OPTOELECTRONICA APLICADA A LA ROBÓTICA.

INTRODUCCIÓN

Un robot puede ser visto en diferentes niveles de sofisticación, depende de la perspectiva con que se mire. Un técnico en mantenimiento puede ver un robot como una colección de componentes mecánicos y electrónicos; por su parte un ingeniero en sistemas puede pensar que un robot es una colección de subsistemas interrelacionados; un programador en cambio, simplemente lo ve como una máquina que ha ser programada; por otro lado para un ingeniero de manufactura es una máquina capaz de realizar un tarea específica. En contraste, un científico puede pensar que un robot es un mecanismo el cuál él construye para probar una hipótesis.

 Un robot esta formado por un conjunto de subsistemas que básicamente son de procesos, planeación, control, sensores, eléctricos y mecánicos. Desde el punto de vista del Ingeniero en Electrónica podemos analizar una parte de uno de esos subsistemas en especial, el cual seria el sistema de sensores, los cuales pueden ser químicos, mecánicos, ópticos, eléctricos, dentro de los mismos podríamos seguir clasificando durante hojas y mas hojas pero al ser este muy amplio lo delimitaremos únicamente a aquellos que han cobrado gran importancia entre los estudiosos de la electrónica, esto por su ahora factibilidad de uso, disminución de costos para proyectos y prototipos tanto industriales como educativos, nos referimos a los dispositivos optoelectrónicos.

La finalidad no es hablar sobre robots, sino sobre los dispositivos optoelectronicos aplicados a los mismos, su funcionamiento y variedad que es muy extensa por lo cual se expondrán los conceptos básicos, elementos mas comunes y sobre todo que este acercamiento nos de el suficiente entendimiento para su uso y aplicación inmediata desde el mas sencillo interruptor hasta su uso mas sofisticado.

OPTOELECTRONICA

La optoelectrónica es la unión entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos. En general podria decirse que los componentes optoelectrónicos son aquellos capaces de convertir energía luminosa en eléctrica o viceversa, de ellos el mas conocido es el diodo LED (light emmiter diode), el cual es conocido como un dipositivo electrónico con la capacidad de emitir luz.

Su uso se ha extendido mas alla al ampliar sus capacidades y sus prestaciones por lo cual lejos de ser una pieza de exhibición que solo emite luz ha llegado al punto que hay tal cantidad de variantes y usos que no imaginamos cualquier tipo de sensor que no incorpore alguna de sus ventajas.

Estos dispositivos responden a una frecuencia específica de radiación. Básicamente hay tres bandas en el espectro óptico de frecuencias:

Infrarrojo: Esta banda corresponde a las longitudes de onda de la luz que son muy largas para ser vistas por el ojo humano.

Visible: Corresponde a las longitudes de onda a las cuales responde el ojo humano. Comprende aproximadamente entre los 400nm y 800nm de longitud de onda. En esta banda están comprendidos todos los colores que el ojo humano distingue:

Ultravioleta: Longitudes de onda que son muy cortas para ser vistas por los humanos

El campo de la optoelectrónica se ha convertido en una área de creciente interés en la electrónica; dispositivos tales como LED´s optocopladores y fotodetectores se están construyendo ahora con una mayor capacidad de manejo de corriente. La optoelectrónica ha probado ser de alta efectividad en el campo de las comunicaciones, donde las fibras ópticas pueden manejar frecuencias mayores a las velocidades de conmutación de la electrónica de hoy en día.

COMO SE CLASIFICAN

Todos los dipositivos optoelectrónicos realizan una de dos funciones, las cuales se utilizan para su clasificación:

Conversión de energía eléctrica a energía radiante

Basados en la excitación por una corriente eléctrica que provoca en aquellos la emisión de energía luminosa en forma de radiaciones visibles o no. A estos dispositivos se les llama ELECTROLUMINICENTES. Es importante aclarar que la mayoría de cristales de semiconductores al ser bombardeados con fotones, calor o electrones emiten luz visible o en la banda infrarroja. Sin embargo, específicamente llamamos electroluminiscentes a aquéllos que responden a la corriente eléctrica. Al aplicarle una corriente a dichos dispositivos, los

electrones se mueven del material N hacia el P y se combinan con los huecos. Cuando los electrones se mueven del alto estado energético de la banda de conducción al bajo estado energético de la banda de valencia, fotones de energía son liberados. Dichos materiales pueden emitir luz visible, o como en el caso de los diodos infrarrojos, luz infrarroja.

Son componentes electroluminiscentes los LED (Light Emiting Diode) y todas sus configuraciones, los diodos emisores de infrarrojos IRED (Infrared Emitting Diode), diodos LASER (Light Amplification by Simulate Emission of Radiation), que producen la emisión estimulada de los fotones como una radiación monocromática y los visualizadores de cristal líquido LCD (Liquid Cristal Display).

Conversión de energía radiante a energía eléctrica

A partir de una excitación luminosa producen o controlan cambios de energía eléctrica. Este tipo de dispositivos a menudo son llamados FOTOSENSIBLES. En este caso, la energía que entra al cristal de semiconductor excita a los electrones a niveles más altos de energía, dejando huecos atrás. Posteriormente estos electrones y huecos se alejan unos de otros, conformando una corriente eléctrica.Entre estos componentes se encuentran las LDR, fotopilas, fototiristores, fotoleds, fotodiodos y fototransistores bipolares.

CLASIFICACIÓN DE DISPOSITIVOS OPTOELECTRONICOS

TIPOS

FOTOSENSIBLES ELECTROLUMINISCENSES VISUALIZADORES OTROS

CELULAS FOTOELECTRICAS

LDR´SFOTODIODOS

FOTOTRANSISTORES(I=0)

FOTOPILASFOTOTIRISTORES

LED´SIRED´S

VLED´SLCD´S

OPTOACOPLADORESF.O.

