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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DR. PEDRO RINCÓN GUTIÉRREZ
EDUCACIÓN MENCIÓN FÍSICA Y MATEMÁTICA
ELECTRÓNICA
DETECTOR DE PROXIMIDAD(Aplicación del fototransistor y el transistor de potencia)
AUTORA:
ANDREINA HERNANDEZ
SEMESTRE VIII
PROF. LIC. MIGUEL VERA
SAN CRISTÓBAL, JULIO DE 2011
INTRODUCCIÓN
Se desea construir un circuito detector de proximidad que al
acercarse cualquier objeto entre el receptor y el emisor se active una
alarma. De manera práctica este circuito se puede colocar en puertas y
ventanas de las casas para evitar que gente se pare frente a ella sin
necesidad, y así mismo como una alarma de hogar.
El funcionamiento del circuito se basa en emitir una ráfaga de señales
luminosas infrarrojas las cuales al rebotar contra un objeto que se encuentre
entre la comunicación del receptor y transmisor provoca el encendido de una
alarma. Mientras no se encuentre ningún objeto dentro de la comunicación el
led permanecerá encendido, al momento de interferir entre dicha
comunicación el led, se apagará
El circuito integrado es un generador/decodificador de tonos que bien
cumple con las necesidades de este diseño. Tanto el fotodiodo como el
fototransistor deberán estar situados con unidades de enfoque adecuadas
para mejorar el alcance. Con simples reflectores de LED's se pueden obtener
alcances del orden del metro. Con lentes convexas se pueden cubrir
distancias de cinco metros.
La alimentación de este circuito puede ser cualquier tensión
comprendida entre 5 y 9 volts.
Para accionar circuitos externos bastará con reemplazar el LED por un
optoacoplador, el cual accionará por medio de su transistor interno el circuito
a comandar.
Para poder entender más plenamente el funcionamiento de este
circuito, se tratará de manera más amplia el funcionamiento de algunos
elementos importantes tales como el fotodiodo, fototransistor, el LM567, por
mencionar algunos.
OBJETIVOS
- Diseñar un detector de proximidad que alcance una distancia
mínima de 50 cm, con el fin de aplicar algunos de los circuitos y
elementos utilizados durante el curso de Laboratorio de Diseño
Electrónico tales como transistores (2N2222), diodos (LED’s), timer 555 en
modo astable y osciladores.
- Utilizar elementos basados en el funcionamiento de componentes
diseñados y aplicados durante el curso, pero de forma más compleja
debido a la concatenación de varios circuitos implementados
individualmente, así como de componentes como son los fotodiodos y
fototransistores.
DETECTOR DE PROXIMIDAD
Un circuito que no puede faltar en proyectos de robótica es el de los
detectores de proximidad, ya que son los ojos del robot.
Presentamos un circuito probado de un detector de proximidad construido en
base a un FOTOTRANSISTOR de uso general y un diodo IR.
Además de la robótica, lo encontramos en los dispensadores de agua
automáticos, los secadores de mano automáticos y con algunas variantes lo
encontramos en las puertas automáticas de los grandes centros comerciales.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Generamos una ráfaga de pulsos de alta intensidad con el LM555 a
baja frecuencia y los transmitimos por el led de chorro infrarojo.
Luego los recibimos en un fototransistor colocado de tal manera que
solo los reciba cuando un objeto refleje los pulsos. Luego procesamos esa
señal para poder utilizarla en el encendido - apagado de nuestros aparatos.
Para ello colocamos un fototransistor de tal manera que cuando haya
una superficie que refleje los pulsos, bien sea una mano, un objeto
cualquiera, a una distancia de unos 10 cm, este los pueda recibir y enviar a
un amplificador de corriente, en este caso un par de transistores en
configuración darlington.
Cuando esta débil señal alcanza una intensidad suficiente, debido a
que se acercó un objeto, entonces logra disparar un temporizador de unos 10
segundos construido con un LM555.
Luego colocamos una interface a transistor para alimentar un relé de
12 V 5 PINES, el cual nos servirá para controlar el aparato que queramos,
normalmente un servomotor
Tarjeta del circuito detector de proximidad con foto transistor para tus
proyectos de robótica y de domótica también.
LISTA DE MATERIALES
Circuito Impreso
2 integrados LM 555
2 bases de 8 pines
1 relé 12 V 5 pines
1 foto transistor de uso general
1 diodo infrarrojo de uso general
1 control de 1 Mega
3 transistores 2N3904
2 cond. de 10 uF/50 V
1 Cond. de 0.1uF/50 V
1 diodo 1N4148
1 led verde de 5 mm
1 R 68 ohm
1 R 1K5
2 R 10K
1 R 100K
1 R 1 M
1 R 470 ohm
Todas las R a 1/2 W
DEFINICIÓN DE ALGUNOS DE LOS MATERIALES
UTILIZADOS
RELÉ:
Es un interruptor operado magnéticamente.
El relé se activa o desactiva (dependiendo de la conexión) cuando el
electroimán (que forma parte del relé) es energizado (le ponemos un voltaje
para que funcione).
