Fotoceldas 6y2r20

Fotoceldas

FOTOCELDAS Y DISPOSITIVOS FOTOELÉCTRICOS Las fotoceldas son pequeños dispositivos que producen una variación eléctrica en respuesta a un cambio en la intensidad de la luz. Las fotoceldas pueden clasificarse como fotovoltaicas o fotoconductivas. Una celda fotovoltaica es una fuente de energía cuyo voltaje de salida varía en relación con la intensidad de la luz en su superficie. Una celda fotoconductiva va es un dispositivo pasivo, incapaz de producir energía. Su resistencia varía en relación con la intensidad de la luz en su superficie. Industrialmente, las aplicaciones de las fotoceldas caen en dos categorías generales: 1.-Detección de la presencia de un objeto opaco. a) La detección puede hacerse en una base de todo o nada, en la que el circuito de la folocelda tiene solo dos estados de salida que representan la presencia o la ausencia de un objeto. Este es el tipo de detección usada para contar las parles que viajan por una banda transportadora, o para evitar la operación de un mecanismo si las manos del operador no están fuera de la luz de trabajo. b).- La detección puede hacerse en una base continua, teniendo en el circuito de la fotocelda una salida continuamente variable que representa la posición variable del objeto. Este es el tipo de detección usada para “observar’’ la orilla de una tira de material en movimiento para evitar que se desvíe demasiado de su posición adecuada. La ventaja principal de las fotoceldas sobre otros dispositivos de detección es que no se requieren o físico con el objeto de detección. 2.- Detección del grado de translucides (capacidad de pasar luz) o el grado de luminiscencia (capacidad de genera luz) de un liquido o un sólido. En estas aplicaciones, proceso ha sido dispuesto de manera que la translucidez o luminiscencia representen una variable de proceso importante. Algunos ejemplos de variables que pueden ser medidas de esta manera son densidad, temperatura y concentración de algún compuesto químico específico.

Celdas fotovoltaicas

Los símbolos usados con frecuencia para las celdas fotovoltaicas se muestran en la Las dos fechas ondulantes que apuntan hacia la batería encerrada en un círculo sugieren que la energía externa de luz produce la acción de la batería, Dado que las flechas ondulantes no son fáciles de dibujar con frecuencia se usa la letra griega “lamda” para sugerir activación por luz. El voltaje de salida de circuito abierto contra intensidad de la luz se

Fotoceldas

presenta gráficamente en la figura 10-13(b) para una celda fotovoltaica típica. Note que la grafica es logarítmica en el eje de la intensidad de la luz. Esta grafica indica que la celda es mas sensible a niveles de luz, bajos, ya que a pequeño cambio en la intensidad (digamos, de 1 a 10 fc) puede producir el mismo incremento en el voltaje de salida que un mayor cambio de intensidad (digamos de 100 a 1000 fc) a un nivel de intensidad de luz mayor.

Las características de corriente de salida de una celda fotovoltaica operando en una carga se presentan gráficamente en la figura 10—13(c) para varias resistencias de carga. Como puede verse, una celda fotovoltaica no puede suministrar mucha corriente. En este ejemplo las corrientes de salida se miden en microamperes. Sin embargo, las fotoceldas pueden agruparse en paralelo, para aumentar su capacidad de corriente. Un ejemplo de una celda fotovoltaica que suministra información del tipo todo o nada a un circuito lógico se muestra en la figura 10—14. En la figura 10—14(a), la luz de la fuente luminosa es recogida y enfocada en la celda fotovoltaica, que está montada a alguna distancia. Las distancias de 10 pies o más no son raras en las situaciones industriales. Al ser activada la celda fotovoltaica por la luz, acciona el relevador sensible R, cuyo o pasa la señal de entrada al circuito lógico. Si un objeto bloquea la trayectoria de luz, la fotocelda desenergiza el relevador, y el circuito lógico no recibe ninguna entrada. El objeto que bloquea la trayectoria de luz podría ser cualquier cosa. Puede ser un objeto en movimiento cuyo paso debe ser contado por un contador electrónico o mecánico. Puede ser un objeto en movimiento cuyo paso avise a cierto equipo más adelante en la línea que se prepare para recibirlo. Puede ser una pieza de trabajo o una parte de una máquina que debe retirarse del camino antes de que el circuito lógico permita que ocurra otro movimiento. El amplificador, el relevador y los os están contenidos en el paquete, por lo que la salida final es la conmutación de los os del relevador, para indicar si un objeto ha bloqueado o no la trayectoria de luz. Con frecuencia surge el problema de que la señal de luz no puede distinguirse de la luz ambiental. Entonces, el sistema fotoeléctrico puede no ser confiable porque la celda fotovoltaica puede suministrar una salida debido únicamente a la luz ambiental. El sistema entonces indicará que no hay un objeto presente bloqueando la trayectoria cuando de hecho si hay un objeto presente. Hay una solución a este problema. En lugar de sólo pasar la luz directamente hacia afuera a través del aparato de enfoque, el haz de luz es “cortado periódicamente’’. Esto es, el haz es interrumpido periódicamente a una frecuencia específica por un objeto en movimiento dentro del paquete, entre el paquete y la salida. Una manera de hacer esto es instalar un disco giratorio entre la fuente de luz y el espejo unidireccional de la figura 10-14(c). Parte del disco es translúcida y otra parte es opaca, por lo que el haz de luz alternativamente pasa y se bloquea a alguna frecuencia constante, generalmente de varios cientos de hertz. Supongamos, para ejemplificar, que el haz de luz es cortado periódicamente a una frecuencia de 400 Hertz.

