Si está diseñando sistemas de automatización de alta velocidad o equipos de recuento rápido, ya sabe que las hojas de especificaciones mienten. Bueno, puede que “mentir” sea una palabra demasiado fuerte, pero lo cierto es que mienten. Usted compra un sensor que afirma tener una reacción ultrarrápida, lo atornilla a su línea de producción y, de repente, su PLC está dejando de contar cuando la cinta transportadora alcanza la velocidad máxima.
¿El culpable casi siempre? No te fijaste lo suficiente en el tiempo de respuesta del conmutador óptico, En concreto, la pequeña y desagradable diferencia entre el tiempo de subida (tr) y el tiempo de bajada (tf).
La mayoría de los ingenieros de hardware sólo se fijan en la velocidad. Ven un tiempo de subida rápido y piensan que ya están listos. Pero en el mundo real -donde hay polvo, capacitancia de los cables y láseres ligeramente desalineados- esa falta de atención al tiempo de respuesta completo del conmutador óptico le va a pasar factura. Hoy vamos a desmenuzar lo que ocurre realmente en el interior de estos componentes, por qué falla su equipo de recuento y cómo especificar correctamente sus detectores.
El sucio secreto del tiempo de respuesta de los conmutadores ópticos
Quitemos una opinión controvertida de en medio ahora mismo: pagar enormes primas por fotodiodos de avalancha (APD) sólo para obtener un tiempo de respuesta de conmutación óptica más rápido suele ser tirar el dinero por la ventana. Para 90% de automatización industrial, máquinas contadoras y cintas clasificadoras, no se necesitan APD. Son ruidosos, requieren molestos circuitos de polarización de alto voltaje y se desvían con los cambios de temperatura.
Lo que realmente necesitas es una sólida comprensión de cómo se comportan los detectores estándar y cómo optimizar tu circuito en torno a ellos.
Cuando hablamos de tiempo de respuesta de un interruptor óptico, en realidad nos referimos al tiempo que tarda el detector en despertarse, darse cuenta de que le ha llegado la luz, emitir una señal útil y, lo que es más importante, volver a dormirse cuando la luz cesa.
Descomposición del tiempo de subida (tr)
El tiempo de subida (a menudo escrito como tr) es el tiempo que tarda la señal de salida de tu sensor en saltar de 10% a 90% de su valor pico máximo después de que la luz incida sobre él. Imagínatelo como el tiempo de reacción de un velocista al salir de los tacos de salida.
En un entorno perfecto, el tiempo de respuesta del interruptor óptico vendría dictado por el tiempo de tránsito de los portadores (electrones y huecos) que se desplazan por la región de agotamiento del diodo. La fórmula de este tiempo de tránsito limitado al tiempo de subida es bastante sencilla de introducir en la calculadora:
tr = 0,35 / BW
(Donde BW es el ancho de banda de tu sistema).
El verdadero enemigo: Tiempo de Otoño (tf)
Aquí es donde el marketing se desmorona. A los fabricantes les encanta presumir de tr. Pero a menudo ocultan el tiempo de caída (tf), que es el tiempo que tarda la señal en bajar de 90% a 10% cuando se retira la luz.
¿Por qué lo ocultan? Porque el tiempo de caída es casi siempre más lento que el de subida.
Cuando la luz incide en un fotodiodo, crea pares electrón-hueco. Los electrones son rápidos. Atraviesan rápidamente la región de agotamiento. Los agujeros, en cambio, son lentos. Arrastran los pies. Además, si la luz penetra fuera de la región de agotamiento en el silicio no agotado, los portadores generados allí tienen que volver lentamente. Esta “cola de difusión” arruina por completo el tiempo de respuesta del interruptor óptico. Puede tener un tiempo de subida de 1 nanosegundo, pero un tiempo de bajada de 15 nanosegundos. Si su equipo de recuento busca impulsos limpios y cuadrados, esa larga cola hará que su sistema registre dos objetos rápidos como un único objeto largo.
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Bee Photon ofrece un fotodiodo PIN de Si COB compacto con una amplia respuesta espectral (350-1060 nm). Este fotodiodo Chip-on-Board presenta una baja corriente oscura, ideal para aplicaciones integradas y con limitaciones de espacio.
Por qué su equipo de recuento pierde paquetes
Pongamos esto en un escenario del mundo real. Estás construyendo un contador de píldoras farmacéuticas de alta velocidad. Las pastillas pasan por tu sensor a una velocidad aterradora.
