Publicado : 10/07/2021 Fotorresistencia, fototransistor y fotodiodo. ¿Qué son y qué diferencias hay? - Categorías : Teoría Productos relacionados Fotoresistencia GL5516 Tipo LDR 5k - 10k Módulo Sensor GUVA-S12SD UV Sensor TCRT5000 Infrarrojo IR Seguidor Linea Obstáculos Fototransistor Panel Solar DIY 12V 1.5W ¿Cuáles son los tipos de sensores de luz? En función de su fabricación, salida y aplicaciones, hay varios tipos de dispositivos que reaccionan diversamente a la luz. Este fenómeno físico provoca cambios en los sensores los cuales se suelen confundir habitualmente. La confusión entre cuando aumenta la resistencia si le da la luz o con ausencia de luz, conduce o no conduce corriente cuando hay luz o la conexión de estos sensores suele siempre dejarnos confusos y teniendo que buscar la respuesta para recordarlo. Si has usado estos dispositivos electrónicos es muy probable que te haya pasado y te hayan surgido muchas preguntas. ¿Cuál es la diferencia entre fotodiodo y fotorresistencia? ¿Cuál es la diferencia entre un fotodiodo y un fototransistor? ¿Cuándo conduce un fotodiodo? Y muchas más que intentaremos solucionarte. En este artículo vamos a explicar las diferencias claramente, e intentaremos que se te queden en mente para no tener que buscarlo nuevamente cada vez. Además, te resumimos todo en una tabla comparativa visual, para que tengas de un vistazo toda la información. INDICE 1. Sensores de luz 2. Fotorresistencia o LDR 3. Fotodiodos 4. Fototransistores 5. Células solares 6. Tabla comparativa 1. Sensor de luz Los sensores de luz o fotosensores, que están 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 magnitudes físicas básicas. La medición de la intensidad de la luz es útil en muchas aplicaciones de seguridad, industriales y de consumo. ¿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 una banda estrecha del espectro electromagnético. Los sensores de luz se construyen a partir de materiales selectivos que generan electricidad al exponerse a una parte específica del espectro. La cantidad de electricidad es proporcional a la intensidad de la luz incidente. Unidades de medida de la luz Como hemos dicho, la luz o más bien la intensidad luminosa, es una de las siete cantidades físicas básicas. Las magnitudes básicas del actual SI (sistema Internacional) son: longitud, masa, tiempo, intensidad de corriente eléctrica, temperatura termodinámica, cantidad de sustancia e intensidad luminosa. Su unidad "SI" es la candela, abreviado como “Cd”. Una candela está definida como la intensidad luminosa en una dirección dada de una fuente, que emite luz verde monocromática de 540 × 1012 hercios y tiene una intensidad radiante de 1/683 Watt por estereorradián en la misma dirección. La candela se usa a menudo para indicar la intensidad de las luces artificiales. Lumen vs Lux Otras unidades conocidas son el lumen y lux. El 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 sobre un ángulo sólido de un estereorradián desde la fuente uniforme de una candela. El Lumen (lm) se utiliza a menudo para indicar el brillo de las fuentes de luz. Mientras que lumen es una unidad que se usa para expresar la cantidad total de luz de una fuente, un lux es la cantidad total de luz de una fuente que incide en un área de superficie particular. Un lux (lx) equivale a un lumen de luz incidente por metro cuadrado. Tipos de sensores de luz La mayoría de los sensores de luz son dispositivos pasivos. La diferencia entre los sensores pasivos y activos es que para los primero no necesitan ninguna fuente de energía adicional y generan directamente una señal eléctrica en respuesta a un estímulo externo. Estos sensores de luz pasivos los clasificamos en dos principales tipos: - Tipo 1: Generan electricidad al exponerse a la luz (es decir, dispositivos fotoemisivos y fotovoltaicos) - Tipo 2: Conducen electricidad al exponerse a la luz (es decir, dispositivos fotoconductores / fotorresistivos y de fotounión). Vamos a hablar de cada uno de ellos más detenidamente a continuación y los compararemos al final para que te queden claras las diferencias. 2. Fotorresistencia o LDR Una resistencia dependiente de la luz – en inglés Light-Dependent Resistor (LDR) - o fotorresistencia está hecha de un semiconductor fotosensible cuya conductividad cambia cuando se expone a la luz. Por tanto, son del “Tipo 2”, ya que conducen electricidad al exponerse 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. Fotoresistencia GL5516 Tipo LDR 5k - 10k - Referencia S0012 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. Este semiconductor es de alta resistencia como el sulfuro de plomo (PbS), antimonuro de indio (InSb), seleniuro de plomo (PbSe) o el más común, el sulfuro de cadmio (CdS). Este sulfuro es un semiconductor de bajo costo con una curva de respuesta que se asemeja mucho a la del ojo humano. La longitud de onda máxima de sensibilidad del sulfuro de cadmio es de 560 nm a 600 nm. Generalmente, los LDR se utilizan para la detección de luz u oscuridad. Se puede conectar en una red de divisores de voltaje con un circuito de transistor o un microcontrolador / microprocesador. También se puede conectar a un puente de Wheatstone con un circuito amplificador operacional. Símbolo Sus símbolos son parecidos a los de la resistencia, pero rodeados por una circunferencia a la que se le añaden dos flechas en referencia a la luz incidente. La circunferencia puede o no aparecer. Como las resistencias, las LDR no tienen polaridad, por lo que la corriente puede atravesarles por igual en cualquier sentido. + LUZ = - RESISTENCIA 3. 