APRENDE PRACTICANDO / Fotodetector

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INTRODUCCIÓN

En esta ocasión les hablaremos un poco acerca de los detectores fotoeléctricos. Con este circuito será posible montarnos una barrera fotoeléctrica y un detector de luz infrarroja para hacer un comprobador de mandos remotos. Además de las configuraciones, haciendo una simple variación en el elemento sensor, también nos podremos montar un detector de nivel de líquidos y un detector de toque. Con cada una de estas funciones es posible opcionalmente activar una carga mediante la adaptación de un circuito de relé.

 

LOS FOTODETECTORES

KIT 33 fig 1Los fotodetectores son dispositivos que responden de una u otra forma a cualquier tipo de radiación óptica, incluyendo la luz visible, infrarroja, ultra violeta, etc. y las convierten en señales eléctricas. Estos son utilizados en múltiples aplicaciones, incluyendo instrumentación médica, encoders (codificadores), censado de posiciones, sistemas de comunicaciones de fibra óptica, y procesamiento de imágenes; todo esto sin necesidad de un contacto físico directo.

Los primeros sensores fotoeléctricos, desarrollados en la década de 1950, utilizaban una lámpara incandescente como fuente de luz y una celda conductiva o fotocelda como elemento sensible. Actualmente se utilizan elementos de estado sólido para estas funciones, los cuales son más eficientes, no “envejecen”, no se calientan, soportan vibraciones, discriminan la luz ambiente, etc.

Un sensor fotoeléctrico moderno, en general, lo constituyen tres bloques fundamentales (Figura 1). Un emisor, un receptor y una circuitería electrónica. El emisor en particular utiliza uno o varios Led’s para producir un haz de luz modulada roja o infrarroja que viaja hacia el receptor a través del espacio, una fibra óptica u otro medio.

Se utilizan led’s infrarrojos y luz modulada porque de esta forma se garantiza una gran inmunidad a otras formas de luz ambientales, un alto rendimiento luminoso, una alta velocidad de respuesta, la insensibilidad a los golpes y vibraciones, y una larga vida útil. La luz roja se utiliza para transmisión por fibra óptica plástica y en detectores reflex polarizados.

El detector, por su parte, utiliza generalmente como elemento fotosensible un fotodiodo o un fototransistor, asociado a un sistema óptico, para detectar el haz de luz enviado por el LED del transmisor y producir una señal eléctrica equivalente de bajo nivel que indica la presencia o ausencia del objeto. La circuitería electrónica incluye, entre otros, los siguientes bloques funcionales:

• Un oscilador para modular la luz del LED, es decir conectar y desconectar este último a una determinada frecuencia.

• Un amplificador de alta ganancia para reforzar la señal de salida del dispositivo fotosensible.

• Un demodulador para identificar la frecuencia de modulación. Puede ser, por ejemplo, un simple rectificador con filtro si el amplificador está previamente sintonizado a la frecuencia de modulación, o un PLL detector de tonos en caso contrario. Algunos sensores fotoeléctricos, como los empleados para detectar objetos calientes que emiten su propia luz, no incluyen esta etapa puesto que el haz no viene modulado.

Un conformador de pulsos Schmitt trigger para convertir la señal de salida del demodulador en una señal lógica, es decir un nivel alto o bajo. Una etapa de salida, con alta capacidad de corriente, para manejarla carga, digamos una bobina de contactor o relé.

Dependiendo del método de detección, es decir la forma como se posicionen físicamente la fuente de luz y el receptor, son posibles seis tipos de sensores fotoeléctricos: de barrera, retrorreflectivos, difusos, convergentes, especulares y detectores de marcas de color. El tipo de sensor a utilizar en una aplicación determinada depende, entre otros factores, de la distancia de detección, la intensidad de la señal óptica, las restricciones de montaje, las características del objeto a ser detectado, etc. Es importante, por ejemplo, saber si los objetos son opacos, translúcidos o claros, si son alta o ligeramente reflectivos, y si se sitúan siempre en la misma posición o lo hacen aleatoriamente a medida que pasan por el sensor.