Si el tiempo de respuesta global del interruptor óptico es demasiado lento, la señal no tendrá tiempo suficiente para volver a cero antes de que la siguiente pastilla bloquee la luz. Las señales se mezclan entre sí. Su PLC ve un estado “ON” constante en lugar de pulsos individuales.
Para evaluar si la velocidad de su dispositivo cumple los requisitos de frecuencia de su equipo de automatización, no puede limitarse a hacer conjeturas. Tiene que calcular la frecuencia máxima absoluta que puede manejar su sensor basándose en el tiempo de respuesta de su interruptor óptico.
La fórmula f_max que realmente necesita
Olvídese por un momento de la complicada física. Si quieres una forma rápida y sucia de saber si el tiempo de respuesta de tu interruptor óptico es lo suficientemente rápido para tu máquina, utiliza esta fórmula fácil de entender:
f_max = 1 / (2 * (tr + tf))
Supongamos que tu sensor tiene un tiempo de subida (tr) de 5 microsegundos y un tiempo de bajada (tf) de 10 microsegundos.
El tiempo total de transición es de 15 microsegundos.
Multiplica por 2 y obtendrás 30 microsegundos.
1 dividido por 30 microsegundos da una frecuencia máxima de aproximadamente 33,3 kHz.
Si su máquina necesita contar objetos que pasan a 50 kHz, el tiempo de respuesta de su conmutador óptico actual va a fallar estrepitosamente. Obtendrá dobles recuentos, recuentos erróneos y, en última instancia, un cliente muy enfadado preguntándose por qué sus números de inventario están totalmente desordenados.
Fotodiodos PIN de Si: El punto óptimo para el tiempo de respuesta de los interruptores ópticos
¿Recuerdas que antes dije que los APD están sobrevalorados para la mayoría de las tareas de automatización? Aquí es donde entran en juego los diodos PIN.
Un fotodiodo PIN añade una capa intrínseca (I) entre las capas P y N. Esto hace que la región de agotamiento sea más amplia. Esto hace que la región de agotamiento sea más amplia. Una región de agotamiento más amplia significa menos capacitancia. Y como sabe cualquier estudiante de primer curso de ingeniería, una menor capacitancia significa una mejora drástica del tiempo de respuesta del conmutador óptico.
Como la región de agotamiento es más gruesa, la mayor parte de la luz se absorbe justo ahí, lo que significa que se obtiene una rápida corriente de deriva y muy poca de esa lenta y molesta corriente de difusión de la que hablábamos antes. Esto hace que el tiempo de caída sea casi tan rápido como el de subida, proporcionando una onda cuadrada limpia y bonita que encantará a tu equipo de recuento.
Si está buscando mejorar la velocidad de su línea de clasificación sin tener que lidiar con el dolor de cabeza que suponen los requisitos de alto voltaje de los APD, cambiar a fotodiodos PIN de Si de alta velocidad es básicamente el código de trucos definitivo. Te dan el tiempo de respuesta del interruptor óptico que necesitas a una fracción de la complejidad.
Factores clave que estropean el tiempo de respuesta de su conmutador óptico
Aunque compres el mejor diodo PIN de Si del mercado, puedes arruinar el tiempo de respuesta de tu interruptor óptico si no diseñas bien el circuito. El diodo no funciona en el vacío.
La trampa de la constante de tiempo R-C
El tiempo de respuesta del interruptor óptico está muy limitado por la constante de tiempo RC del circuito. Esto incluye la capacitancia de unión del propio diodo, la capacitancia parásita de las trazas de la placa de circuito impreso, la capacitancia de los cables y la resistencia de carga.
La fórmula para el tiempo de subida limitado RC es:
tr = 2,2 * R_carga * C_total
Veamos las matemáticas. Si quieres una oscilación de tensión más grande para que sea más fácil de leer para tu PLC, podrías tener la tentación de utilizar una resistencia de carga masiva (R_load). Pero, ¡mira la fórmula! Si aumentas R_load, el tiempo de respuesta de tu interruptor óptico aumenta (es decir, se hace más lento). Estás cambiando velocidad por amplitud de señal.
Si tu cable tiene 5 metros de longitud y añade 100 picofaradios de capacitancia, y utilizas una resistencia de 10 kohmios, el tiempo de respuesta de tu conmutador óptico va a ser lento, por muy rápido que sea el propio diodo. Hay que mantener las trazas cortas, utilizar cables de baja capacitancia y equilibrar la resistencia de carga con cuidado.