LDR´SSENSIBILIDAD

CARAC. ESPECTRALRESP. OSCURIDAD

SUPERFICIE SENSIBLEVOLTAJE ALIMENTACION

FOTODIODOSCARÁCTERISTICAS V/I

DISIPACIONISC

RESPUESTA ESPECTRALFOTOPILAS

TENSION (C.A.)CORRIENTE C.C.COEFICIENTE DE

TEMPERATURA DE V Y I

FOTRANSISTOR FOTODIODO

FOTOTIRISTORCON Ib=0:

Ic=(b+1)(Ico+If)=B*IfIf=FOTOCORRIENTERESP. ESPECTRAL

Sr=f(LAMBDA)

LED´SIFVFVR

LAMBDApicoCARACTERISTICA

ESPECTRALDIAGRAMA DIRECTIVOCARACTERISTICA V/I

SMDANGULO DE VISIBILIDADTIEMPO DE RESPUESTA

VIDA EN HORAS

LaserPOTENCIA

CORRIENTElambda

DIMENSIONES

V

I

INTERFACE

CONVERSOR D/A

RESPUESTA ESPECTRAL

CARACTERES NUMERICOS

CARACTERES ALFANUMERICOS

OPTOACOPLADORES

FACTOR DE TRANSFERENCIAN=Ic/If ELEVADO

LINEALIDAD PARA UNA GAMA IMPORTANTE DE If

AISLAMIENTO ELEVADOLED-FOTOTRANSISTOR

HF DE FUNCIONAMIENTOATENUACION

TIEMPO DE VIDARELACION SEÑAL/RUIDO

F.Q.MONOMODOMULTIMODOATENUACION

DIODO LED

DIODO EMISOR DE LUZ

Un LED (Light Emmiting Diode- Diodo Emisor de Luz), es un dispositivo semiconductor que emite radiación visible, infrarroja o ultravioleta cuando se hace pasar un flujo de corriente eléctrica a través de este en sentido directo. Esencialmente es una unión PN cuyas regiones P y regiones N pueden estar hechas del mismo o diferente semiconductor. El color de la luz emitida está determinado por la energía del fotón, y en general, esta energía es aproximadamente igual a la energía de salto de banda del material semiconductor en la región activa del LED.

Los elementos componentes de la cubierta de los LED's son transparentes o coloreados, de un material resina-epoxy de forma adecuada y dentro de el chip semiconductor.

Los terminales se extienden por debajo de la cápsula del LED o foco e indican cómo deben ser conectados al circuito. El lado negativo está indicado de dos formas:

1) por la cara plana del foco.

2) por el de menor longitud. El terminal negativo debe ser conectado al terminal negativo de un circuito.

Los LED's operan con un voltaje relativamente bajo, entre 1 y 4 volts, y la corriente está en un rango entre 10 y 40 miliamperes. Voltajes y corrientes superiores a los indicados pueden destruir al LED.

La parte más importante del LED es el chip semiconductor localizado en el centro del foco, como se ve en la figura.

Figura de un led y su chip semiconductor.

El chip tiene dos regiones separadas por una juntura. La región P está dominada por las cargas positivas, y la N por las negativas. La juntura actúa como una barrera al paso de los electrones entre la región P y la N; sólo cuando se aplica el voltaje suficiente al chip puede pasar la corriente y entonces los electrones pueden cruzar la juntura hacia la región P.

Si la diferencia de potencial entre los terminales del LED no es suficiente, la juntura presenta una barrera eléctrica al flujo de electrones.

 El material que compone el diodo LED, es importante ya que el color de la luz emitida por el LED depende únicamente del material y del proceso de fabricación principalmente de los dopados.

En la tabla adjunta (tabla a) aparecen algunos ejemplos de materiales utilizados junto con los colores conseguidos:

Material Longitud de Onda Color Vd Típica

AsGa 904 nm IR 1 V

InGaAsP 1300 nm IR 1 V

AsGaAl 750-850 nm Rojo 1,5 V

AsGaP 590 nm Amarillo 1,6 V

InGaAlP 560 nm Verde 2,7 V

Csi 480 nm Azul 3 V

Tabla. Materiales para la fabricación de un diodo y color obtenido

Resulta difícil distinguir, por pura inspección visual, el modelo del LED así como el fabricante: los valores máximos de tensión y corriente que puede soportar y que suministra el fabricante serán por lo general desconocidos. Por esto, cuando se utilice un diodo LED en un circuito, se recomienda que la intensidad que lo atraviese no supere los 20 mA, precaución de carácter general que resulta muy válida. En la figura se muestra el símbolo electrónico de este tipo de diodo. Las flechas indican la radiación emitida por el diodo.

Símbolo electrónico del diodo emisor de luz (LED).

Funcionamiento de un LED. 

 Diodo emisor de luz con la unión polarizada en sentido directo.

  

Al polarizar directamente un diodo LED conseguimos que por la unión PN sean inyectados huecos en el material tipo N y electrones en el material tipo P; produciéndose, por consiguiente una inyección de portadores minoritarios. Cuando estos portadores se recombinan, se produce la liberación de una cantidad de energía proporcional al salto de banda de energía del material semiconductor. Una parte de esta energía se libera en forma de luz, mientras que la parte restante lo hace en forma de calor, estando determinadas las proporciones por la mezcla de los procesos de recombinación que se producen. 

La energía contenida en un fotón de luz es proporcional a su frecuencia, es decir, su color. Cuanto mayor sea el salto de banda de energía del material semiconductor que forma el LED, más elevada será la frecuencia de la luz emitida.

ACTIVACIÓN DE UN LED. 

