Adecuación de sensores resistivos

Los sensores resistivos pueden ser adecuados para su uso en diferentes circuitos electrónicos y tarjetas de desarrollo por medio de un divisor de voltaje, vamos a realizar un ejemplo para mostrar que es lo que sucede con las señales captadas por dichos sensores.

Consideramos el circuito de la figura 1, para el cual tenemos una $R_1$ que corresponde a un LDR, una foto resistencia, vamos a considerar un rango de valores de $10 K\Omega$ a $1 M\Omega$. Recordemos que este dispositivo tiene una mayor conducción cuando hay incidencia de luz sobre él, y ofrece una resistencia mayor, cuando no hay incidencia lumínica. Vamos a considerar un valor de $R_2$ de 100 $K\Omega$.

Fig. 1.- Circuito divisor de voltaje, utilizando un LDR para obtener una salida de voltaje dependiente de la intensidad de luz.

Tenemos que la representación del divisor de voltaje está definida por la expresión:

$$V_{s}=\frac{V_{i}\cdot R_{2}}{R_{1}+R_{2}}$$

Hay que analizar los rangos de voltaje de salida con los que este circuito funciona, es decir, vamos a sustituir los valores límite del LDR, teniendo:

$$V_{s}=\frac{5\cdot 100K\Omega}{100K\Omega+10k\Omega }=4.545V$$

$$V_{s}=\frac{5\cdot 100K\Omega}{100K\Omega+1M\Omega }=0.4545V$$

Como es posible observar, cuando la resistencia del LDR está en su valor mínimo, $10K\Omega$, el voltaje de salida es cercano a los 5 volts, sin embargo, cuando el voltaje de la resistencia está en su valor máximo, $1M\Omega$, el voltaje de salida se acerca a cero, no siendo capaz ni siquiera de romper el umbral de funcionamiento del LED, es decir, 0.7 volts. Esto nos indica que el LED en la salida del circuito de la figura 1, encenderá cuando haya luz. Recordando que a mayor intensidad lumínica, menor resistencia.

Ahora bien, vamos a considerar el circuito de la figura 2, para el cual tenemos un valor de $R_1=100K\Omega$. Tenemos una $R_2$ que corresponde a un LDR, vamos a considerar un rango de valores de $10 K\Omega$ a $1M\Omega$.

Fig. 2.- Circuito divisor de voltaje, utilizando un LDR para obtener una salida de voltaje dependiente de la intensidad de obscuridad.

Para analizar el comportamiento vamos a realizar el mismo proceso que se llevó a cabo para el circuito de la figura 1, se van a considerar los valores límite del LDR, y estos se sustituirán en la expresión del divisor de voltaje.

Para el valor mínimo de la resistencia tenemos que:

$$V_{s}=\frac{5\cdot 10K\Omega}{100K\Omega+10k\Omega }=0.4545V$$

Para el valor máximo de la resistencia tenemos que:

$$V_{s}=\frac{5\cdot 1M\Omega}{100K\Omega+1M\Omega }=4.545V$$

Ahora es posible observar que, cuando la resistencia del LDR está en su valor mínimo, $10K\Omega$, el voltaje de salida es cercano a los 0 volts, sin embargo, cuando el voltaje de la resistencia está en su valor máximo, $1M\Omega$, el voltaje de salida se acerca a 5 volts. Esto no sindica que el LED en la salida del circuito de la figura 2, encenderá cuando haya obscuridad.

Algo importante de notar, es que solamente fue necesario cambiar el orden de las resistencias en el divisor de voltaje para generar dos comportamientos completamente diferentes, por un lado un detector de obscuridad y por el otro, un detector de luminosidad.

Ahora, vamos a considerar el circuito de la figura 3, es posible ver que la salida del divisor de voltaje, nodo A, va hacía la entrada positiva de un amplificador operacional, y es posible observar que las resistencias $R_3$ y $R_4$ forman un segundo divisor de voltaje, nodo B, que va a hacía la entrada negativa del amplificador operacional. Vamos a suponer un valor $V_{i}=5V$, y suponemos los mismos valores límite del LDR, o $R_1$, que se consideraron en los circuitos anteriores.

Fig. 3.- Circuito detector de luminosidad con salida digital.

El amplificador operacional de la figura 3, se encuentra en configuración de comparador, es decir, compara un valor de referencia, en este caso el nodo B, contra un valor de entrada variable, en este caso el nodo A. Si el voltaje en A es mayor que el voltaje en B, a la salida $V_s$, se obtendrán 5 volts; por el contrario, si el voltaje en A es menor que el voltaje en B, a la salida se obtendrán 0 volts.

