UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS

FACULTAD DE INGENIERIA

CARRERA: INGENIERIA MECANICA

DOCENTE : Ing. Febo Flores

ALUMNOS : Univ. Bazan Antequera RuddyUniv. Ramos Arias Nicolas

FECHA : 21 de Octubre

LA PAZ – BOLIVIA

Mecatronica I (Mec-436)

2009

DISEÑO DE UN CIRCUITO CON SENSOR FOTOELETRICO LDR Y RELE

Un sensor fotoeléctrico es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que “ve” la luz generada por el emisor. Todos los diferentes modos de sensado se basan en este principio de funcionamiento. Están diseñados especialmente para la detección, clasificación y posicionado de objetos; la detección de formas, colores y diferencias de superficie, incluso bajo condiciones ambientales extremas.

Los sensores de luz se usan para detectar el nivel de luz y producir una señal de salida representativa respecto a la cantidad de luz detectada. Un sensor de luz incluye un transductor fotoeléctrico para convertir la luz a una señal eléctrica y puede incluir electrónica para condicionamiento de la señal, compensación para sensibilidades cruzadas como la temperatura y formateo de la señal de salida.

El sensor de luz más común es el LDR -Light Dependant Resistor o Resistor dependiente de la luz-.Un LDR es básicamente un resistor que cambia su resistencia cuando cambia la intensidad de la luz.

Sensores de luz más característicos

Conceptos teóricos

Espectro electromagnético Atendiendo a su longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres. Desde los energéticos rayos gamma (con una longitud de onda del orden de picometros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del orden de varios kilómetros) pasando por la luz visible cuya longitud de onda está en el rango de las décimas de micra. El rango completo de longitudes de onda forma el espectro electromagnético, del cual la luz visible no es más que un minúsculo intervalo que va desde la longitud de onda correspondiente al violeta (380 nm) hasta la longitud de onda del rojo (780 nm). Los colores del espectro se ordenan como en el arco iris, formando el llamado espectro visible.

Si hablamos de luz en sentido estricto nos referimos a radiaciones electromagnéticas cuya longitud de onda es capaz de captar el ojo humano, pero técnicamente, el ultravioleta, las ondas de radio o las microondas también son luz, pues la única diferencia con la luz visible

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es que su longitud de onda queda fuera del rango que podemos detectar con nuestros ojos; simplemente son "colores" que nos resultan invisibles, pero podemos detectarlos mediante instrumentos específicos.

Fuentes de luz habituales

Color Rango Características

INFRARROJO890…950 nm

No visible, son relativamente inmunes a la luz ambiente artificial. Generalmente se utilizan para detección en distancias largas y ambientes con presencia de polvo.

ROJO660…700 nm

Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser afectado por luz ambiente intensa, y es de uso general en aplicaciones industriales.

VERDE560…565 nm

Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser afectado por luz ambiente intensa, generalmente se utiliza esta fuente de luz para detección de marcas.

Modulación de la fuente de la luz

Con la excepción de los infrarrojos, los LEDs producen menos luz que las fuentes incandescentes y fluorescentes que comúnmente iluminan el ambiente. La modulación de la fuente de luz provee el poder de sensado necesario para detectar confiablemente con esos bajos niveles de luz. Muchos de los sensores fotoeléctricos utilizan LEDs emisores de luz modulada y receptores fototransistores.

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Los LEDs, pueden estar “encendidos” y “apagados” (o modulados) con una frecuencia que normalmente ronda un kilohercio. Esta modulación del LEDs emisor hace que el amplificador del fototransistor receptor pueda ser “conmutado” a la frecuencia de la modulación, y que amplifique solamente la luz que se encuentre modulada como la que envía el emisor.

La operación de los sensores que no poseen luz modulada está limitada a zonas donde el receptor no reciba luz ambiente y sólo reciba la luz del emisor. Un receptor modulado ignora la presencia de luz ambiente y responde únicamente a la fuente de luz modulada.