Un LED puede ser activado por corriente continua, por pulsos o corriente alterna. CORRIENTE CONTINUA 

El circuito empleado se mostró anteriormente. El valor de la corriente esta dado por medio de la resistencia R y su valor es:

 R = (E – Vf)/ If

 Siendo E la tensión de alimentación, Vf la tensión en bornes del LED e If

la corriente que lo atraviesa. La tensión E debe ser, por lo menos, dos veces la tensión Vf. Para los colores rojo, anaranjado y amarillo se recomienda un valor de If de 5 a 15 mA, mientras que para el ver de se recomienda de 10 a 20 mA. Los parámetros para un LED de color azul son bastante diferentes, ya que presentan una Vf = 5v. y una corriente If de 60 mA para una intensidad luminosa de 50 mcd. PULSOS

Éste es el método más empleado, ya que el LED presenta una mayor fiabilidad y ofrece las siguientes ventajas frente al método anterior:

 a) a)     La intensidad luminosa puede ajustarse variando la amplitud o el

ancho del impulso aplicado. 

b) b)     Genera mayor intensidad luminosa para una misma corriente media.

 Como determinar la amplitud de los pulsos

 Cuando se realiza el control del LED por impulsos hay que determinar la amplitud de los mismos de la siguiente manera: 

- Determinar la frecuencia y la duración del ciclo definidos por la aplicación.

 -Basándose en gráficas de los fabricantes, determinar la relación entre la corriente máxima de pico y la corriente directa máxima.

 - Con ayuda de las gráficas también, determinar la corriente directa máxima. Este valor disminuye para temperaturas mayores de 50 ºC.

Comparando con el control por corriente continua, para la misma corriente media, el control por impulsos ofrece una mayor intensidad luminosa media y una menor disipación de potencia.

 El funcionamiento por pulsos de un LED provoca un fenómeno de percepción conocido como “ luz enriquecida “. Este fenómeno es debido en parte a la retención del ojo de altos niveles de brillo, como los producidos por un destello de luz. Este fenómeno sólo aparece en los dispositivos de GaAsP debido a que este material no satura en condiciones de elevadas corrientes.  Cuando el ojo humano es el detector de la energía visible, la menor energía es consumida en funcionamiento por pulsos. Esto es una ventaja especialmente

importante en equipos alimentados por baterías y cuando hay que controlar grandes conjuntos de LEDS. 

CORRIENTE ALTERNA

Cuando un diodo LED se conecta a un circuito de alterna hay que prever una protección contra la tensión inversa si se espera exceder el valor máximo de Vr. En la figura siguiente se muestra un método de protección utilizando un diodo en conexión inversa. 

Diodo LED con diodo de protección

 En la siguiente figura se describe un método alternativo utilizando dos diodos LEDS. Si no circula corriente, ninguno de los dos LEDS se encenderá mientras que la presencia de corriente en cualquiera de las direcciones provocará el encendido de alguno de ellos.

Diodos encontrados

CARACTERISTICAS Y VARIEDADES DE LOS LED

CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO 

Los parámetros que caracterizan el funcionamiento de un LED y que sirven de base para la elección del modelo más adecuado para la aplicación concreta a que se le va a destinar, son los siguientes: 

Eficiencia.  

Es la relación entre la intensidad luminosa emitida, medida en unas unidades denominadas milicandelas (mcd) y la corriente eléctrica en mA que produce dicha radiación. Se representa por Iv. Los valores normales oscilan entre los 0,5 y 2 mcd a 20 mA. Pero los de alta eficiencia alcanzan hasta las 20 mcd a 10 mA.

 El color depende de la frecuencia de la radiación, existiendo tres que son los que han estandarizado la mayoría de los fabricantes, se trata del rojo, verde y amarillo-anaranjado. En el caso de LED de infrarrojos, la radiación no será visible y, por tanto, este factor no existirá.

 La directividad.

 Está definida por el máximo ángulo de observación de luz que permite el tipo concreto de LED, respecto al eje geométrico del mismo. Este parámetro depende de la forma del encapsulado, así como de la existencia o no de una lente amplificadora incluida en el mismo.

En los modelos de mayor directividad este ángulo es pequeño y tienen la apariencia de producir una intensidad luminosa más elevada que los otros, en los que la luz se reparte sobre una superficie mucho mayor.Cada modelo de LED dispone de una curva de directividad en la que se representa el nivel de intensidad luminosa en función del ángulo de observación. Esta curva resulta de mucha utilidad para la elección de un modelo determinado.

 

El efecto cristalino: 

Las lentes de los primeros LEDS fueron diseñadas para permitir el paso de la máxima cantidad de luz en la dirección perpendicular a la superficie a la superficie de montaje.

 

  

Más tarde, la luz producida fue mayor y sus lentes se diseñaron para difundir la luz sobre una amplia área, permitiendo mayores ángulos de visibilidad. Posteriormente aparecieron en el mercado los LEDS de alta luminosidad y una gran variedad de lentes epoxy color rojo fueron incorporadas para difundir la luz en una amplia área de emisión, produciendo una sensación más agradable a la vista que las lentes que concentran la luz en un punto.

 La figura siguiente muestra los efectos de añadir cantidades de

difusores rojos al material epoxy de la lente. 

 La tensión directa (VF).

 Es el voltaje que se produce entre los dos terminales del LED cuando le atraviesa la corriente de excitación. Esta comprendida entre 1,5 y 2,2 v. para la mayoría de los modelos.

 La corriente inversa (Ir).

 Es la máxima corriente que es capaz de circular por el LED cuando se le somete a una polarización inversa. Valores típicos de este parámetro se encuentran alrededor de los 10 uA.

 Disipación de potencia.

 Es la fracción de la potencia que absorbe el LED y no transforma en radiación visible, teniéndola que disipar al ambiente en forma de calor. En las aplicaciones clásicas de los LEDS se necesita una resistencia en serie con el mismo, con la misión de limitar la corriente que circula por él.

 Identificación.

 La indicación de la polaridad de los terminales se realiza haciendo que el terminal que corresponde al ánodo tenga una longitud mayor que el del cátodo. Además, se añade un pequeño aplanamiento en la cápsula en una zona próxima al terminal catódico.Y si no lo identifica observe las terminales interiores, una es más pequeña que la otra. Ese es el ánodo.  

