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LABORATORIO DE SENSORES Y ACTUADORES PRÁCTICA No.1

M. en C. J. A. JARAMILLO GÓMEZ Elementos Fotodetectores1

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIERÍAY TECNOLOGÍAS AVANZADAS

Práctica No. 1.Elementos fotodetectores.

Objetivo.

El alumno caracterizará la sensibilidad de los elementos fotodetectores en función de laintensidad de la luz visible.

El alumno utilizará los simuladores para corroborar el funcionamiento de los circuitoseléctrico-electrónicos.

Los alumnos aprenderán a trabajar en equipo y harán trabajo colaborativo.El profesor fomentará el uso de los simuladores.El profesor fomentará el concepto de seguridad en los laboratorios, específicamente en el

manejo de energía eléctrica.

Tiempo de realización: 2 horas, cumpliendo la entrega de los circuitos armados y eltrabajo colaborativo, NO solo el cooperativo.

Pre-reporte.

Para el buen desarrollo de la práctica el alumno entregará un trabajoprevio que incluya los siguientes conceptos [máximo 3 cuartillas (LetraTimes New Roman de 12ptos, interlineado sencillo)]:

1. ¿Qué es un transductor, un actuador, un sensor? y ¿Cuántos tipos de sensores de luzexisten?

2. Funcionamiento y características principales (medidas o de hojas de especificaciones)de la fotocelda o fotorresistencia(Rluz y Rs/luz), el fotodiodo o fototransistor (I, V) y lacelda solar (Voc e Isc; texto resumido, máximo una cuartilla).

3. Investigue las reglas básicas de seguridad en un laboratorio donde se maneja energíaeléctrica de 120Vca y las conversiones de unidades de luz.

4. Funcionamiento y ecuaciones del amplificador operacional inversor.5. Arme un cilindro de papel, de preferencia negro, de 62cm de alto y del mismo diámetro

del foco que consiguió (∼6cm), como el de la figura 1.1. En la parte inferior secolocarán los sensores de los circuitos a una altura de 1 ó 2 cm aproximadamente, y apartir de ahí marque en la parte externa 0 cm con incrementos hacia arriba de 10cm. Encada marca realice una perforación para colocar una barra (i.e. un lápiz) de lado a ladodel cilindro, que servirá de soporte y de referencia cuando introduzca el foco.

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Figura 1.1. Cilindro armado para medir la incidencia de luz.

NOTA: En caso de no entregar el pre-reporte y/o de no traer el material (con el circuitoarmado), el alumno NO TENDRÁ derecho a entrar al laboratorio. Coloque las preguntascon su numeración en los pre-reportes y reportes.

"Imprime la parte UPIITA, trabaja colaborativamente, no cooperativamente""Imprime tu esencia, construye tu vida"

Material y Equipo.**********

• 2 fotorresistencias 2MΩ o 1 MΩ, ½W (LSR ó LDR).• 2 Fotodiodos ó 2 fototransistores (en

el rango de luz visible).• 1 Celda solar (Opcional).• 1 LF351 ó TL081 ó TL084 (con hojas

de datos y especificaciones).• 4 Resistencias 2.2kΩ, ½ W.• 1 Resistencia 100kΩ, ½ W.• 3 Leds rojos.

•

2 Transistores 2N2222 o similar• 2 Diodos 1N914 o similar• 2 Potenciómetros de 5kΩ, ½ W.• 1 Relevador a 5V ó 6V con un

contacto NO o 2 contactos (NO y NC)• 1 Ventilador 5V, 100mA• 1 Foco de 100 W (1560 lm) con

socket (o 60 W, 820 lm), cable (1.5m)y clavija bien aislado.

• Cinta de aislar• Material calculado• Pinzas de punta y de corte.• 2 ó 3 Protoboard (para tener todos los

circuitos armados y repartirlos entrelos integrantes del equipo).

• Cables para conexión• Cables con conectores tipo caimán• Termofit• Hojas de papel o cartulina negra con

marcas cada 10cm• Cinta adhesiva para armar el cilindrode papel

• Filtros de color rojo, verde y azul

• Fuente de alimentación.• Multímetro (con puntas y rango nA).• Osciloscopio (con puntas).• Luxómetro

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• Regla graduada **********

Introducción.

