Universidad Tecnológica de Panamá Campus Víctor Lewis Sasso Facultad de Ingeniería Eléctrica Licenciatura en Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones Asignatura: Optoelectrónica Experimento de Laboratorio # 5. Sensores de Iluminación LDR
Realizado Por: Marín, Porfirio 9-744-1899 Aguilar, Darío 9-743-2413 Alvarado, César 9-744-1566 Facilitador Prof. Daniel Cervantes II semestre 2016
Estudiantes: Porfirio Estudiantes: Porfirio Marín; César Alvarado; Darío Aguilar. Aguilar.
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Laboratorio de Optoelectrónica II-2016
Práctica de Laboratorio 5 Sensores de Iluminación LDR Introducción: Los sensores de luz son utilizados para detectar el nivel de luz y producir una señal de salida 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 y formateo de la señal de salida. El sensor de luz más común es el LDR “ Light Dependent Resistor ” o Resistor dependiente de la luz. Un LDR es básicamente un resistor que cambia su resistencia cuando cambia la intensidad de la luz. En esta práctica se hará énfasis en las principales características electrónicas de un sensor LDR de modo que se determinará la linealidad o no linealidad del mismo y también se comprobará su curva característica.
Objetivos Generales: 1. Comprobar las curvas características del sensor LDR. 2. Entender la dependencia del sensor con la Iluminación.
Materiales 1. 2. 3. 4. 5.
1 Led amarillo o verde. 1 Sensor LDR. 1 potenciómetro de 5k Ω. 1 resistencia de protección del LED. Elvis
Conceptos básicos: La resistencia LDR (Light Dependent Resistors) o fotorresistencia, es un componente electrónico cuya resistencia varía según la intensidad de luz que incide sobre él. A medida que la intensidad luminosa incide sobre ella, el valor óhmico de la resistencia LDR disminuye. Puede pasar de varios M Ω en la oscuridad a unos pocos ohmios al aumentar la intensidad de la luz.
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Figura 1: Resistencia LDR.
El símbolo para representar estas resistencias en un esquema electrónico es e l siguiente:
Figura 2: Símbolo del LDR.
o
Características Electrónicas -
CURVA CARACTERÍSTICA RESISTENCIA-ILUMINACIÓN La relación entre el valor de la resistencia y la iluminación, se puede expresar aproximadamente mediante la siguiente expresión: R = A*Lα R = Valor de la resistencia (Ω)
L = Iluminación (lux)
A y α son constantes (el valor de α depende del material utilizado y del proceso
de fabricación, varia de 0,7 a 0,9).
-
TIEMPO DE RECUPERACIÓN Si una resistencia LDR pasa de estar iluminada a oscuridad total, el valor de la resistencia no aumenta inmediatamente, debe transcurrir un cierto tiempo, llamado tiempo de recuperación. En el caso inverso, al pasar de la oscuridad a un cierto valor de iluminación, la velocidad del tiempo de recuperación es mayor.
Práctica de Laboratorio: DETERMINACIÓN DE LA LINEALIDAD O NO LINEALIDAD DEL LDR Procedimiento: 1. Conecte el Led con una iluminación constante y brillante (voltaje máximo para el LED). 2. Colocar el LDR lo más cerca posible al LED, de manera perpendicular. Estudiantes: Porfirio Marín; César Alvarado; Darío Aguilar.
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Laboratorio de Optoelectrónica II-2016 3. 4. 5. 6. 7.
Conectar el LDR a un voltaje de alimentación de +5V. Conectar el potenciómetro en serie al LDR. Medir la corriente que fluye por el circuito. Medir el voltaje sobre el potenciómetro. Variar el valor del potenciómetro y realizar 10 mediciones.
Figura 3: Circuito para determinar la linealidad o no linealidad del LDR.
Voltaje Potenciómetro / V 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
4.70 4.67 4.27 3.96 3.05 2.50 2.08 1.67 0.34 0.04
Corriente I / mA (medido) 1.05 1.09 2.02 2.99 5.19 5.90 7.32 8.31 11.37 12.12
Resistencia Potenciómetro / k Ω (calculado) 4.476 4.284 2.113 1.324 0.588 0.423 0.284 0.201 0.029 0.003
Voltaje en el sensor LDR/ V VLDR=5-VPotenciómetro 0.30 0.33 0.73 1.04 1.95 2.50 2.92 3.33 4.66 4.96
Tabla 1: Valores medidos (corriente y voltaje del potenciómetro) y calculado (Resistencia del LDR) de acuerdo a la fig. 3. Adicionalmente en la columna de la derecha se presentan los distintos voltajes del LDR.
