Los sensores de luz o fotosensores, diseñados para medir la intensidad de la luz, son uno de los sensores más utilizados en aplicaciones electrónicas. La intensidad de la luz es una de las siete cantidades físicas básicas. Medir la intensidad de la luz es útil en muchas aplicaciones de consumo, industriales y de seguridad.
¿Qué es un sensor de luz?
Un sensor de luz es un dispositivo fotoeléctrico que convierte la energía luminosa en energía eléctrica. Estos sensores están diseñados para ser sensibles a la luz visible, infrarroja o ultravioleta, lo que significa que son sensibles a un rango estrecho del espectro electromagnético.
Los sensores de luz se construyen a partir de materiales selectivos que generan electricidad cuando se exponen a una parte específica del espectro. La cantidad de electricidad es proporcional a la intensidad de la luz incidente.
Unidades de intensidad de luz
La intensidad de la luz es una de las siete cantidades físicas básicas. Su unidad “SI” es candela. Una candela es la intensidad luminosa en una dirección determinada de una fuente, que emite luz verde monocromática de 540 × 1012 hercios y tiene una intensidad radiante de 1/683 vatio por estereorradián en la misma dirección.
Candela se utiliza a menudo para indicar la intensidad de las luces artificiales. Otras unidades incluyen lumen y lux. Lumen es la unidad de flujo luminoso y mide la cantidad total de luz emitida por una fuente. Se define como la cantidad de luz emitida por segundo en un ángulo sólido de un estereorradián desde una fuente uniforme de una candela. El lumen se utiliza a menudo para indicar el brillo de las fuentes de luz.
Mientras que el lumen es una unidad utilizada para expresar la cantidad total de luz de una fuente, el lux es la cantidad total de luz de una fuente que incide sobre una superficie determinada. Un lux equivale a un lumen de luz incidente por metro cuadrado.
Tipos de sensores de luz
Los sensores de luz son principalmente dispositivos pasivos. Se clasifican en dos clases:
1. Genera electricidad cuando se expone a la luz (es decir, dispositivos fotoemisivos y fotovoltaicos)
2. Conduce electricidad cuando se expone a la luz (es decir, dispositivos fotoconductores/fotorresistivos y de fotounión)
Uno de los mejores ejemplos de dispositivo fotovoltaico es una célula solar. Un fototubo es un dispositivo fotoemisor. Una resistencia dependiente de la luz es un dispositivo fotoconductor/fotorresistivo. El fotodiodo y el fototransistor son dispositivos de fotounión populares. Sin embargo, es importante señalar las diferencias entre estos mecanismos.
Los dispositivos fotoemisores se construyen a partir de materiales fotosensibles como el cesio, que genera electrones libres cuando se expone a fotones. Estos dispositivos generan corriente cuando se exponen a la luz. Cuanto mayor es la frecuencia de la luz incidente, mayor es la energía de los fotones incidentes y mayor es la cantidad de corriente eléctrica generada.
En los dispositivos fotovoltaicos, la diferencia entre dos materiales semiconductores se genera en respuesta a la energía luminosa incidente. Debido a estas diferencias de potencial, la corriente fluye entre las dos capas del semiconductor.
Los dispositivos fotoconductores se construyen a partir de materiales semiconductores que sufren cambios de conductividad según la exposición a la luz. Debido a la energía absorbida de la luz incidente, se generan más electrones libres y aumenta la conductividad de estos materiales. El material fotoconductor más común utilizado en las células LDR es el sulfuro de cadmio.
Los dispositivos de fotounión se construyen a partir de materiales semiconductores típicos como el silicio o el germanio. Funcionan como cualquier diodo o transistor normal, excepto que su unión PN está expuesta a la luz y conduce cuando se expone a la luz. La respuesta de un fotodiodo o fototransistor está sintonizada a un rango específico del espectro electromagnético.
LDR
Una resistencia dependiente de la luz (LDR) o fotorresistor está hecha de un semiconductor fotosensible cuya conductividad cambia cuando se expone a la luz.
La resistencia del material es de varios miles de ohmios o megaohmios en la oscuridad y cae a unos pocos cientos de ohmios cuando se expone a la luz. El material semiconductor a menudo se coloca en forma de zigzag sobre un sustrato cerámico para aumentar la resistencia a la oscuridad.
Los materiales semiconductores que se utilizan habitualmente para construir fotorresistores son el sulfuro de plomo (PbS), el antimonuro de indio (InSb), el seleniuro de plomo (PbSe) y el sulfuro de cadmio (CdS).
El sulfuro de cadmio es el material más común utilizado en la construcción de LDR. Se trata de un semiconductor de bajo coste con una curva de respuesta cercana a la del ojo humano. La longitud de onda de máxima sensibilidad del sulfuro de cadmio es de 560 nm a 600 nm.
Generalmente, LDR se utiliza para detectar luz u oscuridad. Se puede conectar a una red divisora de voltaje con un circuito de transistores o un microcontrolador/microprocesador. También se puede conectar a un puente de Wheatstone con un circuito amplificador operacional.
