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Práctica 9. Fotorresistencias

PRÁCTICA 9. Fotorresistencias.

Contenido

Objetivo

Fundamentos y Antecedentes

Material y equipo requerido

Descripción del procedimiento

Riesgos previsibles y precauciones a tomar Guía de discusión o preguntas

Análisis y presentación de resultados

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Objetivo: Al terminar esta práctica el alumno comprobará experimentalmente el funcionamiento de las fotorresistencias construyendo varios circuitos de aplicación. Fundamentos y Antecedentes. Cuando se ilumina un material semiconductor con luz de una frecuencia adecuada, la conductividad del material aumentará ligeramente. Esto se debe a la absorción dentro del material, por cada fotón absorbido, un electrón subirá a la banda de conducción dejando un hueco atrás en la banda de valencia. O sea que cada fotón que se absorbe generará un par electrón-hueco que podrán ser arrastrados por un campo eléctrico y por lo tanto aportará un par de nuevos portadores de corriente dentro del material. Es por esto, que la conductividad aumentará. Si lo anterior se hace en una barra de Silicio o Germanio, el efecto sólo se presentará en las superficies iluminadas. Para magnificar el efecto, se pueden construir dispositivos hechos a base de un substrato de película semiconductora sobre una lámina plana y a los que generalmente se introducen electrodos tipo peine (Fig. 2). Lo anterior constituye el principio básico del funcionamiento de una fotorresistencia o fotoconductor de una pieza. Abundemos un poco más en la teoría: Los dispositivos semiconductores en general operan bajo condiciones de desequilibrio térmico. Por ejemplo, una barra de tipo n de Germanio actuando como un dispositivo fotodetector no se encuentra en equilibrio térmico cuando está en presencia de luz. Cuando la barra es iluminada, un exceso en los portadores de carga (arriba de los números de equilibrio) son producidos en el material y la conductividad eléctrica de la barra se incrementa. Esto puede ilustrarse por el experimento mostrado en la Fig. 1.

Figura 1. Experimento para observar la fotoconductividad de un semiconductor. El efecto de la luz es el de incrementar la conductividad de la barra semiconductora, incrementando la corriente del circuito, y por lo tanto causando un incremento en el voltaje de salida a través de la resistencia R conectada al osciloscopio.

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La energía absorbida de la luz por el Germanio produce este exceso de portadores. Por lo que el semiconductor no está más en equilibrio térmico. Los portadores extra son producidos por la energía de los fotones hν que liberan los electrones al romper los enlaces covalentes en la estructura cristalina tetraédrica elevándolos de la banda de valencia a la banda de conducción. Un hueco es dejado atrás en la banda de valencia por cada electrón portador en exceso que es producido. Esto es lo que se conoce como generación o producción de pares electrón-hueco. Pasando ahora a los semiconductores, el material puro no conduce a menos que se lo exponga a cierta clase de energía. Ello se debe a que existe una brecha entre los estados de energía, que están completamente ocupados por los electrones de valencia, y aquellos estados superiores a donde tienen necesariamente que llegar si es que han de hallarse en condiciones de ser portadores de corriente eléctrica. La brecha de energía, en el germanio es de alrededor de 0,7 eV, por lo que la luz de todos colores, es suficiente para arrancarle electrones. Pero como el germanio, es un cuerpo opaco, únicamente los electrones de la superficie del mismo, se ven afectados, y el paso conductor es tan delgado que aun en el caso de que fuesen liberados muchísimos electrones la resistencia eléctrica que el cuerpo opone al paso de la corriente eléctrica no se vería mayormente alterada. Por el contrario, todo el material íntegro es afectado por el calor, y por lo tanto, los cambios de temperatura afectan en medida mucho mayor la resistencia eléctrica del cuerpo. Por lo tanto, aunque en principio, podría usarse una tira de germanio o de silicio, para detectar o medir la luz, por el cambio que experimentaran en su conductividad (o en su resistencia eléctrica) no se prestan mucho en la práctica a dicho fin. En primer lugar habría que enfriarlos hasta un punto próximo al cero absoluto, para impedir que los cambios indicativos del nivel luminoso se viesen tapados por “ruidos”. Más aún, hasta el material más puro se halla afectado considerablemente por las impurezas presentes.

