Sensores de luz Tutorial

Los sensores de luz son dispositivos fotoeléctricos que convierten la energía de la luz (fotones) ya sea visible o luz infrarroja en una señal eléctrica (electrones). Estos dispositivos responden al cambio de luz y complementados con circuitos podemos automatizar nuestras necesidades. Por Joan Mengual.

Esquema básico de un sensor de luz fotoeléctrico

En nuestro anterior post publicamos un sensor de movimiento para luz de escalera, en un próximo post, publicaremos un interruptor de luz con sensor de movimiento y activación automática en la oscuridad. Pero antes de emprender el próximo proyecto, les recomendamos que lean este tutorial sobre sensores de luz para comprender mejor el funcionamiento y así poder abordar el proyecto con éxito.

Un sensor de luz genera una señal de salida que indica la intensidad de la luz que va midiendo de la energía radiante que existe en un rango muy estrecho de frecuencias llamadas básicamente «luz» y que varía en frecuencia desde el «infrarrojo» o luz  «visible» hasta el » Espectro de luz ultravioleta”.

El sensor de luz es un dispositivo pasivo que convierte esta «energía de luz», ya sea visible o en las partes infrarrojas del espectro en una salida de señal eléctrica. Los sensores de luz son más comúnmente conocidos como «Dispositivos fotoeléctricos» o «Sensores de fotones» porque convierten la energía de la luz (fotones) en electricidad (electrones).

Los dispositivos fotoeléctricos se pueden agrupar en dos categorías principales, los que generan electricidad cuando son iluminados, tales como fotos fotovoltáica y los que cambian de alguna manera sus propiedades eléctricas, como Foto-resistencias o Foto-conductores .

Clasificación de dispositivos sensores de luz

• Células fotoemisivas: son dispositivos fotoeléctricos que liberan electrones libres de un material sensible a la luz, como el cesio, cuando son golpeados por un fotón con suficiente energía. La cantidad de energía que tienen los fotones depende de la frecuencia de la luz y cuanto mayor es la frecuencia, más energía tienen los fotones convirtiendo la energía de la luz en energía eléctrica.
• Célulasfotoconductoras: estos dispositivos fotoeléctricos varían su resistencia eléctrica cuando se exponen a la luz. La fotoconductividad es el resultado de la luz que golpea un material semiconductor que controla el flujo de corriente a través de él. Por lo tanto, a más luz, más aumenta la corriente para un voltaje aplicado. El material fotoconductor más común es el sulfuro de cadmio utilizado en las fotocélulas LDR.
• Células fotovoltaicas: estos dispositivos fotoeléctricos generan una “fem” en proporción a la energía de luz radiante recibida y es similar en efecto a la fotoconductividad. La energía de la luz recae en dos materiales semiconductores intercalados creando un voltaje de aproximadamente 0.5V. El material fotovoltaico más común es el Selenio utilizado en las células solares.
• Dispositivos de Foto-unión: estos dispositivos fotoeléctricos son principalmente dispositivos semiconductores verdaderos, como el fotodiodo o el fototransistor, que utilizan la luz para controlar el flujo de electrones y orificios a través de su unión PN. Estos dispositivos están diseñados específicamente para la aplicación del detector y la penetración de la luz con su respuesta espectral ajustada a la longitud de onda de la luz incidente.

Célula fotoconductora LDR

Un sensor de luz fotoconductor no produce electricidad, sino que simplemente cambia sus propiedades físicas cuando se somete a energía de la luz. El tipo más común de dispositivo fotoconductor es el fotorresistor que cambia su resistencia eléctrica en respuesta a los cambios en la intensidad de la luz.

Los fotorresistores son dispositivos semiconductores que utilizan la energía de la luz para controlar el flujo de electrones y, por lo tanto, la corriente que fluye a través de ellos. La célula fotoconductora comúnmente utilizada se llama resistencia dependiente de la luz o LDR .

La resistencia dependiente de la luz

Imagen típica de una LDR

 Como su nombre lo indica, la resistencia dependiente de la luz (LDR) está hecha de una pieza de material semiconductor expuesto como el sulfuro de cadmio que cambia su resistencia eléctrica de varios miles de ohmios en la oscuridad a solo unos pocos cientos de ohmios cuando la luz cae sobre ella creando pares de huecos y electrones en el material.

El efecto neto es una mejora en su conductividad con una disminución de la resistencia para un aumento de la iluminación. Además, las células fotosensibles tienen un tiempo de respuesta largo que requiere muchos segundos para responder a un cambio en la intensidad de la luz.

