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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DR. PEDRO RINCÓN GUTIÉRREZ
EDUCACIÓN MENCIÓN FÍSICA Y MATEMÁTICA
ELECTRÓNICA
DETECTOR DE PROXIMIDAD(Aplicación del fototransistor y el transistor de potencia)
AUTORA:
ANDREINA HERNANDEZ
SEMESTRE VIII
PROF. LIC. MIGUEL VERA
SAN CRISTÓBAL, JULIO DE 2011
DETECTOR DE PROXIMIDAD
Un circuito que no puede faltar en proyectos de robótica es el de los detectores de
proximidad, ya que son los ojos del robot.
Presentamos un circuito probado de un detector de proximidad construido en base a un
FOTO TRANSISTOR de uso general y un diodo IR.
Además de la robótica, lo encontramos en los dispensadores de agua automáticos, los
secadores de mano automáticos y con algunas variantes lo encontramos en las puertas
automáticas de los grandes centros comerciales.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Generamos una ráfaga de pulsos de alta intensidad con el LM555 a baja frecuencia y
los transmitimos por el led de chorro infrarojo.
Luego los recibimos en un fototransistor colocado de tal manera que solo los reciba
cuando un objeto refleje los pulsos. Luego procesamos esa señal para poder utilizarla en el
encendido - apagado de nuestros aparatos.
Para ello colocamos un fototransistor de tal manera que cuando haya una superficie
que refleje los pulsos, bien sea una mano, un objeto cualquiera, a una distancia de unos 10
cm, este los pueda recibir y enviar a un amplificador de corriente, en este caso un par de
transistores en configuración darlington.
Cuando esta débil señal alcanza una intensidad suficiente, debido a que se acercó un
objeto, entonces logra disparar un temporizador de unos 10 segundos construido con un
LM555.
Luego colocamos una interface a transistor para alimentar un relé de 12 V 5 PINES, el
cual nos servirá para controlar el aparato que queramos, normalmente un servomotor
Tarjeta del circuito detector de proximidad con foto transistor para tus proyectos de robótica y
de domótica también.
LISTA DE MATERIALES
Circuito Impreso
2 integrados LM 555
2 bases de 8 pines
1 relé 12 V 5 pines
1 foto transistor de uso general
1 diodo infrarrojo de uso general
1 control de 1 Mega
3 transistores 2N3904
2 cond. de 10 uF/50 V
1 Cond. de 0.1uF/50 V
1 diodo 1N4148
1 led verde de 5 mm
1 R 68 ohm
1 R 1K5
2 R 10K
1 R 100K
1 R 1 M
1 R 470 ohm
Todas las R a 1/2 W
EL RELÉ
Es un interruptor operado magnéticamente.
El relé se activa o desactiva (dependiendo de la conexión) cuando el electroimán (que
forma parte del relé) es energizado (le ponemos un voltaje para que funcione).
Esta operación causa que exista conexión o no, entre dos o más terminales del
dispositivo (el relé).
Esta conexión se logra con la atracción o repulsión de un pequeño brazo, llamado
armadura, por el electroimán.
Este pequeño brazo conecta o desconecta los terminales antes mencionados.
FUNCIONAMIENTO DEL RELÉ:
Si el electroimán está activo jala el brazo (armadura) y conecta los puntos C y D. Si el
electroimán se desactiva, conecta los puntos D y E.
De esta manera se puede conectar algo, cuando el
electroimán está activo, y otra cosa conectada, cuando está
inactivo.
Es importante saber cual es la resistencia del bobinado del
electroimán (lo que está entre los terminales A y B) que activa el
relé y con cuanto voltaje este se activa.
Este voltaje y esta resistencia nos informan que magnitud debe de tener la señal que
activará el relé y cuanta corriente se debe suministrar a éste.
La corriente se obtiene con ayuda de la Ley de Ohm: I = V / R.
donde:
- I es la corriente necesaria para activar el relé
- V es el voltaje para activar el relé
- R es la resistencia del bobinado del relé
VENTAJAS DEL RELÉ
- El Relé permite el control de un dispositivo a distancia. No se necesita estar junto al
dispositivo para hacerlo funcionar.
- El Relé es activado con poca corriente, sin embargo puede activar grandes máquinas que
consumen gran cantidad de corriente.
- Con una sola señal de control, puedo controlar varios relés a la vez.
EL CONDENSADOR
Es un dispositivo formado por dos placas metálicas separadas por un aislante llamado
dieléctrico.
Un dieléctrico o aislante es un material que evita el paso de la corriente.
El condensador o capacitor almacena energía en la forma de un campo eléctrico (es
evidente cuando el capacitor funciona con corriente directa) y se llama capacitancia o
capacidad a la cantidad de cargas eléctricas que es capaz de almacenar
El símbolo del capacitor se muestra al lado derecho:
La capacidad depende de las características físicas del condensador:
- Si el área de las placas que están frente a frente es grande la capacidad aumenta
- Si la separación entre placas aumenta, disminuye la capacidad
- El tipo de material dieléctrico que se aplica entre las placas también afecta la capacidad
- Si se aumenta la tensión aplicada, se aumenta la carga almacenada.
DIELÉCTRICO O AISLANTE
Un dieléctrico o aislante es un material que evita el paso de la corriente, y su función
es aumentar la capacitancia del capacitor.
Los diferentes materiales que se utilizan como dieléctricos tiene diferentes grados de
permitividad(diferente capacidad para el establecimiento de un campo eléctrico
Mientras mayor sea la permitividad, mayor es la capacidad del condensador. La
capacitancia de un condensador está dada por la fórmula: C = Er x A / d
donde:
- C = capacidad
- Er = permitividad
- A = área entre placas
- d = separación entre las placas
La unidad de medida es el faradio. Hay submúltiplos como el miliFaradio (mF),
microFaradio (uF), el nanoFaradio (nF) y el picoFaradio (pF)
Las principales características eléctricas de un condensador son su capacidad o
capacitancia y su máxima tensión entre placas (máxima tensión que es capaz de aguantar
sin dañarse).
La robótica es una parte de la electrónica que tiene muchos adeptos, en esta ocasión
solicito un circuito que puede ser utilizado en robótica tal como los detectores de proximidad,
ya que asumen el papel de los ojos del robot.
Este es un circuito de un detector de proximidad construido en base a un fototansistor
de uso general y un diodo infrarrojo o IR.
Estos diodos pueden controlar la cantidad de señal que les llega tanto por reflejo como
por interrupción.
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
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.
EL FUNCIONAMIENTO DE UN FOTOTRANSISTOR ES EL SIGUIENTE:
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.
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 active una alarma. 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.
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.
*Curva característica: Respuesta
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
Con ayuda del osciloscopio se midió la frecuencia de salida en la pata
número 5, dicha frecuencia fue de 937 Hz, por lo que se decidió que a través
de un LM555, podíamos generar dicha frecuencia en un para así lograr
separar el circuito anterior en la parte receptora como en la transmisora.
Se eligió la conexión monoestable para el LM555, de la hoja de
especificaciones obtuvimos la siguiente fórmula:
Con dicha fórmula y el valor obtenido de nuestra frecuencia que es a
la cual opera, se sustituyeron valores y se propuso el capacitor de 100 nF y
una de las resistencia de 10K, pues sabemos que dentro del mercado es
más fácil conseguir una resistencia que un capacitor.
Así fue como se obtuvieron los valores y con ellos se decidió armar el
LM555 con una frecuencia de 937Hz, cabe señalar que la resistencia de 2.7
K se cambió por un potenciómetro de 4.7K, para lograr tener una frecuencia
más precisa.
