transductores opticos y fotosensibles

7/26/2019 Transductores Opticos y Fotosensibles

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TRANSDUCTORES OPTICOS Y FOTOSENSIBLES

INTRODUCCIONComo ya sabemos, la luz es una forma de radiacin electromagntica comprendida entre los380 nm y los 770 nm de longitud de onda a la que es sensible el ojo humano

!igura " #spectro electromagntico de luz $isible y sus longitudes de onda

%on de especial importancia tres regiones del espectro electromagntico& ultra$ioleta, $isible einfrarrojo'a di$isin adoptada por la C(# )(nternationale de l*+clairage Comit (nternacional de la(luminacin- para las ondas ultra$ioleta es&

.'/12('#/1 )"004500nm-

Nombre de laBanda

Margen de longitude deonda

.241 3"64500nm

.24 8043"6nm

.24C "00480nm/abla " andas ultra$ioleta seg9n C(#

#l infrarrojo se sit9a en un margen comprendido entre 7704"000000nm #sta bandatambin se di$ide arbitrariamente como se refleja en la tabla

(:!1; )7704"000000nm-:ombre de la banda presa la respuesta relati$a delojo en funcin de la longitud de onda

'ongitud de onda Color 380 4 560 nm 2ioleta560 4 5?0 nm 1zul5?0 4 600 nm 1zul@2erde

600 4 660 nm 2erde660 4 670 nm 1marillo@2erde670 4 6?0 nm 1marillo6?0 4 A0 nm :aranja

A0 4 760 nm ojo


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!igura Cur$a fotpica

FOTOMETR&A'a luz, al igual que las ondas de radio, los rayos B o los gamma es una forma de energa %i laenerga se mide en joules );- en el %istema (nternacional, para qu necesitamos nue$asunidades 'a razn es m=s simple de lo que parece :o toda la luz emitida por una fuente llegaal ojo y produce sensacin luminosa, ni toda la energa que consume, por ejemplo, unabombilla se con$ierte en luz /odo esto se ha de e$aluar de alguna manera y para ellodefiniremos nue$as magnitudes& el flujo luminoso, la intensidad luminosa, la iluminancia, laluminancia, el rendimiento o eficiencia luminosa y la cantidad de luz

Flujo luminosoDara hacernos una primera idea consideraremos dos bombillas, una de 6 E y otra de A0 E#st= claro que la de A0 E dar= una luz m=s intensa Dues bien, esta es la idea& Fcu=l lucem=sG o dicho de otra forma Fcu=nto luce cada bombillaG

Cuando hablamos de 6 E o A0 E nos referimos slo a la potencia consumida por la bombillade la cual solo una parte se con$ierte en luz $isible, el llamado flujo luminoso Dodramosmedirlo en Hatts )E-, pero parece m=s sencillo definir una nue$a unidad, el lumen, que tomecomo referencia la radiacin $isible #mpricamente se demuestra que a una radiacin de 666nm de " E de potencia emitida por un cuerpo negro le corresponden A83 lumen

%e define el #lu'o luminoo como la potencia )E- emitida en forma de radiacin luminosa a laque el ojo humano es sensible %u smbolo es I y su unidad es el lumen )lm- 1 la relacinentre Hatts y l9menes se le llama e(ui"alente luminoo de la energ)ay equi$ale a&" Hatt4luz a 666 nm J A83 lm

!lujo luminoso%mbolo& I

.nidad& lumen )lm-

Intensidad luminosa#l flujo luminoso nos da una idea de la cantidad de luz que emite una fuente de luz, por ejemplouna bombilla, en todas las direcciones del espacio Dor contra, si pensamos en un proyector esf=cil $er que slo ilumina en una direccin Darece claro que necesitamos conocer cmo sedistribuye el flujo en cada direccin del espacio y para eso definimos la intensidad luminosa


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Kiferencia entre flujo e intensidad luminosa

