Detector de proximidad
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    Detector de proximidad Detector de proximidad Document Transcript

    • 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 VERASAN CRISTÓBAL, JULIO DE 2011
    • DETECTOR DE PROXIMIDADUn circuito que no puede faltar en proyectos de robótica es el de los detectores deproximidad, ya que son los ojos del robot.Presentamos un circuito probado de un detector de proximidad construido en base a unFOTO TRANSISTOR de uso general y un diodo IR.Además de la robótica, lo encontramos en los dispensadores de agua automáticos, lossecadores de mano automáticos y con algunas variantes lo encontramos en las puertasautomáticas de los grandes centros comerciales.PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Generamos una ráfaga de pulsos de alta intensidad con el LM555 a baja frecuencia ylos transmitimos por el led de chorro infrarojo. Luego los recibimos en un fototransistor colocado de tal manera que solo los recibacuando un objeto refleje los pulsos. Luego procesamos esa señal para poder utilizarla en elencendido - apagado de nuestros aparatos.
    • Para ello colocamos un fototransistor de tal manera que cuando haya una superficieque refleje los pulsos, bien sea una mano, un objeto cualquiera, a una distancia de unos 10cm, este los pueda recibir y enviar a un amplificador de corriente, en este caso un par detransistores en configuración darlington. Cuando esta débil señal alcanza una intensidad suficiente, debido a que se acercó unobjeto, entonces logra disparar un temporizador de unos 10 segundos construido con unLM555. Luego colocamos una interface a transistor para alimentar un relé de 12 V 5 PINES, elcual 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 MATERIALESCircuito Impreso2 integrados LM 5552 bases de 8 pines1 relé 12 V 5 pines1 foto transistor de uso general1 diodo infrarrojo de uso general1 control de 1 Mega3 transistores 2N39042 cond. de 10 uF/50 V1 Cond. de 0.1uF/50 V1 diodo 1N41481 led verde de 5 mm1 R 68 ohm1 R 1K52 R 10K1 R 100K1R1M1 R 470 ohmTodas las R a 1/2 W
    • EL RELÉ Es un interruptor operado magnéticamente. El relé se activa o desactiva (dependiendo de la conexión) cuando el electroimán (queforma 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 deldispositivo (el relé). Esta conexión se logra con la atracción o repulsión de un pequeño brazo, llamadoarmadura, 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 elelectroimán se desactiva, conecta los puntos D y E. De esta manera se puede conectar algo, cuando elelectroimán está activo, y otra cosa conectada, cuando estáinactivo. Es importante saber cual es la resistencia del bobinado delelectroimán (lo que está entre los terminales A y B) que activa elrelé y con cuanto voltaje este se activa. Este voltaje y esta resistencia nos informan que magnitud debe de tener la señal queactivará 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 reléVENTAJAS DEL RELÉ- El Relé permite el control de un dispositivo a distancia. No se necesita estar junto aldispositivo para hacerlo funcionar.- El Relé es activado con poca corriente, sin embargo puede activar grandes máquinas queconsumen gran cantidad de corriente.- Con una sola señal de control, puedo controlar varios relés a la vez.EL CONDENSADOR Es un dispositivo formado por dos placas metálicas separadas por un aislante llamadodieléctrico. 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 (esevidente cuando el capacitor funciona con corriente directa) y se llama capacitancia ocapacidad 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 funciónes aumentar la capacitancia del capacitor. Los diferentes materiales que se utilizan como dieléctricos tiene diferentes grados depermitividad(diferente capacidad para el establecimiento de un campo eléctrico Mientras mayor sea la permitividad, mayor es la capacidad del condensador. Lacapacitancia de un condensador está dada por la fórmula: C = Er x A / ddonde:- 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 ocapacitancia y su máxima tensión entre placas (máxima tensión que es capaz de aguantarsin dañarse). La robótica es una parte de la electrónica que tiene muchos adeptos, en esta ocasiónsolicito 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 fototansistorde uso general y un diodo infrarrojo o IR. Estos diodos pueden controlar la cantidad de señal que les llega tanto por reflejo comopor interrupción.
