TRANSFORMADORES DIFERENCIALES DE VARIACION LINEAL (LVDT's).

Un transformador diferencial de variación lineal entrega una señal de voltaje de salida CA que es proporcional a un desplazamiento físico. La figura 3.5 muestra la construcción, el símbolo esquemático, y las formas de onda de salida de un LVDT.

La figura 3.5 (a) muestra que un LVDT tiene un devanado primario y dos devanados secundarios arrollados sobre el mismo soporte. El soporte mismo es hueco y contiene un núcleo magnético que es libre para deslizarse dentro del soporte. Siempre y cuando el núcleo magnético esté perfectamente centrado en el soporte, el flujo magnético de enlace será el mismo para el devanado secundario 1 y para el devanado secundario 2. Por tanto ambos voltajes secundarios serán iguales Si el núcleo se mueve hacia la izquierda en la figura 3.5 (a), el enlace magnético será más grande en el devanado secundario 1 debido a que hay más núcleo dentro del devanado que dentro del devanado 2. Por tanto el voltaje del devanado 1 será más grande que el voltaje del devanado 2. Por otro lado,  Si el núcleo se mueve a la derecha en la figura 3.5 (a) el voltaje del devanado 2 será más grande que el voltaje del devanado 1 porque el devanado secundario 2 tendrá más núcleo dentro del él. El LVDT se construye de tal manera que la diferencia entre los voltajes de los dos devanados secundarios es proporcional al desplazamiento del núcleo.

Cuando un LVDT se utiliza como un dispositivo de medida, los devanados secundarios se conectan entre sí en serie sustractiva tal como se indica en la figura 3.5 (b). Por tanto, si el núcleo está centrado y el voltaje del devanado 1 es igual al voltaje del devanado 2, la salida neta del voltaje (Vout) es cero. Esto se muestra en la figura 3.5 (c). Si el núcleo se mueve hacia arriba en la figura 3.5 (b), el voltaje del devanado 1 es más grande que el voltaje del devanado 2 de modo que Vout es diferente de cero. A mayor desplazamiento del núcleo, más grande es Vout. Esto se muestra en la figura 3.5 (d). También Vout esta en fase con Vin debido a la definición hecha en la figura 3.5 (b) de las marcas de fase.

Figura 3.5

Si el núcleo se mueve hacia abajo de su punto medio en la figura 3.5 (b), el voltaje del devanado 2 es más grande que el voltaje del devanado 1, y Vout nuevamente es diferente de cero. Esta vez Vout está 180° fuera de fase con respecto a Vin, tal como se muestra en la figura 3.5 (e). De este modo a magnitud de Vout es la cantidad de desplazamiento a partir del centro y la fase de Vout es la dirección del desplazamiento.

La mayoría de los LVDT tienen un rango de desplazamiento de más o menos 1 pulgada. Es decir, el núcleo puede moverse hacia arriba 1 pulgada a partir del centro y hacia abajo 1 pulgada también a partir del centro. Si el LVDT va a utilizarse para medir un desplazamiento mecánico más grande que una pulgada debe utilizarse un aparato de relación apropiada.

En cuanto a las magnitudes de los voltajes concierne, la mayoría de los LVDT's están diseñados para operar con un voltaje de entrada menor que 10 Vac. El voltaje de salida de plena escala puede extenderse de casi 0.5 V a casi 10 Vac para diferentes modelos de LVDT.

TRANSDUCTORES DE PRESIÓN

Son numerosas las diferentes técnicas para medir presión industrialmente. Concentraremos nuestra atención en solamente dos tipos comunes de dispositivos sensores de presión, los tubos Bourdon y los fuelles. Estos dispositivos detectan la presión medida y la convierten en un movimiento mecánico. El movimiento mecánico es entonces traducido a una señal eléctrica por un potenciómetro o un LVDT.

Tubos  Bourdon

Un tubo Bourdon  es un  tubo  deformable  de metal con  una  sección ovalada. Es abierto en uno de sus extremos y cerrado en el otro. El tubo hueco es elástico  debido  a  la elasticidad   del  metal utilizado en su construcción. El fluido cuya presión se quiere medir es  admitido al interior del tubo por su extremo abierto, el cual está mecánicamente asegurado.   El tubo entonces deflecta una cantidad proporcional a la magnitud de la presión.

