.17 Pruebas de funcionamiento con un láser rojo.
50
Figura 2.18 Funcionamiento de láser rojo a 53.67 mA.
2.7 DESCRIPCIÓN DE RESULTADOS OBTENIDOS
Una vez realizadas las pruebas de funcionamiento de la fuente de poder
desarrollada se pueden mencionar los resultados obtenidos de la siguiente manera.
Fue posible desarrollar una fuente de poder que permitiera obtener distintos
valores de corriente, en este caso entre 1 mA y valores superiores a los 100 mA, esto es
necesario ya que las características de funcionamiento de los diodos láser varía
ampliamente de dispositivo a dispositivo.
Se logró desarrollar dos modos de operación de dicha fuente, uno manual con el
cual es posible incrementar o decrementar la corriente, partiendo desde 0 mA hasta
valores superiores a los 100 mA. Otro llamado automático con el cual es posible elegir
valores de corriente predeterminados mediante programación, dichos valores son: 40 mA,
50 mA, 60 mA, 70 mA, 80 mA y 90 mA.
La fuente de poder desarrollada presenta una estabilidad tal que evita que los
diodos láser manipulados se vean dañados o sean alimentados con una corriente inferior a
la corriente de umbral. Esto debido a que se presenta una variación de ± 2 mA y, tal como
51
se puede observar en las hojas de datos de diversos diodos láser los rangos entre
corriente de umbral y corriente máxima soportada son amplios, tanto que esta variación
de corriente no genera ningún daño. De igual forma dicha variación puede ser considerada
despreciable ya que al elegir uno de los valores predeterminados de corriente este debe
localizarse en un punto medio entre la corriente de umbral y la corriente máxima que
soporta el diodo láser. Por ejemplo, para el diodo láser rojo modelo SLD 1132VS de Sony
cuya corriente de umbral (Ith) se encuentre entre 50 y 70 mA y la corriente de operación
(Iop) entre 60 y 80 mA, basta seleccionar dentro del modo automático la corriente de 60
mA y con ello se logra evitar que se alimente el diodo láser con una corriente inferior a la
corriente de umbral o que la corriente máxima soportada sea superada.
Se consiguió variar la intensidad de la luz de los láseres, esto empleando el método
de control manual con el cual es posible variar la corriente fácilmente incrementándola y
decrementándola según se requiera.
El funcionamiento de la fuente fue correcto luego de diversas pruebas ya que el
circuito se mantiene estable durante un tiempo de 20 minutos, presentando únicamente
la pequeña variación de ± 2 mA ya descrita.
52
CAPÍTULO III
PRUEBAS DEL
SISTEMA LÁSER EN
SEMILLAS
53
3.1 BIOESTIMULACIÓN
La bioestimulación es un fenómeno que se presenta en sistemas biológicos (células,
bacterias y plantas) cuando son sometidos a cualquier tipo de estímulo. Estos estímulos
pueden ser acústicos, químicos, electrostáticos, magnéticos o electromagnéticos.
La finalidad de esto es la producción de sistemas biológicos con mejores
características tales como, inmunidad a ciertas enfermedades, mejoramiento de estos
sistemas cuando ya se han deteriorado, mejoramiento de algunas de sus características
físicas y fisiológicas, etcétera [4].
3.1.1 Bioestimulación por métodos químicos
Este método ha sido utilizado ya por varios años para el cultivo de la tierra, para evitar las
plagas o para el buen crecimiento de las plantas mediante el uso de diversos tipos de
fertilizantes.
3.1.2 Bioestimulación acústica
La estimulación en las plantas es lograda emitiendo sonido a una frecuencia de entre 3 y
50 KHz a una distancia de 1.5 m y durante un tiempo de 30 minutos ya que bajo otras
condiciones se puede causar la ruptura celular
3.1.3 Bioestimulación por luz
Es evidente que la luz juega un papel muy importante en el desarrollo de la vida. Y se sabe
que es la luz la que, de todo el espectro radio eléctrico, ha tenido mayor participación en
el desarrollo de la vida. Lo podemos observar en las plantas, cómo mediante la
fotosíntesis puede desarrollarse la transformación de materia inorgánica en orgánica.
