Caso práctico: Sensor óptico para un seguidor solar

Nivel: Medio – Diseñar un circuito con dos fotodiodos en configuración diferencial para detectar la dirección de la fuente de luz de mayor intensidad.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito sensor de luz direccional que utiliza dos fotodiodos polarizados en inversa y un amplificador operacional actuando como comparador de voltaje. Al medir la diferencia de intensidad de luz entre los dos sensores, el circuito determina qué lado está recibiendo más luz.

Por qué este circuito es útil:
* Maximizar la eficiencia de los paneles solares manteniéndolos apuntados directamente al sol.
* Permitir que robots autónomos busquen fuentes de luz para navegación o carga.
* Automatizar sistemas de domótica, como persianas o toldos, para reaccionar a la dirección de la luz solar directa.

Resultado esperado:
* Un voltaje diferencial medible que representa el desequilibrio de luz entre los dos sensores.
* Corrientes inversas a través de cada fotodiodo estrictamente proporcionales a la luz que incide sobre ellos.
* Un umbral de conmutación claro en la salida del amplificador operacional basado en qué sensor produce un voltaje mayor.
* Un indicador LED que se ilumina claramente cuando el sensor izquierdo recibe más luz que el sensor derecho.

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que aprenden sobre comparadores analógicos, optoelectrónica y medición diferencial.

Materiales

• V1: fuente de alimentación de 5 V CC
• D1: fotodiodo BPW34, función: sensor de luz izquierdo (polarizado en inversa)
• D2: fotodiodo BPW34, función: sensor de luz derecho (polarizado en inversa)
• R1: resistencia de 100 kΩ, función: carga de D1 (conversión de corriente a voltaje)
• R2: resistencia de 100 kΩ, función: carga de D2 (conversión de corriente a voltaje)
• U1: amplificador operacional LM358, función: comparador de voltaje
• R3: resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED
• D3: LED rojo, función: indicador de dirección izquierda

Guía de conexionado

• V1 se conecta entre VCC y 0.
• D1 se conecta entre VCC (cátodo) y VL (ánodo).
• R1 se conecta entre VL y 0.
• D2 se conecta entre VCC (cátodo) y VR (ánodo).
• R2 se conecta entre VR y 0.
• El pin de alimentación positiva de U1 se conecta a VCC.
• El pin de alimentación negativa de U1 se conecta a 0.
• La entrada no inversora (IN+) de U1 se conecta a VL.
• La entrada inversora (IN-) de U1 se conecta a VR.
• La salida de U1 se conecta al nodo VOUT.
• R3 se conecta entre VOUT y VLED.
• D3 se conecta entre VLED (ánodo) y 0 (cátodo).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

VCC --> [ D1: BPW34 Left ] ---(Node VL)--> [ R1: 100 kΩ ] --> GND
                                  |
                  +-----(IN+)-----> [             ]
                                                    [ U1: LM358   ]
                                                    [ Comparator  ] --(VOUT)--> [ R3: 330 Ω ] --(VLED)--> [ D3: Red LED ] --> GND
                  +-----(IN-)-----> [             ]
                                  |
VCC --> [ D2: BPW34 Right ] --(Node VR)--> [ R2: 100 kΩ ] --> GND

Mediciones y pruebas

1. Verificación de la corriente inversa: Mide las caídas de voltaje de CC en R1 y R2. Calcula la fotocorriente inversa utilizando la ley de Ohm ($I = V/R$). Asegúrate de que la corriente aumenta linealmente a medida que acercas una linterna al fotodiodo respectivo.
2. Medición del voltaje diferencial: Coloca una sonda del multímetro en VL y la otra en VR. Ilumina de manera uniforme entre ambos sensores; el voltaje diferencial debe estar cerca de 0 V. Mueve la luz hacia la izquierda y el voltaje diferencial debería volverse positivo. Muévela hacia la derecha y debería volverse negativo.
3. Observación del umbral de conmutación: Mueve lentamente una fuente de luz de derecha a izquierda a través de los sensores. Monitorea VOUT con un multímetro u osciloscopio. La salida debería hacer una transición brusca desde cerca de 0 V (Bajo) hasta aproximadamente 3.5 V–4 V (Alto) precisamente cuando VL > VR.

