Un sensor de luz genera una señal de salida que indica la intensidad de la luz mediante la medición de la energía radiante que existe en un rango muy estrecho de frecuencias básicamente llamado «luz», y que oscila en frecuencia desde el espectro de luz «Infrarrojo» a «Visible» hasta «Ultravioleta».
El sensor de luz es un dispositivo pasivo que convierte esta «energía de la luz» ya sea visible o en las partes infrarrojas del espectro en una señal eléctrica de salida. Los sensores de luz se conocen más comúnmente como «dispositivos fotoeléctricos» o «fotosensores» porque convierten la energía de la luz (fotones) en electricidad (electrones).
Los dispositivos fotoeléctricos pueden agruparse en dos categorías principales, los que generan electricidad cuando se iluminan, como los fotovoltaicos o los fotoemisores, etc., y los que cambian sus propiedades eléctricas de alguna manera, como los fotorresistentes o los fotoconductores. Esto nos lleva a la siguiente clasificación de dispositivos.
- – Células fotoemisivas – Se trata de fotodispositivos que liberan electrones libres de un material sensible a la luz, como el cesio, cuando son alcanzados por un fotón de energía suficiente. La cantidad de energía que tienen los fotones depende de la frecuencia de la luz y cuanto más alta es la frecuencia, más energía tienen los fotones convirtiendo la energía de la luz en energía eléctrica.
- – Células fotoconductoras – Estos fotodispositivos varían su resistencia eléctrica cuando son sometidos a la luz. La fotoconductividad es el resultado de la incidencia de la luz en un material semiconductor que controla el flujo de corriente a través de él. Así, una mayor cantidad de luz aumenta la corriente para un determinado voltaje aplicado. El material fotoconductor más común es el sulfuro de cadmio utilizado en las fotocélulas LDR.
- – Células fotovoltaicas – Estos fotodispositivos generan una emf en proporción a la energía lumínica recibida y su efecto es similar al de la fotoconductividad. La energía luminosa incide sobre dos materiales semiconductores intercalados creando una tensión de aproximadamente 0,5V. El material fotovoltaico más común es el selenio utilizado en las células solares.
- – Dispositivos de fotounión – Estos fotodispositivos son principalmente verdaderos dispositivos semiconductores como el fotodiodo o el fototransistor que utilizan la luz para controlar el flujo de electrones y huecos a través de su unión PN. Los dispositivos de fotojunción están diseñados específicamente para la aplicación de detectores y la penetración de la luz con su respuesta espectral sintonizada a la longitud de onda de la luz incidente.
- La célula fotoconductora
- La Resistencia Dependiente de la Luz
- La célula de resistencia dependiente de la luz
- Circuito de detección de nivel de luz
- Dispositivos de Fotojunción
- El Fotodiodo.
- Construcción y características de los fotodiodos
- Circuito amplificador de fotodiodos
- El Fototransistor
- Construcción y características del fototransistor
- Células fotovoltaicas.
- Características de una célula solar fotovoltaica típica.
La célula fotoconductora
Un sensor de luz fotoconductor no produce electricidad sino que simplemente cambia sus propiedades físicas cuando se somete a la energía de la luz. El tipo más común de dispositivo fotoconductor es la fotorresistencia, 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 tanto, la corriente que fluye a través de ellos. La célula fotoconductora comúnmente utilizada se denomina resistencia dependiente de la luz o LDR.
La Resistencia Dependiente de la Luz
Típica LDR
El efecto neto es una mejora de su conductividad con una disminución de la resistencia para un aumento de la iluminación. Además, las células fotorreactivas tienen un largo tiempo de respuesta que requiere muchos segundos para responder a un cambio en la intensidad de la luz.
Los materiales utilizados como sustrato semiconductor incluyen el sulfuro de plomo (PbS), el seleniuro de plomo (PbSe) y el antimonuro de indio (InSb), que detectan la luz en el rango infrarrojo, siendo el más utilizado de todos los sensores de luz fotorreactivos el sulfuro de cadmio (Cds).
El sulfuro de cadmio se utiliza en la fabricación de células fotoconductoras porque su curva de respuesta espectral se aproxima a la del ojo humano y puede incluso controlarse utilizando una simple linterna como fuente de luz. Típicamente entonces, tiene una longitud de onda de sensibilidad máxima (λp) de alrededor de 560nm a 600nm en el rango espectral visible.
