En este apartado veremos cómo funcionan los LDRs (Resistores Dependientes de la Luz) y los fototransistores, que son sensores de luz. Estos dispositivos, que son más rápidos que nuestra vista y que «perciben» formas de luz que no podemos ver, se utilizan como base en numerosos proyectos. Saber cómo funcionan es el primer paso para la elaboración de cualquier montaje.
Existen muchos tipos de sensores de luz, como las fotocélulas y fotodiodos, pero sin duda, por su costo y sensibilidad, son las LDRs y los fototransistores los más usados. A continuación, analizaremos el funcionamiento de estos dos dispositivos.
Los LDRs
Los LDRs, o «Light Dependent Resistors», o también fotorresistores, son transductores resistivos, es decir, en ellos la acción de la luz provoca la alteración de una resistencia.
En la fig. 1 se indica el aspecto de un LDR de sulfato de cadmio (Cds), que es una sustancia que varia su resistencia por la acción de la luz.
En la LDR existe una superficie sensible de esta sustancia, la cual, ante la oscuridad, presenta una resistencia muy alta, del orden de millones de Ω.
Cuando se ilumina, las cargas eléctricas de que es portadora esta sustancia son liberadas provocando una reducción en su resistencia eléctrica. Esta resistencia puede descender hasta 5000 Ohmios o menos. En la fig. 2, se indica la curva de sensibilidad de una LDR.
Ahora bien, en un proyecto no sólo es importante la intensidad de luz que recibe una LDR. Como un LDR presenta una superficie mayor que nuestra pupila, puede recoger mayor cantidad de luz, por lo que es mucho más sensible que nuestra vista. Las longitudes de onda, que corresponden a los colores, también deben de ser analizadas.
En la fig. 3 tenemos Ia curva de sensibilidad del ojo humano y de los colores, observando que el amarillo es el más sensible al ojo.
El LDR es más sensible a la luz roja, con un «pico» en 6 300 A aproximadamente (O Angstrom, que corresponde a 10-8m, es una medida de longitud de onda correspondiente a las radiaciones electromagnéticas, como la' luz), también responden a un tipo de luz que no podemos ver, como son los infrarrojos.
Los LDRs alcanzan longitudes de onda de hasta 8 000 Angstrons, en tanto que nuestra vista alcanza unos 7 000.
El LDR, entretanto, es un dispositivo lento, el cual no responde rápidamente a las variaciones de luz, aunque en muchas ocasiones es más rápido que nuestra vista. En cuanto que sólo podemos percibir variaciones de luz que ocurren en intervalos mayores de 0,1 segundo, la LDR alcanza 0,0001 segundo, que corresponde a una frecuencia de 10 kHz aproximadamente. En realidad, se dice que la LDR es lenta porque, como veremos más adelante, los fototransistores pueden operar con frecuencias de hasta 100 MHz (10.000 veces más rápidos).
No obstante, el LDR tiene numerosas aplicaciones, como:
1) Interruptores de luz que pueden conectar (o desconectar) alguna cosa mediante la variación de la luz incidente en un sensor.
2) Alarmes de paso que accionan un dispositivo de aviso (sirena o campana), cuando la luz que incide en una LDR es interrumpida.
3) Medidores de luz, como por ejemplo, fotómetros, medidores de luz reflejada, etc.
4) Conversores de luz/frecuencia, utilizados en aplicaciones recreativas, como instrumentos musicales, etc.
En el comercio existen muchos tipos de LDRs disponibles, como por ejemplo las mostradas en la fig. 4.
Estos LDRs encuentran, como una de sus muchas aplicaciones, el accionamiento del encendido de una red de alumbrado cuando llega la noche.
Colocada en un determinado lugar, como se indica en la fig. 5, al llegar la noche y dejar de incidir sobre ella la luz, acciona el encendido de las lámparas que se encuentren conectadas a la misma.
En aplicaciones prácticas, reflejaremos circuitos para utilizar los LDRs.
FOTOTRANSISTORES
La estructura interna de un fototransistor no se diferencia en nada a la de un transistor común. Es decir, todo transistor puede ser un fototransistor si sus uniones son expuestas a la luz.
Un transistor común NPN está formado por tres partes semiconductoras, como se indica en la fig. 6.
Dependiendo de la polaridad de la tensión aplicada a sus terminales, una unión queda polarizada inversamente y la otra directamente. La que está polarizada directamente no presenta problemas para conducir Ia corriente correctamente, pero la que está polarizada inversamente, no conduce dicha corriente. Fig. 7.
Asimismo, entre colector y emisor (en este caso, la base no se usa) circula una corriente muy pequeña, al no ser que incida la luz en las uniones, particularmente en la que está polarizada inversamente.
