Sensores fotoeléctricos
Los foto-resistores o LDR (Light Dependant Resistor) son resistencias que cambian su valor dependiendo de la cantidad de luz que los ilumina.
Objetivo
Describir el comportamiento físico de un sensor foto-resistor.
Resumen
Los foto-resistores o también llamados LDR (Light Dependant Resistor) son resistencias que cambian su valor dependiendo de la cantidad de luz que los ilumina, en especial, disminuye su resistencia cuando aumenta la intensidad de la luz incidente.
El funcionamiento de un foto-resistor, se basa en el efecto fotoeléctrico que se produce al incidir sobre el material una radiación electromagnética, en particular la luz.
Introducción
Como ya he dicho, los sensores foto-resistores pertenecen al grupo de los llamados sensores fotoeléctricos, ya que su comportamiento se basa en el efecto foto eléctrico.
Estos sensores se fabrican con cristales semiconductores, que deben ser fotosensibles y de alta resistencia. Uno de los más comúnmente usados por su alta resistencia es el de sulfuro de cadmio (CdS). Estos sensores son sensibles a un rango amplio de frecuencias lumínicas, desde la luz infrarroja, pasando por la luz visible, y hasta la ultravioleta.
A continuación se esquematizo el símbolo con el cual se los representa.
Fig.1: Representación gráfica de un sensor foto resistivo.
Comportamiento de un semiconductor
En un semiconductor, a temperaturas bajas y sin excitación, la mayor parte de los electrones está en la banda de valencia comportándose de esta manera como un aislante. Ver figura 2.
Fig.2: Representación de un semiconductor
Cuando el semiconductor recibe energía, dado que la banda de valencia y de conducción están muy próximas, los electrones de la banda de valencia saltan a la de conducción, cuanto mas energía recibe más saltos suceden, aumentando la conductividad.
Esta energía puede ser proporcionada por la temperatura o también por una radiación lumínica. Si es a través de esta última estamos en presencia del efecto fotoeléctrico.
Efecto Fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico consiste en la creación de un par electrón / hueco por parte del semiconductor cuando se hace incidir sobre él un fotón.
Fig.3: Representacion del efecto fotoelectrico
La energía que poseen los fotones está determinada por la frecuencia y por lo tanto por la longitud de onda de la luz. Cuando un fotón incide sobre cualquier átomo, si la energía de este es suficientemente grande, puede permitir la liberación del electrón.
La energía del fotón esta dada por la siguiente ecuación.
Donde E es la energía del fotón, h es la constante de plank y f es la frecuencia de la luz incidente.
Cuando un semiconductor recibe luz incidente de alta frecuencia, los fotones excitan a los electrones de la banda de valencia. Si la energía de los fotones es superior o igual a la energía de la banda de GAP o banda prohibida, estos saltan de la banda de valencia a la banda de conducción, generando un par electrón/hueco en el semiconductor. Ver Figura 3.
El electrón libre y su hueco asociado conducen la electricidad, disminuyendo la resistencia del material.
La frecuencia de la luz incidente puede ser escrita en función de la longitud de onda de la siguiente manera.
Donde c es la velocidad de la luz,f es la frecuencia y lambda la longitud de onda.
Por lo tanto la energía de cada fotón está asociada a la longitud de onda de este. Rescribiendo la ecuación anterior tenemos que:
El cambio en la intensidad de la luz no modifica la energía de los fotones, sino la cantidad de fotones que inciden sobre el material, y por lo tanto la cantidad de electrones expulsados.
Cuanto mayor es la intensidad de la luz que llega al semiconductor, mayor será el número de fotones que chocan contra este. Se generarán más cantidad de pares de electrón-hueco y esto hará que la conductividad aumente. Por ende su resistencia disminuye. Ver Figura 4.
Fig 4: Gráfico de la resistencia del foto-resistor en
función de la intensidad de la luz incidente.
Con esto podemos decir que la resistencia varía de modo inversamente proporcional al nivel de luz que hay en su entorno, es decir, si aumenta la luz, baja la resistencia y viceversa.
La relación entre la resistencia de un fotoconductor y la densidad superficial de energía E recibida es fuertemente no lineal.
Donde A y alfa dependen fuertemente del material del semiconductor.
Como la relación es no lineal, es mejor expresarla de forma logarítmica.
Fig 5: Gráfico de la resistencia del foto-resistor en
función de la intensidad de la luz incidente en escala logarítmica.
Estos sensores no reaccionan de forma instantánea cuando el sensor pasa de luz a oscuridad o viceversa. Así también el tiempo no es el mismo al pasar de iluminado a oscuro o de oscuro a iluminado.
Esto se debe a que los tiempos de generación / recombinación de los pares electrón/hueco no son los mismos. Generalmente el tiempo de recombinación es mayor al tiempo de generación.
Por eso al pasar de iluminado a oscuro el tiempo de respuesta del sensor es mayor.
Conclusiones
Los LDR no son buenos para utilizarlos en aplicaciones en las que se exija que la respuesta sea instantánea o en la que se desee recibir exactamente los mismo valores en las mismas condiciones.
Es necesario comprar los sensores adecuados para la longitud de onda que queramos detectar, ya que distintos materiales tendrán distinto índice de absorción. Además es necesario que los materiales elegidos sean lo más transparentes posibles para la longitud de onda elegida, para así evitar tener reflexión superficial.
Referencias
- Sensores y acondicionadores de señal, Ramon Pallas Areny
- Semiconductor device fundamentals, Robert F. Pierret
- Principles of Measurement Systems, John P. Bentley (p. 407)
- Wikipedia; http://es.wikipedia.org/wiki/Fotorresistencia
- (Imagen portada modelo foto-resistor.)http://www.geschool.net
No hay comentarios:
Publicar un comentario