Los sistemas ópticos de medición y control, diseñados basándose en los distintos principios mediante los cuales el flujo luminoso interactúa con los componentes fotoeléctricos, son muy diversos. Según la naturaleza de la señal de salida generada por los componentes fotoeléctricos (o el sistema en su conjunto), estos sistemas se pueden clasificar en términos generales en dos categorías: sensores fotoeléctricos analógicos y sensores fotoeléctricos de pulso (o conmutación). Un sensor fotoeléctrico analógico convierte la cantidad medida en una fotocorriente que varía continuamente, estableciendo una relación única y de valor único-entre la cantidad medida y la señal de salida. Según el método utilizado para medir (o detectar) el objeto objetivo, los sensores fotoeléctricos analógicos se pueden clasificar en tres tipos principales: tipo de transmisión (absorción), tipo de reflexión difusa y tipo-de bloqueo de luz (interrupción del haz). El "tipo de transmisión" se refiere a una configuración en la que el objeto que se está midiendo se coloca dentro del camino óptico; La energía luminosa emitida por una fuente de luz constante pasa a través del objeto-y una parte se absorbe-antes de que la luz transmitida incida en el componente fotoeléctrico. El "tipo de reflexión difusa" implica una fuente de luz constante que emite luz sobre el objeto que se está midiendo, después de lo cual la luz se refleja de manera difusa desde la superficie del objeto y posteriormente incide en el componente fotoeléctrico. El "tipo de bloqueo de luz-" describe un escenario en el que el flujo luminoso emitido por la fuente de luz es parcialmente obstruido por el objeto que se está midiendo, alterando así la cantidad de flujo luminoso que incide sobre el componente fotoeléctrico; la magnitud de esta alteración está directamente relacionada con la posición del objeto dentro del camino óptico.
El fotodiodo es el tipo más común de sensor óptico. Físicamente, un fotodiodo se parece a un diodo estándar. En ausencia de iluminación, se comporta como un diodo convencional, exhibiendo una corriente inversa muy pequeña conocida como "corriente oscura". Cuando se exponen a la luz, los portadores de carga se excitan, generando pares de electrones-huecos denominados "fotoportadores". Bajo la influencia de un campo eléctrico externo, estos fotoportadores participan en la conducción eléctrica, dando lugar a una corriente inversa significativamente mayor que la corriente oscura; esta corriente resultante se denomina "fotocorriente". La magnitud de la fotocorriente es directamente proporcional a la intensidad de la luz incidente; en consecuencia, se puede obtener una señal eléctrica que varía de acuerdo con los cambios en la intensidad de la luz a través de una resistencia de carga.
Además de poseer la capacidad de convertir señales ópticas en señales eléctricas-una función compartida con los fotodiodos-el fototransistor también presenta la capacidad distintiva de amplificar estas señales eléctricas. La apariencia física de un fototransistor difiere poco de la de un transistor estándar. Normalmente, un fototransistor presenta solo dos cables externos-el emisor y el colector-mientras que el cable de la base se deja desconectado internamente. La carcasa del dispositivo está diseñada con una ventana transparente para permitir la entrada de luz. Para maximizar la absorción de luz, el área de superficie de la región base se hace significativamente mayor que la de la región emisora; en consecuencia, la luz incidente se absorbe principalmente dentro de la región de la base. Durante el funcionamiento, la unión base-del colector tiene polarización-inversa, mientras que la unión base-del emisor tiene polarización-directa. En ausencia de luz, la corriente que fluye a través del dispositivo se conoce como "corriente oscura" (Iceo=(1 + ) Icbo); esta corriente es extremadamente pequeña-incluso menor que la corriente de fuga que se encuentra en los transistores estándar. Cuando se expone a la luz, se genera una gran cantidad de pares de huecos de electrones-, lo que resulta en un aumento en la corriente de base (Ib). La corriente que fluye a través del dispositivo en estas condiciones se denomina "fotocorriente", y la corriente del emisor está dada por Ie=(1 +) Ib. Por tanto, es evidente que un fototransistor posee una mayor sensibilidad que un fotodiodo.
Principio de funcionamiento
Un sensor fotoeléctrico logra el control convirtiendo variaciones en la intensidad de la luz en cambios correspondientes en señales eléctricas.
Generalmente, un sensor fotoeléctrico consta de tres componentes principales: un transmisor, un receptor y un circuito de detección.
El transmisor emite un haz de luz dirigido hacia un objeto objetivo. Este haz de luz generalmente es generado por una fuente de luz semiconductora-como un diodo emisor de luz-(LED), un diodo láser o un diodo emisor de infrarrojos. El haz de luz puede emitirse de forma continua o modularse mediante variación de ancho de pulso-. El conjunto receptor normalmente comprende componentes tales como fotodiodos, fototransistores o fotocélulas. Los elementos ópticos-como lentes y aperturas-se colocan delante del receptor para acondicionar la luz entrante. Detrás del receptor se encuentra el circuito de detección, que sirve para filtrar la señal relevante y procesarla para su aplicación práctica.