Emisores y receptores de infrarrojos

Houston, tenemos un problema!!!. ¿Que hacemos ahora con todos estos led?. Cuales son emisores de infrarrojos y cuales receptores?. Vamos a ver como averiguarlo, y medir algunos parámetros que nos permitan utilizarlos en la práctica.

Este es el resultado de muchos desguaces:

Leds IR

Inicialmente podemos hacernos una idea de cual es emisor y cual receptor mirando al interior del dispositivo. Los LED tienen un chip más pequeño que los fototransistores (que necesitan más superficie de recepción para ser sensibles). Esto solo es orientativo. Vamos a utilizar un montaje que nos permita emitir desde un diodo emisor y recibir en un fototransistor y medir algunos parámetros.

Este es el esquema del montaje (soy más rápido con el rotulador que con el ratón), junto a él una foto de la realización práctica:

IR 2IR 3

1. Conector del LED emisor.
2. Resistencia R1.
3. Conector del fototransistor.
4. Resistencia R2
5. Cables al voltímetro
6. Cables de alimentación 5V.

La resistencia R1 de, 330 Ohmios, es para limitador la corriente que circula por el LED emisor de infrarrojos. Un LED típico suele tener una caída de tensión de 1,2 V. Entonces (5V-1,2V)/330Ohmios = 11,5 mA. Podemos probar otras corrientes (menores de 20 mA para no quemar el LED) para obtener más intensidad de infrarrojo, pero la curva corriente – emisión de los LED no es lineal: necesitamos aumentar mucho la corriente para obtener poca mejora en la emisión. Podemos ver un datasheet de un emisor SFH484 para hacernos una idea.

Para comenzar colocamos un voltímetro en paralelo con R1 y pinchamos un LED tapado en el zócalo del emisor. Si la polaridad no es la correcta veremos que el voltímetro no marca nada, conectaremos el LED al revés. Cuando la polaridad sea la correcta podremos leer un valor de voltaje 3,8 V aproximadamente (5V – 1,2V). Si nos hemos equivocado y hemos pinchado un fototransistor, al estar tapado, no circulará corriente en ninguna posición. En la foto de abajo puede verse el LED infrarrojo de disquetera emitiendo, y la caída de tensión en R1. El brillo del LED no es un reflejo: los CCD suelen ser muy sensibles al infrarrojo. Se puede ver un LED emitiendo con una webcam (como es mi caso) o con la cámara de un teléfono móvil, muy útil para saber si funciona o no el mando de la tele.

IR

La resistencia R2 proporciona la polarización para el fototransistor. Usaremos 4K7 para comenzar porque es el valor estándar para un pull up de una entrada TTL. La corriente que circulará por el fototransistor es muy pequeña y no tendremos posibilidad de estropearlo. En el voltímetro V podremos ver si el fototransistor conduce. Tendremos 5V sin conducción, tensión que disminuye conforme conduce el fototransistor. Al llegar a la saturación tendremos una pequeña Vce de saturación.

Colocamos el fototransistor tapado en el conector. El voltímetro debe marcar unos 4,9 V. Sacamos el fototransistor y lo colocamos invertido de polaridad. Si, tapado, baja la lectura en algún momento es que nos hemos equivocado, es un LED y esta emitiendo. Si todo es correcto deberíamos leer unos 4,9V. Destapamos el fototransistor y lo encaramos con el emisor. Debería bajar la lectura, si no lo hace invertimos la polaridad. Como referencia podemos ver el datasheet de un fototransistor BP103.

Test 1Test 2

Hemos colocado un fototransistor de una disquetera. En la imagen de la izquierda vemos el fototransistor conduciendo. Recibe el haz infrarrojo a 1 cm de distancia. En la foto de la derecha interrumpimos el haz con un cartón (bastante opaco a los rayos infrarrojos).

Test 3Test 4

Ahora probamos otro fototransistor. Esta vez de un vídeo. Puede verse que es mucho más sensible que el anterior. Puede ser que su máxima sensibilidad espetral coincida con el pico de emisión del LED (es decir que trabajen en la misma longitud de onda), o simplemente que sea más sensible.

Ahora vamos a probar esta misma pareja con el haz reflejado. Así podremos, además, probar como se comporta ante superficies de distinto color. ATENCIÓN el infrarrojo NO es luz visible, no podemos guiarnos por la vista para determinar las características de una superficie. Podemos ver (en el espectro visible) una superficie completamente negra pero que refleje el infrarrojo a la perfección, o al revés. Esto pasó en Alcabot 2001: las líneas de rastreadores estaban pintadas con una tinta que, pese a ser negra, apenas absorbía el infrarrojo. Los robots (equipados casi todos con CNY70) apenas distinguían las líneas negras del fondo blanco. Sin embargo la cinta aislante negra, que parece brillante, no reflejaba nada el infrarrojo.

