Caso práctico: Detección de luz con fotodiodo en polarización inversa

Prototipo de Detección de luz con fotodiodo en polarización inversa (Maker Style)

Nivel: Básico – Entender cómo un fotodiodo polarizado inversamente actúa como sensor de luz.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito que utiliza un fotodiodo en modo de polarización inversa para detectar niveles variables de intensidad de luz. Al medir la caída de voltaje a través de una resistencia en serie, observarás la relación entre la incidencia de fotones y la corriente de fuga.

  • Utilidad en el mundo real:

    • Comunicaciones ópticas: Utilizado en receptores de fibra óptica para convertir pulsos de luz nuevamente en datos eléctricos.
    • Detectores de humo: Detectan la luz dispersada por partículas de humo en una cámara óptica.
    • Sensores de luz ambiental: Ajustan el brillo de la pantalla en teléfonos inteligentes basándose en la luz circundante.
    • Cortinas de seguridad: Detienen la maquinaria industrial cuando se interrumpe un haz de luz.

  • Resultado esperado:

    • Condición de oscuridad: La salida de voltaje será cercana a 0 V (corriente oscura mínima).
    • Condición de luz: La salida de voltaje aumentará proporcionalmente a la intensidad de la luz.
    • Linealidad: El fotodiodo actúa como una fuente de corriente donde Iphoto es lineal con respecto a la iluminancia (Lux).

  • Público objetivo: Estudiantes y aficionados que se inician en los sensores semiconductores.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V DC, función: Fuente de voltaje de polarización inversa.
  • D1: Fotodiodo (p. ej., BPW34 o fotodiodo de silicio genérico), función: Sensor de luz.
  • R1: Resistencia de 100 kΩ, función: Conversión de corriente a voltaje (Resistencia de carga).
  • L1: LED blanco o linterna, función: Estímulo de luz externo.
  • M1: Multímetro, función: Voltímetro para V_OUT.

Guía de conexionado

Este circuito utiliza una configuración en serie para medir la fotocorriente inversa. Definimos los nodos como VCC (fuente de 5 V), V_OUT (Punto de medición) y 0 (Tierra).

  • V1: Conecta el terminal positivo al nodo VCC y el terminal negativo al nodo 0.
  • D1 (Fotodiodo): Conecta el Cátodo (lado marcado) al nodo VCC. Conecta el Ánodo al nodo V_OUT. Nota: Esto asegura que el diodo esté polarizado inversamente.
  • R1: Conecta una pata al nodo V_OUT y la otra pata al nodo 0.
  • M1 (Voltímetro): Conecta la sonda positiva a V_OUT y la sonda negativa a 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — LM393 Reverse-Biased Photodiode
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

[ STIMULUS & POWER ]               [ SENSOR LOGIC ]                     [ OUTPUT ]

    [ Light Source L1 ] ~~~(Light)~~~>+---------------------+
                                      |    Photodiode D1    |
                                      | (Sensor / Rev Bias) |
    [ 5 V Supply V1 ] -----(VCC)------>| Cathode       Anode |----(V_OUT)---> [ Multimeter M1 ]
                               +----------+----------+      (Volts)
                                                 |
                                           (Photocurrent)
                                                 |
                                                 v
                                      +----------+----------+
                                      |     Resistor R1     |
                                      |      (100 kΩ)       |
                                      +----------+----------+
                                                 |
                                                 v
                                          [ GND (0 V) ]
Esquema Eléctrico

Mediciones y pruebas

  1. Prueba de oscuridad: Cubre el fotodiodo completamente con un objeto opaco o con tu mano. Mide el voltaje en V_OUT.
    • Expectativa: La lectura debe ser muy cercana a 0 V (típicamente en el rango de microvoltios o milivoltios bajos), representando la corriente oscura.
  2. Prueba de luz ambiental: Expón el sensor a la iluminación normal de la habitación.
    • Expectativa: V_OUT debe aumentar significativamente (p. ej., de 0.5 V a 2.0 V, dependiendo del brillo y del valor exacto de R1).
  3. Prueba de alta intensidad: Apunta una linterna o un LED brillante (L1) directamente a D1.
    • Expectativa: V_OUT debe aumentar aún más, acercándose potencialmente al límite del voltaje de alimentación si la luz es muy intensa.
  4. Cálculo: Usa la Ley de Ohm para calcular la fotocorriente en cualquier nivel de luz específico: Ireverse = VOUT / R1.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Reverse Bias Photodiode Light Detection

