Laboratorio5 Sensor LDR

D i seño seño,, i mplem lementaci ntació ón y aná análilisi siss de de un cir ci r cuit cui to emplea leando ndo un senso sensorr L D R AUTORES: Acosta Chávez Arnold Jean Pierre; [email protected] Avalos Alvarez, Eduardo Flavio; [email protected] Cabeza Mantilla, Julio César; [email protected] César; [email protected] Lopez Ortega, Christopher Bryan; [email protected] Rojas Llaro, Neheyler Harol; [email protected] ASESOR: Silvera Otañe, Jimmy Roger; [email protected] Roger; [email protected]

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO Facultad de Ingeniería Av. Juan Pablo II S/N; Ciudad Universitaria, Trujillo, Trujillo T rujillo 13007, Perú

RESUMEN El presente laboratorio expone los aspectos teóricos, modo de uso y aplicación del sensor LDR. En general, se inicia con la teoría acerca del sensor LDR, luego el diseño de un circuito de control de corriente c orriente por medio del LDR, este con la finalidad de notar el estado en un transistor, y se concluye con el cuadro comparativo entre la distancia de la fuente de luz, resistencia del LDR, voltaje de la base y el estado del transistor. Adicionalmente se consideró las aplicaciones más relevantes de un LDR en el apéndice 1; así mismo se anexa el datasheet del LDR para más características técnicas. Para complementar con el estudio se adjunta un disco que contiene material multimedia en el cual se encuentra desde material informativo adicional hasta el video del presente laboratorio.

Palabras claves: sensor LDR, transistor, fotorresistencia.

ABSTRACT The present laboratory exposes the theoretical aspects, way of use and application of the LDR sensor. In general, it starts with the theory about the LDR sensor, then the design of a current control circuit through the LDR, this in order to notice the state in a transistor, and concludes with the comparative table between the distance of the light source, source, LDR resistance, base voltage voltage and transistor transistor status. Additionally, Additionally, the most most relevant applications of an LDR were considered in appendix 1; likewise the LDR datasheet is attached for more technical characteristics. To complement the study, a disc containing multimedia material is attached. Which is from additional informative material to the video of the present laboratory.

Keywords: LDR sensor, transistor, photoresistor

ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ...…………………………………………………………………

1

2. OBJETIVOS …………………………………………………………………………

1

2.1. Objetivos Generales …………………………………………………………… 2.2. Objetivos Específicos …………………………………………………………..

1 1

3. FUNDAMENTO TEÓRICO…………………………………………………………

1

3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6.

Definición …………………………………………………………………........ Principio de funcionamiento …………………………………………………… Características principales ……………………………………………………... Simbología electrónica ………………………………………………………… Tipos de fotorresistencias ……………………………………………………… Ventajas y desventajas ……………………………………………………….…

1 1 2 2 3 3

4. HIPÓTESIS ………………………………………………………………………….

4

5. INSTRUMENTOS Y MATERIALES ………………………………………………

4

5.1. Instrumentos …………………………………………………………………… 5.2. Materiales ………………………………………………………………………

4 5

6. PROCESO Y ESQUEMA EXPERIMENTAL ……………………………………...

6

7. DATOS EXPERIMENTALES ……………………………………………………...

8

8. RESULTADOS, ANÁLISIS Y DISCUSIÓN ………………………………………

8

9. CONCLUSIONES …………………………………………………………………..

9

10. APÉNDICE ………………………………………………………………………….

9

10.1 Apéndice 1: Aplicaciones de los sensores LDR ……………………………….. 10.2 Apéndice 2: Datasheet del sensor LDR ………………………………………...

9 13

11. REFERECIAS BIBLIOGRÁFICAS ………………………………………………...

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INGENIERÍA MECATRÓNICA VI, 2017

I.

INTRODUCCIÓN: La necesidad de lograr un control por medio de luz, ha sido uno de los motivos por los cuales se dio origen a los sensores LDR, por sus siglas Light Dependent Resistor (resistencia dependiente de la luz), su mismo nombre nos da un preámbulo de su funcionamiento, el control se logra mediante la manipulación de la resistencia interna que presenta. Se ve reflejado su uso en la vida diaria, desde el alumbrado público hasta la automatización de las cortinas de una habitación, teniendo como variable controlada a la luz. Teniendo en cuenta ahora la importancia y uso que se le puede dar, se dará inicio al presente informe donde se tratará los aspectos más importantes acerca del sensor LDR.

II.