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 o una lente transparentes. Estos diodos tienen las mismas características de voltaje-corriente que cualquier otro diodo normal de unión. Pero tienen una conductividad más alta que los diodos convencionales porque su unión está abierta a la exposición a la luz. Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, iluminados en ausencia de una fuente exterior de energía (como una pila) generan una corriente muy pequeña. Por lo que podemos ver como son de “Tipo 1”. Los fotodiodos están conectados en una configuración de polarización inversa, que conduce una corriente de fuga inversa en la oscuridad. Cuando el fotodiodo está sujeto 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 1 uA. La de un diodo de germanio es de 10 uA. Al exponerse a la luz, la corriente de fuga inversa puede dispararse hasta 300 uA. Cuanto mayor sea la intensidad de la luz incidente, mayor será la corriente de fuga inversa. La curva característica no es tan simple como la aquí mostrada, la explicamos más adelante con más detenimiento. Símbolo Su símbolo es como el de un diodo al que dos flechas que representan los rayos de luz le inciden. Por lo tanto, tienen también ánodo (+) y cátodo (-). Los fotosensores, como los diodos, están polarizados inversamente tal y como hemos dicho. ¿qué quiere decir polarizado inversamente? Pues que para conectarlos en nuestro circuito hay que ponerlos al revés de como conducen normalmente, ya que al aumentar la luz dejará fluir más corriente inversa. Para saber más sobre la unión PN y los diodos puedes consultar nuestra entrada al blog: ¿Para qué sirven y cómo funcionan los diodos? - guía introducción a los diodos Los LDR o fotorresistores tienen un tiempo de respuesta prolongado. Pueden tardar varios segundos en cambiar la conductividad después de la exposición a la luz. Los fotodiodos, por otro lado, tienen una respuesta instantánea. Como los fotodiodos tienen un tiempo de respuesta en nanosegundos, estos se utilizan en aplicaciones más sofisticadas que incluyen cámaras, dispositivos de imagen y escaneo, lectores de CD y DVD, comunicación de fibra óptica, detección de movimiento y sensores de posicionamiento. Aunque un LDR está sintonizado con el espectro de luz visible, los fotodiodos son sensibles tanto a las luces visibles como a las infrarrojas. La mayor desventaja de los fotodiodos es que su corriente de fuga inversa todavía está en el rango de microamperios, incluso cuando están sujetos a la luz. Por lo tanto, requieren un circuito amplificador operacional para la detección de luz. Una forma cómoda de usarlos es adquirirlos en un módulo preparado para su conexión directa con un microcontrolador, que viene con el amplificador operacional y los componentes necesarios para su correcto funcionamiento y lectura de valores. Módulo Sensor GUVA-S12SD UV - Referencia S0041 Curva característica Las curvas de tensión/intensidad de un fotodiodo para diversas intensidades de luz (de 0 a 0.012lm en la imagen) reflejan como aumenta la corriente inversa según aumenta la luz incidente (lúmenes). Los fotodiodos son más rápidos que las fotorresistencias, es decir, tienen un tiempo de respuesta más pequeño, sin embargo, solo pueden conducir en una polarización directa corrientes relativamente pequeñas. Como hemos dicho, los diodos tienen un sentido normal de circulación de corriente, que se llama polarización directa. En ese sentido el diodo deja pasar la corriente eléctrica y prácticamente no lo permite en el inverso. Sin embargo, en el fotodiodo la corriente (que varía con los cambios de la luz) es la que circula en sentido inverso al permitido por la juntura del diodo. Es decir, para su funcionamiento el fotodiodo es polarizado de manera inversa. Se producirá un aumento de la circulación de corriente cuando el diodo es excitado por la luz. + LUZ = + CORRIENTE INVERSA Solo para mencionar, existen fotodiodos de más tipos, como los siguientes: - Fotodiodo de dos segmentos de cátodo común PNP - Fotodiodo bidireccional NPN 4. Fototransistores Los fototransistores son similares a los fotodiodos excepto que si proporcionan