Los sistemas de optoelectrónica encuentran cada día nuevas aplicaciones en el control, medición y regulación de infinidad de procesos. Este articula detalla características de los fotosensores y su uso en circuitos amplificadores, conmutadores y como optoacopladores. Entre las aplicaciones que se detallan tenemos las barreras luminosas, los detectores de nivel de líquidos, el centrado de bobinas de papel, control angular y de distancia, etc.
Introducción
Los sistemas optoelectrónicos usan los efectos de la radiación óptica desde las fuentes de radiación hasta los receptores conectados a unidades de control, mediciones y regulaciones.
Es fundamental seleccionar los componentes teniendo en consideración sus capacidades ópticas, eléctricas y espectrales para las tareas a ser desarrolladas.
Frecuentemente se eligen receptores de Si debido a su alta sensibilidad en la recepción de radiación emitida por fuentes como lámparas incandescentes o LEDs de GaAs.
La figura 1 muestra las distribuciones relativas de sus curvas espectrales.
Características de fotosensores
Las fotocélulas y fotodiscos tienen características básicas de funcionamiento distintas.
Células fotovoltaicas: Operan sin supresión de tensión (cortocircuito para circuito abierto).
Fotodiodos: Operan con baja tensión en la situación de polaridad "no conduciendo" del diodo.
En el fototransmisor, el diodo base-colector opera como un fotodiodo cuya comente es amplificada en el transistor.
Las figuras 2 y 3 muestran el comportamiento de esos elementos.
Conexión del fotosensor a circuitos amplificadora
Para tener una relación lineal entre la intensidad luminosa y la tensión de salida, es necesario elegir un valor de RA, en el caso de fotocélulas, muy pequeño porque µA es pequeño comparado con la tensión en circuito abierto, para la misma intensidad de luz.
Las figuras 4, 5 y 6 muestran ese comportamiento. En diversos casos los fotodiodos y fototransistores son conectados en serie con las resistencias de carga para la tensión de suministro.
La distribución de tensiones puede ser vista a partir de sus características.
Para lograr altos limites de frecuencias operativas, el fotosensor debe ser operado con una pequeña resistencia de carga y una "alta” tensión constante.
Esto se logra con un transistor con emisor a tierra o con un amplificador operacional (Op. amp) conectado como conversor "comente-tensión". La resistencia de entrada del amplificador es prácticamente cero. Esto permite el uso de células fotovoltaicas como alternativa en la forma cortocircuito.
Amplificadores de Disparo
Para una eficiente operación de “switch" el amplificador debe tener un comportamiento de gatillo tal que para variaciones lentas de la intensidad luminosa, el amplificador no deba cambiar su estado (on, off) muchas veces. Debido a ruidos sobrepuestos o no deseados (como serían el caso de lámparas fluorescentes).
Las puertas TTL están particularmente propensas a oscilar con ruidos.
Las características de disparo son logradas acoplando conectando la salida y la entrada del amplificador con una resistencia RH (Trigger con Histéresis). La figura 7 muestra circuitos de Amplificadores de switching para fotosensores.
Los optoacopladores consisten en un LED de GaAs con un fotodiodo o fototransistor formando un par. Son usados para permitir aislamientos eléctricos entre las señales en circuitos. La relación entre la corriente de salida y la corriente de entrada (relación de transferencia de corriente) es alrededor de 0,2% 1% para fotodiodos y 20% - 100% para fototransistores.
Las figuras 8 muestran un simple optoacoplador con componentes TTL para transferencias de señales digitales.
La figura 9 es el esquema clásico de un optoacoplador para control de Triac.
El pulso de disparo para el Triac es entregado por un integrado con switch en tensión cero (como por ejemplo el U217B), que es conmutado para "in" y "out" por el optoacoplador.
Usando un circuito integrado para el control del ángulo de fase (por ejemplo el U208B), que es conmutado el control del ángulo de fase (por ejemplo, el U208 TEA1007), el retraso de fase del pulso de disparo puede hacerse proporcional a la tensión en RA y por lo tanto aproximadamente proporcional a la corriente que circula por el LED del opto-acoplador.
Para amplificadores aisladores con estrictos requerimientos de linealidad e independencia a la temperatura, las características de los optoacopladores son compensadas con circuitos diferenciales y ”feedback" (retroalimentación).
En la figura 10 tenemos un caso en que la corriente de entrada controla el primer op. amp. y por lo tanto el LED para el punto donde la corriente del fotodiodo D1 balancea la corriente de entrada.
Los dos amplificadores necesitan estar muy bien aislados galvánicamente.
Barreras de luz Los lentes permiten el uso de un gran ángulo sólido de la luz emitida e incrementan la superficie real receptora tal que permiten largas distancias de transmisión.
Transmisor y receptor deben estar alineados entre sí (fig. 11).
No se olvide que el transmisor no es una fuente puntual de luz y por lo tanto el haz de rayos emitidos es divergente (fig. 12).
Barreras de luz del tipo reflectivo son fáciles de alinear. El transmisor y el receptor están alineados en un único componente con una lente común. Los rayos emitidos y recibidos son separados por divisores de luz iisicos o geométricos (fig. 13).