Netlist SPICE y simulación

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

* Optical sensor for a solar tracker
.width out=256

* Power Supply
V1 VCC 0 5V

* Left Light Sensor (D1 and load R1)
* D1 is reverse-biased. I1 simulates the photocurrent generated by light exposure.
D1 VL VCC BPW34
I1 VCC VL PULSE(1u 20u 0 1u 1u 50u 100u)
R1 VL 0 100k

* Right Light Sensor (D2 and load R2)
* D2 is reverse-biased. I2 simulates the photocurrent generated by light exposure.
D2 VR VCC BPW34
I2 VCC VR PULSE(2u 21u 0 1u 1u 100u 200u)
R2 VR 0 100k

* Voltage Comparator (LM358)
XU1 VL VR VCC 0 VOUT LM358
* ... (truncated in public view) ...

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* Optical sensor for a solar tracker
.width out=256

* Power Supply
V1 VCC 0 5V

* Left Light Sensor (D1 and load R1)
* D1 is reverse-biased. I1 simulates the photocurrent generated by light exposure.
D1 VL VCC BPW34
I1 VCC VL PULSE(1u 20u 0 1u 1u 50u 100u)
R1 VL 0 100k

* Right Light Sensor (D2 and load R2)
* D2 is reverse-biased. I2 simulates the photocurrent generated by light exposure.
D2 VR VCC BPW34
I2 VCC VR PULSE(2u 21u 0 1u 1u 100u 200u)
R2 VR 0 100k

* Voltage Comparator (LM358)
XU1 VL VR VCC 0 VOUT LM358

* Left-Direction Indicator LED
R3 VOUT VLED 330
D3 VLED 0 DLED

* Component Models
.model BPW34 D(IS=5e-10 RS=10 N=1)
.model DLED D(IS=1e-19 N=1.6 RS=10)

* LM358 Operational Amplifier Behavioral Subcircuit (Comparator Mode)
.subckt LM358 in_plus in_minus vcc v_ee out
* Smooth continuous switching to ensure convergence, output swings to VCC - 1.2V
B1 out_ideal 0 V = V(v_ee) + (V(vcc) - V(v_ee) - 1.2) * (0.5 + 0.5 * tanh(1000 * (V(in_plus) - V(in_minus))))
Rout out_ideal out 50
.ends

* Simulation Directives
.op
.tran 1u 400u
.print tran V(VL) V(VR) V(VOUT) V(VLED)
.end
* --- GPT review (BOM/Wiring/SPICE) ---
* circuit_ok=true
* simulation_summary: The simulation shows the circuit acting as a comparator. When the left sensor voltage (VL) is higher than the right sensor voltage (VR), the output (VOUT) goes high (approx 3.5V) and the LED turns on (VLED approx 1.65V). When VR is higher than VL, VOUT goes low (0V) and the LED turns off. This matches the expected behavior of a solar tracker optical sensor.
* bom_vs_spice equivalences ignored:
*   - LM358 operational amplifier is modeled using a behavioral subcircuit (comparator mode).
*   - Photodiodes D1 and D2 are modeled with BPW34 diode models and parallel PULSE current sources (I1, I2) to simulate photocurrent.
*   - Red LED D3 is modeled as a standard diode with a specific model (DLED).
* overall_comment: The SPICE netlist accurately reflects the BOM and wiring guide. The use of current sources to simulate photocurrent in reverse-biased photodiodes is an excellent didactic approach. The behavioral model for the LM358 works well to demonstrate the comparator function. The circuit is fully functional and serves as a great practical example for students.
* --------------------------------------

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows the circuit acting as a comparator. When the left sensor voltage (VL) is higher than the right sensor voltage (VR), the output (VOUT) goes high (approx 3.5V) and the LED turns on (VLED approx 1.65V). When VR is higher than VL, VOUT goes low (0V) and the LED turns off. This matches the expected behavior of a solar tracker optical sensor.

Show raw data table (464 rows)