amplificación a la corriente. Por lo general, se diseñan utilizando transistores NPN normales con su unión PN de colector-base expuesta a la luz a través de una carcasa o una lente transparentes. Entonces, son también de “tipo 2” como los fotodiodos, ya que no generan corriente en sé. Debido a la amplificación de la corriente, su corriente de salida es de 50 a 100 veces mayor que la de los fotodiodos. Otra característica es que la región de la base está aislada eléctricamente o tiene control de sensibilidad. Como el fototransistor ya proporciona amplificación de corriente, a diferencia de un fotodiodo, y no requiere amplificador externo para su funcionamiento. Un fototransistor es simplemente un transistor típico con un colector de base expuesto a la luz. Un fototransistor puede trabajar de 2 maneras diferentes: - Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo común) - Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. (IP) (modo de iluminación). Se pueden utilizar las dos en forma simultánea, aunque el fototransistor se utiliza principalmente con la patita de la base sin conectar. (IB = 0). La corriente de base total es igual a corriente de base (modo común) + corriente de base (por iluminación): IBt = IB + IP. Si se desea aumentar la sensibilidad del transistor, debido a la baja iluminación, se puede incrementar la corriente de base (IB), con ayuda de polarización externa. El circuito equivalente de un fototransistor es un transistor común con un fotodiodo conectado entre la base y el colector, con el cátodo del fotodiodo conectado al colector del transistor y el ánodo a la base. Se han utilizado en lectores de cinta y tarjetas perforadas, lápices ópticos, etc. Para comunicaciones con fibra óptica se prefiere usar detectores con fotodiodos p-i-n. También se pueden utilizar en la detección de objetos cercanos cuando forman parte de un sensor de proximidad. Se utilizan ampliamente encapsulados juntamente con un LED, formando interruptores ópticos (opto-switch), que detectan la interrupción del haz de luz por un objeto. Existen en dos versiones: de transmisión y de reflexión. Sensor TCRT5000 Infrarrojo IR Seguidor Linea Obstáculos Fototransistor - Referencia S0026 En un fototransistor de dos terminales, la Base del transistor no está disponible eléctricamente y su comportamiento depende completamente de la luz que recibe. Los de tres terminales funcionan como un transistor normal cuando se conecta o aplica tensión a su terminal de Base, y actúa como un fototransistor cuando el terminal de Base está desconectado. Una característica importante que tener en cuenta es el tipo de luz para el que están diseñados. Cada modelo de fototransistor tiene un rango específico de longitudes de onda de luz a la que es sensible, pudiendo estar en el rango de la luz visible, infrarroja, ultravioleta, etc. Símbolo Su símbolo es como el de un transistor (NPN) pero con dos flechas incidentes que simbolizan los rayos de luz sobre la base. Curva característica La curva característica de corriente de colector de un fototransistor conectado en un circuito de polarización básico. Las curvas en azul corresponden a la potencia de luz concentrada en superficie, conforme esta aumenta, aumenta la corriente de colector que traspasa el fototransistor. + LUZ = + INTENSIDAD 5. Células solares Cómo extra, vamos a explicar brevemente las celdas solares fotovoltaicas o células solares. Lo primero de todo, es decir que las células solares o células 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 similar a los diodos típicos. Estas células están diseñadas para ser sensibles a la luz solar en lugar de un rango estrecho del espectro electromagnético. Cuando se expone a la radiación solar, una celda genera una diferencia de potencial de 0.58V. Panel Solar DIY 6V 4.5W 750mA - Referencia A0063 Normalmente, varias células solares están conectadas en serie en un panel para generar un voltaje mayor. Este voltaje de CC puede impulsar una carga resistiva o convertirse en CA para su transmisión. 6. Tabla comparativa Te resumimos los 3 dispositivos (LDR, fotodiodo y fototransistor) para que tengas de forma más visual y directa todas sus características en esta tabla comparativa. Fuentes: https://www.engineersgarage.com/light-sensors-ldr-photodiode-phototransistor-solar-cell/ http://www.iessantabarbara.es/departamentos/fisica/tecnologia/webquest/WEBElectronica/html/ldr.html https://es.wikipedia.org/wiki/Sensor_fotoel%C3%A9ctrico https://www.rfwireless-world.com/Terminology/Photoresistor-vs-Phototransistor.html https://blog.330ohms.com/2017/04/10/diferencias-entre-una-fotorresistencia-y-un-sensor-de-luz/#:~:text=A%20grandes%20rasgos%2C%20la%20fotorresistencia,con%20la%20luz%20que%20perciba. http://www.cientificosaficionados.com/foros/viewtopic.php?f=7&t=15709&start=10 https://tallerelectronica.com/fototransistor/