Objetivos

-           Diseñar un detector de infrarrojo de proximidad  que alcance una distancia mínima de 50 cm, con el fin de aplicar algunos de los circuitos y elementos utilizados durante el curso de Laboratorio de Diseño Electrónico tales como transistores (2N2222), diodos (LED’s), timer 555 en modo astable y osciladores.

-           Utilizar elementos basados en el funcionamiento de componentes diseñados y aplicados durante el curso, pero de forma más compleja debido a la concatenación de varios circuitos implementados individualmente, así como de componentes como son los fotodiodos y  fototransistores.

Introducción

Se desea construir un circuito detector de infrarrojo de proximidad que al acercarse cualquier objeto entre el receptor y el emisor se desactive un led. De manera práctica este circuito se puede colocar en puertas y ventanas de las casas para evitar que gente se pare frente a ella sin necesidad, y así mismo como  una alarma de hogar.

El funcionamiento del circuito se basa en emitir una ráfaga de señales luminosas infrarrojas las cuales al rebotar contra un objeto que se encuentre entre la comunicación del receptor y transmisor provoca el encendido de una alarma. Mientras no se encuentre ningún objeto dentro de la comunicación el led permanecerá encendido, al momento de interferir entre dicha comunicación el led, se apagará   

El circuito integrado es un generador/decodificador de tonos que bien cumple con las necesidades de este diseño. Tanto el fotodiodo como el fototransistor deberán estar situados con unidades de enfoque adecuadas para mejorar el alcance. Con simples reflectores de LED's se pueden obtener alcances del orden del metro. Con lentes convexas se pueden cubrir distancias de cinco metros.

La alimentación de este circuito puede ser cualquier tensión comprendida entre 5 y 9 volts.

Para accionar circuitos externos bastará con reemplazar el LED por un optoacoplador, el cual accionará por medio de su transistor interno el circuito a comandar.

            Para poder entender más plenamente el funcionamiento de este circuito, se tratará de manera más amplia el funcionamiento de algunos elementos importantes tales como el fotodiodo, fototransistor, el LM567, por mencionar algunos.

·        LM567

El circuito integrado LM567 es un detector de tonos limitador de tensión que posee internamente un PLL (Phase Locked Loop) y un detector de fase en cuadratura el cual responde con un nivel lógico bajo cuando la señal de entrada al integrado coincide con la frecuencia central de enganche del PLL

• FOTODIODO

Es un fotoconductor o fotodetector que cambia su resistencia eléctrica debido a la exposición a energía radiante.

Un fotodiodo consiste en esencia de una unión de material "P" y material "N" polarizada inversamente, en la cual la corriente inversa está en función de la luz que incide en el fotodiodo y se considera que a mayor intensidad de luz existe una corriente de fuga mayor.

            El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón - hueco debido a la energía luminosa. La aplicación de la luz a la unión dará como resultado una transferencia de energía de las ondas de luz incidentes (en forma de fotones) a la estructura atómica, dando como resultado un aumento en la cantidad de portadores minoritarios y un incremento del nivel de la corriente inversa.

                                                                                                                                                   

La corriente de fuga en la oscuridad (Io) aumenta al haber mayor intensidad de luz (H).

                                                                                                                                                  

El espaciado casi igual entre las curvas para el mismo incremento en flujo luminoso revela que la corriente inversa y el flujo luminoso están relacionados casi linealmente. En otras palabras, un aumento en intensidad de luz dará como resultado un incremento similar en corriente inversa.

Con base a la gráfica de respuesta se puede determinar que el dispositivo es lineal.

El comportamiento del fotodiodo en inversa se ve claramente influenciado por la incidencia de la luz. Las corrientes de fuga son debidas a los portadores minoritarios, electrones en la zona P y huecos en la zona N. La generación de portadores debido a la luz provoca un aumento sustancial de portadores minoritarios, lo que se traduce en un aumento de la corriente de fuga en inversa. El modelo circuital del fotodiodo en inversa esta formado por un generador de intensidad cuyo valor depende de la cantidad de luz.

En directa, el fotodiodo se comporta como un diodo normal. Si está fabricado en silicio, la tensión que cae en el dispositivo será aproximadamente de 0.7 V. El comportamiento del fotodiodo en directa apenas se ve alterado por la generación luminosa de portadores. Esto es debido a que los portadores, provenientes del dopado (portadores mayoritarios) son mucho más numerosos que los portadores de generación luminosa.