Esta  deflexión  es transmitida  mecánicamente al contacto de un potenciómetro o al núcleo de un LVDT para proporcionar una señal eléctrica. Las figuras 3.6 (a) a la (d) muestran las diferentes formas  de  los  tubos Bourdon y los movimientos que ellos producen.

La figura 3. 6 (e) muestra como un tubo de Bourdon en forma de C podría acoplarse a un potenciómetro. La figura 3.6 (f) muestra como un tubo en C podría acoplarse a un LVDT. Los tubos  Bourdon en espiral y helicoidales con frecuencia se prefieren a los tubos Bourdon en forma de C debido a que producen un movimiento más grande de su extremo sellado por cantidad de presión.

Los tubos Bourdon son más frecuentemente utilizados para medir presiones en el rango de 10 a 300 psi.

Figura 3.6

Fuelles

Un fuelle es esencialmente una serie de diafragmas metálicos conectados entre sí. Cuando se somete a la presión de un fluido, un diafragma metálico se deformará ligeramente debido a la elasticidad del material utilizado para construirlo. Cuando se soldan varios diafragmas en serie, el movimiento total del último diafragma puede ser considerable. La figura 3.7 (a) muestra un corte de un fuelle. Con la puerta de entrada de presión asegurada , el fuelle se expandirá a medida que aumente la presión del fluido, y el espigo de salida se moverá a la derecha. A medida que la presión del fluido cae, el fuelle se contrae, y el espigo de salida se mueve a la izquierda. La fuerza de contracción puede  proporcionarse   por   el resorte mismo de los diagramas del fuelle o por una combinación de diafragma con un resorte externo.

Figura 3.7

Las figuras 3.7 (b) y (C) muestran dos arreglos comunes de los fuelles. En la figura 3.7 (b), la presión es aplicada al interior del fuelle y tiende a expandirlo contra la oposición del resorte de tensión. A medida que el fuelle se expande acciona un  enlace mecánico que mueve el contacto de un potenciómetro para entregar una señal de salida eléctrica

En la figura 3.7 (c) la presión medida se aplica a la parte externa del fuelle, forzándolo a contraerse en contra de la compresión del resorte. A medida que se mueve, acciona un enlace mecánico que mueve el núcleo de un LVDT para entregar una señal eléctrica de salida. Estos transductores de presión se calibran ajustando la tensión o la compresión inicial del resorte de retorno. Una tuerca de ajuste, la cual no se muestra en la figura 3.7, se proporciona para este efecto.

Los transductores de presión tipo fuelle encuentran sus usos principales en la medida de presiones en el rango de 0.5 a 20 psi.

TERMOCUPLAS

El dispositivo más común para medir temperatura en proceses industriales es la termocupla. Una termocupla es un par de conductores metálicos distintos unidos entre sí formando una bucla completa como se muestra en la figura 3.8 (a). Los conductores distintos tienen dos puntos de unión, uno a cada lado de la bucla. Una  unión, denominada la unión caliente, está sometida a alta temperatura y la otra unión, la unión fría, está sometida a una baja temperatura. Cuando se hace esto, se crea un pequeño voltaje neto en la bucla; este voltaje es proporcional a la diferencia entre la temperatura de las dos uniones.

Lo que sucede en una bucla de termocupla es que se produce un pequeño voltaje en cada unión de los metales distintos, debido a un fenómeno no muy claro denominado el efecto Seebeck. Entre mayor sea la temperatura de la unión, mayor es el voltaje producido por dicha unión. Además, la relación entre el voltaje y la temperatura es aproximadamente lineal; es decir, un aumento dado en temperatura produce un aumento dado en voltaje. La constante de proporcionalidad entre el voltaje y la temperatura depende del par de metales que se utilicen. Dado que una bucla completa siempre tiene dos uniones, se producen dos voltajes. Estos voltajes se oponen entre sí en la bucla, tal como lo muestra la figura 3.8 (b). El voltaje neto disponible para manejar una corriente a través de la resistencia de la bucla es la diferencia entre los dos voltajes individuales de las uniones, los cuales dependen de la diferencia entre las dos temperaturas de las uniones.