Esta operación causa que exista conexión o no, entre dos o más
terminales del dispositivo (el relé).
Esta conexión se logra con la atracción o repulsión de un pequeño
brazo, llamado armadura, por el electroimán.
Este pequeño brazo conecta o desconecta los terminales antes
mencionados.
FUNCIONAMIENTO DEL RELÉ:
Si el electroimán está activo jala el brazo (armadura) y conecta los
puntos C y D. Si el electroimán se desactiva, conecta los puntos D y E.
De esta manera se puede conectar algo,
cuando el electroimán está activo, y otra cosa
conectada, cuando está inactivo.
Es importante saber cual es la resistencia
del bobinado del electroimán (lo que está entre
los terminales A y B) que activa el relé y con
cuanto voltaje este se activa.
Este voltaje y esta resistencia nos informan que magnitud debe de
tener la señal que activará el relé y cuanta corriente se debe suministrar a
éste.
La corriente se obtiene con ayuda de la Ley de Ohm: I = V / R.
Donde:
I es la corriente necesaria para activar el relé
V es el voltaje para activar el relé
R es la resistencia del bobinado del relé
VENTAJAS DEL RELÉ:
El relé permite el control de un dispositivo a distancia. No se
necesita estar junto al dispositivo para hacerlo funcionar.
El relé es activado con poca corriente, sin embargo puede
activar grandes máquinas que consumen gran cantidad de
corriente
EL CONDENSADOR:
Es un dispositivo formado por dos placas metálicas separadas por un
aislante llamado dieléctrico.
Un dieléctrico o aislante es un material que evita el paso de la
corriente.
El condensador o capacitor almacena energía en la forma de un
campo eléctrico (es evidente cuando el capacitor funciona con corriente
directa) y se llama capacitancia o capacidad a la cantidad de cargas
eléctricas que es capaz de almacenar
El símbolo del capacitor se muestra al lado derecho:
La capacidad depende de las características físicas del
condensador:
- Si el área de las placas que están frente a frente es grande la capacidad
aumenta
- Si la separación entre placas aumenta, disminuye la capacidad
- El tipo de material dieléctrico que se aplica entre las placas también afecta
la capacidad
- Si se aumenta la tensión aplicada, se aumenta la carga almacenada.
DIELÉCTRICO O AISLANTE:
Un dieléctrico o aislante es un material que evita el paso de la
corriente, y su función es aumentar la capacitancia del capacitor.
Los diferentes materiales que se utilizan como dieléctricos tiene
diferentes grados de permitividad (diferente capacidad para el
establecimiento de un campo eléctrico
Mientras mayor sea la permitividad, mayor es la capacidad del
condensador. La capacitancia de un condensador está dada por la fórmula:
C = Er x A / d
donde:
- C = capacidad
- Er = permitividad
- A = área entre placas
- d = separación entre las placas
La unidad de medida es el faradio. Hay submúltiplos como el
miliFaradio (mF), microFaradio (uF), el nanoFaradio (nF) y el picoFaradio
(pF)
Las principales características eléctricas de un condensador son su
capacidad o capacitancia y su máxima tensión entre placas (máxima tensión
que es capaz de aguantar sin dañarse).
La robótica es una parte de la electrónica que tiene muchos adeptos,
en esta ocasión solicito un circuito que puede ser utilizado en robótica tal
como los detectores de proximidad, ya que asumen el papel de los ojos del
robot.
Este es un circuito de un detector de proximidad construido en base a
un fototansistor de uso general y un diodo infrarrojo o IR.
Estos diodos pueden controlar la cantidad de señal que les llega tanto
por reflejo como por interrupción.
CONSTRUCCIÓN DE LOS FOTOTRANSISTORES
Los fototransistores se construyen con silicio o germanio, similarmente
a cualquier tipo de transistor bipolar. Existen tanto fototransistores NPN como
PNP. Debido a que la radiación es la que dispara la base del transistor, y no
una corriente aplicada eléctricamente, usualmente la patilla correspondiente
a la base no se incluye en el transistor. El método de construcción es el de
difusión. Este consiste en que se utiliza silicio o germanio, así como gases
como impurezas o dopantes.
Por medio de la difusión, los gases dopantes penetran la superficie
sólida del silicio. Sobre una superficie sobre la cual ya ha ocurrido la difusión,
se pueden realizar difusiones posteriores, creando capas de dopantes en el
material. La parte exterior del fototransistor está hecha de un material
llamado epoxy, que es una resina que permite el ingreso de radiación hacia
la base del transistor
FOTOTRANSISTOR
Un fototransistor es una combinación integrada de fotodiodo y
transistor bipolar npn (sensible a la luz) donde la base recibe la radiación
óptica. Es importante notar que todos los transistores son sensibles a la luz,
pero los fototransitores están diseñados para aprovechar esta característica.
