SENSOR DE LUZ CON LEDS.

Fabricación de un Sensor de luz con un diodo led y un Opamp

Una de las primeras lecciones que un estudiante de electrónica aprende es que un LED proporciona luz mediante el flujo de corriente. ¿Pero, sabe que un LED puesto en polarización inversa proporciona un flujo de corriente al “sentir” la luz? ¡Sí! Es verdad.

Conecte un LED rojo ultra brillante de alta calidad sin ninguna batería u otro  circuito a un multimetro en el modo de medida de voltaje. Ponga el LED hacia una fuente de luz, como una lámpara de escritorio. ¿Mida el voltaje? Ahora, tape el LED. ¿Ve una disminución en la lectura de voltaje?

Un LED (diodo emisor de luz) es un semiconductor fotosensible con una lente. El LED actua Como un fotodiodo.

Los fotodiodos son usados en robots y dispositivos como sensores de luz. Los fotodiodos tienen un espectro de longitud de onda  a la cual ellos son más sensibles, por lo general  en  infrarrojos. Pero, sorprendentemente, un LED invertido es lo más sensible al mismo color de luz visible que este normalmente emite. Por ejemplo, si un circuito usa un LED verde invertido, fluirá mayor cantidad de corriente cuando sea expuesto a la luz verde.

Amplificación del fotodiodo

Lamentablemente, aún en las mejores condiciones, los fotodiodos (y LEDS invertidos) no proporcionan mucho flujo de corriente. La salida del fotodiodo tiene que ser amplificada para que la señal de detección de la luz sea utilizable en otros circuitos. Un fotodiodo amplificado por un transistor integrado, se llama fototransistor.

Se puede conectar un fotodiodo independiente a la entrada de un transistor independiente. Pero, no es fácil controlar la ganancia del  amplificador de un solo transistor, y habría problemas con el ruido en la señal y la cantidad de corriente de entrada requerida. En cambio, el mejor método para amplificar señales de baja potencia de una manera repetible y alta calidad es con un Opamp (amplificador operacional).

Colocando todo esto junto, se puede hacer un sensor de color con  un LED invertido y un opamp.

• LED1: Normalmente un LED tiene la flecha del diodo apuntando hacia abajo, hacia la tierra porque la corriente convencional fluye así. Pero, estos LEDs invertidos, apuntan hacia arriba. A mayor cantidad de luz que lo ilumine, más corriente fluirá.
• · IC1: El opamp toma la señal débil del LED invertido, lo amplifica, y lo envía a través de su pin de salida. IC1 debe ser un opamp con un nivel ultrabajo de corriente de entrada. Esto quiere decir que el ic puede trabajar con muy poca corriente de entrada, lo que es recomendable  ya que el LED invertido sólo puede producir poca corriente.
• · R1: Esta es una resistencia de valor sumamente alto. El siguiente circuito en este artículo sólo requiere 30 megohmios.

La Resistencia R1 permite que una pequeña parte de la salida del opamp regrese a la señal de entrada. Sin R1, la alta ganancia del opamp amplificaría tanto la señal del LED1 que su salida simplemente seria el máximo valor de 5V constante todo el tiempo. Pero, tomando una muestra de corriente y realimentándola a través de R1, se reduce la señal del LED lo suficiente para que el voltaje de salida del opamp esté siempre a un nivel utilizable entre 0V y 5V.
R1 es como el control de volumen. Pone una resistencia baja y la salida se hace muy ruidosa (sobresaturada). Pone una resistencia demasiado alta y la salida se hace demasiado débil para ser útil.

• C1: debido a que este circuito trabaja con extremos (baja señal de entrada, alta resistencia, alta ganancia), este puede oscilar involuntariamente. pero con una pequeña cantidad de capacitancia (picofaradios) se puede estabilizar la señal.

Diagrama esquemático de un sensor con led de color y opamp.

Los párrafos anteriores nos mostraron los efectos fotovoltaicos de un led invertido, y el método teórico para convertirlo en un sensor, ahora veremos la implementación practica.

