Instrumentação cap 3 , Notas de estudo de Tecnologia Industrial
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Sensores Ópticos
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Instrumentação e Controle Capítulo 03 Sensores Ópticos 31

Índice

3- SENSORES ÓPTICOS_______________________________________________ 32

3.1- FOTORESISTORES __________________________________________________ 32

3.2 - FOTODIODO E FOTOTRANSISTOR___________________________________ 35

3.2.1 - Fotodiodo __________________________________________________________ 36

3.2.2 - Fototransistor ______________________________________________________ 37

3.3 - CCD (Charge Couple Devices)_________________________________________ 39

3.4 - FOTOTIRISTORES __________________________________________________ 41

3.5 - VÁLVULAS DE ULTRAVIOLETA - DETECTORAS DE CHAMAS _________ 42

3.6 - CÉLULA FOTOVOLTAICA ___________________________________________ 42

Instrumentação e Controle Capítulo 03 Sensores Ópticos 32

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.

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Figura 3.2 - LDR, aspecto e símbolo

A superfície é composta de sulfato de cádmio. Pequenas trilhas do material condutor eventualmente ouro se entrelaçam junto ao material condutor de modo a aumentar a superfície de contato e assim ser conseguida maior capacidade de corrente e maior sensibilidade.

A luz pode atingir esta superfície sensível por uma janela de plástico transparente no próprio invólucro. Dois terminais dão acesso ao sensor para sua ligação a um circuito externo.

Os LDRs não são componentes polarizados, o que quer dizer que a corrente pode circular num sentido ou noutro. As variações da resistência com a luz são iguais em qualquer sentido.

Figura 3.3 - Alguns tipos comuns de LDRs encontrados no comércio

Os mais comuns são os de 1 cm e 2,5 cm de diâmetro que se diferenciam pela capacidade da corrente.

Com uma superfície maior, temos maior sensibilidade como também uma capacidade maior de dissipar calor. O LDR consegue controlar as correntes mais intensas.

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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

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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.

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3.2.1 - Fotodiodo

É um diodo semicondutor em que a junção está exposta à luz. A energia luminosa desloca elétrons para a banda de condução, reduzindo a barreira de potencial pelo aumento do número de elétrons, que podem circular se aplicada polarização reversa.

Figura 3.6 - Construção e princípio de funcionamento

A corrente nos fotodiodos é da ordem de dezenas de mA com alta luminosidade, e a resposta é rápida. Há fotodiodos para todas as faixas de comprimentos de onda, do infravermelho ao ultravioleta, dependendo do material.

O fotodiodo é usado como sensor em controle remoto, em sistemas de fibra óptica, leitoras de código de barras, scanner (digitalizador de imagens, para computador), canetas ópticas (que permitem escrever na tela do computador), toca-discos CD, fotômetros e como sensor indireto de posição e velocidade.

Os materiais usados na fabricação dos Fotodiodos são materiais semicondutores (pn) como o germânio e o silício. Sua sensibilidade luminosa se baseia no efeito fotoelétrico que neles ocorre, no qual a camada semicondutora modifica o valor de sua resistência no sentido de bloqueio, dependendo da intensidade luminosa incidente. Para que o efeito fotoelétrico seja influenciado o menos possível por fontes externas de luz, o fotodiodo é envolto de tal modo, que a luz atinge a área fotossensível apenas através de uma pequena abertura (de 1 mm de diâmetro).Quando uma junção é atingida por luz produz uma corrente chamada fotocorrente.

Estando este diodo polarizado inversamente, a zona de transição será maior aumentando a fotocorrente, se comportando como uma fonte de corrente dependente de intensidade luminosa.

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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

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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.

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Sensores de luminescência: Reagem aos materiais fosforescentes (que refletem luz), ativados através de uma fonte luminosa ultravioleta do sensor. A luz refletida é recebida e avaliada pelo sensor.

Sensores de distância: Emitem a luz sobre um objeto ou um refletor, avaliando o feixe de luz refletido. Nesta operação, eles transformam a distância medida num sinal elétrico proporcional.

Sensores analisadores de cores: Os sensores analisadores de cores da série CS operam segundo o princípio tricromático. Emitem três cores básicas (vermelho, azul e verde) sobre os objetos a serem analisados e calculam a participação percentual de cada cor no raio refletido, comparando com os valores previamente memorizados.

3.3 - CCD (Charge Couple Devices)

O CCD têm papel importante como sensor de imagem. Os portadores minoritários são dispostos numa estrutura de MOS e são armazenados num potencial localizado numa junção Si-SiO2. Aplicando as voltagens apropriadas aos eletrodos de metal, é possível variar o potencial no semicondutor de tal modo as cargas que são trocadas de uma célula para a próxima. Um CCD é assim um notável registrador de deslocamento analógico que consiste numa fila de capacitores MOS.

Sua característica principal é o armazenamento e transporte executado através de elementos separados sem uma camada de depleção. Num sensor de imagem CCD, os portadores minoritários são gerados pela luz absorvida durante o período de integração e são avançados durante cada pulsação de estágio de leitura até que eles apareçam com um sinal de imagem ao diodo de produção na forma de uma pulsação atual.

Figura 3.10 - Estrutura de um CCD

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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 µm 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 µm ) 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.

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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.

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Anôdo Anôdo

Porta Porta

Catôdo Catôdo LAPUT LASCR FOTOTRIAC

Figura 3.13 Simbologia dos fototiristores

3.5 - VÁLVULAS DE ULTRAVIOLETA - DETECTORAS DE CHAMAS

Sua sensibilidade máxima se dá em 55 mm e decai rapidamente em direção ao infravermelho, o mesmo não ocorrendo em relação ao ultravioleta.

A linearidade é comprometida nos extremos de intensidade de radiação e a resposta é lenta tornando-a utilizável somente em casos particulares.

3.6 - CÉLULA FOTOVOLTAICA

É o mais simples fotodetector. Uma fina camada de selênio é responsável pelo efeito fotoelétrico gerando elétrons proporcionalmente a intensidade de luz incidente e variando também com o comprimento de onda de radiação.

Sua sensibilidade máxima se dá em 55 mm e decai rapidamente em direção ao infravermelho, o mesmo não ocorrendo em relação ao ultravioleta.

A linearidade é comprometida nos extremos de intensidade de radiação e a resposta é lenta tornando-a utilizável somente em casos particulares.

São dispositivos que convertem energia luminosa em elétrica. O diodo iluminado intensamente na junção pode reverter a barreira de

potencial em fonte de elétrons, produzindo energia. A eficiência do processo é baixa devido a pouca transparência da junção (somente as camadas superficiais são iluminadas).

Um diodo de junção PN, quando a sua junção vem aplicadouma radiação luminosa, pode funcionar como um dispositivo fotocondutor ou como um dispositivo fotovotáico.

O fotodiodo no funcionamento fotovoltáico, vem conectado diretamente a carga , sem a necessidade de uma tensão de alimentação, pela qual o ponto de funcionamento é determinado pela intercessão da reta de carga de sadia da origem dos eixoscom a característica correspondente a uma dada iluminação suas características volt-ampere de uma fotocélula PN de silício, relativa as diversas iluminações, são traçadasentre as retas de carga (1KΩ, 2kΩ, 5k Ω)

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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

e bota paciência nisso
ESTUDAR TEM QUE TER PACIENCIa
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