Fotoceldas

FOTOCELDAS Y DISPOSITIVOS FOTOELCTRICOS Las fotoceldas son pequeos dispositivos que producen una variacin elctrica 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 energa cuyo voltaje de salida vara en relacin con la intensidad de la luz en su superficie. Una celda fotoconductiva va es un dispositivo pasivo, incapaz de producir energa. Su resistencia vara en relacin con la intensidad de la luz en su superficie. Industrialmente, las aplicaciones de las fotoceldas caen en dos categoras generales: 1.-Deteccin de la presencia de un objeto opaco. a) La deteccin 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 deteccin usada para contar las parles que viajan por una banda transportadora, o para evitar la operacin de un mecanismo si las manos del operador no estn fuera de la luz de trabajo. b).- La deteccin puede hacerse en una base continua, teniendo en el circuito de la fotocelda una salida continuamente variable que representa la posicin variable del objeto. Este es el tipo de deteccin usada para observar la orilla de una tira de material en movimiento para evitar que se desve demasiado de su posicin adecuada.La ventaja principal de las fotoceldas sobre otros dispositivos de deteccin es que no se requieren contacto fsico con el objeto de deteccin.2.- Deteccin del grado de translucides (capacidad de pasar luz) o el grado de luminiscencia (capacidad de genera luz) de un liquido o un slido. 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 concentracin de algn compuesto qumico especfico.