%e conoce como intenidad luminoaal flujo luminoso emitido por unidad de =ngulo slido enuna direccin concreta %u smbolo es ( y su unidad la candela )cd-

(ntensidad luminosa

%mbolo& (

.nidad& candela)cd-

IluminanciaLuiz=s haya jugado alguna $ez a iluminar con una linterna objetos situados a diferentesdistancias %i se pone la mano delante de la linterna podemos $er esta fuertemente iluminadapor un crculo pequeMo y si se ilumina una pared lejana el circulo es grande y la luz dbil #stasencilla e>periencia recoge muy bien el concepto de iluminancia

Concepto de iluminancia

%e define iluminan!iacomo el flujo luminoso recibido por una superficie %u smbolo es # y suunidad el lu> )l>- que es un lm@m

(luminancia %mbolo& #

.nidad& lu> )l>-

#>iste tambin otra unidad, el foot-candle)fc-, utilizada en pases de habla inglesa cuyarelacin con el lu> es&

" fc "0 l>" l> 0" fc

#n el ejemplo de la linterna ya pudimos $er que la iluminancia depende de la distancia del focoal objeto iluminado #s algo similar a lo que ocurre cuando hacemos interactuar dos imanes,cuando alejamos los imanes la fuerza disminuye considerablemente 'o que ocurre con lailuminancia se conoce por la le* in"era de lo !uadrado que relaciona la intensidadluminosa )(- y la distancia a la fuente #sta ley solo es $=lida si la direccin del rayo de luzincidente es perpendicular a la superficie


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'ey in$ersadeloscuadrados

FLu ocurre si el rayo no es perpendicularG #n este caso hay que descomponer la iluminanciarecibida en una componente horizontal y en otra $ertical a la superficie

1 la componente horizontal de la iluminancia )#N- se le conoce como la le* del !oeno #s f=cil$er que si J 0 nos queda la ley in$ersa de los cuadrados %i e>presamos #Ny #2en funcinde la distancia del foco a la superficie )h- nos queda&

#n general, si un punto est= iluminado por m=s de una l=mpara su iluminancia total es la sumade las iluminancias recibidas&

Luminancia

Nasta ahora hemos hablado de magnitudes que informan sobre propiedades de las fuentes deluz )flujo luminoso o intensidad luminosa- o sobre la luz que llega a una superficie )iluminancia-Dero no hemos dicho nada de la luz que llega al ojo que a fin de cuentas es la que $emos Keesto trata la luminancia /anto en el caso que $eamos un foco luminoso como en el que$eamos luz reflejada procedente de un cuerpo la definicin es la misma%e llama luminan!iaa la relacin entre la intensidad luminosa y la superficie aparente $istapor el ojo en una direccin determinada %u smbolo es ' y su unidad es la cd@m /ambin esposible encontrar otras unidades como el stilb )" sb J " cd@m- o el nit )" nt J " cd@cm-


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'uminancia%mbolo& '

.nidad& cd@m

#s importante destacar que slo $emos luminancias, no iluminancias

Rendimiento luminoso o eficiencia luminosaOa mencionamos al hablar del flujo luminoso que no toda la energa elctrica consumida poruna l=mpara )bombilla, fluorescente, etc- se transformaba en luz $isible Darte se pierde porcalor, parte en forma de radiacin no $isible )infrarrojo o ultra$ioleta-, etc

Dara hacernos una idea de la porcin de energa 9til definimos el rendimiento luminoocomoel cociente entre el flujo luminoso producido y la potencia elctrica consumida, que $iene conlas caractersticas de las l=mparas )6 E, A0 E-


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CELULAS SOLARESQClula solarR es el trmino m=s com9nmente usado para designar clulas foto$oltaicas #stetipo de clula es generalmente una clula de silicio D: que responde a la luz en el margen delos 360 a "00 nm y que con$ierte eficientemente la luz en electricidadKado que clulas foto$oltaicas de silicio son las utilizadas para con$ertir la luz solar enelectricidad, son denominadas Qclulas solaresR

