LDR-VDR

Luna Díaz, Néstor Cárdenas

Achulli, Brayan Carbajal Navarro,

Víctor

UNMSM – Facultad de Ciencias Físicas

08/07/2012

2012Resistencia Variable (LDR-VDR)

Resistencia Variable (LDR-VDR)

Resistencia Variable1. Introducción:

Los últimos 100 años en términos de ciencia, chips, computadoras, televisores, transbordadores, máquinas de degeneración molecular, anuladores de inercia, etc. cuenta con dispositivos electrónicos de circuitos, que se desarrollan en base a los conceptos físicos (intensidad de corriente, voltaje, resistencia, etc.) donde los mismos esta expuestos a toda clase de influencias externas, conocidas y no conocidas por cual se requieren que los dispositivos electrónicos respondan de las formas más versátiles a esos cambios de subida de tensión súbita, incrementos de la resistencia por iluminación, calentamientos, presión, aumento-disminución de intensidad de corriente, etc.

Para la protección del funcionamiento de los dispositivos que involucran:

Componente Función más comúnBiestable Control de sistemas secuenciales.PLD Control de sistemas digitales.Diac Control de potencia.Diodo Rectificación de señales, regulación, multiplicador de

tensión.Diodo Zener Regulación de tensiones.FPGA Control de sistemas digitales.Memoria Almacenamiento digital de datos.Microprocesador Control de sistemas digitales.Microcontrolador Control de sistemas digitales.Pila Generación de energía eléctrica.Tiristor Control de potencia.Puerta lógica Control de sistemas combinacionales.Transistor Amplificación, conmutación.

El hombre ha diseñado toda una gama de alternativas para la protección de los dispositivos y específicamente dispositivos llamados resistencia variables que vienen a ser: resistencias que se caracterizan porque su valor óhmico, varía de forma no lineal, es función de distintas magnitudes físicas como puede ser la temperatura, tensión, luz, campos magnéticos, etc... Así estas resistencias están consideradas como sensores.

Entre las más comunes podemos destacar las siguientes:

Termistores o resistencias NTC y PTC. En ellas la resistencia es función de la temperatura.

Varistores o resistencias VDR. En ellas la resistencia es función de la tensión.

Fotoresistencias o resistencias LDR. En estas últimas la resistencia es función de la luz.

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2. Objetivos

Mostrar cómo es el comportamiento de las resistencias Variables

Caracterizar sensores resistivos

Emplear la resistencia LDR como conmutador sensible de luz

3. Materiales

Tarjeta insertable UniTrain-I de Resistencias Variables, SO4203-7B, sirve para analizar esta clase de resistencias, siendo posible estudiar los siguientes tipos:

Fotorresistencia (LDR) Termo resistencia con coeficiente

negativo de temperatura (NTC) Termo resistencia con coeficiente

positivo de temperatura (PTC) Varistores (VDR)

En este caso usaremos la Fotorresistencia (LDR) y los varistores (VDR)

Tarjeta insertable UniTrain-I de Resistencias

Variables, SO4203-7B

Datos técnicos:Tensión de servicio:

+15 V DC para LDR, PTC y NTC 10 Vrms AC para VDR

Dimensiones: 160 x 100 mm (ancho x altura)

Módulos funcionales: LDR = OPR12 PTC = 50 V, 160E NTC = K164, 150E VDR = SR 2220 MUS



4. Fundamento Teórico

Para observaciones sencillas, se puede prescindir de la aplicación de la tecnología de medición puesto que las resistencias (excepto la VRD) reaccionan muy sensiblemente a las influencias externas. La sensibilidad de los componentes se puede variar por medio de potenciómetros o resistencias conectadas en serie. Se puede comprobar la reacción de los componentes que reaccionan a los cambios de temperatura simplemente con el tacto (temperatura corporal). La alimentación de tensión se realiza por medio del sistema de bus UniTrain-I o por los experimentadores.