La célula de resistencia dependiente de la luz
El sensor de luz fotorresistivo más utilizado es la célula fotoconductora de sulfuro de cadmio ORP12. Esta resistencia dependiente de la luz tiene una respuesta espectral de unos 610nm en la región amarilla a naranja de la luz. La resistencia de la célula cuando no está iluminada (resistencia oscura) es muy alta, de unos 10MΩ’s, que desciende a unos 100Ω’s cuando está totalmente iluminada (resistencia iluminada).
Para aumentar la resistencia oscura y, por tanto, reducir la corriente oscura, el camino resistivo forma un patrón en zigzag a través del sustrato cerámico. La fotocélula CdS es un dispositivo de muy bajo coste que se utiliza a menudo en la atenuación automática, la detección de la oscuridad o el crepúsculo para encender y apagar las luces de la calle, y para aplicaciones de tipo exposímetro fotográfico.
Conectar una resistencia dependiente de la luz en serie con una resistencia estándar como esta a través de un único voltaje de alimentación de CC tiene una ventaja importante, aparecerá un voltaje diferente en su unión para diferentes niveles de luz.
La cantidad de caída de voltaje a través de la resistencia en serie, R2 está determinada por el valor resistivo de la resistencia dependiente de la luz, RLDR. Esta capacidad de generar diferentes voltajes produce un circuito muy práctico llamado «divisor de potencial» o red divisora de tensión.
Como sabemos, la corriente a través de un circuito en serie es común y como la LDR cambia su valor resistivo debido a la intensidad de la luz, el voltaje presente en VOUT será determinado por la fórmula del divisor de tensión. La resistencia de una LDR, RLDR puede variar desde unos 100Ω a la luz del sol, hasta más de 10MΩ en la oscuridad absoluta con esta variación de resistencia que se convierte en una variación de tensión en VOUT 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.
Interruptor LDR
A medida que el nivel de luz aumenta la resistencia de la LDR comienza a disminuir causando que el voltaje de polarización de base en V1 aumente. En algún punto determinado por la red divisora de potencial formada con la resistencia R1, la tensión de polarización de base es lo suficientemente alta como para poner en «ON» el transistor TR1 y así activar el relé que a su vez se utiliza para controlar algún circuito externo. A medida que el nivel de luz vuelve a caer en la oscuridad, la resistencia de la LDR aumenta haciendo que la tensión de base del transistor disminuya, apagando el transistor y el relé en un nivel de luz fijo determinado de nuevo por la red divisora de potencial.
Sustituyendo la resistencia fija R1 por un potenciómetro VR1, el punto en el que el relé se pone en «ON» o en «OFF» se puede preajustar a un nivel de luz concreto. Este tipo de circuito simple mostrado arriba tiene una sensibilidad bastante baja y su punto de conmutación puede no ser consistente debido a variaciones en la temperatura o en la tensión de alimentación. Un circuito de precisión más sensible activado por la luz se puede hacer fácilmente mediante la incorporación de la LDR en un «puente de Wheatstone» y la sustitución del transistor con un amplificador operacional como se muestra.
Circuito de detección de nivel de luz
En este circuito básico de detección de oscuridad, la resistencia dependiente de la luz LDR1 y el potenciómetro VR1 forman un brazo ajustable de una red de puente de resistencia simple, también conocida 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 de potencial a través de la tensión de alimentación cuyas salidas V1 y V2 se conectan a las entradas de tensión no inversora e inversora respectivamente del amplificador operacional.
El amplificador operacional se configura como un Amplificador Diferencial también conocido como comparador de tensión con realimentación cuya condición de tensión de salida viene determinada por la diferencia entre las dos señales o tensiones de entrada, V1 y V2. La combinación de resistencias R1 y R2 forman una referencia de tensión fija en la entrada V2, establecida por la relación de las dos resistencias. La combinación LDR – VR1 proporciona 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 la LDR y su tensión de salida cae por debajo de la tensión de referencia fijada en V2 la salida del amplificador operacional cambia de estado activando el relé y conmutando la carga conectada.
Así mismo a medida que el nivel de luz aumenta la salida vuelve a desconectar el relé. La histéresis de los dos puntos de conmutación es fijada por la resistencia de retroalimentación Rf puede ser elegida para dar cualquier ganancia de tensión adecuada del amplificador.
El funcionamiento de este tipo de circuito sensor de luz también puede ser invertido para conmutar el relé «ON» cuando el nivel de luz supera 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 «preajustar» el punto de conmutación del amplificador diferencial a cualquier nivel de luz particular haciéndolo ideal como un simple circuito de proyecto de sensor de luz.