!igura " espuesta espectral relati$a de una clula de silicio

'a clula de silicio tiene caractersticas estables y puede soportar temperaturas e>tremas #stola con$ierte en fuente de poder con$eniente, para uso en lugares donde e>isten temperaturase>tremas

'as clulas de silicio son fabricadas de rodajas de silicio, que tienen un espesor apro>imado de3 dcimas de mm )0,3 mm- 'a superficie acti$a de la clula parece estar coloreada .na franjade contactos de nquel estaMados rodea la circunferencia de la clula, y pro$ee los contactoshmicos necesarios para la cone>in a circuitos e>ternos 'a superficie inacti$a de las clulas

consiste enteramente en nquel estaMado

'as clulas de silicio se pro$een en $arios tamaMos y configuraciones .na clula 9nicageneralmente produce 0,56 2 en el punto operacional diseMado, con una intensidad decorriente que depende del tamaMo de la clula 1 partir de una clula de 6 cm de di=metro seobtiene f=cilmente una corriente de $arios cientos de m1

!igura Circuito equi$alente a una clula solar

%e utilizan los siguientes smbolos&C J capacidad inherente%NJ resistencia interna de prdidaK J tensin de salida limitada por diodo de juntura ideals J resistencia del material y conductores'J resistencia de la carga%Ny C aumentan mientras que %disminuye con el tamaMo de la clula


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Cara!ter)ti!a el+!tri!a'a tensin de circuito abierto de la clula de silicio $ara en forma casi lineal con el logaritmo dela intensidad de iluminacin y, en principio, no depende de la superficie de la clula %inembargo, en celdas muy pequeMas )apro>imadamente " cm- la conducti$idad interna dederi$acin es mayor y la tensin de circuito abierto es menor

!igura 3 /ensin de circuito abierto'a figura 5 nos muestra las caractersticas de la corriente en funcin de la tensin, para unaintensidad luminosa solar dada 'a potencia transmitida a la carga es m=>ima en el puntodonde la cur$a baja abruptamente #sto define la resistencia ptima de carga

!igura 5 Cur$a de corriente en funcin de la tensin

#!##:C(1%lsc J Corriente de cortocircuito(mp J Corriente a la potencia m=>ima2mp J /ensin a la potencia m=>ima2oc J /ensin de circuito abierto

'as magnitudes designadas m=s arriba dependen de la intensidad luminosa y, en ciertamedida, de la temperatura

'as figuras 5 a 7 representan las salidas de las clulas solares, determinadas por diferentespar=metros


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!igura 6 Corriente de clula solar a !igura Adiferentes intensidades luminosas Corriente de clula solar a diferentes)flujo de energa- momentos del da

!igura 7 Corriente de clula solar a diferentes temperaturas

'as clulas solares pueden ser conectadas en paralelo y@ o en serie, para obtener tensionesm=s altas y corrientes mayores

%i una de las clulas en una cone>in en serie no es iluminada, act9a como elementobloqueante, y toda la matriz )o QredR- conectada en serie muestra un corte muy marcado 'acorriente contribuida por esta celda falta en una cone>in en paralelo, pero el funcionamientode la matriz no se $e afectado

'a salida de potencia de las clulas solares depende de la intensidad de la luz solar incidentesobre la clula 'a clula deber= ser montada formando un =ngulo de inclinacin ptimo,

determinado por la latitud geogr=fica 'a direccin de la luz solar deber= ser perpendicular a lasuperficie de la clula solar 'a salida tambin $ara con el momento del da y el mes del aMo

'a figura 8 nos muestra la $ariacin de salida relati$a, durante diferentes meses del aMo, parauna clula solar montada horizontalmente a una latitud de A7S:


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!igura 8 2ariaciones diarias de salida relati$a en la ciudad de Nolsteinborg

)Kinamarca, A7S:- durante los diferentes meses del aMo

Dodemos $er que la salida relati$a durante !ebrero y ctubre es apro>imadamente un tercio dela salida en ;unio 'a $ariacin podra haber sido mucho menor si la clula solar hubiera estadomontada en el =ngulo ptimo #sto puede apreciarse en la figura ?

