Principio de funcionamiento de la barrera fotoeléctrica: Guía completa sobre su funcionamiento

Con la rápida evolución del entorno de la Industria 4.0, los avances de la ciencia y la llegada de los ordenadores han transformado esencialmente la planta de fabricación. Los sensores son los ojos de la fábrica moderna y uno de los sensores más versátiles es el sensor fotoeléctrico. Estos sensores ópticos son una necesidad en la automatización industrial y ofrecen la facilidad de control y precisión necesarias para realizar tareas complejas. Para seleccionar el sensor fotoeléctrico más adecuado para una aplicación concreta, es importante conocer los distintos tipos de sensores fotoeléctricos existentes en el mercado y cómo funcionan estos dispositivos.

La presencia de objetos objetivo a altas velocidades, por ejemplo, botellas de bebidas en una cinta transportadora, la seguridad de una puerta de ascensor automatizada o la verificación de la posición correcta de un microchip, pueden detectarse con un sensor fotoeléctrico. Estas máquinas presentan la información vital necesaria para tomar decisiones automatizadas en distintas líneas de producción.

Pero, ¿cómo perciben estos dispositivos su entorno? La base del trabajo de estos dispositivos se basa en una descripción completa de la interacción de la física cuántica, la ingeniería óptica y la electrónica de alta velocidad. La detección fotoeléctrica es sin contacto (a diferencia de los sensores de temperatura de contacto comunes o los interruptores mecánicos) y se puede utilizar para detectar un objeto externo sin desgaste físico. Este tutorial es una explicación completa de cómo funciona un sensor fotoeléctrico, los distintos tipos y las aplicaciones de los nuevos sensores que definen la tecnología actual.

Cómo convierten la luz en señales eléctricas los sensores fotoeléctricos

Un sensor fotoeléctrico es un transductor en su nivel más básico. Transforma la energía electromagnética, en forma de luz en el espectro visible o infrarrojo, en una señal eléctrica que un PLC (controlador lógico programable) puede entender para completar la detección de la presencia de objetos objetivo.

Este proceso se basa en el Efecto Fotoeléctrico como base proceso físico. Cuando el elemento receptor del sensor recibe haces de luz (fotones), éstos dan energía a los electrones. Cuando la energía es la adecuada, empuja a estos electrones y se produce un chorro de corriente eléctrica.

En un sensor industrial moderno, esta conversión se produce dentro de un fotodiodo o un fototransistor.

1. Fotón Absorción: La luz emitida por la fuente luminosa emisora incide en la unión P-N del receptor.
2. Transportista Generación: La energía absorbida crea pares electrón-hueco, que pueden influir en la corriente de base de un circuito transistorizado interno.
3. Conversión de señales: Este cambio de estado eléctrico es procesado por un amplificador interno. El sensor compara las señales ópticas con un umbral predefinido. Si el brillo del LED reflejado supera este umbral, el sensor se “dispara” y cambia su estado de salida. Este proceso se produce en un tiempo mínimo, lo que se traduce en un tiempo de respuesta rápido.

Anatomía de un sensor: Emisores, receptores y circuitos internos

Un sensor fotoeléctrico es una combinación compleja de tres bloques funcionales principales que definen el rendimiento básico de un sensor fotoeléctrico:

1. El Emisor (La Luz Fuente)

En la mayoría de los sensores modernos se utilizan distintos tipos de LED (diodos emisores de luz) o sensores láser. Aunque se suele emplear un LED infrarrojo por su capacidad para resistir la luz ambiental, se prefiere la luz láser por su capacidad de largo alcance gracias a un haz muy colimado. El concepto de sensores láser permite un ángulo de haz muy pequeño, esencial para detectar piezas pequeñas.

2. El receptor (el detector)

La lente óptica y el fotodetector constituyen el elemento receptor. La lente es necesaria porque enfoca los rayos de luz que llegan sobre una pequeña superficie de detección. El receptor también puede enfocar la luz reflejada sobre el objetivo con gran precisión ajustando la gama de ángulos de la óptica interna, y ser insensible a las interferencias ambientales, incluido el flash de los teléfonos móviles o la iluminación aérea de alta frecuencia.

3. Circuitos internos y ASIC

Después de que el detector reciba la luz emisora, el interno ASIC implica:

• Modulación/Demodulación: El emisor emite su luz a una frecuencia específica para evitar interferencias.
• Amplificación: Aumentar las micro-señales en una corriente eléctrica utilizable.
• Ajuste de la sensibilidad: Permite a los usuarios excluir partículas menores como el polvo sin dejar de capturar el objeto externo.

Dominio de los tres modos de detección estándar y sus ventajas y desventajas

El modo de funcionamiento de un sensor viene determinado por la posición del emisor y el receptor. Existen tres tipos principales de sensores fotoeléctricos aplicados en la industria:

Viga pasante (opuesta)

El emisor y el receptor son unidades separadas. El sensor se activa por la ausencia de un objeto entre ellos; cuando pasa un objeto, el haz se interrumpe. Entre las versiones especializadas se encuentra la cortina fotoeléctrica; las aplicaciones de las cortinas fotoeléctricas de seguridad están muy extendidas para proteger a los trabajadores de los brazos robóticos.

