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Estructura del sensor infrarrojo piroeléctrico explicada: del chip a la lente, la lógica de funcionamiento del PIR en detalle
En alarmas de intrusión, iluminación con detección de presencia, hogares inteligentes y automatización industrial, los sensores infrarrojos piroeléctricos (sensores PIR) son prácticamente componentes “estándar”. Con una estructura simple y un consumo energético extremadamente bajo, pueden detectar de forma fiable el movimiento humano incluso en entornos complejos, y se consideran una de las tecnologías de detección de presencia humana con mejor relación costo-rendimiento.
La razón por la que los sensores PIR son “sensibles sin generar falsas alarmas” no reside en algoritmos complejos, sino en un diseño estructural altamente optimizado desde el punto de vista de la ingeniería. Este artículo analiza de manera sistemática cómo su estructura interna distingue entre la radiación térmica de fondo y los objetivos reales en movimiento.
I. Estructura general del sensor PIR
Desde el punto de vista estructural, un sensor infrarrojo piroeléctrico típico está compuesto por tres grandes sistemas:
| Sistema | Componentes | Función |
|---|---|---|
| Sistema central de detección | Chip piroeléctrico y su estructura eléctrica interna | Convierte los cambios de temperatura en señales eléctricas |
| Sistema óptico | Filtro infrarrojo, lente de Fresnel | Concentra la energía infrarroja, divide las zonas de detección y mejora la sensibilidad |
| Sistema mecánico y electrónico de soporte | Carcasa, pines y circuitos periféricos | Garantiza la estabilidad estructural y el blindaje electromagnético |
II. Componente clave: estructura interna del chip piroeléctrico
2.1 Filtro infrarrojo: la primera barrera contra interferencias
El filtro infrarrojo situado en la parte superior del chip es esencialmente un filtro pasabanda infrarrojo, con un rango típico de transmisión de 5–14 μm, que cubre el intervalo de 9–10 μm donde se concentra la radiación del cuerpo humano. Este diseño permite:
Bloquear eficazmente la luz visible
Suprimir interferencias de amplio espectro como la radiación solar o las lámparas incandescentes
Reducir el impacto de los cambios lentos de la temperatura ambiental
2.2 Elemento piroeléctrico: conversión de cambios térmicos en señales eléctricas
El elemento piroeléctrico suele fabricarse con materiales como PZT o tantalato de litio, y es de tamaño muy reducido (aprox. 2 × 4 mm). Sus propiedades físicas determinan un principio clave: solo los cambios de temperatura generan señal eléctrica. El cuerpo humano inmóvil no provoca salida; lo que detecta realmente el PIR es la variación de la radiación infrarroja causada por el movimiento humano.
2.3 Estructura de doble elemento: el alma del PIR
Casi todos los chips PIR de uso práctico utilizan dos elementos de detección de igual área y polaridad opuesta, con una lógica de ingeniería muy clara:
Cuando la radiación térmica ambiental cambia de forma uniforme, las salidas de ambos elementos se cancelan entre sí
Cuando una fuente de calor en movimiento pasa sucesivamente por los dos elementos, se genera una señal diferencial con cambios positivos y negativos
Proporciona de forma natural resistencia a la deriva térmica y a interferencias de variación lenta
2.4 Preamplificador JFET: de lo “débil” a lo “utilizable”
La señal de salida del elemento piroeléctrico es extremadamente débil (nivel pA). Por ello, el chip suele integrar un JFET (transistor de efecto de campo de unión) para realizar la adaptación de impedancia, la amplificación inicial y la reducción de la sensibilidad al ruido, garantizando que la señal sea procesable a nivel de ingeniería antes de salir del chip.
III. Componentes ópticos: cómo la lente de Fresnel “genera” la señal de movimiento
3.1 Enfoque: aumento de la distancia y la sensibilidad de detección
La lente de Fresnel concentra la radiación infrarroja débil procedente de objetos lejanos sobre la superficie del elemento piroeléctrico, permitiendo obtener una relación señal/ruido suficiente con un consumo energético extremadamente bajo.
3.2 Zonificación: transformar el espacio en una rejilla de detección alterna
La lente divide el espacio de detección en múltiples zonas claras y oscuras alternadas:
Movimiento humano → cambios periódicos de la energía infrarroja
Persona inmóvil → la señal tiende a estabilizarse
Esta es la razón fundamental por la que los sensores PIR solo detectan movimiento y no presencia estática. Diferentes estructuras de lentes determinan distintas formas de detección, como abanico, esférica o tipo cortina.
IV. Estructura mecánica y electrónica: la base de un funcionamiento estable
4.1 Carcasa metálica de blindaje
Las carcasas metálicas (como el encapsulado TO-5) no solo proporcionan protección física, sino que también ofrecen un eficaz blindaje electromagnético y estabilidad térmica.
4.2 Pines y circuitos periféricos
Los módulos PIR estándar suelen disponer de tres pines: Vcc, GND y OUT. Mediante filtros RC y redes de polarización en la PCB periférica, se estabiliza el punto de funcionamiento y se proporciona una entrada fiable para comparadores o MCU.
V. Características típicas derivadas del diseño estructural
Consumo ultrabajo (nivel μA)
Insensibilidad a cambios lentos de la temperatura ambiental
Alta sensibilidad a fuentes de calor en movimiento
Bajos requisitos algorítmicos y alta fiabilidad del sistema
VI. Enfoque de ingeniería de Nexisense en la selección de sensores PIR
Consistencia entre los dos elementos de detección
Estabilidad del rango espectral del filtro
Características de ruido del JFET
Compatibilidad entre la lente y el escenario de aplicación
VII. Preguntas frecuentes (10)
¿Puede un PIR detectar a una persona inmóvil? No, solo detecta cambios de radiación térmica.
¿La luz solar provoca falsas alarmas? El doble elemento y el filtro pueden reducirlas significativamente.
¿Puede un PIR detectar a través del vidrio? El vidrio común bloquea el infrarrojo de 8–14 μm.
¿De qué depende la distancia de detección? Principalmente del diseño de la lente y de la relación señal/ruido.
¿El PIR requiere calibración periódica? Normalmente no requiere calibración por parte del usuario.
¿Cuál es la diferencia entre PIR analógico y digital? Principalmente en el procesamiento de la señal y el tipo de salida.
¿Las altas temperaturas ambientales afectan al rendimiento? Reducen el contraste térmico entre el cuerpo humano y el fondo.
¿Por qué utilizar una carcasa metálica? Para el blindaje electromagnético y el control de la estabilidad térmica.
¿Puede un PIR distinguir entre personas y animales? Requiere lente y algoritmos; un solo chip no puede hacerlo.
¿Es adecuado el PIR para uso en exteriores? Es posible, pero requiere diseños estructurales y compensaciones especiales.
VIII. Resumen
El sensor infrarrojo piroeléctrico no es un dispositivo “simple”, sino un sistema estructural profundamente optimizado en torno a principios físicos:
La lente de Fresnel construye un escenario infrarrojo activable
El chip de doble elemento identifica de forma diferencial las fuentes de calor en movimiento
El filtrado y la preamplificación garantizan señales limpias y utilizables
Este diseño altamente estructurado explica por qué el PIR sigue siendo insustituible tras décadas de evolución tecnológica, así como por qué es fiable, eficiente energéticamente y ocupa desde hace tiempo una posición central en las tecnologías de detección de presencia humana.