Los materiales utilizados como sustrato semiconductor incluyen, sulfuro de plomo (PbS), seleniuro de plomo (PbSe), antimoniuro de indio (InSb) que detectan la luz en el rango infrarrojo, siendo el más utilizado de todos los sensores de luz fotorresistente el sulfuro de cadmio ( Cds ) .

El sulfuro de cadmio se usa en la fabricación de células fotoconductoras debido a que su curva de respuesta espectral se aproxima mucho a la del ojo humano e incluso se puede controlar usando una antorcha simple como fuente de luz. Típicamente entonces, tiene una longitud de onda de sensibilidad máxima ( λp ) de aproximadamente 560 nm a 600 nm en el rango espectral visible.

La célula de resistencia dependiente de la luz

El sensor de luz fotorresistente más comúnmente utilizado es la célula fotoconductora de sulfuro de cadmio ORP12 . Esta resistencia dependiente de la luz tiene una respuesta espectral de aproximadamente 610 nm en la región de luz de amarillo a naranja. La resistencia de la celda cuando no está iluminada (resistencia a la oscuridad) es muy alta a aproximadamente 10MΩ, que cae a aproximadamente 100Ω cuando está completamente iluminada (resistencia a la luz).

Para aumentar la resistencia a la oscuridad y, por lo tanto, reducir la corriente oscura, la trayectoria resistiva forma un patrón en zigzag a través del sustrato cerámico. La fotocélula CdS es un dispositivo de muy bajo costo que se usa a menudo en atenuación automática, detección de oscuridad o crepúsculo para encender y apagar las luces de la calle y para aplicaciones de medidores de exposición fotográfica.

Esquema típico de conexión con una LDR

La conexión de una resistencia dependiente de la luz en serie con una resistencia estándar como esta a través de una sola tensión de alimentación de CC tiene una gran ventaja, un voltaje diferente aparecerá en su unión para diferentes niveles de luz.

La cantidad de caída de voltaje a través de la resistencia en serie, R ₂ está determinada por el valor resistivo de la resistencia dependiente de la luz, R _LDR. Esta capacidad de generar diferentes voltajes produce un circuito muy útil llamado «divisor de potencial» o divisor de tensión.

Como sabemos, la corriente a través de un circuito en serie es común y como el LDR cambia su valor resistivo debido a la intensidad de la luz, el voltaje presente en V _OUT será determinado por la fórmula del divisor de voltaje. La resistencia de un LDR, R _LDR puede variar desde aproximadamente 100Ω en la luz solar, hasta más de 10MΩ en oscuridad absoluta con esta variación de resistencia que se convierte en una variación de voltaje en V _OUT como se muestra.

Un uso simple de una Resistencia dependiente de la luz , es como un interruptor sensible a la luz como se muestra a continuación.

Esquema típico de un interruptor crepuscular con LDR.

Este circuito de sensor de luz básico es de un interruptor de luz de salida de relé activado. Un circuito divisor potencial se forma entre el fotoresistor, LDR y la resistencia R1 . Cuando no hay luz presente, es decir, en la oscuridad, la resistencia del LDR es muy alta en el rango de Megaohms ( MΩ ), por lo que se aplica un sesgo de base cero al transistor TR1 y el relé se desactiva o «OFF».

A medida que aumenta el nivel de luz, la resistencia del LDR comienza a disminuir, lo que hace que aumente la tensión de polarización de la base en V1 . En algún punto determinado por la red divisora ​​potencial formada con la resistencia R1 , la tensión de polarización de la base es lo suficientemente alta para encender el transistor TR1 y activar así el relé, que a su vez se usa para controlar algunos circuitos externos. A medida que el nivel de luz vuelve a caer en la oscuridad, la resistencia del LDR aumenta y la tensión de base del transistor disminuye, y el transistor y el relé se «APAGAN» a un nivel de luz fijo determinado de nuevo por la red divisora ​​potencial.

A continuación les mostramos un esquema que trabaja completamente al contrario, es decir; El relé se activa en la oscuridad.

Al reemplazar la resistencia fija R1 con un potenciómetro VR1 , el punto en el que el relé gira «ON» u «OFF» puede preestablecerse a un nivel de luz particular. Este tipo de circuito simple que se muestra arriba tiene una sensibilidad bastante baja y su punto de conmutación puede no ser consistente debido a variaciones en la temperatura o en el voltaje de suministro. Se puede hacer fácilmente un circuito activado por luz de precisión más sensible incorporando el LDR en una disposición de «puente de Wheatstone» y reemplazando el transistor con un amplificador operacional como se muestra.