Los elementos fotodetectores son dispositivos que funcionan solo dentro de un rango defrecuencia lumínica o en una cierta longitud de onda, es decir perciben luz. Estos detectoresse emplean en las comunicaciones ópticas, en fotómetros, en el control de la iluminación(en lámparas), brillo (TVs), enfoque automático, disparo de luz o flash y control deexposición (cámaras y videocámaras). Y también como detectores de presencia, en donde elfuncionamiento se basa en la interrupción de un haz de luz por parte de un objeto aplicadoen encoders y grippers. También se utilizan los sensores de color para la inspección ycontrol de calidad, reconocimiento de formas y la detección bacteriológica en laboratorios.Y por último, también se utiliza en juguetería.

Existen en el mercado diferentes tipos de sensores de luz (visible y no visible), siendo los

más comunes: la fotorresistencia, el fotodiodo, el foto transistor, el foto SCR, el fotoTRIAC y la celda fotovoltaica, entre otros.

La fotorresistencia es un dispositivo que cambia de resistencia cuando se le hace incidir luzsobre ésta. Típicamente se tiene 2MΩ sin luz y 10kΩ con luz para las que son de CdS.

Los fotodetectores (fotodiodo, fototransistor, etc.) están hechos formando una estructuraelectrónica básica, por medio de uniones p-n donde la excitación sobre estos se realiza pormedio de luz. Por ejemplo en un fototransistor existe una ventana de acceso a la base quegenera una fotocorriente en la base que se amplifica beta veces para conducir corriente de

colector a emisor y así encender el componente que se encuentra conectado a éste.Las celdas solares son dispositivos que convierten la energía luminosa en energía eléctrica.Para las celdas de silicio, la corriente típica de corto circuito (Isc) es de 80mA/cm2 y elvoltaje de circuito abierto (Voc) es de 0.6 volts. Debido a que la luz solar no esmonocromática, la banda de energía del semiconductor debe ser lo mas pequeña posiblepara permitir la absorción del mayor porcentaje de los fotones de luz solar.

A continuación se presenta en la tabla 1.1 la iluminación recomendada para ciertasactividades.

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Tabla 1.1. Iluminación recomendada para diversas tareas.Tipo de tarea visual Ambiente o actividad Iluminación

[lux]Orientación vehicular Zonas de tráfico 20Tarea visual fácil Plantas de producción con poca actividad

Trabajos de montaje y supervisión

100

200Tarea visual normal Tareas medias: torneado, fresado, aulas

Tareas finas: oficinas, máquinas con utilerías300500

Tarea visual difícil Oficinas de supervisión (áreas grandes), dibujo,montaje mecánico fino, pruebas de colores, etc.

1000

Tarea visual muydifícil

Aseguramiento de calidad con requerimientos muyaltos, reparación de artefactos ópticos o relojería deprecisión, procesamiento de textiles, etc.

1500

Detalles muy finos Grabado de metales y joyería 2000

“Si tienes alguna duda, apóyate con tu profesor”

Desarrollo.

Recuerde MOSTRAR sus circuitos funcionando a su profesor para la valoración del trabajode laboratorio (TL).

1. Simule los circuitos de la figura 1.2 en el simulador eléctrico-electrónico PSPICE,ORCAD o PROTEL, para obtener la curva VO-RLDR (fondo blanco y curvas negras), siR=2kΩ y RLDR=2MΩ sin luz y RLDR=2kΩ con luz.

Sugerencia: Utilice el barrido de componentes para simular los cambios de resistencia enlas fotorresistencias.

Figura 1.2. Circuitos con fotorresistencias.

2. Arme los circuitos de la figura 1.3, donde el potenciómetro en el inciso a) sirve paraajustar al mismo valor de la fotorresistencia cuando existe luz (Vo = 2.5 V),en el inciso b)sirve para ajustar el voltaje de salida del puente a cero volts cuando existe luz (por mediode un divisor con R = 1 ó 10 kΩ para que cumpla con esa condición), y en el c) y/o d) seajusta para que existan cambios considerables cuando hay y cuando no hay luz. En losincisos c y d, dependiendo del componente que se tenga (fotodiodo o fototransistor) se tiene

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que armar solo uno de los dos circuitos. Solde o amarre alambres de 50cm aprox. a sussensores y aíslelos con termofit o cinta de aislar para poder manipularlos a distancia.