* --- Models ---
* Generic Photodiode Model (Approximation for BPW34)
* Parameters: IS (Sat Current), CJO (Junction Cap), BV (Breakdown), RS (Series Res)
.model BPW34 D(IS=10n RS=5 N=1.1 BV=60 IBV=10u CJO=70p M=0.45 VJ=0.75)

* --- Components ---

* V1: 5 V DC supply
* Wiring: Positive to VCC, Negative to 0 (Ground)
V1 VCC 0 DC 5

* D1: Photodiode (Sensor)
* Wiring Guide: Cathode to VCC, Anode to V_OUT
* Note: SPICE Diode syntax is D   
D1 V_OUT VCC BPW34

* L1: External Light Stimulus (White LED/Flashlight)
* Modeled as a Current Source (I_L1) representing the generated photocurrent.
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Reverse Bias Photodiode Light Detection

* --- Models ---
* Generic Photodiode Model (Approximation for BPW34)
* Parameters: IS (Sat Current), CJO (Junction Cap), BV (Breakdown), RS (Series Res)
.model BPW34 D(IS=10n RS=5 N=1.1 BV=60 IBV=10u CJO=70p M=0.45 VJ=0.75)

* --- Components ---

* V1: 5 V DC supply
* Wiring: Positive to VCC, Negative to 0 (Ground)
V1 VCC 0 DC 5

* D1: Photodiode (Sensor)
* Wiring Guide: Cathode to VCC, Anode to V_OUT
* Note: SPICE Diode syntax is D   
D1 V_OUT VCC BPW34

* L1: External Light Stimulus (White LED/Flashlight)
* Modeled as a Current Source (I_L1) representing the generated photocurrent.
* In reverse bias, photocurrent flows from Cathode to Anode (internally),
* effectively injecting current from VCC into V_OUT.
* Simulation: Pulsing light from Dark (0A) to Light (30uA).
* Timing: Delay 100us, Rise/Fall 10us, Width 400us, Period 1ms.
I_L1 VCC V_OUT PULSE(0 30u 100u 10u 10u 400u 1m)

* R1: 100 kOhm Load Resistor
* Wiring: One leg to V_OUT, other leg to 0
R1 V_OUT 0 100k

* M1: Multimeter (Voltmeter)
* Function: Measure voltage at V_OUT relative to Ground.
* Implemented via .print output directives below.

* --- Analysis Directives ---

* Transient Analysis:
* Step: 10us, Stop: 3ms (Captures 3 full light pulses)
.tran 10u 3m