    • CONSTRUCCIÓN DE LOS FOTOTRANSISTORES Los fototransistores se construyen con silicio o germanio, similarmente a cualquier tipode transistor bipolar. Existen tanto fototransistores NPN como PNP. Debido a que laradiación 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 deconstrucción es el de difusión. Este consiste en que se utiliza silicio o germanio, así comogases 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 difusionesposteriores, creando capas de dopantes en el material. La parte exterior del fototransistorestá hecha de un material llamado epoxy, que es una resina que permite el ingreso deradiación 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 lostransistores son sensibles a la luz, pero los fototransitores están diseñados para aprovecharesta característica. Existen transistores FET, que son muy sensibles a la luz, peroencontramos que la mayoría de los fototransistores consisten en una unión npn con unaregión 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. Siasignamos la notación Ibf para la corriente de base fotoinducida, la corriente de colectorresultante, de forma aproximada, es: Ic = hfe * Ibf En la siguiente gráfica se proporciona un conjunto de características representativaspara un fototransistor, junto con la representación simbólica del dispositivo. Es importantenotar las similitudes entre estas curvas y las del transistor bipolar típico. Como se espera, unincremento 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 delmismo, generando huecos y con ello una corriente de base que hace que el transistor entreen la región activa, y se presente una corriente de colector a emisor. Es decir, los fotones eneste 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 deltransistor. La característica más sobresaliente de un fototransistor es que permite detectar luzy amplificar mediante el uso de un sólo dispositivo. La sensibilidad de un fototransistor essuperior a la de un fotodiodo, ya que la pequeña corriente fotogenerada es multiplicada por laganacia del transistor.OBJETIVOS
    • - Diseñar un detector de infrarrojo de proximidad que alcance una distancia mínimade 50 cm, con el fin de aplicar algunos de los circuitos y elementos utilizados durante elcurso 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 yaplicados durante el curso, pero de forma más compleja debido a la concatenación devarios circuitos implementados individualmente, así como de componentes como son losfotodiodos y fototransistores.INTRODUCCIÓN Se desea construir un circuito detector de infrarrojo de proximidad que al acercarsecualquier objeto entre el receptor y el emisor se active una alarma. De manera prácticaeste circuito se puede colocar en puertas y ventanas de las casas para evitar que gente separe 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 luminosasinfrarrojas las cuales al rebotar contra un objeto que se encuentre entre la comunicación delreceptor y transmisor provoca el encendido de una alarma. Mientras no se encuentre ningúnobjeto dentro de la comunicación el led permanecerá encendido, al momento de interferirentre dicha comunicación el led, se apagará El circuito integrado es un generador/decodificador de tonos que bien cumple con lasnecesidades de este diseño. Tanto el fotodiodo como el fototransistor deberán estar situadoscon unidades de enfoque adecuadas para mejorar el alcance. Con simples reflectores de
    • LEDs se pueden obtener alcances del orden del metro. Con lentes convexas se puedencubrir distancias de cinco metros. La alimentación de este circuito puede ser cualquier tensión comprendida entre 5 y 9volts. 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 demanera más amplia el funcionamiento de algunos elementos importantes tales como elfotodiodo, fototransistor, el LM567, por mencionar algunos.FOTODIODO Es un fotoconductor o fotodetector que cambia su resistencia eléctrica debido a laexposición 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 laluz que incide en el fotodiodo y se considera que a mayor intensidad de luz existe unacorriente de fuga mayor. El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pareselectrón - hueco debido a la energía luminosa. La aplicación de la luz a la unión dará comoresultado una transferencia de energía de las ondas de luz incidentes (en forma de fotones) ala estructura atómica, dando como resultado un aumento en la cantidad de portadoresminoritarios 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 luminosorevela que la corriente inversa y el flujo luminoso están relacionados casi linealmente. Enotras palabras, un aumento en intensidad de luz dará como resultado un incremento similaren 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 laincidencia 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 luzprovoca un aumento sustancial de portadores minoritarios, lo que se traduce en un aumentode la corriente de fuga en inversa. El modelo circuital del fotodiodo en inversa esta formadopor 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 esdebido a que los portadores, provenientes del dopado (portadores mayoritarios) son muchomás numerosos que los portadores de generación luminosa.PARÁMETROS PRINCIPALES:- Corriente Oscura (Dark Current): Es la corriente en inversa del fotodiodo cuando no existeluz incidente.- Sensibilidad: Es el incremento de intensidad al polarizar el dispositivo en inversa por unidadde 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 encámaras**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 decalidad**Agrupando varios sensores:- Reconocimiento de formas.- Lectores de tarjetas
    • Con ayuda del osciloscopio se midió la frecuencia de salida en la patanúmero 5, dicha frecuencia fue de 937 Hz, por lo que se decidió que a travésde un LM555, podíamos generar dicha frecuencia en un para así lograrseparar el circuito anterior en la parte receptora como en la transmisora. Se eligió la conexión monoestable para el LM555, de la hoja deespecificaciones obtuvimos la siguiente fórmula: 1.44 f = ( Ra + 2 Rb) * C Con dicha fórmula y el valor obtenido de nuestra frecuencia que es ala cual opera, se sustituyeron valores y se propuso el capacitor de 100 nF yuna de las resistencia de 10K, pues sabemos que dentro del mercado esmás fácil conseguir una resistencia que un capacitor. sustituyendo 1.44 937 Hz = (10 K + 2(2.7 K )) * 100nF Así fue como se obtuvieron los valores y con ellos se decidió armar elLM555 con una frecuencia de 937Hz, cabe señalar que la resistencia de 2.7K se cambió por un potenciómetro de 4.7K, para lograr tener una frecuenciamás precisa.