Fotoceldas

Ahora es bastante sencillo distinguir entre la luz ambiente y una señal de luz verdadera simplemente ajustando el amplificador a 400 hz. Es decir, diseñar el amplificador para que no amplifique en absoluto señales de CD y de muy poca amplificación a otras frecuencias que puedan filtrarse en la abertura de luz (como pulsaciones de 60 y 120 hz de lámparas de mercurio). El amplificador entonces responderá sólo a señales de voltaje de la celda fotovoltaica a una frecuencia le 400 Hz. La única manera en que podrían llegar pulsaciones de luz de frecuencia tan poco usual la celda es desde la señal de luz verdadera. Todas las señales De luz extrañas son ignoradas. Se muestra una aplicación de celdas fotovoltaicas para la medición de translucidez de un líquido pasado a través de una celda de muestreo. Suponga que es conocido que la translucidez es una indicación segura de la concentración de alguna impureza en el líquido. El espejo semitransparente pasa la mitad de la luz de la fuente al líquido, y la otra mitad de la luz reflejada a la PC1. Sólo parte de la luz enviada al líquido puede pasar a través de él e incidir la PC2. Por tanto, los voltajes generados por la PC1 y la PC2 serán diferentes, siendo el de la PC1 mayor Ese arreglo de medición tiene algunas características de estabilización que merecen comentarse. Primero, ambas fotoceldas son excitadas por la misma tiente de luz. Esto elimina la posibilidad de error debido a que una fuente de luz cambie en intensidad más que la otra. En la figura 10-15, si la fuente de luz cambia en intensidad debido a las horas de servicio del foco o a variaciones en el suministro de voltaje, ambas fotoceldas son afectadas de manera igual. Estos cambios iguales son cancelados por la acción del puente. Segundo, las celdas fotovoltaicas son un tanto sensibles a la temperatura. Es decir, si voltaje de salida depende ligeramente de su temperatura. Sin embargo, si la PC1 y la PC2 están cercanas físicamente, experimentaran los mismos cambios de temperatura, por lo que cualquier error de temperatura también es cancelado por puente. Codificación óptica de posición

La idea de un disco giratorio para pasar y bloquear alternativamente un haz de luz a una celda fotovoltaica fue sugerida para la figura 10-14©. Este mismo concepto puede ser usado también para medir la cantidad que ha girado un eje. Generalmente, los engranes de acoplamiento entre el eje medido y el disco giratorio son diseñados para producir muchas rotaciones del disco por cada vuelta del eje medido, como se muestra en la figura 1016 En la figura 10-16 (a) se muestra un engrane de diámetro grande en el eje medido, acoplándolo a un engrane de diámetro pequeño en el eje del disco. La razón del movimiento es inversamente igual a la razón de los engranes. Por tanto, si el engrane grande es 10 veces mayor que el engrane pequeño,