Fotorresistencia (LDR)Las resistencias que varían su valor en función de la intensidad luminosa se denominan fotorresistencias. Una fotorresistencia es un componente optoelectrónico pasivo, el cual, la mayoría de las veces se designa con la abreviatura LDR (Light Dependant Resistor) La respuesta de estas resistencias se debe al efecto fotoeléctrico interno. La energía de la luz emitida (fotones), en un semiconductor, libera los electrones de valencia de su vínculo con la red. La cantidad de portadores de carga liberados es mayor mientras mayor sea la intensidad luminosa. La resistencia eléctrica disminuye, por tanto, si la luminosidad aumenta.

Las fotorresistencias son componentes electrónicos pasivos, cuya dependencia de la luz se debe al efecto fotoeléctrico interno.

Para la fabricación de fotorresistencias se emplean cristales mixtos sobre la base de sulfuro de cadmio (CdS) y sulfuro de plomo (PbS). Dado que, en una fotorresistencia, frente a la luminosidad, la resistencia eléctrica disminuye enormemente, es necesario observar que, cuando exista iluminación, el componente no se destruya térmicamente debido a sobrecarga por corrientes elevadas. Un problema que se presenta con el uso de las fotorresistencias es su inercia relativamente elevada, la cual, además, aumenta ante la luminosidad y que, por lo general, llega a algunos milisegundos. Por esta razón, en los circuitos con resistencias LDR sólo se pueden alcanzar frecuencias de conmutación de aproximadamente 100 Hz. Entre los datos característicos de las fotorresistencias se encuentran los siguientes:

Resistencia oscura R0 (valor que tiene la resistencia un minuto después del oscurecimiento total); valor aproximativo: R0 = 106 ... 108 Ω

Resistencia bajo iluminación RH, medida con una intensidad de luminosidad de E = 1000 Lux; valor aproximativo: RH = 102 ... 104 Ω

Tiempo de reacción (hasta algunos milisegundos) la longitud de onda de la sensibilidad máxima Coeficiente de temperatura



Para alcanzar una variación lineal de la intensidad lumínica, se recomienda cubrir parcialmente la LDR con una tira de aproximadamente 1,5 cm de ancho, y variar la intensidad lumínica que incide sobre la LDR sobre la extensión de la superficie iluminada.

Varistores (VDR)

La resistencia de determinados semiconductores (por ejemplo los de SiC [carburo de silicio]) presenta una fuerte dependencia con la tensión aplicada. Estas resistencias se denominan varistores o resistencias VDR (del inglés Voltage Dependant Resistor).

Las resistencias VDR dependen de la tensión debido a su carácter de semiconductores. Su resistencia disminuye fuertemente ante tensiones crecientes.

Por encima de un determinado umbral de tensión, el cual es típico para el varistor correspondiente, la resistencia se vuelve más pequeña de manera abrupta. La característica muestra por tanto un quiebre pronunciado que le concede al varistor propiedades de conmutación. Es simétrica con relación a la tensión, es decir, que la polaridad no juega aquí ningún papel. La imagen siguiente muestra el símbolo gráfico de un varistor (izquierda) al igual que una característica típica (derecha).

Los varistores son aptos para protección contra sobretensiones. En funcionamiento normal, su resistencia es muy elevada, mientras que ante sobretensiones ésta se vuelve muy pequeña, casi sin retardo, y deriva la carga. Las resistencias VDR se emplean tanto para la protección de circuitos electrónicos sensibles al igual que en la tecnología de corriente de alta tensión. Hoy en día, en su mayoría, los varistores se fabrican a partir de óxido de zinc (ZnO). Junto con otros óxidos metálicos, como el óxido de bismuto, el óxido de cromo o el óxido de manganeso, para su fabricación, el polvo se presiona hasta que adopte una forma de tableta y luego se sinteriza. La pieza se pone en contacto por los dos lados con plata o aluminio y se la provee de contactos de conexión.



