Los sensores ópticos de barrera están compuestos por un emisor y un receptor separados. Sirven para la detección segura de objetos a gran alcance y donde exista ambientes adversos como polvo, neblina, nieve, lluvia, granizo, arena, polvo, etc. Son ideales para aplicaciones en superficies altamente reflectantes, por ejemplo, ejemplo, superficies pintadas, de metal o envueltas en papel aluminio. Los campos de aplicación son las industrias de minería, madera, papel, cristal, plástico, alimentaria e industria en general.
INTRODUCCIÓN En esta ocasión les ablaremos un poco acerca de los detectores fotoel!ctricos. "on este circuito será posible montarnos una barrera fotoel!ctrica y un detector de luz infrarroja para acer un comprobador de mandos remotos. #demás de las configuraciones, aciendo una simple variación en el elemento sensor, tambi!n nos podremos montar un detector de nivel de lí$uidos y un detector de to$ue. "on cada una de estas funciones es posible opcionalmente activar una carga mediante la adaptación de un circuito de rel!.
LOS FOTODETECTORES
Los fotodetectores son dispositivos $ue responden de una u otra forma a cual$uier tipo de radiación óptica, incluyendo la luz visible, infrarroja, ultra violeta, etc. y las convierten en se%ales el!ctricas. Estos son utilizados en m<iples aplicaciones, incluyendo instrumentación m!dica, encoders 'codificadores(, censado de posiciones, sistemas de comunicaciones de fibra óptica, y procesamiento de imágenes) todo esto sin necesidad de un contacto físico directo. Los primeros sensores fotoel!ctricos, desarrollados en la d!cada de *+-, utilizaban una lámpara incandescente como fuente de luz y una celda conductiva o fotocelda como elemento sensible. #ctualmente se utilizan elementos de estado sólido para estas funciones, los cuales son más eficientes, no envejecen/, no se calientan, soportan vibraciones, discriminan la luz ambiente, etc. 0n sensor fotoel!ctrico moderno, en general, lo constituyen tres blo$ues fundamentales '1igura *(. 0n emisor, un receptor y una circuitería electrónica. El emisor en particular utiliza uno o varios Led2s para producir un az de luz modulada roja o infrarroja $ue viaja acia el receptor a trav!s del espacio, una fibra óptica u otro medio. Se utilizan led2s infrarrojos y luz modulada por$ue de esta forma se garantizauna gran inmunidad a otras formas de luz ambientales, un alto rendimiento luminoso, una alta velocidad de respuesta, la insensibilidad a los golpes y vibraciones, y una larga vida &til. La luz roja se utiliza para transmisión por fibra óptica plástica y en detectores reflex polarizados. El detector, por su parte, utiliza generalmente como elemento fotosensible un fotodiodo o un fototransistor, asociado a un sistema óptico, para detectar el az de luz enviado por el LE3 del transmisor y producir una se%al el!ctrica e$uivalente de bajo nivel $ue indica la presencia o ausencia del objeto. La circuitería electrónica incluye, entre otros, los siguientes blo$ues funcionales4 5 0n oscilador para modular la luz del LE3, es decir conectar y desconectar este <imo a una determinada frecuencia. 5 0n amplificador de alta ganancia para reforzar la se%al de salida del dispositivo fotosensible. 5 0n demodulador para identifi car la frecuencia de modulación. 6uede ser, por ejemplo, un simple rectificador con filtro si el amplificador está previamente sintonizado a la frecuencia de modulación, o un 6LL detector de tonos en caso contrario. #lgunos sensores fotoel!ctricos, como los empleados para detectar objetos calientes $ue emiten su propia luz, no incluyen esta etapa puesto $ue el az no viene modulado.
• 0n conformador de pulsos Schmitt trigger para convertir la se%al de salida del demodulador en una se%al lógica, es decir un nivel alto o bajo. 0na etapa de salida, con alta capacidad de corriente, para manejarla carga, digamos una bobina de contactor o rel!. 3ependiendo del m!todo de detección, es decir la forma como se posicionen f ísicamente la fuente de luz y el receptor, son posibles seis tipos de sensores fotoel!ctricos4 de barrera, retrorreflectivos, difusos, convergentes, especulares y detectores de marcas de color. El tipo de sensor a utilizar en una aplicación determinada depende, entre otros factores, de la distancia de detección, la intensidad de la se%al óptica, las restricciones de montaje, las características del objeto a ser detectado, etc. Es importante, por ejemplo, saber si los objetos son opacos, transl&cidos o claros, si son alta o ligeramente reflectivos, y si se sit&an siempre en la misma posición o lo acen aleatoriamente a medida $ue pasan por el sensor.