Los LEDs infrarrojos son los más efectivos y son, además, los que tiene el espectro que mejor trabajan con los fototransistores; es por tal motivo que son usados en muchas aplicaciones. Sin embargo, los sensores fotoeléctricos son también utilizados, para detectar contraste (detección de marcas) o color, y para esto se requiere que la luz sea visible.

Exceso de ganancia

La curva de exceso de ganancia se especifica en cada tipo de sensor fotoeléctrico, y la misma está en función de la distancia de sensado. Esta curva es usada al momento de seleccionar el sensor, para predecir la confiabilidad de la detección en un ambiente conocido.

Condición de operaciónMínima ganancia requerida

Aire limpio, sin suciedad en lentes o reflector 1,5X

Ambiente levemente sucio, con humedad, o filmes sobre los reflectores o las lentes. Lentes limpiados regularmente.

5X

Ambiente medianamente sucio, contaminación en lentes o reflectores, limpiados ocasionalmente.

10X

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Ambiente muy sucio, alta contaminación en lentes o reflectores, limpiados esporádicamente.

50X

Materiales utilizados

Un Sensor Fotoeléctrico, LDR -Light Dependant Resistor Un Transistor 3904Una Resistencia de 4 (KΩ)Un Rele de 400 (Ω)Fuente de 15 (V)Cables, foco, Proto, etc.

Cálculos realizados

Considerando el análisis realizado para este circuito, el diseño es el siguiente:

Datos:

Vcc = Vab = 5 v Sensor de Luz:

B = 150 (por grafica) R1= 12(KΩ) sin luz

Rrele = 408 K R2= 590(KΩ) con luz

Solución (diseño):

De la Ecuación:

0.2 = I2 R2

Se obtiene:

I2 = 0.2 / R2 I2 = 0.2 / 590 I2 =0.34(mA)

De la Ecuación:

Vcc = I2R + 0.2

Se obtiene:

R = (Vcc – 0.2) / I2 R = (15 – 0.2) / 0.34(mA) R = 43.5(KΩ)

De la Ecuación:

Vcc = Ic Rc + 0.3

Se obtiene:

Ic = (Vcc – 0.3) / Rrele Ic = (15 – 0.3) / 408 Ic =3.6*10-2 (A)

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De la Ecuación:

Ic Ic/β Ib = 2 Ic / B

Se obtiene:

Ib = 2 * 3.6*10-2 (A) / 150 Ib = 4.8 (mA)

De la Ecuación:

Vcc = (I1 + Ib) R + 0.8

Se obtiene:

I1 = (Vcc – 0.8) / R - Ib I1= (15 – 0.8) / 43.5(KΩ)- 0.00048

I1 = -0.000157(A)

De la Ecuación:

0.8 = I1 *R1

Se obtiene:

R1 = 0.8 / I1 R1= 0.8 / (- 15.7*10-6A) R1 = - 50.9 kΩ

Como este valor de resistencia no existe (por ser negativo), entonces se tiene dos opciones:

a) El circuito NO se puede diseñar, con los datos planteados

b) Se debe cambiar alguna relación, si esto es posible

La segunda opción, cambiar alguna relación es posible, ya que la última ecuación, en

realidad inecuación era:

Ic Ic/β

Donde la relación Mayor ó Igual se sustituía por el valor de 2 , ahora, debido a la exigencia

del circuito, se la puede reducir a 1.5 , sin olvidar que el mínimo valor al cual se puede

reducir es a 1 , para cumplir con la inecuación.

Con este cambio (de 2 por 1) se reinicia el diseño del circuito, y se tiene lo siguiente:

Datos:

Vcc = Vab = 5 v Sensor de Luz:

B = 150 (por grafica) R1= 12(KΩ) sin luz

Rrele = 408 K R2= 590(KΩ) con luz

Solución (diseño):

De la Ecuación:

0.2 = I2 R2

Se obtiene:

I2 = 0.2 / R2 I2 = 0.2 / 590 I2 =0.34(mA)

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Valor que no cambia en relación al diseño anterior.

