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Cómo usar LEDs para detectar luz

Dado que un receptor telefónico electromagnético puede funcionar como un micrófono, ¿puede un detector de luz semiconductor funcionar como un emisor de luz?


Esa pregunta estaba en mi mente cuando estaba en el último año de secundaria en 1962. En aquel entonces no sabía que los efectos cuánticos en un semiconductor no están relacionados con el funcionamiento electromagnético de un receptor telefónico. Si hubiera sabido eso, nunca habría conectado una bobina de encendido a través de los terminales de un fotoresistor de sulfuro de cadmio para ver si emitiría luz. Lo hizo: un suave resplandor verde salpicado de brillantes destellos verdes.


Durante la universidad descubrí que una celda solar de silicio conectada a un transistor generador de impulsos emitía destellos de infrarrojos invisibles que una segunda celda solar podía detectar. En 1972, utilicé diodos láser y diodos IR cercanos para enviar y recibir señales de voz, a través del aire y a través de fibras ópticas. Más tarde experimenté con optoacopladores de dos vías hechos uniendo un par de LED para que se vieran entre sí.


En 1988, probé los LEDs como detectores de luz solar. Funcionaron tan bien que el primer fotómetro solar LED casero que comencé a usar el 5 de febrero de 1990, todavía está en uso hoy.

Forrest Mims

Por qué usar LEDs como sensores?

Los fotodiodos de silicio están ampliamente disponibles y son baratos. Entonces, ¿por qué usar LEDs como sensores de luz?

  • Los LEDs detectan una banda estrecha de longitudes de onda, por lo que se les puede llamar fotodiodos espectralmente selectivos. Un fotodiodo de silicio tiene una respuesta espectral muy amplia, de aproximadamente 400 nm (violeta) a 1,000 nm (cercano al IR invisible), y requiere un filtro costoso para detectar una longitud de onda específica.
  • La sensibilidad de la mayoría de los LEDs es muy estable durante mucho tiempo. También los fotodiodos de silicio, pero los filtros tienen una vida limitada.
  • Los LEDs pueden emitir y detectar luz. Esto significa que se puede establecer un enlace de datos ópticos con un solo LED en cada extremo, ya que no se necesitan LEDs de transmisión y recepción separados.
  • Los LED son aún más económicos y ampliamente disponibles que los fotodiodos.

Inconvenientes de los LEDs como sensores de luz

Ningún sensor es perfecto

  • Los LEDs no son tan sensibles a la luz como la mayoría de los fotodiodos de silicio.
  • Los LEDs son sensibles a la temperatura. Esto puede suponer un problema para los sensores montados en exteriores. Una solución es montar un sensor de temperatura cerca del LED para que se pueda aplicar una señal de corrección en tiempo real o cuando se procesan los datos.
  • Algunos LEDs pierden gradualmente su sensibilidad.

Los LEDs pueden detectar colores específicos de luz

El ojo humano típico responde a la luz con longitudes de onda de aproximadamente 400 nm (violeta) a aproximadamente 700 nm (rojo). Los LEDs detectan una banda de luz mucho más estrecha, con una sensibilidad máxima en una longitud de onda ligeramente más corta que la longitud de onda máxima que emiten. Por ejemplo, un LED con un pico de emisión en rojo a 660 nm responde mejor a la luz naranja a 610 nm.

El ancho espectral de la luz emitida por los típicos LEDs azules, verdes y rojos varía de aproximadamente 10 nm a 25 nm. Los LEDs de IR cercano tienen un ancho espectral de 100 nm o más. La sensibilidad de la mayoría de los LEDs proporciona una amplia superposición para detectar la luz de un LED idéntico.

La Figura A muestra la respuesta espectral de LEDs azules, verdes, rojos y de infrarrojo cercano.

Los LEDs azules y la mayoría de los verdes están hechos de nitruro de galio (GaN). Los LEDs rojos más brillantes están hechos de arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs). Los LEDs utilizados en los controles remotos de infrarrojo cercano también son dispositivos AlGaAs; su emisión máxima es de aproximadamente 880 nm y la detección máxima es de aproximadamente 820 nm.

Los controles remotos más antiguos usaban arseniuro de galio compensado con silicio (GaAs: Si). Estos LEDs emiten a aproximadamente 940 nm, lo que los hace ideales para detectar vapor de agua, pero se han vuelto muy difíciles de encontrar.

La sensibilidad de los LEDs rojos “superbrillantes”, LEDs AlGaAs y LEDs similares de IR cercano es muy estable durante muchos años de uso. Los LEDs verdes hechos de fosfuro de galio (GaP) también son muy estables. Sin embargo, un LED azul hecho de GaN ha disminuido su sensibilidad más que cualquier otro LED.

Circuitos básicos de sensores LED

Puedes sustituir un LED por un fotodiodo de silicio estándar en la mayoría de los circuitos. Solo asegúrate de observar la polaridad. Además, recuerda que el LED no es tan sensible como la mayoría de los fotodiodos estándar y responderá a una banda mucho más estrecha de longitudes de onda de luz.

Para obtener mejores resultados, usa LEDs encapsulados en epoxi transparente y prueba primero algunos experimentos. Estos te ayudarán a comprender cómo el ángulo de detección de un LED utilizado como sensor coincide con su ángulo de emisión cuando se utiliza como fuente de luz:

  • Usa acopladores estándar para conectar los LEDs a la fibra óptica de plástico, o conéctalos directamente con este método (Figura B): aplanar la parte superior del LED con una lima, sujetarlo con seguridad y perforar con cuidado un pequeño orificio justo encima del chip emisor de luz. Inserta la fibra y pégala en su lugar.
  • Conecta los terminales de un LED rojo claro encapsulado o IR cercano a un multímetro configurado para indicar la corriente. Apunta el LED hacia el sol o hacia una luz incandescente brillante, y el medidor indicará una corriente (Figura C).
  • Usa un LED para alimentar un segundo LED. Conecta en paralelo 2 LEDs rojos superbrillantes de encapsulado transparente. Cuando un LED se ilumina con una linterna brillante, el segundo LED se encenderá. Se coloca thermofit sobre el LED brillante para bloquear la luz de la linterna. Puedes ver esto trabajando en la primera foto de este artículo.

Los LEDs tienen una superficie sensible a la luz mucho más pequeña que la mayoría de los fotodiodos de silicio, por lo que es más probable que requieran amplificación. Los amplificadores operacionales económicos son ideales. La Figura D muestra un circuito simple que se usa a menudo para convertir la fotocorriente de un LED en un voltaje proporcional. El amplificador operacional (IC1) de Linear Technology LT1006 proporciona una salida de voltaje que es casi perfectamente lineal con respecto a la intensidad de la luz entrante. La ganancia o amplificación es igual a la resistencia del resistor de retroalimentación (R1). Por lo tanto, cuando R1 es 1,000,000 ohms, la ganancia del circuito es 1,000,000. El condensador C1 evita la oscilación.

Muchos otros amplificadores operacionales pueden ser sustituidos por el LT1006, pero la mayoría de ellos requieren una fuente de alimentación de doble polaridad.


Fuente: Makezine