Figura 3.8

Para medir la diferencia de temperatura solamente es necesario abrir la bucla en un punto conveniente (en algún punto frío) e insertar un voltímetro. El voltímetro debe ser bastante sensible dado que el voltaje producido por la bucla de termocupla está en el rango de los milivolts. Entonces la lectura de voltaje puede convertirse en una medida de temperatura refiriéndonos a las tablas estándar que relacionan estas dos variables. En la figura 3.9 se dan gráficas de voltaje versus diferencia de temperatura para varias termocuplas industriales En cada caso el primer metal o aleación metálica mencionada en la termocupla es el lado positivo y el segundo metal o aleación metálica es el lado negativo.

Para evitar el problema de identificar las termocuplas por el nombre de fábrica se ha adaptado un código de una letra para los tipos de termocuplas. De este modo las termocuplas tipo J tienen la respuesta que se muestra en la figura 3.9 sin importar qué nombre en particular se utilice para identificar la aleación metálica. Lo mismo es valido para las tipo K y las tipo R y para otros tipos no graficados en la figura 3.9.

Figura 3.9

Cuando se inserta un voltímetro en la bucla de la termocupla, generalmente es más conveniente insertarlo como se muestra en la figura 3.8 (c). En dicha figura 3.8 (c), el metal A  y el metal B de hecho no se tocan uno con otro en el punto de la unión fría. En lugar de esto, ambos metales están en contacto con conductores estándar de cobre. La conexión se hace normalmente en una regleta de terminales. Entonces los conductores de cobre son los que conectan con el voltímetro sensible. Podría pensarse que esto rompería el voltaje neto generado por la bucla de la termocupla, pero esto no sucede. El voltaje neto de la bucla permanece invariable dado que ahora hay dos uniones frías, una entre el metal A y el cobre y la otra entre el metal B y el cobre. La suma de los dos voltajes de unión producidos por estar uniones frías es igual al voltaje que se produciría por la solo unión fría del metal A con el metal B. Desde luego, las dos uniones frías deben mantenerse a la misma temperatura que experimentaría una unión simple. Esto no es un problema, dado que los conductores de cobre y los terminales están siempre dentro de alguna envoltura la cual está aislada térmicamente del proceso que se está midiendo, y que está sometida a la misma temperatura a la cual estaría sometida la unión simple, es decir la temperatura ambiente en la localidad industrial. Por tanto el circuito de la figura 3.8 (c) dará la misma lectura que el circuito de la figura 3.8 (b).

Veamos ahora un hecho importante en la utilización de las termocuplas en la industria. Tiene que ver con la variación de la temperatura ambiente en las uniones frías. Esta es la situación: Si conocemos de antemano la temperatura de la unión fría, entonces en lugar de relacionar la lectura del voltímetro a la diferencia de temperatura podríamos relacionarla a la temperatura misma de la unión caliente. Esto seria posible debido a que podríamos elaborar tablas de temperatura versus voltaje que reflejen el hecho de que la unión fría se encuentra a una cierta temperatura de referencia conocida, como así se le denomina.

Como ejemplo, consideraremos la termocupla tipo J de la figura 3.9. La gráfica muestra que a una temperatura de 400°F, el voltaje de la bucla de la termocupla es 12 mV. Si sabemos que la unión fría estará a 75°F, por decir algo, entonces podríamos concluir que un voltaje de bucla de 12 mV representa una temperatura de la unión caliente de 475° (475° – 75° = 400°). Siempre que la unión fría se mantenga a la temperatura de referencia de 75°F, podríamos reacomodar la tabla de la termocupla agregándole 75°F a cada lectura de diferencia de temperatura. El valor resultante de la temperatura representaría entonces a temperatura de la unión caliente.

En realidad, esto es exactamente lo que se hace en las tablas de las termocuplas industriales. El valor de 75°F se escogió porque representa una suposición ligeramente razonable del promedio de la temperatura ambiental en un ambiente industrial. (En  las tablas de termocupla para uso de laboratorio generalmente la referencia de temperatura considerada es de 32°F, el punto de congelación del agua).

Para que la técnica anterior funcione con exactitud, la unión fría debe mantenerse constantemente a la temperatura de referencia de 75°F. Esto es generalmente impracticable a menos que los instrumentos medidores de temperatura puedan localizarse en un cuarto con aire acondicionado. Con toda probabilidad, el instrumento de medida se localizara con el equipo y la maquinaria industrial. La temperatura puede fácilmente variar de 50°F en el invierno a casi 100°F en el verano; aún cuando son comunes variaciones más amplias en la temperatura ambiente. Debido a estas variaciones de temperatura en la unión fría, las buclas de termocupla industriales deben ser compensadas.

