Fotorresistencia LDR (Light Dependent Resistor)DATASHEET

Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotoresistor, 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 terminales.

Desde el punto de vista constructivo, las LDR están fabricadas con materiales de estructura cristalina, siendo los más utilizados el sulfuro de cadmio y el seleniuro de cadmio, aprovechando sus propiedades fotoconductoras. Una cuestión a tener en cuenta cuando diseñamos circuitos que usan LDR es que su valor (en Ohmios) no variara de forma instantánea cuando se pase de estar expuesta a la luz a oscuridad, o viceversa, y el tiempo que se dura este proceso no siempre es igual si se pasa de oscuro a iluminado o si se pasa de iluminado a oscuro (se dice que muestra inercia a las variaciones de la intensidad luminosa). Igualmente, estos tiempos son cortos, generalmente del orden de una décima de segundo. Esto hace que el LDR no se pueda utilizar en algunas aplicaciones, concretamente en aquellas que necesitan de mucha exactitud en cuanto a tiempo para cambiar de y a exactitud de los valores de la fotorresistencia al estar en los mismos estados anteriores. Pero hay muchas aplicaciones en las que una fotorresistencia es muy útil.

Pricipales caracteristicas de las fotoresistencias:

1.- Los valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz brillante.

2.- Disipación maxima, (50 mW-1W).

3.- Voltaje maximo (600V).

4.- Respuesta Espectral.

5.- El tiempo de respuesta típico de un LDR está en el orden de una décima de segundo.

Ventajas de las fotorresistencias:1. Alta sensibilidad (debido a la gran superficie que puede abarcar)2. Fácil empleo.3. Bajo costo.4. No hay potencial de unión.5. Alta relación resistencia luz-oscuridad.Desventajas de las fotorresistencias:1. Respuesta espectral estrecha (cada LDR reacciona a un tipo de luz concreto)2. Efecto de histéresis (tiene cierta "memoria" retarda su funcionamiento)3. Estabilidad por temperatura baja para los materiales más rápidos. 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.4. Respuesta lenta en materiales estables.5. Falta de linealidad entre resistencia e iluminación.

Las fotorresistencias o LDR (light-dependent resistor en inglés) son unos componentes electrónicos de la familia de las resistencias variables que modifican su valor resistivo en función de la luz que reciben. A mayor luz, mejor resistencia. Es por ello por lo que también se le llama resistencias dependientes de luz (light dependent resistors), fotoconductores o células fotoconductoras.

En nuestra primera entrada, la resistencia variable (LDR) - Fotorresistencia (1), presentamos los rasgos más generales de esta familia, en la segunda entrada sobre ellas, presentamos las limitaciones y las ecuaciones y gráficas que regulan su comportamiento, en esta entrada definiremos los dos tipos que nos podemos encontrar, y terminaremos en una cuarta entrada presentando las configuraciones más habituales que podemos encontrarnos cuando queramos hacer uso de ellas en nuestros proyectos electrónicos.

Tipos de fotorresistencias existen dos; las lineales y las no lineales.

LDR lineales: son mejor conocidas como fotodiodos pero bajo ciertas aplicaciones es posible tratarlas como fotorresistencias debido al comportamiento lineal que presentan. Para considerar un fotodiodo como una fotorresistencia lineal simplemente se polariza en inverso.

LDR no lineales: son aquellas hechas comúnmente cuyo comportamiento no depende de la polaridad aplicada sobre ella.

En nuestra primera entrada, la resistencia variable (LDR) - Fotorresistencia (1), presentamos los rasgos más generales de esta familia, en la segunda entrada sobre ellas, presentamos las ecuaciones y gráficas que regulan su comportamiento, en la tercera entrada vimos los dos tipos de fotorresistencias que nos podemos encontrar, y ahora vamos a explicar las dos configuraciones más típicas que usaremos para nuestros proyectos robóticos:

1. detector de oscuridad, 2. detector de día.

El circuito esencial de un divisor de tensión, también llamado divisor de potencial o divisor de voltaje, es

Y la formula que relaciona la tensión de salida Vout con la tensión de entrada Vin y las resistencias R1 y R2, se obtiene aplicando la ley de Ohm tal como vimos en la entrada que escribimos sobre ella:

Como se puede ver, dos resistencias están conectadas en serie con la tensión de entrada Vin (V), que puede ser o no, la tensión de la fuente de alimentación, conectada a Rarriba (R1), la otra resistencia Rabajo (R2) conectada a masa. La tensión de la salida Vout (VD), es el voltaje en los extremos de Rabajo (R2).

Pues bien, dependiendo de la configuración del divisor de voltaje con la fotorresistencia sustituyendo a la R_abajo o R_arriba, trabajara como un sensor de oscuridad o un sensor de luz.

