Sensores Capítulo 03 Ópticos

Instrumentao e Controle Captulo 03 Sensores pticos 31

ndice

3- SENSORES PTICOS_______________________________________________ 323.1- FOTORESISTORES __________________________________________________ 323.2 - FOTODIODO E FOTOTRANSISTOR___________________________________ 353.2.1 - Fotodiodo __________________________________________________________ 363.2.2 - Fototransistor ______________________________________________________ 373.3 - CCD (Charge Couple Devices)_________________________________________ 393.4 - FOTOTIRISTORES __________________________________________________ 413.5 - VLVULAS DE ULTRAVIOLETA - DETECTORAS DE CHAMAS _________ 423.6 - CLULA FOTOVOLTAICA ___________________________________________ 42


Captulo 03

3- SENSORES PTICOS

Mostraremos neste captulo o funcionamento, caractersticas eaplicaes dos fotoresistores (LDR), fotodiodos, fototransistores, fototiristores,infravermelhos ativos, CCD, clulas fotovolticas e vlvulas de ultravioleta.

3.1- FOTORESISTORES

LDR (Light Dependent Resistor) traduzindo significa Resistor

Dependente de Luz ou simplesmente fotoresistor. usado como sensor de luznuma infinidade de aplicaes.

Quando a luz incide em determinadas substncias cujas as suasresistncias so alteradas devido a quantidade de luz que recebem , ocorrea liberao de portadores de carga que ajudam a conduo da correnteeltrica. Conforme mostra a figura 3.1.

Figura 3.1- A luz libera portadores de carga que reduzem a resistncia eltrica dedeterminados materiais.

O Sulfeto de Cdmio cuja frmula CdS, que usado na construodos LDRs. So chamados de Fotoclulas de Sulfeto de Cdmio ousimplesmente clulas de CdS. Apresenta uma resistncia extremamenteelevada no escuro, da ordem de milhes de ohms, tem esta resistnciadiminuda para algumas centenas de milhares de ohms quando recebeiluminao direta, a luz forte ou uma lmpada prxima ou a luz direta do sol.


Figura 3.2 - LDR, aspecto e smbolo

A superfcie composta de sulfato de cdmio. Pequenas trilhas domaterial condutor eventualmente ouro se entrelaam junto ao material condutorde modo a aumentar a superfcie de contato e assim ser conseguida maiorcapacidade de corrente e maior sensibilidade.

A luz pode atingir esta superfcie sensvel por uma janela de plsticotransparente no prprio invlucro. Dois terminais do acesso ao sensor parasua ligao a um circuito externo.

Os LDRs no so componentes polarizados, o que quer dizer que acorrente pode circular num sentido ou noutro. As variaes da resistncia coma luz so iguais em qualquer sentido.

Figura 3.3 - Alguns tipos comuns de LDRs encontrados no comrcio

Os mais comuns so os de 1 cm e 2,5 cm de dimetro que sediferenciam pela capacidade da corrente.

Com uma superfcie maior, temos maior sensibilidade como tambmuma capacidade maior de dissipar calor. O LDR consegue controlar ascorrentes mais intensas.


Um LDR do tipo grande (2,5 cm) por exemplo consegue controlardiretamente alguns dispositivos como reles sensveis e at mesmo lmpadasde baixa potncia.

J os LDRs de pequenas dimenses devem trabalhar com correntesmuito pequenas, devendo ser usados com circuitos amplificadores.

Figura 3.4 - A variao de resistnciacom a luz.

Por exemplo um LDRtpico de 1 cm. A resistnciamxima, no escuro destecomponente deve ficar entre 1Me 10 M dependendo do tipo, e a

resistncia com iluminao mxima (ambiente) deve ficar entre 75 e 500 ohmstipicamente.

Para a verificao destas caractersticas pode ser feito um testeutilizando um multmetro. Com o LDR iluminado temos a resistncia mnima ecobrindo-se o LDR de modo que nenhuma luz o atinja temos a resistnciamxima.

Os LDRs no apresentam a mesma sensibilidade para as mesmas coresde luz. Apresentando maior sensibilidade para um comportamento de onda de6.800 Angstrons. Esta freqncia corresponde a uma luz vermelha, tendendoum pouco para laranja.

O LDR apresenta uma sensibilidade para o infravermelho prximo (entre7000 e 7500 Angstrons) faixa que nosso olho no percebe absolutamentenada.

