El papel de los sensores ópticos en aplicaciones electrónicas

Este artículo describe los principios de funcionamiento de los sensores ópticos, los tipos de sensores ópticos, las consideraciones para la selección de sensores ópticos y las aplicaciones clave.

Los sensores ópticos son componentes electrónicos diseñados para detectar y convertir los rayos de luz incidente en señales eléctricas. Estos componentes son útiles para medir la intensidad de la luz incidente y convertirla en una forma legible por un dispositivo de medición integrado, dependiendo del tipo de sensor.

Este artículo describe los principios de funcionamiento de los sensores ópticos, los tipos de sensores ópticos, las consideraciones para la selección de sensores ópticos y las aplicaciones clave.

Ejemplo de un sensor óptico. Imagen cortesía de ROHM

Aplicaciones de sensores ópticos

Los sensores ópticos son componentes omnipresentes en dispositivos y equipos electrónicos utilizados en los campos industrial, de consumo, sanitario y automotriz.

Atención médica y sanitaria

Con la necesidad sin precedentes de detección sin contacto debido a la pandemia mundial, los sensores ópticos se han utilizado en dispensadores de desinfectantes en instalaciones de atención médica a largo plazo para garantizar el cumplimiento de la salud y la seguridad.

Otras aplicaciones médicas incluyen dispositivos biomédicos para el análisis de la respiración y la monitorización de la frecuencia cardíaca. El análisis de la respiración se puede lograr utilizando un láser de diodo sintonizable, mientras que el reflejo de la luz hacia el sensor a través de la piel puede monitorear con precisión la frecuencia cardíaca humana en un proceso conocido como fotopletismografía. Los sensores portátiles portátiles utilizan sensores ópticos para el seguimiento automático y manual del estado de salud y los signos vitales de los usuarios.

Industrial / Comercial

En aplicaciones industriales y comerciales, los sensores ópticos también se utilizan para la automatización y detección de distancia y temperatura en aplicaciones de la Industria 4.0. Por ejemplo, los sensores ópticos pueden detectar niveles de líquido en instalaciones de ingeniería de procesos, como niveles de petróleo en parques de tanques y refinerías de hidrocarburos, al integrar un LED infrarrojo, un transistor de luz y una punta de prisma transparente.

Los sensores ópticos también permiten el control automatizado al detectar la presencia de componentes en las plantas de producción.

Electrónica de consumo

Los sensores ópticos también se están utilizando para la detección de luz ambiental en la electrónica de consumo, como los teléfonos inteligentes, con ventajas como extender la vida útil de la batería y optimizar el brillo de la pantalla para que coincida con la cantidad de iluminación del entorno.

El siguiente esquema (Figura 1) integra un microcontrolador y un controlador LED IC equipado con control de luz automática para lograr una corriente de salida proporcional a la cantidad de luz ambiental e imita la sensibilidad espectral del ojo humano.

Figura 1. Diagrama del bloque IC del sensor de luz ambiental. Imagen cortesía de ROHM

Los fotointerruptores y los fotosensores de tipo reflectante se utilizan para la detección óptica en impresoras y escáneres 3D para aplicaciones industriales y minoristas. Los sensores ópticos también se utilizan en equipos de vigilancia en edificios comerciales y residenciales para detectar intrusos.

Tipos de sensor óptico

Los tipos más comunes de sensores ópticos incluyen:

• Fotointerruptores de tipo transmisión detectan la presencia de objetos al interceptar la luz y se utilizan ampliamente en aplicaciones como detección de posición y mediciones de velocidad de rotación
• Fotosensores reflectantes detectar el movimiento de los objetos midiendo el reflejo de la luz a través de ellos
• Dispositivos fotoconductores se vuelven conductores de electricidad al absorber los rayos de luz incidentes
• Fotodiodos convertir la luz incidente en corriente eléctrica
• Fototransistores lograr resultados similares a los fotodiodos cuando la unión base-colector se expone a la luz

Funcionamiento de sensores ópticos

Las tecnologías de detección óptica requieren fuentes de luz monocromáticas, compactas y confiables para funcionar de manera efectiva. Las fuentes de luz comunes adecuadas para la iluminación de sensores ópticos incluyen LED y láseres.