Fotoceldas

el eje del disco girara 10 veces mas que el eje medido. Una vuelta completa del eje medido produce 10 revoluciones del disco. El disco óptico tiene muchas ranuras de abertura. Una fuente de luz estacionaria esta montada en un lado del disco, con una celda fotovoltaica directamente enfrente de ella del lado opuesto, como es claro por la figura 10-16(a), a medida que gira el disco, alternativamente pasa y bloquea luz a la fotocelda. Cada ranura que se mueve entre los dispositivos ópticos produce un pulso de voltaje de la fotocelda, como se indica en la figura l0— 16(b). Para el disco de 24 ranuras mostrado en esa figura, se produce un ciclo de voltaje por cada 15° de rotación, ya que: 360º/24 =15ª La forma de onda de Vpc es procesada por un circuito de acondicionamiento de la señal, para hacerlo compatible con TTL. Los pulsos resultantes son pasados a un contador binario , como se muestra en la figura 10—17. La lógica de control del sistema restaura a cero el contador antes de que comience el movimiento del eje medido. Al comenzar a alejarse el eje de su posición anterior, el contenido del contador binario representa la distancia que se ha movido. Para la construcción mostrada en la figura 10—16, el contador se incrementará un BIT por cada 1.5° de movimiento del eje medido. Esto es así porque: (1bit/1 pulso de Vpc) x (1pulso de vpc/15º del disco) x (10º del disco/1º del eje medido) = 1bit/1.5º del eje medido

Un circuito de detección de fase es usado para detectar la relación de fase adelantada contra fase rezagada de VA y VB. En la figura 10—19, el detector de fase esta diseñado para producir una salida de 0 lógico si VA esta adelantado a VB. Produce una salida de 1 lógico si VA esta rezagada de VB . El nivel lógico de salida de dirección, 0 o 1, es combinado con la magnitud binaria de salida de la figura 10—17. De esta manera, el circuito de proceso que interpreta la salida del transductor puede determinar tanto la magnitud como la dirección del movimiento del eje medido. Al hacer esta combinación, es común que el contador de magnitud binaria se reduzca en 1 BIT para dar lugar al BIT de dirección, o de ‘‘signo’’. Por tanto, el contador digital de bits de la figura 10—17 se reduciría 7 bits con una magnitud máxima de 127 decimal. El BIT de dirección, o de signo, es colocado entonces a la izquierda extrema del número binario, donde solía estar el octavo BIT. La combinación entonces es interpretada por el circuito digital de procesamiento como una variación de -127(1111 1111) a +127(0111 1111) Un transductor de 12 bits de resolución, como el del ejemplo 10-2, tendrá entonces un rango de indicación de -2047 a + 2047 (1111 1111 1111 a 0111 1111 1111) con un BIT dedicado a la dirección y once bits dedicados a la magnitud del movimiento. Celdas fotoconductivas

Fotoceldas

Como se mencionó antes, las celdas fotoconductivas cambian de resistencia como respuesta a los cambios en la intensidad de la luz (el termino formal es iluminación). A medida que aumenta la iluminación, la resistencia disminuye. Los símbolos esquemáticos usados con frecuencia para las celdas fotoconductivas se muestran en la figura 10—20(a). En la figura 10— 20(b) se muestra una gráfica de resistencia contra iluminación para una celda fotoconductiva típica. Note que ambas escalas son logarítmicas, para cubrir los grandes rangos de resistencia e iluminación que son posibles. La virtud principal de las celdas fotoconductivas modernas es su sensibilidad. Como se ilustra en la figura 10—20(b), la resistencia de las celdas puede cambiar de más de 1 millón de ohms a menos de 1000 ohms a medida que cambia la intensidad de la luz de oscuridad (iluminación de menos de 0.01 fc) a la brillantez promedio de un cuarto (10 a 100 fc). Las celdas fotoconductivas pueden usarse para muchos de los mismos propósitos que las celdas fotovoltaicas, excepto, por supuesto, que no pueden actuar como fuentes de energía. Las celdas fotoconductivas son preferidas sobre las celdas fotovoltaicas cuando se requiere una respuesta muy sensible a las condiciones cambiantes de luz. Cuando se requiere de una respuesta rápida, las celdas fotovoltaicas son preferibles a las celdas fotoconductivas. De la misma manera, si una fotocelda debe conmutarse rápidamente entre encendido y apagado, como se sugiere en la sección 10-7- 1, se prefieren las celdas fotovoltaicas porque pueden conmutarse a mayores frecuencias que las celdas fotoconductivas. Como regla general, las celdas fotoconductivas no pueden conmutarse satisfactoriamente a frecuencias mayores de 1 kHz, en tanto que las celdas fotovoltaicas pueden conmutarse con éxito a frecuencias de hasta unos 100 kHz, y a veces más.

