UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CHIAPAS

Sensores y Acondicionamiento de Señales Sensores de Luz

Dra. Perla Jazmín Sevilla Camacho

José Francisco Espinoza Ruiz Sergio Hernández Cabrera

Jonathan Laborín LópezAdriana Yoselín Montero Méndez

Oscar Eduardo Palacios VargasMauricio Durán Pascasio

SENSORES DE LUZ

RESISTIVOS OPTOELÉCTRICOS DE COLORES

RESISTIVOS (LDR)

Una fotoresistencia es un componente electrónico  cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuya siglas, LDR, se originan de su nombre en inglés light-dependent resistor.

CONSTRUCCIÓN

Su cuerpo está formado por una célula o celda y dos patillas. Los materiales que intervienen en su construcción son sulfuro de cadmio, utilizado como elemento sensible a las radiaciones visibles, estos materiales se colocan encapsulados en vidrio o resina.

FUNCIONAMIENTO

• El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (puede descender hasta 50 ohms) y muy alto cuando está a oscuras (varios megaohmios).

• Su funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico. Un fotorresistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia . Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por las elasticidades del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción.

• Las células son también capaces de reaccionar a una amplia gama de frecuencias, incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, y ultravioleta (UV).

• El tiempo de respuesta típico de un LDR está en el orden de una décima de segundo

TIPOS• En el caso específico de las fotoresistencias existen las lineales y no lineales.

• LDR lineales: son mejor conocidas como fotodiodos pero bajo ciertas aplicaciones es posible tratarlas como fotorresistencias debido al comportamiento lineal que presentan. Para considerar un fotodiodo como una fotorresistencia lineal simplemente se polariza en inverso.

• LDR no lineales: Son aquellas hechas comúnmente cuyo comportamiento no depende de la polaridad aplicada sobre ella.

ACONDICIONAMIENTO REQUERIDO

• Para los sensores resistivos en general, en los cuales caben las fotoresistencias los circuitos de acondicionamiento mas utilizados son:

Divisores de Tensión o Voltaje• El circuito esencial de un divisor de tensión, también llamado divisor

de potencial o divisor de voltaje, su fórmula, es:

• Dependiendo de la configuración del divisor de voltaje con la fotorresistencia sustituyendo a la R_abajo o R_arriba, trabajara como un sensor de oscuridad o un sensor de luz. Este circuito da una tensión BAJA en la salida cuando el LDR está en la luz, y una tensión ALTA cuando la LDR está en la penumbra. El circuito divisor de tensión dará una tensión de la salida que cambia con la iluminación, de forma inversamente proporcional a la cantidad de luz que reciba. 

• Puente de Wheatstone

Actualmente, los circuitos puente de Wheatstone no se utilizan generalmente para medir valores de resistencia, sino que se utilizan en diseñar los circuitos sensores.

Cuando se trabaja con resistencias dependientes de un parámetro exterior (por ejemplo una LDR, resistencia dependiente de la luz), se puede utilizar el puente para conocer el valor de la LDR, y para medir las variaciones de ese parámetro, a través del desequilibrio del puente, lo que se conoce como Puente de error.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

• Ventajas de las fotoresistencias:

• 1.- Alta sensibilidad (debido a la gran superficie que puede abarcar).• 2.- Fácil empleo.• 3.- Bajo costo.• 4.- No hay potencial de unión.• 5.- Alta relación resistencia luz-oscuridad.

• Desventajas de las fotoresistencias:

• 1.- Respuesta espectral estrecha.• 2.- Efecto de histéresis.• 3.- Estabilidad por temperatura baja para los materiales más rápidos. La

variación del valor de la resistencia tiene cierto retardo, diferente si se pasa de oscuro a iluminado o de iluminado a oscuro. Esto limita a no usar los LDR en aplicaciones en las que la señal luminosa varía con rapidez.

• 4.- Respuesta lenta en materiales estables.• 5.- Falta de linealidad entre resistencia e iluminación.

• A continuación se presentan algunos ejemplos de circuitos con LDR:

APLICACIÓN

Pueden encontrarse en muchos artículos de consumo, como por ejemplo en cámaras, medidores de luz, relojes con radio, alarmas de seguridad o sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles.

• Medidas de luz con poca precisión y bajo coste:• Control automático del brillo y contraste en receptores de TV.• Control del diafragma en cámaras fotográficas.• Detección de incendios.• Control de iluminación.

Sensor de colores

Construcción y funcionamiento• La idea principal del funcionamiento de nuestro sensor de luz es la

variabilidad resistiva de un LDR, que en función de ésta, leeremos

un voltaje que nos servirá de referencia.

• Shields para Arduino u otras plataformas

Sensores ya ensamblados de fábrica.

Acondicionamiento

• • Optoaclopadores (Lógica positiva o

lógica negativa)

Ventajas y desventajas

• Precio Construcción Estabilidad Fidelidad

¿Cómo construir un sensor de colores?

Diagrama del circuito a través de Arduino

FOTODIDOS• Es un dispositivo opto electrónico que convierte la energía radiante

en corriente eléctrica. La radiación que incide sobre la superficie activa del fotodiodo es transformada en una corriente eléctrica por medio de la cual podemos procesar una señal.

• Permiten el paso de una pequeña corriente proporcional al nivel de iluminación.

Comportamiento de un fotodiodo

Acondicionamiento

• El modo de trabajo lineal mas preciso se obtiene con un convertidor de corriente a voltaje.

• El fotodiodo siempre trabaja en inversa

VENTAJAS

• mayor eficiencia energética• mayor resistencia a las vibraciones• mejor visión ante diversas circunstancias de la

iluminación• un menor riesgo al estar en contacto con el

medio ambiente.

AplicacionesEn la industria:• Sensores de posicion.

• Lector de código de barras.

• Impresoras laser.En comunicaciones:• Receptor de fibra optica.

En medicina:• Detector de rayos x.

• Analizador de particulas en la sangre

FOTOTRANSISTOR.

• Es aquel en el que la corriente de base se produce cuando incide un fotón con suficiente energía en la zona de transición colector-base.

• Combinan en un mismo dispositivo la detección de luz y la ganancia.

Sensibilidad del espectro de un fotodiodo y fototransistor.

Silicio: 190 – 1100 nm

Germanio: 800 – 1700 nm

Indio galio arsénico (InGaAs): 800 – 2600 nm

Sulfuro de plomo: 1000 – 3500 nm

El fototransistor puede operar de dos maneras..

• Como un transistor normal.

• O como un fototransistor.

• De las dos formas simultáneamente.

Ib = Ib(luz) + Ib(normal)

Modos de operación de sensores fotoeléctricos.

De Barrera

Reflejante difuso

Reflejantes

Generalidades del fotodiodo y el fototransistor

• Mayor sensibilidad en la zona de 400 nm.• Mayor sensibilidad a los 880 nm.

• Se pueden suministrar en resina epoxi negra.

ventajas del fototransistor• Es un dispositivo muy útil cuando se necesita aislar el circuito de control ya que no

hay ningún cable conexión o semiconductor que pueda mandar una descarga por falla al circuito de control.

• Sólo existe luz como acoplador.

• el circuito de control requiere muy baja potencia para activarlo de manera que se hace mas simple.

Desventajas del fototransistor

• Menor respuesta en frecuencia.

• Menor comportamiento lineal que el fotodiodo.

• Su uso se restringe generalmente a aplicaciones ON-OFF.