*Parámetros principales:

- Corriente Oscura (Dark Current): Es la corriente en inversa del fotodiodo cuando no existe luz incidente.

- Sensibilidad: Es el incremento de intensidad al polarizar el dispositivo en inversa por unidad de intensidad de luz, expresada en luxes.

  

*Aplicaciones:

- Comunicaciones ópticas.

- Fotómetros.

- Control de iluminación y brillo.

- Control remoto por infrarrojos.

- Enfoque automático y control de exposición en cámaras

**Combinadas con una fuente de luz:

- Codificadores de posición.

- Medidas de distancia.

- Medidas de espesor.

- Transparencia.

- Detectores de proximidad y de presencia.

- Sensado de color para inspección y control de calidad

**Agrupando varios sensores:

- Reconocimiento de formas.

- Lectores de tarjetas codificadas.

NOTA: Se comercializan fotodiodos con amplificadores, compensación de temperatura y estabilización en el mismo chip. La integración reduce los problemas debidos a corrientes de fuga, interferencias y picos de ganancia debidos a capacitancias parásitas.

·        FOTOTRANSISTOR

Un fototransistor es una combinación integrada de fotodiodo y transistor bipolar npn (sensible a la luz) donde la base recibe la radiación óptica. Es importante notar que todos los transistores son sensibles a la luz, pero los fototransitores están diseñados para aprovechar esta característica. Existen transistores FET, que son muy sensibles a la luz, pero encontramos que la mayoría de los fototransistores consisten en una unión npn con una región de base amplia y expuesta, como se muestra en la figura:

La corriente inducida por el efecto fotoeléctrico es la corriente de base del transistor. Si asignamos la notación Ibf para la corriente de base fotoinducida, la corriente de colector resultante, de forma aproximada, es: Ic = hfe * Ibf

En la siguiente gráfica  se proporciona un conjunto de características representativas para un fototransistor, junto con la representación simbólica del dispositivo. Es importante notar las similitudes entre estas curvas y las del transistor bipolar típico. Como se espera, un incremento en la intensidad de la luz corresponde a un incremento en la corriente de colector.

            Al exponer el fototransistor a la luz, los fotones entran en contacto con la base del mismo, generando huecos y con ello una corriente de base que hace que el transistor entre en la región activa, y se presente una corriente de colector a emisor. Es decir, los fotones en este caso, reemplazan la corriente de base que normalmente se aplica eléctricamente.

           

            Es por este motivo que a menudo la patilla correspondiente a la base está ausente del transistor. La característica más sobresaliente de un fototransistor es que permite detectar luz y amplificar mediante el uso de un sólo dispositivo. La sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un fotodiodo, ya que la pequeña corriente fotogenerada es multiplicada por la ganacia del transistor.

Construcción de los fototransistores

Los fototransistores se construyen con silicio o germanio, similarmente a cualquier tipo de transistor bipolar. Existen tanto fototransistores NPN como PNP. Debido a que la radiación es la que dispara la base del transistor, y no una corriente aplicada eléctricamente, usualmente la patilla correspondiente a la base no se incluye en el transistor. El método de construcción es el de difusión. Este consiste en que se utiliza silicio o germanio, así como gases como impurezas o dopantes.

 Por medio de la difusión, los gases dopantes penetran la superficie sólida del silicio. Sobre una superficie sobre la cual ya ha ocurrido la difusión, se pueden realizar difusiones posteriores, creando capas de dopantes en el material. La parte exterior del fototransistor está hecha de un material llamado epoxy, que es una resina que permite el ingreso de radiación hacia la base del transistor

Conclusiones

Las comunicaciones inalámbricas son interesantes desde todos lo puntos de vista y en todos los ámbitos tecnológicos. Existen varias tecnologías que nos permiten el establecimiento de comunicaciones inalámbricas en esta ocasión nos centramos en la comunicación mediante infrarrojos, mismos que entre otros usos pueden utilizarse para la construcción de sensores de detección de obstáculos, como es nuestro interés; es decir el detector de proximidad. En esta ocasión se pensó para un sistema de seguridad ya que se pude conectar a una alarma sonora. Como aditamento extra también se le puede conectar un sistema de iluminación, que se activa de igual manera.