Caso práctico: Comparación entre fotodiodo y fotorresistencia

Prototipo de Comparación entre fotodiodo y fotorresistencia (Maker Style)

Nivel: Básico – Analizar diferencias de velocidad y linealidad entre una LDR y un fotodiodo.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito de comparación dual que presenta una resistencia dependiente de la luz (LDR) y un fotodiodo uno al lado del otro, ambos estimulados por una fuente de luz LED pulsada. Esta configuración demuestra por qué se eligen sensores específicos para diferentes aplicaciones según el tiempo de respuesta y la linealidad.

  • Transmisión de datos de alta velocidad: Los fotodiodos son esenciales para la fibra óptica y los controles remotos donde las señales conmutan rápidamente.
  • Detección de luz ambiental: Las LDR son rentables para el alumbrado público (anochecer a amanecer) donde la velocidad de reacción no importa.
  • Medición de precisión: Los fotodiodos proporcionan una salida de corriente lineal proporcional a la intensidad de la luz, ideal para luxómetros.

Resultado esperado:
* Salida de la LDR: Una respuesta de voltaje lenta y curva (forma de «aleta de tiburón») cuando se expone a una luz que parpadea rápidamente.
* Salida del fotodiodo: Una respuesta de voltaje cuadrada y nítida que sigue la fuente de luz con precisión.
* Niveles de voltaje: Cambios de voltaje distintos en los nodos V_LDR y V_PD correspondientes a la intensidad de la luz.
* Público objetivo: Estudiantes y aficionados interesados en sensores analógicos y optoelectrónica.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: Alimentación principal del circuito.
  • V2: Generador de pulsos de 0 V a 5 V (100 Hz), función: Controlador para el LED de prueba (Estímulo).
  • R1: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para el LED de estímulo.
  • D_STIM: LED blanco, función: Fuente de luz para activar los sensores.
  • R_LDR: Resistencia dependiente de la luz (LDR), función: Sensor fotorresistivo lento.
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Rama inferior del divisor de voltaje para la LDR.
  • D_PD: Fotodiodo de silicio (p. ej., BPW34), función: Sensor de fotocorriente rápido.
  • R3: Resistencia de 100 kΩ, función: Resistencia de carga para convertir la fotocorriente en voltaje.

Guía de conexionado

El circuito consta de tres secciones distintas: el Estímulo (luz pulsante), el divisor LDR y el divisor de Fotodiodo.

Sección de estímulo:
* V2 (Fuente de pulsos) se conecta entre V_PULSE y 0 (GND).
* R1 se conecta entre V_PULSE y NODE_LED.
* D_STIM (Ánodo) se conecta a NODE_LED.
* D_STIM (Cátodo) se conecta a 0 (GND).
* Nota: Coloca D_STIM físicamente cerca tanto de R_LDR como de D_PD para asegurar que reciban la luz.

Sección del sensor LDR:
* V1 (Fuente CC) se conecta entre VCC y 0 (GND).
* R_LDR se conecta entre VCC y V_LDR.
* R2 se conecta entre V_LDR y 0 (GND).

Sección del sensor de fotodiodo:
* D_PD (Cátodo) se conecta a VCC. (Nota: Los fotodiodos operan en polarización inversa para el modo fotoconductivo).
* D_PD (Ánodo) se conecta a V_PD.
* R3 se conecta entre V_PD y 0 (GND).