Dispositivos de Fotojunción
Los Dispositivos de Fotojunción son básicamente sensores o detectores de luz de PN-Junción hechos de semiconductores de silicio PN-junciones que son sensibles a la luz y que pueden detectar tanto la luz visible como los niveles de luz infrarroja. Los dispositivos de foto-junción están hechos específicamente para detectar la luz y esta clase de sensores de luz fotoeléctricos incluyen el Fotodiodo y el Fototransistor.
El Fotodiodo.
Fotodiodo
La construcción del sensor de luz 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 clara para enfocar la luz en la unión PN para aumentar la sensibilidad. La unión responderá a la luz, especialmente a las longitudes de onda más largas, como el rojo y el infrarrojo, más que a la luz visible.
Esta característica puede ser un problema para los diodos con cuerpos transparentes o de cuentas de vidrio, como el diodo de señal 1N4148. Los LED también pueden utilizarse como fotodiodos, ya que pueden emitir y detectar la luz de su unión. Todas las uniones PN son sensibles a la luz y pueden usarse en un modo de tensión no sesgada fotoconductora con la unión PN del fotodiodo siempre «sesgada hacia atrás» para que sólo pueda fluir la corriente de fuga u oscura de los diodos.
La característica corriente-voltaje (curvas I/V) de un fotodiodo sin luz en su unión (modo oscuro) es muy similar a la de un diodo de señal o rectificador normal. Cuando el fotodiodo está polarizado hacia delante, se produce un aumento exponencial de la corriente, igual que en un diodo normal. Cuando se aplica una polarización inversa, aparece una pequeña corriente de saturación inversa que provoca un aumento de la región de agotamiento, que es la parte sensible de la unión. Los fotodiodos también pueden conectarse en modo de corriente utilizando una tensión de polarización fija a través de la unión. El modo de corriente es muy lineal en un amplio rango.
Construcción y características de los fotodiodos
Cuando se utiliza como sensor de luz, la corriente oscura de un fotodiodo (0 lux) es de unos 10uA para el geranio y de 1uA para los diodos de tipo silicio. Cuando la luz incide sobre la unión se forman más pares agujero/electrón y la corriente de fuga aumenta. Esta corriente de fuga aumenta a medida que aumenta la iluminación de la unión.
Así, la corriente de los fotodiodos es directamente proporcional a la intensidad de la luz que incide sobre la unión PN. Una de las principales ventajas de los fotodiodos cuando se utilizan como sensores de luz es su rápida respuesta a los cambios en los niveles de luz, pero una desventaja de este tipo de fotodispositivos es el flujo de corriente relativamente pequeño incluso cuando están completamente iluminados.
El siguiente circuito muestra un circuito convertidor de foto-corriente a voltaje utilizando un amplificador operacional como dispositivo amplificador. La tensión de salida (Vout) viene dada como Vout = IP*Rƒ y que es proporcional a las características de intensidad de luz del fotodiodo.
Este tipo de circuito también utiliza las características de un amplificador operacional con dos terminales de entrada a aproximadamente cero voltaje para operar el fotodiodo sin sesgo. Esta configuración de amplificador operacional de polarización cero proporciona una carga de alta impedancia al fotodiodo, lo que resulta en 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 Cf se utiliza para evitar la oscilación o el pico de ganancia y para ajustar el ancho de banda de salida (1/2πRC).
Circuito amplificador de fotodiodos
Los fotodiodos son sensores de luz muy versátiles que pueden convertir su flujo de corriente tanto en «ON» como en «OFF» en nanosegundos y se utilizan comúnmente en cámaras, medidores de luz, unidades de CD y DVD-ROM, mandos a distancia de televisión, escáneres, máquinas de fax y fotocopiadoras, etc., y cuando se integran en circuitos amplificadores operacionales como detectores de espectro infrarrojo para comunicaciones de fibra óptica, circuitos de detección de movimiento de alarmas antirrobo y numerosos sistemas de imagen, escaneo láser y posicionamiento, etc.
El Fototransistor
Fotototransistor
Los fototransistores funcionan igual que el fotodiodo excepto que pueden proporcionar ganancia de corriente y son mucho más sensibles que el fotodiodo con corrientes son de 50 a 100 veces mayores que la del fotodiodo estándar y cualquier transistor normal se puede convertir fácilmente en un sensor de luz fototransistor conectando un fotodiodo entre el colector y la base.
Los fototransistores consisten principalmente en un transistor NPN bipolar con su gran región de base desconectada eléctricamente, aunque algunos fototransistores permiten una conexión de base para controlar la sensibilidad, y que utiliza los fotones de la luz para generar una corriente de base que a su vez hace que fluya una corriente de colector a 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.