!igura ? 2ariaciones diarias de la salida relati$a para un =ngulo ptimo del colector )eJA7S- en

la ciudad de Nolsteinborg, durante los diferentes meses del aMo


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FOTORESISTENCIA

Prin!i%io de #un!ionamiento'as fotorresistencias )'Ks, 'ight Kependent esistors, resistencias dependientes de la luz-son sensores resisti$os basados en semiconductores empleados para la medida y deteccin deradiacin electromagntica

.na 'K est= constituida por un bloque de material semiconductor sobre el que puede incidir laradicacin y dos electrodos met=licos en los e>tremos )figura "-

!igura " #structura de una 'K fabricada con material semiconductor fotosensibleT smboloelctrico

Ti%o * !ontru!!i$n.na 'K tpica consiste en una fina capa semiconductora dispuesta sobre un sustratocer=mico o pl=stico 'a pelcula semiconductora describe una pista en zig4zag con contactosmet=licos en los e>tremos )figura - 'a forma de la pelcula sensiti$a tiene por objetoma>imizar la superficie de e>posicin y al mismo tiempo mantener un espacio reducido entrelos electrodos para aumentar la sensibilidad

#ntre los materiales semiconductores m=s usados para realizar las 'Ks se encuentran elsulfuro de cadmio )Cd%- y el seleniuro de cadmio )Cd%e- #stos dos materiales son muyutilizados, sobre todo en los sensores fotoconducti$os de bajo costeT sin embargo, secaracterizan por una respuesta relati$amente lenta )su constante de tiempo es del orden de60ms- 'a tensin m=>ima que pueden soportar puede llegar hasta A00 2 y hay modeloscapaces de disipar m=s de un $atio

!igura 'K con una pista en zig4zag de material resisti$o

Modelo de la LDR'a relacin entre la resistencia de la 'K y la iluminacin ' puede modelarse a partir de laecuacin&

=L

LoRoRL

donde ' es la iluminacin )en lu>-, es una constante que depende del material )entre 0,7 y",6- y 'y o son las resistencias a los ni$eles de luz ' y 'o respecti$amente 'a e>presinanterior se representa en la figura 3


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!igura 3 elacin resistencia4iluminacin en una 'K 'a diferencia entre la resistencia conni$eles altos de luz y en la oscuridad es muy alta )la relacin es mayor de "0000- y la

sensibilidad para bajos ni$eles de iluminacin es muy acusada

'a tabla " muestra los $alores m=s habituales de los par=metros del modelo junto a otros datoscaractersticos

Dar=metro 2alores tpicoso U400 UV W "0(u> 0,74",6

/ensin m=>ima "00 24"60 2Dotencia m=>ima 60 mE 4 " E/iempo de respuesta X"0 ms a $arios s

/abla " 2alores tpicos de los par=metros de las 'Ks

A%li!a!ione de la LDR'as aplicaciones de las 'Ks se centran en la medida de luz )fotometra- y en la deteccin decambios de luz 'as fotorresistencias son sensores bastante sensibles, sobre todo con bajosni$eles de iluminacin, aunque en esta zona su dependencia con la temperatura se hace muy

acusada tro incon$eniente es su lentitud de respuesta ya que presentan constantes detiempo del orden de segundos lo que limita su uso a aplicaciones de baja frecuencia

A!ondi!ionamiento de la LDR#l acondicionamiento suele realizarse mediante un di$isor de tensin, )figura 5-