La luz libera portadores de carga, es decir, actúa disminuyendo la resistencia, de modo que la pequeña corriente que circula normalmente aumenta de intensidad.
Cuanto más luz incida en la unión, mayor es la corriente que puede circular por dicha unión. Fig. 8.
Los componentes que son fabricados como fototransistores, están dotados de envoltorios transparentes para que pueda incidir la luz en ellos. Fig. 9.
No obstante, las corrientes que circulan por ellos son muy pequeñas, de modo que no podemos usarlas mente como control de relés o dispositivos de mayor potencia.
Para evitar este problema, algunos fototransistores están dotados internamente de un segundo transistor, llamándose Darlington a este montaje.
De este modo, Ia corriente de salida es mayor ya que la pequeña corriente del primer transistor es amplificada por el segundo. Un fototransistor con este montaje tiene una enorme sensibilidad, pudiendo ser usado en diversos montajes muy interesantes. Fig. 10.
La sensibilidad a los colores del espectro es diferente para un fototransistor de silicio. En la fig. 11 se indica la curva de respuesta de un fototransistor comparada con la del ojo humano.
Además de ser sensible para radiaciones de bajas frecuencias, como los ultravioletas (longitudes de onda menores a 4000 A), los fototransistores tienen su sensibilidad máxima para los infrarrojos en torno a los 8 000 A.
La curva de respuesta de este elemento se extiende hasta los 12 000 Ã, que corresponden a los infrarrojos que nosotros jamás podríamos percibir.
Es interesante observar que esta sensibilidad a los infrarrojos corresponde justamente a la emisión de lámparas de incandescencia comunes, las cuales tienen un pico de potencia en torno a los 10.000 Ã.
Todo esto hace que un fototransistor dotado de una lente especial acoplada al mismo, para concentrar la luz sobre él, sea centenares de veces más sensible que nuestra propia visión, siendo verdaderos «ojos electrónicos» que pueden captar fuentes de luz extremadamente tenues. (figura 12)
En relación a su velocidad de conmutación, los fototransistores 'son miles de veces más rápidos que las LDRs y millones de veces más rápidos que el ojo humano.
¿Conseguiría Vd. contar cuántas púas tiene un peine si lo pasásemos rápidamente por delante de nuestros ojos? Ciertamente no. Fig. 13.
Digamos que unas 40 6 50 púas pueden pasar en una fracción de segundo y aun así, no podríamos contarlas.
Imagine ahora que pasa un peine con un millón de púas. Esto ya nos resultaría imposible contarlas; sin embargo, aunque lo pasemos rápidamente por delante de un fototransistor, éste las contará todas con absoluta precisión, ya que enviará un impulso correspondiente a cada púa a un contador, dándonos éste el número total.
Esta altísima velocidad de respuesta permite que el fototransistor sea usado en la lectura de tarjetas perforadas en computadoras, obteniéndose millones de información en un segundo.
Cuando una tarjeta de este tipo pasa por delante de un conjunto de fototransistores, éstos pueden leer toda la información contenida en la misma a través de una serie de impulsos: la presencia de un impulso significa un 1 y su ausencia un cero (0). Fig. 14.
UN PUNTO DE IMAGEN
Si bien la sensibilidad de una LDR y la de un fototransistor pueden llevar a pensar que se comportan como verdaderos ojos, no corresponde a la realidad.
Nuestro ojo nos permite ver imágenes porque no tenemos un único sensor en su interior: son millones de células, cada una equivalente a una LDR o un fototransistor (conos y bastones) que «exploran» la imagen punto por punto. Fig. 15.
Componiendo todos los puntos (claros y oscuros, así como colores) formamos una imagen. Si tuviésemos solamente un sensor, lo que veríamos sería un punto claro u oscuro, pero nunca una imagen. Esto es lo que ocurre con los fototransistores o LDRs.
Para poder componer una imagen, deberíamos tener un grupo de estos dispositivos cubriendo toda una superficie, de tal modo, que se pudiese ver punto por punto un objeto.
Cuanto mayor sea el número de sensores o puntos, mayor definición obtendremos de la imagen. Figura 16.
Una curiosidad que demuestra la evolución en el sentido de obtener una visión muy avanzada, capaz de ver cosas con una enorme definición, se encuentra en la visión de los insectos.
Una mosca posee unos ojos con un conglomerado de sensores, funcionando cada cual independientemente y viendo apenas un punto de imagen. Los sensores no poseen lentes en su misma cantidad y tamaño, como ocurre con la visión humana, con lo cual, el insecto apenas tiene la posibilidad de percibir los contornos de los objetos y, eventualmente, su volumen y tamaño.
Originale 2002 (Revisado 2017)