El mundo moderno está lleno de dispositivos que se excitan cuando detectan el movimiento humano . Puertas automáticas en ascensores y centros comerciales, alarmas antirrobo en hogares y tiendas, sistemas de iluminación automáticos, amenidades electrónicas en baños son sólo algunos ejemplos en los que la presencia o ausencia humana pone el dispositivo en un estado activo o pasivo. Inteligente, ¿verdad? Ahora bien, ¿y si decimos que detrás de esta respuesta inteligente al movimiento hay un dispositivo que no llega ni a los 2 cm de tamaño? Conocido como Sensor Piroeléctrico o Infrarrojo Pasivo ( PIR en ambos casos), este pequeño dispositivo electrónico es el curioso caso de este Insight.
Todo objeto que tiene una temperatura superior al cero perfecto emite energía térmica (calor) en forma de radiación. Los Homo sapiens irradiamos a una longitud de onda de 9 a 10 micrómetros durante todo el día. Los sensores PIR están sintonizados para detectar esta longitud de onda IR que solo emana cuando un humano se acerca a ellos. El término "piroelectricidad" significa: calor que genera electricidad (en este caso, una señal eléctrica de pequeña amplitud). Dado que estos sensores no tienen una fuente de infrarrojos propia, también se les llama pasivos.
¿Cómo responde selectivamente el sensor PIR a los infrarrojos irradiados por humanos? ¿Hasta qué rango puede funcionar este sensor? ¿Qué hay dentro de este sensor que lo hace funcionar? Eso y respuestas a más preguntas en esta Información sobre sensores PIR. Lo que añade más encanto a este Insight es que el sensor Panasonic de 10 m es también uno de los sensores PIR más pequeños disponibles comercialmente hasta la fecha.
Fig. 1: Imagen del sensor infrarrojo Panasonic de 10 mm
Matriz de lentes Fresnel
Fig. 2: Imagen del cuerpo externo del sensor
La imagen 02 muestra un sensor Panasonic de 10 m: la unidad del sensor PIR encerrada en una cámara de plástico. La cámara es translúcida, está revestida con una tapa en forma de panal y tiene una abertura en la parte inferior de la cual sobresalen las patas de inmersión de soldadura del sensor.
Fig. 3: Imagen que muestra la estructura de la colmena y los segmentos curvos de la región del sensor superior
Si se observa de cerca la zona superior del sensor, la estructura en forma de panal, se ven segmentos curvos. Estos segmentos curvos son lentes de Fresnel que constituyen un conjunto que aumenta la zona de detección del sensor. Se sabe que el conjunto de lentes de Fresnel captura más radiación infrarroja y la enfoca en un punto relativamente más pequeño. La detección es más estable y la distancia máxima de detección también aumenta. La lente Fresnel está diseñada para ser translúcida, de modo que pueda capturar solo radiación infrarroja sin recibir radiación no deseada del espectro de luz visible.
La cantidad de lentes Fresnel puede variar según la matriz y este sensor tiene un total de 20 lentes.
Marcos interiores de plástico.
Fig. 4: Configuración interna del sensor PIR
Fig. 5: Forma y estructura del sensor PIR
La tapa cargada con matriz Fresnel se coloca firmemente sobre la región de la base de la moldura de plástico. Sin embargo, no hay ningún mecanismo de bloqueo para sujetarlo, lo que hace que sea curioso retirar el conjunto de lentes Fresnel del conjunto de plástico. Debajo del conjunto de lentes Fresnel se encuentra el sensor PIR que está firmemente colocado en los marcos de plástico. La ubicación del sensor es crucial ya que debe recibir la máxima cantidad de radiación infrarroja proveniente del conjunto de lentes. Por lo tanto, se coloca en el centro de los marcos donde la máxima radiación converge para caer.
Filtro IR y lata metálica TO5
Fig. 6: Filtro de infrarrojos del sensor
| Fig. 6: Ver filtro de infrarrojos |
En la parte superior del sensor se encuentra el filtro de infrarrojos. Pareciéndose más a un cristal cuadrado, este filtro selecciona la longitud de onda deseada a la que el sensor quiere responder. Como este sensor fue diseñado para detectar la presencia humana, la longitud de onda elegida es de 8 micrómetros a 14 micrómetros, que es el rango dentro del cual el cuerpo humano irradia rayos electromagnéticos.
Fig. 7: Especificaciones de diseño del sensor
El cuerpo del sensor es una estructura de lata de metal TO5. TO5 es un estándar industrial que se utiliza para empaquetar varios módulos pequeños, como transistores, sensores, etc. La carcasa metálica TO5 protege el circuito interno de influencias externas como vibraciones o ruidos que podrían perturbar el funcionamiento normal del circuito.
Elemento sensor y chip
Fig. 8: PCB del sensor PIR
Al quitar la cubierta del sensor, se muestra una pequeña PCB que alberga el módulo de detección, el amplificador y un circuito comparador. La Figura 09 muestra la parte superior del PCB donde se coloca el elemento sensor. Los elementos sensores suelen estar hechos de cerámica ferroeléctrica (contiene plomo) o tantalita de litio (sin plomo). Para aumentar la potencia de recepción de la señal, se utilizan varios elementos sensores. El sensor es de tipo cuádruple y tiene 4 elementos sensores conectados en una matriz.
Los rayos IR, después de atravesar el filtro, llegan a este elemento sensor que genera una carga. La magnitud de la carga producida es directamente proporcional al número de rayos que inciden sobre el elemento.
Fig. 9: Amplificador y comparador de PCB
Una vez desarrollada la carga, pasa al circuito amplificador, desde donde se transmite al comparador. Además, en esta PCB están integrados el amplificador y el comparador. Anteriormente estos dos circuitos estaban incluidos en el circuito externo; sin embargo, incluirlos en el módulo del sensor hace que el circuito sea más compacto. Como estos dos circuitos ya están predefinidos para el espectro de radiación IR, los resultados tienden a ser más precisos y exactos.
Los comparadores se utilizan en aquellos módulos de sensores que proporcionan una salida digital, como este.
FET y clientes potenciales
Fig. 10: Placa base y sus componentes
Fig. 11: Unidad procesadora y resistencias integradas
La placa base y el resto de la estructura del sensor es un transistor de efecto de campo, FET. Incluso si la carga producida se amplifica, sólo puede generar voltajes del orden de 1 mV. Los FET pueden funcionar a un voltaje tan bajo y pueden transmitir fácilmente el voltaje a la unidad procesadora a través de la cual está conectado el sensor.
La imagen 10 detalla la placa base, mientras que la imagen 11 muestra la unidad procesadora con algunas resistencias.
Fig. 12: Cables de conexión del sensor PIR multifuncional
En la parte inferior del sensor se encuentran, como era de esperar, los cables de conexión. En este sensor, realizan múltiples tareas: permitir que el sensor se suelde, atender pequeños requisitos de energía y enviar la salida a la unidad de procesamiento.
La Imagen 12 muestra detalles del posicionamiento de los cables de conexión, organizados de la misma forma que en un JFET. La función específica de cada electrodo se muestra en la imagen.