Cortadores periódicos fotorresistivos. Una aplicación interesante de las celdas fotoconductivas es en el cortado periódico de una señal de voltaje de CD para su inserción en un amplificador de ca. El cortarlo periódico de señales se usará en la Sección 11-11-2, en conjunto con servoamplificadores. La celda fotoconductiva es una buena alternativa al método de interruptor mecánico vibrador usado en ese amplificador. Esto se ilustra en la figura 10—21. En la figura , el voltaje de manejo de onda cuadrada es aplicado a dos combinaciones de foco de neón y diodo rectificador. Cuando Vexitacion es positivo, el diodo rectificador A está polarizado en directa, y el diodo rectificador B está polarizado en inversa. Por tanto, el foco de neón A se enciende y el foco de neón B se apaga. Un foco de neón es capaz de encenderse y apagarse con rapidez al aplicarle y retirarle un voltaje. Un foco incandescente normal no puede encenderse y apagarse con rapidez, pues depende del calentamiento de su filamento para emitir luz. Al volverse negativo Vexitacion., el diodo rectificador B se polariza en directa y el diodo rectificador A se polariza en inversa. Por tanto, el foco de neón B se enciende y el loco de neón A se apaga. El resistor R se introduce

Fotoceldas

para limitar la corriente a través de los focos de neón. Las celdas fotoconductivas PCA y PCB están expuestas a los focos de neón A y B, respectivamente, en gabinetes sellados a la luz. En tales gabinetes, la luz externa no puede entrar para afectar las fotoceldas. Las fotoceldas son escogidas especialmente para tener un gran cambio de resistencia entre condiciones de luz, y oscuridad. En este caso, supongamos que la resistencia cambia de unos 10 Mohms a menos de 1 kohm. La relación de resistencias es por tanto de unos 10,000 a 1 (10 Mohm/1kohm = 10,000). Se dice que las celdas tienen una relación de luz a oscuridad de 10,000. La celda fotoconductiva A es colocada en serie con la Terminal de entrada del amplificador, y la celda fotoconductiva B es colocada en paralelo con el amplificador, como se muestra en la figura 10—21(b). Por tanto, cuando el foco de neón A es encendido, el amplificador ve una resistencia baja en serie con su entrada y una resistencia muy alta en paralelo. Estas resistencias baja y alta pueden considerarse como interruptores cerrados y abiertos, como se muestra en la figura 10—21(c). Entonces, en el instante mostrado en la figura 10—21(c), el voltaje de CD de entrada pasa a través del capacitor de acoplamiento casi sin atenuación (si la impedancia del amplificador es mucho mayor de 1 kohm). Cuando Vexitacion se vuelve negativo, el foco de neón B se enciende y la situación en el amplificador es como se muestra en la figura 10—21(d). El amplificador ve un interruptor abierto en serie y un interruptor cerrado en paralelo. La señal de CD de entrada no puede pasar a través del capacitor de acoplamiento en este momento. El voltaje de CD de entrada, por tanto, está siendo cortado como se muestra en la sección 11-11-2. Este método de cortado periódico tiene la ventaja de la confiabilidad electrónica (no hay partes móviles), y podría ser menos costoso que un interruptor mecánico vibrador.

AcopIamiento y emisores de luz

aislamiento

óptico:

fototransistores,

diodos

Se muestran dos maneras de construir un aislador óptico. En la figura se muestra una fuente de luz incandescente estándar y una celda fotoconductiva para lograr el aislamiento, y en la figura 10—23(b) se muestra un diodo emisor de luz y un fototransistor para lograr el aislamiento. Veremos algunos usos industriales de los aisladores ópticos y luego explicaremos la operación de estos dos diseños. El diseño de la figura 10-23(b) tiene ciertas ventajas sobre el de la figura 10-23(a), y estas ventajas se indicaran. Un aislador óptico es básicamente una interfaz entre dos circuitos que operan (generalmente) a diferentes niveles de voltaje. El uso industrial más común del aislador óptico es como convertidor de señal entre dispositivos piloto de alto voltaje (interruptores límite, etc.) y circuitos lógicos de estado sólido de bajo voltaje. Los aisladores ópticos pueden usarse en cualquier situación en la que debe pasarse una señal entre dos circuitos que están aislados eléctricamente entre ellos. Recuerde, de los capítulos 1 y 2, que el