O tempo de resposta de um fotoresistor representado como o temponecessrio para a condutncia subir a 63% do valor de pico aps a clula tersido iluminada (tempo de subida); e o tempo necessrio para a condutnciadescer a 37% do valor de pico aps ter sido removida a luz (tempo dedescida).

O tempo de resposta depende do nvel de iluminao, da resistncia decarga, da temperatura ambiente, e das condies pr-histricas. O tempode subida diminui conforme a resistncia de carga aumentada, no entanto otempo de descida aumenta. Normalmente, quando um fotoresistor mantidono escuro por certo perodo de tempo antes do uso, sua condutncia sermaior comparado com um fotoresistor que foi mantido num certo nvel de luz.Esta diferena chamada de Efeito pr-histrico. A extenso deste efeito maior para CdS do que para CdS. Este efeito no significativo paraaplicaes gerais, entretanto, quando o fotoresistor utilizado a nveis de luzmenores do que 1 lux, este efeito deve ser levado em considerao.

O LDR um dispositivo lento. Enquanto outros tipos de sensores comoos fotodiodos e os fototransistores podem perceber variaes muito rpidas deluz, em freqncias que chegam em dezenas ou mesmo centenas de


megahertz, o LDR tem um tempo de recuperao muito longo. Estandototalmente iluminado e sendo a luz cortada, demora um certo tempo, para quea resistncia inicialmente no valor mnimo, volte ao valor mximo.

Figura 3.5 - Faixa de operao do LDR

Para o sulfeto de cdmio, estetempo de recuperao tem uma taxa

de variao da ordem de 200 k por segundo para os primeiros 20 segundos,partindo de um nvel de luz de 1.000 lux.

Estando totalmente iluminado e sendo a luz cortada, demora um certotempo, para que a resistncia inicialmente no valor mnimo, volte ao valormximo.

Isso significa que estando iluminado com uma resistncia da ordem de1.000 ohms, e cortando-se esta luz o LDR demora aproximadamente 5segundos para que sua resistncia chegue ao 1 M.

Para a variao inversa, ou seja, estando o LDR na mxima resistncia(no escuro) e sendo iluminado, a velocidade muito maior, demorandoaproximadamente 10 milisegundos para cair de 1 M para 1.000 ohmstipicamente.

Esta lentido do LDR impede que ele seja usado em sensores do tipoleitor de cartes perfurados, cdigos de barras ou sistemas de alarmesmodulados. No entanto, em aplicaes mais simples, em que os temposnecessrios para a atuao sejam maiores como alarmes, brinquedos,sensores de luz ambiente, detetores de nveis de iluminao, fotmetros, ele muito til.

Atuam como alarmes, brinquedos, sensores de luz ambiente, detetoresde nveis de iluminao, fotmetros.

A dissipao de um LDR de 1 cm tipicamente de 100 mW e a tensomxima que podemos aplicar entre seus terminais tipicamente de 150 voltspara um tipo de 1 cm.

3.2 - FOTODIODO E FOTOTRANSISTOR

O comportamento eltrico de diodos semicondutores e transistores sonormalmente afetados quando luz incidida na sua juno. Quando na regiode polarizao direta, o fotodiodo atua como um dispositivo fotovoltaico. Aenergia dos ftons incidentes na juno causa a formao de mais pareseltron-lacuna na juno, o que resulta num aumento de barreira de potencialatravs da juno. Os portadores minoritrios no material so dispersadosatravs da juno e uma corrente se desenvolve.


3.2.1 - Fotodiodo

um diodo semicondutor em que a juno est exposta luz. A energialuminosa desloca eltrons para a banda de conduo, reduzindo a barreira depotencial pelo aumento do nmero de eltrons, que podem circular se aplicadapolarizao reversa.

Figura 3.6 - Construo e princpio de funcionamento

A corrente nos fotodiodos da ordem de dezenas de mA com altaluminosidade, e a resposta rpida. H fotodiodos para todas as faixas decomprimentos de onda, do infravermelho ao ultravioleta, dependendo domaterial.

O fotodiodo usado como sensor em controle remoto, em sistemas defibra ptica, leitoras de cdigo de barras, scanner (digitalizador de imagens,para computador), canetas pticas (que permitem escrever na tela docomputador), toca-discos CD, fotmetros e como sensor indireto de posio evelocidade.

