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Índice
- 3- SENSORES ÓPTICOS_______________________________________________
- 3.1- FOTORESISTORES __________________________________________________
- 3.2 - FOTODIODO E FOTOTRANSISTOR___________________________________
- 3.2.1 - Fotodiodo __________________________________________________________
- 3.2.2 - Fototransistor ______________________________________________________
- 3.3 - CCD (Charge Couple Devices)_________________________________________
- 3.4 - FOTOTIRISTORES __________________________________________________
- 3.5 - VÁLVULAS DE ULTRAVIOLETA - DETECTORAS DE CHAMAS _________
- 3.6 - CÉLULA FOTOVOLTAICA ___________________________________________
Capítulo 03
3- SENSORES ÓPTICOS
Mostraremos neste capítulo o funcionamento, características e aplicações dos fotoresistores (LDR), fotodiodos, fototransistores, fototiristores, infravermelhos ativos, CCD, células fotovoltáicas e válvulas de ultravioleta. 3.1- FOTORESISTORES LDR (Light Dependent Resistor) traduzindo significa Resistor Dependente de Luz ou simplesmente fotoresistor. É usado como sensor de luz numa infinidade de aplicações. Quando a luz incide em determinadas substâncias cujas as suas resistências são alteradas devido a quantidade de luz que recebem , ocorre a liberação de portadores de carga que ajudam a condução da corrente elétrica. Conforme mostra a figura 3.1. Figura 3.1- A luz libera portadores de carga que reduzem a resistência elétrica de determinados materiais. O Sulfeto de Cádmio cuja fórmula é CdS, que é usado na construção dos LDRs. São chamados de Fotocélulas de Sulfeto de Cádmio ou simplesmente células de CdS. Apresenta uma resistência extremamente elevada no escuro, da ordem de milhões de ohms, tem esta resistência diminuída para algumas centenas de milhares de ohms quando recebe iluminação direta, a luz forte ou uma lâmpada próxima ou a luz direta do sol.
Um LDR do tipo grande (2,5 cm) por exemplo consegue controlar diretamente alguns dispositivos como reles sensíveis e até mesmo lâmpadas de baixa potência. Já os LDRs de pequenas dimensões devem trabalhar com correntes muito pequenas, devendo ser usados com circuitos amplificadores. Figura 3.4 - A variação de resistência com a luz. Por exemplo um LDR típico de 1 cm. A resistência máxima, no escuro deste componente deve ficar entre 1MΩ e 10 MΩ dependendo do tipo, e a resistência com iluminação máxima (ambiente) deve ficar entre 75 e 500 ohms tipicamente. Para a verificação destas características pode ser feito um teste utilizando um multímetro. Com o LDR iluminado temos a resistência mínima e cobrindo-se o LDR de modo que nenhuma luz o atinja temos a resistência máxima. Os LDRs não apresentam a mesma sensibilidade para as mesmas cores de luz. Apresentando maior sensibilidade para um comportamento de onda de 6.800 Angstrons. Esta freqüência corresponde a uma luz vermelha, tendendo um pouco para laranja. O LDR apresenta uma sensibilidade para o infravermelho próximo (entre 7000 e 7500 Angstrons) faixa que nosso olho não percebe absolutamente nada. O tempo de resposta de um fotoresistor é representado como o tempo necessário para a condutância subir a 63% do valor de pico após a célula ter sido iluminada (tempo de subida); e o tempo necessário para a condutância descer a 37% do valor de pico após ter sido removida a luz (tempo de descida). O tempo de resposta depende do nível de iluminação, da resistência de carga, da temperatura ambiente, e das “condições pré-históricas”. O tempo de subida diminui conforme a resistência de carga é aumentada, no entanto o tempo de descida aumenta. Normalmente, quando um fotoresistor é mantido no escuro por certo período de tempo antes do uso, sua condutância será maior comparado com um fotoresistor que foi mantido num certo nível de luz. Esta diferença é chamada de “Efeito pré-histórico”. A extensão deste efeito é maior para CdS do que para CdS. Este efeito não é significativo para aplicações gerais, entretanto, quando o fotoresistor é utilizado a níveis de luz menores do que 1 lux, este efeito deve ser levado em consideração. O LDR é um dispositivo lento. Enquanto outros tipos de sensores como os fotodiodos e os fototransistores podem perceber variações muito rápidas de luz, em freqüências que chegam em dezenas ou mesmo centenas de