OBJETIVOS: a. Objetivos generales: 1. Aprender el funcionamiento de un sensor LDR. 2. Reconocer situaciones reales en donde se podría emplear un sensor LDR. b. Objetivos específicos: 1. Encontrar la dependencia entre la distancia del foco de luz y la resistencia del LDR. 2. Determinar la relación entre el estado de un transistor y la exposición a la luz del LDR.

III.

FUNDAMENTO TEÓRICO: a. Definición: El LDR (resistor dependiente de la luz) es una resistencia que varía su valor dependiendo de la cantidad de luz que la ilumina. Específicamente son resistencias cuyo valor de resistividad disminuye a medida que aumenta la energía luminosa incidente sobre ella y viceversa. Es fabricado con materiales de estructura cristalina, y utiliza sus propiedades fotoconductoras. Los cristales utilizados más comunes son: sulfuro de cadmio y seleniuro de cadmio.

Imagen N°01: Material de los LDR (Seleniuro De Cadmio) b. Principio de funcionamiento: La resistencia de estos tipos de componentes varía en función de la luz que recibe en su superficie. Cuando la LDR no está expuesta a radiaciones luminosas los electrones están firmemente unidos en los átomos que la conforman pero cuando sobre ella inciden radiaciones luminosas esta energía libera electrones con lo cual el material se hace más conductor, y de esta manera disminuye su resistencia. Las resistencias LDR solamente reducen su resistencia con una radiación luminosa situada dentro de una determinada banda de longitudes de onda. 1


Imagen N° 02: Principio de funcionamiento de un LDR c. Características principales:  Los valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz brillante.  Disipación máxima, (50 mW-1W).  Voltaje máximo (600V).  Respuesta Espectral.  El tiempo de respuesta típico de un LDR está en el orden de una décima de segundo.  Su gráfica Resistencia vs Emitancia Luminosa sigue una recta con pendiente negativa.

Imagen N°03: Gráfica Resistencia vs Emitancia luminosa d. Simbología electrónica:

Imagen N° 04: Principales símbolos del LDR

2


e. Tipos de fotorresistencias: Se pueden encontrar los siguientes tipos:  INTRINSECOS: 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.  EXTRINSECOS: Por impurezas agregadas, que tienen energía de estado a tierra más cercano a la banda de conducción puesto que 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: 

FOTORESISTOR LINEAL: Por lo general se les conoce como fotodiodos, sin embargo debido al comportamiento lineal que presentan pueden ser clasificadas dentro de los fotorresistor convencionales. Lo único que diferencia a e estos elementos de los no lineales es que se polariza en inverso.

Imagen N° 05: Fotorresistores lineales 

FOTORRESISTOR NO LINEAL: Aquí puede entrar cualquier fotorresistor ya que su funcionamiento no depende de la polaridad con la que se conecte.

Imagen N° 06: Fotorresistores no lineales f. Ventajas y desventajas: Ventajas:  Alta sensibilidad (debido a la gran superficie que puede abarcar).  Fácil empleo.  Bajo costo.  No hay potencial de unión.  Alta relación resistencia luz-oscuridad. 3


Desventajas:    



IV.

Respuesta espectral estrecha. Efecto de histéresis. Estabilidad por temperatura baja para los materiales más rápidos. La variación del valor de la resistencia tiene cierto retardo, diferente si se pasa de oscuro a iluminado o de iluminado a oscuro. Esto limita a no usar los LDR en aplicaciones en las que la señal luminosa varía con rapidez. Respuesta lenta en materiales estables.

HIPÓTESIS: Con este laboratorio se busca aprender el uso y funcionamiento del fotorresistor más conocido como LDR. Para esto se implementará un circuito en el cual el estado del LDR que es modificado por la luz determinará el estado de un transistor con el cual se podrá controlar un sistema aparte.

V.

INSTRUMENTOS Y MATERIALES: a. Instrumentos: 1. Dos multímetros:

Imagen N° 07: Multímetros empleados en el laboratorio 2. Una lámpara led:

Imagen N° 08: Lámpara led empleada como fuente de luz

4


3. Una fuente reguladora y variable 12v:

Imagen N° 09: Fuente de voltaje regulable empleada para la alimentación respectiva 4. Una regla de 20 cm:

Imagen N° 10: Regla milimétrica de 20 cm graduada empleada en el laboratorio 5. Un protoboard:

Imagen N° 11: Protoboard empleado para la implementación del circuito. b. Materiales: 1. Un Transistor 2N2222A 2. Dos diodos LED (uno rojo y uno verde) 3. Un diodo semiconductor 1N4001 4. Dos resistencias de 1K, 1/4W 5. Una resistencia de 10K, 1/4W 5


6. 7. 8. 9.