Figura 2. Electrodos tipo peine que se emplean comúnmente en las celdas fotoconductoras o fotorresistencias.

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La propiedad fotoconductora del selenio, fue descubierta en época tan anterior, como el año 1873, y la primera célula de selenio fue patentada por el señor C. E. Fritts en 1884. El selenio sigue siendo utilizado, aunque hay muchos otros materiales hoy en día, que pueden emplearse con el mismo fin. En un dispositivo perfeccionado recientemente se usan láminas muy delgadas de selenio, cadmio y oro, depositadas en una base de metal flexible, para realizar una célula fotoeléctrica, que puede combarse hasta alcanzar a constituir un cilindro, o bien se le pueden dar otras formas distintas todas ellas curvadas, para aplicaciones especiales. Una de las ventajas del selenio, reside en que su característica espectral es muy parecida a la del ojo humano Pero su sensibilidad fotoconductora y la velocidad de la respuesta no son muy buenas. Debido a la alta resistencia que presenta, se lo emplea generalmente diseminado en electrodos parecidos a un peine, como se ilustra en la Fig. 2, y aun así, la resistencia eléctrica asciende al orden de varios megaohmios, y requiere tensiones de varios centenares de voltios. Uno de los mejores materiales semiconductores, para hacer células fotoconductoras para usar con los rayos de la luz visible, es el sulfuro de cadmio. Responde a prácticamente toda la gama visible, y casi a los rayos infrarrojos: permite pasar muy poca intensidad de corriente en la obscuridad (menos de un microamperio) y puede formar parte de células fuertes y resistentes al maltrato, que permiten el paso de intensidades de varios miliamperios, cuando las ilumina la luz, cosa suficiente para operar un relevador sin necesidad de amplificación previa. Por lo tanto se lo emplea mucho para propósitos tales como detectar la extinción de las llamas en los hornos de petróleo, y para control de los semáforos luminosos que se usan en las calles. Pero la respuesta que dan es demasiado lenta para variaciones de luz del orden de alta frecuencia. Otro material es el sulfuro de talio, que se usa en células ''taliofitas''. Otros tipos de células comerciales, usan compuestos de plomo: sulfuro de plomo, seleniuro de plomo y telururo de plomo. Todos estos compuestos abarcan una parte considerable de la banda infra-roja; el sulfuro incluye todo el espectro visible también, es muy sensible, y presenta una resistencia eléctrica bastante baja (kilo-ohmios en lugar de megaohmios) en la célula; por lo tanto es uno de los materiales fotoconductores más útiles. Su aplicación para fines militares (para "ver en la oscuridad" y para control aeronáutico) fue perfeccionada por los alemanes en la segunda guerra mundial. Tiene, sin embargo, una demora de tiempo de unos 75 microsegundos, por lo cual cuando se requiere una respuesta de alta velocidad a los rayos infra-rojos, hay que elegir el seleniuro de plomo a pesar de que tiene una sensibilidad mucho más baja. Su respuesta espectral está circunscrita principalmente a la zona infra-roja, como se ilustra en la Fig. 3. El telururo de plomo va aún más allá en la zona infra-roja, llega hasta ondas de una longitud, de 6 micrones mientras la sensibilidad útil y la demora de la respuesta se encuentran más o menos en un término medio entre los otros dos compuestos de plomo; presenta sin embargo, la desventaja bastante considerable desde el punto de vista práctico, de requerir se lo enfríe hasta una temperatura aproximada a la del oxígeno líquido (-183° C) para lograr una relación señal-ruido satisfactoria.

