Principio de Transducción Fotoeléctrica PDF

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Informe del Principio de Transduccion Fotoelectrica...

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO Facultad de Ingeniería Escuela Profesional de Ingeniería Mecatrónica PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN FOTOELÉCTRICA

Sensores Y Actuadores AUTORES

:

BEJARANO REYES, Mauricio CRIBILLERO VEGA, Carlos RODRIGUEZ CARBAJAL, Arnold RODRIGUEZ RODRIGUEZ, Gims SILVA ZUTA, David VELASQUEZ TRELLES, Roger

DOCENTE

:

Emerson Asto Rodríguez

CICLO

:

VI

Trujillo, Perú 2018

[PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN FOTOELÉCTRICA]

INGENIERIA MECATRONICA

ÍNDICE INTRODUCCIÓN......................................................................................................................5 OBJETIVOS...............................................................................................................................6 OBJETIVOS GENERALES......................................................................................................6 OBJETIVOS ESPECÍFICOS....................................................................................................6 2. TRANSDUCTORES FOTOELÉCTRICOS........................................................................8 2.1.

DEFINICIÓN.................................................................................................................8

2.2.

TIPOS DE TRANSDUCTORES FOTOELÉCTRICOS.............................................8

3.

PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN FOTOELÉCTRICA............................................14

3.1.

FOTÓN.........................................................................................................................14

3.2.

EFECTO FOTOELÉCTRICO....................................................................................14

CONCLUSIONES....................................................................................................................18 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS....................................................................................20

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LISTA DE FIGURAS

Figura N° 2.1: Espectro Electromagnético de la Luz………………..…………….. …...09 Figura N° 2.2: a) Estructura interna de un fotoemisor, b) Movimiento de electrones dentro del foto emisor………………………………………………………………….. 10 Figura

N°

2.3:

Proceso

de

un

transductor

fotovoltáico

(panel

solar)

…………………..11 Figura N° 2.4: Celda Fotoconductora……………………………………………... …..12 Figura

N°3.1:

Efecto

fotoeléctrico……………………………………………….

…….15

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Capitulo Nº1 INTRODUCCION Y OBJETIVOS

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INTRODUCCIÓN Actualmente, nos encontramos en una sociedad con tecnología de punta que se pueden encontrar hasta en elementos tan sencillos del día a día. Debido a la evolución de la tecnología es que todos los elementos que se ven ligados a ser cada vez más precisos para poder funcionar de manera óptima y acorde a su objetivo. Para lograr la precisión se han ido diseñando una serie de dispositivos capaces de realizar la toma de datos para enviarlos al controlador principal y este logre interpretarlo para poder mejorar la eficacia con la que este controlador hace funcionar al dispositivo electrónico. Estos dispositivos que reciben el nombre de sensores utilizan medios o principios para poder funcionar y lograr la comunicación con los controladores correspondientes. En este caso en particular se tocará mas a fondo el principio de transducción fotoeléctrica para poder comprender de mejor manera la forma en como se traduce la información recogida por el sensor y como es transmitida hacia el controlador.

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OBJETIVOS OBJETIVOS GENERALES -

Lograr diferenciar entre los tipos de transductores fotoeléctricos para encontrar el uso apropiado a cada tipo.

-

Lograr entender el principio físico del cual se basa un transductor.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS -

Entender los procesos de uso de cada tipo de transductor fotoeléctrico.

-

Comprender como es que el principio de transducción se relaciona con el fotón y el efecto fotoeléctrico.

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Capitulo Nº2 TRANSDUCTORES FOTOELÉCTRICOS 2. TRANSDUCTORES FOTOELÉCTRICOS

2.1. DEFINICIÓN El transductor fotoeléctrico es un tipo de transductor que transforma luz en energía eléctrica o viceversa, por ejemplo, es una cámara fotográfica digital. Estas vibraciones resultantes (ya sean eléctricas o lumínicas, dependiendo de la naturaleza del transductor), son importantes en los sistemas.

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En la medición de eventos fisiológicos en seres vivos los transductores fotoeléctricos son empleados en 2 formas: a)

Como detectores de cambios en la intensidad de la luz de una cierta

longitud de onda, como en la colorimetría y espectrometría. b)

Como detector de intensidad de la luz en donde la longitud de onda no es

relevante.