Los diodos emisores de luz (LED) producen luz cuando los electrones se combinan con agujeros en una unión de semiconductores dopados n y p para ayudar a la liberación de fotones. Por otro lado, un láser se produce por la excitación eléctrica de electrones en los átomos de ciertos materiales, como el vidrio o los cristales.

Figura 2. Diagrama de bloques del sensor de proximidad óptico. Imagen cortesía de ROHM

Sin embargo, los distintos tipos de sensores ópticos funcionan de forma ligeramente diferente.

La corriente máxima que un fototransistor basado en la etapa de salida puede impulsar en los fotointerruptores depende de la cantidad de luz que recibe. Cuando la luz incide sobre el fototransistor (es decir, no hay ningún objeto en el espacio), los fotointerruptores exhiben una salida BAJA.

Figura 3. Construcción del fotointerruptor. Imagen cortesía de ROHM

Por el contrario, los fotointerruptores exhiben una salida ALTA con la presencia de un objeto. Los ingenieros pueden aprovechar las capacidades de los fotointerruptores conectando la salida a un microcontrolador o dispositivo lógico para el control óptico.

Consideraciones de diseño

Los tiempos de respuesta, el costo, el tamaño y la sensibilidad son consideraciones esenciales para los ingenieros que buscan integrar sensores ópticos en sus diseños.

El tiempo de respuesta se refiere al tiempo que tarda un sensor óptico en responder a la luz incidente y es fundamental en varias aplicaciones. Los tiempos de respuesta más rápidos generalmente dan como resultado una mayor eficiencia de detección óptica. Muchos sensores ópticos (Figura 4) incorporan circuitos de medición del tiempo de respuesta en sus diseños para tener en cuenta sus capacidades de retardo, subida y bajada.

Figura 4. Imagen del producto del RPI-246 (izquierda) y del RPI-44C1E (derecha). Imagen cortesía de ROHM

Del mismo modo, el costo es un requisito esencial para el diseño de sensores ópticos. Muchos factores afectan el costo general del diseño del sensor óptico, incluida la compra de hardware / software, las pruebas y la investigación y el desarrollo.

Los sensores también vienen en varios tamaños, según sus tipos y aplicaciones específicas. Por ejemplo, los tamaños típicos de los paquetes de fotointerruptores oscilan entre 3,6 x 3,3 mm y 8 x 4,2 mm. Debido a la rápida miniaturización, los diseñadores a menudo optarán por sensores ópticos más pequeños con un equilibrio de alto rendimiento y menores costos.

Además, los diseñadores prefieren los sensores sensibles a un espectro de luz más amplio, incluidos los visibles y los infrarrojos. Las sensibilidades más altas de hasta ± 40 pueden lograr mediciones de detección de luz ambiental y de proximidad hasta cuatro veces más rápidas.

Beneficios de los sensores ópticos

Los sensores ópticos ofrecen varios beneficios en diversas aplicaciones, que incluyen:

• Paquete ligero
• Inmunidad a la interferencia electromagnética (EMI)
• Fiabilidad
• Amplio rango dinámico
• Alta sensibilidad

Además, son muy adecuados para monitorear múltiples fenómenos químicos y físicos y son químicamente inertes, lo cual es crítico en ambientes peligrosos y combustibles.

Además, a la luz de la pandemia, la necesidad de detección sin contacto está en su punto más alto. Los sensores ópticos se pueden utilizar para diseñar soluciones innovadoras en entornos industriales y comerciales para facilitar el cumplimiento de la seguridad y la salud.

Soluciones ROHM para detección óptica en aplicaciones electrónicas

ROHM es un proveedor de soluciones de sensores ópticos de alto rendimiento. Los sensores ROHM ofrecen un alto grado de sensibilidad, que es fundamental en una amplia gama de aplicaciones, por ejemplo, automatización, detección de movimiento, medición, seguridad, vigilancia y muchas más.

Las soluciones de detección óptica incluyen sensores de luz ambiental y de proximidad, fotointerruptores, LED infrarrojos, fotosensores, fotodiodos, fototransistores, circuitos integrados de sensores de luz ambiental y detectores de 4 direcciones. Los sensores ópticos de ROHM ofrecen un amplio rango de temperatura de funcionamiento (-25 a + 85 ° C) y vienen en paquetes de tamaño reducido para un ahorro de espacio óptimo.

Para obtener más información sobre las soluciones de detección óptica de ROHM, visite el sitio web.

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