Test 5

En la foto superior el ya hemos dispuesto los elementos para probar en reflexión. Interrumpimos el haz y vemos el offset de 4,93 V. Abajo reflejamos el haz con la cara blanca del cartón, y luego con la negra. Hay una diferencia de 2,1 Voltios, suficiente discriminar blanco de negro, pero poco para un uso “digital”. La superficie negra refleja bastante infrarrojo en este caso,

Test 6Test 7

Una última prueba, con otro emisor distinto y a más distancia. He tenido que separar el emisor del receptor por otro cartón porque el haz emitido se abre mucho y lo capta el receptor.

Test 8

Algunas notas más: se puede alimentar hasta con 100 mA los emisores, algunos lo aceptan pero otros no. Si conocer sus características exactas es mejor ser conservador. En pulsos de algunos nanosegundos aceptan hasta 3A. Si pulsamos la emisión con un ciclo de trabajo de 10%,, por ejemplo, podremos alimentar con 10 veces más corriente sin pasarnos de potencia media.

Esto es todo. Espero no haberme enrollado mucho, no querría que esto fuera un curso de dispositivos de infrarrojos, solo un pequeño manual práctico de su uso. Cada cual que experimente lo que más le guste o lo que necesite. Utilizando estas técnicas conseguí emparejar los emisores y receptores que usé en mi robot Dixi, que detectaban por reflexión a 4 centímetros y proporcionaban usa salida de 0,6 V con reflexión y 4,2 V sin ella, por lo que podía usarlos con entradas digitales directamente.

Utilizando en detector de efecto hall

Después de haber desmontado un puñado de motores hemos conseguido un puñado de sensores. ¿Para que sirven?. ¿Como se usan?. ¿Cuales son sus características técnicas?.

Como no conocemos las características algunos cacharritos que hemos obtenido tendremos que medirlas o calcularlas. Si no no serán de ninguna utilidad. Para comenzar sabemos que el detector de efecto hall de usa en configuración puente de wheatstone. Vamos a montar el puente de wheatstone con un detector de un motor de video y a ver que voltios da de salida al acercar un imán.

Este es el montaje de pruebas (yo no uso CAD, uso MAD, Manual Aided Design).

Esquema hall

El rectángulo punteado es el dispositivo de efecto hall. La resistencia R es la limitadora de corriente. Comenzaremos con una de 4K7, pero podemos bajarla de valor, controlando la corriente que circula, y observar el resultado. Alimentaremos el circuito a 5V . En V podemos ver el voltaje que resulta al aproximar el imán. La resistencia RO no es necesaria, ya que la corriente de salida es pequeñísima debido a la alta impedancia de entrada de V, pero yo he colocado una de 4K7 para pruebas. El campo magnético S-N lo generaremos con un imán obtenido de la cabeza de lectura de un dvd.

Este es el montaje real:

Pruebas

En esta imagen está el circuito alimentado a 5 Voltios y la resistencia R es de 220 Ohmios. Los elementos del montaje son:

1. Puntas de prueba de conexión al voltímetro.
2. Pinzas de alimentación. Usaremos 5V de una fuente de laboratorio. Sirven otras tensiones, ajustando la resistencia limitadora en consecuencia. En serie se encuentra el miliamperímetro.
3. Puntas de prueba de conexión al amperímetro.
4. Dispositivo de efecto hall.
5. Resistencia limitadora de corriente R. Es la resistencia que variaremos para hacer pruebas.
6. Resistencia opcional RO. No es necesaria.
7. Imán de pruebas.
8. Tester. Lo usaremos como voltímetro V.
9. Otro tester, usado como miliamperímetro mA.

Ahora vamos a probar con distintas corrientes de alimentación del circuito:

* Empezamos, por seguridad, con R=4K7. Circula una corriente de 1,05 mA. Al colocar el imán sobre el detector obtenemos 200 mV de salida.
* Cambiamos R a 4K7/2 (dos resistencias de 4K7 en paralelo). La corriente sube a 1,76 mA y obtenemos 356 mV de salida.
* Probamos con R=1K. Circulan 3,3 mA de corriente y da 650 mV de salida. Con el imán a 10mm de distancia obtenemos 30 mV de salida.
* Probamos con R=470 Ohmios. Circulan 5 mA de corriente y da 959 mV de salida. Con el imán a 10mm de distancia obtenemos 60 mV de salida.
* Probamos con R=220 Ohmios. Circulan 7,1 mA de corriente y da 1,26 mV de salida. Con el imán a 10mm de distancia obtenemos 86 mV de salida.
* Probamos con R=100 Ohmios. Circulan 8,8 mA de corriente y da 1,56 mV de salida.
* Usamos R=56 Ohmios. La corriente sube a 10 mA y la salida a 1,56 V. Con el imán a 10mm de distancia obtenemos 100 mV de salida.

