Dispositivos Optoelectronicos fotorres optoacopladores y optoaislados

Práctica No. 9. Dispositivos Optoelectrónicos. Empleo de fotorresistencias, optoacopladores, y optoaisladores.

1.- OBJETIVO.

El alumno reforzará los conocimientos adquiridos respecto al funcionamiento y características de los dispositivos optoelectrónicos más comunes tales como las fotorresistencias, fototransistores, y los dispositivos optoacopladores y optoaisladores.

2.- INTRODUCCIÓN.

En esta práctica, el alumno tendrá la oportunidad de manipular los diferentes dispositivos fotorresistivos y fotoeléctricos más comúnmente empleados en la electrónica industrial, como elementos de sistemas de detección de variables y enlaces de baja a alta potencia, así como aislamiento entre etapas de control y de potencia..
Por principio de cuentas, la electrónica industrial tiene como objetivo el estudio y aplicación de elementos y técnicas que permitan el control de sistemas eléctricos de mediana y alta potencia. Para ello, la electrónica industrial se auxilia de dispositivos electrónicos de baja potencia (transistores, amplificadores operacionales, y elementos sensores semiconductores) e interfases entre esta baja potencia y la media o alta potencia. Estas interfases mencionadas son las que permiten el enlace entre los sistemas de control y sensado de variables, hacia el control de elementos de potencia tales como motores de C.D y C.A, electro válvulas, pistones o cilindros eléctricos, neumáticos o hidráulicos, así como relevadores, entre otros.
Las interfases electrónicas no solamente sirven para permitir el acoplamiento de baja a alta potencia, sino que también permiten generar un aislamiento entre esas etapas, lo que permite obtener, por un lado, una protección en el lado del control cuando el sistema de potencia falla, y por otro lado, permitirá además aislar de altos voltajes a los usuarios del sistema de control.
Dentro de los elementos fotorresistivos más comunes empleados en la electrónica industrial están las fotorresistencias, que entregan una variación en su resistencia óhmica cuando son expuestas a la luz. Esta variación en su resistencia, puede ser directa o inversamente proporcional a la intensidad luminosa a la que esté expuesto el elemento sensor, y son llamadas LDR (de sus siglas en inglés Light Dependent Resistor).
Las aplicaciones de las LDR's van desde sensores de día o noche para el control automático del alumbrado público nocturno, hasta sensores empleados en la captación de imágenes en cámaras de fotografía y video.
Los elementos fotoeléctricos más comúnmente empleados en la electrónica industrial están divididos en dos secciones importantes: Los optoacopladores y los optoaisladores. En realidad, ésta división de sintaxis es otorgada a los dispositivos de acuerdo al nivel de voltaje que manejan, siendo los primeros para voltajes menores a los 48VCD, y los segundos para voltajes mayores a esto.
Ambos dispositivos (optoacopladores y optoaisladores) están constituidos por un elemento emisor de luz (LED) y un receptor de luz. El receptor de luz puede ser de diversas naturalezas, siendo los más comunes los fototransistores y los foto tiristores. Los fototransistores son transistores prácticamente comunes, excepto que la corriente de base se la proporciona un haz de fotones que incide en su base expuesta a la luz. Los foto tiristores son elementos de potencia activados por luz, y pueden ser fotoDIAC's, fotoSCR's, fotoTRIAC's, entre otros.
Cualquiera de los dispositivos mencionados, pueden ser empleados de dos maneras fundamentales: el emisor de luz frente al receptor de luz (que se conoce como arreglo óptico frontal), y el emisor de luz colateral al receptor de luz (que se conoce como arreglo óptico reflectivo). En el primero de ellos un objeto se interpone o no entre el emisor y el receptor, lo cual se emplea frecuentemente para detectar el paso de piezas en un proceso de producción, o bien para detectar y posiblemente contabilizar el paso de personas, automóviles, etc. En el segundo de ellos, un objeto o material reflectivo es el que se encarga de reflejar la luz emitida, misma que será captada por el receptor. Esta configuración también puede ser empleada en las aplicaciones ya mencionadas, pero además puede permitir "capturar" ciertas características del objeto reflector tales como el color, la textura, la densidad, entre otras características.
En esta práctica, el alumno tendrá la oportunidad de experimentar con diversos dispositivos optoelectrónicos que le permitirán diseñar y construir sistemas de manipulación de señales analógicas y digitales, para ser empleadas en múltiples entornos, sobre todo en el ámbito de la electrónica industrial.

