Circuito de Linealización para una Fotorresistencia LDR

FACULTAD DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA Informe de Práctica #4

Circuito de Linealización para una fotorresistencia (LDR) ESCUELA:

Ingeniería Electrónica

ASIGNATURA:

Sensores y Transductores

DOCENTE:

Ing. José Luis Pesantez

ALUMNOS:

Fernando Arbito Fernando Velasteguí Carlos Zeas

CUENCA - ECUADOR

Facultad de Ciencia y Tecnología Escuela de Ingeniería Electrónica Sensores y Transductores

1. ABSTRACT El siguiente documento es un informe de laboratorio en el que se analiza el funcionamiento de un circuito de linealización para una fotorresistencia; se analiza también, posteriormente, un circuito de aplicación llamado “seguidor de luz”, el cual implementa dos fotorresistencias. Además se muestran dos circuitos de interfaz para la conexión de un fotodiodo y un fototransistor.

2. OBJETIVOS 1.1. General Linealizar la respuesta característica “resistencia versus iluminación” de una LDR, mediante el montaje del circuito propuesto a continuación y con el criterio de la correcta selección de su resistencia “fija” de linealización, para así poder implementar este sensor en aplicaciones que requieran de una respuesta lineal aceptable.

1.2. Específicos 

Construir el circuito de aplicación: “carro seguidor de luz” mediante la implementación de dos fotorresistencias.



Presentar los circuitos de interfaz para la conexión de un fotodido y para la de un fototransistor.

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2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.1. Fotorresistencia o LDR (Ruiz, 184-189) Una fotorresistencia (Fig. 1) o LDR, del inglés Light Dependent Resistor, es un componente semiconductor que varía su valor óhmico según la intensidad de radiación luminosa que incida sobre su superficie; es decir, su valor de resistencia eléctrica está en función de la iluminación recibida. A medida que la intensidad luminosa incidente aumenta, el valor de su resistencia disminuye.

Figura 1: Aspecto físico de una LDR.

2.1.1. Construcción y funcionamiento Se fabrican utilizando materiales fotosensibles como: sulfuro de cadmio (aplicaciones en el espectro visible), sulfuro de plomo (para el espectro infrarrojo), sulfuro de talio o seleniuro de cadmio; los cuales se encapsulan en vidrio, resina o bajo un recubrimiento de laca transparente, que permita la incidencia de luz. Estos materiales poseen pocos electrones libres cuando se encuentran en condiciones de oscuridad, pero a causa del efecto fotoconductor los electrones

libres

aumentan

cuando

el

material

es

iluminado;

en

consecuencia, su conductividad crece y por tanto su resistencia óhmica disminuye.

2.1.2. Curva característica de calibración Una de las características técnicas más importantes para la calibración de una LDR es aquella que establece la relación entre su resistencia óhmica y la intensidad de iluminación a la que se expone, datos que se obtienen de la

Facultad de Ciencia y Tecnología Escuela de Ingeniería Electrónica Sensores y Transductores curva característica resistencia-iluminación suministrada por su fabricante (Fig. 2).

Figura 2: Curva característica resistencia-iluminación.

La relación entre el valor de la resistencia y la iluminación es “no lineal” y puedes ser modelada matemáticamente como una función hiperbólica,

donde:

R

es la resistencia en ohmios, es la iluminación en lux,

Ky

son constantes que dependen del material, variando entre -0.7 a -0.9.