Un método simple de compensación automática se ilustra en a figura 3.8 (b). Las dos fuentes de voltaje CD y las cuatro resistencias están conectadas de tal manera que los voltajes a través de R2 y R3 están en oposición. La polaridad de los voltajes a través de R1 y R4 no tiene importancia. Dado que R1 y R4 están fuera de la bucla de la termocupla. R3 es una resistencia sensible a la temperatura, que tiene un coeficiente térmico negativo. Esto significa que su resistencia disminuye a medida que aumenta su temperatura. El circuito está diseñado de tal manera que a 75°F el pequeño voltaje a través de R3 iguale al pequeño voltaje a través de R2. Los voltajes a través de estas  dos resistencias se cancelan exactamente uno con otro y no es afectada la lectura de voltaje. Ahora si la temperatura de la unión fría aumentase por encima de la temperatura ambiente 75°F, la lectura del voltímetro tendería a disminuir debido a la menor diferencia entre las uniones fría y caliente. Esto tendería a mostrar una lectura de temperatura medida que es menor que la temperatura real en la unión caliente. Sin embargo la resistencia de R3 disminuye a medida que aumenta la temperatura de la unión fría lo cual da como resultado un voltaje más pequeño a través de sus terminales. Por tanto el voltaje R3 no iguala el voltaje de R2 En consecuencia la combinación de R2 – R3 introduce un voltaje neto en la bucla el cual tiende a aumentar la lectura del voltímetro. Debido al diseño del circuito de compensación, el voltaje neto introducido por la combinación R2 – R3 exactamente cancela la disminución en el voltaje de bucla introducida por el aumento de a temperatura en la unión fría.

Si la temperatura de la unión fría cayese por debajo de la temperatura ambiente 75°F, la combinación R2 – R3 introduce un voltaje neto en la dirección opuesta. Esto balancea el incremento en el voltaje de bucla introducido por una mayor diferencia de temperatura entre las uniones fría y caliente. Esto puede verificarlo chequeando cuidadosamente las polaridades en la figura 3.8 (d).

Muchos instrumentos industriales de medida registro de temperatura utilizan Un puente balanceado automáticamente para indicar la temperatura. El voltaje de bucla de la termocupla se balancea moviendo el contacto de un potenciómetro en un circuito de puente de Wheatstone. El eje del potenciómetro esta acoplado a otro eje el cual opera la aguja indicadora de temperatura. Por tanto para cada valor de voltaje de bucla de la termocupla hay una posición correspondiente de la aguja indicadora de temperatura. Entonces la aguja se moverá frente a una escala marcada en temperatura.

TERMISTORES Y DETECTORES

RESISTIVOS DE TEMPERATURA (RTDs)

Además de  utilizar el  voltaje de un termocupla para medir eléctricamente una temperatura, es también posible utilizar el cambio de resistencia que sucede en muchos materiales a medida que cambia su temperatura. los materiales utilizados para esto fin son de dos clases,  metales puros y óxidos metálicos.

Los metales puros tienen un coeficiente térmico positivo de resistencia bastante constante. El coeficiente térmico de resistencia es generalmente denominado coeficiente térmico, es la relación de cambio en la resistencia al cambio de temperatura. Un coeficiente positivo significa que la resistencia se hace mayor a medida que aumenta la temperatura. Si el coeficiente es una constante significa que el factor de proporcionalidad entre resistencia y temperatura es constante y que resistencia y temperatura serán graficados como una línea recta. La figura 3.10 (a) muestra la gráfica de resistencia versus temperatura para varios metales comunes. El factor de resistencia en esta gráfica indica el factor por el cual la resistencia real es más grande que la resistencia de referencia a 0°F. Por ejemplo, un factor de 2 indica que la resistencia es dos veces más grande que su valor a 0°F. Cuando se utiliza un conductor de metal puro para la medida de temperatura, nos referimos al como a un detector resistivo de temperatura, o un RTD (Resistive Temperature Detector).