Circuito de detección de nivel de luz

En este circuito básico de detección oscura, la resistencia dependiente de la luz LDR1 y el potenciómetro VR1 forman un brazo ajustable de una red de puente de resistencia simple, también conocido comúnmente como puente de Wheatstone , mientras que las dos resistencias fijas R1 y R2 forman el otro brazo. Ambos lados del puente forman redes divisoras potenciales a través de la tensión de alimentación cuyas salidas V1 y V2 están conectadas a las entradas de voltaje no inversor e inversor respectivamente del amplificador operacional.

El amplificador operacional se configura como un amplificador diferencial también conocido como un comparador de voltaje con realimentación cuya condición de voltaje de salida se determina por la diferencia entre las dos señales o voltajes de entrada, V1 y V2 . La combinación de resistencias R1 y R2 forma una referencia de tensión fija en la entrada V2 , establecida por la relación de las dos resistencias. La combinación LDR – VR1proporciona una entrada de tensión variable V1 proporcional al nivel de luz que detecta la fotorresistencia.

Al igual que en el circuito anterior, la salida del amplificador operacional se utiliza para controlar un relé, que está protegido por un diodo de rueda libre, D1 . Cuando el nivel de luz detectado por el LDR y su voltaje de salida cae por debajo del voltaje de referencia establecido en V2, la salida del amplificador operacional cambia de estado activando el relé y conmutando la carga conectada.

Del mismo modo, a medida que aumenta el nivel de luz, la salida volverá a «DESACTIVAR» el relé. La histéresis de los dos puntos de conmutación se establece mediante la resistencia de realimentación Rf que se puede elegir para proporcionar cualquier ganancia de voltaje adecuada del amplificador.

El funcionamiento de este tipo de circuito de sensor de luz también se puede invertir para encender el relé cuando el nivel de luz excede el nivel de tensión de referencia y viceversa invirtiendo las posiciones del sensor de luz LDR y el potenciómetro VR1 . El potenciómetro se puede utilizar para «predefinir» el punto de conmutación del amplificador diferencial a cualquier nivel de luz particular, lo que lo hace ideal como un simple circuito de proyecto de sensor de luz.

A continuación les ofrecemos un esquema típico en los módulos sensores de luz y que más adelante será objeto de un montaje probado por nosotros.

La salida del operacional en su patilla 1 será nivel alto con lus de día y en la oscuridad bajará a casi cero voltios. El umbral es ajustable por medio del trimmer RV1. El capacitor C3 le da un poco de estabilidad durante un corto tiempo en pequeñas variaciones de luz o temperatura.

Dispositivos de foto-unión

Los dispositivos de foto-unión son básicamente sensores o detectores de luz PN-Unión y fabricados con semiconductores con unión de silicio PN que son sensibles a la luz y que pueden detectar tanto la luz visible como los niveles de luz infrarroja. Los dispositivos de foto-unión están hechos específicamente para detectar luz y en esta clase de sensores de luz fotoeléctrica podemos incluir el fotodiodo y el fototransistor.

El Foto diodo

La construcción del sensor de luz de fotodiodo es similar a la de un diodo de unión PN convencional, excepto que la carcasa exterior de los diodos es transparente o tiene una lente transparente para enfocar la luz en la unión PN para aumentar la sensibilidad. La unión responderá a la luz de longitudes de onda particularmente más largas como el rojo y el infrarrojo, en lugar de la luz visible.

Esta característica puede ser un problema para los diodos con cuerpos de perlas transparentes o de vidrio, como el diodo de señal 1N4148 . Los LED también se pueden usar como fotodiodos, ya que pueden emitir y detectar luz desde su unión. Todas las uniones PN son sensibles a la luz y se pueden usar en un modo de voltaje imparcial fotoconductor con la unión PN del fotodiodo siempre «inversamente polarizada», de modo que solo puedan fluir las fugas de diodos o la corriente oscura.

La característica de corriente-voltaje (Curvas I / V) de un fotodiodo sin luz en su unión (modo oscuro) es muy similar a una señal normal o diodo rectificador. Cuando el fotodiodo está polarizado hacia adelante, hay un aumento exponencial en la corriente, el mismo que para un diodo normal. Cuando se aplica una polarización inversa, aparece una pequeña corriente de saturación inversa que causa un aumento de la región de agotamiento o región de la unión, que es la parte sensible de la unión. Los fotodiodos también se pueden conectar en un modo normal utilizando un voltaje de polarización fijo a través de la unión. El modo normal es muy lineal en un amplio rango.