Tensión de polarización inversa
¿Quiere reducir artificialmente la capacitancia de su diodo y mejorar el tiempo de respuesta de su conmutador óptico? Aplique una tensión de polarización inversa. Aplicar una tensión inversa a un diodo PIN amplía aún más la región de agotamiento. Esto reduce la capacitancia de unión y barre los portadores más rápidamente.
Sólo asegúrate de comprobar en la hoja de datos la tensión inversa máxima, o freirás el componente.
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Nuestro PIN de Si para fotometría de precisión ofrece una exactitud excepcional para la medición de luz sensible. Con baja corriente oscura, este fotodiodo es ideal para instrumentos analíticos y científicos que requieren resultados precisos.
Datos reales: Evaluación comparativa de detectores
Sé que a los ingenieros les encantan los datos concretos, así que veamos cómo se comportan las distintas tecnologías cuando medimos el tiempo de respuesta de sus interruptores ópticos. Los datos que se muestran a continuación reflejan las referencias típicas del sector para detectores utilizados en la automatización B2B de alta velocidad. Según las pruebas verificadas por los principios electroópticos estándar de la IEEE, la diferencia en el tiempo de respuesta del conmutador óptico entre arquitecturas es asombrosa.
| Tipo de detector | Tiempo de subida típico (tr) | Tiempo de caída típico (tf) | Idoneidad del tiempo de respuesta del conmutador óptico | El mejor caso de uso en automatización |
|---|---|---|---|---|
| Fotodiodo PN estándar | 1 - 5 µs | 5 - 20 µs | Lento a moderado | Detección básica de presencia de objetos, transportadores lentos. |
| Fototransistor | 5 - 15 µs | 10 - 50 µs | Muy lento | Interruptores de interfaz humana, compuertas de baja velocidad. |
| Fotodiodo PIN de Si | 0,1 - 1 ns | 0,1 - 2 ns | Ultrarrápido | Recuento de alta velocidad, clasificación rápida, alineación láser. |
| Fotodiodo de avalancha (APD) | 0,1 - 0,5 ns | 0,1 - 0,5 ns | Extremo (pero ruidoso) | Comunicaciones por fibra óptica, LiDAR de largo alcance. |
Como puedes ver, los fototransistores son terribles si te preocupa el tiempo de respuesta del interruptor óptico. Tienen una ganancia interna enorme, pero esa ganancia viene a costa de una capacitancia masiva. Si su equipo de recuento funciona rápido y está utilizando un fototransistor, lo va a pasar mal. Utilice diodos PIN de Si.
Historia de éxito: Solución de un cuello de botella en un clasificador de alta velocidad
Quiero compartir una historia anónima de un cliente B2B con el que hemos trabajado recientemente. Fabrican máquinas de clasificación óptica de alta velocidad que se utilizan en la industria agrícola para separar los granos de arroz malos de los buenos cuando caen por el aire.
Utilizaban fotodiodos PN estándar. Su sistema funcionaba bien a 500 kilogramos por hora. Pero cuando intentaron poner la máquina a 800 kg/h, la precisión de clasificación bajó de 99% a 82%.
Culparon a sus algoritmos de software. Pasaron meses reescribiendo la lógica del PLC. Pensaron que los eyectores de aire se retrasaban.
Al final se pusieron en contacto con nosotros para revisar el hardware. Conectamos un osciloscopio a su placa de sensores e inmediatamente detectamos el problema. El tiempo de respuesta de su conmutador óptico era completamente inadecuado. El tiempo de subida era aceptable, pero el tiempo de bajada era un desastre masivo e inclinado debido a la difusión de portadoras en los diodos PN baratos que utilizaban. Los granos de arroz caían tan rápido que la señal del sensor nunca volvía a la línea de base. La máquina literalmente no podía “ver” el espacio entre dos granos.
Cambiamos sus sensores baratos por fotodiodos PIN de Si personalizados. También redujimos su resistencia de carga de 5 kohmios a 50 ohmios y añadimos un amplificador de transimpedancia (TIA) para recuperar la amplitud de señal perdida sin sacrificar velocidad.
¿El resultado? El tiempo de respuesta del interruptor óptico se redujo de microsegundos a nanosegundos. La máquina alcanzó cómodamente los 1.000 kg/h con una precisión de 99,5%. No se trataba de un problema de software, sino de pura física.
Cómo probar el tiempo de respuesta de su conmutador óptico sin engañarse a sí mismo
Si vas a probar el tiempo de respuesta de tu propio interruptor óptico en el laboratorio, no utilices un LED estándar accionado por un generador de señales barato. La mayoría de los LED tienen un tiempo de apagado terriblemente lento debido a su propia vida útil.