2.2. Circuito de Interfaz para un Fotodiodo

Figura 3: Circuitos de polarización de un fotodiodo.

típicamente

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3. HERRAMIENTAS Y COMPONENTES 3.1. Herramientas  Computador  Software LabView 7.1  Software Proteus 8  Tarjeta de adquisición de datos myDAQ  Protoboard  Multímetro  Cable multipar  Utensilios de corte

3.2. Componentes Circuito de linealización  1 fotorresistencia de sulfuro cadmio  1 amplificador operacional 741  2 resistencias de 10 kΩ  1 resistencia de 100 kΩ  1 resistencia de 150 kΩ Circuito de Aplicación “Carro Seguidor de Luz”  Armazón de un carro de plástico (juguete)  2 motores de corriente continua de 5V  2 fotorresistencias de sulfuro cadmio  1 amplificador operacional LM393  2 transistores 2N3906  2 resistencia de 1 kΩ  1 potenciómetro de 20 kΩ

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4. ANÁLISIS DEL FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO A continuación se muestra el circuito montado para esta práctica:

Figura 4: Circuito de linealización para LDR

El método de linealización usado se basa en el fundamento de un divisor de tensión resistivo, el cual está formado con la resistencia RL y la fotorresistencia. El voltaje de entrada Vin se reparte entre estas resistencias en serie y su relación con el voltaje de salida (sin ser amplificado aún) puede expresarse como:

En esta relación se mantiene constante el valor de RL y el de Vin, lo que permite que la variación del voltaje de salida quede en función únicamente de la variación en la LDR. El funcionamiento de este divisor de tensión se resume como sigue: cuando incide luz sobre la LDR ésta baja su resistencia eléctrica aumentando la tensión sobre la resistencia fija RL, como consecuencia obtendremos una tensión de salida baja; por el contrario, si mantenemos la LDR en la oscuridad ésta aumenta su resistencia eléctrica disminuyendo la tensión en bornes de la resistencia fija RL y obteniendo una tensión de salida alta.

Facultad de Ciencia y Tecnología Escuela de Ingeniería Electrónica Sensores y Transductores Entonces el objetivo es dar a la RL el valor adecuado, para que la salida mantenga una respuesta aproximadamente lineal ante las variaciones que se producen en la LDR a causa de los cambios de luminosidad. Este valor para RL debe ser igual al valor la LDR cuando está expuesta a la mayor iluminación que se desea medir. El valor correspondiente a la resistencia de nuestra LDR cuando la expusimos a una iluminación controlada1 de 200 Lumens fue de 400kΩ, aproximadamente.

5. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN La simulación se realizó para dos valores distintos de RL, con el fin de comprobar cuál de estos dos era el más adecuado para obtener la mejor respuesta de linealidad en la salida del circuito. Primero simulamos el funcionamiento con una resistencia RL1 igual a 120kΩ escogida al azar, y generamos la curva de la Fig. 5 mediante un barrido de valores sobre la LDR1 con ayuda de la herramienta “DC Sweep Analysis” del software Proteus 8.

Figura 5: Simulación del circuito para dos valores de resistencia. a) RL1=120K y b) RL2=400K.

Luego reemplazamos RL1 por RL2 igual a 400kΩ y generamos la curva de la figura 6 simulando un barrido de valores sobre LDR2.

1

Para controlar y medir la iluminación variamos la señal de corriente hacia un diodo LED, ubicado frente a la LDR dentro de un entorno oscuro, como se explica en la sección 6.

Facultad de Ciencia y Tecnología Escuela de Ingeniería Electrónica Sensores y Transductores Como resultados de la simulación se muestran las curvas características “resistencia-iluminación” de cada caso, con la magnitud de resistencia representada en el eje “y” y la magnitud de lúmenes en el eje “x” En la Fig. 6 podemos evidenciar el efecto de RL2 = 400kΩ en la mejora de linealidad para la mayor parte de la curva.

Figura 6: Curva característica"resistencia-iluminación" con RL1=120K.

Figura 7: Curva con RL2=400K. Mejoró la linealidad para valores bajos de resistencia.

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6. MONTAJE DEL CIRCUITO El control de la iluminación sobre la LDR formó una parte fundamental en el montaje del circuito, al cual podemos aportar con la siguiente explicación:

Para el correcto montaje de la LDR en el circuito optamos por la implementación de un diodo LED frente a ésta. Mediante un control por PWM (Pulse Wide Modulation) variamos la intensidad de corriente hacia el LED, de esta manera controlamos la intensidad de brillo con la que se irradia a la LDR y pudimos registrar de forma más precisa la variación de los parámetros en la fotorresistencia. Para evitar cualquier perturbación externa (luz ambiente), decidimos encerrar a la LDR y al LED en una caja oscura completamente sellada. El control de PWM, con el cual alimentamos al LED, y la adquisición de datos de la LDR; fue realizado mediante la tarjeta myDAQ y el software ELVISmx.