KIT 33 fig2En un sensor de barrera, transmisivo o de exploración directa, figura 2, el emisor y el receptor se posicionan opuestos entre sí, pero alineados, de modo que la luz del primero incide directamente sobre el segundo. La detección se realiza por sombra o bloqueo, es decir cuando el objeto interrumpe el haz de luz. Este método, adecuado para objetos no trasparentes, incluso reflectantes, es el que provee el más alto nivel de energía óptica. Por esta razón, los sensores de barrera tienen un largo alcance y toleran la contaminación de los lentes por polvo, humo, etc. Se utilizan principalmente para la detección de objetos pequeños, el posicionamiento preciso de piezas y el conteo de partes. Su principal desventaja es que el emisor y el receptor deben conectarse independientemente.

KIT 33 fig3En un sensor retrorreflectivo o reflex, figura 3, el emisor y el receptor están montados uno adyacente al otro en la misma cápsula y la luz del primero se transmite por reflexión al segundo gracias a la acción de un elemento reflector externo. La detección se realiza por sombra o bloqueo.

El reflector está formado por un gran número de prismas o triedos que tienen la propiedad de reflejar todo rayo incidente en la misma dirección y en forma paralela. Para ello, debe ubicarse frente al detector, centrado y en un plano perpendicular al eje óptico del mismo. Su tamaño depende de la distancia con respecto al detector, pero debe ser más pequeño que el objeto a detectar. Este tipo de sensor tiene un menor alcance que uno de barrera y debe ser usado en un ambiente limpio.

Un problema que se presenta con los sensores anteriores es que los objetos altamente reflectivos pueden pasar desapercibidos si los mismos retoman una cantidad de luz similar a la que entrega el reflector. Para solucionar este inconveniente, se utilizan varias técnicas, incluyendo el empleo de filtros de polarización en los lentes del emisor y el receptor que bloquean el paso de las ondas de luz en el plano de polarización vertical u horizontal.

Otro método es la utilización de un retroreflector, formado en su interior por miles de espejos prismáticos diminutos que procesan el haz de luz enviado por el transmisor y lo devuelven rotado 90° al receptor. También se puede controlar la reflexión posicionando el sensor con un cierto ángulo respecto a la superficie del objeto.

KIT 33 fig4 y 5En un sensor difuso o auto-reflex, figura 4, el transmisor y el receptor están hospedados en la misma cápsula. La posición del objeto se detecta cuando el mismo se coloca en línea con el haz del transmisor y la luz, al incidir, se dispersa, retornando una parte de ella al receptor. Por tanto, operan por luz o reflejo. Este método es el más conveniente desde el punto de vista de la instalación, puesto que la detección se realiza de un solo lado, sin necesidad de un reflector. Lo importante es que el objeto sea suficientemente reflectivo, tenga una gran área de dispersión y cualquier superficie de fondo del mismo no sea retlectiva o, si lo es, esté, por lo menos, a tres veces la distancia entre el detector y el objeto. Su alcance es corto y no se recomienda para objetos pequeños ni ambientes contaminados.

En un sensor convergente, figura 5, la detección se realiza también por dispersión, pero el transmisor y el receptor están inclinados un mismo ángulo con respecto al eje vertical, y se utilizan lentes especiales para enfocar el haz en un área muy estrecha, llamada profundidad de campo. Los objetos por fuera de esta zona no son detectados.

Como resultado, la luz que llega al receptor es más potente que en el caso anterior, permitiendo que el sensor pueda detectar objetos muy pequeños o poco reflectivos. Este tipo de sensores puede ser utilizado, por ejemplo, para contar botellas, latas, etc., sobre bandas transportadoras cuando no hay espacio entre productos adyacentes, detectar diferencias de altura en partes móviles, inspeccionar piezas en su lugar en líneas de ensamble, detectar el nivel de llenado de materiales, etc.