Fotodiodos
Un fotodiodo es un dispositivo de fotounión. Es un diodo normal con su unión PN expuesta a la luz a través de una caja transparente o una lente transparente. Estos diodos tienen las mismas características de voltaje-corriente que cualquier otro diodo de unión. Pero tienen una conductividad mayor que los diodos convencionales porque su unión está abierta a la exposición a la luz.
Los fotodiodos están conectados en una configuración de polarización inversa, que conduce una corriente de fuga inversa en la oscuridad. Cuando el fotodiodo se expone a la luz, la corriente de fuga inversa aumenta varias veces.
La corriente de fuga inversa de un diodo de silicio en la oscuridad es de 1 uA. La de un diodo de germanio es de 10 uA. Al exponerse a la luz, la corriente de fuga inversa puede alcanzar hasta 300 uA. Cuanto mayor sea la intensidad de la luz incidente, mayor será la corriente de fuga inversa.
Los LDR o fotorresistores tienen un tiempo de respuesta prolongado. Pueden ser necesarios varios segundos para cambiar la conductividad después de la exposición a la luz. Los fotodiodos, por otro lado, tienen una respuesta instantánea.
Aunque un LDR está sintonizado con el espectro de luz visible, los fotodiodos son sensibles a la luz visible e infrarroja. La mayor desventaja de los fotodiodos es que su corriente de fuga inversa todavía está en el rango de los microamperios, incluso cuando se exponen a la luz. Por lo tanto, requieren un circuito amplificador operacional para la detección de luz.
Los fotodiodos tienen un tiempo de respuesta en nanosegundos. Se utilizan en aplicaciones sofisticadas que incluyen cámaras, dispositivos de imágenes y escaneo, reproductores de CD y DVD, comunicación por fibra óptica, detección de movimiento y sensores de posicionamiento.
Fototransistores
Los fototransistores son similares a los fotodiodos excepto que proporcionan amplificación de corriente. Por lo general, se diseñan utilizando transistores NPN normales con la unión PN de la base del colector expuesta a la luz a través de una carcasa transparente o una lente transparente. Debido a la amplificación de corriente, su corriente de salida es de 50 a 100 veces mayor que la de los fotodiodos. La región base está aislada eléctricamente o tiene control de sensibilidad.
Como el fototransistor ya proporciona amplificación de corriente, a diferencia de un fotodiodo, no requiere un amplificador externo para su funcionamiento. Un fototransistor es simplemente un transistor típico con un colector de base expuesto a la luz.
Los fototransistores NPN están conectados en un circuito con su colector base en configuración de polarización inversa. En la oscuridad, hay una pequeña corriente de fuga del emisor. Cuando se expone a la luz, la corriente de base aumenta y es amplificada por el transistor. La sensibilidad de un fototransistor depende de la ganancia de CC del transistor. La corriente de salida puede controlarse mediante la resistencia entre la base y el emisor del fototransistor.
Para aplicaciones de mayor sensibilidad, como optoacopladores, se utilizan fototransistores Darlington. En los transistores Photodarlington, dos fototransistores de tipo NPN están conectados como un par Darlington. La amplificación de la corriente de salida es el producto de la amplificación de la corriente de los dos fototransistores. Los transistores Photodarlington tienen un tiempo de respuesta más largo en comparación con los fototransistores pero ofrecen una mayor sensibilidad.
Los fototransistores se utilizan normalmente como interruptores ópticos, aisladores ópticos o filtros de infrarrojos, y en controles remotos por infrarrojos y comunicaciones por fibra óptica.
Células solares
Las células solares o fotovoltaicas no son sensores. Se utilizan principalmente para generar energía solar y están hechos de uniones PN de silicio monocristalino, fotodiodos similares pero con una curva de respuesta más amplia.
A diferencia de los fotodiodos conectados en una configuración de polarización inversa, las células solares están conectadas en una configuración de polarización directa, muy parecida a los diodos típicos. Estas células están diseñadas para ser sensibles a la luz solar en lugar de a una banda estrecha del espectro electromagnético. Cuando una celda se expone a la radiación solar genera una diferencia de potencial de 0,58V.
Normalmente, se conectan varias células solares en serie en un panel para producir un voltaje más alto. Este voltaje de CC puede impulsar una carga resistiva o convertirse a CA para su transmisión.
Aplicaciones de sensores de luz
Los LDR, fotodiodos y fototransistores se utilizan comúnmente como sensores de luz en diversas aplicaciones. Los ejemplos incluyen: ajuste de brillo en dispositivos móviles, luces automáticas, riego automático, aislamiento óptico, comunicación por fibra óptica, detección de movimiento, controles remotos IR, detección de posición, datos ópticos e imágenes ópticas.
Los sensores de luz también se utilizan para aplicaciones de seguridad y domótica. Por ejemplo, se suelen utilizar en envíos de carga para detectar a qué hora se abrió el contenedor para rastrear mercancías perdidas. Algunos sensores de luz también se utilizan para la detección de movimiento en muchas aplicaciones de seguridad doméstica inteligente.