Proyecto Sensor de Oscuridad:

Si ahora sustituimos la Resistencia de abajo (R2) por nuestra fotorresistencia nos quedaría un circuito como este:

Este circuito da una tensión BAJA en la salida (Output) cuando el LDR está en la luz (porque en este caso la R2 asociada a la fotorresistencia sería muy pequeña), y una tensión ALTA cuando la LDR está en la penumbra (porque en este caso la R2 asociada a la fotorresistencia sería muy grande). El circuito divisor de tensión dará una tensión de la salida que cambia con la iluminación, de forma inversamente proporcional a la cantidad de luz que reciba.

Un sistema de sensor que funcione como esto se podría pensar como 'sensor de oscuridad' y se podría utilizar para controlar los circuitos de iluminación que se encienden (conectan) automáticamente por la tarde.

Proyecto Sensor de luz:Si ahora en lugar de poner la forresistencia abajo (R2), la ponemos arriba (R1),

Como hemos dicho más arriba, este tipo de componentes cambian su valor resistivo cuando son expuestos a luz directa, pero para poder hacer un buen uso de ellos, debemos ver entender mejor cómo reaccionan.

Tiempo de respuesta:

Lo primero que debemos de tener en cuenta es que el proceso no es instantáneo, la luz llega a los átomos de cadmio de la fotorresistencia y éstos van liberando electrones poco a poco, y de modo que al cabo de algo más de algunas décimas de segundo veremos el cambio en el valor de la resistencia. Por lo que si por alguna razón necesitamos un sensor de luz para monitorizar cambios de luz más rápidos, es muy posible que nuestra fotorresistencia no sea el sensor más apropiado para nuestro proyecto.

Velocidad del cambio:

Tampoco nos van a servir las fotorresistencias para medir de forma precisa la velocidad de variación de la luz que le llega, puesto que el retardo que comentábamos anteriormente de décimas de segundo no es constante.Para experimentar un poco con ellas nos basta y nos sobra un multímetro, una lámpara y una fotoresistencia. Conectamos cada terminal de nuestra fotorresistencia al cada uno de los terminales del multímetro y acercando o alejando la fotorresistencia de la luz de la lámpara, podremos ver en la pantalla de nuestro multímetro (seleccionando el modo medición de resistencia) como la resistencia va modificándose. A mayor intensidad de luz, menor valor de la resistencia.

Cuando R1 es pequeña (porque le está llegando luz a la fotorresistencia), la tensión de salida (VD) es prácticamente igual a la tensión de entrada (V)

Aplicaremos estas dos configuraciones en nuestra próxima entrada, donde lo veremos funcionando en una aplicación real.

Respuesta a la luz:Adicionalmente, y recordando lo que comentábamos en la entrada anterior, de que la fotorresistencia respondía a un comportamiento fotoeléctrico, debemos saber que cada semiconductor concreto tiene una sensibilidad especial a una frecuencia de luz concreta que lo caracteriza, ésta es suministrada por el fabricante de la misma en su hoja de datos.

Normalmente la variación de la resistencia a esa longitud de onda concreta será máxima y presentará un comportamiento como el de la figura siguiente:

Comportamiento:

Una fotorresistencia o LDR está fabricado a base de un semiconductor de alta resistencia. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos y al hacerlo dan a los electrones de los átomos del semiconductor la suficiente energía para saltar a la banda de conducción, aumentando así la conductividad del dispositivo y disminuyendo su resistencia.

La ecuación que describe el cambio del valor de la resistencia es una función de tres magnitudes, dos asociadas al tipo de semiconductor que estemos usando y la tercera a la densidad de energía recibida.

Donde:

R: resistencia de la fotorresistencia.

A,α: constantes que dependen del semiconductor utilizado.

E: densidad superficial de la energía recibida.

Que si lo representamos en forma de gráfica nos saldrá la forma clásica de una curva exponencial

y si la gráfica es logarítmica, nos dará una recta cuya pendiente nos estará definiendo identificando el semiconductor concreto con el que estemos trabajando.

Por ahora lo importante es darse cuenta de que cuando la fotorresistencia está en oscuridad su resistencia es alta y cuando reciben luz su resistencia disminuye considerablemente.Características técnicas:

Todo lo expuesto arriba lo podremos adivinar mirando la hoja de datos del fabricante. A continuación os dejamos una tabla, a título de ejemplo, de las características principales que definen una fotorresistencia y que nos ayudará a escoger mejor la que más se adapte a las necesidades concretas de nuestro proyecto: tensión máxima de trabajo, resistencia nominal (con luz), resistencia en la oscuridad, tiempo de respuesta, etc.

Las fotorresistencias o LDR (light-dependent resistor en inglés) son unos componentes electrónicos de la familia de las resistencias variables que modifican su valor resistivo en función de la luz que reciben. A mayor luz, mejor resistencia.

