Cómo convertir la luz en electricidad con circuitos operativos simples

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Por John Santiago

Esta es su oportunidad de convertir la luz en electricidad utilizando circuitos operativos simples. Se puede aplicar un enfoque similar para desarrollar instrumentos que midan otras variables físicas del entorno, como la temperatura y la presión.

Se utiliza un transductor de entrada para convertir una variable física en una variable eléctrica. Un fotoresistor es un transductor de entrada que convierte la energía de la luz en un cambio en la resistencia, resultando en un cambio en el flujo de corriente en el circuito. La luz es, de hecho, una señal eléctrica.

Suponga que se trata de un fotoresistor que tiene un valor de resistencia entre 20 MW en total oscuridad y 20 kW en luz brillante. Si el fotoresistor es un dispositivo lineal, entonces doblar la cantidad de luz duplica la cantidad de voltaje. Por lo tanto, puede modelar un fotoresistor como una resistencia variable que cambia la resistencia de acuerdo con la cantidad de luz.

La siguiente figura muestra un fotoresistor y un diseño completo de un circuito de amplificador operacional (op-amp) para producir un voltaje de salida vO.

Utilice el análisis de circuitos para mostrar que el voltaje de salida del op-amp vO es de 0 voltios en total oscuridad y de 5 voltios en luz brillante. En otras palabras, mostrar que el rango de voltaje de la salida varía de 0 a 5 voltios. Aquí está el cómo:

  1. Para determinar el rango de la salida v2 del transductor (es decir, la tensión entre los terminales A y B), se puede utilizar la ecuación del divisor de tensión. Esta ecuación establece el voltaje de salida igual al voltaje de entrada multiplicado por la relación entre la resistencia del dispositivo de salida (R2) y la resistencia total en serie (R1 + R2):
  2. Determine el límite inferior de v2. El límite inferior del voltaje de salida v2 ocurre en luz brillante, cuando la resistencia del fotoresistor es mínima. Cuando R2 = 20 kW, la tensión inferior v2L es
  3. Determine el límite superior de v2. El límite superior de la tensión de salida v2 se produce cuando la resistencia del fotoresistor es mayor. En la oscuridad total, R2 = 20 MW = 20.000 kW , por lo que la tensión superior v2U esLa tensión de v2 va de 5 a 10 voltios.
  4. Simplifique el transductor (el circuito de la fuente) utilizando la técnica Thévenin, que reduce el circuito de la fuente a una sola resistencia RT y una sola fuente de voltaje vT. Utilizando el equivalente de Thévenin para simplificar el transductor, se obtiene un voltaje de Thévenin vT que varía de 5 a 10 voltios y una resistencia de Thévenin RT que varía de 10 kW a 20 kW.
  5. El circuito op-amp de la siguiente figura es una configuración típica de un circuito op-amp invertido de verano. En este circuito hay dos entradas: una procedente del transductor y otra procedente de una fuente de tensión de -10 voltios. La ecuación para el amplificador operacional de inversión es

Debido a que el rango de voltaje de v2 varía entre 5 y 10 voltios, el rango de voltaje de salida del verano inversor va de 0 a 5 voltios.

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