En la figura 13a, la luz emitida por L os reflejada 50% en el espejo semirreflector (I) y esta parte es absorbida en la superficie negra (A). Los otros 50% pasan por el espejo y son localizadas por el lente (Ob). Al volver, nuevamente inciden en el objetivo y reflejan en T. Mitad de esta luz incide en el sensor E. Note que en situación ideal (sin perdida en el camino). 25% de la luz original incide en E.
Si empleáramos un espejo plano para los rayos que vuelven, girando el espejo de un ángulo Z. tendríamos una rotación de 2?: en los rayos (fig. 14a).
Con prismas de ángulo recto (e índice de refracción>2) los rayos vuelven con 180º independientemente de la disposición del prisma (tig. 14h). En un prisma con tres faces reflectivas a 90º una de la otra (vértice de un cubo). Un rayo incidente en cualquier dirección (no solamente en el plano) vuelve a 180º. un gran número de pequeños prismas triples hechos en una hoja plástica. uno cercano al otro, son empleados para sistemas ópticos.
Esferas de vidrio adheridas a plástico funcionan como lentes y, conjuntamente a superficies aluminizadas que funcionan como espejos cóncavos, constituyen sistemas reflectores (tig. 14c).
Aplicación de barreras luminosas y sensores
En aplicaciones tales como la detección de objetos en posiciones particulares o el monitoreo de edificios, el rayo luminoso es interrumpido. Con el fin de prevenir la simulación de un camino abierto mediante luz externa (por ejemplo luz diurna) se usan sistemas de luz modulada.
En éstos el rayo de luz emitido es modulado y la señal recibida es amplificada selectivamente y evaluada. Usando un amplificador de tensión a. c. (corriente alterna) es fácil lograr factores de amplificación elevada, dado que se eliminan problemas de deriva. Los LEDs operados en el modo por pulsos pueden ser conducidos con potencia pico muy elevada, de modo que se pueden lograr grandes distancias de transmisión con tales sistemas de luz a.c.
Es muy interesante el principio de un sencillo sistema de barrera a.c. con retroalimentación óptica.
La oscilación es ocasionada por la retroalimentación positiva sobre el camino de la luz. El mismo lazo oscilante determina tanto la frecuencia emitida como la recibida. La salida es conducida, cuando está presente la oscilación, vía un circuito rectificador acoplado al oscilador.
La detección del nivel de un líquido transparente en un tubo se puede lograr usando un haz de luz de barrera dispuesto excéntricamente. Cuando el tubo está lleno con aire, el haz paralelo cae sobre el receptor. Cuando, sin embargo, el tubo está lleno con un líquido transparente, actúa como una lente cilíndrica y deflecta el haz lejos del receptor. Con líquidos no transparentes hay un efecto adicional de absorción.
Con un prisma totalmente reflectante el rayo de luz emitido sólo alcanza el receptor cuando el aire rodea las superficies del prisma. Cuando hay liquido en contacto con el prisma la reflexión total cesa y la luz no llega al receptor.
Para el control angular y centrado de una red en movimiento. se prefieren sensores y sistemas ópticos de medición analógica.
En estos sistemas ópticos reflectivos la tensión de salida varia en proporción a la obstrucción del haz de luz por la red material. El punto de partida (punto cero) es con el haz medio oscurecido, con un rango simétrico de operación a su alrededor.
Sin embargo, si la red permite algo de penetración luminosa (por ejemplo con hojas de metal) o es reflector en sí mismo (papel), la media intensidad se logra sólo con mayor interrupción del haz (o incluso nada en absoluto). El punto de partida debe ser ajustado en consecuencia.
La corrección del punto cero puede hacerse automáticamente usando un segundo haz de comparación partido, del cual una mitad cae sobre la red en movimiento y la otra mitad directamente sobre el reflector.
La diferencia entre las señales de los dos receptores produce en la salida, independientemente de la reflectividad o transparencia de la red, el valor "fijo" cero para el medio oscurecimiento del haz medidor.
Además, se proporciona compensación para cualquier deriva en el amplificador o en la intensidad luminosa de la lámpara.
Para un rango grande de medición a larga distancia, se usa una lámpara fluorescente como la fuente con un receptor de haz ancho para lograr el control de borde de la red.
Una imagen de la lámpara fluorescente se forma sobre el receptor medidor mediante una lente cilíndrica. La proporción de la señal de la celda medidora respecto a 1a de la celda de referencia da, independientemente del brillo de 1a lámpara, una señal de salida cuyo valor depende sólo del grado de oscurecimiento por la red. Para evitar el efecto de la luz diurna sobre la medición, sólo se evalúa el componente a.c. de la luz de la lámpara.
Si se requiere guiar una red centrada con exactitud. independientemente de las variaciones en ancho, se dispone un haz de barrera luminosa a cada lado de la tira para que el valor diferencial de las dos señales dé el control de la desviación.
Guiar una red con referencia a una línea impresa en la misma es posible usando un sensor de reflexión respondiendo al contraste entre el borde impreso y el papel.