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Figura 3. Característica espectral de cuatro semiconductores usados para detección y

mediciones infra-rojas. El último en este grupo es otro semiconductor: el compuesto denominado antimoniato de indio, que abarca una gama aún más amplia de frecuencias, y llega hasta longitudes de onda de 8 micrones. Lo que es más, resulta muy rápido, y de baja resistencia (típicamente 75 ohmios). El uso principal de estos tres últimos materiales reside en los espectrómetros para rayos infra-rojos, instrumentos científicos para analizar las radiaciones infra-rojas según su longitud de onda. Siendo tan sensibles a la radiación infra-roja (más conocida para nosotros con el nombre familiar de calor), la corriente que permiten pasar depende mucho de la temperatura a que se halla el cuerpo. Para eliminar este efecto, las señales de radiación que estos aparatos detectan son "interrumpidas" por alguna clase de obturador, que las convierte en señales alternadas, de una frecuencia a la que se sintoniza con mucha precisión el amplificador que sigue a la célula (Fig. 4).

Figura 4. Para distinguir la respuesta deseada de otras, cuando se emplean células detectoras fotoeléctricas, la luz que se desea detectar se interrumpe mediante un obturador

móvil, y la corriente alterna resultante se amplifica en un amplificador selectivo.

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A menudo aparecen las siglas LDR: Light Dependent Resistor (Resistencia dependiente de la luz) asociadas con los dispositivos fotorresistivos. Símbolos esquemáticos más comunes de las fotorresistencias:

Figura 5. Símbolos esquemáticos de las fotorresistencias.

En esta práctica se emplearán fotorresistencias de sulfuro de Cadmio que típicamente presentan 20 Megaohmios a oscuridad total y un poco menos de 20 Kilo-ohmios cuando se les expone a la luz solar (se recomienda al alumno verificar estos valores usando un óhmetro digital). La figura 6, ilustra este dispositivo primordial para la presente práctica.

Figura 6. Fotografía de la fotorresistencia que se utilizará.

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Material y equipo requerido EXPERIMENTO 1. CIRCUITO DETECTOR CREPUSCULAR: 1 Lámpara incandescente de 60 o 40 Watts. 1 socket para lámpara. Clavija con cable (Interlock para grabadora). Resistencias de los siguientes valores nominales: 270K. Triac BT134 o MAC223 (Cualquiera con capacidad mayor a 8 Amperios). DIAC ECG6408 (Cualquiera de 28 o 32 voltios). 1 Fotorresistencia o LDR (20K-20 M). 1 capacitor de 0.02 microfaradios a 250 voltios. Plantilla para prototipos (Protoboard). 1 indicador eléctrico de línea viva. 2 cables caimán – caimán. Multímetro Digital. Alambre telefónico, un poco de cable duplex, pinzas de punta y de corte. EXPERIMENTO 2. CIRCUITO FOTO-RELEVADOR: Resistencias de los siguientes valores nominales: 2 de12K, 1K, 1.5K. Reóstato de 100K. C.I. LM741. 1 Fotorresistencia o LDR (20K-20 M). 1 diodo 1N4148. 1 transistor PNP BC558. 1 Relevador SUN HOLD RAS-1210. 1 Fuente de C.D. variable. Plantilla para prototipos (Protoboard). Multímetro Digital. Alambre telefónico, pinzas de punta y de corte. EXPERIMENTO 3. CIRCUITO FOTO-RELEVADOR MODIFICADO. 1 Lámpara incandescente de 60 o 40 Watts. 1 socket para lámpara. Clavija con cable (Interlock para grabadora). Triac BT134 o MAC223 (Cualquiera con capacidad mayor a 8 Amperios). Resistencias de los siguientes valores nominales: 2 de12K, 1 de 560 ohmios, 10-12K a 5 WATTS. Reóstato de 100K. 1 Fotorresistencia o LDR (20K-20 M). 1 MOC 3010. Plantilla para prototipos (Protoboard). 1 indicador eléctrico de línea viva. 2 cables caimán – caimán. Alambre telefónico, un poco de cable duplex, pinzas de punta y de corte.