Observamos que la relación corriente de salida – tensión de salida, para el mismo imán a la misma distancia, NO el LINEAL. Con R=100 Ohmios y R=56 Ohmios la corriente aumenta, pero la tensión de salida no. El dispositivo está saturado.

Para dejar un margen de seguridad y no sobrecargar el circuito, usaremos una R=220 Ohmios que da bastante voltaje de salida con poco consumo.

Montaje 2

En la imagen superior: 6,88 mA de corriente y 1,306 V de salida con el imán sobre el sensor. R=220 Ohmios.

Montaje 3

Ponemos el imán al revés, con la otra cara sobre el sensor. Ahora nos da -1,29 V, es correcto, al invertir el campo magnético se invierte la polaridad de salida. Continuamos con R=220 Ohmios.

Probamos con otro imán, uno de un disco duro.

Montaje 3

Observamos que es lo mismo. El pequeño imán que usamos al principio ya saturaba el dispositivo, uno más grande no aumenta la salida.

Podríamos hacer más pruebas, pero creo que no es prudente subir la corriente del circuito a más de 10ma. Podemos incluso hacer una curva “corriente de alimentación – tensión de salida” e interpolar los puntos que nos faltan. También podemos hacer una curva “distancia del imán – tensión de salida”.

Hemos podido averiguar una corriente de alimentación aceptable (7,1 mA) para el circuito y qué tensión de salida (1,26 V) bastante alta para ser detectada, ante la presencia de un determinado campo magnético. Con esto ya podemos utilizar el dispositivo en la práctica. Podemos usar un amplificador operacional como comparador para generar una señal digital utilizable por un micro, o dejar que el micro lea la señal analógica y la utilice (si tenemos entradas analógicas diferenciales en el micro).

También es interesante localizar los imanes que van a proporcionar el campo magnético que queremos detectar. Pueden obtenerse de los rotores de los motores brushless de disqueteras o videos, de la puerta de las neveras… Claro que también tendremos que conocer sus características. En este caso lo que más nos interesa la distribución de los polos. La intensidad del campo magnético que generan es secundario, porque los detectores son de mucha sensibilidad.

Para “ver” la distribución de polos usaremos el sistema clásico de las limaduras de hierro. Cogemos un imán potente y lo envolvemos en un papel. Lo pasamos a unos milímetros del banco de trabajo y (si hemos estado cortando o limando hierro) obtendremos un montón de limaduras pegadas en él. Si no, a limar un trozo de hierro. Despegamos las limaduras del papel sacando el imán de su interior y las recogemos en otro papel.

Imanes

En la foto superior las limaduras de hierro y un imán de una disquetera de 5 y1/4 pulgadas. repertimos las limaduras uniformemente por el papel y colocamos debajo, con cuidado, el imán. Sacudimos un poco (paciencia y páctica). También podemos espolvorear las limaduras con cuidado sobre el papel mientras el imán está debajo.

Iman 2

Esta es una imágene de como se distribuyen las limaduras. Las zonas donde se acumulan las limaduras son las uniones entre polos, que es donde el cambo magnético es más fuerte. Donde no hay apenas limaduras es en los centros de los imanes. Podemos contar 8 pares de polos. Los nombres de los polos N y S los he puesto de forma arbitraria, podrían ser al revés. Necesitaríamos un patrón para saber cual es cual.

Iman 3Iman 4

Este otro imán da esta otra figura. También hay 8 polos. Podemos usar imanes de plástico flexibles, como los de las neveras, que se pueden cortar.

El que tengamos pocos elementos polares no significa que tengamos poca resolución. Si usamos el sensor con un comparador en modo digital solo detectaremos polo N (1, por ejemplo) o polo S (0). Pero si lo utilizamos de forma analógica tenemos una salida de voltaje proporcional a la posición: polo N = +V, centro del imán = 0V, polo S = -V. Dependiendo de la resolución del convertidor podemos tener 1024 (para 10 bit) posiciones por cada uno de los 8 imanes. Podemos fabricar un encoder de mucha precisión. Con imanes lineales podremos hacer encoders lineales.

El resto queda a la imaginación, y necesidad, de cada uno. También se puede comprar un encoder directamente, pero tiene menos gracia.

Puerto serie en PDA Acer n35