Un sensor LDR (fotorresistencia) Un potenciómetro de 50K Un capacitor electrolítico de 10uF / 25V o más Un relé 12 voltios.

Imagen N° 12: Dispositivos electrónicos empleados VI.

PROCESO Y ESQUEMA EXPERIMENTAL: 1. Nos aseguramos de tener los materiales e instrumentos en buen estado para realizar el laboratorio. 2. Implementamos el siguiente circuito, el cual será base para nuestro estudio.

Imagen N° 13: Simulación en Proteus del circuito implementado 3. Ubicamos un voltímetro en la base del transistor y otro entre la base y el emisor del transistor.

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Imagen N° 14: Conexión de los dos multitester 4. Elaboramos una tabla para la toma de datos. Esta se basará en distancia del foco de luz, resistencia del LDR, voltaje en la base del transistor y estado del transistor.

Imagen N° 15: Los datos que se consideraron fueron: Distancia de luz al sensor, R LDR , voltaje de base - transistor y el estado del transistor 5. Pasamos a la toma de datos. Se toman los valores de resistencia, voltaje en la base del transistor y entre el colector y emisor a diferentes distancias entre el sensor LDR y el foco de luz. Se debe tener cuidado de tomar los valores de resistencia con el circuito desconectado.

Imagen N° 16: Recolección de datos al variar la distancia de la lámpara led

7


VII.

VIII.

DATOS EXPERIMENTALES: Tabla N° 01: Resistencia del sensor LDR, Voltaje de base del transistor y estado del transistor a partir de la distancia de la lámpara led al sensor

Luz distancia (cm)

R LDR (Ω|)

V0 (V)

ESTADO TRANSISTOR

Oscuro 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 LUZ 100%

172.8 32.6 27.2 23.1 17.8 14.1 10.5 7.2 4.6 2.4 1.1 0.21

808 808 807 801 797 796 795 784 763 665 294 119

Saturación Saturación Saturación Saturación Zona activa Zona activa Zona activa Zona activa Zona activa Zona activa Corte Corte

RESULTADOS, ANÁLISIS Y DISCUSIÓN: En este apartado se analizará el la variación del voltaje de base del transistor con respecto a la resistencia ofrecida por el sensor LDR, junto con la variación de la resistencia con respecto a la distancia de la lámpara al sensor. Grafica N° 01: Voltaje de base del transistor en función de la resistencia Voltaje base del transistor vs Resistencia LDR 1000 900 800 700 ) v ( 0 V

V = 141.27ln(R) + 409.33

600 500 400 300 200 100 0 0

5

10

15

20

25

30

35

Resistencia LDR (Ω)

En base a la gráfica N° 01, notamos una ligera dependencia logarítmica entre el voltaje de la base y la resistencia del LDR, por lo que al trazar la línea de tendencia, encontramos una relación entre V0 y R LDR que viene dado por: V = 141.27ln(R) + 409.33

8


Gráfica N° 02: Resistencia ofrecida por el sensor con respecto a la distancia de la fuente de luz Resistencia del LDR vs Distancia de fuente de luz 35 30 25 ) Ω ( R D L a i c n e t s i s e R

20

R = 1.6443(d) - 3.6423

15 10 5 0 -5

-10

0

5

10

15

20

25

Distancia (cm)

Para esta gráfica N° 02, es notable la dependencia lineal entre la resistencia de LDR y la distancia de la fuente de luz, se trazó su línea de tendencia y se obtuvo la relación lineal que viene dado por: R = 1.6443 (d) - 3.6423 IX.

CONCLUSIONES: a. Empleando un transistor para notar la manifestación del cambio de resistencia, se logró comprender el funcionamiento y uso del sensor LDR. b. Tomándose como base referencial una regla de 20 cm, se identificó y determinó la resistencia ejercida por el sensor LDR para cada posición en la regla de 2 cm en 2 cm. c. Variando paulatinamente la distancia de la lámpara led, se logró determinar el cambio de estado del transistor relacionándolo, a su vez, con su voltaje de base. d. En base a los datos experimentales tomados, se determinó empíricamente las relaciones entre voltaje de la base del transistor - resistencia LDR y resistencia LDR – distancia de la fuente de luz.

X.

APÉNDICE: a. Aplicaciones del sensor LDR a la vida diaria: 1. Sensores en un vehículo automóvil Descripción de la aplicación: El principal uso de las fotorresistencias (LDR) en vehículos está enfocado a la automatización de la iluminación. El funcionamiento es sencillo, una fotorresistencia es un componente electrónico que varía su resistencia interna en función de la potencia lumínica que recibe. Esta variación de resistencia se puede utilizar de diversas formas como variable en un circuito electrónico para poder determinar la salida del mismo. Para el caso de la iluminación de un vehículo queremos que la luz se encienda cuando la luz exterior esté por debajo de un “límite lumínico” prefijado.