Aquí, de nuevo, o bien se puede detectar el borde de la línea usando el medio oscurecimiento del haz de luz, o se puede usar un sensor diferencial para seguir el centro de la línea.
Para una medición continua de humo y polvo, o para medición de turbidez y rango de visibilidad, se usa una disposición de doble haz con sólo una fuente de luz y una fotocelda.
La luz es dividida en un haz de medición y uno de comparación por un semiespejo. El haz de medición recorre dos veces el camino de medición y cuatro veces a través de la ventana de salida.
El haz de comparación también recorre cuatro veces a través de la ventana de salida y por medio de un diafragma interruptor giratorio alternativamente con el haz de medición sobre el mismo receptor.
Las señales de los receptores son amplificadas en un amplificador común y divididas en valores de medición y comparación mediante un conmutador alternante que funciona sincrónicamente con el diafragma interruptor.
Formando la proporción de medición respecto a comparación se eliminan simultáneamente las perturbaciones tales como variaciones en la lámpara o el receptor suceded de las ventanas de salida de la luz, deriva del amplificador y efectos de temperatura
La división se logra regulando el valor de comparación U2 con un valor constante fijo. Un optoaislador con controles de fotorresistor controla el factor de amplificación del amplificador común y también corrige el valor medido UI.
En el control del registro de impresiones multicolores, se imprimen marcas durante cada proceso de color (por ejemplo, amarillo, rojo. azul, negro) que están en línea con las demás cuando los diferentes componentes de color de la imagen tienen un registro correcto.
Un sensor de doble haz toma muestras de dos marcas adyacentes y entrega dos pulsos, cuyo desplaza-miento en el tiempo corresponde al desplazamiento espacial de las imágenes parciales.
Un controlador evalúa este desplazamiento en el tiempo y corrige la posición de la imagen en la impresión. Para permitir al monitor tomar muestras de diferentes colores en forma confiable, la distribución de la sensibilidad espectral es alterada de tal manera, mediante combinaciones de filtros de colores, que se obtiene un aumento en contraste para las marcas de color.
La distribución de la energía espectral de la lámpara incandescente S (fig. 28) multiplicada por la distribución de la sensibilidad espectral del receptor (Si - ?- ) da la distribución espectral de la fotocorriente Ip (Fig. a). la comente I es proporcional al área bajo la curva es determinada esencialmente por el componente infrarrojo, que puede ser atenuado fuertemente mediante un filtro protector contra el calor (Figs. b y e).
Un efecto de filtro adicional es proporcionado por las marcas impresas (fig. (1) que deben ocasionar la mayor atenuación posible de la corriente en relación a la superficie blanca.
Las marcas rojas dan un contraste pobre aunque son fácilmente diferenciadas por el ojo. Las marcas azules y verdes dan buen contraste con el papel y la serial receptora es fuertemente reducida. Para aumentar el contraste para el rojo, se introduce una combinación de dos filtros azules (fig. i). La atenuación del componente rojo mejora el contraste, pero debido al efecto general sustractivo de los filtros el valor absoluto de la fotocorriente es más bajo (lig. g).
En aparatos que deben seleccionar cartas, la posición de los sellos fluorescentes os monitorizado con el fin de disponer la letra en la posición correcta para su lectura. Las marcas de código, también fluorescentes, indican el post-código de 4 caracteres usando un código de 2 entre 5.
Para el proceso de discriminación la posición de lectura es iluminada con una lámpara de ultravioleta (UV) y la fluorescencia emitida es recibida por el monitor. Un filtro bloquea la radiación UV y la luz azul de la lámpara.
En aparatos para control de distancia, se usa una barrera de luz reflectiva con un emisor y un receptor dispuestos con los ejes en una formación en V uno con respecto al otro. Con la superficie a ser monitoreada en su posición correcta, las reflexiones difusas o especulares de la misma son llevadas simétricamente por las ópticas receptoras hasta los dos receptores.
Si la superficie es desplazada la mancha de luz se altera y los receptores son iluminados asimétricamente. El amplificador diferencial produce una serial de salida negativa o positiva.
En discos de codificación o codificadores lineales para la medición de ángulos absolutos o desplazamiento, un conjunto paralelo de fotosensores monitoriza la cantidad medida mediante el trazo múltiple con código escuro-claro.
Cuando se usan códigos de paso simple (por ejemplo el código Gris) las palabras en código adyacentes siempre difieren una de la otra en sólo un bit.
Esto impide la lectura incorrecta debido a tolerancias de fabricación durante el cambio de un número al siguiente. El código BCD o el Código Dual. que son más fáciles de evaluar, tienen la propiedad que varios bits cambian de estado simultáneamente.
Para evitar las combinaciones incorrectas de código, que son por lo tanto posibles, se usa el método dual o muestra en V. En el mismo cada pista que no sea la menos significativa como sensor formada por dos haces de luz (barreras de luz) desplazados 90 graus uno del otro, mientras sus lecturas son interpretadas en la lógica de selección a partir del resultado de leer la pista adyacente más tina.
Esto tiene el efecto de que todas las pistas concernientes cambian de estado simultáneamente con la pista menos significativa y, por lo tanto, son permisibles mayores tolerancias de sensibilidad.