Fotoresistencia (LDR)

La fotorresistencia, como su nombre lo indica, es un resistencia cuyo valor dependen de la energía luminosa incidente en ella, específicamente son resistencias cuyo valor de resistividad disminuye a medida que aumenta la energía luminosa incidente sobre ella y viceversa. Una fotorresistencia se compone de un material semiconductor cuya resistencia varia en función de la iluminación. La fotorresistencia reduce su valor resistivo en presencia de rayos luminosos. Es por ello por lo que también se le llama resistencias dependientes de luz (light dependent resistors), fotoconductores o células fotoconductoras.

Figura 1. Simbolo de la Fotoresistencia

Figura 2. Fotoresistencia

Un fotorresistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar de la banda de valencia a la banda de conducción, aumentando así la conductividad del dispositivo y disminuyendo su resistencia. Las fotorresistencias se caracterizan por la ecuación:

Donde:
R: resistencia de la fotorresistencia.
A,α: constantes que dependen del semiconductor utilizado.
E: densidad superficial de la energía recibida.

Principio de Funcionamiento

La resistencia de este tipos de componentes varia en función de la luz que recibe en su superficie. Así, cuando están en oscuridad su resistencia es alta y cuando reciben luz su resistencia disminuye considerablemente. Cuando incide la luz en el material fotoconductor se generan pares electrón - hueco. Al haber un mayor número de portadores, el valor de la resistencia disminuye. De este modo, la fotorresistencia iluminada tiene un valor de resistencia bajo. Las células son también capaces de reaccionar a una amplia gama de frecuencias, incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, y ultravioleta (UV). Los materiales que intervienen en su construcción son Sulfuro de Cadmio, utilizado como elemento sensible a las radiaciones visibles y sulfuro de plomo se emplean en las LDR que trabajan en el margen de las radiaciones infrarrojas. Estos materiales se colocan en encapsulados de vidrio o resina.

Figura 3. Fotogeneración de Portadores

Si dejamos de iluminar, los portadores fotogenerados se recombinarán hasta volver hasta sus valores iniciales. Por lo tanto el número de portadores disminuirá y el valor de la resistencia será mayor. Por supuesto, el material de la fotorresistencia responderá a unas longitudes de onda determinadas.

Figura 4. Estado de Conducción sin Fotogeneración

Es decir, la variación de resistencia será máxima para una longitud de onda determinada. Esta longitud de onda depende del material y el dopado, y deberá ser suministrada por el proveedor. En general, la variación de resistencia en función de la longitud de onda presentan curvas como las de la figura siguiente:

Figura 5. Curva característica de la LDR

Tipos

En general, un dispositivo fotoeléctrico puede ser intrínseco o extrínseco. En dispositivos intrínsecos, los únicos electrones disponibles están en la banda de la valencia, por lo tanto el fotón debe tener bastante energía para excitar el electrón a través de toda la banda prohibida. Por otro lado en los dispositivos extrínsecos tienen impurezas agregadas, que tienen energía de estado a tierra más cercano a la banda de conducción puesto que los los electrones adquieren una energía inicial mayor que en el caso intrínseco, y por lo tanto no tienen que saltar lejos, es necesaria una energía (frecuencia, intensidad) menor para lograr el paso de un electrón a la banda de conducción.

En el caso específico de las fotorresistencias existen las lineales y no lineales:

LDR lineales: son mejor conocidas como fotodiodos pero bajo ciertas aplicaciones es posible tratarlas como fotorresistencias debido al comportamiento lineal que presentan. Para considerar un fotodiodo como una fotorresistencia lineal simplemente se polariza en inverso.

LDR no lineales: son aquellas hechas comúnmente cuyo comportamiento no depende de la polaridad aplicada sobre ella.