Tarea: - Determinar el punto donde la resistencia del potenciómetro sea la misma que la del LDR. Cálculos: Para el desarrollo de los cálculos será necesario la utilización de la ley de Ohm, definida como: [1] = En esta ecuación las variables representan lo siguiente: V = voltaje, I = corriente y R = resistencia. Sabiendo que la corriente en una rama es la misma para cada componente que la integra y que se quiere calcular los respectivos valores de resistencia, entonces se despeja la Estudiantes: Porfirio Marín; César Alvarado; Darío Aguilar.
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Laboratorio de Optoelectrónica II-2016 ecuación [1] y se reemplazan los valores medidos para encontrar estos determinados valores de resistencia del potenciómetro. =
4.70
= 4476 Ω
=
= 4284 Ω
=
= 2113 Ω
=
= 1324 Ω 2.99 10− 3.05 = = = 588 Ω 5.19 10−
=
= = =
= = = =
1.05 10− 4.67 1.09 10− 4.27 2.02 10− 3.96
= = =
2.50 5.90 10− 2.08 7.32 10− 1.67 8.31 10− 0.34
= 423 Ω = 284 Ω = 201 Ω
= = 29 Ω 11.37 10− 0.004 = = =3Ω 12.12 10−
Resultado:
Voltaje del LDR_vs_Corriente del LDR 6 5 ) V ( R 4 D L l e 3 d e j a t 2 l o V
1 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Corriente del LDR (mA) Gráfica 1: Voltaje del LDR vs Corriente del LDR.
Comentario: En este gráfico se observa que, a una misma intensidad de iluminación, por ley de Ohm (voltaje entre corriente), el valor de resistencia del LDR es constante, esto es debido a que lo que se varía es la corriente de la malla por lo que la caída también varía, pero estas variables varían proporcionalmente tal que la resistencia permanece contante. Para que haya un cambio de resistencia en el LDR se debe aumentar o disminuir la iluminación que incide sobre dicho fotodetector. Que esta gráfica sea lineal no quiere decir que el LDR sea lineal, el LDR es no lineal. Este gráfico es lineal porque la iluminación aplicada a este sensor es constante. Para determinar el punto donde la resistencia del potenciómetro sea la misma que la del LDR, se debe considerar que el circuito consiste en una rama compuesta por un potenciómetro, un LDR y la fuente de alimentación de +5 V. Como estos elementos están conectados en serie, la corriente que circula por esta rama es la misma corriente para cada elemento y cuando haya una caída de voltaje en el potenciómetro igual a la mitad del voltaje suministrado por la fuente el LDR tendrá el Estudiantes: Porfirio Marín; César Alvarado; Darío Aguilar.
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Laboratorio de Optoelectrónica II-2016 mismo voltaje, entonces, el potenciómetro y el LDR tendrán la misma resistencia. Debido a esto, el punto donde la resistencia del potenciómetro es igual a la del LDR es cuando el voltaje del potenciómetro es 2.5 V y la corriente de la rama es 5.90 mA (de acuerdo a los valores medidos). R=
V I
=
2.50 5.90
= 0.423 kΩ
Por ley de Ohm [1] el valor de la resistencia del LDR igual a la del potenciómetro es 423 Ω. DETERMINACION DE LA CURVA CARACTERISTICA RESISTENCIA VS ILUMINACION 1. Cuadre el valor del potenciómetro con iluminación constante como en el ejercicio anterior, pero donde el valor del potenciómetro sea igual al del LDR. 2. Modifique el valor de la tensión del LED paulatinamente según la tabla. 3. Medir el voltaje del LED (como referencia para su iluminación) y la corriente generada por el LDR y de esos datos determinar la resistencia interna del LDR. 4. Graficar la curva Resistencia LDR Vs Iluminación (Voltaje del LED) 5. Realice dos gráficas: a. RLDR Vs VLED b. RLDR Vs VLED, pero ahora trate en varias escalas para ver si sale una función lineal(debería). Resultados: Para realizar el gráfico resistencia del LDR en función del voltaje del LED obviamente es necesario calcular los determinados valores de resistencias del LDR correspondientes a cada valor de iluminación del LED obtenidos al variar paulatinamente la tensión del mismo. Cálculos: Para calcular la resistencia del sensor y posteriormente completar la tabla es necesario escribir la ecuación que define la rama del circuito, así se tiene que la ecuación de esta malla es la siguiente: [2] = Donde V es el voltaje suministrado por la fuente (+5 V), VP es la caída de voltaje en el potenciómetro y VLDR es el voltaje del sensor LDR. Se quiere obtener la resistencia del sensor, entonces se reescribirá esta ecuación en función de la ecuación [1]. = 0