Celdas fotovoltaicas Los smbolos usados con frecuencia para las celdas fotovoltaicas se muestran en la Las dos fechas ondulantes que apuntan hacia la batera encerrada en un crculo sugieren que la energa externa de luz produce la accin de la batera, Dado que las flechas ondulantes no son fciles de dibujar con frecuencia se usa la letra griega lamda para sugerir activacin por luz. El voltaje de salida de circuito abierto contra intensidad de la luz se presenta grficamente en la figura 10-13(b) para una celda fotovoltaica tpica. Note que la grafica es logartmica 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 pequeo 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 caractersticas de corriente de salida de una celda fotovoltaica operando en una carga se presentan grficamente en la figura 1013(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 informacin del tipo todo o nada a un circuito lgico se muestra en la figura 1014. En la figura 1014(a), la luz de la fuente luminosa es recogida y enfocada en la celda fotovoltaica, que est montada a alguna distancia. Las distancias de 10 pies o ms no son raras en las situaciones industriales. Al ser activada la celda fotovoltaica por la luz, acciona el relevador sensible R, cuyo contacto pasa la seal de entrada al circuito lgico. Si un objeto bloquea la trayectoria de luz, la fotocelda desenergiza el relevador, y el circuito lgico no recibe ninguna entrada. El objeto que bloquea la trayectoria de luz podra ser cualquier cosa. Puede ser un objeto en movimiento cuyo paso debe ser contado por un contador electrnico o mecnico. Puede ser un objeto en movimiento cuyo paso avise a cierto equipo ms adelante en la lnea que se prepare para recibirlo. Puede ser una pieza de trabajo o una parte de una mquina que debe retirarse del camino antes de que el circuito lgico permita que ocurra otro movimiento. El amplificador, el relevador y los contactos estn contenidos en el paquete, por lo que la salida final es la conmutacin de los contactos del relevador, para indicar si un objeto ha bloqueado o no la trayectoria de luz. Con frecuencia surge el problema de que la seal de luz no puede distinguirse de la luz ambiental. Entonces, el sistema fotoelctrico puede no ser confiable porque la celda fotovoltaica puede suministrar una salida debido nicamente a la luz ambiental. El sistema entonces indicar que no hay un objeto presente bloqueando la trayectoria cuando de hecho si hay un objeto presente. Hay una solucin a este problema. En lugar de slo pasar la luz directamente hacia afuera a travs del aparato de enfoque, el haz de luz es cortado peridicamente. Esto es, el haz es interrumpido peridicamente a una frecuencia especfica 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 translcida 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 peridicamente a una frecuencia de 400 Hertz. Ahora es bastante sencillo distinguir entre la luz ambiente y una seal de luz verdadera simplemente ajustando el amplificador a 400 hz. Es decir, disear el amplificador para que no amplifique en absoluto seales de CD y de muy poca amplificacin a otras frecuencias que puedan filtrarse en la abertura de luz (como pulsaciones de 60 y 120 hz de lmparas de mercurio). El amplificador entonces responder slo a seales de voltaje de la celda fotovoltaica a una frecuencia le 400 Hz. La nica manera en que podran llegar pulsaciones de luz de frecuencia tan poco usual la celda es desde la seal de luz verdadera. Todas las seales De luz extraas son ignoradas. Se muestra una aplicacin de celdas fotovoltaicas para la medicin de translucidez de un lquido pasado a travs de una celda de muestreo. Suponga que es conocido que la translucidez es una indicacin segura de la concentracin de alguna impureza en el lquido. El espejo semitransparente pasa la mitad de la luz de la fuente al lquido, y la otra mitad de la luz reflejada a la PC1. Slo parte de la luz enviada al lquido puede pasar a travs de l e incidir la PC2. Por tanto, los voltajes generados por la PC1 y la PC2 sern diferentes, siendo el de la PC1 mayor Ese arreglo de medicin tiene algunas caractersticas de estabilizacin 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 ms 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 accin 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 estn cercanas fsicamente, experimentaran los mismos cambios de temperatura, por lo que cualquier error de temperatura tambin es cancelado por puente. Codificacin ptica de posicin 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 tambin para medir la cantidad que ha girado un eje. Generalmente, los engranes de acoplamiento entre el eje medido y el disco giratorio son diseados para producir muchas rotaciones del disco por cada vuelta del eje medido, como se muestra en la figura 10-16En la figura 10-16 (a) se muestra un engrane de dimetro grande en el eje medido, acoplndolo a un engrane de dimetro pequeo en el eje del disco. La razn del movimiento es inversamente igual a la razn de los engranes. Por tanto, si el engrane grande es 10 veces mayor que el engrane pequeo, 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 ptico 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 pticos produce un pulso de voltaje de la fotocelda, como se indica en la figura l016(b). Para el disco de 24 ranuras mostrado en esa figura, se produce un ciclo de voltaje por cada 15 de rotacin, ya que: 360/24 =15La forma de onda de Vpc es procesada por un circuito de acondicionamiento de la seal, para hacerlo compatible con TTL. Los pulsos resultantes son pasados a un contador binario, como se muestra en la figura 1017. La lgica 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 posicin anterior, el contenido del contador binario representa la distancia que se ha movido. Para la construccin mostrada en la figura 1016, el contador se incrementar un BIT por cada 1.5 de movimiento del eje medido. Esto es as porque:(1bit/1 pulso de Vpc) x (1pulso de vpc/15 del disco) x (10 del disco/1 del eje medido) = 1bit/1.5 del eje medido

