La comparación de magnitudes físicas, con la simple indicación de las diferencias de valores, accionamiento de dispositivos de avisa o accionamiento de controles, es algo que puede interesar al profesional de la electrónica. En especial, en este artículo nos dedicamos a los comparadores de intensidad de luz usando LDRs que sirven para diversas aplicaciones, como por ejemplo la comparación de tonalidad de tintas, de transparencia de plásticos, papeles u otros productos; de transparencia de soluciones químicas, con la detección de la ocurrencia de reacciones; de luminosidad de ambientes, etc. Con el cambio de los sensores de luz por termistores, podemos también utilizar los mismos circuitos en una infinidad de otras aplicaciones que involucran la comparación de temperatura.
Comparar dos intensidades de luz es un problema que puede ser resuelto por la electrónica con cierta facilidad y hasta con la posibilidad de algunos recursos adicionales.
Consultados por diversas personas sobre la posibilidad de elaborar circuitos para la comparación de magnitudes físicas, específicamente la luz, estudiamos diversos proyectos que pueden ser de gran utilidad para todos, pero principalmente para los que trabajan en laboratorios de aplicaciones profesionales.
Estos circuitos son comparadores de intensidades luminosas que usan como sensores LDRs comunes o foto resistores de sulfuro de cadmio. La excelente sensibilidad de estos sensores permite el trabajo en un enorme gama de intensidades luminosas, lo que significa que los circuitos, sin prácticamente grandes alteraciones, pueden operar en una cantidad de aplicaciones muy grande.
Los proyectos que discutimos, básicamente comparan intensidad de luz dando indicaciones en instrumentos, LEDs o bien accionando cargas externas.
Entre las aplicaciones sugerimos las siguientes:
En un laboratorio de química, para la medición de transparencia de soluciones y comparaciones que significan la ocurrencia de reacciones.
La monitorización de reacciones por el cambio del grado de transparencia, o bien el grado de concentración, puede hacerse con el accionamiento de avisos o alarmas.
Comparaciones de reflectancias, transparencias o bien tonalidades, hechas en laboratorios que trabajen con tintas, materiales fotográficos o gráficos.
la iluminación de ambientes puede ser comparada con patrones, usando los circuitos propuestos.
Con el cambio de los sensores por termistores, en los laboratorios de quím1ca, física o biología, se pueden hacer comparaciones o monitorizaciones de tempera tura con la simple indicación, o bien con el accionamiento de controles o alarmas (figura 1).
El circuito
La base de todos los circuitos es el sensor de luz, conocido como LDR o Light Dependent Transistor (foto-resistor). Su aspecto aparece en la figura 2.
Este componente presenta una superficie de sulfuro de cadmio (Cds) sensible a la luz, cuya resistencia varia en una proporción inversa a la intensidad de la luz incidente. En la misma figura tenemos un gráfico que muestra que, típicamente, esta resistencia puede ser de algunos megΩ en la oscuridad completa, cayendo a centenares o incluso decenas de Ω con iluminación máxima.
Dos LDRs pueden ser conectados de modo de formar un puente de Wheatstone típico, como muestra la figura 3.
En este puente la corriente en el elemento indicador, o la tensión entre los puntos A y B, es nula cuando ocurre el equilibro. Y para el equilibrio, se debe satisfacer la siguiente ecuación:
R1/R2 = R3/ R4
Si R1 y R2 fueran LDRs es fácil percibir que mientras ellos mantengan la misma relación de la resistencia, el equilibrio se mantiene, y con esto, la indicación del puente.
Para obtener una sensibilidad ideal para la indicación de equilibrio (y también de desequilibrio), es importante que los resistores R3 y R4 tengan el mismo orden de magnitud que R1 y R2. Como R1 y R2 son las resistencias de los LDRs, y éstas pueden variar mucho dependiendo de la intensidad de luz con que normalmente se trabaja, su valor va a depender de la aplicación.
Así, para intensidades de luz muy pequeñas, como en la medición de reflectancia de superficies o de la transparencia de sustancias que sean casi opacas, se deben usar valores en la banda de 100 k hasta incluso 470 k. Para intensidades medias, con iluminación de ambientes o fuentes de luz débiles. la banda de valores estará entre 10 k y 82 k y , finalmente, con fuentes fuertes, como por ejemplo bajo iluminación intensa de focos de luz en la monitorización de reacciones químicas, iluminación solar (luz del día) etc., los valores estarán en la banda de 2k a 8k2.
En los proyectos, dependiendo de las aplicaciones daremos las indicaciones que permitan hacer las debidas modificaciones.
Para todos los proyectos sugerimos la utilización de los LDRs redondos de 1 cm. Tipos mayores, dependiendo de la aplicación, también servirán.
Comparador sencillo con indicador analógico
Nuestro primer circuito aparece en la figura 4.
Es la versión más sencilla que podemos dar y que hace la comparación de intensidades luminosas. Podemos medir la transparencia de soluciones o comparar- las, como muestra la figura 5, instalando los LDRs de modo que reciba la luz a través de tubos de ensayo donde están colocadas las soluciones. Detrás de los tubos tenemos una fuente única de luz con intensidad fija.
En la figura 6 tenemos la utilización de este circuito en la comparación de la tonalidad de tintas. Observe que los LDRs deben estar colocados a la misma distancia del material analizado y que las fuentes de luz deben tener la misma intensidad.
El potenciômetro P1 sirve para hacer la calibración. Colocando los dos LDRs bajo iluminación de la misma intensidad, debemos ajustar P1 para la indicación de nulo para el instrumento P2 sirve para limitar el fondo de escala del instrumento evitando que, bajo iluminación fuerte, la misma sobrepase el final de la escala.