En un sensor de barrera, transmisivo o de exploración directa, figura 7, el emisor y el receptor se posicionan opuestos entre sí, pero alineados, de modo $ue la luz del primero incide directamente sobre el segundo. La detección se realiza por sombra o blo$ueo,es decir cuando el objeto interrumpe el az de luz. Este m!todo, adecuado para objetos no trasparentes, incluso reflectantes, es el $ue provee el más alto nivel de energía óptica. 6or esta razón,los sensores de barrera tienen un largo alcance y toleran la contaminación de los lentes por polvo, umo, etc. Se utilizan principalmente para la detección de objetos pe$ue%os, el posicionamiento preciso de piezas y el conteo de partes. Su principal desventaja es $ue el emisor y el receptor deben conectarse independientemente.
En un sensor retrorreflectivo o reflex, figura 8, el emisor y el receptor están montados uno adyacente al otro en la misma cápsula y la luz del primero se transmite por reflexión al segundo gracias a la acción de un elemento reflector externo. La detección se realiza por sombra o blo$ueo. El reflector está formado por un gran n&mero de prismas o triedos $ue tienen la propiedad de reflejar todo rayo incidente en la misma dirección y en forma paralela. 6ara ello, debe ubicarse frente al detector, centrado y en un plano perpendicular al eje óptico del mismo. Su tama%o depende de la distancia con respecto al detector, pero debe ser más pe$ue%o $ue el objeto a detectar. Este tipo de sensor tiene un menor alcance $ue uno de barrera y debe ser usado en un ambiente limpio.
0n problema $ue se presenta con los sensores anteriores es $ue los objetos altamente reflectivos pueden pasar desapercibidos si los mismos retoman una cantidad de luz similar a la $ue entrega el reflector. 6ara solucionar este inconveniente, se utilizan varias t!cnicas, incluyendo el empleo de filtros de polarización en los lentes del emisor y el receptor $ue blo$uean el paso de las ondas de luz en el plano de polarización vertical u orizontal. 9tro m!todo es la utilización de un retroreflector,formado en su interior por miles de espejos prismáticos diminutos $ue procesan el az de luz enviado por el transmisor y lo devuelven rotado +-: al receptor. ;ambi!n se puede controlar la reflexión posicionando el sensor con un cierto ángulo respecto a la superficie del objeto.
En un sensor difuso o auto
En un sensor especular, figura >, el transmisor y el receptor están colocados a ángulos iguales del objeto y la detección se realiza por reflexión total. 6ara ello, se re$uiere $ue las superficies del objeto sean como espejos y l a distancia entre el mismo y el sensor permanezca constante. Este tipo de sensores se utilizan cuando se re$uiere diferenciar entre objetos brillantes y opacos. 0n ejemplo com&n es la detección del alineamiento con respecto a una superficie reflectiva de un material difuso, digamos una tela sobre una mesa de acero en una má$uina cosedora.
1inalmente, en un sensor de marcas de color,como el $ue aparece en la fotografía de la figura ? en lugar de explorar el objeto a medida $ue pasa por el punto de inspección, se detecta por convergencia el contraste entre dos colores. Estos <imos pueden estar sobre la misma superficie o pertenecer a objetos separados. Este tipo de sensores son ampliamente usados en operaciones de empa$ue, donde se recurre a marcas de color para asegurar $ue la información $ue debe de ir impresa sobre un producto parezca siempre en el mismo lugar. @ormalmente se utiliza como emisor una lámpara incandescente, $ue produce una luz blanca, o un LE3 de luz roja o verde. La luz blanca es la ideal, debido a $ue contiene todos los colores.
0n caso particular de detectores fotoel!ctricos, utilizados principalmente en espacios confinados o ambientes muy ostiles, son los sensores de fibra óptica, figura A, donde, como su nombre lo indica, se utiliza un conductor de fibra óptica, plástico o de vidrio, para transferir la luz acia y desde el punto de detección. En el caso mostrado en 'a(, la detección se realiza por barrera, mientras $ue en 'b(se realiza por difusión. En ambas situaciones, tanto el emisor como el receptor están ospedados en la misma cápsula. La luz $ue sale del emisor viaja por la fibra superior e incide sobre el objeto a detectar, siendo interrumpida o dispersada por este <imo. La luz restante llega al receptor conducida por la fibra inferior.