Fotoceldas

aislamiento eléctrico entre circuitos (lo que significa que los circuitos no tienen conductores comunes) muchas veces es necesario para evitar que el ruido generado en un circuito pase al otro circuito. Esto es especialmente necesario para el acoplamiento entre circuitos de alto voltaje de recopilación de información y circuitos lógicos digitales de bajo voltaje. Los circuitos de información casi siempre están muy expuestos a fuentes de ruido, y los circuitos lógicos no pueden tolerar señales de ruido. El método de acoplamiento óptico elimina la necesidad de os controlados por solenoides o transformadores de aislamiento, que son los métodos tradicionales para proporcionar aislamiento eléctrico entre circuitos. Refiérase a la sección 1-7 y a la figura 1-12 para repasar esos métodos. Aislador/acoplador óptico de foco incandescente y celda fotoconductiva. El aislador óptico de la figura 10—23(a) tiene un foco incandescente conectado en serie con un resistor de protección. Esta combinación en serie está conectada a través de un dispositivo piloto a una señal de 115 V. Sí el dispositivo piloto está abierto, no habrá aplicación de potencia al foco incandescente, por lo que se extinguirá. La celda fotoconductiva, aislada de la luz exterior, se irá a una resistencia muy alta, permitiendo la elevación de la señal de la base del transistor. El interruptor transistorizado se enciende, bajando a Vsalida al voltaje de la tierra, es decir un 0 lógico. Si se cierra el dispositivo piloto, se aplica potencia al foco, haciendo que brille. La resistencia de la celda fotoconductiva disminuye, llevando el voltaje de la base por debajo de 0.6 V. El transistor se apaga y permite que el colector se eleve a + Vcc, un 1 lógico. Por tanto, si hay una señal de entrada de 115 V. el circuito presentara un HI lógico. Si no hay una señal de 115 V presente. El circuito presentará un LO lógico. EI método de acoplamiento óptico es superior en muchas aplicaciones, pues elimina algunas de las características menos deseables de los relevadores y los transformadores. Los relevadores y los transformadores tienen ciertas imitaciones como acopladores y aisladores, principalmente: 1. Son bastante caros. 2. Son más voluminosos y pesados que los dispositivos ópticos. 3. Crean campos magnéticos y señales transitorias de conmutación que pueden ser la fuente de ruidos eléctricos problemáticos. 4. Los os de los relevadores pueden provocar chispas, que son muy indeseables en ciertas situaciones industriales.

EI acoplador lógico funciona bien tanto con señales de alto voltaje de ca como de CD. Por esta razón, a los convertidores de señal que usan acoplamiento óptico se les llama a veces convertidores universales de señal.

Por supuesto, no hay razón por la que no se puedan combinar un LED con una celda foto- conductiva común, y a veces se hace. Sin embargo, generalmente una fuente de luz LED es combinada con un fototransistor

Fotoceldas

detector de luz, dado el mejor apareamiento entre sus velocidades de operación y entre sus longitudes de onda de emisión y detección de luz

Las fotoceldas son elementos de control automático. Esta abre o cierra su o dependiendo de la intensidad luminosa. Estando cerrado cuando está oscuro, y abierto en la claridad. Se puede ver ampliamente en el control de lámparas de alumbrado público, figura 1.1.

Fig. 1.1- Lámpara suburbana con fotocelda.

Fotoceldas

También se pueden utilizar de forma aislada para el control de luminarias en el exterior, en estas condiciones se debe utilizar una base de fotocelda para que se puede conectar fácilmente y fijarse a la pared, figura 1.2.

Fig. 1.2- Base de fotocelda (Electroparana). En la figura 1.3 se puede observar que para la conexión de la fotocelda, esta debe ser alimentada por una fuente a 120VAC o 220VAC. El cable potencial se identifica de color negro, el neutro de blanco y el que controla la carga de rojo. Luego de ser alimentado, la fotocelda interrumpe el potencial en su interior por un relé. Este cable va hacia la carga, por lo que solo faltaría el neutro u otro potencial para cerrar el circuito.

Fotoceldas

Fig. 1.3- Conexión de fotocelda para control de lámparas. En su interior están compuesto por dos elementos principales: un fotoresistor de sulfuro de cio y un relé. El fotoresitor incrementa su resistencia cuando disminuye la intensidad luminosa, esta se conecta en serie con un resistor,formando un divisor de tensión para poder activar el relé. Al activarse el relé, este cierra su o que controla el potencial que entra a la fotocelda. La potencia que puede manejar lo define los o del relé de la fotocelda. Es común ver que estas pueden soportar desde 1500W hasta 1800W dependiendo del fabricante. Por lo que con una de 1500W se pueden conectar hasta 15 bombillos incandecente de 100W (ignorando las perdidas). Sin embargo, las lámparas de alumbrado exterior son de alta potencia y necesitan de un balastro (transformador) para su encendido. En caso de controlar un grupo de este tipo de lámparas sería necesario utilizar un or controlado por la fotocelda, ver figura 1.4.

Fig. 1.4- Conexión de fotocelda para control de or.