Foto-diodo Construcción y características

Cuando se utiliza como un sensor de luz, una corriente oscura de fotodiodos (0 lux) es de aproximadamente 10uA para germanio y 1uA para diodos de tipo silicio. Cuando la luz cae sobre la unión se forman más agujeros / pares de electrones y la corriente de fuga aumenta. Esta corriente de fuga aumenta a medida que aumenta la iluminación de la unión.

Por lo tanto, la corriente de los fotodiodos es directamente proporcional a la intensidad de la luz que cae sobre la unión PN. Una ventaja principal de los fotodiodos cuando se usan como sensores de luz es su respuesta rápida a los cambios en los niveles de luz, pero una desventaja de este tipo de dispositivo fotosensores es el flujo de corriente relativamente pequeño incluso cuando está completamente iluminado.

El siguiente circuito muestra un circuito convertidor de corriente de foto a voltaje que usa un amplificador operacional como dispositivo de amplificación. La tensión de salida (Vout) se da como Vout = I _P * Rƒ y que es proporcional a las características de intensidad de la luz del fotodiodo.

Este tipo de circuito también utiliza las características de un amplificador operacional con dos terminales de entrada a aproximadamente voltaje cero para operar el fotodiodo sin polarización. Esta configuración de amplificador operacional de polarización cero proporciona una carga de alta impedancia al fotodiodo que da como resultado una menor influencia de la corriente oscura y un rango lineal más amplio de la fotocorriente en relación con la intensidad de la luz radiante. El condensador C _f se usa para evitar oscilaciones o picos de ganancia y para establecer el ancho de banda de salida ( 1 / 2πRC ).

Circuito amplificador de foto diodo

Los fotodiodos son sensores de luz muy versátiles que pueden activar y desactivar su flujo de corriente en nanosegundos y se usan comúnmente en cámaras, medidores de luz, unidades de CD y DVD-ROM, controles remotos de TV, escáneres, máquinas de fax y copiadoras, etc. , y cuando se integran en circuitos de amplificadores operacionales como detectores de espectro infrarrojo para comunicaciones de fibra óptica, circuitos de detección de movimiento de alarma antirrobo y numerosos sistemas de imagen, escaneo láser y de posicionamiento, etc.

El fototransistor

Un dispositivo de unión de foto alternativa al fotodiodo es el fototransistor que es básicamente un fotodiodo con amplificación. El sensor de luz del fototransistor tiene polarizada inversamente la unión PN de la base colectora, exponiéndola a la fuente de luz radiante.

Fotografía de un fototransistor.

Los fototransistores funcionan igual que el fotodiodo, excepto que pueden proporcionar ganancia de corriente y son mucho más sensibles que el fotodiodo con corrientes de 50 a 100 veces mayores que las del fotodiodo estándar y cualquier transistor normal puede convertirse fácilmente en un sensor de luz de fototransistor mediante la conexión de un fotodiodo entre el colector y la base.

Los fototransistores consisten principalmente en un transistor NPN bipolar con su gran región base desconectada eléctricamente, aunque algunos fototransistores permiten una conexión de base para controlar la sensibilidad y utilizan fotones de luz para generar una corriente base que a su vez hace que un colector emita corriente de emisor. La mayoría de los fototransistores son del tipo NPN cuya carcasa exterior es transparente o tiene una lente transparente para enfocar la luz en la unión de la base para aumentar la sensibilidad.

Foto-transistor Construcción y características

En el transistor NPN, el colector está polarizado positivamente con respecto al emisor, por lo que la unión base / colector está polarizada inversamente. Por lo tanto, sin luz en la unión, la fuga es normal o la corriente oscura fluye muy pequeña. Cuando la luz cae sobre la base, se forman más pares de electrón / agujero en esta región y la corriente producida por esta acción se amplifica mediante el transistor.

Por lo general, la sensibilidad de un fototransistor es una función de la ganancia de corriente CC del transistor. Por lo tanto, la sensibilidad global es una función de la corriente del colector y puede controlarse conectando una resistencia entre la base y el emisor, pero para aplicaciones de tipo optoacoplador de muy alta sensibilidad, generalmente se usan fototransistores Darlington.

Símbolo del fototransistor-darlington

Los transistores Foto-darlington usan un segundo transistor NPN bipolar para proporcionar una amplificación adicional o cuando se requiere una mayor sensibilidad de un fotodetector debido a niveles bajos de luz o sensibilidad selectiva, pero su respuesta es más lenta que la de un fototransistor NPN ordinario.

