Este documento describe el diseño de un circuito con un sensor fotoeléctrico LDR y un rele. Explica el funcionamiento de los sensores LDR y cómo varía su resistencia con la luz. Luego presenta cálculos para diseñar el circuito y simularlo, mostrando que enciende y apaga una luz al bloquear y desbloquear el sensor. Finalmente, propone aplicaciones como controlar luminarias u otros sistemas de seguridad automáticamente.

1. UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS
FACULTAD DE INGENIERIA
CARRERA: INGENIERIA MECANICA
DOCENTE : Ing. Febo Flores
ALUMNOS : Univ. Bazan Antequera Ruddy
Univ. Ramos Arias Nicolas
FECHA : 21 de Octubre
LA PAZ – BOLIVIA

2. Mecatronica I (Mec-436)
2009
DISEÑO DE UN CIRCUITO CON SENSOR FOTOELETRICO LDR Y RELE
Un sensor fotoeléctrico es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la
intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y
un componente receptor que “ve” la luz generada por el emisor. Todos los diferentes modos
de sensado se basan en este principio de funcionamiento. Están diseñados especialmente
para la detección, clasificación y posicionado de objetos; la detección de formas, colores y
diferencias de superficie, incluso bajo condiciones ambientales extremas.
Los sensores de luz se usan para detectar el nivel de luz y producir una señal de salida
representativa respecto a la cantidad de luz detectada. Un sensor de luz incluye un
transductor fotoeléctrico para convertir la luz a una señal eléctrica y puede incluir
electrónica para condicionamiento de la señal, compensación para sensibilidades cruzadas
como la temperatura y formateo de la señal de salida.
El sensor de luz más común es el LDR -Light Dependant Resistor o Resistor dependiente de
la luz-.Un LDR es básicamente un resistor que cambia su resistencia cuando cambia la
intensidad de la luz.
Sensores de luz más característicos
Conceptos teóricos
Espectro electromagnético Atendiendo a su longitud de onda, la radiación
electromagnética recibe diferentes nombres. Desde los energéticos rayos gamma (con una
longitud de onda del orden de picometros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del
orden de varios kilómetros) pasando por la luz visible cuya longitud de onda está en el rango
de las décimas de micra. El rango completo de longitudes de onda forma el espectro
electromagnético, del cual la luz visible no es más que un minúsculo intervalo que va desde
la longitud de onda correspondiente al violeta (380 nm) hasta la longitud de onda del rojo
(780 nm). Los colores del espectro se ordenan como en el arco iris, formando el llamado
espectro visible.
Si hablamos de luz en sentido estricto nos referimos a radiaciones electromagnéticas cuya
longitud de onda es capaz de captar el ojo humano, pero técnicamente, el ultravioleta, las
ondas de radio o las microondas también son luz, pues la única diferencia con la luz visible
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es que su longitud de onda queda fuera del rango que podemos detectar con nuestros ojos;
simplemente son "colores" que nos resultan invisibles, pero podemos detectarlos mediante
instrumentos específicos.
Fuentes de luz habituales
Color Rango Características
No visible, son relativamente inmunes a la luz ambiente
890…950
INFRARROJO artificial. Generalmente se utilizan para detección en distancias
nm
largas y ambientes con presencia de polvo.
Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser afectado
660…700
ROJO por luz ambiente intensa, y es de uso general en aplicaciones
nm
industriales.
Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser afectado
560…565
VERDE por luz ambiente intensa, generalmente se utiliza esta fuente de
nm
luz para detección de marcas.
Modulación de la fuente de la luz
Con la excepción de los infrarrojos, los LEDs producen menos luz que las fuentes
incandescentes y fluorescentes que comúnmente iluminan el ambiente. La modulación de la
fuente de luz provee el poder de sensado necesario para detectar confiablemente con esos
bajos niveles de luz. Muchos de los sensores fotoeléctricos utilizan LEDs emisores de luz
modulada y receptores fototransistores.
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Los LEDs, pueden estar “encendidos” y “apagados” (o modulados) con una frecuencia que
normalmente ronda un kilohercio. Esta modulación del LEDs emisor hace que el
amplificador del fototransistor receptor pueda ser “conmutado” a la frecuencia de la
modulación, y que amplifique solamente la luz que se encuentre modulada como la que
envía el emisor.
