d.08.03.04+Dispositivos+Sensores+de+Luz


 * 4 Dispositivos Sensores de Luz **


 * 4.1 **** Fotorresistencia **

Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistenciadisminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuyas siglas, LDR, se originan de su nombre en inglés //light-dependent resistor//. Su cuerpo está formado por una célula o celda y dos patillas. En la siguiente imagen se muestra su símbolo eléctrico.



El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (puede descender hasta 50 ohms) y muy alto cuando está a oscuras (varios megaohmios).



//** 4.1.1 Características **//

Un fotorresistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia como el sulfuro de cadmio, CdS. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por las elasticidades del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta, y su hueco asociado, conducen la electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Los valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz brillante.

Las células de sulfuro del cadmio se basan en la capacidad del cadmio de variar su resistencia según la cantidad de luz que incide la célula. Cuanta más luz incide, más baja es la resistencia. Las células son también capaces de reaccionar a una amplia gama de frecuencias, incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, y ultravioleta (UV).

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. El tiempo de respuesta típico de un LDR está en el orden de una décima de segundo. Esta lentitud da ventaja en algunas aplicaciones, ya que se filtran variaciones rápidas de iluminación que podrían hacer inestable un sensor (ej. tubo fluorescente alimentado por corriente alterna). En otras aplicaciones (saber si es de día o es de noche) la lentitud de la detección no es importante.

Se fabrican en diversos tipos y pueden encontrarse en muchos artículos de consumo, como por ejemplo en cámaras, medidores de luz, relojes con radio, alarmas de seguridad o sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles.

También se fabrican fotoconductores de Ge : Cu que funcionan dentro de la gama más baja " radiación infrarroja".

=**4.2 Fotodiodo **=

Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz. Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de luz exterior generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente presente en ausencia de luz recibe el nombre de corriente de oscuridad. . 

//4.2.1 ////Principio de operación //

Un fotodiodo es una unión PN o estructura P-I-N. Cuando una luz de suficiente energía llega al diodo, excita un electrón dándole movimiento y crea un hueco con carga positiva. Si la absorción ocurre en la zona de agotamiento de la unión, o a una distancia de difusión de él, estos portadores son retirados de la unión por el campo de la zona de agotamiento, produciendo una fotocorriente.



Los diodos tienen un sentido normal de circulación de corriente, que se llama polarización directa. En ese sentido el diodo deja pasar la corriente eléctrica y prácticamente no lo permite en el inverso. En el fotodiodo la corriente (que varía con los cambios de la luz) es la que circula en sentido inverso al permitido por la juntura del diodo. Es decir, para su funcionamiento el fotodiodo es polarizado de manera inversa. Se producirá un aumento de la circulación de corriente cuando el diodo es excitado por la luz.

Fotodiodos de avalancha Tienen una estructura similar, pero trabajan con voltajes inversos mayores. Esto permite a los portadores de carga fotogenerados al ser multiplicados en la zona de avalancha del diodo, resultando en una ganancia interna, que incrementa la respuesta del dispositivo.

//4.2.2 ////Composición //

El material empleado en la composición de un fotodiodo es un factor crítico para definir sus propiedades. Suelen estar compuestos de silicio, sensible a la luz visible ( longitud de onda de hasta 1µm);germanio para luz infrarroja (longitud de onda hasta aprox. 1,8 µm ); o de cualquier otro material semiconductor.


 * ** Material ** || ** Longitud de onda (nm) ** ||
 * Silicio || 190–1100 ||
 * Germanio || 800–1900 ||
 * Indiogalioarsénico ( InGaAs ) || 800–2600 ||
 * sulfuro de plomo || <1000-3900 ||

<span style="display: block; font-family: 'Calibri','sans-serif'; font-size: 13.3333px; text-align: justify;">También es posible la fabricación de fotodiodos para su uso en el campo de los infrarrojos medios (longitud de onda entre 5 y 20 µm), pero estos requieren refrigeración por nitrógeno líquido.

<span style="display: block; font-family: 'Calibri','sans-serif'; font-size: 13.3333px; text-align: justify;">Antiguamente se fabricaban exposímetros con un fotodiodo de selenio de una superficie amplia.