3.- Correlación con los temas y subtemas del programa de estudios.

Esta práctica cubrirá los contenidos temáticos 3.4, 4.1, y 4.2 del temario de la asignatura. El alumno reforzará los conocimientos adquiridos respecto al funcionamiento y características de los dispositivos optoelectrónicos más comunes tales como las fotorresistencias, los dispositivos optoacopladores y optoaisladores.

4.- COMPETENCIAS ESPECÍFICAS.

Reforzar los conocimientos adquiridos respecto a la teoría fundamental y al funcionamiento y características de los dispositivos optoelectrónicos más comunes tales como las fotorresistencias, los dispositivos optoacopladores y optoaisladores.
Medir con un multímetro la cantidad de resistencia óhmica de la fotorresistencia, exponiendo esta una fuente luminosa controlada, con el objeto de comprobar la no linealidad del dispositivo, realizado las anotaciones pertinentes para generar una gráfica del comportamiento de la fotorresistencia.
Diseñar y construir un circuito seguidor de luz (girasol electrónico), con el objeto de emplear el sensor fotorresistivo y los amplificadores operacionales en una aplicación práctica real, en el ámbito de la electrónica industrial.
Diseñar un circuito con el que se comprobará el funcionamiento de los dispositivos optoacopladores y optoaisladores, como sistemas de aislamiento y acoplamiento entre sistemas de control de baja potencia y sistemas de alta potencia o planta, empleando para ello dispositivos 4N25 y MOC3010, así como una electroválvula y un motor de CA que deberá activar y desactivar.
Simular en un paquete computacional los circuitos diseñados correspondientes al girasol electrónico y al sistema de optoacoplamiento y optoaislamiento de potencia.
Diseñar un circuito que permita realizar un proceso integrador, incluyendo dispositivos optoelectrónicos. Sugerencia: Diseñar y construir un sistema selector de piezas y colores.


5.- MATERIAL Y EQUIPO NECESARIO.
Material:
1 Circuito Integrado TL084 (4 Amplificadores Operacionales en un Chip).
2 Fotorresistencias.
1 Sensor óptico frontal tipo herradura. (Optoacoplador led- transistor).
1 Circuito integrado 4N25. (Optoacoplador led- transistor).
1 Circuito integrado MOC3010. (Optoaislador led- SBS).
1 Circuito integrado CNY70.
1 Circuito integrado 74LS04 (compuertas inversoras).
1 Circuito integrado 74LS08 (compuertas and).
1 Circuito integrado 7805 (regulador de 5V).
2 Led de colores.
1 Lámpara de C.D. de 6 ó 12V.
2 Transistores TIP41 ó 2N3904.
2 Transistores TIP42 ó 2N3906.
1 Motor de C.D de 12 ó 24V.
1 Motor de C.A de 120Vrms o lámpara de C.A de 120Vrms 20W max.
1 Resistencia variable (POT) de 1KΩ o 500Ω a 1/2 Watt.
2 Resistencias de carbón de 1KΩ a 1/2 Watt.
1 Resistencia de carbón de 10KΩ a 1/2 Watt.
1 Resistencia de carbón de 15KΩ a 1/2 Watt.
2 Resistencias de carbón de 1KΩ a 1/2 Watt.
2 Resistencias de carbón de 1KΩ a 1/2 Watt.
2 Resistencias de carbón de 100Ω a 1/2 Watt.
1 Resistencia de carbón de 150Ω a 1/2 Watt.
1 Resistencia de carbón de 470Ω a 1/2 Watt.
2 Resistencia de carbón de 220Ω a 1/2 Watt.
1 Tarjeta para experimentos (protoboard).
Cable para conexiones a protoboard.
1 Pinzas de corte.
1 Pinzas de punta.