megahertz, o LDR tem um “tempo de recuperação” muito longo. Estando totalmente iluminado e sendo a luz cortada, demora um certo tempo, para que a resistência inicialmente no valor mínimo, volte ao valor máximo. Figura 3.5 - Faixa de operação do LDR Para o sulfeto de cádmio, este tempo de recuperação tem uma taxa de variação da ordem de 200 k• por segundo para os primeiros 20 segundos, partindo de um nível de luz de 1.000 lux. Estando totalmente iluminado e sendo a luz cortada, demora um certo tempo, para que a resistência inicialmente no valor mínimo, volte ao valor máximo. Isso significa que estando iluminado com uma resistência da ordem de 1.000 ohms, e cortando-se esta luz o LDR demora aproximadamente 5 segundos para que sua resistência chegue ao 1 MΩ. Para a variação inversa, ou seja, estando o LDR na máxima resistência (no escuro) e sendo iluminado, a velocidade é muito maior, demorando aproximadamente 10 milisegundos para cair de 1 MΩ para 1.000 ohms tipicamente. Esta lentidão do LDR impede que ele seja usado em sensores do tipo leitor de cartões perfurados, códigos de barras ou sistemas de alarmes modulados. No entanto, em aplicações mais simples, em que os tempos necessários para a atuação sejam maiores como alarmes, brinquedos, sensores de luz ambiente, detetores de níveis de iluminação, fotômetros, ele é muito útil. Atuam como alarmes, brinquedos, sensores de luz ambiente, detetores de níveis de iluminação, fotômetros. A dissipação de um LDR de 1 cm é tipicamente de 100 mW e a tensão máxima que podemos aplicar entre seus terminais é tipicamente de 150 volts para um tipo de 1 cm. 3.2 - FOTODIODO E FOTOTRANSISTOR O comportamento elétrico de diodos semicondutores e transistores são normalmente afetados quando luz é incidida na sua junção. Quando na região de polarização direta, o fotodiodo atua como um dispositivo fotovoltaico. A energia dos fótons incidentes na junção causa a formação de mais pares elétron-lacuna na junção, o que resulta num aumento de barreira de potencial através da junção. Os portadores minoritários no material são dispersados através da junção e uma corrente se desenvolve.
Estrutura Simbologia Figura 3.7 - Estrutura e Simbologia do fotodiodo. 3.2.2 - Fototransistor É um transistor cuja junção coletor-base fica exposta à luz e atua como um fotodiodo. O transistor amplifica a corrente, e fornece alguns mA com alta luminosidade. Sua velocidade é menor que a do fotodiodo. Figura 3.8- Construção e princípio de funcionamento. Transistor sensível a radiação. Sua representação é dada abaixo. Pode vir ou não o terminal de base. P N A Junção K Fótons A K
I
V
Lux = 0 Icc Tensão a vazio Figura 3.9 - Simbologia do fototransistor Características:
- Máxima tensão coletor-emissor (BVCEO)
- Máxima tensão emissor-coletor (BVECO)
- Máxima dissipação
- Máxima faixa de temperatura de encapsulamento (CASE)
- Corrente^ de^ escuro^ (ID^ =^ DARK^ CURRENT)^ -^ corrente^ de^ coletor^ na condição de escuro.
- Corrente de escuro (IL = LIGTH CURRENT) - corrente de coletor na condição de claro. Suas aplicações são as mesmas do fotodiodo, exceto sistemas de fibra- óptica, pela operação em alta freqüência, contudo encontramos muitas outras aplicações dos fototransistores nos mais diversos tipos de grandezas a serem medidas, tais como:
- Presença (Barreira, reflexão difusa e retro-reflexão);
- Velocidade;
- Temperatura;
- Pressão;
- Vazão;
- Posição/deslocamento;
- Nível. Alem destes citados, que serão mostrados com maiores detalhes em seus capítulos específicos, temos: Sensores de contraste: Os de contraste, atuam pelo princípio da reflexão difusa, podendo distinguir até 15 tonalidades de cinza na escala de preto até branco. Esta propriedade é o requisito fundamental para efetuar a leitura de marcações de contraste.
