DETECTOR INFRARROJO DE PROXIMIDAD Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey

Instituto Tecnológico de Estudios
Superiores de Monterrey
Campus Estado de México
Laboratorio de Diseño Electrónico
Prof. Luis Manuel Díaz
Reporte Final
DETECTOR INFRARROJO DE
PROXIMIDAD
Stephanie Ascencio Fonseca 460724
Claudia Lieja Quintanar 460907
Víctor Hugo Martínez 451128
Objetivos
Diseñar un detector de infrarrojo de proximidad que alcance una distancia mínima de 50
cm, con el fin de aplicar algunos de los circuitos y elementos utilizados durante el curso de
Laboratorio de Diseño Electrónico tales como transistores (2N2222), diodos (LED’s), timer 555 en
modo astable y osciladores.
Utilizar elementos basados en el funcionamiento de componentes diseñados y aplicados
durante el curso, pero de forma más compleja debido a la concatenación de varios circuitos
implementados individualmente, así como de componentes como son los fotodiodos y
fototransistores.
Introducción
Se desea construir un circuito detector de infrarrojo de proximidad que al acercarse
cualquier objeto entre el receptor y el emisor se active una alarma. De manera práctica este
circuito se puede colocar en puertas y ventanas de las casas para evitar que gente se pare frente a ella
sin necesidad, y así mismo como una alarma de hogar.
El funcionamiento del circuito se basa en emitir una ráfaga de señales luminosas infrarrojas las
cuales al rebotar contra un objeto que se encuentre entre la comunicación del receptor y transmisor
provoca el encendido de una alarma. Mientras no se encuentre ningún objeto dentro de la comunicación
el led permanecerá encendido, al momento de interferir entre dicha comunicación el led, se apagará
El circuito integrado es un generador/decodificador de tonos que bien cumple con las
necesidades de este diseño. Tanto el fotodiodo como el fototransistor deberán estar situados con
unidades de enfoque adecuadas para mejorar el alcance. Con simples reflectores de LED's se pueden
obtener alcances del orden del metro. Con lentes convexas se pueden cubrir distancias de cinco metros.
La alimentación de este circuito puede ser cualquier tensión comprendida entre 5 y 9 volts.
Para accionar circuitos externos bastará con reemplazar el LED por un optoacoplador, el cual
accionará por medio de su transistor interno el circuito a comandar.
Para poder entender más plenamente el funcionamiento de este circuito, se tratará de manera
más amplia el funcionamiento de algunos elementos importantes tales como el fotodiodo,
fototransistor, el LM567, por mencionar algunos.
 LM567
El circuito integrado LM567 es un detector de tonos limitador de tensión que posee
internamente un PLL (Phase Locked Loop) y un detector de fase en cuadratura el cual responde con un
nivel lógico bajo cuando la señal de entrada al integrado coincide con la frecuencia central de enganche
del PLL

FOTODIODO
Es un fotoconductor o fotodetector que cambia su resistencia eléctrica debido a la exposición a
energía radiante.
Un fotodiodo consiste en esencia de una unión de material "P" y material "N"
polarizada inversamente, en la cual la corriente inversa está en función de la luz que
incide en el fotodiodo y se considera que a mayor intensidad de luz existe una corriente
de fuga mayor.
El efecto fundamental bajo el cual opera un fotodiodo es la generación de pares electrón - hueco
debido a la energía luminosa. La aplicación de la luz a la unión dará como resultado una transferencia
de energía de las ondas de luz incidentes (en forma de fotones) a la estructura atómica, dando como
resultado un aumento en la cantidad de portadores minoritarios y un incremento del nivel de la corriente
inversa.
*Curva característica:
Respuesta
La corriente de fuga en la oscuridad (Io) aumenta al haber mayor intensidad de luz (H).
El
espaciado casi igual entre las curvas para el mismo incremento en flujo luminoso revela que la corriente
inversa y el flujo luminoso están relacionados casi linealmente. En otras palabras, un aumento en
intensidad de luz dará como resultado un incremento similar en corriente inversa.
Con base a la gráfica de respuesta se puede determinar que el dispositivo es lineal.
El comportamiento del fotodiodo en inversa se ve claramente influenciado por la incidencia de
la luz. Las corrientes de fuga son debidas a los portadores minoritarios, electrones en la zona P y huecos
en la zona N. La generación de portadores debido a la luz provoca un aumento sustancial de portadores
minoritarios, lo que se traduce en un aumento de la corriente de fuga en inversa. El modelo circuital del
fotodiodo en inversa esta formado por un generador de intensidad cuyo valor depende de la cantidad de
luz.
En directa, el fotodiodo se comporta como un diodo normal. Si está fabricado en silicio, la
tensión que cae en el dispositivo será aproximadamente de 0.7 V. El comportamiento del fotodiodo en
directa apenas se ve alterado por la generación luminosa de portadores. Esto es debido a que los
portadores, provenientes del dopado (portadores mayoritarios) son mucho más numerosos que los
portadores de generación luminosa.