Equipo:
1 Multímetro digital.
1 Fuente de voltaje de C.D BIPOLAR DE +-12V.
1 Generador de funciones.
1 Osciloscopio de 2 canales, con opción de Función de Transferencia XY.
1 Computadora con los paquetes "Work–Bench" y "Proteus" instalados.


6.- METODOLOGÍA.
Antes de conectar cada uno de los circuitos, lea cuidadosamente el marco teórico correspondiente y resuelva sus dudas.
Notas y Recomendaciones en la práctica:
Identificar los interruptores de energía eléctrica y verificar la ausencia de voltaje con un multímetro. Sí tiene dudas sobre el equipo se debe pedir información al profesor o encargado del laboratorio. No tener sobre las mesas de trabajo alimentos o bebidas que puedan ser derramadas y provocar cortos circuitos.
En la mesa de trabajo sólo debe tener el material y equipo necesario para la práctica.
Los equipos electrónicos deben estar apagados antes de realizar la práctica.
Revisar que los controles de los equipos estén desactivados o al nivel mínimo.
Cada vez que se realice un circuito se debe verificar su conexión antes de conectarlo a las fuentes de energía eléctrica. Cuando se modifique un circuito se debe apagar la fuente de energía eléctrica.
Al terminar la práctica se deben desenergizar todos los equipos utilizados.

6.1. Desenergice todas las fuentes de alimentación. Conecte una lámpara de C.D a una fuente de alimentación de C.D variable (de 0V al Voltaje máximo de la lámpara). Coloque una fotorresistencia en serie con una resistencia de 1K de manera que forme un divisor de voltaje, con una fuente de 5V fija, como se aprecia en el circuito mostrado en la figura 6.1.


Figura 6.1. Divisor de voltaje para probar la respuesta de la fotorresistencia.

6.2. Coloque la lámpara frente a la fotorresistencia, a una distancia aproximada de 1cm. Si las condiciones de luz ambiental del lugar son cambiantes, encapsule estos elementos en una pequeña caja de cartoncillo, plástico u otro material de color claro en su interior. Energice todas las fuentes de alimentación. Coloque la fuente de la lámpara a 0V inicialmente, y luego modifique ésta, de acuerdo a la tabla 6.1. Registre los valores de voltaje del divisor.
Voltaje aplicado a la lámpara (Volts)
Proporción de la intensidad luminosa = L= voltaje aplicado a la lámpara/voltaje máximo lámpara
Voltaje medido en el divisor de voltaje de la fotorresistencia(Volts)
Proporción del voltaje del divisor contra voltaje aplicado (P=voltaje divisor/voltaje fuente)
0
0
4.8
0.96
2
0.16666667
3.8
0.76
4
0.33333333
2.9
0.58
6
0.5
1.8
0.36
8
0.66666667
0.9
0.18
10
0.83333333
0.5
0.1
12
1
0.2
0.04

Tabla 6.1. Prueba de la respuesta de la fotorresistencia, a diferentes intensidades luminosas.

6.3. Con los valores obtenidos en la tabla 6.1, grafique los valores de P vs L, y regístrelos en el espacio de la figura 6.2.

6.4. Desenergice todas las fuentes de alimentación. Conteste las siguientes preguntas.
La gráfica obtenida, ¿Prueba que la fotorresistencia tiene un comportamiento lineal? Respuesta: No. Se comporta de forma no lineal.
Conforme se aumenta la intensidad luminosa aplicada a la fotorresistencia (L), ¿Se incrementa o disminuye el valor de su resistencia (R)? Respuesta: Se disminuye su resistencia.



Figura 6.2. Valores de P vs L, que muestran la no linealidad de la fotorresistencia.

6.5. Construya en la tablilla de circuitos, el circuito de la figura 6.3, el cual permitirá emplear a las fotorresistencias como elementos sensores de la posición de la luz, simulando el seguimiento del sol, como lo hace un girasol. A este sistema electrónico se le conoce precisamente como "girasol electrónico", y permite entre otras aplicaciones, aprovechar la mayor cantidad de luz solar durante el día, para aplicaciones con fotoceldas, calentadores solares, posicionador de alerones en satélites espaciales, etc.