Construcción

Se fabrican de diversos tipos. Las células baratas del sulfuro del cadmio se pueden encontrar en muchos artículos del consumidor por ejemplo cámara fotográfica, medidores de luz, los relojes con radio, las alarmas de seguridad y los sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles en función de la luz ambiente. En otro extremo de la escala, los fotoconductores de Ge:CuUn ciclo típico de procedimientos en litografía de silicio podría constar de los siguientes procesos: son los sensores que funcionan dentro de la gama más baja "radiación infrarroja. Se utiliza sulfuro de cadmio purificado y en forma de polvo que, mezclado con las materias complementarias adecuadas, es prensado en forma de discos. Estos se someten a sinterización, controlando cuidadosamente las condiciones del proceso, tales como presión, temperatura y tiempo de tratamiento térmico. Los electrodos se aplican por evaporación en vacío. Después se sueldan a éstos los hilos de conexión y el disco LDR con terminales se monta en esa cápsula o se recubre con una laca protectora.

Preparación del substrato: Se empieza depositando una capa de metal conductivo de varios nanómetros de grosor sobre el substrato.

Aplicación de las resinas fotoresistentes. Se aplica sobre la capa metálica otra capa de resina fotoresistente. Suele ser una sustancia que cambia sus características químicas con la exposición a la luz (generalmente radiación ultravioleta)

Introducción en el horno (calentamiento ligero). En esta etapa se fijan las resinas sobre el substrato de silicio.

Exposición a la luz. Se usa una placa (denominada fotomáscara) con áreas opacas y transparentes con el patrón a imprimir. La fotomáscara se coloca interponiéndose entre la placa preparada y la fuente luminosa, de este modo, se exponen a la luz, sólo unas partes de la fotoresina, mientras que otras quedan ocultas en la oscuridad.

Desarrollo. En esta fase, la fotoresistencia está preparada para reaccionar de forma diferente a un ataque químico, dejando el patrón de la fotomáscara grabado en la placa.

Introducción en el horno (calentamiento fuerte). Se fijan los cambios que la impresión ha realizado anteriormente.

Aplicación del ácido nítrico o agua fuerte. Se limpian los restos de las resinas fotoresistentes, dejando la oblea con las marcas originales de la fotomáscara.

Figura 6. Un spiner empleado como resina de fotoresistencia.

Las salas blancas donde se realizan estas operaciones suelen estar libres de partículas en suspensión, así como de la exposición a luces azules o ultravioletas, con el objeto de evitar tanto la contaminación del proceso como la exposición indeseada de las fotoresinas. El espectro de luz empleado para la iluminación de los procesos es de color amarillo, para evitar cualquier tipo de reflejo.

La litografía se emplea en este complejo proceso de elaboración ya que se tiene un completo control del tamaño y dimensiones de las partes impresas sobre las obleas de silicio, además de poder trasladar los patrones de la fotomáscara a toda la superficie de la oblea al mismo tiempo. Una de las principales desventajas, de este procedimiento, son las necesarias dependencias de un substrato, además el método no se puede usar en la generación de imágenes que no son planas. A este inconveniente habría que añadir las extremas condiciones de limpieza requeridas cuando se tratan las obleas. Cuando se elabora un circuito integrado complejo, (por ejemplo un dispositivo CMOS) la oblea pasa por el ciclo unas cincuenta veces. Para la elaboración de un transistor de capa delgada (TFT) el proceso de fotolitografía se ejecuta unas cuantas veces.

Las células de sulfuro de cadmio

El sulfuro de cadmio o las células del sulfuro del cadmio (CdS) confían en la capacidad del cadmio de variar su resistencia según la cantidad de luz que pulsa la célula. Cuanto más luz pulsa la célula, más baja es la resistencia. Aunque no es exacta, incluso una célula simple de CdS puede tener una amplia gama de resistencia de cerca de 600 ohmios en luz brillante a 1 o 2 MΩ en oscuridad.