El voltaje en B, o voltaje de referencia, está determinado por

$$V_{B}=\frac{5\cdot 1K\Omega}{1K\Omega+1K\Omega }=2.5V$$

Por el otro lado, el voltaje en A está definido por el mismo comportamiento dado en el circuito de la figura 1, es decir:

$$V_{A}=\frac{5\cdot 100K\Omega}{100K\Omega+10k\Omega }=4.545V$$

$$V_{A}=\frac{5\cdot 100K\Omega}{100K\Omega+1M\Omega}=0.4545V$$

Esto significa que el amplificador operacional dará una salida de $5v$ cuando la cantidad de luz que incide en el LDR sea suficiente para lograr que $V_{A}>2.5V$.

Podemos modificar el circuito de la figura 3, para obtener el circuito de la figura 4.

Fig. 4.- Circuito detector de obscuridad con salida digital.

El voltaje en B, o voltaje de referencia, está determinado por

$$V_{B}=\frac{5\cdot 1K\Omega}{1K\Omega+1K\Omega }=2.5V$$

Por el otro lado, el voltaje en A está definido por el mismo comportamiento dado en el circuito de la figura 2, es decir:

$$V_{A}=\frac{5\cdot 10K\Omega}{100K\Omega+10k\Omega }=0.4545V$$

$$V_{A}=\frac{5\cdot 1M\Omega}{100K\Omega+1M\Omega }=4.545V$$

Esto significa que el amplificador operacional dará una salida de $5v$ cuando la cantidad de obscuridad en el entorno del LDR sea suficiente para lograr que $V_{A}>2.5V$.

Algo bastante interesante de mencionar, es que mientras en los circuitos de las figuras 1 y 2, el LED en la salida se ira prendiendo o apagando de forma paulatina y en concordancia con la cantidad de luz que incide sobre el LDR, en los circuitos de las figuras 3 y 4, el LED se encenderá completamente o se apagará completamente, sin puntos intermedios. Generando salidas analógicas para los circuitos 1 y 2, y salidas digitales para los circuitos 3 y 4.

Estos dos comportamientos también se pueden realizar a través de una placa de desarrollo, vamos a utilizar la tarjeta Arduino para la explicación. Para este fin, es necesario armar el circuito dela figura 5.

Fig. 5.- Entrada de un sensor LDR a la tarjeta de desarrollo Arduino UNO.

En la figura 5, podemos observar que la salida del divisor de voltaje generado por el LDR y la resistencia 2, entra a la tarjeta de desarrollo de forma analógica, la tarjeta convertirá esta señal en una señal digitalizada. En este caso, la programación de la tarjeta, será lo que definirá el comportamiento en la salida, y como el LED se encenderá.

En el siguiente código la intensidad del LED de salida se modificará en función del valor del LDR, como se ve en la figura 5, el LDR forma un divisor de voltaje junto con $R_2$ y este voltaje se envía a la entrada A1 de la tarjeta Arduino. Dependiendo de los valores del voltaje de entrada, la intensidad del LED en el pin 9 se modificará. Es importante mencionar que aunque se simula una salida analógica, la verdad es que es una salida digital por medio de PWM (Pulse Width Modulation, modulación por ancho de pulso).

Con el mismo esquema de la figura 5, pero con el código siguiente, es posible obtener salidas digitales, es decir, el LED enciende completamente o se apaga completamente.

El código anterior recibe el rango de valores de entrada, provenientes del divisor de voltaje, recordemos que tales valores están definidos por el comportamiento del LDR. Si se tiene la suficiente intensidad lumínica incidiendo sobre el LDR la variable “ldr” será más alta que el límite, por lo que prenderá el LED con intensidad total, mientras que se apagará si la variable “ldr” no es tan alta.

Como es posible observar con los dos códigos anteriores, se puede tener una señal digital y una analógica en respuesta al mismo circuito, lo que importa aquí es la programación. De la misma forma, se pueden definir detectores de luz y detectores de obscuridad, sólo variando el código.

Se hace nuevamente hincapié, a que estas configuraciones están fundamentadas en un sensor resistivo, por lo que cualquier sensor resistivo puede ser evaluado en la misma forma, obviando, que lo único que cambiará será la detección de diferentes magnitudes físicas.