!igura 5 1condicionamiento de una 'K mediante un di$isor resisti$o

1s, en aplicaciones de medida donde se busca una respuesta lineal, la obtencin del $alor de puede hacerse calculando el $alor que lle$e a la m=>ima linealidad en el punto central delinter$alo de medida )puede aplicarse el mtodo del punto de infle>in- Dara que e>ista puntode infle>in debe cumplirse la condicin X " por lo que deber= tenerse en cuenta a la hora deelegir la 'K en aplicaciones de fotometraDara el circuito de la figura 5 se obtiene la tensin de salida&


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Naciendo que el punto de infle>in de la e>presin anterior coincida con el centro de nuestrointer$alo de medida, se obtiene un $alor de dado por&

donde 'Ces la resistencia de la 'K en el punto central del inter$alo de medida 'asensibilidad en ese punto se calcula como&

#n relacin con la tensin de alimentacin del di$isor, y, debe llegarse a un compromiso entreprecisin, que lle$a a elegir $alores bajos de tensin para e$itar el autocalentamiento ysensibilidad, que aconsejara $alores grandes #n general, se considera que el incremento detemperatura debido al autocalentamiento debe ser m=s pequeMo que la precisin deseada en lamedida /eniendo en cuenta que el incremento m=>imo de temperatura por autocalentamiento)m=>ima potencia aplicada, Dma>- se producir= cuando la resistencia de la 'K sea igual a laresistencia fija del di$isor, , calculada anteriormente, se tieneT

y por tanto&

siendo el coeficiente de disipacin y Y/ el incremento de temperatura m=>imo permitido porautocalentamiento


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FOTODIODO

#l dispositi$o b=sico fotosensible de silicio es un diodo de juntura D: de polarizacin in$ertida,el fotodiodo 'a luz de una longitud de onda con$eniente que incide sobre la juntura producepares de electrones4huecos que son barridos a tra$s de la juntura por el campo creado en laregin neutra #sto causa que circule por el circuito e>terno una corriente proporcional a la

irradiacin efecti$a que incide sobre el dispositi$o #n principio el fotodiodo se comporta comoun generador de corriente constante, hasta que se alcanza su tensin de a$alancha )figura "-/iene un coeficiente de temperatura bajo y su tiempo de respuesta est= en la escala de lossub4microsegundos 'a respuesta espectral y la $elocidad de respuesta dependen de lageometra y las impurezas de la juntura

!igura " !otodiodo fotosensible de juntura D: de polarizacin in$ertida

/odos los detectores de silicio consisten de un fotodiodo de juntura y un amplificador 'osfotodiodos son generalmente hechos de la misma pastilla )QchipR- de silicio usada en difusin deimpurezas de la seccin amplificadora 'a corriente del fotodiodo, en la mayora de losdispositi$os comerciales, est= en el margen de menos de "u1 hasta decenas de u1 1 lapastilla puede agreg=rsele un amplificador, a bajo costo#l coeficiente de absorcin de luz en el silicio decrece con el aumento de la longitud de onda%e producen m=s parejas de electrones de $aco cerca de la superficie del silicio cuando lalongitud de onda de la luz incidente es menor Dor lo tanto, el fotodiodo tiene una respuesta

pico para una cierta longitud de onda, en la cual se produce un m=>imo de pares deelectrones4huecos cerca de la juntura de un fototransistor

'a mayora de la radiacin incidente es absorbida cerca de la superficie del dispositi$o paramenores longitudes de onda, y por eso no penetra dentro de la juntura Dor lo tanto, larespuesta espectral del fotodiodo depende principalmente de la profundidad de la juntura

'a respuesta espectral de un fotodiodo de germanio se e>tiende sobre una gama mucho m=samplia de longitudes de onda que la de un fotodiodo de silicio


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!igura Comparacin entre un fotodiodo de silicio y uno de germanio

'as figuras 3 y 5 muestran las configuraciones del circuito equi$alente y del circuito tpico de losfotodiodos