La operación de los sensores que no poseen luz modulada está limitada a zonas donde el
receptor no reciba luz ambiente y sólo reciba la luz del emisor. Un receptor modulado ignora
la presencia de luz ambiente y responde únicamente a la fuente de luz modulada.
Los LEDs infrarrojos son los más efectivos y son, además, los que tiene el espectro que
mejor trabajan con los fototransistores; es por tal motivo que son usados en muchas
aplicaciones. Sin embargo, los sensores fotoeléctricos son también utilizados, para detectar
contraste (detección de marcas) o color, y para esto se requiere que la luz sea visible.
Exceso de ganancia
La curva de exceso de ganancia se especifica en cada tipo de sensor fotoeléctrico, y la
misma está en función de la distancia de sensado. Esta curva es usada al momento de
seleccionar el sensor, para predecir la confiabilidad de la detección en un ambiente
conocido.
Mínima
Condición de operación ganancia
requerida
Aire limpio, sin suciedad en lentes o reflector 1,5X
Ambiente levemente sucio, con humedad, o filmes sobre los reflectores o las
5X
lentes. Lentes limpiados regularmente.
Ambiente medianamente sucio, contaminación en lentes o reflectores,
10X
limpiados ocasionalmente.
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Ambiente muy sucio, alta contaminación en lentes o reflectores, limpiados
50X
esporádicamente.
Materiales utilizados
Un Sensor Fotoeléctrico, LDR -Light Dependant Resistor
Un Transistor 3904
Una Resistencia de 4 (KΩ)
Un Rele de 400 (Ω)
Fuente de 15 (V)
Cables, foco, Proto, etc.
Cálculos realizados
Considerando el análisis realizado para este circuito, el diseño es el siguiente:
Datos:
Vcc = Vab = 5 v Sensor de Luz:
B = 150 (por grafica) R1= 12(KΩ) sin luz
Rrele = 408 K R2= 590(KΩ) con luz
Solución (diseño):
De la Ecuación:
0.2 = I2 R2
Se obtiene:
I2 = 0.2 / R2 I2 = 0.2 / 590 I2 =0.34(mA)
De la Ecuación:
Vcc = I2R + 0.2
Se obtiene:
R = (Vcc – 0.2) / I2 R = (15 – 0.2) / 0.34(mA) R = 43.5(KΩ)
De la Ecuación:
Vcc = Ic Rc + 0.3
Se obtiene:
Ic = (Vcc – 0.3) / Rrele Ic = (15 – 0.3) / 408 Ic =3.6*10-2 (A)
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De la Ecuación:
Ic Ic/β
 Ib = 2 Ic / B
Se obtiene:
Ib = 2 * 3.6*10-2 (A) / 150 Ib = 4.8 (mA)
De la Ecuación:
Vcc = (I1 + Ib) R + 0.8
Se obtiene:
I1 = (Vcc – 0.8) / R - Ib I1= (15 – 0.8) / 43.5(KΩ)- 0.00048
I1 = -0.000157(A)
De la Ecuación:
0.8 = I1 *R1
Se obtiene:
R1 = 0.8 / I1 R1= 0.8 / (- 15.7*10-6A) R1 = - 50.9 kΩ
Como este valor de resistencia no existe (por ser negativo), entonces se tiene dos opciones:
a) El circuito NO se puede diseñar, con los datos planteados
b) Se debe cambiar alguna relación, si esto es posible
La segunda opción, cambiar alguna relación es posible, ya que la última ecuación, en
realidad inecuación era:
Ic Ic/β

Donde la relación Mayor ó Igual se sustituía por el valor de 2 , ahora, debido a la exigencia
del circuito, se la puede reducir a 1.5 , sin olvidar que el mínimo valor al cual se puede
reducir es a 1 , para cumplir con la inecuación.
Con este cambio (de 2 por 1) se reinicia el diseño del circuito, y se tiene lo siguiente:
Datos:
Vcc = Vab = 5 v Sensor de Luz:
B = 150 (por grafica) R1= 12(KΩ) sin luz
Rrele = 408 K R2= 590(KΩ) con luz
Solución (diseño):
De la Ecuación:
0.2 = I2 R2
Se obtiene:
I2 = 0.2 / R2 I2 = 0.2 / 590 I2 =0.34(mA)
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Valor que no cambia en relación al diseño anterior.