*Parámetros principales:
- Corriente Oscura (Dark Current): Es la corriente en inversa del fotodiodo cuando no existe luz
incidente.
- Sensibilidad: Es el incremento de intensidad al polarizar el dispositivo en inversa por unidad de
intensidad de luz, expresada en luxes.
*Aplicaciones:
- Comunicaciones ópticas.
- Fotómetros.
- Control de iluminación y brillo.
- Control remoto por infrarrojos.
- Enfoque automático y control de exposición en cámaras
**Combinadas con una fuente de luz:
- Codificadores de posición.
- Medidas de distancia.
- Medidas de espesor.
- Transparencia.
- Detectores de proximidad y de presencia.
- Sensado de color para inspección y control de calidad
**Agrupando varios sensores:
- Reconocimiento de formas.
- Lectores de tarjetas codificadas.
NOTA: Se comercializan fotodiodos con amplificadores, compensación de temperatura y estabilización en el
mismo chip. La integración reduce los problemas debidos a corrientes de fuga, interferencias y picos de ganancia
debidos a capacitancias parásitas.
 FOTOTRANSISTOR
Un fototransistor es una combinación integrada de fotodiodo y transistor bipolar npn (sensible a
la luz) donde la base recibe la radiación óptica. Es importante notar que todos los transistores son
sensibles a la luz, pero los fototransitores están diseñados para aprovechar esta característica. Existen
transistores FET, que son muy sensibles a la luz, pero encontramos que la mayoría de los
fototransistores consisten en una unión npn con una región de base amplia y expuesta, como se muestra
en la figura :
La corriente inducida por el efecto fotoeléctrico es la corriente de base del transistor. Si
asignamos la notación Ibf para la corriente de base fotoinducida, la corriente de colector resultante, de
forma aproximada, es: Ic = hfe * Ibf
En la siguiente gráfica se proporciona un conjunto de características representativas para un
fototransistor, junto con la representación simbólica del dispositivo. Es importante notar las similitudes
entre estas curvas y las del transistor bipolar típico. Como se espera, un incremento en la intensidad de
la luz corresponde a un incremento en la corriente de colector.
El funcionamiento de un fototransistor es el siguiente:
Al exponer el fototransistor a la luz, los fotones entran en contacto con la base del mismo,
generando huecos y con ello una corriente de base que hace que el transistor entre en la región activa, y
se presente una corriente de colector a emisor. Es decir, los fotones en este caso, reemplazan la
corriente de base que normalmente se aplica eléctricamente.
Es por este motivo que a menudo la patilla correspondiente a la base está ausente del transistor.
La característica más sobresaliente de un fototransistor es que permite detectar luz y amplificar
mediante el uso de un sólo dispositivo. La sensibilidad de un fototransistor es superior a la de un
fotodiodo, ya que la pequeña corriente fotogenerada es multiplicada por la ganacia del transistor.
Construcción de los fototransistores
Los fototransistores se construyen con silicio o germanio, similarmente a cualquier tipo de
transistor bipolar. Existen tanto fototransistores NPN como PNP. Debido a que la radiación es la que
dispara la base del transistor, y no una corriente aplicada eléctricamente, usualmente la patilla
correspondiente a la base no se incluye en el transistor. El método de construcción es el de difusión.
Este consiste en que se utiliza silicio o germanio, así como gases como impurezas o dopantes.
Por medio de la difusión, los gases dopantes penetran la superficie sólida del silicio. Sobre una
superficie sobre la cual ya ha ocurrido la difusión, se pueden realizar difusiones posteriores, creando
capas de dopantes en el material. La parte exterior del fototransistor está hecha de un material llamado
epoxy, que es una resina que permite el ingreso de radiación hacia la base del transistor
Desarrollo
Originalmente se construyó el circuito siguiente:
Aunque funcionó bien y se podía alejar más de 1.5 metros de distancia y el ángulo de
comunicación es bastante aceptable, tiene un inconveniente, este es que la comunicación no es
inalámbrica por lo que se hicieron los siguientes:
Con ayuda del osciloscopio se midió la frecuencia de salida en la pata número 5, dicha
frecuencia fue de 937 Hz, por lo que se decidió que a través de un LM555, podíamos generar dicha
frecuencia en un para así lograr separar el circuito anterior en la parte receptora como en la transmisora.
Se eligió la conexión monoestable para el LM555, de la hoja de especificaciones obtuvimos la
siguiente fórmula:
f 
1.44
( Ra  2 Rb) * C
Con dicha fórmula y el valor obtenido de nuestra frecuencia que es a la cual opera, se
sustituyeron valores y se propuso el capacitor de 100 nF y una de las resistencia de 10K, pues sabemos
que dentro del mercado es más fácil conseguir una resistencia que un capacitor.
sustituyendo
937Hz 
1.44
(10K  2(2.7 K )) *100nF
Así fue como se obtuvieron los valores y con ellos se decidió armar el LM555 con una frecuencia de
937Hz, cabe señalar que la resistencia de 2.7 K se cambió por un potenciómetro de 4.7K, para lograr
tener una frecuencia más precisa.