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Light Sensor Comparison
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

Title: Practical case: Photodiode vs photoresistor comparison

      [ INPUT SOURCES ]               [ SENSOR / OPTICAL BLOCK ]             [ OUTPUTS ]

          +--> [ R_LDR: Photoresistor ] --+------> < V_LDR >
                                   |    (Light Dependent Res.)     |
                                   |             ^                 v
                                   |             ~            [ R2: 10k ]
                                   |             ~ Light           |
    ( V1: 5 V DC Supply ) ----------+             ~                GND
                                   |             ~
                                   |             ~
                                           +--> [ D_PD: Photodiode ] ------+------> < V_PD >
                                        (Reverse Biased)           |
                                                 ^                 v
                                                 ~            [ R3: 100k ]
                                                 ~ Light           |
                                                 ~                GND
                                                 ~
                                                 ~
    ( V2: Pulse Gen ) --> [ R1: 330 ] --> [ D_STIM: White LED ] ----------> GND
Esquema Eléctrico

Mediciones y pruebas

Para validar las diferencias entre los sensores, sigue estos pasos:

  1. Pruebas estáticas (CC):

    • Apaga V2 (Pulso). Mantén V1 (5 V) encendida.
    • Cubre ambos sensores (Condición de oscuridad). Mide el voltaje en V_LDR y V_PD. Ambos deberían estar cerca de 0 V (dependiendo de la corriente/resistencia en oscuridad).
    • Ilumina con una luz constante. Mide el voltaje en V_LDR y V_PD. Ambos voltajes deberían subir.

  2. Pruebas dinámicas (CA/Tiempo de respuesta):

    • Habilita V2 (Generador de pulsos) a 100 Hz (50% de ciclo de trabajo).
    • Conecta el Canal 1 del osciloscopio a V_PULSE (Referencia).
    • Conecta el Canal 2 del osciloscopio a V_LDR.
    • Conecta el Canal 3 del osciloscopio a V_PD.
    • Observación: Compara las formas de onda. El Canal 3 (Fotodiodo) debería parecerse a una onda cuadrada, coincidiendo con el Canal 1. El Canal 2 (LDR) se verá distorsionado, con flancos de subida y bajada lentos, no logrando alcanzar la amplitud completa si la frecuencia es demasiado alta.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Photodiode vs photoresistor comparison

* --- Component Models ---
* Generic Green LED Model
.model DLED D(IS=1e-22 RS=5 N=1.5 CJO=10p)
* Silicon Photodiode Model (BPW34 - Dark Characteristics)
.model D_BPW34 D(IS=1e-9 RS=5 N=1 CJO=20p)

* --- Power Supplies ---
* V1: Main Circuit Power (5V DC)
V1 VCC 0 DC 5

* V2: Pulse Generator (Stimulus)
* 0V to 5V, 100Hz (10ms period), 50% Duty Cycle
* Rise/Fall time 100us to ensure convergence
V2 V_PULSE 0 PULSE(0 5 0 100u 100u 5m 10m)

* --- Stimulus Section ---
* R1: Current limiting resistor for LED
R1 V_PULSE NODE_LED 330
* ... (truncated in public view) ...

Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.

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* Practical case: Photodiode vs photoresistor comparison

* --- Component Models ---
* Generic Green LED Model
.model DLED D(IS=1e-22 RS=5 N=1.5 CJO=10p)
* Silicon Photodiode Model (BPW34 - Dark Characteristics)
.model D_BPW34 D(IS=1e-9 RS=5 N=1 CJO=20p)

* --- Power Supplies ---
* V1: Main Circuit Power (5V DC)
V1 VCC 0 DC 5

* V2: Pulse Generator (Stimulus)
* 0V to 5V, 100Hz (10ms period), 50% Duty Cycle
* Rise/Fall time 100us to ensure convergence
V2 V_PULSE 0 PULSE(0 5 0 100u 100u 5m 10m)

* --- Stimulus Section ---
* R1: Current limiting resistor for LED
R1 V_PULSE NODE_LED 330

* D_STIM: Green LED (Light Source)
* Anode to NODE_LED, Cathode to GND
D_STIM NODE_LED 0 DLED

* --- Light Coupling & Physics Simulation (Behavioral) ---
* These elements simulate the physical behavior of light transfer
* from the LED to the sensors.