//<span style="color: #4f81bd; font-family: 'Calibri','sans-serif'; font-size: 18.6667px;">4.2.3 ////<span style="font-family: 'Calibri','sans-serif'; font-size: 18.6667px;">Uso //
 * A diferencia del LDR, el fotodiodo responde a los cambios de oscuridad a iluminación y viceversa con mucha más velocidad, y puede utilizarse en circuitos con tiempo de respuesta más pequeño.
 * Se usa en los lectores de CD, recuperando la información grabada en el surco del Cd transformando la luz del haz láser reflejada en el mismo en impulsos eléctricos para ser procesados por el sistema y obtener como resultado los datos grabados.
 * Usados en fibra óptica

//<span style="color: #4f81bd; font-family: 'Calibri','sans-serif'; font-size: 18.6667px;">4.2.4 ////<span style="font-family: 'Calibri','sans-serif'; font-size: 18.6667px;">Investigación //

<span style="color: #000000; display: block; font-family: 'Calibri','sans-serif'; font-size: 13.3333px; text-align: justify; text-decoration: none;">La investigación a nivel mundial en este campo se centra (en torno a 2005) especialmente en el desarrollo de células solares económicas, miniaturización y mejora de los sensores CCD y CMOS, así como de fotodiodos más rápidos y sensibles para su uso en telecomunicaciones confibra óptica. <span style="color: #000000; display: block; font-family: 'Calibri','sans-serif'; font-size: 13.3333px; text-align: justify; text-decoration: none;">Desde 2005 existen también semiconductores orgánicos. <span style="color: #000000; display: block; font-family: 'Calibri','sans-serif'; font-size: 13.3333px; text-align: justify; text-decoration: none;">La empresa //NANOIDENT Technologies// fue la primera en el mundo en desarrollar unfotodetector orgánico, basado enfotodiodos orgánicos.


 * 4.3 **** Fototransistor **

Se llama fototransistor a un transistor sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz incide sobre la región de base, generando portadores en ella. Esta carga de base lleva el transistor al estado de conducción. El fototransistor es más sensible que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor.



Un fototransistor es igual a un transistor común, con la diferencia que el primero puede trabajar de 2 formas:
 * 1) Como transistor normal con la corriente de base Ib (modo común).
 * 2) Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. Ip (modo de iluminación).
 * 3) Puede utilizarse de las dos en formas simultáneamente, aunque el fototransistor se utiliza principalmente con el pin de la base sin conectar.



En el mercado se encuentran fototransistores tanto con conexión de base como sin ella y tanto en cápsulas plásticas como metálicas (TO-72, TO-5) provistas de una lente. Se han utilizado en lectores de cinta y tarjetas perforadas, lápices ópticos, etc. Para comunicaciones con fibra óptica se prefiere usar detectores con fotodiodos p-i-n. También se pueden utilizar en la detección de objetos cercanos cuando forman parte de un sensor de proximidad.

Se utilizan ampliamente encapsulados conjuntamente con un LED, formando interruptores ópticos (//opto-switch//), que detectan la interrupción del haz de luz por un objeto. Existen en dos versiones: de transmisión y de reflexión. Para obtener un circuito equivalente de un fototransistor, basta agregar a un transistor común un fotodiodo, conectando en el colector del transistor el catodo del fotodiodo y el ánodo a la base.


 * // 4.3.1 //****// Posibles soluciones para Errores de Montaje //**


 * ** Sintomas visibles ** || ** Avería más común ** || ** Posible solución ** ||
 * El diodo no emite luz. || Existe un fallo en la polarización del diodoLED . || Será necesario comprobar la polarización del diodo . ||
 * Fallo en la respuesta del fototransistor. || Existe un fallo en la polarización del fototransistor. || Será necesario comprobar la polarización del diodo . ||
 * Execesiva sensibilidad del diodo a la variación lumínica. || Se ha colocado una resistencia de un valor incorrecto. || Realizar las pruebas pertinentes con valores distintos en las resistencias hasta encontrar la sensibilidad deseada. ||
 * Tras el correcto montaje del circuito, este no funciona. || Habrá que verificar el montaje y comprobar no existe resistencia alguna en estado de corte. || Una vez encontrada la resistencia en corte, sustituirla por una nueva resistencia. ||
 * El transistor no está saturado. || Los valores de las resistencias son incorrectos. || Será imprescindible encontrar las resistencias adecuadas y acoplarlas con el correcto montaje. ||


 * 4.4 **** Sensor CCD **

Un charge-coupled device o CCD (en español «dispositivo de carga acoplada») es un circuito integrado que contiene un número determinado de condensadores enlazados o acoplados. Bajo el control de un circuito interno, cada condensador puede transferir su carga eléctrica a uno o a varios de los condensadores que estén a su lado en el circuito impreso. La alternativa digital a los CCD son los dispositivos CMOS (complementary metal oxide semiconductor) utilizados en algunas cámaras digitales y en numerosas cámaras web. En la actualidad los CCD son mucho más populares en aplicaciones profesionales y en cámaras digitales.



Los primeros dispositivos CCD fueron inventados por Willard Boyle y George Smith el 17 de octubre de 1969 en los Laboratorios Bell, ambos premiados con el Premio Nobel de Física de 2009 precisamente por este invento.