El símbolo es similar al tradicional usados para las resistencias

Pero con la particularidad de incluir unos haces de luz incidiendo sobre ella:

Su funcionamiento se basa en el efecto fotoéléctrico, esto es, que cuando llegan fotones de cierta energía al material (normalmente un semiconductor llamado sulfuro de cadmio, CdS), éstos provocan que ciertos electrones que se encuentran atados a los átomos, se liberen y salten a la banda de conducción.

Como la resistencia eléctrica es una magnitud que mide la libertad de la corriente eléctrica al paso de un material, a más electrones en la banda de conducción, menor será su resistencia.

Normalmente los valores de una fotoresistencia varían entre 1Mohms en oscuridad hasta 100ohms con luz brillante.

Aplicaciones: Control de contraste en televisores y monitores, control automático de la iluminación en habitaciones, juguetes y juegos electrónicos, controles industriales, interruptores crepusculares, boyas y balizas de encendido automático, auto-flash, etc.

Banda de conducción

Se denomina “banda de conducción” al nivel de energía donde la atracción del núcleo del átomo sobre los electrones es más débil. Ese nivel corresponde a la última órbita del átomo, la que puede compartir así sus electrones entre el resto de los átomos de un cuerpo, permitiendo que se desplacen por el mismo en forma de nube electrónica.

Cuando un átomo es excitado empleando corriente eléctrica, luz, calor, etc., alguno de sus electrones pueden absorber energía, saltar a la banda de conducción y desplazarse de una molécula a otra dentro de un cuerpo.

Cada átomo posee un número determinado de electrones girando a su alrededor en diferentes órbitas formando una nube electrónica; sin embargo es sólo la última órbita la que determina el número de valencia o propiedades de conducción que posee cada elemento químico. En cualquier átomo esa última órbita admite solamente un máximo de ocho electrones para completar su estructura atómica y la tendencia de todos es llegar a completarla.

Un átomo con siete electrones en su última órbita (valencia -1, por ejemplo) tiende a atraer el electrón que le falta captándolo de otro átomo que posea uno sólo en su última órbita (valencia +1, por ejemplo). A su vez el átomo que posee entre uno y tres electrones en la última órbita tiende a cederlos a otros átomos que lo requieran para que pueda completar los ocho.

Ese mecanismo denominado "regla del octeto" da lugar a la creación de diferentes combinaciones químicas, a la conducción del calor y a la conducción de la corriente eléctrica, de acuerdo con la forma en que sean excitados los átomos.

Conductividad

Es la propiedad de los átomos de los metales que permite a los electrones que giran en su última órbita o banda de conducción desplazarse por su estructura molecular conduciendo calor o electricidad.

De acuerdo con la mayor o menor conductividad que tenga un cuerpo, se clasifican en tres grupos:

Conductores Aislantes o dieléctricos Semiconductores

Conductores. Todos los metales conducen, en mayor o menor medida, la electricidad y el calor, pues sus átomos tienden a ceder con facilidad los electrones que giran en su última órbita. El oro (Au), la plata (Ag), el cobre (Cu), el aluminio (Al), el estaño (Sn) y el platino (Pt) son buenos conductores, mientras que el hierro (Fe) y el plomo (Pb), por ejemplo, lo son en menor medida.

Aislantes o dieléctricos. Son materiales en los que los electrones que giran en la última órbita de sus moléculas se encuentran fuertemente atraídos por el núcleo. Eso impide que se puedan desplazar libremente a través de la estructura molecular a la que pertenecen, por lo cual no conducen ni calor, ni electricidad. Entre los buenos materiales aislantes se encuentran la mica, el teflón, la porcelana, los plásticos, etc. El aire se considera también un buen aislante del calor y la electricidad.

Semiconductores. Como su nombre indica, estos materiales no son exactamente buenos conductores de la electricidad, pero cuando se les excita sus electrones pueden pasar a la banda de conducción y facilitar el flujo electrónico, aunque siempre en un solo sentido. De ahí su nombre de "semiconductores".

Entre los elementos o materiales semiconductores más empleados por la industria para fabricar dispositivos

electrónicos como diodos, transistores, circuitos integrados y microprocesadores se encuentran el silicio (Si), el germanio (Ge) y el arseniuro de galio (GaAs).

SULFURO DE CADMIO

El cadmio es un metal blanco azulado, dúctil y maleable. La toxicidad que presenta es similar a la del mercurio; posiblemente se enlace a residuos de cisteína. La metalotioneína, que tiene residuos de cisteína, se enlaza selectivamente con el cadmio. Algunas sales se emplean comopigmentos. Por ejemplo, el sulfuro de cadmio se emplea como pigmento amarillo. Se emplea en algunas aleaciones de bajo punto de fusión. Debido a su bajo coeficiente de fricción y muy buena resistencia a la fatiga, se emplea en aleaciones para cojinetes.