Si utiliza un LED lento para probar un fotodiodo rápido, no está midiendo el tiempo de respuesta del interruptor óptico del diodo, sino el tiempo de respuesta del interruptor óptico del LED.
Para obtener cifras reales:
- Utilice un diodo láser de pulsos rápidos con un controlador capaz de tiempos de subida/bajada de sub-nanosegundos.
- Asegúrate de que tu osciloscopio tiene un ancho de banda al menos 3 ó 5 veces superior a la frecuencia que intentas medir.
- Termina tus cables BNC correctamente (normalmente a 50 ohmios) para evitar reflexiones de señal que parezcan falsos “timbres” en tu tiempo de caída.
Obtener datos precisos sobre el tiempo de respuesta de sus conmutadores ópticos es la única forma de garantizar que sus equipos de automatización no se estropeen sobre el terreno.
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FAQ: Respuestas a sus preguntas sobre el tiempo de respuesta de los conmutadores ópticos
P: ¿Por qué empeora el tiempo de respuesta de mi conmutador óptico cuando aumenta la temperatura?
R: El calor aumenta la energía térmica de la red de silicio, lo que disminuye la movilidad de los portadores. Los portadores más lentos tardan más en transitar. Además, las temperaturas más altas aumentan la corriente oscura, que añade ruido a la línea de base de la señal, lo que hace que sea más difícil para su sistema para disparar definitivamente en el tiempo de subida o bajada.
P: ¿Puedo arreglar por software un tiempo de respuesta lento de un conmutador óptico con desbordamiento?
R: No. La eliminación de rebotes por software es para el rebote mecánico de los interruptores. Si el tiempo de respuesta del interruptor óptico es fundamentalmente más lento que el evento físico que se produce delante de él (como dos objetos que se mueven rápidamente), los datos se destruyen a nivel físico. El software no puede reconstruir un espacio entre objetos que el sensor nunca detectó.
P: ¿Hay algún inconveniente en aplicar una tensión de polarización inversa elevada para mejorar la velocidad?
R: Sin duda. Aunque aumentar la polarización inversa mejora el tiempo de respuesta del interruptor óptico al reducir la capacitancia, también aumenta la corriente oscura (corriente de fuga) del diodo. Esto aumenta el ruido de disparo. Tienes que encontrar el equilibrio en el que el diodo sea lo suficientemente rápido, pero el ruido de fondo no inunde tu señal.
P: ¿Cómo sé si mi equipo de recuento necesita un tiempo de respuesta más rápido?
R: Si su máquina cuenta perfectamente a bajas velocidades pero empieza a perder recuentos o a bloquearse a altas velocidades -y ha descartado atascos mecánicos- es probable que el tiempo de respuesta de su interruptor óptico sea el cuello de botella. Necesita calcular el tiempo entre objetos que pasan y asegurarse de que su tr + tf es significativamente menor que ese intervalo.
Dejar de adivinar, empezar a medir
Seamos realistas. Si está leyendo esto, probablemente esté lidiando con un sistema que no funciona como usted desea. Está cansado de que se atasquen las líneas de clasificación, de que el equipo de recuento deje caer los números y de los interminables bucles de depuración.
Acabamos de explicar exactamente cómo las resistencias de carga, la capacitancia y la física básica determinan el tiempo de respuesta del interruptor óptico. Ya sabe que confiar en las hojas de especificaciones genéricas es una receta para el desastre, y que el tiempo de caída (tf) es el asesino silencioso de la automatización de alta velocidad.
Imagine sus máquinas de clasificación funcionando perfectamente a máxima frecuencia, con señales nítidas de onda cuadrada que su PLC nunca malinterpreta. Se acabaron los parches de software. Se acabaron los dobles recuentos. Sólo rendimiento de hardware puro y fiable.
No tiene por qué resolverlo usted solo. Si necesita mejorar la velocidad de su equipo de recuento, explore Soluciones de conmutación óptica de BeePhoton para encontrar los componentes exactos construidos para sus requisitos de frecuencia. Mejor aún, deje de perder el tiempo ajustando circuitos defectuosos y póngase en contacto con nuestro equipo de ingenieros directamente. Podemos ayudarle a especificar el fotodiodo PIN de Si perfecto y a ajustar el tiempo de respuesta de su conmutador óptico para obtener la máxima eficacia. Envíenos sus parámetros y hagamos que su automatización funcione como debe.
