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Experimenta con diferentes sensores de luz

Robótica, fabricación, detección de intrusos y señalización. Estas son sólo algunas de las aplicaciones de los circuitos electrónicos que detectan la presencia o ausencia de luz. Las luces nocturnas activadas por la oscuridad y el alumbrado público son las aplicaciones más comunes. Existe una amplia variedad de sensores de luz, fáciles de conseguir y que puedes aprender a usarlos conectando circuitos simples en una protoboard.

Fotoresistores

Los fotoresitores, también conocidos como fotoceldas, son dispositivos de 2 pines con una película sensible a la luz, comúnmente hecha de sulfuro de cadmio (CdS). En la obscuridad, los fotoresistores tienen una alta resistencia, mientras que con luz, sucede lo contrario.

Puedes conectar un multímetro a un fotoresistor para ver cómo su resistencia cambia con la luz. La figura A, muestra cómo convertir los cambios del fotoresistor en un voltaje, por medio de circuitos simples divisores de voltaje. Ambos circuitos utilizan un potenciómetro para calibrar el voltaje de salida.

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Figura A

Los fotoresistores son de bajo costo, y se pueden conectar en cualquier dirección sin tener en cuenta la polaridad. Estas características los hacen unos de los componentes sensibles a la luz más fáciles de usar. Su principal inconveniente es que responden a la luz más lentamente que otros sensores de luz.

La mayoría de los fotoresistores de CdS responden en todo el espectro visible desde 400 nanómetros en el violeta hasta 750 nm cercano al infrarrojo, aunque llega a la cima en el verde alrededor de 550 nm. Esto se parece mucho a la respuesta del ojo humano (400 nm a 700 nm).

Aunque los fotoresistores son muy populares, sus días están contados. En 2006, los fotoresistores de CdS fueron prohibidos en países de la Unión Europea por la Directiva de Restricción de Sustancias Peligrosas (RoHS). La prohibición se debe a que la película sensible a la luz en estos sensores contiene una pequeña cantidad de cadmio, que es tóxico.

Haz un sensor de luz ultra sensible con un fotoresistor

Un simple circuito integrado 555 generador de impulsos como el de la Figura B, proporciona una buena manera de apreciar la alta sensibilidad de un fotoresistor de CdS. Puedes armar este circuito en una protoboard en pocos minutos. La figura C muestra el esquema de pines del CI 555.

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Figura B

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Figura C

Coloca el circuito en algún lado de un cuarto oscuro con la celda de CdS apuntando hacia el lado opuesto. Espera hasta que el altavoz emita un clic cada pocos segundos y camina hacia el lado opuesto de la habitación. Cuando apuntas una linterna hacia el circuito, la resistencia del fotoresistor disminuirá ligeramente. Esto hará que el intervalo entre los clics del altavoz se volverá notablemente más corto. Con un poco más de luz, los clics se fusionarán en un zumbido o tono. Si el sonido es demasiado alto, aumenta C2 a 1μF o 10μF.

Haz sensores de luz y oscuridad con un fotoresistor

Los fotoresistores son sensores ideales para luces de noche. El circuito de la izquierda en la figura D activa el LED1 cuando la luz incide sobre el  fotoresistor; el circuito de la derecha apaga el LED2 cuando el fotoresistor es iluminado.

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Figura D

Fototransistores

Los transistores bipolares (NPN y PNP) tienen 3 pines: colector, base y emisor. Una pequeña señal en la base modula una corriente mucho más grande que fluye entre el colector y el emisor. Así es como un transistor amplifica una señal muy pequeña o funciona como un interruptor.

En un fototransistor, la luz funciona con el mismo propósito que una señal aplicada a la base de un transistor ordinario. Algunos fototransistores incluyen un pin base que permite ajustar su sensibilidad por un divisor de voltaje externo. Esto es opcional, y la mayoría de los fototransistores omiten el pin base. Muchos parecen LEDs claros de epoxy, con los que son confundidos fácilmente. La figura E muestra las conexiones de emisor y colector de un típico fototransistor con encapsulado de epoxy.