5. Procedimiento

LDR, resistencia bajo iluminación y resistencia oscurecida

En el experimento siguiente, en primer lugar, por medio de mediciones de corriente y tensión se determinará el valor de la resistencia bajo condiciones de iluminación y oscuridad de un fototransistor. Además, se analizará cuál es la influencia que ejerce la intensidad lumínica sobre la tensión a través de la fotorresistencia. Monte el circuito experimental que se representa a continuación de la tarjeta de experimentación SO4203-7B:

Abra el instrumento virtual Voltímetro A, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.En el caso de que realice la medición de corriente empleando el amperímetro virtual, abra el instrumento Amperímetro B, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.

Ajustes del voltímetro A

Rango de medición:

1 V DC

Modo de operación:

AV

Ajustes del Amperímetro B

Rango de medición:

1 mA DC

Modo de operación:

AV

Shunt: 100 ohmios



Gire el potenciómetro P1 hasta el tope, en sentido antihorario, de manera que la sección del circuito que se encuentra a la derecha de la LDR se pueda despreciar. Posicione el montaje experimental de manera que la luz del medio ambiente pueda incidir sin obstáculos sobre la resistencia LDR.

Reuniendo datos experimentales:

Mida la corriente que fluye a través de la LDR (clavijeros X6/X7) y la caída de tensión en la LDR con la luz normal del medio ambiente.

Caída de tensión en LDR

ULDR iluminada = 0.29V

Corriente en LDR ILDR iluminada = 0.65mA

Calcule el valor de la resistencia bajo iluminación a partir de los valores de tensión y corriente medidos.

Resistencia bajo iluminación RLDR iluminada = 446.15Ω

Cubra ahora la resistencia LDR de manera que sobre ella incida la menor cantidad posible de luz. Mida otra vez la corriente y la tensión bajo estas condiciones, para determinar el valor de la resistencia oscurecida.

Caída de tensión en LDR

ULDR oscurecida =1.4V

Corriente en LDR ILDR oscurecida = 0.54mA

Calcule el valor de la resistencia oscurecida a partir de los valores de tensión y corriente medidos.

Resistencia oscurecida RLDR oscurecida = 2.78kΩ

Recorte una tira de cartón (de aproximadamente 1 a 2 cm de ancho) y cubra con ella parcialmente la LDR desde el borde. Mientras más cubra la resistencia, menos luz incidirá sobre ella, esto es, la intensidad luminosa será menor. Observe cómo influye esta reducción de la luminosidad sobre la tensión y la corriente. ¿A qué conclusiones puede llegar a partir de sus observaciones?

i. La corriente que fluye por la resistencia LDR disminuye más fuertemente mientras más se la cubre.

ii. La corriente que fluye por la resistencia LDR aumenta más fuertemente mientras más se la cubre.

iii. La tensión de la resistencia LDR disminuye más fuertemente mientras más se la cubre.

iv. La tensión de la resistencia LDR aumenta más fuertemente mientras más se la cubre.



A) VVFF B) FVFV C) VFFV D) FVVF E) FFFV

Respuesta de conmutación de un circuito con resistencia LDR

En el experimento siguiente se debe analizar la respuesta de conmutación de un circuito con resistencia LDR. Monte el circuito experimental que se representa a continuación en la sección I de la tarjeta de experimentación SO4203-7B:

Asegúrese de que la resistencia LDR se encuentra expuesta a la luz del medio ambiente sin que nada la cubra. Gire lentamente el potenciómetro P1 en sentido horario, hasta que el LED se

ilumine y vuelva a girarlo con cuidado en la dirección contraria hasta el exacto momento en que el LED se apague. Durante este proceso de ajuste, tenga cuidado de que la LDR no se oscurezca de ninguna manera.

Preguntas desarrollando la experiencia:

Cubra la resistencia una vez que se haya alcanzado el punto de conmutación descrito anteriormente; vuelva a emplear para ello la tira de cartón o también su propia mano. Repita el proceso varias veces. ¿Cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas?

i. El LED sólo se ilumina si la resistencia LDR se encuentra cubierta por completo.

ii. El LED también se ilumina si la resistencia LDR se encuentra cubierta parcialmente.

iii. La resistencia LDR reacciona con rapidez relativa a las variaciones de la incidencia de la luz.

iv. La resistencia LDR reacciona muy lentamente a las variaciones de la incidencia de la luz.



v. La resistencia LDR es muy sensible.vi. La resistencia LDR se puede emplear como conmutador sensible a la luz.