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7. ADQUISICIÓN DE DATOS La adquisición de los datos desde el circuito, la realizamos utilizando la tarjeta MyDAQ y un programa creado en el software LabView 7.1 (Fig. 7) facilitado por el profesor.

Figura 8: Adquisición de datos mediante el software LabView 7.1.

Finalmente, tabulamos los datos producto de la adquisición y graficamos estos resultados para ambos valores de la resistencia RL, de esta manera podemos observar que sí se ha conseguido linealizar buena parte de la respuesta de la LDR, como lo vemos en las tablas y gráficas de las figuras 8 y 9.

Figura 9: Resultados de la adquisición de datos con RL1=120K.

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Figura 10: Resultados de la adquisición de datos con RL1=400K.

8. CIRCUITO DE APLICACIÓN CON LDR’S Utilizamos dos fotorresistencias como parte del circuito de un Carro Seguidor de Luz, como se muestra en la figura 10.

Figura 11: Aplicación de LDR's en el circuito de un Carro Seguidor de Luz.

Facultad de Ciencia y Tecnología Escuela de Ingeniería Electrónica Sensores y Transductores El potenciómetro RV1 sirve para regular la sensibilidad de cada LDR. El voltaje en la salida de cada amplificador LM293: U1A y U1B, está en función tanto de LDR1 como de la LDR2, debido a la conexión cruzada entre amplificadores, en la cual la entrada no inversora de un amplificador se conecta a la inversora del otro y viceversa. Estos voltajes de U1A y U1B alimentan la base de dos transistores 2N3906: Q1 y Q2 respectivamente, los cuales sirven como una interfaz de potencia para controlar ambos motores. Cada motor controla una rueda delantera del carro. Explicado lo anterior podemos notar que cuando se presenta mayor intensidad lumínica en alguna de las dos LDR’s, el motor correspondiente a ese lada girará más rápido y el otro motor se ralentizará, lo que permite que el carro gire hacia la izquierda o hacia la derecha, siguiendo una luz, mientras se mueve hacia delante. Este funcionamiento pudimos comprobarlo virtualmente mediante la simulación y luego, de forma práctica con el montaje de este circuito en el armazón de un carro de plástico de juguete; como se muestra en las fotos adjuntas.

Foto 6: Fotorresistencias ubicadas en la “defensa” del carro.

Foto 5: Circuito montado en el circuito impreso dentro del prototipo.

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9. CONCLUSIONES  Se logró linealizar de forma discreta la respuesta no lineal de una LDR, con base en un circuito divisor de voltaje que es medianamente eficiente para cortos rango de luminosidad.  Cuando se quiere linealizar mediante divisor de voltaje, el valor de la resistencia fija en serie debe ser igual al valor de la LDR cuando está expuesta a la mayor iluminación que se va a medir, para que este método sea efectivo.  Pudimos construir y probar con éxito un carro seguidor de luz, implementando

como

parte

fundamental

de

su

circuito

a

las

fotorresistencias.  Investigamos dos circuitos de interfaz para la utilización del fotodiodo y para la del fototransistor.

10. BIBLIOGRAFÍA  RUIZ, Francisco. Componentes Electrónicos. Editorial Ceac. 2000. Perú. Cap. 8: Resistencias no lineales. 

http://www.uclm.es/profesorado/ajbarbero/Practicas/Calibrado%20LDR% 202003.pdf



https://eva.fing.edu.uy/pluginfile.php/66127/mod_folder/content/0/Mon ografias_2013/LDR.pdf?forcedownload=1



http://www.garduza.mx/m112/index.php?option=com_content&view=ar ticle&id=74&Itemid=176&limitstart=2