* 1. LDR Latency Simulation (RC Filter)
* Simulates the slow response time of the photo-resistive material.
* R_PHYS and C_PHYS create a delay on the control signal.
R_PHYS NODE_LED V_LIGHT_LDR 10k
C_PHYS V_LIGHT_LDR 0 1u

* --- LDR Sensor Section ---
* R_LDR: Light Dependent Resistor
* Modeled as a behavioral resistor (ngspice syntax).
* Resistance varies from ~1Meg (Dark) to ~2k (Light).
* Controlled by the delayed light signal (V_LIGHT_LDR) with a sigmoid transition.
R_LDR VCC V_LDR R = '2k + (1Meg - 2k) / (1 + exp(10 * (V(V_LIGHT_LDR) - 1.0)))'

* R2: Voltage divider bottom leg (10k)
R2 V_LDR 0 10k

* --- Photodiode Sensor Section ---
* D_PD: Silicon Photodiode (BPW34)
* Connected in reverse bias: Cathode to VCC, Anode to V_PD.
D_PD V_PD VCC D_BPW34

* Photocurrent Source (Behavioral)
* Represents the current generated by light (Cathode to Anode).
* Controlled directly by NODE_LED (Fast response).
* Generates ~20uA when LED is ON.
B_PD_PHOTO VCC V_PD I = '20u * (1 / (1 + exp(-10 * (V(NODE_LED) - 1.0))))'

* R3: Load resistor for Photodiode (220k)
* Converts photocurrent to voltage.
R3 V_PD 0 220k

* --- Simulation Directives ---
.op
* Transient analysis: 100us step size, 30ms duration (3 full cycles)
.tran 100u 30m

* Print directives for logging results
.print tran V(V_PULSE) V(NODE_LED) V(V_LDR) V(V_PD)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (764 rows) 
Index   time            v(v_pulse)      v(node_led)     v(v_ldr)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	2.716431e-145	4.950717e-02
1	1.000000e-06	5.000000e-02	4.824684e-02	4.950717e-02
2	1.083830e-06	5.419150e-02	5.230192e-02	4.950717e-02
3	1.251490e-06	6.257451e-02	6.041598e-02	4.950717e-02
4	1.586811e-06	7.934053e-02	7.664554e-02	4.950717e-02
5	2.257451e-06	1.128726e-01	1.091032e-01	4.950717e-02
6	3.598733e-06	1.799366e-01	1.740197e-01	4.950717e-02
7	6.281296e-06	3.140648e-01	3.038499e-01	4.950717e-02
8	1.164642e-05	5.823211e-01	5.635005e-01	4.950718e-02
9	2.048297e-05	1.024149e+00	9.911337e-01	4.950719e-02
10	3.049268e-05	1.524634e+00	1.474550e+00	4.950722e-02
11	3.675621e-05	1.837811e+00	1.660693e+00	4.950724e-02
12	4.338068e-05	2.169034e+00	1.711124e+00	4.950727e-02
13	4.777134e-05	2.388567e+00	1.729852e+00	4.950729e-02
14	5.403581e-05	2.701791e+00	1.750179e+00	4.950731e-02
15	6.656476e-05	3.328238e+00	1.778506e+00	4.950737e-02
16	9.162266e-05	4.581133e+00	1.819947e+00	4.950748e-02
17	1.000000e-04	5.000000e+00	1.831535e+00	4.950751e-02
18	1.050116e-04	5.000000e+00	1.831601e+00	4.950754e-02
19	1.150347e-04	5.000000e+00	1.831470e+00	4.950759e-02
20	1.350811e-04	5.000000e+00	1.831473e+00	4.950768e-02
21	1.751737e-04	5.000000e+00	1.831478e+00	4.950788e-02
22	2.553590e-04	5.000000e+00	1.831491e+00	4.950831e-02
23	3.553590e-04	5.000000e+00	1.831507e+00	4.950895e-02
... (740 more rows) ...