A) VVFVFF B) VVVFVF C) VFVFVF D) FFVFVF E) FVVVFV F) FVVFVV Ahora, gire el potenciómetro un cuarto de vuelta en sentido antihorario. ¿Cómo

reacciona ahora el circuito conmutador a la cobertura de la LDR? (una respuesta correcta)

i. La resistencia LDR es más sensible, esto es, el LED se ilumina incluso si se cubre levemente la LDR.

ii. La LDR no es sensible, esto es, el LED sólo se ilumina si la resistencia LDR se cubre en gran parte.

Vuelva a girar el potenciómetro en el sentido contrario hasta llegar a la posición original y, a continuación, gírelo nuevamente en sentido horario un cuarto de vuelta o bien hasta alcanzar el tope derecho. ¿Cómo reacciona ahora el circuito conmutador a la cobertura de la LDR? (una respuesta correcta)

i. El cubrimiento de la resistencia LDR no tiene ningún efecto, el LED se ilumina constantemente.

ii. El cubrimiento de la resistencia LDR no tiene ningún efecto, el LED está constantemente apagado.

iii. El LED sólo se ilumina si la resistencia LDR se encuentra cubierta por completo.

iv. El LED se ilumina incluso si la resistencia LDR se encuentra cubierta parcialmente.

¿A qué conclusiones puede llegar a partir de sus observaciones?

i. El potenciómetro se puede usar para ajustar la sensibilidad de la resistencia LDR.

ii. El potenciómetro se puede usar para ajustar la sensibilidad del circuito conmutador.

iii. El potenciómetro se puede usar para ajustar la ganancia del circuito conmutador.

iv. Si sobre la resistencia LDR incide más luz, desciende su resistencia.v. Si sobre la resistencia LDR incide más luz, aumenta su resistencia.

A) FVFVF B) VFVFV C) FFVVV D) VVFVF

Imágenes de la tarjeta SO4203-7B(Izquierda: punto de conmutación ajustado, LDR iluminado)(Derecha: punto de conmutación ajustado, LDR parcialmente cubierto)



Umbral de conmutación de una resistencia LDR

En el siguiente experimento se determinará el punto de operación (umbral de conmutación) de una resistencia LDR. Por otra parte, se analizarán también las funciones de las partes individuales del circuito y se discutirán posibles campos de aplicación de las fotorresistencias.Monte el circuito experimental que se representa a continuación en la sección I de la tarjeta de

experimentación SO4203-7B:

Abra el instrumento virtual Osciloscopio y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.


Ajustes del osciloscopio

Canal A 500 mV / div

Canal B 200 mV / div

Base de tiempo: 500 ms / div

Modo de operación:

X/T, DC

Trigger: off



El canal A del osciloscopio se usa para medir la tensión en la resistencia LDR, el canal B muestra la tensión de la toma del potenciómetro (clavijero X10). Ajuste el circuito conmutador de modo que muestre una respuesta óptima de conmutación y mida entonces la tensión en la toma del potenciómetro.

Tensión en la toma del potenciómetro U Pot = 42mV

Observe la reacción de ambas tensiones mientras se cubre lentamente la fotorresistencia. ¿Cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas?

i. La tensión de la resistencia LDR aumenta más fuertemente si se cubre mayormente la LDR.

ii. La tensión de la resistencia LDR desciende más fuertemente si se cubre mayormente la LDR.

iii. La tensión de la toma del potenciómetro aumenta más fuertemente si se cubre mayormente la resistencia LDR.

iv. La tensión de la toma del potenciómetro desciende más fuertemente si se cubre mayormente la resistencia LDR.

v. La tensión de la toma del potenciómetro no varía si se cubre la resistencia LDR.