De la Ecuación:

Vcc = I2R + 0.2

Se obtiene:

R = (Vcc – 0.2) / I2 R = (15 – 0.2) / 0.34(mA) R = 43.5(KΩ)

Valor que no cambia en relación al diseño anterior.

De la Ecuación:

Vcc = Ic Rc + 0.3

Se obtiene:

Ic = (Vcc – 0.3) / Rrele Ic = (15 – 0.3) / 408 Ic =3.6*10-2 (A)

Valor que no cambia en relación al diseño anterior.

De la Ecuación:

Ic Ic/β Ib = 1 Ic / B

Se obtiene:

Ib = 1* 3.6*10-2 (A) / 150 Ib = 2.4 (mA)

Valor que SI cambia en relación al diseño anterior, es un valor MENOR al anterior.

De la Ecuación:

Vcc = (I1 + Ib) R + 0.8

Se obtiene:

I1 = (Vcc – 0.8) / R - Ib I1= (15 – 0.8) / 43.5(KΩ)- 0.00024

I1 = 9.023*10-5(A)

Valor que SI cambia en relación al diseño anterior, este valor ahora es POSITIVO

De la Ecuación:

0.8 = I1 *R1

Se obtiene:

R1 = 0.8 / I1 R1= 0.8 / (9.023*10-5A) R1 = 8.86 kΩ

Valor que SI cambia en relación al diseño anterior, este valor ahora es FACTIBLE, y

por tanto, el circuito se puede implementar. No se debe olvidar cumplir que R1 > R2.

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Prueba del Circuito; (a) Con R2; (b) Con R1.

La prueba, mediante simulador, del circuito se presenta en la Fig. 4. Donde se debe observar

los terminales del Rele. Se supone que para el caso de R2, los terminales deben estar

conectados entre el terminal del centro y terminal inferior y para el caso de R1, el terminal

del centro debe estar conectado con el terminal superior. Esto significa que existe un cambio

en el estado del Rele, es decir, que con R2 el Rele esta en reposo (no activo), debido a que el

transistor esta en corte, y con R1 el Rele se activa, debido a que el transistor se satura y, por

tanto, se tiene voltaje (Vcc) sobre el Rele.

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Ejemplo de Aplicación del circuito con Sensor – Rele – Foco: (a) Circuito conR2; (b) Circuito con R1.

Una aplicación del circuito analizado y diseñado, es el del control de encendido y apagado de luminarias en forma automática, este circuito se puede observar en la figura anterior donde se cumple las siguientes condiciones.

a) El sensor es de coeficiente negativo.b) R2 es el valor de resistencia del sensor cuando se tiene incidencia de luz sobre el mismo.c) R1 es el valor de resistencia del sensor cuando no se tiene incidencia, por tanto, se cumple que R1 > R2.d) Con R2 (con luz, sobre el sensor) el transistor se corta, por tanto, el rele no funciona y el foco no se enciende.e) Con R1 (sin luz, sobre el sensor) el transistor esta en saturación, por tanto, el rele funciona y el foco se enciende.

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Fotografía del Circuito Terminado

En funcionamiento cuando esta encendido el Láser y la Luz apagada

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La luz se enciendo por que el rele recibe la orden de activar la Luz cuando un objeto pasa por el Láser y el Sensor Fotoeléctrico

Y se apagar la Luz cuando vuelve el Láser al Sensor Fotoeléctrico

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Algunas aplicaciones del Sensor fotoeléctrico

Sistema de seguridad para niños con alarma

Barrera fotoeléctrica de seguridad

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El láser de seguridad más pequeño del mundo

Sensores para puertas, portones y ascensores

Rejillas fotoeléctricas para ascensoresPara la protección de cantos de cierre en funcionamiento seguro de puertas de ascensoresBarreras fotoeléctricas

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Circuito de control de postes de luz

Circuito que se utiliza en el control de encendido y apagado de luminarias, del alumbrado público.

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F I N

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