!igura 3 Circuito equi$alente

eoJ )is Z in Z lo- 'is J corriente de la seMal J i' i' J luz de entrada )$atios- J responsi$idad )amperios@$atios-in J corriente de ruidolo J corriente de oscuridad )o residual- )CC-Cp J capacidad de la juntura [ 30 p!p J resistencia de la juntura [ 60cepcin el caso de una tensin constante atra$s del fototransistor

.na h!#

alta y un =rea de juntura grande colector4base requeridas para tener un fototransistorde alta sensibilidad, tambin puede causar ni$eles altos de corriente residual )o de QoscuridadR-,cuando la juntura colector4base es polarizada in$ersamente 'a corriente residual )Q#%(KR- delfototransistor es&

CBOFECEO IhRESIDI =)(

lCes la corriente elctrica de fuga de la juntura colector4base

%e requiere un cuidadoso proceso de fabricacin de la pastilla del transistor para minimizar lacorriente residual del fototransistor y mantener una alta sensibilidad luminosa 'as corrientesresiduales tpicas de un fototransistor a una polarizacin in$ersa de "0 2 son del orden de "0n1a temperatura ambiente, y se duplican para cada "0SC de aumento de temperatura

'os efectos de las corrientes residuales pueden ser disminuidos para aplicaciones de ni$elesbajos de luz, e$itando que la juntura colector4base sea in$ersamente polarizada, al ser 2C#


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menor que la cada de tensin de polarizacin directa del diodo de silicio #sto permite ladeteccin de la corriente de luz en la escala de los n1 #n la !igura se muestra un circuitoque ilustra este modo de operacin

!igura .so de un fototransistor a ni$eles muy bajos de luz


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APLICACIONES DE LOS DETECTORES OPTICOS Y FOTOSENSIBLES Ketectores de pro>imidad Ketectores de color Ketectores de humo (nstrumentacin analtica basada en fluorescencia, absorbancia, colorimetra,

bioluminiscencia

%istemas de comunicaciones por fibra ptica ptoacopladores

Dete!tore de %ro,imidad #otoel+!tri!o'os detectores de pro>imidad pticos est=n compuestos de una fuente de luz )un '#K,generalmente- y un fotodetector #>isten, comercialmente, tres tipos fundamentales en funcindel modo de deteccin& Ketectores por refle>in en objeto )difusos-& el '#K y el fotodetector est=n montados sobre

la misma cabeza de forma que en presencia de un objeto parte de la luz procedente del'#K se refleja en el mismo y alcanza al fotodiodo #l alcance m=>imo de estos detectoreses de unos metros, aunque lo m=s habitual suelen ser algunos centmetros

Ketectores por refle>in en espejo& un espejo refleja la luz del '#K hacia el fotodetector,que tambin est= situado en la misma cabeza, constituyndose una barrera luminosa 'adeteccin de un objeto se realiza a partir de la interrupcin de la barrera, #l alcancem=>imo es de unos "0 metros

Ketectores de barrera& para alcances mayores se sit9a la fuente de luz y el fotodetector en

e>tremos opuestos #l alcance puede llegar hasta los 60 metros con '#Ks y hasta los 00metros utilizando diodos l=ser como fuente luminosa


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Codi#i!adore $%ti!o -o%ti!al en!oder.'os codificadores pticos se utilizan para la medida de posicin y $elocidad angular y lineal %eclasifican en dos tipos, incrementales y absolutos

Codificadores pticos incrementales

Codificador ptico compuesto por un disco opaco ranurado, un '#K y un fotodetector situadosa ambos lados del disco para la deteccin del paso de una ranura


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Senore de !olor

Drincipio de funcionamiento de un detector de color 'os '#Ks se $an encendiendo de modosecuencial& el fotodiodo recibe la luz correspondiente reflejada en el objeti$o y que depender=

de su color

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