En otro caso utice el óhmetro. Se toman dos medidas cambiando la polaridad de las puntas y se bien obtendrán dos medidas de ohmios: una próxima a cero y otra de un valor óhmico alto. Al conocer la polaridad de las puntas del óhmetro con la medicion de cero ohmios se determina cual es el ánodo.

 

TIPOS DE LEDS

EL IRED

Los LEDS utilizados en aplicaciones electrónicas, debido a la respuesta espectral del silicio y a consideraciones de rendimiento, son normalmente diodos emisores de infrarrojos, IRED. Este tipo de diodo es un LED que emite luz invisible en la región del infrarrojo cercano.

Sus fundamentos son los mismos que para los diodos LED; encontrando la única diferencia en su espectro de radiación: su longitud de onda se sitúa por

debajo del espectro visible, y se emplean cuando se requiere una radiación no visible, por ejemplo en el control remoto, optoacopladores, detectores, etc.

Polarización del IRED.

símbolo del IRED.

EL DIODO LASER 

El diodo láser es una forma especial de LED o IRED con dimensiones físicas y propiedades ópticas estrechamente controladas en la zona de la unión productora de luz. Esta circunstancia hace posible conseguir una cavidad resonante óptica para la longitud de onda operativa tal, que la realimentación óptico-eléctrica asegure una producción de luz monocromática direccional con un elevado rendimiento. El estrecho e intenso haz virtualmente monocromático y la alta frecuencia de funcionamiento que son características típicas del diodo láser, pueden ser muy ventajosas en aplicaciones tales como fibra óptica, interferometría, sistemas de alineamiento preciso y sistemas de exploración.

La cavidad óptica de precisión es de difícil fabricación y puede originar tensiones en la estructura del cristal del láser que, en caso de producirse, causarán una rápida disminución de la potencia de salida luminosa.Aunque los diodos láser ofrecen unas elevadas prestaciones, son en contrapartida de utilización poco económica y por otra parte su fiabilidad debe comprobarse en cada aplicación. 

Las características eléctricas del LED, diodo láser e IRED son similares a las de otros diodos de unión pn en lo que se refiere a presentar una caída de tensión directa ligeramente superior a la de los diodos de silicio y a la reducida tensión de ruptura inversa, como consecuencia de los niveles de dopado requeridos para una eficiente producción. 

OTROS TIPOS DE DIODOS 

Hay otros tipos de diodos que en este apartado solo nombraremos ya que internamente se constituyen de diodos en distintas configuraciones, entre ellos están:

LED bicolor.- Están formados por dos diodos conectados en paralelo e inverso. Se suele utilizar en la detección de polaridad.

LED tricolor.- Formado por dos diodos LED (verde y rojo) montado con el cátodo común. El terminal más corto es el ánodo rojo, el del centro, es el cátodo común y el tercero es el ánodo verde.

FOTODETECTORES

Los detectores de luz que son dispositivos basados en la tecnología de semiconductores de silicio, producidos en gran escala y que convierten las señales de luz en señales eléctricas, son otra parte de la optoelectrónica del semiconductor.

LA RESISTENCIA VARIABLE CON LA LUZ (LDR)

Una LDR, conocida mejor como fotorresistencia o celda fotosensible, es un dispositivo optoelectrónico capaz de variar su resistencia según

la luz que incide en él. Cuanta más luz recibe, más baja es la resistencia.

Aspecto fisico y curva caracteristica.

En una LDR se han de tener en cuenta lo siguiente:

En 1er lugar, la amplitud de resistencias. Sin luz, una buena LDR se ha de comportar como un circuito abierto. Y su mínima resistencia ha de ser lo más pequeña posible, en torno a los cien ohmios, o menos si pudiera ser.

En segundo lugar, se ha de tener en cuenta, el tiempo que emplea una LDR en pasar de un estado de máxima resistencia, a otro de mínima resistencia, es decir, lo que tarda en conmutar desde una posición de circuito "cerrado", a otro estado de circuito "abierto". Este tiempo a de ser lo más pequeño posible, y ha de estar en torno al segundo.

Gráfica Resistenci vs Luz.

Circuitos con LDR

Circuito A

 

Circuito B

Valores tomados para el LDR:

LDR min = 700

LDR max = 7 M

Circuito a:

Ib = 20 mA / 100 = 0,2 mA

IR3 = 10 · 0,2 mA

VR3 = 0'7 v

R3 = 500

R4 = 10,2 v / 20 mA = 510 (470 )

Circuito b:

Los mismos valores de componentes pero cambiando la LDR por el potenciómetro, y viceversa.

También se puede aplicar un relé. Entonces la carga queda

totalmente aislada eléctricamente del circuito principal.

EL FOTODIODO

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. Cuando la luz de longitud de onda apropiada es dirigida hacia la unión, se crean pares hueco-electrón que se desplazan a través de la unión debido al campo generado en la región deprimida.

El resultado es un flujo de corriente, denominado fotocorriente, en el circuito externo, que es proporcional a la irradiancia efectiva en el dispositivo. El fotodiodo se comporta básicamente como un generador de corriente constante hasta que se alcanza la tensión de avalancha.

 

 Fotodiodo sensible a la luz con unión PN polarizada inversamente.

 El fotodiodo exhibe un pico de respuesta en una longitud de onda radiante determinada. Para esta longitud de onda, se produce la máxima cantidad de pares huecos-electrón en la proximidad de la unión.

 El máximo de la curva de respuesta espectral de un fototransistor típico se halla en 850 nm, aproximadamente.

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.