Se ajusta P2 para que, estando un LDR bajo iluminación normal y el otro completamente a oscuras, tengamos la indicación de fondo de escala.
En la figura 7 tenemos una sugerencia de montaje para este comparador de luz.
Los resistores R2 y R3 son elegidos de acuerdo con la intensidad de luz que normalmente encontramos en los testigos de comparación. Para intensidades menores (luz muy débil) aumente estos resistores para 47k, y para intensidades de luz muy fuertes (luz del día) redúzcalos para 10 k o incluso 4k7.
El instrumento indicador no es crítico, pudiendo usarse un microamperímetro de 200 µA con cero en el centro, incluso un tipo más sensible, con los de 50 µA, que son usados para indicar estado de batería en muchos equipos y que son bastante compactos.
Un miliamperímetro de 0-1 mA también podrá usarse, pero en este caso, el instrumento no tendrá la misma sensibilidad para intensidades de luz muy pequeñas. La alimentación se hace con dos pilas de 1,5 V que tendrán óptima durabilidad en vista del bajo consumo de corriente de la unidad.
Para usar el instrumento es preciso siempre llevarlo a cero. Para eso, someta los dos LDRs a la misma iluminación (use un patrón, como por ejemplo soluciones con transparencia conocida e iguales, paneles con un gris medio conocido, etc. y ajuste P1 para la indicación de cero.
Después sólo basta hacer las comparaciones de luz, según la aplicación deseada.
Evidentemente, los LDRs pueden ser instalados de manera fija y no en tubos, en caso que pretenda otro tipo de aplicación.
Comparador con circuito de disparo
Esta aplicación puede ser interesante cuando se desea el disparo de una alarma de un circuito de aviso o bien de un control que accione alguno dispositivo cuando la intensidad de luz que incide en un LDR aumenta en relación a otro. El circuito también parte de la configuración de los LDRs en puente, como podemos ver por la figura 8.
Tenemos un amplificador operacional 741 conectado como comparador, donde las tensiones de las entradas inversora y no inversora son determinadas por la intensidad de luz que incide en cada LDR
En la salida del operacional tenemos dos circuitos: uno que tiene un LED que enciende cuando la tensión de esta salida fuera positiva y otro que tiene un relé que acciona cuando la tensión fuera nula.
Si la tensión de la entrada no inversora fuera mayor que la de la entrada inversora, la tensión de salida del operacional será positiva y el relé será accionado. Por otro lado, si la tensión de la entrada inversora fuera menor que la de la entrada no inversora, la salida del operacional será nula y el LED estará encendido.
Con la iluminación por igual de los dos LDRs y el ajuste del equilibrio del puente hecho en P1, quedamos en el punto de transición del circuito. Un pequeño retoque en P1 nos permite llevarlo a la condición en que el relé está abierto y el LED encendido.
Si la iluminación sobre los dos LDRs se altera del mismo modo, o sea, aumenta o disminuye en los dos al mismo tiempo esta condición de equilibrio del puente se mantiene y no hay cambio en las condiciones de salida.
Sin embargo, si la iluminación del LDR1 aumenta más que la del LDR2, o bien la iluminación del LDR2 disminuye más rápidamente que la del LDR1, pasamos por el punto de transición del circuito y ocurre la conmutación. El LED se apaga y el relé es activado, conectando una carga externa.
Vea que este circuito no responde a las variaciones contrarias a la indicada, o sea, disminución de la luz de LDR1 en relación a LDR2. Para eso, tenemos otro tipo de circuito, que será dado posteriormente.
El potenciômetro P2 determina la rapidez de respuesta a la transición de luz, o sea, la sensibilidad. Este componente actúa sobre la ganancia del amplificador operacional y su ajuste depende de la aplicación dada al aparato así como de R1 y de R2.
Los valores de 47k son los indicados para iluminaciones de medianas o débiles, debiendo ser disminuidos si el aparato va a trabajar con iluminación fuerte.
La alimentación del circuito se hace con fuente de 12 V, que debe proveer por lo menos 200 mA de corriente. El relé es de tipo que admite una corriente de carga de 2 A. Los resistores son todos de 1/8W y los transistores son de uso general.
Comparador de ventana
En este circuito, los relés quedan desactivados cuando las intensidades de luz en los LDRs estuvieran dentro de una banda determinada de iluminación.
Cuando la iluminación de los LDRs fuera distinta, aumentando o disminuyendo, un relé u otro se accionará, llevándonos entonces a la característica de "Ventana" como se muestra en la figura 9.
Los relés, tanto pueden ser unidos en paralelo como en forma independiente, en función de la aplicación deseada. En forma independiente obtenemos el accionamiento con la caída de iluminación del LDR1, en relación a LDR2 o aumento de luz en contraste con LDRI. El otro relé será accionado cuando tuviéramos una caída de iluminación en LDR2 en relación a LDRI, o aumento de luz en LDR1 en contraste con LDR2.
P1 hace el ajuste del equilibrio, que determina el centro de banda de actuación.
En la figura 10 tenemos el circuito completo de esta aplicación.
Vea que en esta aplicación, los comparadores hechos con amplificadores operacionales del tipo 741 operan con maxi ma ganancia, lo que significa una transición rápida del estado en el punto de desequilibrio. Podemos suavizar esta característica, según lo demuestra la figura 11, con la utilización de un potenciômetro de realimentación negativa entre los pinos 6 y 2 de cada integrado.
El valor típico de este potenciómetro es de 1 M y con él obtendremos una ganancia unitaria de tensión en los operacionales.