Os materiais usados na fabricao dos Fotodiodos so materiaissemicondutores (pn) como o germnio e o silcio. Sua sensibilidade luminosase baseia no efeito fotoeltrico que neles ocorre, no qual a camadasemicondutora modifica o valor de sua resistncia no sentido de bloqueio,dependendo da intensidade luminosa incidente. Para que o efeito fotoeltricoseja influenciado o menos possvel por fontes externas de luz, o fotodiodo envolto de tal modo, que a luz atinge a rea fotossensvel apenas atravs deuma pequena abertura (de 1 mm de dimetro).Quando uma juno atingidapor luz produz uma corrente chamada fotocorrente.

Estando este diodo polarizado inversamente, a zona de transio sermaior aumentando a fotocorrente, se comportando como uma fonte decorrente dependente de intensidade luminosa.


Estrutura Simbologia

Figura 3.7 - Estrutura e Simbologia do fotodiodo.

3.2.2 - Fototransistor

um transistor cuja juno coletor-base fica exposta luz e atua comoum fotodiodo. O transistor amplifica a corrente, e fornece alguns mA com altaluminosidade. Sua velocidade menor que a do fotodiodo.

Figura 3.8- Construo e princpio de funcionamento.

Transistor sensvel a radiao. Sua representao dada abaixo. Podevir ou no o terminal de base.

P

N

A

Juno

K

Ftons

A

K


I

V

Lux = 0 Icc

Tenso a vazio

Figura 3.9 - Simbologia do fototransistor

Caractersticas: Mxima tenso coletor-emissor (BVCEO) Mxima tenso emissor-coletor (BVECO) Mxima dissipao Mxima faixa de temperatura de encapsulamento (CASE) Corrente de escuro (ID = DARK CURRENT) - corrente de coletor na

condio de escuro. Corrente de escuro (IL = LIGTH CURRENT) - corrente de coletor na

condio de claro.

Suas aplicaes so as mesmas do fotodiodo, exceto sistemas de fibra-ptica, pela operao em alta freqncia, contudo encontramos muitas outrasaplicaes dos fototransistores nos mais diversos tipos de grandezas a seremmedidas, tais como: Presena (Barreira, reflexo difusa e retro-reflexo); Velocidade; Temperatura; Presso; Vazo; Posio/deslocamento; Nvel.

Alem destes citados, que sero mostrados com maiores detalhes emseus captulos especficos, temos:

Sensores de contraste: Os de contraste, atuam pelo princpio da reflexodifusa, podendo distinguir at 15 tonalidades de cinza na escala de preto atbranco.Esta propriedade o requisito fundamental para efetuar a leitura de marcaesde contraste.


Sensores de luminescncia: Reagem aos materiais fosforescentes (querefletem luz), ativados atravs de uma fonte luminosa ultravioleta do sensor. Aluz refletida recebida e avaliada pelo sensor.

Sensores de distncia: Emitem a luz sobre um objeto ou um refletor,avaliando o feixe de luz refletido. Nesta operao, eles transformam a distnciamedida num sinal eltrico proporcional.

Sensores analisadores de cores: Os sensores analisadores de cores dasrie CS operam segundo o princpio tricromtico. Emitem trs cores bsicas(vermelho, azul e verde) sobre os objetos a serem analisados e calculam aparticipao percentual de cada cor no raio refletido, comparando com osvalores previamente memorizados.

3.3 - CCD (Charge Couple Devices)O CCD tm papel importante como sensor de imagem. Os portadores

minoritrios so dispostos numa estrutura de MOS e so armazenados numpotencial localizado numa juno Si-SiO2. Aplicando as voltagens apropriadasaos eletrodos de metal, possvel variar o potencial no semicondutor de talmodo as cargas que so trocadas de uma clula para a prxima. Um CCD assim um notvel registrador de deslocamento analgico que consiste numafila de capacitores MOS.

Sua caracterstica principal o armazenamento e transporte executadoatravs de elementos separados sem uma camada de depleo. Num sensorde imagem CCD, os portadores minoritrios so gerados pela luz absorvidadurante o perodo de integrao e so avanados durante cada pulsao deestgio de leitura at que eles apaream com um sinal de imagem ao diodo deproduo na forma de uma pulsao atual.