La totalidad de los detectores de luz comunes consisten en una unión a fotodiodo y un amplificador. En la mayoría de dispositivos comerciales, la corriente del fotodiodo se halla en el margen comprendido entre el submicroamperio y las decenas de microamperios, pudiendo añadirse a la pastilla un amplificador por un coste mínimo.  FOTODIODO DE AVALANCHA Es posible incorporar un tipo de sistema amplificador de empleo común formando parte del propio fotodiodo. El fotodiodo de avalancha utiliza la multiplicación por avalancha para conseguir amplificar la fotocorriente creada por los pares hueco-electrón. Esto proporciona una elevada sensibilidad y gran rapidez. Sin embargo, el equilibrio entre ruido y ganancia es difícil de conseguir y como consecuencia, el coste es alto. Asimismo la estabilidad de temperatura es deficiente y se requiere una tensión de alimentación de valor elevado (100-300 v.), estrechamente controlada. Por estas razones, el fotodiodo de avalancha tiene limitadas aplicaciones.

Caracteristicas

- 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.

-Geometría: Presenta una construcción análoga a la de un diodo LED.

 Aplicaciones:

- Comunicaciones ópticas.

- Fotómetros.

- Control de iluminación y brillo.

- Control remoto por infrarrojos.

- Monitorización de llamas de gas y de petróleo (radiación ultravioleta centrada en la banda de 310 nm)

- Enfoque automático y control de exposición en cámaras.

 Cuando son combinados con alguna 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.

Cuando se hace un “array” o arreglo de sensores:

- Reconocimiento de formas.

- Lectores de tarjetas codificadas.

Algunos ejemplos mas cotidianos de su aplicación:

- En la siguiente aplicación el fotodiodo se emplea en un sistema de alarma. La corriente inversa continuará fluyendo mientras el rayo de luz no se corte. En

este caso la corriente inversa caerá al nivel de la corriente de oscuridad y hará sonar la alarma.

 

- En esta aplicación se usa un fotodiodo para contar artículos en una banda transportadora. Cuando pasa cada artículo, el rayo de luz corta y la corriente inversa cae a nivel de corriente de oscuridad y el contador aumenta en uno.

 

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 una de las combinaciones fotodiodo amplificador más simples. Dirigiendo una fuente de luz hacia la unión PN polarizada en sentido inverso (colector-base), se genera

una corriente de base, que es amplificada por la ganancia de corriente del transistor.

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

 

Esquema de un fototransistor.

Se requiere un cuidadoso proceso de elaboración de la pastilla del transistor para hacer compatible la máxima reducción de la corriente en la oscuridad del fototransistor, con la obtención de una alta sensibilidad a la luz. Las corrientes de este tipo, típicas del fototransistor para una tensión inversa de 10v, son del orden de 1 nA a temperatura ambiente y aumentan en un factor de 2 para cada 10 ºC de aumento de temperatura. Las especificaciones del fototransistor garantizan normalmente unos límites de corriente en la oscuridad mucho más altos, por ejemplo 50 a 100 nA, debido a las limitaciones del equipo automático de prueba.

El funcionamiento de un fototransistor viene caracterizado por los siguientes puntos:

- 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. (Ib=0)

- 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.

Aspecto fisico de un fototransistor.

  

FOTODARLINGTON Básicamente, este dispositivo es el mismo que el transistor sensible a la luz, excepto que tiene una ganancia mucho mayor debido a las dos etapas de amplificación, conectadas en cascada, incorporadas en una sola pastilla.

  

Fotodarlington. 

FOTO SCR. 

El circuito equivalente con dos transistores del rectificador controlado de silicio mostrado en la figura ilustra el mecanismo de conmutación de este dispositivo.

 La corriente debida a los fotones, 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.

 

Foto SCR 

CIRCUITO DE APLICACIÓN DE UN FOTOTRANSISTOR

Funcionamiento

La figura muestra un amplificador DC utilizando fototransistores, y con compensación de temperatura. El circuito contiene el fototransistor T1 empleado como fotodetector, y al fototansistor T2 oscurecido, empleado como referencia. Como se sabe de los dispositivos semiconductores, la temperatura origina también que se generen corrientes en el fototransistor, por lo que se pueden obtener respuestas que no sólo dependen de la luz. Para corregir este efecto, y que el circuito entregue una salida dependiente sólo de la radiación que caiga sobre él, se incluye el fototransistor T2 oscurecido, de manera que el operacional es comandado únicamente por una señal de diferencia. La dispersión entre especímenes de los fototransistores y del amplificador operacional se compensa por medio del potenciómetro R1. La ganancia es fijada por la resistencia R2. Este circuito se emplea como amplificador de escaneo y como detector en acopladores optoelectrónicos.

 

OPTOACOPLADORES

Existen muchas aplicaciones en las que la información debe ser transmitida entre dos circuitos eléctricamente aislados uno de otro. Este aislamiento puede ser conseguido mediante relés, transformadores de aislamiento y receptores de línea. Existe, no obstante, otro dispositivo que 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 que el aislamiento de ruido y de alta tensión y el tamaño son características determinantes.  

Un optoacoplador es un dispositivo que contiene una fuente de luz y un detector fotosensible separados una cierta distancia y sin contacto eléctrico entre ellos. La clave del funcionamiento de un optoacoplador está en el emisor, un LED que generalmente es un IRED cuya energia radiante esta dentro de la región de los Infrarrojos, y en el detector fotosensible a la salida el cual puede ser un fototransistor.

Dichos componentes se encapsulan conjuntamente y de tal forma que las radiaciones emitidas por el diodo incidan sobre el fototransistor.

Al estar compuestos por un componente electroluminiscente (generalmente un diodo IRED) y otro fotosensible (fototransistor), cuyos comportamientos ya han sido estudiados, nos fijaremos en su funcionamiento como bloque.

CARACTERÍSTICAS DE UN OPTOACOPLADOR

Para utilizar completamente las características ofrecidas por un optoacoplador es necesario que el diseñador tenga conocimiento de las mismas. Las diferentes características entre las familias son atribuidas principalmente a la diferencia en la construcción.

Las características más usadas por los diseñadores son las siguientes:

1.Aislamiento de alto voltaje. El aislamiento de alto voltaje entre las entradas y las salidas son obtenidos por el separador físico entre el emisor y el sensor. Este aislamento es posiblemente el más importante avance de los optoacopladores. Estos dispositivos pueden resistir grandes diferencias de potencial, dependiendo del tipo de acople medio y la construcción del empaquetado.