Acondicionamiento de la Señal

La mayoría de las señales requieren de preparación antes de poder ser digitalizadas. Aún las señales de voltaje puro pueden requerir de tecnología para bloquear señales grandes de modo común o picos. Todas estas tecnologías de preparación son formas de acondicionamiento de señal. Para los sensores resistivos en general, en los cuales caben las fotoresistencias los circuitos de acondicionamiento mas utilizados son:

1.- Divisores de Tensión o Voltaje

El circuito esencial de un divisor de tensión, también llamado divisor de potencial o divisor de voltaje, su fórmula, es:

Como se puede ver, dos resistencias están conectadas en serie con la tensión de entrada Vin, que puede ser o no, la tensión de la fuente de alimentación, conectada a Rarriba, la otra resistencia Rabajo conectada a masa. La tensión de la salida Vout, es el voltaje a extremos de Rabajo y viene dada por:

Dependiendo de la configuración del divisor de voltaje con la fotorresistencia sustituyendo a la R_abajo o R_arriba, trabajara como un sensor de oscuridad o un sensor de luz. Este circuito da una tensión BAJA en la salida cuando el LDR está en la luz, y una tensión ALTA cuando la LDR está en la penumbra. El circuito divisor de tensión dará una tensión de la salida que cambia con la iluminación, de forma inversamente proporcional a la cantidad de luz que reciba.

Un sistema de sensor que funcione como esto se podría pensar como 'sensor de oscuridad' y se podría utilizar para controlar los circuitos de iluminación que se encienden (conectan) automáticamente por la tarde.

Figura 7. Circuito de Acondicionamiento para un Detector de Oscuridad

Otro tipo de circuito de acondicionamiento es el caso de la figura 8 donde se observa un detector de luz, en el cual el principio fisico consiste en entregar en la salida, en presencia de luz, un voltaje menor al que hay en presencia de oscuridad puesto que la caída de voltaje de la salida se mide directamente en la LDR. Lograndola LDR está en la luz, y BAJA cuando el LDR está en la oscuridad. invertir el circuito, es decir, el voltaje de salida llega a ser ALTO, cuando la LDR está en la luz, y BAJA cuando el LDR está en la oscuridad.

Figura 8. Circuito de Acondicionamiento para un detector de Luz

2.- Puente de Wheatstone

Es obvio que el circuito consiste en dos divisores de tensión. Suponga que RX es un valor de la resistencia desconocida. Si ajustamos RC hasta que Va del segundo divisor de tensión es igual a Vb del divisor de tensión del brazo que contiene RX. Cuando los valores de Va y Vb son iguales, se dice que el puente está equilibrado. El punto de equilibrio puede ser detectado conectando un voltímetro o un amperímetro a través de los terminales de salida entre Va y Vb. Ambas clases de medida dan una lectura cero cuando se alcanza el equilibrio.

En un circuito equilibrado, el cociente RX/RA es igual al cociente de RB/RC .

Es decir si los valores del RA, de RB y de RC se saben, es fácil calcular RX. En instrumentos basados en el puente de Wheatstone, el RA y el RB son fijos y RC es ajustable en una escala que varía de una manera tal que el valor de RX se puede leer directamente.

Actualmente, los circuitos puente de Wheatstone no se utilizan generalmente para medir valores de resistencia, sino que se utilizan en diseñar los circuitos sensores.

Cuando se trabaja con resistencias dependientes de un parámetro exterior (por ejemplo una LDR, resistencia dependiente de la luz), se puede utilizar el puente para conocer el valor de la LDR, y para medir las variaciones de ese parámetro, a través del desequilibrio del puente, lo que se conoce como Puente de error.

3.- Amplificadores de Instrumentación

A plena luz, la resistencia de la fotorresistencia LDR es baja, por lo que hay una tensión bastante próxima a la de alimentación, en cualquier caso superior a la del centro (cursor) de R. El amplificador operacional funciona como comparador, es decir, compara las tensiones en las dos entradas: si el negativo está más alto que el otro, la salida está baja.

En ausencia de luz, la tensión baja hasta encontrarse por debajo de la alimentación; por tanto la salida del comparador está alta y, tras el retardo introducido envía una señal al actuador.