Se reconstruyó el circuito de esta manera:
Receptor
Transmisor
En donde el circuito original únicamente tiene el receptor, mientras que el circuito diseñado con
el LM555 contiene al transmisor.
Con este circuito se logró lo deseado que es la comunicación mediante infrarrojos de manera
inalámbrica, y como diferencia del anterior en este se sacrifica el ángulo de aceptación para la
comunicación, esto es que los infrarrojos deben estar prácticamente comunicados de manera lineal
(90°).
La última parte de este diseño es la generación de la alarma sonora; esta sección del circuito se
diseñó con un CI M2309, que es un circuito generador de efectos de sonido, cuya entrada se conecta al
cátodo del LED que se encuentra en la parte receptora y se activa cuando este se apaga, es decir, al
interferir algún objeto (persona) con la comunicación infrarroja.
Dicho circuito se logró adherir debido a que mientras no exista interferencia entre el receptor y
transmisor se tiene un voltaje de 0.77 V, y cuando existe interferencia se tiene un voltaje de 5.40V, lo
cual puede activar el M2309, pues es un circuito digital, cabe señalar que dicho circuito se activa en
bajos, por lo que se tuvo que ocupar un inversor para que cuando se tuvieran los 5.40V se convirtieran
a un cero lógica y la alarma se activara.
Así mismo logramos separar nuestro transmisor de nuestro receptor a una distancia mayor de la
deseada, es decir a una distancia mayor de 50 cm.
Finalmente el circuito queda de la siguiente manera:
Conclusiones
Stephanie Ascencio Fonseca
Las comunicaciones inalámbricas son interesantes desde todos lo puntos de vista y en todos los ámbitos
tecnológicos. Existen varias tecnologías que nos permiten el establecimiento de comunicaciones
inalámbricas en esta ocasión nos centramos en la comunicación mediante infrarrojos, mismos que entre
otros usos pueden utilizarse para la construcción de sensores de detección de obstáculos, como es
nuestro interés; es decir el detector de proximidad. En esta ocasión se pensó para un sistema de
seguridad ya que activa una alarma sonora. Como aditamento extra también se le puede conectar un
sistema de iluminación, que se activa de igual manera.
Claudia Lieja
El realizar el proyecto final de laboratorio de diseño eléctrico creo que fue de gran ayuda pues en
particular me ayuda a comprender distintos circuitos, pero lo más interesante es que logre
conceptualizar los distintos circuitos armados durante el semestre y darles una aplicación más real, no
solo el saber que hace sino poder unir varios conceptos teóricos y poderlos llevar a la práctica.
Fue interesante el trabajar con un fototransistor y el LM567 pues en sí no conocía su funcionamiento
lo cual tuvimos que investigar y ver si cumplía con las especificaciones necesarias, con anterioridad ya
habíamos trabajado con fotodiodos y otros circuitos integrados. El poder diseñar y calcular nuestros
valores de resistencia, capacitores y decidir que tipo de circuito utilizar, apoyados por las hojas de
especificaciones creo que fue de gran importancia y reafirmamos nuestros conocimientos. Nuestro
proyecto cumplió con las especificaciones deseadas, y dicho circuito se pude implementar como una
alarma que puede servir para puertas, ventanas y creo que tiene dicho circuito tiene el mismo
funcionamiento que tiene los detectores de proximidad que se utilizan dentro de los museos para evitar
que se toquen o se acerquen demasiado a las pinturas y obras de arte, cabe señalar que a dicho circuito
se le pueden adherir otros circuitos pues nos presente un buen voltaje que permite tener unos y ceros
lógicos, pero aquí se tendría que ver que tanta corriente se disipa así como ver si el sistema no necesita
un seguidor de voltaje u otro elemento.
Víctor Hugo Martínez
Durante la realización del proyecto final de laboratorio de mediciones se retomaron elementos y
circuitos vistos dentro este curso, así como de otros, pues se implemento un detector de proximidad con
alarma, dentro del cual se utilizaron componentes como fue el LM555, el LM567, transistores,
capacitores, fotodiodos, fototransistores, resistencias, compuertas lógicas y el M2309.
Fue de gran importancia el buscar circuitos que cumplieran con nuestras necesidades, pues se tuvo que
realizar una investigación y sobretodo el utilizar nuestros conocimientos aprendidos durante el curso de
laboratorio. Sabemos que la implementación por infrarrojos han ido en aumento, dando como resultado
a grandes avances tecnológicos y el implementar este tipo de diseños fue muy interesante pues tuvimos
que sacrificar distancia debido al ángulo de recepción y transmisión, es importante saber que hay veces
que se tiene que sacrificar ciertos parámetros para lograr un funcionamiento eficiente.
Fuentes de Información
http://www.anzwers.org/free/arsabe/Opto/opto_a.htm
http://www.dia.di,.upm.fi/jd~lope/Docs/infra.pdf