KIT 33 fig 6En un sensor especular, figura 6, el transmisor y el receptor están colocados a ángulos iguales del objeto y la detección se realiza por reflexión total. Para ello, se requiere que las superficies del objeto sean como espejos y la distancia entre el mismo y el sensor permanezca constante. Este tipo de sensores se utilizan cuando se requiere diferenciar entre objetos brillantes y opacos. Un ejemplo común es la detección del alineamiento con respecto a una superficie reflectiva de un material difuso, digamos una tela sobre una mesa de acero en una máquina cosedora.

KIT 33 fig7Finalmente, en un sensor de marcas de color, como el que aparece en la fotografía de la figura 7 en lugar de explorar el objeto a medida que pasa por el punto de inspección, se detecta por convergencia el contraste entre dos colores. Estos últimos pueden estar sobre la misma superficie o pertenecer a objetos separados. Este tipo de sensores son ampliamente usados en operaciones de empaque, donde se recurre a marcas de color para asegurar que la información que debe de ir impresa sobre un producto parezca siempre en el mismo lugar. Normalmente se utiliza como emisor una lámpara incandescente, que produce una luz blanca, o un LED de luz roja o verde. La luz blanca es la ideal, debido a que contiene todos los colores.

KIT 33 fig8Un caso particular de detectores fotoeléctricos, utilizados principalmente en espacios confinados o ambientes muy hostiles, son los sensores de fibra óptica, figura 8, donde, como su nombre lo indica, se utiliza un conductor de fibra óptica, plástico o de vidrio, para transferir la luz hacia y desde el punto de detección. En el caso mostrado en (a), la detección se realiza por barrera, mientras que en (b) se realiza por difusión. En ambas situaciones, tanto el emisor como el receptor están hospedados en la misma cápsula. La luz que sale del emisor viaja por la fibra superior e incide sobre el objeto a detectar, siendo interrumpida o dispersada por este último. La luz restante llega al receptor conducida por la fibra inferior.

KIT 33 fig9También se dispone de fotomicrosensores, generalmente de tipo transmisivo o reflectivo, caracterizados por su pequeño tamaño, figura 9. Los mismos utilizan un LED, rojo o infrarrojo, como fuente de luz y un rototransistor o un lotodiodo como receptor. En el caso de un sensor transmisivo o ranurado, el LED se monta opuesto al receptor. La detección ocurre cuando el objeto pasa a través de la ranura e interrumpe el haz. En el caso de un sensor reflectivo, las superficies emisora y receptora están posicionadas angularmente, de modo que si un objeto interrumpe el haz la luz se refleja hacia el receptor. En ambos casos, el receptor genera una señal lógica para indicar la presencia del objeto, proveniente del propio fototransistor o de un transistor de salida.

Los fotomicrosensores pueden ser o no amplificados, es decir traer o no la circuitería electrónica de amplificación incorporada. Los primeros utilizan como receptor un circuito integrado óptico (foto IC), formado por un fotodiodo, un amplificador, un conformador de pulsos y un transistor de salida, figura 10. Los segundos utilizan como receptor y dispositivo de salida un fototransistor o un fotodarlington, y requieren de un cuidadoso diseño de la circuitería externa para evitar su destrucción.KIT 33 fig 10

Los sensores fotoeléctricos, en general, se caracterizan mediante los mismos parámetros utilizados para especificar los sensores inductivos y capacitivos, excepto por la introducción de algunos términos nuevos. Los detectores para CC, en particular, son de tres hilos y ofrecen normalmente frecuencias de conmutación superiores a la de los detectores para AC o AC/DC. Deben conectarse en serie con la bobina de un contactor o relé, excepto si se trata de un fotomicrosensor no amplificado. En un sistema de barrera o transmisivo, solamente el receptor se conecta en serie con la bobina o el circuito de carga.

Al igual que los sensores inductivos y capacitivos, se tienen dos tipos: PNP o de modo fuente y NPN o de modo sumidero. Los detectores para AC o AC/DC, por su parte, pueden ser de 2 o 5 hilos. Los de 2 hilos deben conectarse en serie con la bobina de un relé o contactor. En caso de sensores de barrera, solo se conecta al receptor. En los sistemas de 5 hilos, se usan dos conductores para la fuente de alimentación y 3 para la señal de salida. Esta última la provee un relé interno, dotado con un contacto NA y uno NC.