Figura 1.3. Circuitos con diversos fotodetectores.

3. Coloque los sensores en la base dentro del cilindro a una altura entre 1 y 2 cm, como elde la figura 1.1 repetido para su comodidad. Coloque el foco hasta la parte superior (60cm), y mida los voltajes de salida de cada uno de los tres circuitos y anótelos en la tabla 1.2.

Introduzca una barra o lápiz como tope y baje el foco 10 cm. Mida los valores y repita laoperación hasta alcanzar los 0cm. Calcule los datos faltantes de la tabla y reporte lalinealidad de cada circuito. Evite el calentamiento, mida y apague el foco en cada lectura.

Nota: Aísle todas las terminales de contacto hacia el foco. Recuerde las reglas básicas deseguridad debido a que maneja corriente alterna (CA).

Figura 1.1. Cilindro armado con los sensores para medir la incidencia de luz.

Tabla 1.2. Valores tomados de los dispositivos con sus distintos arreglos.Circuito1.3 a Circuito1.3 b Circuito1.3 c o dDistancia

[cm].Luz incidente[Fc, Lux]*. Vo [V] I [mA] Vo [V] I [mA] Vo [V] I [mA]

X Sin luz60 48, 51050 66, 73040 91, 1014

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Tabla 1.2. Valores tomados de los dispositivos con sus distintos arreglos (Continuación).Circuito1.3 a Circuito1.3 b Circuito1.3 c o dDistancia

[cm].Luz incidente[Fc, Lux]*. Vo [V] I [mA] Vo [V] I [mA] Vo [V] I [mA]

30 161, 132820 320, 3350

10 1020,108000 11950,123000

*Valores tomados con un luxómetro Lutron LX-103 con un foco de 100 W, 1560 lm,dentro de un cilindro.

Recuerde : que el flujo luminoso (Φ) se define como la potencia (W) emitida en forma deradiación luminosa y que 1watt-luz a 555nm = 683 lumen (lm); que la intensidad luminosa(I) es el flujo luminoso emitido por unidad de ángulo sólido en un dirección concreta I = Φ

/ w [cd]; que la Iluminancia (E) es el flujo luminoso recibido por una superficie E [lux=lx]

= Φ [lm] / S [m

2

], aunque también existe la unidad de pie-candela (fc), y 1fc ≈ 10 lx.Para mayor información consultar información de fotometría, por ejemplo:http://edison.upc.es/curs/llum/fotometria/magnitud.html

4. A partir de los valores obtenidos en la tabla 1.2, calcule los componentes del circuito dela figura 1.4 y ármelo y mida el valor de la corriente de base y la corriente del ventilador.Nota: si el ventilador es de otro valor de voltaje (ej. 9 V), cambie el valor de la fuente devoltaje por ese valor nominal del motor.Ibase = [µA]Iventilador = [mA]

Figura 1.4. Circuito para clima artificial: a mayor cantidad de luz sensada más calor debede existir y por lo tanto mayor velocidad en el ventilador para bajar la temperatura.

Nota: si al sensor de este circuito se coloca cerca de una ventana, se estará sensando latemperatura por medio de la luz para activar el ventilador, claro que esto solo funciona bajociertas condiciones y rango de trabajo.

5. A partir de los valores obtenidos en la tabla 1.2, calcule los componentes del circuito dela figura 1.5. Ármelo y mida el valor de la corriente de base, la corriente del colector y lacorriente del ventilador. El relevador es de 5V con un contacto normalmente abierto(Normally Open NO) mínimo.

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Nota: si el ventilador (motor) es de otro valor de voltaje (ej. 9 V), cambie el valor de lafuente de voltaje por ese valor nominal del motor.Ibase = [µA]Icolector = [mA]Iventilador = [mA]

Figura 1.5. Control de un motor por relevador.

6. Se tiene un ventilador y se desea controlar su encendido y apagado por medios ópticos.Por lo tanto, se pide diseñar un circuito que por medio de un fotodetector y circuiteríanecesaria lo encienda y lo apague.