Fue descubierto en Alemania en 1817 por Friedrich Stromeyer, quien observó que algunas muestras de calamina con impurezas cambiaban de color cuando se calentaban, mientras que la calamina pura no lo hacía; encontró el nuevo elemento como impureza en este compuesto de zinc. Durante unos cien años Alemania fue el principal productor de este metal.

SELENIURO DE CADMIO

Es indisoluble en agua y alcohol, ligeramente soluble en disulfuro de carbono y soluble en éter. Presenta

el efecto fotoeléctrico, convirtiendo la luz en electricidad, y, además, su conductividad eléctrica aumenta al

exponerlo a la luz. Por debajo de su punto de fusión es un material semiconductor tipo p, y se encuentra en

su forma natural. Fue descubierto en 1817 por Jöns Jacob Berzelius. Al visitar la fábrica deácido sulfúrico de

Gripsholm observó un líquido pardo rojizo que calentado al soplete desprendía un olor fétido que se

consideraba entonces característico y exclusivo del telurio.

SULFURO DE PLOMO

El sulfuro de plomo (II) o sulfuro plumboso es una sustancia oscura, insoluble en agua y ácidos débiles que se forma fácilmente a partir de otras sales de plomo y sulfuros. Se aprovecha esta reacción en química analítica para separar el plomo junto con otros sulfuros poco solubles de los demás cationes en la marcha analítica.

El sulfuro de plomo tiene propiedades de semiconductor. Algunos de las primeros radioreceptores aprovecharon cristales de la galena natural como diodo.2 Hoy en día el sulfuro de plomo aún se utiliza en algunos detectores de radiación infrarroja. Cuando se usa para infrarrojo, estos elementos de detección se clasifican como detectores de fotones. A diferencia de los detectores térmicos, la otra gran clase, los detectores de infrarrojo responden directamente a la radiación incidente. Los detectores térmicos responden solamente ante el cambio de temperatura del material causado por la energía de los fotones. Debido a esta diferencia, la radiación se puede medir de dos formas: detectando la débil corriente eléctrica o midiendo el cambio en la resistencia eléctrica del material que nos permite saber la temperatura. Este segundo método es el más usado.

GRÁFICAS DE FOTORRESISTENCIAS:

PRUEBAS:

Utilizamos hielo y sal en nuestra primera prueba y sólo pudimos llegar a los -6 °C. Para llegar a -20 °C. Se tiene que utilizar sal no yodada, para que otros factores no afecten

en el experimento. Se tiene que utilizar esmalte de uñas para no dañar el multímetro ni el foto- resistor. Tiene que estar en un cuarto oscuro para que sólo reaccione el foto- resistor con la luz que

nosotros utilizamos sin que haya otro tipo de energía luminosa que le esté afectando y pueda cambiar los resultados.

Eutéctica, el punto de fusión donde se utiliza cierta cantidad de hielo y un porcentaje específico de sal para llegar temperatura -20 °C.

Un fotorresistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar de la banda de valencia a la banda de conducción, aumentando así la conductividad del dispositivo y disminuyendo su resistencia. Las fotorresistencias se caracterizan por la ecuación:

Donde:R: resistencia de la fotorresistencia.A,α: constantes que dependen del semiconductor utilizado.E: densidad superficial de la energía recibida.

La resistencia de este tipos de componentes varia en función de la luz que recibe en su superficie. Así, cuando están en oscuridad su resistencia es alta y cuando reciben luz su resistencia disminuye considerablemente. Cuando incide la luz en el material fotoconductor se generan pares electrón - hueco. Al haber un mayor número de portadores, el valor de la resistencia disminuye. De este modo, la fotorresistencia iluminada tiene un valor de resistencia bajo. Las células son también capaces de reaccionar a una amplia gama de frecuencias, incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, y ultravioleta (UV). Los materiales que intervienen en su construcción son Sulfuro de Cadmio, utilizado como elemento sensible a las radiaciones visibles y sulfuro de plomo se emplean en las LDR que trabajan en el margen de las radiaciones infrarrojas. Estos materiales se colocan en encapsulados de vidrio o resina.

Si dejamos de iluminar, los portadores fotogenerados se recombinarán hasta volver hasta sus valores iniciales. Por lo tanto el número de portadores disminuirá y el valor de la resistencia será mayor. Por supuesto, el material de la fotorresistencia responderá a unas longitudes de onda determinadas.

LDR lineales: son mejor conocidas como fotodiodos pero bajo ciertas aplicaciones es posible tratarlas como fotorresistencias debido al comportamiento lineal que presentan. Para considerar un fotodiodo como una fotorresistencia lineal simplemente se polariza en inverso.

LDR no lineales: son aquellas hechas comúnmente cuyo comportamiento no depende de la polaridad aplicada sobre ella.