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Descripción del procedimiento EXPERIMENTO 1. CIRCUITO DETECTOR CREPUSCULAR: Comience identificando la línea viva y la neutra de la toma de voltaje que va a utilizar por medio del indicador (Fig. 7). Aunque la norma indica que la ranura más grande corresponde al neutro y la más chica al vivo, muy a menudo no se respeta. Si la lámpara de neón del indicador enciende al insertarlo y tocar su botón con un dedo, esa será la línea viva y donde no enciende será la neutra. Márquelas para el resto del experimento. Con el interlock conectado vuelva a identificar las líneas en sus terminales de salida (Fig. 8). Marque también las líneas a la entrada y a la salida del interlock, de esta manera podrá conectar la línea viva a la carga como lo muestra el circuito de la Fig. 10 y como lo indican las normas.

Figura 7. Identificando el vivo en la toma de voltaje.

Figura 8. Identificando el vivo en las terminales de salida del cable interlock.

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Coloque un poco de cable duplex a las terminales del socket, la parte que corresponde a la rosca en el socket debe ir siempre al neutro. Con el interlock desenchufado, coloque la lámpara, conecte el cable del vivo del socket al vivo del interlock. Ahora enchufe el interlock y toque por un momento la terminal neutra del socket con el neutro del interlock para probar que el foco encienda. Si la prueba resulta exitosa, desconecte el interlock fijándose en reconectarlo siempre de la misma manera (sin invertir las terminales). Ahora puede alambrar el circuito de la Fig. 10 en su plantilla de prototipos, al conectar el TRIAC siga la Fig. 9. Deje para el final la conexión al socket y al neutro del interlock.

1. MT1 2. MT2 3. GATE

Figura 9. Terminales del TRIAC

Los capacitores de este circuito son cerámicos por lo que no tienen polaridad, tampoco el DIAC tiene polaridad, así que se puede conectar de cualquier forma. Una vez que haya terminado el alambrado del circuito, cerciorándose de que el interlock está desconectado, conecte por medio de los caimanes la terminal superior del circuito del protoboard al socket y luego la terminal inferior del circuito del protoboard al neutro del interlock. Revise que todo esté correcto y luego enchufe el interlock. Tape completamente la fotorresistencia con el tapón de una pluma atómica. La lámpara deberá encender. Cuando la lámpara se apaga por completo al exponer la fotorresistencia a la luz y brilla a plena intensidad al taparla, el circuito funciona correctamente y puede llamar al profesor para entregarlo y sea calificado. Funcionamiento del circuito detector crepuscular (ver Fig. 10): Este interruptor de crepúsculo totalmente electrónico, emplea un TRIAC como órgano de mando, es sencillo y de construcción robusta. El capacitor C1 se carga en cada semiciclo y se vuelve a descargar. El circuito divisor de tensión formado por R1 y la fotorresistencia LDR determina así la magnitud de la tensión en el capacitor C1. Cuando la fotorresistencia está iluminada, su valor óhmico es reducido y por lo tanto la tensión máxima es baja en el capacitor C1. Como no se alcanza la tensión de accionamiento del DIAC (28 v), queda bloqueado el TRIAC (circuito abierto), no existe por lo tanto corriente en la lámpara, por lo que permanece apagada.

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Figura 10. Circuito detector crepuscular.