7. Dados los datos de la tabla 1.2, en el circuito de la fotorresistencia, diseñe, calcule yconstruya un circuito que indique con leds (mínimo tres) la cantidad de luz sensada.

8. (Opcional) Arme el circuito de la figura 1.6. Coloque primero la fotocelda, tápelacompletamente y mida los datos necesarios para llenar la tabla 1.3. Posteriormentedestápela poco a poco para tomar las demás lecturas hasta destaparla completamente (elvalor de 600fc es tomado debajo de las lámparas del laboratorio a 5cm de separación), ycomplete la tabla. Repita para el fotodiodo y la celda solar y complete su tabla. Calcular elvoltaje de salida y compararlos con los resultados medidos para cada detector. Realice suscomentarios.

Figura 1.6. Circuito de caracterización de tres elementos fotodetectores.

Nota: Recuerde que RF tiene que ser calculada para que la salida Vo se mantenga entre -V< Vo < +V, siendo +V y –V la polarización del opamp. Por ejemplo ±12, ±5, etc.

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Tabla 1.3. Caracterización de los dispositivos ópticosFotocelda Fotodiodo Celda solar

ID [µA] IF [µA] VO [V] ID [µA] IF [µA] VO [V] ID [µA] IF [µA] VO [V]Obscuridad

[0fc]

Luz mediaLuz total[600fc]

9. (Opcional) Dados los valores obtenidos en la tabla 1.3 calcular una resistencia paraencender un led a la salida del opamp. Coloque el Led y su resistencia calculada en la salidadel opamp y compruebe que enciende.

10. Diseñe y construya un circuito reflectivo con fotorresistencia(s) que detecte el color detres de los siguientes recipientes mínimo: blanco, rojo, verde, azul y negro. Comosugerencia puede utilizar el circuito tipo puente con un emisor de luz blanca (fría, cálida,etc.) y filtros de colores para permitir el paso de solo uno de ellos en el rebote.

11. Proponga un circuito que sustituya al amplificador operacional para poder sensar loscambios y mencione 6 aplicaciones de los sensores. Realice sus comentarios yconclusiones.

12. Comente sus resultados y escriban sus conclusiones.

NOTA: Enumere sus resultados respecto a cada paso en su reporte escrito [máximo 8

cuartillas (Letra Times New Roman de 12ptos, interlineado sencillo)].

Proyectos opcionales.

Diseñar y construir un sistema antichoque para autos de juguete.Diseñar y construir un sistema antichoque para autos eléctricos.Diseñar y construir un sistema antichoque para estacionar un auto dentro de un garageestrecho.Diseñar y construir un sistema para el control de cierre y apertura de las puertas de unelevador.

Diseñar y construir un sistema para el conteo de objetos.Diseñar y construir un sistema para el control de encendido y apagado de luces exteriores.Diseñar y construir un sistema para el encendido gradual de luces exteriores y/o interiores.Diseñar y construir un cargador solar de baterías.Diseñar y construir un bicho activado con luz solar.Diseñar y construir un detector de objetos.Diseñar y construir un radar óptico.Diseñar y construir un detector de paso.Diseñar y construir un detector de objetos.

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Diseñar y construir un instrumento musical óptico (ej. Un piano óptico).Diseñar y construir un sistema automático para el secado de las manos.Diseñar y construir un sistema automático para el lavado de las manos.Diseñar y construir un sistema automático para los inodoros.Diseñar y construir un sistema para medir el pulso de una persona.

Diseñar y construir un medidor de distancia.

Analizar el circuito de la figura 1.7 y recalcular los componentes del control de intensidadpara un foco de 100W y armar siguiente circuito, ver siguiente figura.Nota: Si se arma, tener cuidado con el manejo de la CA.

Figura 1.7. Circuito controlador del ángulo de disparo de una señal alterna paraaplicaciones de control de intensidad en un foco, o bien control de velocidad de un motor,

ambos por medio de la luz incidente.

"Imprime la parte UPIITA a tu trabajo, busca información en la red y compártelacon tus compañeros".

Recuerda que:"La práctica hace al maestro"

¡Si tienes alguna duda apóyate en tu profesor!

“Intercambia opiniones y experiencias con tus compañeros de grupo, acerca delconocimiento que has adquirido después de haber finalizado la práctica.”