Práctica de Laboratorio: Sensor de Luz Agustín Emmanuel Ramírez Rodríguez, Adrián Missael Gutiérrez Olvera,

Alan Daniel Gutiérrez García, Armando Reyes Esparza

Universidad Politécnica de Aguascalientes Aguascalientes, México

2 de julio de 2015

1. Objetivo. Que el equipo de alumnos realice un control de lazo abierto, para el control de la intensidad de un led, por medio de una foto-resistencia como sensor de intensidad.

2. Procedimiento.

A continuación se describen las actividades que se llevaron a cabo para completar la práctica en cuestión.

2.1. Caracterización del sensor de intensidad (Foto-Resistencia) en un rango de luz deseado.

El diagrama que se muestra a continuación describe las diferentes etapas que debe incluir el circuito para controlar la intensidad del led.

Figura 1 –Control de intensidad en un led, Lazo Abierto

2.2. Preparación preliminar.

Con la finalidad de construir un ambiente controlado en el que se pudieran obtener mediciones

precisas del sensor, se construyó una cabina oscura con una jaca de cartón y un foco pequeño

de 14W.

El foco fue conectado a una fuente de voltaje regulable, de esta forma se podía manipular la

intensidad del foco (desde totalmente apagado hasta alcanzar su intensidad total).

Además de alcanzar un alto nivel de precisión, fue posible reducir la interferencia producida

por el medio ambiente.

Figura 2 – Foco dentro de una caja con foto-resistencia

Posteriormente se construyó un circuito compuesto por una resistencia común y una foto-

resistencia (sensor de luz). Estos componentes fueron dispuestos de modo que formaron un

divisor de voltaje.

Figura 3 – Diagrama de medición para los valores de la foto-resistencia

Haciendo uso de este circuito se realizaron mediciones de voltaje a la salida de la foto-

resistencia. Los datos obtenidos fueron utilizados para formular una ecuación que describiera

el comportamiento del sensor.

2.3. Muestreo y descripción del comportamiento del sensor.

Gracias a la fuente que regulaba la intensidad del foco, fue posible establecer una magnitud

para medir dicha intensidad. Dicho de otro modo, cada unidad de voltaje proporcionada al

foco, equivalía a “una unidad de luz”.

Se obtuvieron veintinueve muestras. Las mediciones obtenidas fueron las siguientes:

Tabla 1 – Tabla de mediciones

Con los datos obtenidos por las mediciones se obtuvo la ecuación de la recta a través del

método de mínimos cuadrados.

𝑚 =∑𝑋𝑌 − (∑𝑋)(∑𝑌)

𝑛(∑𝑋2) − (∑𝑋)2

Tabla 2 –Resultados obtenidos

Sustituyendo los resultados de la figura anterior en la fórmula planteada, se obtuvo la

pendiente de la recta que se utilizó en la ecuación.

LUZ

[Y]

VOLTAJE (V)

[X]XY X^2

1 0.00 2.98 0.00 8.88

2 3.00 2.95 8.85 8.70

3 3.50 2.91 10.19 8.47

4 4.00 2.84 11.36 8.07

5 4.50 2.76 12.42 7.62

6 5.00 2.64 13.20 6.97

7 5.50 2.50 13.75 6.25

8 6.00 2.37 14.22 5.62

9 6.50 2.19 14.24 4.80

10 7.00 2.02 14.14 4.08

11 7.50 1.87 14.03 3.50

12 8.00 1.72 13.76 2.96

13 8.50 1.58 13.43 2.50

14 9.00 1.43 12.87 2.04

15 9.50 1.33 12.64 1.77

16 10.00 1.14 11.40 1.30

17 10.50 1.05 11.03 1.10

18 11.00 0.96 10.56 0.92

19 11.50 0.88 10.12 0.77

20 12.00 0.80 9.60 0.64

21 12.50 0.75 9.38 0.56

22 13.00 0.69 8.97 0.48

23 14.00 0.59 8.26 0.35

24 15.00 0.51 7.65 0.26

25 16.00 0.46 7.36 0.21

26 17.00 0.40 6.80 0.16

27 18.00 0.36 6.48 0.13

28 19.00 0.32 6.08 0.10

29 20.00 0.29 5.80 0.08

287.00 43.29 298.56 89.29

298.56 Sumatoria XY

287.00 Sumatoria Y

43.29 Sumatoria X

89.29 Sumatoria X^2

1874.02 (Sum X)^2

𝑚 = −16.95

De igual forma, con los datos obtenidos de las mediciones realizadas en el circuito de la Figura-

3 se obtuvo la ordenada al origen.

𝑏 =∑𝑌 −𝑚∑𝑋

𝑛

𝑏 = 35.20

Utilizando m y b obtenidos con el despeje de las fórmulas anteriores, obtuvimos finalmente la

ecuación que describía el comportamiento de la foto-resistencia.

𝑦 = −16.95𝑋 + 35.20

Despejando X:

𝑋 = −𝑌 − 35.2

16.95

2.4. Acondicionamiento.

En esta etapa se pretendía acondicionar la salida bruta entregada por el circuito del sensor para

obtener un rango de salida de 0 a 5V. Con esto se creaba un PWM.

Utilizando la ecuación en la que se encuentra despejada X (voltaje), se sustituyó Y

(magnitud de luz) para obtener dos valores distintos para X. El primero es cuando Y

vale 0 y el otro es cuando Y vale 20.

De esta manera se definió que para Y=0, X=2.08V; de igual modo se definió que para

y=20, X=0.90.

Teniendo en cuenta esta información, se decidió crear una primera etapa para el

acondicionamiento con la configuración de un OP-AMP en su modo diferenciador para

eliminar el offset de 0.90 (antes de implementar este circuito se agregó un seguidor

para mantener el voltaje deseado).

Figura 4 – Circuito Seguidor y Diferenciador

Posteriormente, se utilizaron métodos algebraicos para determinar la ganancia que

debería de aplicarse en la siguiente etapa. De esta manera se determinó que la

ganancia debía de ser de 5/1.18. Para ello se utilizaron dos amplificadores inversores

(uno para obtener la ganancia y otro para cambiar el signo).

Figura 5 – Circuitos Amplificadores-Inversores

2.5. Integrador de Generador PWM y Circuito Limitador.

Finalmente se agregaron dos circuitos. Un generador PWM y un circuito limitador para que el

voltaje no pasara de dos voltios. Estos circuitos fueron proporcionados por el profesor.

2.6. Prueba y Control del Circuito

Una vez que se probaron los circuitos de forma independiente, se juntaron para obtener un

solo circuito. Hecho esto, se realizaron pruebas para comprobar la exactitud del dispositivo así

como su precisión. Hecho esto, fue necesario realizar algunos ajustes en la ganancia de los

amplificadores para que el error disminuyera. Finalmente alcanzamos un error de +/- 0.5VDC.

3. Observaciones

Debido a los materiales utilizados (resistencias con un rango de error muy grande) la diferencia

en los valores obtenidos por medio de cálculos y por medio de mediciones en el circuito real,

variaron de manera muy significativa, presentándose la necesidad de reducir tal error.

Gracias a la elaboración de un ambiente controlado y libre de estímulos innecesarios del medio

ambiente, fue posible obtener un muestreo muy confiable.

El dispositivo elaborado, aunque tuvo un rango de error de +/- 0.5VDC, la precisión fue bastante

alta.

4. Conclusiones

El objetivo de la práctica fue alcanzado al ser capaces de construir un dispositivo de lazo abierto

capaz de controlar la intensidad de un led a través de un sensor de luz.