Los dispositivos de foto darlington consisten en un fototransistor normal cuya salida del emisor está acoplada a la base de un transistor NPN bipolar más grande. Debido a que una configuración de transistor darlington da una ganancia de corriente igual a un producto con dos transistores individuales, un dispositivo photodarlington produce un detector muy sensible.

Las aplicaciones típicas de los sensores de luz de fototransistores son los optoaisladores, los optointerruptores ranurados (optoacopladores), los sensores de haz de luz, las fibras ópticas y los controles remotos de tipo de TV, etc. Algunas veces se requieren filtros de infrarrojos para detectar la luz visible.

Otro tipo de sensor de luz semiconductor de foto-unión que vale la pena mencionar es el foto-tiristor . Este es un tiristor activado por luz o un rectificador controlado por silicio , SCR que se puede usar como un interruptor activado por luz en aplicaciones de CA. Sin embargo, su sensibilidad suele ser muy baja en comparación con los fotodiodos o fototransistores equivalentes.

Para ayudar a aumentar su sensibilidad a la luz, los foto-tiristores se hacen más delgados alrededor de la unión de la puerta. La desventaja de este proceso es que limita la cantidad de corriente de ánodo que pueden cambiar. Luego, para aplicaciones de corriente alterna más altas, se usan como dispositivos piloto en optoacopladores para conmutar tiristores convencionales más grandes.

Células fotovoltáicas.

El tipo más común de sensor de luz fotovoltaica es la célula solar. Las células solares convierten la energía de la luz directamente en energía eléctrica de CC en forma de un voltaje o corriente a una carga resistiva como una luz, una batería o un motor. Entonces, las células fotovoltaicas son similares en muchos aspectos a una batería porque suministran potencia CC.

Sin embargo, a diferencia de los otros dispositivos fotosensores que hemos analizado anteriormente que utilizan la intensidad de la luz incluso desde una linterna para operar, las células solares fotovoltaicas funcionan mejor utilizando la energía radiante del sol.

Las células solares se utilizan en muchos tipos diferentes de aplicaciones para ofrecer una fuente de energía alternativa de baterías convencionales, como en calculadoras, satélites y ahora en hogares que ofrecen una forma de energía renovable, limpia y natural.

Fotografía de un panel de Célula fotovoltáica

Las células fotovoltáicas están hechas de uniones PN de silicio monocristalino, al igual que los fotodiodos con una región sensible a la luz muy grande, pero se utilizan sin el sesgo inverso. Tienen las mismas características que un fotodiodo muy grande cuando está en la oscuridad.

Cuando se ilumina, la energía de la luz hace que los electrones fluyan a través de la unión PN y una célula solar individual puede generar un voltaje de circuito abierto de aproximadamente 0.58v (580mV). Las células solares tienen un lado «Positivo» y «Negativo» al igual que una batería.

Las células solares individuales se pueden conectar juntas en serie para formar paneles solares que aumentan la tensión de salida o se conectan entre sí en paralelo para aumentar la corriente disponible. Los paneles solares disponibles comercialmente están clasificados en vatios, que es el producto de la tensión y corriente de salida (voltios por amperios) cuando está completamente encendido.

Características de una célula solar fotovoltáica típica.

La cantidad de corriente disponible de una célula solar depende de la intensidad de la luz, el tamaño de la célula y su eficacia, que generalmente es muy baja, de alrededor del 15 al 20%. Para aumentar la eficiencia global de la célula de las células solares comercialmente disponibles utilizan silicio policristalino o silicio amorfo, que no tienen estructura cristalina, y pueden generar corrientes de entre 20 a 40 mA por cm ² .

Otros materiales utilizados en la construcción de células fotovoltáicas incluyen arseniuro de galio, diselenuro de cobre / indio y telururo de cadmio. Estos diferentes materiales tienen cada uno una respuesta de banda de espectro diferente, por lo que pueden «ajustarse» para producir un voltaje de salida a diferentes longitudes de onda de luz.

El problema actual es el elevado precio de los paneles solares y lo poco que invierten las empresas en esta energía que es la más limpia y natural de todas.

En este tutorial sobre sensores de luz , hemos analizado varios ejemplos de dispositivos que se clasifican como sensores de luz . Esto incluye aquellos con y sin uniones PN que pueden usarse para medir la intensidad de la luz.

Cualquier pregunta pueden hacerla a través del formulario de comentarios y si tienen algo que compartir con todos los amigos de microcontroladores lo envían y si es original lo publicamos.

Enlaces de fuentes originales:

www.electronics-tutorials.ws

www.electrojoan.com