2. Aislamiento de ruido: El ruido eléctrico en señales digitales recibidas en la entrada de el optoacoplador es aislado desde la salida por el acople medio, desde el diodo de entrada el ruido de modo común es rachazado.

3. Ganancia de corriente: La ganancia de corriente de un optoacoplador es en gran medida determinada por la eficiencia de los sensores npn y por el tipo de transmisión usado. Por ejemplo para el TIL103 ganancia de corriente es mayor que uno, el cual en algunos casos elimina la necesidad de amplificadores de corriente en la salida. Sin embargo ambos el TIL102/TIL103 y el TIL120/TIL121, tienen niveles de salida de corriente que son compatibles con las entradas de circuitos integrados como 54/74TTL. y muestran la relación entre la corriente de entrada y de salida típica proporcionado por el fabricante.

4. Tamaño: Las dimensiones de estos dispositivos permiten ser usados en tarjetas impresas estandares. Los empaquetados de los optoacopladores es por lo general del tamaño del que tienen los transistores.

Representación de un optoacoplador.

 Terminales de un optoacoplador 4N26..

Diferencia entre LEDS y optoacopladores. Los diodos LED están basados en la emisión de luz producida por la aplicación de una tensión directa a una unión PN, mientras que los optoacopladores utilizan esta propiedad junto con un dispositivo sensible a la luz para reunir en una sola cápsula un elemento emisor y otro receptor de luz, eléctricamente aislado uno de otro.

APLICACIÓN DE UN OPTOACOPLADOR

Caso concreto el sensor óptico por reflexión CNY70.

Este optoacoplador por reflexión se ha vuelto muy popular en aplicaciones educativas y minirobotica, además de que su costo es mínimo (10 pesos Mexicanos) por unidad y facil de conseguir. Además de que tanto el emisor y el detector se encuentran en el mismo encapsulado con dimensiones de tan solo 7mm x 7mm. Las hojas de especificaciones las pueden encontrar con cualquier buscador de internet o ir directamente a la pagina www.vishay.com que es la empresa que lo fabrica actualmente.

Antes que nada debemos conocer su interior y funcionamiento, sobretodo tener en mente la aplicación que implementaremos con el. Una de las mas sencillas es la de poder distinguir por reflexión entre los colores blanco y negro, lo cual es muy útil en los minirobots siguelíneas.

Diagrama de encapsulado. 

 En su interior dispone de un diodo emisor de luz infrarroja y un receptor en forma de fototransistor.

Esquema interno de un CNY70

Como pueden darse cuenta no solo es importante que se polaricen adecuadamente sino también la distancia “d” a la cual estarán colocados de la superficie reflectante, la cual es recomendable no este a mas de 5mm para este dispositivo.

Proseguiremos con el conexionado, debemos procurar que tanto el emisor como el receptor operen dentro de las regiones optimas de funcionamiento. Para ello el emisor deberá conectarse a una resistencia limitadora de corriente

Polarizacion con fuente y resistencia limitadora para el emisor 

Observando las características del diodo emisor vemos que soporta unos 50 mA. como máximo, tendrá una caída de tensión de 1,6 volts y una potencia máxima de 100 mW.

 Sin ningún problema podemos aplicar un voltaje de 5 volts y asignar a la resistencia un valor de 220 ohms, si hacemos los calculos la corriente que circulara por ese circuito sera:

Ifr = (5V – 1.6V)/220 ohms = 15 miliamperes.

Y aproximadamente disipara 25 mW. Con ese valor no tendrá ningún problema en el funcionamiento ya que ha dado muy buenos resultado para poder lograr la discriminación entre áreas negras y blancas.

 El transistor será conectado como un seguidor de señal, esto es con una resistencia en el emisor conectada a tierra.

 

Polarización de el fototransistor 

La corriente máxima del transistor es de unos 50 mA y la potencia máxima es de 100 mW.

 

Teóricamente atravesará por el transistor al conducir unos 0,1 mA. El fototransistor tiene una caída de tensión de aproximadamente de 1v con lo cual la corriente se reduce un poco. La tensión al saturarse el transistor será aproximadamente de unos 4v, y la de corte de unos 0 v y la potencia disipada rondará los 0,1 mW. El valor propuesto del resistor puede cambiar y puede ser como minimo de 10 kohms y aun da buenos resultados pero arrojara valores de voltaje que rondaran aproximadamente los 2.5 volts en condiciones de buena reflexión.

Quizá se preguntaran que ocurre en la transición entre el blanco y negro, cuales serán las variaciones intermedias y si no presentara a su salida fluctuaciones que impidan su conexionado a alguna lógica (TTL o CMOS) lo cual es ideal para aplicaciones robóticas.

Para responder a eso no es necesario recurrir a filtros o circuitos complicados, para ello podemos recurrir a una etapa de acoplamiento con una compuerta con disparador Schmitt-Trigger la cual nos ayudara a discriminar las variaciones indeseadas debidas a ruidos, interferencias u otros. Si se dan cuenta ahora si es posible acoplarla a una entrada lógica de algún circuito de control o microcontrolador.

Circuito completo del sensor reflectivo

¿Y como Funciona? Al estar sobre una superficie negra esta absorbe la radiación luminosa la cual no llegara al fototransistor o por lo menos no en los niveles necesarios para entrar en saturación, como consecuencia la entrada al disparador estará prácticamente a nivel de 0 volts y su salida estara en un nivel lógico “1” o 5 volts.

Para una superficie blanca las condiciones cambian, se presenta alta reflectividad por lo cual la radiación luminosa alcanza al fototransistor llevandolo a saturación o a conducir niveles de corriente suficientes que provocaran en el resistor de emisor una caida de voltaje que superaran el

umbral de cambio en el disparador, presentandose a su salida un nivel lógico “0” o de 0 volts.