Construcción y características del fototransistor
En el transistor NPN el colector está polarizado positivamente con respecto al emisor, de modo que la unión base/colector está polarizada inversamente. Por lo tanto, sin luz en la unión fluye una corriente normal de fuga u oscura que es muy pequeña. Cuando la luz incide sobre la base se forman más pares electrón/hueco en esta región y la corriente producida por esta acción es amplificada por el transistor.
Normalmente la sensibilidad de un fototransistor es función de la ganancia de corriente continua del transistor. Por lo tanto, la sensibilidad global es una función de la corriente de colector y se puede controlar conectando una resistencia entre la base y el emisor, pero para aplicaciones de tipo optoacoplador de muy alta sensibilidad se suelen utilizar fototransistores Darlington.
Fotototransistor Darlington
Los fototransistores Darlington utilizan un segundo transistor NPN bipolar para proporcionar una amplificación adicional o cuando se requiere una mayor sensibilidad de un fotodetector debido a los bajos niveles de luz o la sensibilidad selectiva, pero su respuesta es más lenta que la de un fototransistor NPN ordinario.
Los dispositivos foto darlington consisten en un fototransistor normal cuya salida de emisor está acoplada a la base de un transistor NPN bipolar más grande. Dado que la configuración de un transistor darlington da una ganancia de corriente igual al producto de las ganancias de corriente de dos transistores individuales, un dispositivo fotodarlington produce un detector muy sensible.
Las aplicaciones típicas de los sensores de luz de fototransistores son en optoaisladores, optointerruptores de ranura, sensores de haz de luz, fibra óptica y mandos a distancia tipo TV, etc. A veces se requieren filtros infrarrojos cuando se detecta la luz visible.
Otro tipo de sensor de luz de semiconductores de fotojunción que vale la pena mencionar es el Fototransistor. Se trata de un tiristor activado por la luz o Rectificador Controlado de Silicio, SCR que puede utilizarse como interruptor activado por la 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 fototiristores se hacen más delgados alrededor de la unión de la puerta. El inconveniente de este proceso es que limita la cantidad de corriente anódica que pueden conmutar. Entonces, para aplicaciones de corriente alterna más altas, se utilizan como dispositivos piloto en optoacopladores para conmutar tiristores más grandes y convencionales.
Células fotovoltaicas.
El tipo más común de sensor de luz fotovoltaico es la célula solar. Las células solares convierten la energía de la luz directamente en energía eléctrica de corriente continua en forma de tensión o corriente para alimentar 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 energía de CC.
Sin embargo, a diferencia de los otros dispositivos fotográficos que hemos visto anteriormente, que utilizan la intensidad de la luz incluso de una linterna para funcionar, 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 a las baterías convencionales, como en calculadoras, satélites y ahora en los hogares ofreciendo una forma de energía renovable.
Célula fotovoltaica
Las células fotovoltaicas están hechas de uniones PN de silicio monocristalino, lo mismo 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 unos 0,58v (580mV). Las células solares tienen un lado «positivo» y otro «negativo», al igual que una batería.
Las células solares individuales pueden conectarse en serie para formar paneles solares que aumentan la tensión de salida o conectarse en paralelo para aumentar la corriente disponible. Los paneles solares disponibles en el mercado se clasifican en vatios, que es el producto de la tensión y la corriente de salida (voltios por amperios) cuando están completamente encendidos.
Características de una célula solar fotovoltaica típica.
La cantidad de corriente disponible de una célula solar depende de la intensidad de la luz, del tamaño de la célula y de su eficiencia, que suele ser muy baja, de entre el 15 y el 20%. Para aumentar la eficiencia global de la célula, las células solares disponibles en el mercado utilizan silicio policristalino o silicio amorfo, que no tienen estructura cristalina, y pueden generar corrientes de entre 20 y 40 mA por cm2.
Otros materiales utilizados en la construcción de células fotovoltaicas son el arseniuro de galio, el diseleniuro de cobre e indio y el teluro de cadmio. Cada uno de estos materiales tiene una respuesta de banda de espectro diferente, por lo que pueden ser «sintonizados» para producir un voltaje de salida en diferentes longitudes de onda de la luz.
En este tutorial sobre sensores de luz, hemos visto varios ejemplos de dispositivos que se clasifican como sensores de luz. Esto incluye los que tienen y los que no tienen uniones PN que se pueden utilizar para medir la intensidad de la luz.