;ambi!n se dispone de fotomicrosensores,generalmente de tipo transmisivo o reflectivo, caracterizados por su pe$ue%o tama%o, figura +. Los mismos utilizan un LE3, rojo o infrarrojo, como fuente de luz y un rototransistor o un lotodiodo como receptor. En el caso de un sensor transmisivo o ranurado, el LE3 se monta opuesto al receptor. La detección ocurre cuando el objeto pasa a trav!s de la ranura e interrumpe el az. En el caso de un sensor reflectivo, las superficies emisora y receptora están posicionadas angularmente, de modo $ue si un objeto interrumpe el az la luz se refleja acia el receptor. En ambos casos, el receptor genera una se%al lógica para indicar la presencia del objeto, proveniente del propio fototransistor o de un transistor de salida. Los fotomicrosensores pueden ser o no amplificados, es decir traer o no la circuitería electrónica de amplificación incorporada. Los primeros utilizan como receptor un circuito integrado óptico 'foto B"(, formado por un fotodiodo, un amplificador, un conformador de pulsos y un transistor de salida, figura *-. Los segundos utilizan como receptor y dispositivo de salida un fototransistor o un f otodarlington, y re$uieren de un cuidadoso dise%o de la circuitería externa para evitar su destrucción.
Los sensores fotoel!ctricos, en general, se caracterizan mediante los mismos parámetros utilizados para especificar los sensores inductivos y capacitivos, excepto por la introducción de algunos t!rminos nuevos. Los detectores para "", en particular, son de tres ilos y ofrecen normalmente frecuencias de
conmutación superiores a la de los detectores para #" o #"C3". 3eben conectarse en serie con la bobina de un contactor o rel!, excepto si se trata de un fotomicrosensor no amplificado. En un sistema de barrera o transmisivo, solamente el receptor se conecta en serie con la bobina o el circuito de carga. #l igual $ue los sensores inductivos y capacitivos, se tienen dos tipos4 6@6 o de modo fuente y @6@ o de modo sumidero. Los detectores para #" o #"C3", por su parte, pueden ser de 7 o ilos. Los de 7 ilos deben conectarse en serie con la bobina de un rel! o contactor. En caso de sensores de barrera, solo se conecta al receptor. En los sistemas de ilos, se usan dos conductores para la fuente de alimentación y 8 para la se%al de salida. Esta <ima la provee un rel! interno, dotado con un contacto @# y uno @".
LOS SENSORES #ora bien, todos estos detectores fotoel!ctricos como lo mencionamos anteriormente se componen de un emisor un receptor y una circuitería electrónica. Dásicamente en los emisores y receptores de estos detectores podemos encontrar casi siempre los mismos elementos básicos/, los cuales an sido adaptados por la circuitería externa seg&n la necesidad y condiciones a las $ue estarán sometidos. #sí pues ec!mosle un vistazo muy general a algunos de estos elementos básicos.
FOTODIODOS Un fotodiodo es un componente electrónico $ue pertenece a la gama de los f otodetectores. Los fotodiodos pueden ser usados bien sea con polarización cero o polarización inversa. En polarización cero, la luz incidente en el diodo provoca el desarrollo de un voltaje a trav!s del dispositivo, induciendo a la corriente a fluir en sentido directo) a esto se le conoce como efecto fotovoltaico, y es el principio de las c!lulas solares, $ue de eco no son más $ue un gran n&mero de grandes y baratos fotodiodos. Los diodos usualmente tienen una resistencia extremadamente alta cuando se encuentran en polarización inversa, esta se reduce cuando una luz de apropiada frecuencia radia la juntura. 6or lo tanto, la polarización inversa del diodo puede ser usada como un detector monitoreando la corriente $ue fluye a trav!s de !l.
FOTOTRANSISTOR
Unfototransistor en esencia no es más $ue un transistor bipolar normal $ue a sido encapsulado en un empa$ue transparente de modo $ue la luz pueda alcanzar el diodo $ue existe entre base y colector. El fototransistor trabaja como un fotodiodo, pero con una sensibilidad a la luz muco más alta y produce una corriente de salida más alta $ue el fotodiodo. En la figura ** mostramos un fototransistor el cual está eco colocando un fotodiodo en el circuito base de un transistor
@6@. La luz incidente en el fotodiodo cambia la corriente de base del transistor, causando $ue la corriente de colector sea amplificada. Los fototransistores tambi!n pueden ser del tipo 6@6. En la figura *7 podemos observar varios tipos de fototransistores, $ue pueden ser como vemos, de dos terminales, en los cuales, la intensidad de la luz en el fotodiodo determina la cantidad de conducción o de tres terminales, en los cuales se a agregado el terminal de base, con el cual es posible aplicar una polarización a este terminal. Esta polarización permite una conducción óptima del transistor y así compensar la intensidad de la luz ambiente.