Cuando la fotorresistencia no es iluminada (obscuridad), su resistencia óhmica es tan elevada que en el capacitor la tensión es prácticamente la de la red. Por tal motivo la tensión de disparo del DIAC es rápidamente alcanzada al comienzo de cada semiciclo, en los que el TRIAC se hace conductor. Por este motivo el ángulo de disparo es muy pequeño y el de conducción muy elevado, por lo que la lámpara alumbra con máxima intensidad. Lo antedicho es sólo aplicable para el caso de que la fotorresistencia, a una iluminación correspondientemente reducida, sea de valor óhmico elevado en comparación de la resistencia R1. Durante el periodo de transición, es decir, durante el crepúsculo, se alcanza la tensión de trabajo en el condensador, al aumentar progresivamente la tensión en cada semiciclo. Debido a este control de fase del TRIAC, va aumentando la intensidad luminosa de la lámpara, que al principio era reducida, a medida que disminuye la iluminación exterior. No se trata pues, en este caso de un interruptor de crepúsculo, sino más bien de una sencilla regulación automática del alumbrado. Otra manera de entender el funcionamiento es pensar que mientras la fotorresistencia recibe luz de día, su valor óhmico es tan pequeño que el capacitor C1 resulta cortocircuitado (impidiéndose así su carga). A medida que disminuye la iluminación, aumenta el valor de la fotorresistencia y el condensador puede cargarse. Al alcanzar éste la tensión de disparo del DIAC, se activa el TRIAC.

C1

0.02 uF 250 v

VIv o

MT1

R1

270k

120 V 100 W MAX

LAMPARA INCANDESCENTE

H LDIAC

ECG6408

GATE

Neutro

TRIAC 1

BT134

LDR

MT2V1120Vac

RMS

0

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EXPERIMENTO 2. CIRCUITO FOTO-RELEVADOR. Arme en su plantilla de prototipos el circuito mostrado en la Fig. 11.

R5

1.5k

R2

12k

R4

1k

LDR R3

12k

VCC 12 v olts

Q1

BC558

0

K1

RELAY SPDT RAS-1210

CNC

NAL1L2

P1

100k

13

2

U1LM741

3

2

74

6

1

5+

-

V+

V-

OUT

OS1

OS2

Figura 11. Circuito foto-relevador.

Para conectar correctamente el relevador electromecánico RAS-1210 siga la figura 12.

a) Vista superior b) Vista inferior

Figura 12. Relevador RAS-1210. Las terminales que se deberán conectar son únicamente las de la bobina L1 y L2.

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Funcionamiento del circuito foto-relevador (ver Fig. 11): Un amplificador operacional confiere a este foto-relevador una elevada sensibilidad y una exacta respuesta tan pronto se rebasan los valores de iluminación prefijados. La entrada inversora se encuentra a la mitad de la tensión de alimentación, ya que se toma del divisor de tensión formado por R2/R3, que valen ambas 12K. La entrada no inversora está controlada por el divisor de tensión (dependiente de la iluminación) formado por la fotorresistencia LDR y el reóstato de 100 K. Mientras la fotorresistencia esté iluminada y, en consecuencia, se mantenga reducido su valor óhmico, el potencial en la entrada no inversora será mucho menor a 6 voltios y la salida del amplificador operacional se encontrará al potencial de alimentación negativo (0 voltios). Cuando disminuye la iluminación por debajo de un nivel regulado mediante la resistencia ajustable P1, la salida del citado amplificador pasa bruscamente al potencial de alimentación positivo (casi 12 voltios, siempre hay en este caso una pequeña pérdida que puede ascender hasta 1.5 o 2 voltios). Como a la salida tenemos un transistor PNP, su base se activa con la salida baja del operacional (0 voltios) y se desactiva con la salida alta (cercana a 12 v). Se tiene en este caso lo que se llama “acción positiva”, es decir, cuando se ilumina la fotorresistencia se activa el relevador. Se puede obtener “acción negativa” de tres maneras: 1) Intercambiando las terminales inversora y no inversora del operacional. 2) Intercambiando las posiciones de la fotorresistencia y del reóstato ajustable P1. 3) Cambiando el transistor PNP BC558 por su par complementario NPN BC559 al tiempo

que se omite la resistencia R5 (en este caso se debe tener cuidado de conectar entonces el colector del NPN a VCC +12v mientras que el emisor se conectará a la bobina del relevador).