En esta ecuación la resistencia del potenciómetro es constante ( = 423 Ω ). Como ya se ha mencionado = = Se procede a despejar la ecuación para determinar la resistencia interna del LDR. =
=
=
5 (7.21 10− ) 423 7.21 10 −
5 (5.40 10 − ) 423 5.40 10 −
= 270 Ω
= 512.14 Ω
=
=
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5 (3.27 10− ) 423 3.27 10 −
5 (3.13 10 − ) 423 3.13 10−
= 1106.66 Ω
= 1174.3 Ω
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Laboratorio de Optoelectrónica II-2016 =
=
5 (5.10 10 − ) 423 5.10 10 − 5 (4.62 10 − ) 423 4.62 10 −
=
=
=
= 557.41 Ω
=
= 659.25 Ω
=
5 (4.19 10− ) 423 4.19 10 −
5 (3.86 10 − ) 423
= 870.77 Ω
3.86 10 −
5 (3.42 10− ) 423 3.42 10 −
= 770 Ω
= 1039.46 Ω
=
Voltaje del LED / V 2.99 2.88 2.86 2.83 2.80 2.78 2.75 2.74 2.73 2.71 2.68 2.65 2.63 2.61 2.59
=
=
=
5 (1.45 10− ) 423 1.45 10 −
Corriente I / mA (medido) 7.21 5.40 5.10 4.62 4.19 3.86 3.42 3.27 3.13 2.83 2.49 2.16 1.93 1.70 1.45
5 (2.83 10− )423 2.83 10 − 5 (2.49 10− ) 423 2.49 10 −
5 (2.16 10− ) 423 2.16 10 − 5 (1.93 10− ) 423 1.93 10 −
5 (1.70 10− ) 423 1.70 10 −
= 1340.67 Ω
= 1585.03 Ω
= 1888.02 Ω
= 2170.58 Ω
= 2532.70 Ω
= 3023.15 Ω
RLDR (Ω) 270 502.14 557.41 659.25 770 870.77 1039.46 1106.66 1174.3 1340.67 1585.03 1888.02 2170.58 2532.7 3023.15
Tabla 2: Datos medidos de voltaje del LED (como referencia para su iluminación), la corriente generada por el LDR y valores de la resistencia interna del LDR.
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RLDR _vs_ VLED 3500
3000
2500
)
2000
Ω ( R D L
R
1500
1000
500
0 2.55
2.6
2.65
2.7
2.75
2.8
2.85
2.9
2.95
3
Voltaje del LED (V)
Gráfica 2: RLDR Vs V LED .
Comentarios: En la gráfica 1 se puede observar que cuando el LED (fuente de iluminación utilizada) tenía una mínima caída de voltaje, la iluminación era mínima y el valor obtenido de resistencia del LDR fue máximo. Cuando el LED tenía una caída de voltaje de 2.99 V, entonces el valor obtenido para la resistencia del LDR fue de 270 Ohmios (según la tabla N° 2). En fin, el gráfico muestra que cuando hay poca iluminación este fotoconductor disminuye su valor resistivo y a medida que aumenta la energía luminosa incidente sobre él, aumenta su resistencia.
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RLDR _vs_VLED 10000
1000 )
Ω ( R D L
R g o L
100
10
1 2.55
2.6
2.65
2.7
2.75
2.8
2.85
2.9
2.95
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Voltaje del LED (V) Gráfica 3: RLDR Vs VLED, pero ahora el eje de las ordenadas en escala logarítmica p ara ver la función lineal.
Comentarios: La gráfica N° 2 se puede modelar como una función lineal utilizando papel semilogarítmico como se muestra en esta gráfica, este comportamiento se debe a que la curva característica de un sensor LDR es potencial. El comportamiento no es perfectamente lineal debido a error en las mediciones (error humano y error de los instrumentos).
Conclusiones:
Mediante la realización de esta experiencia de laboratorio se logró realizar la curva característica del sensor LDR apreciando en ella su comportamiento (variación de su valor óhmico) no lineal. Se pudo verificar que el valor de la resistencia del LDR depende de la iluminación que incide sobre el mismo. A mayor iluminación menor resistencia y viceversa, por lo que se puede decir que estas variables con respecto a este sensor son inversamente proporcionales. Esta dependencia se convierte en lineal si se utiliza escala logarítmica. 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 mismos valores en las mismas condiciones.
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Anexos:
Figura 4: Circuito para la realización de la primera parte de la experiencia. Determinación de la linealidad o no linealidad del LDR.
Figura 5: Montaje en Protoboard del circuito de la figura 4.
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Figura 6: Circuito para la realización de la segunda parte de la experiencia. Determinación de la curva característica resistencia vs iluminación.
Figura 7: Montaje en Protoboard del circuito de la figura 6.
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