Un circuito de deteccin de fase es usado para detectar la relacin de fase adelantada contra fase rezagada de VA y VB. En la figura 1019, el detector de fase esta diseado para producir una salida de 0 lgico si VA esta adelantado a VB. Produce una salida de 1 lgico si VA esta rezagada de VB. El nivel lgico de salida de direccin, 0 o 1, es combinado con la magnitud binaria de salida de la figura 1017. De esta manera, el circuito de proceso que interpreta la salida del transductor puede determinar tanto la magnitud como la direccin del movimiento del eje medido. Al hacer esta combinacin, es comn que el contador de magnitud binaria se reduzca en 1 BIT para dar lugar al BIT de direccin, o de signo. Por tanto, el contador digital de bits de la figura 1017 se reducira 7 bits con una magnitud mxima de 127 decimal. El BIT de direccin, o de signo, es colocado entonces a la izquierda extrema del nmero binario, donde sola estar el octavo BIT. La combinacin entonces es interpretada por el circuito digital de procesamiento como una variacin de -127(1111 1111) a +127(0111 1111)Un transductor de 12 bits de resolucin, como el del ejemplo 10-2, tendr entonces un rango de indicacin de -2047 a + 2047 (1111 1111 1111 a 0111 1111 1111) con un BIT dedicado a la direccin y once bits dedicados a la magnitud del movimiento.Celdas fotoconductivas Como se mencion antes, las celdas fotoconductivas cambian de resistencia como respuesta a los cambios en la intensidad de la luz (el termino formal es iluminacin). A medida que aumenta la iluminacin, la resistencia disminuye. Los smbolos esquemticos usados con frecuencia para las celdas fotoconductivas se muestran en la figura 1020(a). En la figura 1020(b) se muestra una grfica de resistencia contra iluminacin para una celda fotoconductiva tpica. Note que ambas escalas son logartmicas, para cubrir los grandes rangos de resistencia e iluminacin que son posibles. La virtud principal de las celdas fotoconductivas modernas es su sensibilidad. Como se ilustra en la figura 1020(b), la resistencia de las celdas puede cambiar de ms de 1 milln de ohms a menos de 1000 ohms a medida que cambia la intensidad de la luz de oscuridad (iluminacin 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 propsitos que las celdas fotovoltaicas, excepto, por supuesto, que no pueden actuar como fuentes de energa. 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 rpida, las celdas fotovoltaicas son preferibles a las celdas fotoconductivas. De la misma manera, si una fotocelda debe conmutarse rpidamente entre encendido y apagado, como se sugiere en la seccin 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 xito a frecuencias de hasta unos 100 kHz, y a veces ms.

Cortadores peridicos fotorresistivos. Una aplicacin interesante de las celdas fotoconductivas es en el cortado peridico de una seal de voltaje de CD para su insercin en un amplificador de ca. El cortarlo peridico de seales se usar en la Seccin 11-11-2, en conjunto con servoamplificadores. La celda fotoconductiva es una buena alternativa al mtodo de interruptor mecnico vibrador usado en ese amplificador. Esto se ilustra en la figura 1021. En la figura , el voltaje de manejo de onda cuadrada es aplicado a dos combinaciones de foco de nen y diodo rectificador. Cuando Vexitacion es positivo, el diodo rectificador A est polarizado en directa, y el diodo rectificador B est polarizado en inversa. Por tanto, el foco de nen A se enciende y el foco de nen B se apaga. Un foco de nen 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 nen B se enciende y el loco de nen A se apaga. El resistor R se introduce para limitar la corriente a travs de los focos de nen. Las celdas fotoconductivas PCA y PCB estn expuestas a los focos de nen 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 relacin de resistencias es por tanto de unos 10,000 a 1 (10 Mohm/1kohm = 10,000). Se dice que las celdas tienen una relacin 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 1021(b). Por tanto, cuando el foco de nen 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 1021(c). Entonces, en el instante mostrado en la figura 1021(c), el voltaje de CD de entrada pasa a travs del capacitor de acoplamiento casi sin atenuacin (si la impedancia del amplificador es mucho mayor de 1 kohm). Cuando Vexitacion se vuelve negativo, el foco de nen B se enciende y la situacin en el amplificador es como se muestra en la figura 1021(d). El amplificador ve un interruptor abierto en serie y un interruptor cerrado en paralelo. La seal de CD de entrada no puede pasar a travs del capacitor de acoplamiento en este momento. El voltaje de CD de entrada, por tanto, est siendo cortado como se muestra en la seccin 11-11-2. Este mtodo de cortado peridico tiene la ventaja de la confiabilidad electrnica (no hay partes mviles), y podra ser menos costoso que un interruptor mecnico vibrador. AcopIamiento y aislamiento ptico: fototransistores, diodos emisores de luz Se muestran dos maneras de construir un aislador ptico. En la figura se muestra una fuente de luz incandescente estndar y una celda fotoconductiva para lograr el aislamiento, y en la figura 1023(b) se muestra un diodo emisor de luz y un fototransistor para lograr el aislamiento. Veremos algunos usos industriales de los aisladores pticos y luego explicaremos la operacin de estos dos diseos. El diseo de la figura 10-23(b) tiene ciertas ventajas sobre el de la figura 10-23(a), y estas ventajas se indicaran.Un aislador ptico es bsicamente una interfaz entre dos circuitos que operan (generalmente) a diferentes niveles de voltaje. El uso industrial ms comn del aislador ptico es como convertidor de seal entre dispositivos piloto de alto voltaje (interruptores lmite, etc.) y circuitos lgicos de estado slido de bajo voltaje. Los aisladores pticos pueden usarse en cualquier situacin en la que debe pasarse una seal entre dos circuitos que estn aislados elctricamente entre ellos. Recuerde, de los captulos 1 y 2, que el aislamiento elctrico 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 recopilacin de informacin y circuitos lgicos digitales de bajo voltaje. Los circuitos de informacin casi siempre estn muy expuestos a fuentes de ruido, y los circuitos lgicos no pueden tolerar seales de ruido. El mtodo de acoplamiento ptico elimina la necesidad de contactos controlados por solenoides o transformadores de aislamiento, que son los mtodos tradicionales para proporcionar aislamiento elctrico entre circuitos. Refirase a la seccin 1-7 y a la figura 1-12 para repasar esos mtodos. Aislador/acoplador ptico de foco incandescente y celda fotoconductiva. El aislador ptico de la figura 1023(a) tiene un foco incandescente conectado en serie con un resistor de proteccin. Esta combinacin en serie est conectada a travs de un dispositivo piloto a una seal de 115 V. S el dispositivo piloto est abierto, no habr aplicacin de potencia al foco incandescente, por lo que se extinguir. La celda fotoconductiva, aislada de la luz exterior, se ir a una resistencia muy alta, permitiendo la elevacin de la seal de la base del transistor. El interruptor transistorizado se enciende, bajando a Vsalida al voltaje de la tierra, es decir un 0 lgico. 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 lgico. Por tanto, si hay una seal de entrada de 115 V. el circuito presentara un HI lgico. Si no hay una seal de 115 V presente. El circuito presentar un LO lgico. EI mtodo de acoplamiento ptico es superior en muchas aplicaciones, pues elimina algunas de las caractersticas 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 ms voluminosos y pesados que los dispositivos pticos. 3. Crean campos magnticos y seales transitorias de conmutacin que pueden ser la fuente de ruidos elctricos problemticos. 4. Los contactos de los relevadores pueden provocar chispas, que son muy indeseables en ciertas situaciones industriales.