Cuando se utilizan óxidos metálicos para la medida de temperatura, el material de óxido metálico es moldeado en formas que se parecen a pequeños bulbos o pequeños condensadores. El dispositivo moldeado se denomina entonces un termistor. Los termistores tienen un gran coeficiente térmico negativo el cual no es constante. En otras palabras, el cambio de resistencia por unidad de cambio en temperatura es mucho más grande que en el caso de los metales puros, pero el cambio es en la otra dirección – la resistencia se vuelve más pequeña que la temperatura aumenta. El hechode que el coeficiente no es constante significa que l cambio en resistencia por unidad por unidad de cambio en temperatura es diferente a diferentes temperaturas. La figura 3.10 (b) muestra gráficas de resistencia versus temperatura para tres termistores industriales típicos. Note que la escala vertical es logarítmica para permitir mostrar el gran rango de resistencias. La resistencia sensitiva de temperatura que compensa a termocupla en el tema anterior podría ser un termistor.

Figura 3.10

La figura 3.11 muestra tres circuitos para la utilización de termistores y/o RTDs. En los diagramas esquemáticos, las resistencias sensitivas de temperatura se simbolizan por medio de una resistencia atravesada por una flecha y encerrada por un circulo, y una letra T en la parte de afuera. Una resistencia con un coeficiente térmico positivo puede indicarse por una flecha apuntando hacia la parte superior del círculo, y una resistencia con un coeficiente térmico negativo puede simbolizarse con una flecha apuntando hacia la parte inferior del círculo.

En la figura 3.11 (a) se muestra el transductor de temperatura en serie con un amperímetro y una fuente de voltaje constante. A medida que la temperatura aumenta, la resistencia disminuye y la corriente aumenta. Si se conoce la característica especifica del termistor, es posible relacionar a medida de corriente con la temperatura operante. La fuente de voltaje no debe cambiar o de lo contrario la correspondencia corriente-temperatura no será válida, En la figura 3.11 (b) el termistor aumenta su resistencia a medida que la temperatura aumenta. Esto hace que una mayor parte de la fuente de voltaje constante aparezca a través de sus terminales. De esto modo la lectura del voltímetro puede relacionarse a la temperatura.

Figura 3.11

En la figura 3.11 (c) se utiliza un circuito puente. En cuanto a precisión las medidas de los circuitos puente son inherentemente superiores a otras medidas debido a que el medidor que detecta el balance del puente puede ser muy sensible. Por tanto puede detectarse un pequeño desbalance en el puente y corregirlo. El medidor de detección del puente puede ser muy sensible porque cuando el puente está cercano a balance, el voltaje a través del puente es cercano a cero; dado que el medidor de detección no tiene que medir un gran voltaje, puede hacerse que responda ampliamente a un pequeño voltaje. En otras palabras, puede ser muy sensible. En contraste,los medidores en las figuras 3.11 (a) y (b) no pueden ser muy sensibles debido a que deben ser capaces de leer (relativamente) grandes valores de voltaje o corriente.

El circuito puente trabaja de la siguiente manera: A medida que la temperatura del termistor aumenta, su resistencia disminuye. Esto altera la relación de la resistencia en el lado derecho y por consiguiente desbalancea el puente (asumiendo que estaba balanceado a principio). De cualquier manera manual o automáticamente R3 se ajusta hasta cuando la relación de las resistencias en el lado derecho sea nuevamente igual a la relación de las del lado izquierdo llevando nuevamente el puente al estado balanceado. La posición del eje del potenciómetro R3 representa entonces la temperatura, dado que para cada valor de resistencia R4 hay un solo valor de la resistencia R3 que balanceará el puente. El eje de R3 está unido mecánicamente a otro eje el cual posiciona el indicador de temperatura.

Cuando se utiliza el método de medida por balance del puente, la escala de temperatura será lineal si el transductor es lineal. Una escala de lectura lineal significa que iguales distancias en la escala presentan iguales diferencias de temperatura, o, dicho de otra manera, las marcas en la escala de temperatura están todas igualmente espaciadas. Dado que hemos visto que un termistor es bastante no lineal, podríamos esperar que la escala de temperatura en la figura 3.11 (c) fuese también no lineal. La no linealidad extrema de los termistores los hacen poco deseados para medir temperaturas en rangos amplios. Sin embargo, para medir temperaturas en bandas estrechas, son bastante utilizados, debido a que proporcionan una gran respuesta a pequeños cambios de temperatura. Esta gran respuesta es también lo que los hace recomendables en aplicaciones como la descrita en la figura 3.8 (d) para compensar una bucla de termocupla en una banda ligeramente estrecha de temperatura de unión fría. La gran respuesta del termistor hace fácil la generación de suficiente compensación.