• Pros: Funciona a largas distancias (hasta más de 100 m); máxima fiabilidad en entornos operativos difíciles.
• Contras: Requiere cableado a dos lugares diferentes.

Tipo reflectante (retrorreflectante)

El receptor y el emisor están alojados juntos. La luz emitida se dirige a un “reflector” especial y se refleja. Una versión de alta precisión es el sensor de horquilla, en el que el emisor y el receptor están prealineados en una carcasa en forma de U.

• Pros: Requiere cableado a un solo lado; cubre una amplia gama.
• Contras: Pueden ser engañados por objetos brillantes a menos que estén polarizados.

Tipo reflectante difuso

Similar al tipo reflector, pero sin reflector. El sensor espera a que la luz rebote en el propio objetivo. En espacios reducidos, la aplicación de cables de fibra óptica permite que la luz llegue al objetivo a través de un conducto fino y flexible.

• Pros: La instalación más sencilla; sin piezas secundarias.
• Contras: Muy dependiente de las distintas propiedades físicas del objeto, como el color y la textura.

Tabla comparativa: Modos de detección estándar y aplicaciones industriales

Tecnología avanzada: Supresión de fondo y modos de detección especializados

A medida que aumentan los retos de la automatización, los distintos tipos de sensores se han ido especializando.

Supresión de fondo (BGS)

Los sensores BGS resuelven el mayor punto débil de los sensores difusos: “ver” una pared o parte de la máquina detrás del objetivo. Utilizando los Principio de triangulación, Un sensor BGS no sólo mide la intensidad de la luz, sino que interpreta la diferencia de distancia detectando el ángulo específico con el que la luz vuelve al elemento receptor. Este cálculo geométrico permite programar el sensor para que identifique un objeto a 50 mm e ignore totalmente una pared blanca brillante a 60 mm, independientemente del color o el brillo del fondo.

Marca de color y sensores de contraste

El sensor de color utiliza LED RGB para actuar como dispositivos de reconocimiento del color. Estos son esenciales para la detección de diferencias de contraste, como la identificación de una marca de registro negra en una película de envasado azul oscuro.

Haz convergente

El tipo reflectante convergente enfoca los haces emisor y receptor en un único punto fijo en el espacio. Esto permite detectar objetos muy pequeños, como el borde de una oblea, ignorando todo lo demás antes o después de ese punto focal.

Factores críticos de selección: Material del objetivo, distancia y entorno

La elección del sensor depende de un profundo conocimiento de la física del entorno de aplicación, ya que las variables externas pueden tener un gran impacto en el comportamiento de la luz.

1. Reflectividad y color

Cada material tiene un “Factor de Reflectividad” único. En los modos o tipos de reflexión difusa, una superficie blanca mate puede reflejar 90% de la luz hacia el receptor, mientras que una superficie negra mate puede reflejar menos de 5%, absorbiendo el resto en forma de calor. Esto reduce drásticamente la distancia efectiva de detección de objetos oscuros. A la inversa, las superficies muy reflectantes “tipo espejo” (reflexión especular) pueden provocar “falsos positivos” en los sensores retrorreflectantes al reflejar el haz de vuelta igual que lo haría el reflector del objetivo. Para contrarrestar esta situación, se utilizan filtros polarizados para garantizar que el receptor sólo reconoce la luz que ha sido “despolarizada” por un reflector de cubo angular, ignorando eficazmente el resplandor del metal brillante o del plástico.

2. Tamaño y forma del objetivo

Para que un sensor se active, el objeto tiene que ser lo suficientemente grande como para bloquear o reflejar una cantidad considerable del haz de luz. Cuando el haz de luz es más ancho que el objeto, por ejemplo, un alambre fino o una aguja, puede filtrarse algo de luz por los bordes y el receptor no podrá detectar un cambio de estado. En tales situaciones, se requieren sensores basados en láser, ya que los haces de los sensores basados en láser están muy colimados y tienen un haz delgado como una aguja que puede ser interrumpido totalmente por microcomponentes. Además, la forma es importante; las superficies angulares o esféricas pueden desviar la luz del receptor (reflexión de Fresnel), lo que requiere ajustes de ganancia más sensibles.

3. Medio ambiente Ruido y exceso de ganancia

Los entornos industriales rara vez están “limpios”. Los contaminantes suspendidos en el aire, como el polvo, el vapor, la neblina de aceite o las fuertes salpicaduras, dispersan y atenúan la energía luminosa. Para operar a través de este “ruido”, los ingenieros se fijan en Exceso de ganancia-la relación entre la energía luminosa realmente recibida y la energía mínima necesaria para activar el sensor. Un exceso de ganancia elevado sirve como energía de reserva. La regla de oro en condiciones adversas son los sensores de barrera, ya que la luz sólo tiene que atravesar la niebla una vez. Los sensores reflectores, en cambio, tienen que atravesar los contaminantes dos veces (hasta el objetivo/reflector y de vuelta), lo que duplica la pérdida de señal y los expone al riesgo de fallo.