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Imagen N° 17: Circuito de los componentes discretos Funcionamiento: El funcionamiento es sencillo, la LDR junto con el potenciómetro forman un divisor de tensión, con el potenciómetro se podrá fijar el “umbral lumínico” de funcionamiento, el comparador compara la tensión de este divisor con los 6V que tiene en la patilla positiva, en el caso de que la tensión en la patilla negativa sea mayor de 6V (tenemos mucha luminosidad) la salida del comparador es 0V por lo tanto no ocurre nada aguas abajo del operacional. Sin embargo cuando tenemos poca luminosidad, en la patilla positiva tenemos más tensión que en la negativa (<6V), dando lugar a una salida del operacional de alimentación (12V), en el amplificador lineal se demandará intensidad desde el colector, polarizando en inversa el diodo D1, encendiendo las luces (pueden darse diferentes configuraciones de encendido, lo que importa es la activación del relé) y activando el LED que indica que la iluminación del vehículo ha sido encendida (este LED podría estar situado en el cuadro de mandos del vehículo). El diodo D1 básicamente sirve para descargar la energía que almacena el inductor del relé. El circuito anterior se emplea frecuentemente en aplicaciones reales y se puede adquirir por un precio de entre 7 y 15 euros. El montaje incluye hasta el relé. En este caso suele llevar un regulador de tensión para alimentar a los integrados a 5V, condensadores de desacople etc.

Imagen N°18: Circuito físico implementado 2.

LDR de retención: El relé se acciona a causa de un cortocircuito temporal del LDR o de un impulso de tensión en la lámpara. 10


Imagen N° 19: Funcionamiento del LDR de retención 3.

Indicador de nivel: Si el prisma está sumergido en un fluido, no existe casi reflexión. Tan pronto como el prisma queda por encima del nivel del fluido se produce reflexión total y se ilumina el LDR.

Imagen N° 20: Funcionamiento para un Indicador de Nivel 4.

Conmutador Crepuscular: Opera con un relé bimetálico para que los impulsos de luz no puedan tener influencia.

Imagen N° 21: Funcionamiento del Conmutador Crepuscular 5.

Control de limitación de ganancia: Al aumentar Vi, el valor de la resistencia del resistor LDR disminuye y el valor de Vo permanece bajo.

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Imagen N°22: Funcionamiento para el Control de Iluminación de Ganancia 6.

Conmutador automático de brillo y contraste en televisión: El brillo y el contraste se ajustan automáticamente al variar la iluminación del ambiente.

Imagen N°23: Funcionamiento de un Conmutador automático de brillo y contraste en la televisión 7.

Luz intermitente: Tan pronto como se enciende la lámpara, disminuye la resistencia del resistor LDR y el relé desconecta la lámpara. Como resultado aumenta la resistencia del resistor LDR y vuelve a encenderse la lámpara, y así sucesivamente.

Imagen N°24: Funcionamiento para una Luz Intermitente b. Datasheet del sensor LDR:

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CdS PHOTOCONDUCTIVE CELLS ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲

Light Resistance at 10Lux (at 25 ℃)

8～20KΩ

Dark Resistance at 0 Lux

1.0MΩ(min)

Gamma value at 100-10Lux

0.7

Power Dissipation(at 25℃)

100mW

Max Voltage (at 25℃)

150V

Spectral Response peak (at 25 ℃)

540nm

Ambient Temperature Range:

GL5528

Epoxy encapsulated Quick response Small size High sensitivity Reliable performance Good characteristic of spectrum

Outline

30～+70℃

Illuminance vs. Photo Resistance

Spectral Response

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XI.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: [1] https://unicrom.com/ldr-fotorresistencia-fotorresistor/ [2] http://www.ingmecafenix.com/electronica/fotoresistencia/ [3] http://martinezmorenomedicionesind.blogspot.pe/2007/06/fotoresistencialdr_16.html [4] https://ingenieriaelectronica.org/fotorresistencia-definicion-caracteristicas-y-tipos/ [5] https://seveau.wordpress.com/2013/05/19/ldr/ [6] http://martinezmorenomedicionesind.blogspot.pe/2007/06/otras-aplicaciones.html [7] http://kennarar.vma.is/thor/v2011/vgr402/ldr.pdf [8] http://yourduino.com/docs/Photoresistor-5516-datasheet.pdf [9] http://www.electan.com/datasheets/cebek/CE-C2795.pdf

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