Existen transistores FET, que son muy sensibles a la luz, pero encontramos
que la mayoría de los fototransistores consisten en una unión npn con una
región de base amplia y expuesta, como se muestra en la figura
:
La corriente inducida por el efecto fotoeléctrico es la corriente de base
del transistor. Si asignamos la notación Ibf para la corriente de base
fotoinducida, la corriente de colector resultante, de forma aproximada, es: Ic =
hfe * Ibf
En la siguiente gráfica se proporciona un conjunto de características
representativas para un fototransistor, junto con la representación simbólica
del dispositivo. Es importante notar las similitudes entre estas curvas y las del
transistor bipolar típico. Como se espera, un incremento en la intensidad de la
luz corresponde a un incremento en la corriente de colector.
EL FUNCIONAMIENTO DE UN FOTOTRANSISTOR ES EL
SIGUIENTE:
Al exponer el fototransistor a la luz, los fotones entran en contacto con
la base del mismo, generando huecos y con ello una corriente de base que
hace que el transistor entre en la región activa, y se presente una corriente de
colector a emisor. Es decir, los fotones en este caso, reemplazan la corriente
de base que normalmente se aplica eléctricamente.
Es por este motivo que a menudo la patilla correspondiente a la base
está ausente del transistor. La característica más sobresaliente de un
fototransistor es que permite detectar luz y amplificar mediante el uso de un
sólo dispositivo. La sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un
fotodiodo, ya que la pequeña corriente fotogenerada es multiplicada por la
ganacia del transistor.
FOTODIODO
Es un fotoconductor o fotodetector que cambia su resistencia eléctrica
debido a la exposición a energía radiante.
Un fotodiodo consiste en esencia de una unión de material "P" y
material "N" polarizada inversamente, en la cual la corriente inversa está en
función de la luz que incide en el fotodiodo y se considera que a mayor
intensidad de luz existe una corriente de fuga mayor.
El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación
de pares electrón - hueco debido a la energía luminosa. La aplicación de la
luz a la unión dará como resultado una transferencia de energía de las ondas
de luz incidentes (en forma de fotones) a la estructura atómica, dando como
resultado un aumento en la cantidad de portadores minoritarios y un
incremento del nivel de la corriente inversa.
*Curva característica: Respuesta
La corriente de fuga en la oscuridad (Io) aumenta al haber mayor
intensidad de luz (H).
El espaciado casi igual entre las curvas para el mismo incremento en
flujo luminoso revela que la corriente inversa y el flujo luminoso están
relacionados casi linealmente. En otras palabras, un aumento en intensidad
de luz dará como resultado un incremento similar en corriente inversa.
Con base a la gráfica de respuesta se puede determinar que el
dispositivo es lineal.
El comportamiento del fotodiodo en inversa se ve claramente
influenciado por la incidencia de la luz. Las corrientes de fuga son debidas a
los portadores minoritarios, electrones en la zona P y huecos en la zona N. La
generación de portadores debido a la luz provoca un aumento sustancial de
portadores minoritarios, lo que se traduce en un aumento de la corriente de
fuga en inversa. El modelo circuital del fotodiodo en inversa esta formado por
un generador de intensidad cuyo valor depende de la cantidad de luz.
En directa, el fotodiodo se comporta como un diodo normal. Si está
fabricado en silicio, la tensión que cae en el dispositivo será
aproximadamente de 0.7 V. El comportamiento del fotodiodo en directa
apenas se ve alterado por la generación luminosa de portadores. Esto es
debido a que los portadores, provenientes del dopado (portadores
mayoritarios) son mucho más numerosos que los portadores de generación
luminosa.
PARÁMETROS PRINCIPALES:
- Corriente Oscura (Dark Current): Es la corriente en inversa del fotodiodo
cuando no existe luz incidente.
- Sensibilidad: Es el incremento de intensidad al polarizar el dispositivo en
inversa por unidad de intensidad de luz, expresada en luxes.
*Aplicaciones:
- Comunicaciones ópticas.
- Fotómetros.
- Control de iluminación y brillo.
- Control remoto por infrarrojos.
- Enfoque automático y control de exposición en cámara
*Combinadas con una fuente de luz:
- Codificadores de posición.
- Medidas de distancia.
- Medidas de espesor.
- Transparencia.
- Detectores de proximidad y de presencia.
- Sensado de color para inspección y control de calidad
- Reconocimiento de formas.
- Lectores de tarjetas
Agrupando varios sensores:
Con ayuda del osciloscopio se midió la frecuencia de salida en la pata
número 5, dicha frecuencia fue de 937 Hz, por lo que se decidió que a través
de un LM555, podíamos generar dicha frecuencia en un para así lograr
separar el circuito anterior en la parte receptora como en la transmisora.
Se eligió la conexión monoestable para el LM555, de la hoja de
especificaciones obtuvimos la siguiente fórmula:
Con dicha fórmula y el valor obtenido de nuestra frecuencia que es a
la cual opera, se sustituyeron valores y se propuso el capacitor de 100 nF y
una de las resistencia de 10K, pues sabemos que dentro del mercado es
más fácil conseguir una resistencia que un capacitor.
Así fue como se obtuvieron los valores y con ellos se decidió armar el
LM555 con una frecuencia de 937Hz, cabe señalar que la resistencia de 2.7
K se cambió por un potenciómetro de 4.7K, para lograr tener una frecuencia
más precisa.