Algunas investigaciones han demostrado que la luz, en especial la de color rojo,
puede activar y desactivar genes en las células. Del mismo modo en otras investigaciones
se ha utilizado la luz láser y se ha comprobado que pueden acelerar el crecimiento de las
plantas, aumentar la tasa de germinación y mejorar la resistencia a enfermedades y
plagas.
3.2 ANTECEDENTES
Investigaciones realizadas en el Instituto Politécnico Nacional sobre bioestimulación
muestran que es posible acelerar algunos procesos en las semillas utilizando la luz
producida por los diodos láser [4,14].
54
Como se ha expuesto anteriormente, la luz láser tiene características que la luz
“normal” no, tales como la monocromaticidad, la elevada coherencia, la direccionalidad y
la intensidad.
Y debido a esto y al alto coeficiente de penetración y su naturaleza monocromática
que tiene la luz láser, la hacen una herramienta muy valiosa para la aplicación en sistemas
biológicos.
Los parámetros de mayor importancia para los efectos de bioestimulación, es decir
para obtener una buena respuesta fotoquímica y foto biológica temprana son: la longitud
de onda (nm), la intensidad (W/m2) y la dosis (J/m2).
Los efectos de la luz pueden clasificarse en directos e indirectos. Los efectos
directos suceden cuando la luz genera un efecto dentro del tejido radiado; los efectos
indirectos suceden cuando se genera una señal nerviosa en el área radiada y esta genera
un efecto sistémico en otra parte del cuerpo [14].
3.3 PRUEBAS DE BIOESTIMULACIÓN UTILIZANDO LA FUENTE DE PODER
DESARROLLADA.
Como se mencionó anteriormente este trabajo tiene la finalidad de colaborar con los
trabajos de bioestimulación sin esperar obtener resultados derivados de ésta.
Una vez desarrollado el sistema y una vez realizadas las pruebas necesarias de
funcionamiento con el circuito, se procedió a seleccionar el tipo de semilla que deseaba
ser irradiada. Las semillas escogidas fueron de maíz.
El procedimiento de prueba consistió en colocar de cinco a diez semillas, número
suficiente pensado en el tamaño del haz de luz del láser para que pudiera cubrir todas y
cada una de las ellas. Una vez colocadas en el recipiente se procedió a irradiarlas con el
sistema tal como se muestra en las figuras 3.1, 3.2., 3.3 y 3.4
55
Figura 3.1 Irradiación de semillas empleando la fuente desarrollada.
Figura 3.2 Irradiación de semillas con una corriente de 90 mA empleando la fuente
desarrollada.
56
Figura 3.3 Irradiación de semillas empleando el método de control manual.
Figura 3.4 Irradiación de semillas empleando diodo láser rojo.
La finalidad de realizar estas pruebas de funcionamiento en semillas no consistía
en comprobar que la irradiación de éstas provocara resultados favorables en las semillas,
ya que como se ha mencionado a lo largo de este trabajo, esa no es la finalidad.
57
Dichas pruebas de funcionamiento fueron realizadas con el propósito de poder
comprobar que en condiciones reales de bioestimulación el sistema mantenía un
comportamiento correcto tal como se ha dado a lo largo de las diferentes pruebas que se
realizaron. De esta forma podemos resumir las pruebas realizadas de la siguiente manera:
Se colocaron diez semillas en un recipiente distribuidas de tal manera que
pudieran ser irradiadas todas y cada una de ellas con el haz láser.
Se dispuso la fuente de poder desarrollada de tal manera que la irradiación fuera
hecha de modo homogéneo, asegurándose que el haz no dejara a una sola de las semillas
sin irradiar.
Se eligió un método de irradiación para las semillas (manual o automático).
Primeramente se eligió el método manual mediante el cual se puede variar manualmente
la intensidad de la luz láser (Debido a la variación de la corriente que circula a través de
este). Esto con la finalidad de poder observar el comportamiento del sistema mientras
circulan diferentes valores de corriente a través de él.
En primera instancia las semillas fueron irradiadas mientras una corriente menor a
la de umbral circulaba a través del diodo láser, es decir, cuando su comportamiento no era
el de un láser si no como el de un LED.
Posteriormente se incrementó la corriente de circulación a través del láser para
que su comportamiento fuera el correcto, es decir que su emisión fuera estimulada. Se
probó el funcionamiento con diferentes valores de corriente (20 mA, 30 mA, 40, mA, 50
mA, 60 mA y 70 mA) ya que la corriente de umbral varía de dispositivo a dispositivo.