LOS SENSORES

Ahora bien, todos estos detectores fotoeléctricos como lo mencionamos anteriormente se componen de un emisor un receptor y una circuitería electrónica. Básicamente en los emisores y receptores de estos detectores podemos encontrar casi siempre los mismos “elementos básicos”, los cuales han sido adaptados por la circuitería externa según la necesidad y condiciones a las que estarán sometidos. Así pues echémosle un vistazo muy general a algunos de estos elementos básicos.

FOTODIODOS

Un fotodiodo es un componente electrónico que pertenece a la gama de los fotodetectores. Los fotodiodos pueden ser usados bien sea con polarización cero o polarización inversa. En polarización cero, la luz incidente en el diodo provoca el desarrollo de un voltaje a través del dispositivo, induciendo a la corriente a fluir en sentido directo; a esto se le conoce como efecto fotovoltaico, y es el principio de las células solares, que de hecho no son más que un gran número de grandes y baratos fotodiodos.

Los diodos usualmente tienen una resistencia extremadamente alta cuando se encuentran en polarización inversa, esta se reduce cuando una luz de apropiada frecuencia radia la juntura. Por lo tanto, la polarización inversa del diodo puede ser usada como un detector monitoreando la corriente que fluye a través de él.

FOTOTRANSISTOR

KIT 33 fig 11Unfototransistor en esencia no es más que un transistor bipolar normal que ha sido encapsulado en un empaque transparente de modo que la luz pueda alcanzar el diodo que existe entre base y colector. El fototransistor trabaja como un fotodiodo, pero con una sensibilidad a la luz mucho más alta y produce una corriente de salida más alta que el fotodiodo. En la figura 11 mostramos un fototransistor el cual está hecho colocando un fotodiodo en el circuito base de un transistor KIT 33 fig 12NPN. La luz incidente en el fotodiodo cambia la corriente de base del transistor, causando que la corriente de colector sea amplificada. Los fototransistores también pueden ser del tipo PNP. En la figura 12 podemos observar varios tipos de fototransistores, que pueden ser como vemos, de dos terminales, en los cuales, la intensidad de la luz en el fotodiodo determina la cantidad de conducción o de tres terminales, en los cuales se ha agregado el terminal de base, con el cual es posible aplicar una polarización a este terminal. Esta polarización permite una conducción óptima del transistor y así compensar la intensidad de la luz ambiente.

FOTODIODO DE AVALANCHA

Es posible incorporar un tipo de sistema amplificador de empleo común formando parte del propio fotodiodo. El fotodiodo de avalancha utiliza la multiplicación por avalancha para conseguir amplificar la fotocorriente creada por los pares hueco-electrón. Esto proporciona una elevada sensibilidad y gran rapidez. Sin embargo, el equilibrio entre ruido y ganancia es difícil de conseguir y como consecuencia, el coste es alto. Asimismo la estabilidad de temperatura es deficiente y se requiere una tensión de alimentación de valor elevado (100-300 v.), estrechamente controlada. Por estas razones, el fotodiodo de avalancha tiene limitadas aplicaciones.

FOTOCELDAS

Las fotoceldas o celdas fotoeléctricas son dispositivos cuyo voltaje o resistencia de salida varía en respuesta a la cantidad de luz incidente sobre su superficie. En el primer caso se habla de celdas foto-voltaicas y en el segundo de celdas fotoconductivas. Estas últimas se denominan también fotorresistores o resistencias dependientes de la luz (LDR: Light De-pendent Resistors). Las primeras ofrecen una mejor linealidad que las segundas y son más rápidas, pero requieren mayor amplificación. Ambos tipos son ampliamente utilizados en una gran variedad de aplicaciones industriales y no industriales.

FOTODARLINGTON

Básicamente, este dispositivo es el mismo que el transistor sensible a la luz, excepto que tiene una ganancia mucho mayor debido a las dos etapas de amplificación, conectadas en cascada, incorporadas en una sola pastilla.