La no linealidad natural de los termistores puede corregirse parcialmente conectando varios termistores apareados entre sí en una combinación serie – paralelo. El circuito resultante se denomina termistor de red compuesta. Estas redes son bastante lineales sobre un rango de temperatura bastante ancho (alrededor de 200°F), pero naturalmente son más costosos que los simples termistores.

Como regla general, los termistores son preferibles cuando se estrecha la banda esperada de temperatura, y las RTDs son preferibles cuando es ancha la banda esperada de temperatura. La mayoría de los termistores se fabrican para utilizarse en algún rango comprendido entre –150°F y +800°F, no obstante, se han desarrollado termistores especiales para ser utilizados a temperaturas extremadamente bajas, cercanas a cero absoluto. Hay disponibles termómetros de RTDs para utilizarse a temperaturas desde –400°F a +2.000°F.

Además de sus usos como medidores de temperatura en un medio externo, los termistores también tienen aplicaciones que hacen uso del calor generado internamente por el paso de la corriente. En cualquier aplicación de medida de temperatura externa, es importante eliminar el efecto del calor generado internamente por el termistor; esto se logra haciendo que la corriente que lo atraviese sea muy pequeña, sin embargo, la capacidad del termistor para cambiar su propia resistencia a medida que genera energía calorífica debido a I²R puede ser muy útil. Por ejemplo, el termistor autocalentado puede utilizarse para establecer tiempos de retardo, proteger componentes delicados de las sobrecorrientes, detectar la presencia o ausencia de un material térmicamente conductor, etc.

FOTOCELDAS Y DISPOSITIVOS FOTOELÉCTRICOS

Las fotoceldas son pequeños dispositivos que producen una variación eléctrica en respuesta a un cambio en la intensidad luminosa. Las fotoceldas pueden clasificarse bien sea como fotovoltaicas o fotoconductoras.

Una celda fotovoltaíca es una fuente de energía cuyo voltaje de salida varia con relación a la intensidad luminosa en su superficie.

Industrialmente, las aplicaciones de las fotoceldas están en dos categorías generales:

·        Para detectar la presencia de un objeto opaco:

1.                  La detección puede hacerse en una base de todo o nada, en la cual el circuito de la fotocelda tiene solamente dos estados de salida, representando bien sea la presencia o la ausencia de un objeto. Esta es la clase de condición utilizada para contar piezas que se mueven por una banda transportadora o para impedir que opere un determinado mecanismo si las manos del operador no se encuentran en lugar seguro.

2.                  La detección puede hacerse en una base continua, en la cual el circuito de la fotocelda tiene una salida variable en forma continua, representando la posición variable del objeto. Esta es la clase de detección utilizada para "vigilar" el borde de una cinta móvil de material y evitar que se desvíe demasiado de la posición apropiada.

·      Para detectar el grado de translucidez (capacidad para dejar pasar la luz) o el grado de luminiscencia (capacidad para generar luz) de un fluido o un sólido. En estas aplicaciones el proceso ha sido acomodado de modo que la translucidez o la luminiscencia representan alguna variable importante del proceso. Algunos ejemplos de variables que pueden medirse de esta forma son densidad, temperatura  y concentración de algún compuesto químico especifico (monóxido de carbono, dióxido de carbono, agua, etc.).

La principal ventaja de las fotoceldas sobre otros dispositivos sensores es que no requieren contacto físico con el objeto que están detectando

Celdas fotovoltaicas

En la figura 3.12 (a) se muestran los símbolos utilizados con frecuencia para las celdas fotovoltáicas. Las dos flechas onduladas apuntando a la batería encerrada por una circunferencia sugieren que la energía luminosa externa produce la acción de batería. Debido a que las flechas onduladas son engorrosas para dibujar, con frecuencia se utiliza la letra griega l para sugerir una activación luminosa.