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* Practical case: Photodiode vs photoresistor comparison

* --- Power Supplies ---
* V1: 5 V DC supply
V1 VCC 0 DC 5
* V2: 0 V to 5 V Pulse Generator (100 Hz), Stimulus Driver
* Pulse: 0V to 5V, Delay 0, Rise 100u, Fall 100u, Width 5m, Period 10m
V2 V_PULSE 0 PULSE(0 5 0 100u 100u 5m 10m)

* --- Stimulus Section ---
* R1: 330 Ohm resistor, Current limiting for LED
R1 V_PULSE NODE_LED 330
* D_STIM: White LED
* Anode connected to NODE_LED, Cathode connected to 0 (GND)
D_STIM NODE_LED 0 DLED_WHITE

* --- LDR Sensor Section ---
* R_LDR: Light Dependent Resistor
* Connects between VCC and V_LDR
* Modeled as a behavioral resistor: High Resistance (1Meg) in dark, Low (5k) in light.
* Light presence is derived from the voltage across the Stimulus LED (NODE_LED).
R_LDR VCC V_LDR R='1Meg - (1Meg - 5k) * (1 / (1 + exp(-10 * (V(NODE_LED) - 1.5))))'

* R2: 10 kΩ resistor, Voltage divider bottom leg
R2 V_LDR 0 10k

* --- Photodiode Sensor Section ---
* D_PD: Silicon Photodiode (BPW34)
* Wiring: Cathode to VCC, Anode to V_PD.
* SPICE Syntax: Dname Anode Cathode Model
D_PD V_PD VCC D_BPW34

* R3: 100 kΩ resistor, Load resistor
R3 V_PD 0 100k

* Behavioral Current Source to simulate Photocurrent
* Physical photodiodes generate current in reverse bias when illuminated.
* This source injects current from VCC to V_PD proportional to the LED state.
* Approx 30uA photocurrent when LED is ON.
B_PHOTO_I VCC V_PD I='30u * (1 / (1 + exp(-10 * (V(NODE_LED) - 1.5))))'

* --- Models ---
* Generic White LED Model (Vf approx 3.0V)
.model DLED_WHITE D (IS=1n N=2.5 RS=10 BV=5 IBV=10u)

* Generic Photodiode Model (Dark characteristics)
.model D_BPW34 D (IS=10p N=1 RS=5 CJO=20p)

* --- Analysis Commands ---
.op
* Transient analysis: 10us step size, 50ms duration (5 cycles of 100Hz)
.tran 10u 50m

* Print directives for simulation output
.print tran V(V_PULSE) V(NODE_LED) V(V_LDR) V(V_PD)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (10130 rows) 
Index   time            v(v_pulse)      v(node_led)     v(v_ldr)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	9.361484e-40	4.950497e-02
1	1.000000e-07	5.000000e-03	4.999973e-03	4.950497e-02
2	2.000000e-07	1.000000e-02	9.999945e-03	4.950497e-02
3	4.000000e-07	2.000000e-02	1.999988e-02	4.950497e-02
4	8.000000e-07	4.000000e-02	3.999972e-02	4.950497e-02
5	1.600000e-06	8.000000e-02	7.999919e-02	4.950498e-02
6	3.200000e-06	1.600000e-01	1.599964e-01	4.950501e-02
7	6.400000e-06	3.200000e-01	3.199538e-01	4.950532e-02
8	1.280000e-05	6.400000e-01	6.340342e-01	4.951341e-02
9	2.280000e-05	1.140000e+00	8.845732e-01	4.960852e-02
10	3.280000e-05	1.640000e+00	9.606899e-01	4.972663e-02
11	4.280000e-05	2.140000e+00	1.007645e+00	4.985907e-02
12	5.280000e-05	2.640000e+00	1.043655e+00	5.001333e-02
13	6.280000e-05	3.140000e+00	1.074525e+00	5.019717e-02
14	7.280000e-05	3.640000e+00	1.102157e+00	5.041742e-02
15	8.280000e-05	4.140000e+00	1.127621e+00	5.068194e-02
16	9.280000e-05	4.640000e+00	1.151535e+00	5.099977e-02
17	1.000000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
18	1.010000e-04	5.000000e+00	1.168023e+00	5.126758e-02
19	1.030000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
20	1.070000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
21	1.150000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
22	1.250000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
23	1.350000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
... (10106 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Invertir el fotodiodo: Un fotodiodo en una configuración de divisor generalmente requiere polarización inversa (Cátodo a VCC). Si se conecta en directa (Ánodo a VCC), actúa como un diodo normal o una celda solar débil, limitando el voltaje y arruinando el rango de detección.
  2. Usar una resistencia demasiado pequeña para el fotodiodo: Los fotodiodos generan corrientes muy pequeñas (microamperios). Usar una resistencia de 1 kΩ para R3 resultará en señales a nivel de milivoltios que son difíciles de ver. Usa 100 kΩ o más.
  3. Esperar que la LDR reaccione instantáneamente: Los estudiantes a menudo piensan que el circuito está roto porque la señal de la LDR se ve «redondeada» u «ondulada» a altas frecuencias. Esta es la limitación física inherente del material químico (Sulfuro de Cadmio), no un error de cableado.