Figura 13. Foto vista superior del circuito foto-relevador.

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EXPERIMENTO 3. CIRCUITO FOTO-RELEVADOR MODIFICADO. Para realizar este experimento siga todas las indicaciones para determinar y marcar las líneas de AC del EXPERIMENTO 1. Arme en su plantilla de prototipos el circuito mostrado en la Fig. 14. Apóyese en la Fig. 9 para conectar el TRIAC.

U1LM741

3

2

74

6

1

5+

-

V+V

-

OUT

OS1

OS2

neutro

Q1MAC2233

21

R2

12k

R510-12k 5 WATTS

0

120 V 100 W MAX

LAMPARA INCANDESCENTE

H L

V1120Vac

RMS

R3

12k

vivo

LDR

U2

MOC3010

1

2

64

VCC 12 v olts

R4

560

P1

100k

13

2

Figura 14. Circuito foto-relevador modificado. Este circuito combina el comparador del EXPERIMENTO 2 con un optoacoplador MOC 3010 que a su vez dispara un TRIAC, que prende una lámpara por lo que se convierte en un interruptor crepuscular.

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Riesgos previsibles y precauciones a tomar EXPERIMENTO 1. No. 1. Utilice el socket, el cable interlock y los caimanes sugeridos. (¡No se dará por entregado este experimento si se realiza sin ellos!) No. 2. No haga cambios en el circuito con el cable interlock enchufado, desconecte antes de tocar los elementos en el circuito. No. 3. Identifique las líneas viva y neutra y respete la norma siguiendo al pie de la letra el circuito y las indicaciones del procedimiento. Esto le evitará “toques” o un cortocircuito. EXPERIMENTO 2. No. 1. Verifique las terminales del relevador, sólo se deberán conectar las de la bobina. No. 2. Verifique que el transistor sea el correcto (tipo PNP). No. 3. En caso de falla, es conveniente verificar que la salida del 741 varía al tapar y destapar la fotorresistencia. EXPERIMENTO 3. No. 1. Utilice el socket, el cable interlock y los caimanes sugeridos. (¡No se dará por entregado este experimento si se realiza sin ellos!) No. 2. No haga cambios en el circuito con el cable interlock enchufado, desconecte antes de tocar los elementos en el circuito. No. 3. Identifique las líneas viva y neutra y respete la norma siguiendo al pie de la letra el circuito y las indicaciones del procedimiento. Esto le evitará “toques” o un cortocircuito. No. 4. En caso de falla, es conveniente verificar que la salida del 741 varía al tapar y destapar la fotorresistencia. Guía de discusión o preguntas EXPERIMENTO 1. De acuerdo a lo descrito en el funcionamiento, ¿Cuál es el voltaje máximo que alcanza el capacitor C1 con la fotorresistencia iluminada? (Suponga un valor de 20k para la fotorresistencia iluminada). Mida después el valor real usando suficiente luz y calcule de nuevo el voltaje pico máximo en C1. EXPERIMENTO 2. Mida el voltaje de salida en alto, sin carga del amplificador operacional. Observe que jamás alcanza el valor de alimentación: 12 v. Mida también el voltaje en bajo, sin carga. Repórtelos en sus respuestas. EXPERIMENTO 3. ¿Cuál circuito detector crepuscular cree que sea más sensible al ajustar el umbral luminoso al que se dispara, el del EXPERIMENTO 1 o el del EXPERIMENTO 3? ¿Por qué?

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Análisis y presentación de resultados En estos experimentos solamente se le pide hacer funcionar los circuitos de manera aceptable y respetando la seguridad indispensable. Discuta y conteste las preguntas y entréguelas por equipo una vez que haya entregado los tres experimentos de que consta la práctica.

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