EI acoplador lgico funciona bien tanto con seales de alto voltaje de ca como de CD. Por esta razn, a los convertidores de seal que usan acoplamiento ptico se les llama a veces convertidores universales de seal.

Por supuesto, no hay razn por la que no se puedan combinar un LED con una celda foto- conductiva comn, y a veces se hace. Sin embargo, generalmente una fuente de luz LED es combinada con un fototransistor detector de luz, dado el mejor apareamiento entre sus velocidades de operacin y entre sus longitudes de onda de emisin y deteccin de luz

Las fotoceldas son elementos de control automtico. Esta abre o cierra su contacto dependiendo de la intensidadluminosa. Estando cerrado cuando est oscuro, y abierto en laclaridad. Se puede ver ampliamente en el control de lmparas de alumbrado pblico, figura 1.1.

Fig. 1.1-Lmpara suburbana con fotocelda.

Tambin 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 puedeconectarfcilmentey 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 conexin 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 rel. Este cable va hacia la carga, por lo que solo faltara el neutro u otro potencial para cerrar el circuito.

Fig. 1.3-Conexin de fotocelda para control de lmparas.

En su interior estn compuesto por dos elementos principales: un fotoresistor de sulfuro de cadmioy un rel. El fotoresitor incrementa su resistencia cuando disminuye la intensidad luminosa, esta se conecta en serie con un resistor,formando un divisor de tensin para poder activar el rel. Al activarse el rel, este cierra su contacto que controla el potencial que entra a la fotocelda.

La potencia que puede manejar lo define los contacto del rel de la fotocelda. Es comn 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 lmparas 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 lmparas sera necesario utilizar un contactor controlado por la fotocelda, ver figura 1.4.

Fig. 1.4- Conexin de fotocelda para control de contactor.