🛠️ Los SENSORES PIROELÉCTRICOS

Los materiales piroeléctricos

✋ Los materiales piroeléctricos, como el tantalato de litio, son materiales cristalinos que generan una carga como respuesta al flujo de calor. Si el material se calienta en un campo eléctrico a una temperatura justo por debajo de la temperatura de Curie, es decir, unos 610° C en el caso del tantalato de litio, y se deja enfriar manteniéndolo dentro del campo, los dipolos del material se alinean y éste se polariza, ver imagen siguiente 👇 apartados (a) y (b). 

Reacción del tantalato de litio en un campo eléctrico a), b) Polarización de un material piroeléctrico, c) Efecto de la temperatura en la cantidad de polarización

👉 Aun cuando el material se retire del campo, conservará su polarización; el efecto es similar a la magnetización de un trozo de hierro al ponerlo en contacto con un campo magnético. Si el material se expone a radiación infrarroja, su temperatura se eleva y se reduce su cantidad de polarización, los dipolos se agitan y pierden su alineación, lo podemos ver en el apartado (c) de la imagen anterior.

👍 Los sensores piroeléctricos estân formados por un cristal piroeléctrico polarizado con delgadas capas de metal como electrodos en caras opuestas.

💣 Dado que el cristal está polarizado con superficies cargadas, los iones son atraídos por el aire que los rodea y por los electrones del circuito de medición conectado al sensor para equilibrar la carga superficial, como vemos en la siguiente 👇 imagen apartado (a). 

Sensor piroeléctrico

💥 Si incide radiación infrarroja en el cristal y provoca un cambio en su temperatura, la polarización del cristal disminuye, al igual que la carga de las superficies del cristal. Se presenta, por lo tanto, un exceso de carga en los electrodos metálicos mayor que la necesaria para equilibrar la carga de las superficies del cristal, ver imagen anterior apartado (b). Esta carga circula a través del circuito de medición hasta

que la carga del cristal vuelve a equilibrarse por la carga de los electrodos.

💢 El sensor piroeléctrico se comporta como un generador de carga, que la genera cuando hay un cambio en su temperatura como resultado de la incidencia de radiación infrarroja. En la parte lineal de la gráfica de la primera imagen en el apartado (c), cuando la temperatura cambia, el cambio de la carga Aq es proporcional al de temperatura At:

Aq = kpAt

donde kp es la constante de sensibilidad del cristal. La figura siguiente 👇 muestra el circuito equivalente de un sensor piroeléctrico, que corresponde a un condensador cargado con el exceso de carga y una resistencia R que representa ya sea la resistencia de la fuga interna o la combinada con la resistencia de entrada de un circuito externo.

Circuito equivalente de un sensor piroeléctrico

Para detectar el movimiento de un ser humano o de otra fuente calorífica, el elemento sensor debe diferenciar entre la radiación calorífica general del ambiente y la que produce la fuente en movimiento. Lo anterior no se puede lograr con un solo sensor piroeléctrico, y por ello se utiliza un elemento doble, lo podemos ver en la siguiente 👇 imagen. 

Sensor piroeléctrico doble

✊ Una modalidad tiene un elemento sensor con un solo electrodo en la parte del frente y dos electrodos independientes en la parte posterior. Se obtienen dos sensores que se conectan de manera que cuando ambos reciben la misma señal calorífica sus salidas se cancelan. Cuando una fuente de calor se mueve de manera que la radiación calorífica se desplaza de uno a otro de los elementos sensores, la corriente que se genera pasa por la resistencia alterna, primero en una dirección y luego en dirección opuesta. La corriente alterna que genera un ser humano por lo general es del orden de 10 elevado a -12 A. Para obtener un voltaje significativo, la resistencia R tiene que ser muy grande. Por ejemplo, con una corriente como la anterior y una resistencia de 50 G ohmios se producen 50 mV. Por lo anterior, en el circuito se incluye un transistor JFET como seguidor de voltaje a fin de reducir la impedancia de salida a unos cuantos k ohmios.

💣 Para dirigir la radiación en el sensor se necesita un dispositivo de enfoque. Si bien es posible utilizar espejos parabólicos, el método más común son las lentes de plástico Fresnel. Estas también sirven para proteger la superficie del frente del sensor y son la forma más común de los dispositivos para activar alarmas por presencia de intrusos o encender una luz cuando alguien se acerca.

Escrito por Archie Tecnology