Una vez realizadas las pruebas con el método manual de variación de la corriente
se prosiguió a utilizar el método automático mediante el cual se elige una corriente
predeterminada presionando alguna de las teclas del teclado para las cuales se ha
programado previamente un valor de corriente.
El tiempo de irradiación fue variable, encontrándose este entre los dos y los veinte
minutos. Se utilizaron diferentes tiempos de irradiación para poder verificar que no
existían variaciones de corriente después de un tiempo determinado. El tiempo elegido es
el considerado necesario en las pruebas de bioestimulación [14].
58
CONCLUSIONES
Los objetivos planteados para la realización de este trabajo fueron cumplidos en su
totalidad de forma satisfactoria.
La fuente de poder construida presenta características de regulación de corriente
excelentes para el objetivo planteado presentando únicamente una variación de corriente
de ±2 mA aproximadamente durante un lapso normal de trabajo (20 minutos)[14].
La flexibilidad en su diseño permite utilizar diodos láser de cualquier longitud de
onda dentro del rango de corriente entre 1 a 120 mA.
El diseño de control mediante microcontrolador ofrece la posibilidad de agregar
nuevas características a futuro, además de simplificar el hardware. Entre estas mejoras
podrían agregarse tiempos y frecuencias de modulación para los dispositivos,
memorización de parámetros, entre otros.
El diseño de una fuente de poder de estas características pone en práctica los
conocimientos en las áreas de electrónica analógica, óptica, semiconductores y
microcontroladores principalmente.
59
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS
CORRIENTE MÁXIMA DE SÁLIDA
190 mA
VOLTAJE MÁXIMO DE SALIDA
6.20 V
RANGO DE CORRIENTE DE
FUNCIONAMIENTO
0 mA a 120 mA
TIEMPO DE RESPUESTA
25 segundos aprox.
LONGITUD DE ONDA DE DIODOS LÁSER
650-800 nm (rojo); 800-1550 nm
(infrarrojo)
VOLTAJE DE ALIMENTACIÓN
12 V, -12V, 5 V
MODOS DE FUNCIONAMIENTO
MANUAL y AUTOMÁTICO
DISPLAY
LCD 16 X 2
CONVERTIDOR DIGITAL ANALÓGICO
DAC0800 8 BIT
MICROCONTROLADOR
ATMEGA8535 AVR
DIMENSIONES
15. 5 cm de largo x 17 cm de ancho x 9 cm
de alto
60
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] C. Hernández Aguilar, A. Carballo C., A. Cruz-Orea, R. Ivanov, E. San Martín Martínez, y
A. Michtchenko “Photoacoustic Spectroscopy applied to the study of the influence of
laser irradiation on corn seeds”, Journal de Physique IV, Vol. 125, Junio de 2005. p. 853855.
[2] Hernández, A.C., Carballo, C.A., Artola, A., Michtchenko, “Laser irradiation effects on
maize seed field performance”. Seed Science and Technology, Volume 34, number 1, April
2006, pp. 193-197.
[3] Hernández Aguilar, Claudia. (2005) Tesis para obtener el grado de Doctor en Ciencias
Comunicaciones y Electrónica: “Parámetros de irradiación láser para producir efectos de
estimulación en semillas de maíz” México, D.F., Instituto Politécnico Nacional.
[4] Hernández Vizuet, Mauricio. (2007), Tesis para obtener el grado de Maestro en
Ciencias en Ingeniería Electrónica: “Diseño y Construcción de un Equipo de
Fotobioestimulación basado en Diodos Láser de λ= 850 nm para Aplicaciones de
Bioestimulación en Objetos Biológicos”. México, D.F., Instituto Politécnico Nacional.
[5] Martí López Luis. (1997), Láseres en Medicina (1ra. Ed.) D.F., México. Instituto
Politécnico Nacional.
[6]. Hetch Eugene. (1998), Óptica (3ª Ed.), España. Addison Wesley.
[7] Hoja de Datos de Diodo Láser; Visible Laser Diode, Toshiba.
[8] Sony Laser Diode Guide
[9] Electus Distribution Reference Datasheet: LED-LASER.pdf
[10] Hoja de Datos de Diodo Láser; Low Operating Visible Laser Diode HL6360MG/61MG,
Hitachi.