En la figura 3.12 (b) se ha graficado el voltaje de salida en circuito abierto versus intensidad luminosa para una celda fotovoltaica típica. Note que la gráfica es logarítmica en el eje de intensidad luminosa. Esta gráfica indica que la celda es más sensible a bajos niveles de luz, dado que pequeños cambios en la intensidad (digamos de 1 a 10 fc) pueden producir la misma variación en el voltaje de salida que un gran cambio en la intensidad (digamos de 100 a 1 000 fc) a altos niveles de intensidad luminosa

En la figura 3.12 (c) se ha graficado la corriente de salida de una celda fotovoltaica operando en carga para varios valores de resistencia de carga. Como puede, verse una celda fotovoltaica sola no puede entregar mucha corriente. Las corrientes de salida están medidas en microamperios en este ejemplo. Sin embargo, para aumentar la capacidad de corriente, las fotoceldas pueden conectarse en paralelo.

Figura 3.12

Un ejemplo de una celda fotovoltaica entregando información del tipo todo o nada a un circuito lógico se ilustra en a figura 3.13. En la figura 3.13 (a), la luz proveniente de la fuente luminosa está reunida y enfocada hacia la celda fotovoltaica, la cual se encuentra montada a cierta distancia. Distancias de 10 pies o más no son raras en situaciones industriales. Cuando la celda fotovoltaica es activada por la luz, activa el relé sensible R, cuyo contacto pasa a la señal de entrada al circuito lógico. Si un objeto bloquea el haz luminoso, la fotocelda  desenergiza el relé, y el circuito lógico no recibe entrada.

El objeto que bloquea el haz luminoso puede ser cualquiera. Podría ser­ un objeto móvil cuyo pasaje se cuenta por un contador electrónico o mecánico; podría ser un objeto móvil cuyo pasaje avise a una maquinaria más lejana en la línea de producción que se prepare a recibirlo; podría ser una pieza de trabajo o un miembro de una máquina el cual se supone debe abandonar a la línea de producción que el circuito lógico permita que ocurra algún otro movimiento.

Figura 3.13

Si la celda fotovoltaica tiene problemas para energizar directamente el relé, puede operarlo a través de un amplificador a transistor, como se muestra en a figura 3.13 (b). De todas maneras es una buena idea hacer esto, dado que las celdas fotovoltaicas están sujetas a fatiga cuando entregan una corriente cercana a su corriente máxima durante algún tiempo. El voltaje y la corriente de salida disminuyen cuando una celda fotovoltaica sufre fatiga.

Algunas veces la fuente luminosa, el dispositivo de enfoque, la fotocelda, el amplificador, están todos incluidos en el mismo paquete, como se muestra en la figura 3.13 (c). La luz deja el empaque, atraviesa alguna circunstancia en el espacio, es reflejada por una superficie reflectora, y regresa a través del mismo orificio. Luego es reflejada por un espejo de una vía e incide sobre la fotocelda. El amplificador, el relé, y los contactos están todos dentro del empaque, de modo que la salida final es la conmutación de los contactos del relé para indicar si un objeto ha bloqueado o no el haz luminoso.

Con frecuencia el problema radica en que la señal luminosa no puede distinguirse de la luz del ambiente. El sistema fotoeléctrico sería entonces poco confiable, dado que la celda fotovoltaica puede entregar una salida debida a la luz ambiental. Entonces el sistema indicaría que no hubo objeto bloqueando el haz cuando de hecho hubo un objeto. Esta es la solución a este problema. En lugar de que la luz pase directamente hacia afuera a través del aparato de enfoque, el haz luminoso es "troceado". Es decir, el haz es interrumpido periódicamente con alguna frecuencia especifica por medio de un objeto que se mueve internamente en el empaque entre la fuente luminosa y el orificio de salida.

La mejor forma de hacer esto es instalando un disco rotatorio entre la fuente luminosa y el espejo de una vía en la figura 3.13 (c). Una parte del disco es transparente y otra parte es opaca, de modo que el haz luminoso alternativamente pasa y es bloqueado a alguna frecuencia constante, usualmente varios cientos de Hertz. Asumamos para propósitos de ilustración que el haz luminoso es troceado a una frecuencia de 400 Hz.

Ahora es bastante fácil distinguir entre la luz ambiental y la verdadera fuente de señal simplemente sintonizando el amplificador a 400 Hz. Es decir, diseñar el amplificador de tal manera que no amplificará señales de CD y dará muy poca amplificación a otras frecuencias que pudiesen entrar por la apertura luminosa (tales como las pulsaciones de 60 a 120 Hz de las lámparas de mercurio). El amplificador responderá entonces solamente a las señales de voltaje de la celda fotovoltaica a la frecuencia de 400 Hz. La única manera que una pulsación luminosa alcance la celda es a partir de la verdadera señal luminosa. Todas las señales luminosas extrañas son ignoradas.