Aplicaciones

La mayor parte de las aplicaciones de los resistores LDR se basan en el accionamiento de un relé o d una lámpara. Pueden actuar directamente o por mediación de un amplificador adecuado si se requieren potencias relativamente elevadas. Es importante calcular la disipación máxima que tiene lugar en el resistor LDR. Si se conoce la máxima tensión de alimentación (Vmax) y el valor de la resistencia de carga (R), la disipación máxima en el resistor LDR se produce cuando el valor de su resistencia sea igual a R. La potencia a disipar

por el resistor LDR vale entonces: V2m/4R

este valor ha de ser más pequeño que la disipación máxima admisible a la temperatura ambiente dada, ya que de otra manera el resistor LDR se dañará por sobrecalentamiento. También es importante tener en cuenta que la iluminación parcial de la superficie sensible del resistor LDR puede resultar perjudicial (empleo de lentes o diafragmas), especialmente si una pequeña parte del disco de sulfuro de cadmio tiene que disipar toda la potencia, e incluso es contraproducente si la potencia disipada es menor que el máximo admisible.

Aplicación Industrial

Como un ejemplo práctico de las aplicaciones de las LDR, se armará unproyecto de diseño y control de los paámetros de información d eun automóvil, el sistema es capaz de detectar nivel minimo de agua en el radiador, baja presión d eaceite, nivel d ecombustible. Adicionalmente, cuando rellenar el tanque de gasolina, cambiar aceite, cambiar luces de freno y direccionales, además muestra fecha, hora y temperatura en el interior del vehiculo.

El proyecto nace de la necesidad de controlar los parametros en un automóvil, el cual no cuenta con los avances tecnologicos de la actualidad, se desarrollo con PIC 16F877A, el cual, cuando hay fallas en el sistema escribira un mensaje en una pantalla LCD, además de indicar con un led bicolor el estado del sistema verde - normal, en caso contrario rojo.

Para mantener la información exacta del control del buen funcionamiento de las luces de freno y direccionales, se emplearon LDR ya que el sistema de luces esuna falla poco perceptible por el usuario, ya que desde el interior del vehiculo no es posible conocer con exactitud el estado de las mismas. Cmo sabemos la LDR, es una resistencia que varia su valor dependiendo de la luz, cuanto mayor seas la intensidad de luz que incida en la superficie de la LDR, menor sera su resistencia y cuanto mayor luz incida menor sera su resistencia.

Para esta aplicación se utilizaron 6 sensores de luz acondicionados de la siguiente manera:

Para el control de todas las luces del automóvil se ubicaron los sendores o LDR segun la siguiente tabla:

Los sensores de luz, fueron ubicados en el interior de las lunas de las luces direccionales y frenos, previamente un tubo de plástico color negro, con el fin de que no detecte la luz del día.

Las LDR fueron acondicionados con un circuito comparador d evoltaje, logrando que el sensor le indique al microprocesador un "1" digital cuando se encienden las luces y un "0" cuando no encienden.
Al pulsar las luces de cruce derecho, por ejemplo, el circuito de acondicionamiento de actividad le indicara al micro que se encendieron las luces de cruce, la LDR por su parte al verificar la presencia de luz, bajo su resistencia y para el "1" lógico o 5Voltios al microprocesador indicandole al sistema que funciona prfectamente, la luz de cruce cerecho, y asi similarmente las demás. En el caso contrario, en que la luz este dañada, el microp esperara la confirmación del "1" lógico a la entrada del micro, si el foco esta quemado o hay fallas en el sistema de luces, la fotoresistencia no disminuira su valor, y por tanto, entragara "0" lógico, lo cual sera indicado en pantalla LCD fallo de Luz de cruce derecho, y con un led rojo en el panel visualizcaión que indica luces de cruce, la falla existente, lo cual alertara al usuario que debe revisar las luces de cruce de su automóvil.