[11] Hoja de Datos de Diodo Láser; Red Laser Diode, DL-3147, Sanyo.
[12] Hoja de Datos de Diodo Láser; Infrared Laser Diode, DL3150-106, Sanyo.
[13] Hoja de Datos de Diodo Láser; red Laser Diode, SLD1132VS, Sony.
[14] Domínguez Chavez, José A. (2004), Tesis para obtener el grado de Maestro en
Ciencias en Ingeniería Electrónica: “Diseño y Construcción de un Equipo de
61
Fotobioestimulación basado en Diodos Láser de λ= 650 nm para Aplicaciones en la
Aceleración en el Crecimiento de Semillas”. México, D.F., Instituto Politécnico Nacional.
[15] Malvino Albert Paul (2000). Principios de Electrónica (6ª Ed.) Estados Unidos de
América. McGraw-Hill.
[16] Sedra Adel S. (1998), Circuitos Microelectrónicos (4ª. Ed.) Estados Unidos de América.
Oxford Universety Press.
[17] Hoja de Datos DAC0800 National Semiconductors.
[18] Dhananjay V. Grade. (2001), Programming and Customizing the AVR Microcontroller
Estados Unidos de América. McGraw-Hill.
[19] Hoja de Datos ATMEGA8535, ATMEL
62
APÉNDICE 1
FUENTE DE LAS IMÁGENES UTILIZADAS
Figura 1.1 http://menteacida.com/el-laser.html
Figura 1.2 http://la-mecanica-cuantica.blogspot.mx/2009/08/el-laser.html
Figura 1.4 http://www.fbh-berlin.com/whats-new/research/2010
Figura 1.5 http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Diodo-Laser.php
Figura
1.6.
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/084/htm/sec_7.htm
Figura 1.7 http://danielhaviblopezterreros659prepa5.blogspot.mx/2010/09/bioptron.html
Figura 1.8 http://www.scielo.org.ve/scielo.php?pid=S000163652000000100011&script=sci_arttext
Figura 1.9 http://funciomientodeunled.blogspot.mx/
Figura 1.10 http://docencia.izt.uam.mx/mfg/laseres1/material_adicional/semiconductor/
Figura 1.11 http://docencia.izt.uam.mx/mfg/laseres1/material_adicional/semiconductor/
Figura 1.13 http://g-laser.com.ar/especificaciones.html
NOTA: Las páginas webs mencionadas han sido consultadas por última vez el día 16 de
mayo de 2014 encontrándose todas vigentes.
63
APÉNDICE 2
TIPOS DE CONTROLADORES
En el mercado existe una amplia variedad de controladores y moduladores para diodo
láser. Dentro de los más conocidos se encuentran los de la familia ILXlightwave que
cuentan con múltiples modelos.
Con estos controladores es posible manipular los valores de la temperatura y de la
corriente así como generar una modulación externa. A continuación se muestran algunos
ejemplos de controladores LXlightwave.
Figura A.1 LDC-3908 (Frente)
Figura A.2 LDC-3908 (Parte posterior)
Como podemos observar en la figura la fuente cuenta con un display que indica el
valor de la temperatura y la corriente, un teclado numérico y un botón de ajuste para
controlar los parámetros que se desean manipular.
64
En la parte posterior cuenta con 8 módulos para diodo láser así como una conexión
especial para la modulación.
Estos controladores solo son capaces de ajustar a un determinado valor cada
parámetro que se desea controlar, los parámetros capaces de controlar son la corriente
de alimentación al diodo láser, el voltaje de fotodiodo y la temperatura en el diodo láser.
Otro tipo de controlador para diodo láser de dimensiones muy pequeñas lo diseña
MAXIM cuyos modelos son extensos y sus características son similares a los de la familia
ILX, solo que al tratarse de un circuito integrado, requiere de una circuitería adicional para
lograr el control de la corriente de alimentación y de la corriente de modulación. Es un
circuito integrado ideal para la transmisión de información a través de la fibra óptica.
Los circuitos integrados de MAXIM son los modelos MAX3646, MAX3656,
MAX3643, MAX3668, MAX3669 variando en los rangos de voltaje de alimentación,
corriente de polarización, corriente de modulación y programación mediante resistencias
externas entre otras características.
65
APÉNDICE 3
CARACTERES LCD
66