La figura 3.14 muestra una aplicación de las celdas fotovoltaicas para medir la translucidez de un líquido que pasa a través de una celda de muestreo. Supongamos que la translucidez es una indicación segura de alguna impureza en el líquido. El espejo semitransparente deja pasar la mitad de la luz proveniente de la fuente hacia el líquido, y la otra mitad de la luz es reflejada a CF1. Solamente la parte de la luz enviada al líquido puede atravesarlo y alcanzar CF2. Por tanto los voltajes generados por CF1 y CF2 serán diferentes, siendo el voltaje de CF1 el mayor.

Las celdas fotovoltaicas 1 y 2 están conectadas en un puente tal como lo muestra  la figura 3.14 (b). El  puente es balanceado manual o automáticamente ajustando R2. La posición final del contacto R2 dependerá de la diferencia entre los voltajes de CF1 y CF2, la cual a su vez depende de la concentración de la impureza. De este modo, una vez que haya sido balanceado el puente, cada valor de R2 corresponderá a algún cierto valor de concentración de impureza. El eje de R2 esta mecánicamente unido a eje del indicador, el cual tiene una escala de concentraciones marcadas debajo de él para una lectura directa.

Este conjunto medidor tiene algunas características de estabilización que merecen comentarios. Primero, ambas fotoceldas son excitadas por la misma fuente luminosa. Esto elimina la posibilidad de un error debido a que una fuente luminosa cambie de intensidad más que la otra. En la figura 3.14, si la fuente luminosa cambia en intensidad debido a envejecimiento de la lámpara o a variaciones en el voltaje de la fuente, ambas fotoceldas serán afectadas igualmente. Este cambio igual es cancelado por la acción del puente.

Segundo, las celdas fotovoltaicas son algo sensibles a la temperatura. Es decir, su voltaje de salida depende ligeramente de su temperatura. Sin embargo, si CF1 y CF2 están físicamente una cerca de la otra, experimentan los mismos cambios de temperatura de modo que cualquier error debido a la temperatura será también cancelado por el puente.

Figura 3.14

Fotoceldas para e1 balanceo automático de un puente.

La figura 3.15 muestra otra utilización popular de las celdas fotoconductoras. El circuito puente en la figura 3.15 (a) balancea el potenciómetro de medida contra el potenciómetro de posición de la válvula para brindar un control proporcional. El conjunto galvanómetro y fotocelda presentado en esta figura es un método barato y confiable para realizar el balanceo automático de un puente.

El galvanómetro es un medidor de cero central. Es decir, si no fluye corriente a través de él, la aguja regresa al centro de la escala. Si la corriente fluye de izquierda a derecha, la aguja se mueve del centro a la derecha; si la corriente fluye de derecha a izquierda, la aguja se mueve del centro hacia la izquierda. Adherida a la aguja hay una veleta muy liviana la cual es opaca. Dos celdas fotoconductoras se encuentran montadas a una pequeña distancia de una cara de la veleta, y hay dos fuentes luminosas montadas a una distancia pequeña de la otra cara de la veleta. Refiérase a detalle del dibujo en la figura 3.15 (a). Si la aguja del galvanómetro está centrada, la veleta cubre ambas fotoceldas, haciendo sus resistencias altas.

Figura 3.15

Si la aguja se descentra una cualquiera de las fotoceldas 1 o 2 se descubrirá, dependiendo de la dirección del movimiento de la aguja. Cuando una fotocelda es descubierta su resistencia cae drásticamente debido a que la luz alcanza su superficie. La disminución de la resistencia pone en conducción a uno de los transistores como interruptor en la figura 3.15 (d), energizando uno de los relés. Entonces los contactos del relé hacen que la motoválvula se abra o se cierre, moviendo el potenciómetro de posición de la válvula hasta cuando el puente regrese a su posición de equilibrio. Cuando el puente está de nuevo en equilibrio, la corriente por el galvanómetro cae a cero, y la aguja regresa a centro de la escala. Ambas fotoceldas están de nuevo en la oscuridad  llevando a corte el transistor que haya sido llevado a conducción. El relé que fue energizado se desenergiza, y la válvula permanece en dicha posición particular