FOTO SCR

El circuito equivalente con dos transistores del rectificador controlado de silicio mostrado en la figura 13 ilustra el mecanismo de conmutación de este dispositivo. La corriente debida a los fotones, generada en la unión pn polarizada en sentido inverso, alcanza la región de puerta y polariza en sentido directo el transistor npn, iniciando la conmutación.

OTROS DIPOSITIVOS FOTODETECTORES

La tecnología de los circuitos integrados permite múltiples combinaciones de dispositivos fotosensibles con elementos activos y pasivos, en una pastilla de silicio única. Ejemplos específicos de estos dispositivos son el fotodarlington con resistencia base-emisor integral, el fotodetector a FET bilateral analógico, los dispositivos de activación de triacs y el disparador de Schmitt con entrada óptica.

OPTOACOPLADORES

Existen muchas aplicaciones en las que la información debe ser transmitida entre dos circuitos eléctricamente aislados uno de otro. Este aislamiento puede ser conseguido mediante relés, transformadores de aislamiento y receptores de línea.

Existe, no obstante, otro dispositivo que puede ser utilizado de manera igualmente efectiva para resolver estos problemas. Este dispositivo es el optoacoplador. Su empleo es muy importante en aplicaciones en las que el aislamiento de ruido y de alta tensión y el tamaño son características determinantes.

Un optoacoplador es un dispositivo que contiene una fuente de luz y un detector fotosensible separados una cierta distancia y sin contacto eléctrico entre ellos. La clave del funcionamiento de un optoacoplador está en el emisor, un LED, y en el detector fotosensible a la salida.

La energía de luz proporcionada por el emisor está situada generalmente en la región de los infrarrojos o muy cercana a ella.

EL KIT DE REGALO

KIT 33 fig14Como lo mencionamos al principio de este articulo, este circuito puede ser utilizado bien sea como una barrera infrarroja, un comprobador de mandos remotos, un detector de toque o un detector de nivel de líquidos. Para llevar a cabo cada una de estas tareas, bastará con cambiar el elemento “detector”.

Para dejar las cosas claras, además del diagrama esquemático de la figura 14, y la máscara de soldadura, adjuntamos las fotografías correspondientes a cada una de las configuraciones.

Para comenzar el montaje, comprobemos la existencia de todos los materiales necesarios para el montaje como se ve en la fotografía.

KIT 33 componentesA continuación, pasamos como es lógico en el montaje de los kits, la soldadura de los componentes de bajo perfil como lo son las resistencias, tal como se ve en la fotografía

Después de haber montado las resistencias podemos pasar sin problemas al montaje del resto de los componentes.

Para terminar, soldamos el conector de la alimentación, que en este caso corresponde al de una batería de 9 voltios, y soldamos el “sensor” según la aplicación.

KIT 33 montaje 2Tanto en el caso de la barrera infrarroja como el comprobador de mandos remotos, el sensor es un fotodiodo, el cual debemos soldarlo en placa teniendo especial cuidado en su polarización. Para lo cual debemos guiarnos en la siguiente figura.

Para utilizarlo en modo comprobador de mandos remotos, lo que debemos hacer es apuntar directamente el mando sobre el fototransistor, con lo cual si el mando está en buen estado, el piloto indicador parpadeará al ritmo de los datos que envía el mando.

Para utilizarlo como barrera fotoeléctrica, debemos tener la precaución de aislar de la luz ambiente el fototransistor mediante la colocación de un “tubito”, dado que este eleKIT 33 fotodiodomento es sensible a la luz ambiente.

En el caso del detector de nivel de líquidos, lo que utilizamos como “sensor”, será un par de cables, que completarán el circuito en el momento que el líquido alcance el nivel en el cual hemos colocado el par de cables.

Para el caso del detector de toque, ponemos al final de los cables, un par de contactos, de modo que podamos hacer un contacto fácil con nuestros dedos tal y como se observa en la fotografía.

 

KIT 33 lista componentes

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