2.2. TIPOS DE TRANSDUCTORES FOTOELÉCTRICOS Básicamente hay 3 tipos de transductores fotoeléctricos: 1.- Los fotoemisores (fototubo) en el cual se liberan electrones de una superficie metálica. 2.- Los fotovoltáicos, donde se produce una diferencia de potencial entre 2 substancias en contacto. 3.- Los fotoconductivos, como la fotorresistencia, donde ocurre un cambio en conductividad. Aún cuando hay cierto traslape en sus características, su selección está relacionada por sus particulares características de respuesta al espectro de luz (figura 2.1), sensibilidad, voltaje y corriente de salida. [ CITATION Cor14 \l 3082 ]

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Figura N° 2.1: Espectro Electromagnético de la Luz.

2.2.1. TRANSDUCTORES FOTOEMISORES El tubo fotoemisor es un bulbo al vacío (o lleno de alguna mezcla de gases) con 2 electrodos, el cátodo es una superficie metálica cubierta de un material (compuestos de cesio, antimonio, plata y bismuto) que libera electrones cuando se le ilumina, el ánodo es un tubo delgado o un alambre. En la figura 2.2 podemos observar su estructura interna. Dependiendo del material fotosensible se tienen características especiales a las componentes de longitud de onda de la luz.

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Figura N° 2.2: a) Estructura interna de un fotoemisor, b) Movimiento de electrones dentro del foto emisor.

En los transductores con tubos foto emisores se aplica un voltaje relativamente alto (entre 10 y 200 volts), sin luz no se presenta conducción, ante la presencia de luz se liberan electrones en el cátodo y se establece un flujo de corriente hacia el ánodo que es linealmente proporcional a la intensidad de la luz incidente. La aplicación de estos mecanismos va inclinada más a la rama biomédica, sirven como contadores de centelleos presentes en estudios de medicina nuclear, donde las emisiones de un material radioactivo son convertidas a la luz mediante una pantalla fluorescente y detectada su intensidad y localización mediante fotomultiplicadores.

2.2.2. TRANSDUCTORES FOTOVOLTÁICAS A diferencia de los tubos fotoemisores, las celdas fotovoltáicas producen un voltaje a un substancial nivel de corriente. Una de las celdas fotovoltáicas más populares consiste de un sándwich con dos superficies alisadas, una con un recubrimiento de selenio y la otra de hierro o acero. Cuando se ilumina, se absorbe la energía de la luz, liberando electrones produciendo

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una diferencia de potencial que es negativa en el lado metálico y positivo en el lado del selenio. Este proceso podemos notas en la figura 2.3.

Figura N° 2.3: Proceso de un transductor fotovoltáico (panel solar).

La sensibilidad espectral de las celdas fotovoltáicas de unión P-N está en el rango de las regiones roja e infrarroja, su tiempo de respuesta está en el rango de microsegundos a milisegundos, lo cual los ha hecho ampliamente utilizados en detectores de luz.

2.2.3. TRANSDUCTORES FOTOCONDUCTIVOS La celda fotoconductiva es un dispositivo semiconductor de dos terminales (en la figura 2.4 podemos ver el aspecto físico) cuya resistencia terminal variará (linealmente) con la intensidad de la luz incidente. Por razones obvias, con frecuencia se llama dispositivo fotorresistivo. Entre los materiales fotoconductivos que se utilizan más a menudo se encuentran el sulfuro de cadmio (CdS) y el selenuro de cadmio (CdSe). La respuesta espectral máxima del CdS ocurre a aproximadamente 5100 Å y para el CdSe de 6150 Å. El tiempo de respuesta de las unidades de CdS es de alrededor de 100 mS y de 10 mS para UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

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las celdas de CdSe. La celda fotoconductiva no tiene una unión como la del fotodiodo. Una capa delgada de material conectada entre los terminales simplemente se expone a la energía luminosa incidente.

Figura N° 2.4: Celda Fotoconductora.