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Figura E

TIP: Marca tus LEDs con un punto de color correspondiente entre los pines (puedes usar el negro para los LEDs infrarrojos), y colorea de negro toda la base de tus fototransistores.

Los fototransistores tienen más superficie que los transistores normales para capturar la mayor cantidad de luz posible. A menudo pueden ser sustituidos directamente por fotoresistores en aplicaciones de baja tensión, siempre y cuando se observe la polaridad correcta.

Haz sensores de luz y oscuridad con un fototransistor

Los fotoresitores en los circuitos de detección de luz y oscuridad en la Figura D pueden ser sustituidos por fototransistores como se muestra en la Figura F. Ten en cuenta que el fototransistor es sensible a la polaridad y se debe instalar en la dirección correcta en ambos circuitos.

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Figura F

Fotodiodos

La sensibilidad a la luz de los diodos semiconductores, eventualmente, condujo al desarrollo de celdas solares y fotodiodos. Los fotodiodos sensibles a la luz se hacen de una oblea delgada de silicio que tiene una superficie mucho más grande que un diodo estándar, con el fin de captar la mayor cantidad de luz posible. Los fotodiodos de silicio responden mejor a la luz del infrarrojo cercano desde alrededor de 800 nm a 900 nm. También responden a longitudes de onda visibles a alrededor de 400 nm.

Los fotodiodos generan una pequeña corriente eléctrica que es generalmente lineal con respecto a la intensidad de la luz entrante. Este es el modo de funcionamiento fotovoltaico, y es ideal para los medidores de luz. Los fotodiodos también pueden ser operados en el modo fotoconductivo, en el que se aplica un voltaje a través de un fotodiodo conectado en inversa en serie con un resistor. Si bien este modo ofrece una respuesta mucho más rápida a la luz que el modo fotovoltaico, es menos sensible.

Las celdas solares se utilizan generalmente para producir electricidad a partir de luz solar, pero también son muy eficaces como fotodiodos de gran superficie.

Los LEDs pueden funcionar como fotodiodos. Su respuesta espectral pico suele ser alrededor de 20 nm-30 nm por debajo de su longitud de onda pico de emisión. Una ventaja importante de los LEDs es que responden a una banda mucho más estrecha de longitudes de onda que los fotodiodos de silicio. Una desventaja es que son menos sensibles a la luz, ya que su área de superficie es mucho más pequeña.

Haz un sensor de luz ultra sensible con un fotodiodo

La figura G muestra cómo utilizar un fotodiodo para detectar niveles muy bajos de luz. Este circuito utiliza un amplificador operacional conectado como un amplificador de transimpedancia que transforma una pequeña fotocorriente del fotodiodo en una tensión de salida proporcional.

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Figura G

C1 evita la oscilación y debe ser alrededor de 200pF cuando el resistor Rf está a pocos megaohmios. La ganancia del circuito es igual a la resistencia de realimentación en ohmios (RF). Por lo tanto, un Rf de 10 Mega ohms proporcionará una ganancia de 10 millones. No todos los amplificadores operacionales proporcionarán tanta ganancia. Entre los que lo hacen está la familia TLC271 de Texas Instruments.

Cuando Rf es extremadamente alta, es importante evitar que la entrada del amplificador operacional (pin 2 en la figura H) entre en contacto con la placa de circuito. Una forma es doblar el pin de entrada hacia el exterior antes de insertar el CI en una placa de circuito o zócalo para CI. El resistor Rf, el condensador C1, y el fotodiodo pueden ser soldados directamente a este pin libre sin tocar nada más que aire. Después, usa un hisopo de algodón y alcohol para eliminar las huellas dactilares y otro tipo de contaminación del C1 y Rf.

Fuente: Makezine