* Operating Point Analysis (Initial DC Check):
.op

* Output Printing:
* Prints the voltage at the output node (V_OUT) and supply (VCC)
.print tran V(V_OUT) V(VCC)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (347 rows) 
Index   time            v(v_out)        v(vcc)
0	0.000000e+00	1.000500e-03	5.000000e+00
1	1.000000e-07	1.000500e-03	5.000000e+00
2	2.000000e-07	1.000500e-03	5.000000e+00
3	4.000000e-07	1.000500e-03	5.000000e+00
4	8.000000e-07	1.000500e-03	5.000000e+00
5	1.600000e-06	1.000500e-03	5.000000e+00
6	3.200000e-06	1.000500e-03	5.000000e+00
7	6.400000e-06	1.000500e-03	5.000000e+00
8	1.280000e-05	1.000500e-03	5.000000e+00
9	2.280000e-05	1.000500e-03	5.000000e+00
10	3.280000e-05	1.000500e-03	5.000000e+00
11	4.280000e-05	1.000500e-03	5.000000e+00
12	5.280000e-05	1.000500e-03	5.000000e+00
13	6.280000e-05	1.000500e-03	5.000000e+00
14	7.280000e-05	1.000500e-03	5.000000e+00
15	8.280000e-05	1.000500e-03	5.000000e+00
16	9.280000e-05	1.000500e-03	5.000000e+00
17	1.000000e-04	1.000500e-03	5.000000e+00
18	1.010000e-04	7.978912e-02	5.000000e+00
19	1.030000e-04	3.507154e-01	5.000000e+00
20	1.070000e-04	1.270928e+00	5.000000e+00
21	1.100000e-04	2.076364e+00	5.000000e+00
22	1.108000e-04	2.250021e+00	5.000000e+00
23	1.124000e-04	2.525718e+00	5.000000e+00
... (323 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Polarización directa del fotodiodo: Conectar el Ánodo a VCC hace que el fotodiodo actúe como un diodo regular (o LED), conduciendo corriente constantemente independientemente de la luz.
    • Solución: Asegúrate de que el Cátodo (franja) se conecte a la alimentación positiva (VCC).
  2. Valor de resistencia demasiado bajo: Usar una resistencia de 100 Ω o 1 kΩ podría resultar en una salida de voltaje demasiado pequeña para que un multímetro estándar la lea fácilmente.
    • Solución: Usa una resistencia de alto valor (100 kΩ a 1 MΩ) para convertir la pequeña fotocorriente de microamperios en un voltaje legible.
  3. Multímetro en modo corriente: Conectar el multímetro en paralelo mientras está configurado en modo Amperímetro cortocircuita efectivamente V_OUT a tierra.
    • Solución: Asegúrate siempre de que el multímetro esté configurado en Voltios DC y conectado en paralelo con R1.

Solución de problemas

  • Síntoma: El voltaje de salida es siempre constante cerca de 5 V (VCC).
    • Causa: Probablemente el fotodiodo está conectado en polarización directa (Ánodo a VCC), o el fotodiodo está en cortocircuito.
    • Solución: Invierte la orientación del fotodiodo.
  • Síntoma: El voltaje de salida permanece en 0 V incluso con luz brillante.
    • Causa: Conexiones de circuito abierto, R1 está en cortocircuito o el fotodiodo está dañado.
    • Solución: Verifica la continuidad en la protoboard; verifica que D1 sea realmente un fotodiodo y no un LED estándar (que también produce corriente pero mucho menos).
  • Síntoma: Las lecturas son inestables o «saltan».
    • Causa: Interferencia de luces alimentadas por CA (parpadeo de 50/60 Hz) captada por el nodo de alta impedancia V_OUT.
    • Solución: Prueba usando una fuente de luz DC (linterna) o agrega un pequeño condensador (p. ej., 100 nF) en paralelo con R1 para filtrar el ruido.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Amplificador de Transimpedancia (TIA): Reemplaza R1 con un Amplificador Operacional configurado como un TIA. Esto proporciona un tiempo de respuesta mucho más rápido y un voltaje de salida lineal aislado de la carga.
  2. Alarma de umbral de luz: Alimenta V_OUT a un comparador de voltaje (como un LM393) para activar un zumbador o LED cuando el nivel de luz exceda un punto de ajuste específico.

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Quiz rápido

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




Pregunta 2: ¿Qué componente se utiliza para convertir la corriente del fotodiodo en un voltaje medible?




Pregunta 3: En una aplicación del mundo real, ¿cómo se utilizan los fotodiodos en las comunicaciones ópticas?




Pregunta 4: ¿Cuál es el voltaje de salida esperado en una condición de oscuridad total?




Pregunta 5: ¿Cómo se comporta el voltaje de salida cuando aumenta la intensidad de la luz incidente?




Pregunta 6: ¿Qué relación de linealidad se menciona en el artículo respecto al fotodiodo?




Pregunta 7: ¿Cuál es la función de la fuente de alimentación en este circuito?




Pregunta 8: ¿Qué ejemplo de uso en teléfonos inteligentes se menciona para este tipo de sensor?




Pregunta 9: ¿Qué componente actúa como 'estímulo de luz externo' en la simulación práctica?




Pregunta 10: ¿Qué ocurre en una cortina de seguridad industrial cuando se interrumpe el haz de luz?




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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