Cuando aumenta la intensidad de la iluminación sobre el dispositivo, se incrementa también el estado de energía de un gran número de electrones en la estructura debido al aumento de disponibilidad de los paquetes de fotones de energía. El resultado es un número mayor de electrones relativamente “libres” en la estructura y una disminución de la resistencia del terminal.

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Capitulo No 3 PRINCIPO DE TRANSDUCCIÓN FOTOELÉCTRICA 3.

P RINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN FOTOELÉCTRICA Para llevar a cabo su función, un transductor se vale de un principio físico de

transformación de energía, al que se denomina principio de transducción; dentro de los cual tenemos al principio de transducción Fotoeléctrico.

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3.1. FOTÓN Antes de estudiar cómo ocurre un fenómeno fotoeléctrico es necesario definir qué es un fotón. Un fotón es un tipo de partícula elemental llamado originalmente como “cuanto de luz”. El término fotón es en extremo usado cuando se habla de una partícula de luz o un “cuanto de energía electromagnética”.

3.2. EFECTO FOTOELÉCTRICO Se dice que un efecto fotoeléctrico ocurre cuando se hace incidir un fotón en un material, y dicho material emite un electrón. Sea ∅ la energía mínima necesaria para que un electrón escape del metal. Si el electrón absorbe una energía E, la diferencia E-f, será la energía cinética del electrón emitido. (1)

E K = E −∅ Donde

es la función del trabajo que depende del metal. Einstein explicó

∅

las características del efecto fotoeléctrico, suponiendo que cada electrón absorbía un cuanto de radiación o fotón. La energía de un fotón se obtiene multiplicando la constante h de Planck por la frecuencia f de la radiación electromagnética. (2)

E=hf Si la energía del fotón E, es menor que la energía de arranque

∅ , no hay

emisión fotoeléctrica. En caso contrario, si hay emisión y el electrón sale del metal con una energía cinética

EK

igual a E- ∅ .

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Figura N°3.1: Efecto fotoeléctrico.

3.3. DESCRIPCIÓN DEL PRINCIPIO Por tanto, el principio de transducción fotoeléctrico se define como la conversión de luz a una señal eléctrica. Los efectos fotoeléctricos ocurren dependiendo de cuánta energía tenga el fotón incidente y cuánta energía requiere el material para emitir un electrón. Si un fotón incidente no excede la energía necesaria para que el material emita un electrón, no existirá efecto fotoeléctrico. La energía contenida en un fotón está relacionada con su longitud de onda; así, entre más corta sea la longitud de onda, mayor energía tendrá el fotón como se puede ver en la figura 3.1. Una de las formas más simples de lograr que este fenómeno ocurra es dirigir un haz de luz en dirección a una delgada película de material; así, cuando un fotón incide sobre el material, emite un electrón, por lo que la conductancia de la película aumenta, incrementando la corriente presente en el circuito de medición. La principal ventaja de este tipo de transducción es su alta sensibilidad y su gran capacidad para trabajar en diversas condiciones ambientales. Las aplicaciones más significativas de este tipo de principio de transducción son en las mediciones de dimensiones, desplazamientos, deformaciones, fuerza, presión, torque, flujo y en algunos otros fenómenos dinámicos.

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Capitulo No 4 CONCLUSIONES

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CONCLUSIONES -

Se logró identificar el uso apropiado para tipo de transductor.

-

Se logró entender el principio físico del cual se basa un transductor.

-

Pudimos comprender los procesos que se desarrollan en cada tipo de transductores fotoeléctricos.

-

Logramos comprender la relación entre el fotón y el efecto fotoeléctrico que participan en el principio de transducción.

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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

 Corona Ramírez, Leonel Germán, Abarca Jiménez, Griselda Stephany y Mares Carreño, Jesús. 2014. Sensores y actuadores. Aplicaciones con Arduino. Azcapotzalco : PATRIA, 2014. ISBN.  García, Ángel Franco. Física con ordenador. Física con ordenador. [En línea] [Citado el: 9 de Septiembre de 2018.] http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/fotoelectrico/fotoelectrico. htm. ISSN.  González, Humberto. 2004. Transductores Fotoeléctricos. 2004.

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