//<span style="color: #4f81bd; font-family: 'Calibri','sans-serif'; font-size: 18.6667px;">4.4.1 ////<span style="font-family: 'Calibri','sans-serif'; font-size: 18.6667px;">Funcionamiento Físico //


Los detectores CCD, al igual que las células fotovoltaicas, se basan en el efecto fotoeléctrico, la conversión espontánea de luz recibida en corriente eléctrica que ocurre en algunos materiales. La sensibilidad del detector CCD depende de la //eficiencia cuántica// del chip, la cantidad de fotones que deben incidir sobre cada detector para producir una corriente eléctrica. El número de electrones producido es proporcional a la cantidad de luz recibida (a diferencia de la fotografía convencional sobre negativo fotoquímico). Al final de la exposición los electrones producidos son transferidos de cada detector individual (//fotosite//) por una variación cíclica de un potencial eléctrico aplicada sobre bandas de semiconductores horizontales y aislados entre sí por una capa de SiO2. De este modo, el CCD se lee línea a línea, aunque existen numerosos diseños diferentes de detectores.

En todos los CCD el ruido electrónico aumenta fuertemente con la temperatura y suele doblarse cada 6 u 8 °C. En aplicaciones astronómicas de la fotografía CCD es necesario refrigerar los detectores para poder utilizarlos durante largos tiempos de exposición.

Históricamente la fotografía CCD tuvo un gran empuje en el campo de la astronomía donde sustituyó a la fotografía convencional a partir de los años 80. La sensibilidad de un CCD típico puede alcanzar hasta un 70% comparada con la sensibilidad típica de películas fotográficas en torno al 2%. Por esta razón, y por la facilidad con la que la imagen puede corregirse de defectos por medios informáticos, la fotografía digital sustituyó rápidamente a la fotografía convencional en casi todos los campos de la astronomía. Una desventaja importante de las cámaras CCD frente a la película convencional es la reducida área de los CCD, lo que impide tomar fotografías de gran campo comparable a algunas tomadas con película clásica. Los observatorios astronómicos profesionales suelen utilizar cámaras de 16 bits, que trabajan en blanco y negro. Las imágenes en color se obtienen tras el procesamiento informático de imágenes del mismo campo tomadas con diferentes filtros en varias longitudes de onda.

Las imágenes obtenidas por una cámara CCD son sometidas a un proceso de corrección que consiste en restar de la imagen obtenida la señal producida espontáneamente por el chip por excitación térmica (//campo oscuro//) y dividir por una imagen de un campo homogéneo (//campo plano// o //flat field//) que permite corregir las diferencias de sensibilidad en diferentes regiones del CCD y corregir parcialmente defectos ópticos en la cámara o las lentes del instrumento utilizado.

=<span style="color: #4f81bd; font-family: 'Calibri','sans-serif'; font-size: 21.3333px;">4.5 <span style="font-family: 'Calibri','sans-serif'; font-size: 21.3333px;">Sensor CMOS =

Un Active Pixel Sensor (APS) es un sensor que detecta la luz basado en tecnología CMOS y por ello más conocido como Sensor CMOS.

Gracias a la tecnología CMOS es posible integrar más funciones en un chip sensor, como por ejemplo control de luminosidad, corrector de contraste, o un conversor analógico-digital.



Uno de los primeros CMOS-APS, desarrollado por la NASA.

== //<span style="color: #4f81bd; font-family: 'Calibri','sans-serif'; font-size: 18.6667px;">4.5.1 ////<span style="font-family: 'Calibri','sans-serif'; font-size: 18.6667px;">Principio de Funcionamiento // ==

El APS, al igual que el sensor CCD, se basa en el efecto fotoeléctrico. Está formado por numerosos fotositos, uno para cada píxel, que producen una corriente eléctrica que varía en función de la intensidad de luz recibida. En el CMOS, a diferencia del CCD se incorpora un amplificador de la señal eléctrica en cada fotosito y es común incluir el conversor digital en el propio chip. En un CCD se tiene que enviar la señal eléctrica producida por cada fotosito al exterior y desde allí se amplifica.

La ventaja es que la electrónica puede leer directamente la señal de cada píxel con lo que se soluciona el problema conocido como //blooming//, por el que la recepción de una gran intensidad lumínica en un punto influye en los píxeles adyacentes (un brillo fuerte produce líneas blancas en la imagen). La desventaja es que entre los receptores de luz (fotositos) se encuentra mucha electrónica que no es sensible a la luz, lo que implica que no pueda captar tanta luz en una misma superficie del chip. La solución al problema vino no sólo por una mayor densidad de integración, por lo que la electrónica no sensible se reducía en tamaño, sino por la aplicación de microlentes que a modo de lupa concentran la luz de cada celda en su fotosito.

Debido a que no se podía alcanzar la densidad de integración necesaria para competir con el CCD, esta tecnología careció de importancia durante los años 70, 80 y mitad de los 90.

Al igual que ocurre con el CCD, los fotositos captan únicamente intensidad lumínica, para lo que se suele emplear un filtro conocido como máscara de Bayer para la distinción de los colores. Mediante esta máscara unos fotositos tienen un filtro para recoger solo la luz roja, otros para la verde y otros para el azul.