Index   time            v(vl)           v(vr)           v(vout)         v(vled)
0	0.000000e+00	1.000505e-01	2.000505e-01	2.554194e-49	1.941187e-48
1	1.000000e-08	1.190505e-01	2.190505e-01	2.407063e-64	1.829368e-63
2	2.000000e-08	1.380505e-01	2.380505e-01	-2.40706e-64	-1.82937e-63
3	4.000000e-08	1.760505e-01	2.760505e-01	-1.13420e-78	-8.61995e-78
4	8.000000e-08	2.520505e-01	3.520505e-01	4.536814e-79	3.447978e-78
5	1.600000e-07	4.040505e-01	5.040504e-01	3.420381e-93	2.599489e-92
6	3.200000e-07	7.080504e-01	8.080504e-01	-8.55095e-94	-6.49872e-93
7	6.400000e-07	1.316050e+00	1.416050e+00	-8.86422e-108	-6.73681e-107
8	1.000000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	9.065683e-109	6.889919e-108
9	1.064000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	2.491317e-123	1.893401e-122
10	1.192000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-1.70869e-123	-1.29861e-122
11	1.448000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-9.52641e-138	-7.24007e-137
12	1.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	3.220532e-138	2.447604e-137
13	2.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	2.649727e-152	2.013792e-151
14	3.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-3.03502e-153	-2.30661e-152
15	4.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-3.06913e-167	-2.33254e-166
16	5.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	2.860189e-168	2.173743e-167
17	6.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	3.431423e-182	2.607881e-181
18	7.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-2.69543e-183	-2.04853e-182
19	8.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-3.74179e-197	-2.84376e-196
20	9.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	2.540164e-198	1.930525e-197
21	1.096000e-05	2.000050e+00	2.100050e+00	4.005019e-212	3.043815e-211
22	1.196000e-05	2.000050e+00	2.100050e+00	-2.39384e-213	-1.81932e-212
23	1.296000e-05	2.000050e+00	2.100050e+00	-4.22550e-227	-3.21138e-226
... (440 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

• Polarizar los fotodiodos en directa: Los fotodiodos deben estar polarizados en inversa para actuar como fuentes de corriente dependientes de la luz. Si el ánodo se conecta a VCC, el diodo conducirá intensamente como un diodo estándar, anulando la capacidad de detección de luz. Asegúrate siempre de que el cátodo se conecte a la fuente de alimentación positiva.
• Usar resistencias de carga demasiado pequeñas: La corriente inversa de un fotodiodo suele estar en el rango de los microamperios (µA). Si R1 y R2 son demasiado bajos (por ejemplo, 1 kΩ), la caída de voltaje resultante será demasiado pequeña para que el comparador la mida de manera confiable. Cíñete a valores altos como 100 kΩ o 1 MΩ.
• Falta de separación óptica: Si ambos sensores se colocan planos uno al lado del otro sin una barrera óptica (una pequeña pieza de plástico opaco separando sus campos de visión), recibirán una luz casi idéntica independientemente del ángulo, lo que impedirá que el circuito diferencial funcione.

Solución de problemas

• Síntoma: VOUT fluctúa constantemente o el LED parpadea de forma continua.
  • Causa: Los sensores están captando el parpadeo de 50 Hz / 60 Hz de la iluminación interior de CA, lo que hace que el comparador oscile.
  • Solución: Agrega un condensador pequeño (por ejemplo, 100 nF) en paralelo con R1 y R2 para que actúe como un filtro paso bajo, o prueba el circuito utilizando una fuente de luz de CC como una linterna o luz solar natural.
• Síntoma: El LED nunca se enciende, incluso cuando D1 está inundado de luz.
  • Causa: El voltaje de salida del LM358 podría no ser lo suficientemente alto para superar el voltaje directo del LED más la caída de voltaje de R3, o el LED está instalado al revés.
  • Solución: Verifica la polaridad del LED (ánodo a R3, cátodo a 0). Mide VOUT para asegurarte de que alcance al menos 2 V cuando VL > VR.
• Síntoma: Tanto VL como VR permanecen cerca de 0 V independientemente de la luz.
  • Causa: Los fotodiodos podrían estar instalados al revés (bloqueando la corriente por completo), o la intensidad de luz es significativamente demasiado baja para las resistencias de carga elegidas.
  • Solución: Vuelve a comprobar la orientación del fotodiodo. Si es correcta, aumenta el valor de R1 y R2 a 470 kΩ o 1 MΩ para incrementar la sensibilidad.

Posibles mejoras y extensiones

• Agregar histéresis: Introduce una resistencia de retroalimentación de alto valor (por ejemplo, 1 MΩ) desde VOUT a la entrada no inversora (VL). Esto evita la conmutación rápida y ruidosa (rebote) cuando la fuente de luz está perfectamente equilibrada en el centro.
• Integración de un controlador de motor: Reemplaza el LED indicador con un controlador de motor de puente H (como un L298N o L293D). Esto permite que el circuito accione físicamente un motor de CC para rotar una plataforma, creando un seguidor solar físico de 1 eje totalmente funcional.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

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