Figura 6.3. Circuito para generar un seguidor de luz, conocido como "girasol electrónico".

6.6. Energice la fuente de alimentación. Coloque una fuente de luz (lámpara o foco) frente a las fotorresistencias y observe el sentido de giro del motor. Mueva la fuente de luz de tal manera que incida en mayor cantidad en una sola de las fotorresistencias. Observe nuevamente el sentido de giro del motor. Repita la acción, pero ahora con la otra fotorresistencia. Trate de mover la fuente de luz en forma lenta y luego en forma rápida frente a una, otra y ambas resistencias. Registre lo observado en cuanto al sentido y velocidad del motor. Observaciones: Cuando la fuente de luz incide en mayor cantidad sobre una de las fotorresistencias, el motor gira en un determinado sentido, cambiando el sentido cuando la luz incide en la otra fotorresistencia. Cuando la luz da en forma similar en ambos sensores, el motor tiende a frenarse y detenerse.

6.7. Desenergice las fuentes de alimentación. Investigue la hoja de datos del circuito integrado 4N25, el cual es un circuito optoacoplador, compuesto por un led infrarrojo y un fototransistor. Complete los datos solicitados en la tabla 6.2.

Encapsulado
Voltaje máximo inverso LED (V)
Corriente máxima del LED (mA)
Voltaje Colector – Emisor (V)
Corriente de Colector (mA)
Configuración de pines
730A-04
3
60
30
150

Tabla 6.2. Datos importantes del circuito optoacoplador en circuito integrado 4N25.

6.8. Construya el circuito de prueba de la figura 6.4, el cual permitirá comprobar el funcionamiento de un optoacoplador sin fuentes aisladas, para acoplar un voltaje pequeño a uno mayor.














Figura 6.4. Circuito de prueba, para comprobar el funcionamiento de un optoacoplador sin fuentes aisladas, para acoplar un voltaje pequeño a uno mayor.

6.9. Coloque un miliamperímetro en serie con R1 y el reóstato RV1, de manera que pueda registrar la corriente del LED infrarrojo. Cierre el interruptor o cable que se muestra en el diagrama. Mueva el reóstato al máximo, de manera que la corriente en el miliamperímetro sea la mínima. Observe si la carga (led de color) enciende. Si éste no enciende, mueva lentamente RV1 hasta que el led de color encienda. En este momento la carga se ha activado y se podrá conocer cuál es la mínima corriente para activar el led infrarrojo. Registre este valor.
Mínima corriente para activar el led infrarrojo: 20mA.
6.10. Cierre y abra el interruptor y observe el estado del led de carga del fototransistor. Si consideramos como un "on" al interruptor cerrado ("off" al estar abierto) y un "on" al estar encendido el led ("off" al estar apagado), llene la tabla 6.3:

ESTADO DE ENTRADA
(INTERRUPTOR DEL LED INFRARROJO)
ESTADO DE SALIDA
(CARGA)
ON
ON
OFF
OFF
Tabla 6.3. Estado de salida (carga) contra estado de entrada (interruptor del led infrarrojo).

6.11. Desenergice el circuito y quite con cuidado el reóstato RV1. Mida el valor óhmico de este y calcule el valor máximo de la resistencia limitadora del led infrarrojo, empleando la fórmula Rmax lim (LED IR)= RV1 + R1= 80 +220 =300 .
Conteste las siguientes preguntas:
Un valor de resistencia limitadora del led infrarrojo más grande que el medido en el paso anterior, ¿Permitirá que la carga se active? Respuesta: No.
¿Se debe colocar entonces una resistencia limitadora del led infrarrojo más pequeña que el valor medido en el punto anterior? Respuesta: Sí.
Si la corriente máxima del led infrarrojo es de 60mA, y éste es alimentado con 5volts, ¿Cuál será la resistencia mínima que se puede colocar en el led infrarrojo? Respuesta: R=V/I= 5volts/60mA = 83 .
Coloque en el siguiente espacio el rango de valores permisibles de resistencia limitadora del led infrarrojo al trabajar con 5volts. Respuesta: 83