Fotómetro de bajo coste

• *Versión 1.0*
• Fecha de la versión: 10 de enero de 2025
• Autor: Jose Francisco Dafos Alex
• Correo electrónico: pepedafos@correo.ugr.es
• Descripción: Este documento contiene la información necesaria para el desarrollo e implementación de un fotómetro de bajo coste, con aplicaciones para radiotelescopios y observastorios astronómicos. Además, realiza un breve resumen de anteriores trabajos relacionados con el tema, así como del fundamento teórico que da lugar a la implementación del sensor.
• Requisitos previos: Altium

Introducción

Un fotómetro es un dispositivo cuya función es medir la intensidad de la luz, para lo cual evalua la cantidad de energía luminosa que indice sobre una superficie (o que es emitida o reflejada por la misma). Estos dispositivos están formados, generalmente, por las siguientes partes:

• Sensor de luz: Este dispoitivo genera una corriente proporcional a la cantidad de luz recibida. El sensor de luz puede implementarse de diferentes formas:
  • Fotodiodo
  • Fototransistor
  • Célula fotoeléctrica
• Circuito de procesamiento: Este circuito es el encargado de amplificar la señal generada por el sensor, así como de convertir la misma en valores que puedan ser interpretados y procesados posteriormente.
• Pantalla de visualización (opcional): Utilizada para mostrar los resultados de la medición. Este elemento puede ser prescindible en función del diseño final del producto, ya que los datos podrían ser transmitidos por cable o de manera inalámbrica a otro dispositivo.

Existen diversos tipos de fotómetros en función de su aplicación: fotómetros de exposición, fotómetros astrónomicos y fotómetros de laboratorio. En este caso, dada la naturaleza del proyecto, se va a realizar el diseño orientado a aplicaciones astronómicas.

Sensor de luz

Una primera idea de diseño para el sensor de luz es la siguiente:

Figura 1.1: Primera idea para el esquemático del sensor de luz del circuito

Como se puede observar, el circuito consta de un amplificador operacional configurado en modo amplificador inversor. Además, consta de un fotodiodo a partir del cual se puede llevar a cabo la medición de la cantidad de luz que incide sobre el mismo. Tras esto, la señal (la cual es muy reducida) es amplificada a la salida, pudiendo procesarla posteriormente en la siguiente etapa. (HAY QUE TENER EN CUENTA LA TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN POSITIVA Y NEGATIVA) (REVISAR EL DISEÑO Y BUSCAR OTRO ESQUEMÁTICO MUY PARECIDO)

Corrección del anterior esquemático

Como se puede observar en la figura 1.1, se nos plantea un problema a la hora de convertir la señal analógica en digital. Esto se debe a la alimentación simétrica del amplificador operacional, la cual hace que se puedan obtener tensiones negativas a la salida. Por ello, se ha planteado la siguiente alternativa, implementando un amplificador de transimpedancia, cuya función principal es convertir la corriente en valores de tensión (en este caso mayores o iguales que cero):

Figura 1.2: Circuito amplificador de transimpedancia para convertir la corriente del fotodiodo en valores de tensión para el ADC

Como se puede observar en la figura 1.2, se ha introducido una tensión de $5\:[V]$ a la entrada no inversora del amplificador operacional. Esto se ha hecho puesto que el fotodiodo debe estar polarizado en inversa con una tensión $V_R=5\:[V]$. Teniendo en cuenta la realimentación negativa, se puede considerar que la tensión en la entrada inversora y no inversora es idéntica, por lo que el fotodiodo quedaría polarizado a $5\:[V]$ en inversa.

Se puede llevar a cabo el desarrollo analítico de la siguiente manera:

$$ \frac{V^- -V_{out}}{R_f} = I$$

Al tener realimentación negativa, se tienen que la tensión en la entrada inversora y no inversora es idéntica, por lo que $V^- = V_{CC}$:

$$ \frac{V_{CC} -V_{out}}{R_f} = I$$

Simplificando y despejando, se obtiene el siguiente resultado:

$$ V_{out} = V_{CC} - I \cdot R_f $$

Como se puede observar, cuando la corriente proporcionada por el diodo es nula, la tensión a la salida es máxima $(5\:[V])$. Por otro lado, la tensión mínima que se puede obtener a la salida es de $0\:[V]$, para lo cual se debe cumplir que $V_{CC}=I \cdot R_f$. Se ha establecido un valor $R_f=20\:[k \Omega]$, por lo que la corriente máxima que se podrá registrar es de $I_{max} = 250\:[\mu A]$. (Esta corriente es muy superior a la proporcionada por la mayoría de fotodiodos que se han considerado para el proyecto, teniendo en cuenta las condiciones lumínicas a las que va a ser expuesto).