Solución de problemas

  • Síntoma: No hay cambio de voltaje en V_PD cuando la luz ilumina.
    • Causa: El fotodiodo podría estar invertido o R3 es demasiado pequeña.
    • Solución: Asegúrate de que el Cátodo esté en VCC y el Ánodo en el nodo de medición. Aumenta R3 a 100 kΩ o 470 kΩ.
  • Síntoma: V_LDR está siempre atascado en Alto (cerca de 5 V).
    • Causa: La resistencia de R_LDR es demasiado baja en comparación con R2, o la luz ambiental es demasiado brillante.
    • Solución: Asegúrate de que la prueba «oscura» sea realmente oscura. Disminuye R2 si la resistencia de la LDR es naturalmente baja.
  • Síntoma: La señal de V_PD es extremadamente ruidosa.
    • Causa: El nodo de alta impedancia (V_PD con resistencia de 100 kΩ) capta el zumbido de la red (50/60Hz).
    • Solución: Usa cables más cortos o añade un condensador pequeño (p. ej., 100pF) en paralelo con R3, aunque esto reduce ligeramente la velocidad.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Amplificador de transimpedancia (TIA): Reemplaza la resistencia pasiva R3 con un Amplificador Operacional configurado como amplificador de transimpedancia. Esto proporciona una respuesta mucho más rápida y una salida de baja impedancia adecuada para controlar otros circuitos.
  2. Barrido de frecuencia: Usa un generador de frecuencia variable para V2. Aumenta lentamente la frecuencia de 10 Hz a 10 kHz para encontrar la «frecuencia de corte» donde la LDR deja de responder completamente, mientras el fotodiodo continúa funcionando.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito de comparación dual descrito en el artículo?




Pregunta 2: ¿Qué tipo de respuesta de voltaje se espera obtener de la LDR ante una luz que parpadea rápidamente?




Pregunta 3: ¿Para qué aplicación es esencial el uso de fotodiodos debido a su velocidad?




Pregunta 4: ¿Cuál es una característica clave de los fotodiodos mencionada en el texto para la medición de precisión?




Pregunta 5: ¿Qué componente se utiliza como estímulo luminoso para ambos sensores en el circuito?




Pregunta 6: ¿Por qué las LDR son adecuadas para el alumbrado público según el artículo?




Pregunta 7: ¿Qué forma de onda se espera en la salida del fotodiodo?




Pregunta 8: ¿Qué sensor es preferible para controles remotos donde las señales conmutan rápidamente?




Pregunta 9: ¿Qué característica hace que los fotodiodos sean ideales para luxómetros?




Pregunta 10: ¿Qué diferencia visual principal se espera entre las gráficas de salida de la LDR y el fotodiodo?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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