Aunque este circuito todavía esta basado en el fotodiodo y un opamp, el circuito completo también incluye:

1. Un LED emisor que actúe como una fuente luminosa de longitud de onda definido. Con este LED, se puede reflejar el color correcto para los LEDS invertidos.

2. Más leds invertidos para aumentar la potencia de la señal de entrada

3. Un led rojo ultra brillante, ya que el color rojo requiere menos energía que otros colores visibles para proporcionar un flujo útil de corriente.

4. la otra mitad del opamp ha sido configurada como un comparador para prender y apagar un LED que indique cuando este ve la luz de color.

El circuito puede trabajar con un solo LED invertido de cualquier color sin requerir un led del mismo color como fuente luminosa. Pero, por comenzar usemos esta configuración, así es más probable tener resultados satisfactorios en el primer intento. Posteriormente, si se escoge un color diferente (como verde o azul) se deberá usar valores de resistencia más altos y mucho más LEDS.

Esquema completo

Este parece complejo, pero note que hay muchas partes adicionales para mejorar el experimento.

• C1 y C2; condensador estándar cerámico de 0.1 uf y condensador de tantalio de 10 uf para reducir el ruido eléctrico, y así tener una línea de alimentación limpia.
• LED5 y R5; un led y su Resistencia limitadora de corriente en la configuración usual para tener una fuente de luz. Asegurarse que el LED5 sea del mismo color que LED1. R5 puede reducirse a 220 ohm para tener más luz. Estas dos partes no son necesarias para el sensor, pero son útiles para efectos de experimentación, al proporcionar luz del mismo color.
  • LED1 x 2; dos leds rojos ultra brillantes en posición invertida para que actúen como foto sensores. Se pueden agregar leds adicionales para aumentar la corriente de detección. Se recomienda usar leds ultra brillantes ya que estos tiene lentes claros, los leds normales tienen lentes opacos, los que no podrían dar buenos resultados.
  • IC1; el flujo de corriente de los leds, es conectado al opamp el cual amplifica esta señal, el recomendable es el national LM6482.
  • R1 x 3; las 3 resistencias de 10 megohmio en serie crean una Resistencia de 30 megohmio. Esta resistencia permite que una pequeña cantidad corriente de salida regrese al opamp y los leds, de manera que la salida del opamp siempre permanezca dentro de un límite útil entre 0 y 5 voltios. Si el voltaje de salida es muy bajo, usar resistencias adicionales, si el voltaje es muy alto bajar el valor resistivo.
    
    R8; potenciómetro variable de 10 khm. Con Gnd conectado en un pin y 5 v conectado en el otro, así tendremos un valor de salida ajustable entre 0 y 5 v en el pin central. Cualquier voltaje que se seleccione con este potenciómetro será comparado con la salida amplificada del led invertido (ic1 pin 6) el LED9 se apagara y prendera indicando cual voltaje es mayor. Esta parte del circuito no es necesario para el sensor pero facilita el experimento ya que indica la detección en forma visual.    
  • R6; una Resistencia de 1 megohmio, que realimenta una pequeña cantidad de la salida del opmp para proporcionar la comparación de histéresis. Básicamente hace que el opamp permanezca estable.
    sin esta resistencia, el LED9 oscilara rápidamente cuando el voltaje del potenciómetro R8 y el voltaje del sensor LED1 sean iguales. Es preferible tener una señal estable en el caso de que se envíe esta señal a un micro o a otro dispositivo digital.
  • R7; esta Resistencia de 100khm balancea el nivel de señal del potenciómetro R8 con la realimentación de R6. Sin esta resistencia, cuando R8 llegue a un valor bajo (de 1ohm) R6 no tendrá ningún efecto en el voltaje del pin 5.
  • LED9 y R9; son un led y su resistencia limitadora de corriente configurados para proporcionar una fuente de luz. El LED9 puede ser de cualquier color, pero no se deberá escoger colores diferentes que los de LED1 y LED5. Si es necesario se puede reducir el valor de R5 a 220 ohm para tener mayor brillo. Estas partes no son necesarias para el sensor, pero facilita el experimento ya que indican cuando LED1 sense la luz.