Una vez que se hayan seleccionado todos los componentes, puede ser que sea necesario diseñar un divisor de tensión a la salida del amplificador operacional, de manera que la salida de $5\:[V]$ se traslade (manteniendo la linealidad) a un valor de $3.3\:[V]$.

Elección del fotodiodo

Finalmente, se ha optado por utilizar el fotodiodo $OPT101P$, el cual integra directamente el amplificador de transimpendancia, equivalente al de las figuras 1.1 y 1.2. La ventaja de este dispositivo son varias, principalmente tratándose de un dispositivo económico que permite ahorrar numeros componentes en la placa y, por tanto, reduciendo el tamaño del diseño final.

Figura 1.3: Circuito integrado del OPT101P

El esquemático donde se implementa el fotodiodo $OPT101P$ puede observarse en la figura 1.4.

Figura 1.4: Esquemático correspondiente al fotodiodo $OPT101P$

Alimentación del dispositivo

En un primer momento, se ha considerado la posibilidad de alimentar los circuitos mediante una batería recargable. No obstante, dada la naturaleza del dispositivo, se ha optado por alimentar el mismo mediante conexión a la red eléctrica. Esto se debe a que la funcionalidad del dispositivo es pasar largos periodos de tiempo en cubiertas de edificios, azoteas, u otras zonas poco accesibles. Por ello, la mejor opción es proporcionar una alimentación constante al dispositivo, sin la necesidad de recogerlo para cargar la batería y tener que volver a alinear y equilibrar el dispositivo nuevamente.

La red eléctrica proporciona corriente alterna (CA), con una amplitud de $230\:[V]$ y $f=50\:[Hz]$. Por ello, es necesario llevar a cabo una transformación AC-DC, de manera que se puedan alimentar los circuitos del dispositivo con corriente continua.

Para ello, se ha hecho uso del esquemático de la figura 1.3:

Figura 1.5: Esquemático del circuito de alimentación y de acondicionamiento de la señal para el ADC

Como se puede observar en la figura 1.3, el conversor AC-DC consta de una entrada para la red eléctrica (componente J1), proporcionando una salida continua de $5.1\:[V]$. Esta tensión de salida será utilizada posteriormente para alimentar al fotodiodo, así como para introducirla en un regulador de voltaje y reducirla a $3.3\:[V]$, permitiendo alimentar el ESP32.

Diseño del ESP32

La elección del ESP32 para el diseño del fotómetro se fundamenta en sus capacidades técnicas y su compatibilidad con el sensor OPT101P. Este microcontrolador ofrece una elevada potencia de procesamiento y conversión analógica-digital con resolución suficiente para capturar y procesar con precisión las señales generadas por el fotodiodo integrado del OPT101P. Además, la conectividad Wi-Fi incorporada del ESP32 facilita la transmisión de datos para su análisis remoto, eliminando la necesidad de almacenamiento local. Dado que el dispositivo estará alimentado a la red eléctrica, el consumo energético no es una limitación, permitiendo aprovechar al máximo las prestaciones del ESP32 para garantizar un funcionamiento fiable y eficiente.

Los esquemáticos correspondientes al ESP32 pueden observarse a continuación:

De esta manera, quedaría implementado el ESP32 en la placa PCB.

Entrada de la señal analógica al ADC del ESP32

La conexión de la señal analógica del sensor OPT101P al ADC del pin 34 del ESP32 se debe a su diseño como entrada dedicada exclusivamente a la conversión analógica-digital, lo que permite minimizar las interferencias en las mediciones. Aunque el dispositivo empleará conectividad Wi-Fi, la arquitectura del ESP32 garantiza un buen aislamiento entre los módulos de comunicación y los ADC, especialmente en los pines del ADC1, al que pertenece el pin 34. Este enfoque asegura una conversión precisa de la señal analógica a digital, incluso durante la operación simultánea de otras funcionalidades, lo que es fundamental para la correcta adquisición y procesamiento de los datos en el fotómetro.

Diagrama de bloques del dispositivo

En la figura 1.6, puede observarse el diagrama de bloques correspondiente al diseño final del fotómetro. En este se puede observar la interconexión de cada una de las partes del dispositivo, así como las entradas y salidas del mismo.

Figura 1.6: Diagrama de bloques del diseño final del fotómetro, mostrando como interconectan cada una de sus partes

Diseño final de la PCB del fotómetro

A continuación, puede observarse el aspecto final de la PCB.

Diseño de la carcasa exterior del dispositivo

En las siguientes figuras puede observarse el diseño de la carcasa exterior del dispositivo, diseñado en SolidWorks.