De la Ecuación:
Vcc = I2R + 0.2
Se obtiene:
R = (Vcc – 0.2) / I2 R = (15 – 0.2) / 0.34(mA) R = 43.5(KΩ)
Valor que no cambia en relación al diseño anterior.
De la Ecuación:
Vcc = Ic Rc + 0.3
Se obtiene:
Ic = (Vcc – 0.3) / Rrele Ic = (15 – 0.3) / 408 Ic =3.6*10-2 (A)
Valor que no cambia en relación al diseño anterior.
De la Ecuación:
Ic Ic/β
 Ib = 1 Ic / B
Se obtiene:
Ib = 1* 3.6*10-2 (A) / 150 Ib = 2.4 (mA)
Valor que SI cambia en relación al diseño anterior, es un valor MENOR al anterior.
De la Ecuación:
Vcc = (I1 + Ib) R + 0.8
Se obtiene:
I1 = (Vcc – 0.8) / R - Ib I1= (15 – 0.8) / 43.5(KΩ)- 0.00024
-5
I1 = 9.023*10 (A)
Valor que SI cambia en relación al diseño anterior, este valor ahora es POSITIVO
De la Ecuación:
0.8 = I1 *R1
Se obtiene:
R1 = 0.8 / I1 R1= 0.8 / (9.023*10-5A) R1 = 8.86 kΩ
Valor que SI cambia en relación al diseño anterior, este valor ahora es FACTIBLE, y
por tanto, el circuito se puede implementar. No se debe olvidar cumplir que R1 > R2.
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8. Mecatronica I (Mec-436)
Prueba del Circuito; (a) Con R2; (b) Con R1.
La prueba, mediante simulador, del circuito se presenta en la Fig. 4. Donde se debe observar
los terminales del Rele. Se supone que para el caso de R2, los terminales deben estar
conectados entre el terminal del centro y terminal inferior y para el caso de R1, el terminal
del centro debe estar conectado con el terminal superior. Esto significa que existe un cambio
en el estado del Rele, es decir, que con R2 el Rele esta en reposo (no activo), debido a que el
transistor esta en corte, y con R1 el Rele se activa, debido a que el transistor se satura y, por
tanto, se tiene voltaje (Vcc) sobre el Rele.
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9. Mecatronica I (Mec-436)
Ejemplo de Aplicación del circuito con Sensor – Rele – Foco: (a) Circuito con
R2; (b) Circuito con R1.
Una aplicación del circuito analizado y diseñado, es el del control de encendido y apagado
de luminarias en forma automática, este circuito se puede observar en la figura anterior
donde se cumple las siguientes condiciones.
a) El sensor es de coeficiente negativo.
b) R2 es el valor de resistencia del sensor cuando se tiene incidencia de luz sobre el mismo.
c) R1 es el valor de resistencia del sensor cuando no se tiene incidencia, por tanto, se cumple
que R1 > R2.
d) Con R2 (con luz, sobre el sensor) el transistor se corta, por tanto, el rele no funciona y el
foco no se enciende.
e) Con R1 (sin luz, sobre el sensor) el transistor esta en saturación, por tanto, el rele funciona
y el foco se enciende.
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10. Mecatronica I (Mec-436)
Fotografía del Circuito Terminado
En funcionamiento cuando esta encendido el Láser y la Luz apagada
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11. Mecatronica I (Mec-436)
La luz se enciendo por que el rele recibe la orden de activar la Luz cuando un objeto
pasa por el Láser y el Sensor Fotoeléctrico
Y se apagar la Luz cuando vuelve el Láser al Sensor Fotoeléctrico
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12. Mecatronica I (Mec-436)
Algunas aplicaciones del Sensor fotoeléctrico
Sistema de seguridad para niños con alarma
Barrera fotoeléctrica de seguridad
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13. Mecatronica I (Mec-436)
El láser de seguridad más pequeño del mundo
Sensores para puertas, portones y ascensores
Rejillas fotoeléctricas para ascensores
Para la protección de cantos de cierre en funcionamiento seguro de puertas de ascensores
Barreras fotoeléctricas
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14. Mecatronica I (Mec-436)
Circuito de control de postes de luz
Circuito que se utiliza en el control de encendido y apagado de luminarias, del alumbrado
público.
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15. Mecatronica I (Mec-436)
FIN
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