(Gráfica obtenida experimentalmente; al momento de cubrir la fotorresistencia consecutivamente se observan unos picos de tensión en la gráfica) Tensión LDR (línea verde), tensión de toma del potenciómetro (línea amarilla)



A) FVFVF B) VFFFV C) VVFFV D) VFVFF El diagrama siguiente muestra el circuito conmutador completo de la sección I

de la tarjeta de experimentación:

¿Qué tareas cumplen las áreas individuales (en el diagrama de circuito especificadas por A, B y C) del circuito?

i. El área A representa un divisor de tensión con relación de división variable.ii. El área A representa un divisor de tensión con relación de división fija.

iii. El área B representa un divisor de tensión con relación de división variable.iv. El área B representa un divisor de tensión con relación de división fija.v. El área C representa un comparador que conecta o desconecta el LED.



vi. El área C compara las tensiones en los puntos centrales de ambos divisores de tensión.

A) VFVFVF B) VFVFVV C) FVFVFV D) FVFVFF

¿Cuáles áreas de aplicación podría imaginar para un circuito de esta naturaleza?

i. El circuito se podría emplear como conmutador sensible a la luz.ii. El circuito podría emplearse como barrera de luz (por ejemplo, en la puerta

de un tren).iii. El circuito podría emplearse para ganancia de luz.iv. El circuito podría emplearse como fuente luminosa.

A) VFFF B) VFVV C) VVFF D) FFVV

Característica de una resistencia VDR



En el experimento siguiente se examinará el funcionamiento de una resistencia dependiente de la tensión (VDR), y se registrará y analizará su característica.

Monte el circuito experimental que se representa a continuación en la sección IV de la tarjeta de experimentación SO4203-7B:

Abra el instrumento virtual Generador de funciones, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Encienda a continuación el instrumento por medio de la tecla POWER.

Abra el instrumento virtual Osciloscopio, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.Ajustes del generador de funciones

Modo de operación:

DC POS

Amplitud: 1:1, 0%

Ajustes del osciloscopio

Canal A 5 V / divCanal B 2 V / divBase de tiempo: 2 s / div

Modo de operación: X/T, DC

Trigger: off

¡Advertencia!La resistencia VDR no debe permanecer mucho tiempo en el circuito conmutador.

Para proteger el componente, debe realizar el experimento en pocos minutos y, una vez finalizado el ensayo, retirar siempre el conector puente Br6.



Gráfica: Tensión de en el resistor VDR (línea verde), tensión de la resistencia fija (línea amarilla) en función del tiempo.


¿Qué puede observar?

i. La tensión en la resistencia VDR aumenta continuamente y alcanza un valor máximo.

ii. La tensión en la resistencia VDR aumenta apenas se aplica tensión al circuito.

iii. El aumento de la tensión en la resistencia VDR es constante.iv. La tensión en la resistencia fija aumenta continuamente apenas se aplica

tensión al circuito.v. La tensión en la resistencia fija empieza a aumentar si la tensión de la

resistencia VDR se acerca a su valor máximo.vi. Con 10 V, el valor de la resistencia VDR es mayor que el de la resistencia

fija.vii. Con 10 V, el valor de la resistencia VDR es menor que el de la resistencia

fija.

A) FFVFVVF B) VVFFVVF C) VFVFVVF



6. conclusiones:

La corriente que fluye por la resistencia LDR disminuye más fuertemente mientras más se la cubre.

Las fotorresistencias son componentes electrónicos pasivos, cuya dependencia de la luz se debe al efecto fotoeléctrico interno.

La resistencia LDR reacciona con rapidez relativa a las variaciones de la incidencia de la luz.

La resistencia LDR se puede emplear como conmutador sensible a la luz.

Si sobre la resistencia LDR incide más luz, desciende su resistencia.

Las resistencias VDR dependen de la tensión debido a su carácter de semiconductores. Su resistencia disminuye fuertemente ante tensiones crecientes.

Los varistores son aptos para protección contra sobretensiones. En funcionamiento normal, su resistencia es muy elevada, mientras que ante sobretensiones ésta se vuelve muy pequeña, casi sin retardo, y deriva la carga.


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