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Instrumentación ElectrónicaCurso 2007-08 Transparencias de clase

Instrumentación Electrónica 07-08

Tema 3 Sensores

3.5 Sensores radiación y ópticos

INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA 07-08

Pilar MOLINA GAUDÓ[email protected]

Ubicación lección temario

BLOQUE 1Introducción

BLOQUE 2Acondicionamiento

de señales

BLOQUE 3Sensores

BLOQUE 4Adquisición y

conversiónBLOQUE 5

Instrumentaciónavanzada

1. Introducción a sistemas medida 2. Amplificación en

instrumentación3. Ruido e

interferencias4. Filtrado5. Otros circuitos

acondicionadores6. Sensores de Tª7. Galgas y s. resistivos8. S. capacitivos e inductivos9. Electromagnéticos y Hall10. Radiación y optoelectrónicos11. Piezo- y piroeléctricos12. Otros y resumen 13. Adquisición de

señales14. Conversión AD

y DA15. Equipos de medida16. Sistemas de adquisición

de datos y redes sensores

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Sensores

• Objetivos:– Conocer las principales características de algunos sensores

electromágneticos– Diseñar etapas de acondicionamiento de los mismos

1. Magnitudes fotométricas2. Fotorresistencias3. Fotodiodos.

1. Principios de funcionamiento2. Modelo eléctrico3. Acondicionamiento

4. Fototransistores5. Aplicación de fotodiodos y fototransistores



Magnitudes fotométricas

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• Espectro visible:– Flujo luminoso, lumen (lm). Potencia emitida por una fuente

luminosa. • A la relación entre watts y lúmenes se le llama equivalente luminoso

de la energía y equivale a: 1 watt-luz a 555 nm = 683 lm

– Intensidad luminosa, candelas (cd). Flujo luminoso emitido por unidad de ángulo sólido.

– Iluminancia o nivel de iluminación, lux (lx). Flujo luminoso recibido por un cuerpo por unidad de superficie.

– Ejemplos:• 1 lx: suficiente para leer un folio• 100 lx: iluminación habitual en una habitación• 10-3 lx: luz de una estrella, 105 lx: luz del sol• 1000 lx: iluminación de una bombilla de tungsteno de 60W a 2,5cm

• Espectro no visible:– Flujo radiante, watios (W). Potencia de radiación emitida– Intensidad radiante, (W/sr). Flujo radiante por ángulo sólido.– Irradiación, (W/m2). Potencia por unidad de superficie.

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Fotoresistencias

• 1873 W. Smith detecta:– Resistividad de una R de Se varía con luz Efecto fotoconductor

• Conductividad – electrones banda conducción



Fotoresistencias LDRs

• A, α dependen material• Respuesta espectral estrecha:

• Sensibilidad con Tª• Tiempo respuesta LENTO

vR A E α−= ⋅

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Ejemplos

de -40°C a +75°CTemperatura de funcionamiento

5ms18msTiempo de bajada (norm.)

35ms90msTiempo de subida (norm.)

80mW400mWPotencia disipada (máx.)

100V250VTensión de pico (máx.)

1MΩ300KΩResistencia en oscuridad (mín.)

10K-50KΩ8-24KΩResistencia de la célula a 10 Lux (mín.-máx.)

550nm550nmRespuesta espectral de pico

VT935GVT43N2

Características técnicas



Aplicaciones

• Medida luz• Control automático de brillo y contraste (TV)• Diafragmas de cámaras fotográficas• Detectores de presencia

– Alarmas

• Medidores de nivel• Medidor partículas en suspensión• Pulso cardiaco

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Fotodiodos: principio de funcionamiento

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• Los fotodiodos son diodos semiconductores que operan polarizados inversamente. Durante la absorción de la luz, cuando un fotodiodo es iluminado, las partículas de energía luminosa, también llamadas fotones, son absorbidas generando pares electrón - hueco, que en presencia de un campo eléctrico producen una corriente eléctrica.

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Fotodiodos: principio de funcionamiento

• Profundidad de penetración

( ) x0 eIxI α−⋅=

α=δ1

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Tipos de Fotodiodos

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Modelo eléctrico de un Fotodiodo

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−= 1eIi kT

qv

sd

d



Modelo eléctrico simplificado

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• Zona directa

• Zona inversa

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Características de los fotodiodos

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• Superficie activa• Eficiencia cuántica • Sensibilidad • Respuesta espectral• Capacidad• Corriente de oscuridad• Ruido

Respuesta espectral



Características de los fotodiodos

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• Tiempo de subida

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Acondicionamiento de fotodiodos

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• Fotodiodo en cortocircuito




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• Otras estrategias

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• Convertidor I-V




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• Inestabilidad debido a la capacidad del fotodiodo

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• Compensación




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• Redes en T

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Fotodiodo

• Estos dispositivos son muy rápidos, de alta sensibilidad y pequeñas dimensiones.

• La corriente eléctrica generada por ellos es del orden de los nanoamperios (10-9 A) y por lo tanto se requiere de una amplificación para manipular adecuadamente la señal.

• Ejemplo: detector de luz

+5V

+15V

-15VR11M

R2100

R3=10K

D2

R4

R5

Y

D1

74HC14

VO

A



P2

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Fototransistores

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• Principio de funcionamientofpTc ii β=



Fototransistores

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• Curvas características y acondicionamiento básico

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Aplicaciones de fotodiodos y fototransistores

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• Diagrama de bloques típico de un sistema de medida óptico

• Aplicaciones:– Detectores de proximidad, color, humo, lluvia en automóviles– Sistemas de comunicaciones por fibra óptica– Optoacopladores



Detectores de proximidad

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• 3 tipos fundamentales:(a) Detectores por reflexión en objeto difuso(b) Detectores por reflexión en espejo(c) Detectores de barrera

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Codificadores absolutos

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Otras aplicaciones

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• Detectores de color

• Detectores de humo

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Células fotovoltaicas

• En esencia: lo mismo que fotodiodos – EFECTO FOTOVOLTAICO– Mismos materiales que LDRs y fotodiodos



Células fotovoltaicas

• Estructura y funcionamiento

• PRODUCEN DC Alterna

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Ejemplo

50W 1m -0.5m 600€



CCDs

• CHARGE–COUPLED DEVICES

• Matriz de células almacenamiento carga– Generación fotovoltáica e-– Acumulan carga linealmente t e iluminación– Coordinando secuencia de pulsos por los electrodos transfiere la carga

a un amplificador

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