DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN MÓDULO CON SENSOR DE LLAMA

En la actualidad, los sensores, y la monitorización con Internet de las Cosas IoT, han inundado el comercio electrónico con multitud de componentes con los que podemos monitorizar prácticamente cualquier variable física, en nuestros hogares y en la industria.

He querido conocer qué es lo que me costaría fabricar uno de estos módulos y para ello he optado por realizar el diseño del circuito y de la PCB de un módulo que detecte una llama, que se pueden encontrar a la venta, por ejemplo en Amazon, para utilizar en microcontroladores como el Arduino. Al mismo tiempo, el proceso de diseño me llevará a entender mejor cada uno de los elementos que conforman el módulo y a sacar de ello algunas conclusiones.

El sensor es el fototransistor YG1006, del que se saca una salida analógica de su colector. Por otra parte he incluido en el diseño una salida digital con ajuste de sensibilidad utilizando el comparador LM393. La salida digital se activa cuando el nivel de irradiancia detectado por el sensor supera un limite determinado por una tensión de referencia ajustable mediante un potenciómetro. 

Tendré en cuenta dos fases: la fase 1, diseño y la fase 2, análisis de costes y fabricación.               

FASE 1: DISEÑO:

El sensor YG1006 es un fototransistor NPN de silicio de alta velocidad y alta sensibilidad. Se puede utilizar para detectar una fuente de fuego o cualquier otra fuente de luz con longitudes de onda en el rango desde los 760 nm hasta los 1100 nm.

Para disponer de una salida analógica en tensión proporcional a la irradiancia, el fototransistor lo debemos conectar en una configuración de emisor común, operando en el modo activo, 

En el circuito anterior los dos parámetros que debemos cuantificar son la tensión de alimentación Vcc y la resistencia de colector Rc. 

Vamos a utilizar como tensión de alimentación los 5 voltios en continua proporcionados por el microcontrolador, por lo que Vcc = 5 Vdc. 

Para hallar el valor de Rc necesitaremos conocer las características de salida del sensor YG1006 que podemos encontrar en la hoja de datos técnicos facilitada por el fabricante. En este caso el gráfico de curvas de la corriente de colector en función de la tensión colector-emisor e irradiancia, nos va a permitir sobreponer la recta de carga sobre el mismo, 

En relación a los posibles valores para la resistencia de colector y teniendo en cuenta que utilizaremos tecnología SMD, muestro en la tabla los valores estándar para las series E6, E12 y E24. La serie E12 tiene el valor que quiero utilizar, Rc = 470 Ohm.

Una vez elegida la resistencia podemos dibujar la recta de carga sobre las características de salida del fototransistor,

De la manera en que he polarizado el fototransistor, para un valor de irradiancia de más de 1.50 mW/cm2, entra en la región de saturación, mientras que por debajo de 0.5 mW/cm2 prácticamente entra en corte. Entre estos dos valores de irradiancia el elemento se comporta como un amplificador.  

Si observamos las curvas de salida del fototransistor nos damos cuenta que para incrementos iguales de la irradiancia Ec, no se producen incrementos iguales en la corriente del colector. Este revela ya un comportamiento no lineal del elemento. 

Otra precaución más a observar es el valor de la impedancia de entrada del convertidor analógico digital, ADC del microprocesador. En el caso de Arduino esta impedancia es de 100 Mohm, por lo que podemos considerar que no va a cargar el colector del fototransistor y por consiguiente las curvas de carga estática y dinámica serán iguales a todos los efectos prácticos. 

Sin embargo la capacitancia a la entrada del ADC es de 14 pF. Es un aspecto importante a tener en cuenta ya que condiciona el tiempo de adquisición de una lectura. El circuito sensor debe cargar los 14 pF de capacitancia para que la lectura del pin analógico sea correcta. La constante de tiempo es 470 ohm x 14 pF = 6.58 ns. Debemos dejar que transcurran 6 constantes de tiempo para que la carga alcance su valor final, lo que resulta en tiempo de adquisición de al menos 6 x 6.58 ns = 39.48 ns. Por otra parte, para una irradiancia de 0.5 mW/cm2 la tensión de salida = 4.5 V. Cargar la capacitancia hasta este valor de tensión en 39.48 ns requeriría una corriente de 1.59 mA.  La corriente a través de Rc es de tan solo 1.06 mA y claramente no es suficiente. Por tanto el tiempo de adquisición de una lectura en el pin del convertidor ADC del microcontrolador va a ser también función de como hayamos diseñado esta primera etapa.

La simulación de la etapa amplificadora la voy a realizar utilizando el transistor de propuesta general 2N2222A según el circuito de la figura. Algunos valores ya los conocemos, como son Vcc = 5 Vdc, Rc = 470 Ohm, y Q1 = 2N2222A.  

La corriente del colector del transistor 2N2222A la proporciona la hoja de características técnicas del fabricante que en este caso es Motorola. 

En las curvas de salida del fototransistor, la irradiancia está dentro del rango 0.5 mW/cm2 < Ec < 1.50 mW/cm2, que mapeamos a un rango de tensiones de entrada de 1 V < VBB < 5 V y con una resistencia de base RB = 84K. Una simulación aproximada de este tipo nos va a permitir sobre todo observar el comportamiento de la salida digital que vamos a diseñar. 