Se trata de aspectos físicos complicados que un socio que ha demostrado experiencia. Desde 1986, OMCH ha ido tendiendo puentes entre la teoría óptica avanzada y la cruda realidad de la industria. Nuestros diseños del mejor sensor fotoeléctrico tienen más de 72.000 clientes en más de 100 países, y se han optimizado para resolver ciertos problemas, como las interferencias en zonas ciegas y las interferencias de fondo.

Para resolver los complejos problemas de reflectividad antes mencionados, OMCH ha desarrollado más de 3.000 referencias especializadas que se basa en la fiabilidad y la facilidad de control. Todos los sensores OMCH se prueban en un proceso de tres fases, que incluye la inspección de entrada, de proceso y final, en nuestro Planta modernizada de 8.000 m2. Los productos OMCH están disponibles en un sensor BGS que está programado para ignorar los fondos brillantes o en un modelo de haz pasante con un alto exceso de ganancia para adaptarse a entornos con mucho polvo, y están disponibles según normas mundiales como ISO9001, CE, RoHS y CCC. OMCH ofrece el rendimiento perfecto en milisegundos con una asistencia técnica rápida 24 horas al día, 7 días a la semana, lo que garantiza que su infraestructura crítica seguirá operativa, por complejo que sea su entorno de detección.

Descifrar la lógica NPN, PNP y Light-on vs Dark-on

Cuando el sensor detecta un objeto, debe comunicarse con el controlador. Esto implica dos conceptos eléctricos importantes.

NPN frente a PNP (la “polaridad”)

Se refiere al tipo de transistor utilizado en la etapa de salida:

• NPN (Sinking): El sensor conecta la carga al carril negativo (0 V). Más común en Asia y con muchos PLC japoneses.
• PNP (Sourcing): El sensor conecta la carga al raíl positivo (+V). Este es el estándar en Europa y Norteamérica.

Luz encendida frente a oscuridad encendida (la “lógica”)

Determina cuándo está activa la señal de salida:

• Luz encendida: La salida está “ON” cuando el receptor ve luz. (Típico de los sensores difusos).
• A oscuras: La salida está “ON” cuando se interrumpe el haz luminoso. (Típico de los sensores de barrera).
• Los sensores modernos suelen incorporar un “cable de control” o un interruptor que permite al usuario alternar entre estos dos modos, lo que ofrece una mayor flexibilidad sobre el terreno.

Guía de solución de problemas: Solución de problemas comunes de disparo falso

Incluso los sensores mejor diseñados pueden tener dificultades sobre el terreno. El primer paso para solucionarlo es conocer el porqué de un fallo:

• Interferencia mutua: Si dos sensores se colocan demasiado cerca, el receptor del sensor A podría “ver” el emisor del sensor B.
  • Solución: Separe más los sensores o intercambie las posiciones del emisor/receptor para que miren en direcciones opuestas.
• Contaminación de la lente: El polvo o una película de aceite dispersan el haz, lo que provoca señales intermitentes.
  • Solución: Utilice sensores con un LED “Indicador de estabilidad” que parpadea cuando la señal luminosa se debilita peligrosamente.
• Interferencias de luz ambiental: La luz solar intensa o la iluminación LED superior de alta frecuencia pueden eludir ocasionalmente los filtros del sensor.
  • Solución: Utilice un sensor con mejor “rechazo de la luz parásita” o añada una simple cubierta física al receptor.

El futuro de la detección: IO-Link y diagnóstico inteligente

Estos dispositivos están cambiando gracias a la aparición de protocolos de comunicación óptica como IO-Link. Las funciones de los nuevos sensores permiten transmitir datos en tiempo real sobre el brillo del LED o la temperatura interna. Esta información puede utilizarse para el mantenimiento predictivo, en el que no se interrumpe la identificación de la existencia de objetos objetivo.

En lugar de limitarse a emitir un “Sí/No”, un sensor habilitado para IO-Link puede transmitir datos en tiempo real sobre su estado, por ejemplo:

• Temperatura interna: Detección del sobrecalentamiento antes del fallo.
• Niveles de ganancia del receptor: Alerta al equipo de mantenimiento de que la lente se está ensuciando antes de deja de funcionar (mantenimiento predictivo).
• Configuración remota: Cambio de la sensibilidad o la lógica del sensor a través del software del PLC sin tocar el hardware.

Con el avance hacia una fabricación más autónoma, la incorporación de protocolos de comunicación digital garantizará que los sensores sean las piezas más fiables e inteligentes de la cadena de montaje moderna.

Conclusión

El principio de funcionamiento de las barreras fotoeléctricas, es decir, cómo se transforma la luz en un cuanto y cómo se obtiene la lógica de salidas NPN/PNP, es uno de los requisitos básicos de cualquier ingeniero o técnico en el ámbito de la automatización. Mediante la correcta selección del modo de detección y la comprensión de las variables ambientales en funcionamiento, se pueden desarrollar sistemas más rápidos, seguros y eficaces.