Si analizamos el circuito, su respuesta y su sencillez podemos darle un sinfín de aplicaciones y no solo la de distinguir entre loc colores blanco y negro:

Siguelineas en minirobots.

Lector de discos codificados

Sensor de proximidad

Sensor de obstáculos, etc.

SENSORES DE IMAGEN

Se muestra solo una semblanza de los sensores de imagen, mejor conocidos como CCD, son parte fundamental de las cámaras modernas y como unidad de captación de imagen para su posterior procesamiento, se utilizan en líneas de producción de control de calidad, inspección visual de piezas metálicas, unidades móviles autónomas para exploración en lugares de alto riesgo, unidades de reconocimiento de rostros en aeropuertos y por supuesto como sistema de visión para los robots modernos, ya sean de tipo móvil, de exploración espacial o submarina. Hoy en día se vinculan mas a las unidades robóticas ya que la miniaturización ha alcanzado los niveles suficientes para que sean incorporadas a casi cualquier unidad robótica de cualquier tamaño, ya sea en una microcámara que se introduce en una sonda estomacal o como en el sistema de visión de la unidad de exploración marciana Souhjourner.

No expondremos alguna aplicación ya que es relativamente sencillo comprar una cámara barata con transmisor UHF y montarla en algún móvil y realizar reconocimientos remotos, esto no tiene gran ciencia, lo interesante es poder hacer el tratamiento de las imágenes y que con la información obtenida el robot interactúe, y para ello se requiere manejar avanzados niveles de programación y conceptos de procesamiento de imagen e inteligencia artificial lo cual no es la parte medular de este trabajo, pero el conocer el funcionamiento de la unidad básica de CCD, su construcción y tipos nos darán una gran idea de su aplicación y que en un momento dado podamos profundizar en su estudio y pasar a los niveles mas avanzados de aplicación, de tal forma que nuestro robot pueda, algún día poder reconocer nuestra fisonomía sin confundirla con el perchero de nuestro hogar.

¿Que es el CCD?

El CCD se inventó a finales delos 60 por investigadores de Bell Laboratories. Originalmente se concibió como un nuevo tipo de memoria de ordenador pero pronto se observó que tenía muchas más aplicaciones potenciales tales como

el proceso de señales y sobretodo la captación de imagen, esto último debido a la sensibilidad a la luz que presenta el silicio.

El sensor CCD de una cámara digital es como el motor de un coche, es la pieza principal. En su forma más elemental, el CCD es como un ojo electrónico que recoje la luz y la convierte en una señal eléctrica. Tienen dos diferencias básicas con los fotomultiplicadores:

Los sensores CCD son de menor tamaño y están construidos de semiconductores lo que permite la integración de millones de dispositivos sensibles en un solo chip.

La eficiencia cuántica de los CCD (sensibilidad) es mayor para los rojos. Los fotomultiplicadores son más sensibles a los azules.

 

FUNCIONAMIENTO

Físicamente, un CCD es una malla muy empaquetada de electrodos de polisilicio colocados sobre la superficie de un chip. Al impactar los fotones sobre el silicio se generan electrones generados que pueden guardarse temporalmente. Periódicamente se lee el contenido de cada pixel haciendo que los electrones se desplacen físicamente desde la posición donde se originaron (en la superficie del chip), hacia el amplificador de señal con lo que se genera una corriente eléctrica que será proporcional al número de fotones que llegaron al pixel. Para coordinar los periodos de almacenamiento (tiempo de exposición) y vaciado del pixel (lectura del pixel) debe existir una fuente eléctrica externa que marque el ritmo de almacenamiento-lectura: el reloj del sistema. La forma y amplitud de reloj son críticas en la operación de lectura del contenido de los pixeles.

Al tratarse el CCD de un dispositivo semiconductor, técnicamente es posible implementar en él todas las funciones electrónicas de un sistema de captación de imagen, pero esto no es rentable económicamente y por tanto se implementa en otros chips esternos al CCD: la mayoría de CCD de cámaras tienen varios chips (de tres a ocho).

La necesidad de usar chips distintos implica dos desventajas importantes; la necesidad de voltajes múltiples de abastecimiento de los chips y un gran consumo de Los chips de una cámara CCD pueden requerir 5 o 6 tipos de voltajes diferentes. Si el equipo dispone de una sola fuente (batería de voltaje único) se precisaran varios reguladores que generen dichos voltajes internamente.

 TIPOS DE CCD

Existen varios métodos de captura de imágenes con CCD:

ARRAYS LINEALES

Sensor lineal. Los conjuntos lineales usan una fila única de pixels que escanea linealmente la imagen. Los de un solo CCD hacen tres exposiciones por separado: rojo/verde/azul (RGB) y se empezaron a usar en los primeros escaneres Todavía son usados para capturar imágenes de objetos que no se mueven.

Sensor Trilineal. Se trata de tres CCD lineales unidos que se unan para capturar cada uno de los canales RGB en un solo barrido, son los que dan la resolución más alta y la gama espectral más rica. Se emplean en los escáneres de sobremesa y diapositivas.

 

ARRAY DE SUPERFICIE

Son los más empleados actualmente en cámaras digitales, consisten en una superficie donde existen miles de pixeles sensibles a la luz organizados en filas y columnas (una matriz). El CCD es sensible a los fotones de cualquier longitud de onda en mayor o menor grado (en general es más sensible a los rojos e infrarrojos y menos a los azules). Todos los CCD son, por tanto, monocromáticos, y no tnedremos ningún problema para capturar imágenes monocromas. Para obtener fotografías en color con dispositivos CCD se han desarrolado distintas tecnologías, las más empleadas son:

MOSAICO DE CCD. El CCD único con máscara de color (CCD en mosaico) es el que se emplea en la mayor parte de las cámaras de video digital o analógico y en las cámaras fotográficas digitales de color.