O terceiro eletrodo possui o mesmo potencial. Se são aplicadas as três voltagens (que diferem no valor) aos contatos metálicos dispostos de acordo com a figura, então (^) a carga é transportada à direita. Durante a transferência ocorrem perdas que dependem da freqüência de troca, da geometria e do número de células a serem processadas. As perdas podem também acontecer como resultado de estados de superfície ao longo da interface SiO2-Si. Estas perdas podem ser evitadas através de uma camada de condutividade oposta e de uma espessura de aproximadamente 1 μμ m no substrato. Estes CCDs são conhecidos como BCCDs. Estes são mais sensíveis que os (^) vidicons de silicone. Os CCDs podem operar em uma configuração de três-fase (três eletrodos com voltagens U1 diferentes, U2, U3, mostrado na figura ou numa configuração de dois-fase (U0 ± > U). Embora a segunda alternativa seja mais simples, requer uma assimetria embutida dos potenciais (aproximadamente 25 μμ m ) a geração de luz é possível através dos portadores. A produção elétrica simplesmente consiste da junção pn bloqueada que converte os pacotes de carga em pulsações. No caso de CCD linear, este é um conversor paralelo consecutivo analógico com integração cronometrada de saída óptica. Figura 3.11 - Procedimento de leitura de saída de um CCD linear Uma matriz do CCD (configuração de superfície) é lida diretamente ou por uma memória separada do CCD. Em primeiro lugar, a imagem armazenada é transferida ao registro de saída horizontal por pulsação A. O registro de saída é apurado mais rápido usando o pulso B e supre exatamente uma linha de imagem antes da próxima linha horizontal armazenada representada pelo pulso A. No segundo caso, a imagem inteira registrada numa linha de memória é lida como uma variante através de uma linha numa memória do CCD não fotossensível. A vantagem da segunda é que integração de imagem e processos de estágio de leitura estão separados.
Figura 3.12 - Leitura direta linha por linha via um registrador de saída CCD 3.4 - FOTOTIRISTORES SCR ativado pela luz (LASCR): conforme a terminologia indica, é um SCR cujo estado é controlado pela luz incidente sobre uma camada semicondutora de silício do dispositivo. há também um terminal de porta para permitir o disparo do dispositivo usando os métodos típicos do SCR. As áreas de aplicação do LASCR incluem controle óptico luminoso, relês, controle de fase, controle de motores e várias aplicações em computadores. As capacidades de corrente e potência máximas para os LASCRs disponíveis comercialmente são em torno de 3A e 0,1W. Geralmente, um aumento na temperatura da junção resulta em uma redução da energia luminosa necessária para ativar o dispositivo. Existem no mercado outros tipos de fototiristores: o LAPUT (Transistor de Unijunção Programável Ativada por Luz), o LASCS (Chave Controladora de Silício ativada por Luz) e etc. Abaixo temos os símbolos mais empregados para o LASCR.
no terceiro quadrante no funcionamento fotocondutivo e quatro retas de carga(500Ω, 1kΩ, 2kΩ, 5kΩ) no quarto quadrante no funcionamento fotovotáico. {fig.128} Os considerações das características correspondentes ao quarto-quadrante da fig. 119 e da fig.127, trazem por comodidade no primeiro quadrante, reist6encia de 200Ω, 1kΩ e 5kΩ. se pode observar na fig. 119, 127, 128 dadas iluminações, aprece uma d.d.p diferente de zero, chamada d.d.p ou f.e.m fotovoltáicas. Seu uso principal está nos painéis solares. Outro dispositivo é a fotocélula de selênio de operação similar. Usa se em medidores de luminosidade e aparelhos de análise química (como fotocolorímetros Figura 3.14 - Simbologia