FOTODIODO DE AVALANCHA Es posible incorporar un tipo de sistema amplificador de empleo com&n formando parte del propio fotodiodo. El fotodiodo de avalanca utiliza la multiplicación por avalanca para conseguir amplificar la fotocorriente creada por los pares ueco
FOTOCELDAS Las fotoceldas o celdas fotoel!ctricas son dispositivos cuyo voltaje o resistencia de salida varía en respuesta a la cantidad de luz incidente sobre su superficie. En el primer caso se abla de celdas foto< voltaicas y en el segundo de celdas fotoconductivas. Estas <imas se denominan tambi!n fotorresistores o resistencias dependientes de la lu z 'L34 Light De-pendent Resistors).Las primeras ofrecen una mejor linealidad $ue las segundas y son más rápidas, pero re$uieren mayor amplificación. #mbos tipos son ampliamente utilizados en una gran variedad de aplicaciones industriales y no industriales.
FOTODARLINGTON Dásicamente, este dispositivo es el mismo $ue el transistor sensible a la luz, excepto $ue tiene una ganancia muco mayor debido a las dos etapas de amplificación, conectadas en cascada, incorporadas en una sola pastilla.
FOTO SCR El circuito e$uivalente con dos transistores del rectificador controlado de silicio mostrado en la figura *8 ilustra el mecanismo de conmutación de este dispositivo. La corriente debida a los f otones, generada en
la unión pn polarizada en sentido inverso, alcanza la región de puerta y polariza en sentido directo el transistor npn, iniciando la conmutación.
OTROS DIPOSITIVOS FOTODETECTORES La tecnología de los circuitos integrados permite m<iples combinaciones de dispositivos fotosensibles con elementos activos y pasivos, en una pastilla de silicio &nica. Ejemplos específicos de estos dispositivos son el fotodarlington con resistencia base
OPTOACOPLADORES Existen mucas aplicaciones en las $ue la información debe ser transmitida entre dos circuitos el!ctricamente aislados uno de otro. Este aislamiento puede ser conseguido mediante rel!s, transformadores de aislamiento y receptores de línea. Existe, no obstante, otro dispositivo $ue puede ser utilizado de manera igualmente efectiva para resolver estos problemas. Este dispositivo es el optoacoplador. Su empleo es muy importante en aplicaciones en las $ue el aislamiento de ruido y de alta tensión y el tama%o son características determinantes. 0n optoacoplador es un dispositivo $ue contiene una fuente de luz y un detector fotosensible separados una cierta distancia y sin contacto el!ctrico entre ellos. La clave del funcionamiento de un optoacoplador está en el emisor, un LE3, y en el detector fotosensible a la salida. La energía de luz proporcionada por el emisor está situada generalmente en la región de los infrarrojos o muy cercana a ella.
EL KIT DE REGALO
"omo lo mencionamos al principio de este artículo, este circuito puede ser utilizado bien sea como una barrera infrarroja, un comprobador de mandos remotos, un detector de to$ue o un detector de nivel de lí$uidos. 6ara llevar a cabo cada una de estas tareas, bastará con cambiar el elemento detector/.
6ara dejar las cosas claras, además del diagrama es$uemático de la figura *=, y la máscara de soldadura, adjuntamos las fotografías correspondientes a cada una de las configuraciones. 6ara comenzar el montaje, comprobemos la existencia de todos los materiales necesarios para el montaje como se ve en la fotografía.
A continuación, pasamos como es lógico en el montaje de los Fits, la soldadura de los componentes de bajo perfil como lo son las resistencias, tal como se ve en la fotografía 3espu!s de aber montado las resistencias podemos pasar sin problemas al montaje del resto de los componentes. 6ara terminar, soldamos el conector de la alimentación, $ue en este caso corresponde al de una batería de + voltios, y soldamos el sensor/ seg&n la aplicación.
;anto en el caso de la barrera infrarroja como el comprobador de mandos remotos, el sensor es un fotodiodo, el cual debemos soldarlo en placa teniendo especial cuidado en su polarización. 6ara lo cual debemos guiarnos en la siguiente figura. 6ara utilizarlo en modo comprobador de mandos remotos, lo $ue debemos acer es apuntar directamente el mando sobre el fototransistor, con lo cual si el mando está en buen estado, el piloto indicador parpadeará al ritmo de los datos $ue envía el mando. 6ara utilizarlo como barrera fotoel!ctrica, debemos tener la precaución de aislar de la luz ambiente el
1ototransistor mediante la colocación de un tubito/, dado $ue este elemento es sensible a la luz ambiente. En el caso del detector de nivel de lí$uidos, lo $ue utilizamos como sensor/, será un par de cables, $ue completarán el circuito en el momento $ue el lí$uido alcance el nivel en el cual emos colocado el par de cables. 6ara el caso del detector de to$ue, ponemos al final de los cables, un par de contactos, de modo $ue podamos acer un contacto fácil con nuestros dedos tal y como se observa en la f otografía.