Antes de llegar al pixel, la luz pasa por un flitro que solo deja pasar los fotones de la longitud de onda deseada. Cada pixel solo puede tenr un filtro y por tanto solo es sensible a un color, el CCD se convierte en un mosaico de pixeles sensibles respectivamente al rojo, verde y azul. Como es lógico en el pixel en el que se recoje información de un color, rojo por ejemplo, no se puede captar la información del resto de los colores. La información de un color en los pixeles que no son sensibles al mismo se deduce por interpolación a partir de los pixeles vecinos de ese color. Debido a la interpolación que por óptima que sea nunca es real, las imágenes captadas con CCD en mosaico dan un cierto grado de borrosidad lo que las hace ser de baja calidad.

Una solución a éste problema, que se emplea en las cámaras domésticas de video y fotografía digital, es aumentar porcentualmente los pixeles sensibles al verde (el ojo humano es mucho más sensible a éste color) de modo que los tonos verdes tienen mucha menos borrosidad que los rojos o azules y el conjunto de la imagen gana en definición.

Detalle de un CCD en mosaico de color CCD triple (triCCD). La luz es descompuesta por prismas ópticos y

desviada a tres sensores CCD, uno para cada color básico. Los sensores para el verde y rojo suelen ser idénticos pero el sensor azul suele estar optimizado para este color. Las cámaras construidas con esta tecnología son mucho más caras que el resto no solo porque tienen que triplicarse los componentes sino porque los CCD deben estar pèrfectamente ajustados para que la luz de un mismo punto del objeto incida exactamente en las mismas coordenadas de pixel de cada uno de los CCD. Las cámaras tri-CCD son la mejor opción: permiten capturar imágenes en movimiento con una gran resolución y calidad cromática, el gran inconveniente es su precio por lo que esta tecnología solo se emplea en cámaras profesionales.

CCD único con exposición triple. Consiste en ún único CCD que es expuesto sucesivamente a los tres colores. El modo de conseguir imágenes de los tres colores es a través de un filtro que se coloca delante del CCD, luego se superponen las tres para obtener la imagen de color. Los filtros pueden ser de cristal (implica que la cámara debe disponer de un dispositivo mecánico que vaya cambiando cada filtro de modo secuencial), o de cuarzo líquido, este último permite cambiar de color al aplicarle distintos voltajes lo que abarata y simplifica el funcionamiento del sistema.

El método de exposición triple permite obtener imágenes de una calidad equivalene al tri-CCD pero solo de objetos estáticos ya que se necesita un tiempo para captar las tres imágenes.

ALGUNOS CONCEPTOS REFERENTES A UNIDADES FOTOMÉTRICAS

La intensidad de la luz puede expresarse en unidades fotométricas, datos IES (Illuminating Engineering Society) o con el estándar de iluminación natural.

Unidades fotométricas y ópticas y unidades

Intensidad luminosa: La unidad de luz que todavía se usa extensamente es la bujía. Esta fue definida en 1860 en términos de la energía luminosa emitida por segundo en todas las direcciones por una vela de cera de esperma de ballena quemándose uniformemente y consumiendo cera a una velocidad conocida. Sin embargo, a partir de 1909 se le definió en términos de la luz emitida por segundo en todas las direcciones por lámparas eléctricas específicas. A partir de 1921 la unidad se conoce como Bujía Internacional. Una nueva unidad, la candela (cd), ha sido adoptada internacionalmente (1945-48). Se le define como 1/60vo. de la luz emitida por cm2 por segundo por un antirradiante en el punto de congelación del platino. 1 candela = 0,982 bujías internacionales.

Flujo luminoso: La unidad de flujo luminoso, el lumen (1m), se define como la energía luminosa emitida por segundo en ángulo sólido de unidad por una fuente de punto uniforme de unidad de intensidad luminosa.

De esta manera, 4p x (flujo luminoso) = intensidad luminosa.

Unidad de ángulo sólido, 1 steradian, es el ángulo sólido subtendido en el centro de una esfera de unidad de radio por unidad de área en la superficie de la esfera.

La iluminación de una superficie se define como el flujo luminoso alcanzándola perpendicularmente por unidad de área. La unidad británica es el lumen/pie2,

llamado anteriormente el piebujía (p.b). La unidad métrica es el lumen/m² o lux (metrobujía).

Ley de coseno de Lambert para una superficie recibiendo luz de manera oblicua, la iluminación es proporcional al coseno del ángulo que la luz forma con la perpendicular a la superficie.

El brillo de una superficie es aquella propiedad por la cual la superficie parece emitir más o menos luz en la dirección de la vista. Esta es una cantidad subjetiva. La medida física correspondiente para la luz realmente emitida se llama luminancia.

Luminancia de una superficie es la luz realmente emitida (i.e. la intensidad luminosa) por unidad de área proyectada de superficie, estando el plano de proyección perpendicular a la dirección de la vista. Unidad, bujía/pie o bujía/m² . En ingeniería la luminancia de una superficie de difusión ideal emitiendo o reflejando un lumen/pie se llama un pie-lambert (ft-L). Un difusor ideal de luminancia emite = p lumens/pie².

La velocidad de la luz = 2,998 x 1010 cm/segundo = 186.300 millas/segundo en vacío.

Una unidad angstrom es la unidad en la cual las longitudes de las ondas de luz se miden 1 = 10-8 cm.

Indice de refracción de un material (µ) es la relación de la velocidad de la luz en espacio libre y aquélla en el material.

Ley de Snell: Para la luz incidente en el límite entre dos medios, la relación del seno del ángulo de incidencia (el ángulo entre el rayo de luz en el primer medio y la perpendicular a la superficie del límite) y el seno del ángulo de refracción (el ángulo entre el rayo refractado en el segundo medio y la perpendicular) es una constante, siendo igual a la relación inversa de los índices de refracción de los dos medios.

Una dioptría es la unidad de medida de la fuerza de un lente y se expresa numéricamente con el recíproco de la distancia focal expresada en metros.