Hay que tener en cuenta que éste es un amplificador con inversión de fase o expresado de otra manera, si la irradiancia de la llama aumenta de intensidad la tensión a la salida del colector disminuye y viceversa. Este factor es importante de cara al diseño de la salida digital que veremos más adelante. Lo comprobamos nuevamente con el resultado de una segunda simulación en la que disminuimos el valor de la irradiancia  y observamos que la tensión de la salida aumenta,

 

La segunda fase en el diseño consiste en añadir una salida digital de manera que cuando la irradiancia supere un determinado umbral podamos programar, por ejemplo, una alarma. La salida digital se va a diseñar entorno al comparador LM393.

Un comparador tiene dos grandes diferencias con respecto a un amplificador operacional. La primera es que su salida es a colector abierto. La segunda es que no existe compensación en frecuencia. Esta segunda característica es importante ya que podrían generarse oscilaciones.

En la hoja de características técnicas del LM 393 de Motorola encontramos el diagrama del circuito,    

En la siguiente simulación con el comparador LM393, tenemos baja irradiancia cuando Vin > Vref y el valor lógico de la salida es HIGH. Si Vin < Vref consideramos que la irradiancia es alta y el valor digital de la salida es LOW. La señal digital es del tipo 'asserted low', en la que el nivel físico HIGH se corresponde con un cero lógico y el nivel físico LOW con un uno lógico.          

        

La otra posibilidad es la que se muestra en una nueva simulación en la que tenemos baja irradiancia cuando Vin > Vref y el valor lógico de la salida es LOW. Si Vin < Vref consideramos que la irradiancia es alta y el valor digital de la salida es HIGH. La señal digital es del tipo 'asserted high', en la que el nivel físico HIGH se corresponde con un uno lógico y el nivel físico LOW con un cero lógico. 

 

El primer caso resulta más atractivo desde mi punto de vista, por dos motivos. Uno es que para valores bajos de irradiancia, es decir en ausencia de una llama, no hay corriente a través de la resistencia de 10K. El segundo motivo tiene que ver con la seguridad. En el estado normal, en ausencia de fuego, la salida es HIGH y si el cable que comunica con el microcontrolador se rompe o hay una mala conexión, saltará la alarma porque el estado de la entrada digital del microprocesador pasará a LOW. Si utilizásemos la segunda opción no habría forma de detectar el defecto y en caso de producirse una alarma de fuego, el estado en el pin del microprocesador nunca pasaría a HIGH. Por consiguiente voy a utilizar la primera opción en el diseño final del circuito.

Una vez que ya tenemos completado el diseño de la etapa analógica y la digital, ensamblamos las dos para obtener el circuito completo,

  

Vamos a excitar el circuito con un tren de pulsos a una frecuencia de 1 Hz. Analizamos la señal de entrada en el nodo positivo del comparador, V2 (azul), la señal en el colector de Q1 (verde) y la salida del LM393 (rojo). Comprobamos que hay oscilaciones en la señal de salida del LM393, 

Es necesario realizar una compensación en frecuencia que la haremos añadiendo un polo a la salida del amplificador con un condensador de 1 uF. Después de la compensación de frecuencia el circuito va a quedar ya en su configuración definitiva,

Finalmente, si realizamos nuevamente la simulación comprobamos que las oscilaciones han desaparecido. Por otra parte, cuando la señal de entrada al LM393, v(6) (V) (azul) es alta, es decir existe un foco de fuego, la señal de salida v(4) (V) (rojo) pasa a estado LOW.  

En varios diseños que he visto, el valor utilizado en este condensador es de 100 nF. Sin embargo y aunque el microcontrolador leería un estado HIGH, la amplitud de las oscilaciones sería algo mayor. La razón por la que se realiza tal elección se deba probablemente a consideraciones económicas, como veremos más adelante. 

FASE 2: ANÁLISIS DE COSTES Y FABRICACIÓN:

Para poder lanzar la orden de fabricación tendremos que tener realizado el diseño de la PCB y el listado de materiales. 

Para este proyecto el listado de materiales lo forman los siguientes componentes,

1x Resistencia SMD 0805 Bourns 470Ω 5% 1/2 watt - 0.12 €

1x Resistencia SMD 0805 Bourns 10KΩ 1% 1/2 watt - 0.13 €

1x Condensador cerámico SMD 0805 1uF (opción 1) - 0.92 € 

1x Condensador cerámico SMD 0805 100nF (opción 2) - 0.31 €

1x Potenciómetro THT 10KΩ Bourns 3386F Vertical - 1.37 € 

1x Comparador dual LM393 On-Semiconductor So-8 - 0.34 € 

1x IR Diodo 5 mm YG1006 Sunrom Flame - 0.15 € 

1x Pin Header 1x04 P2.54 mm Amphenol - 0.24 €

1x PCB 37mmx17mm- 1.50 € 

Subtotal - 4.16 €

Costes directos (2%) - 0.08 €   

Costes indirectos (3%) - 0.12 €   

Total - 4.36 € 

Finalmente he optado por utilizar el condensador de 100nF ya que reduzco significativamente el coste de fabricación por unidad. El coste total son 4.36 € y si lo ponemos a la venta por 6.36 € el beneficio es el 45.9%.

Por último nos quedaría enviar los archivos Gerber al fabricante de PCBs y esperar entre una y dos semanas para recibir el pedido,

Las principales conclusiones que extraigo son dos:

- La ganancia en corriente del fototransistor YG1006 es bastante no lineal por lo que intentaría buscar otras opciones para este elemento.

- A pesar del precio reducido de estos módulos hay un margen significativo de beneficio y sin duda el negocio está en tener un elevado volumen de venta. Para reducir los costes es esencial elegir bien los materiales, especialmente el potenciómetro, y realizar compras de mucho volumen para negociar con el proveedor un mejor precio de los componentes. Conviene además hacer un comparativo de precios con diversos fabricantes de placas electrónicas.