Figura 3.10 - Estrutura de um CCD


O terceiro eletrodo possui o mesmo potencial. Se so aplicadas as trsvoltagens (que diferem no valor) aos contatos metlicos dispostos de acordocom a figura, ento a carga transportada direita. Durante a transfernciaocorrem perdas que dependem da freqncia de troca, da geometria e donmero de clulas a serem processadas. As perdas podem tambm acontecercomo resultado de estados de superfcie ao longo da interface SiO2-Si. Estasperdas podem ser evitadas atravs de uma camada de condutividade oposta ede uma espessura de aproximadamente 1 m no substrato. Estes CCDs soconhecidos como BCCDs. Estes so mais sensveis que os vidicons desilicone. Os CCDs podem operar em uma configurao de trs-fase (trseletrodos com voltagens U1 diferentes, U2, U3, mostrado na figura ou numaconfigurao de dois-fase (U0 > U). Embora a segunda alternativa seja maissimples, requer uma assimetria embutida dos potenciais (aproximadamente 25m ) a gerao de luz possvel atravs dos portadores.

A produo eltrica simplesmente consiste da juno pn bloqueada queconverte os pacotes de

carga em pulsaes. No caso de CCD linear, este um conversor paralelo consecutivo analgico com integrao cronometrada desada ptica.

Figura 3.11 - Procedimento de leitura de sada de um CCD linear

Uma matriz do CCD (configurao de superfcie) lida diretamente oupor uma memria separada do CCD . Em primeiro lugar, a imagemarmazenada transferida ao registro de sada horizontal por pulsao A. Oregistro de sada apurado mais rpido usando o pulso B e supre exatamenteuma linha de imagem antes da prxima linha horizontal armazenadarepresentada pelo pulso A. No segundo caso, a imagem inteira registradanuma linha de memria lida como uma variante atravs de uma linha numamemria do CCD no fotossensvel . A vantagem da segunda que integraode imagem e processos de estgio de leitura esto separados.


Figura 3.12 - Leitura direta linha por linha via um registrador de sada CCD

3.4 - FOTOTIRISTORES

SCR ativado pela luz (LASCR): conforme a terminologia indica, umSCR cujo estado controlado pela luz incidente sobre uma camadasemicondutora de silcio do dispositivo. h tambm um terminal de porta parapermitir o disparo do dispositivo usando os mtodos tpicos do SCR.

As reas de aplicao do LASCR incluem controle ptico luminoso,rels, controle de fase, controle de motores e vrias aplicaes emcomputadores. As capacidades de corrente e potncia mximas para osLASCRs disponveis comercialmente so em torno de 3A e 0,1W. Geralmente,um aumento na temperatura da juno resulta em uma reduo da energialuminosa necessria para ativar o dispositivo. Existem no mercado outros tiposde fototiristores: o LAPUT (Transistor de Unijuno Programvel Ativada porLuz), o LASCS (Chave Controladora de Silcio ativada por Luz) e etc. Abaixotemos os smbolos mais empregados para o LASCR.


Ando Ando

Porta Porta

Catdo Catdo LAPUT LASCR FOTOTRIAC

Figura 3.13 Simbologia dos fototiristores

3.5 - VLVULAS DE ULTRAVIOLETA - DETECTORAS DE CHAMAS

Sua sensibilidade mxima se d em 55 mm e decai rapidamente emdireo ao infravermelho, o mesmo no ocorrendo em relao ao ultravioleta.

A linearidade comprometida nos extremos de intensidade de radiaoe a resposta lenta tornando-a utilizvel somente em casos particulares.

3.6 - CLULA FOTOVOLTAICA o mais simples fotodetector. Uma fina camada de selnio

responsvel pelo efeito fotoeltrico gerando eltrons proporcionalmente aintensidade de luz incidente e variando tambm com o comprimento de ondade radiao.

Sua sensibilidade mxima se d em 55 mm e decai rapidamente emdireo ao infravermelho, o mesmo no ocorrendo em relao ao ultravioleta.

A linearidade comprometida nos extremos de intensidade de radiaoe a resposta lenta tornando-a utilizvel somente em casos particulares.

So dispositivos que convertem energia luminosa em eltrica.O diodo iluminado intensamente na juno pode reverter a barreira de

potencial em fonte de eltrons, produzindo energia. A eficincia do processo baixa devido a pouca transparncia da juno (somente as camadassuperficiais so iluminadas).

Um diodo de juno PN, quando a sua juno vem aplicado umaradiao luminosa, pode funcionar como um dispositivo fotocondutor ou comoum dispositivo fotovotico.

O fotodiodo no funcionamento fotovoltico, vem conectado diretamente acarga , sem a necessidade de uma tenso de alimentao, pela qual o pontode funcionamento determinado pela intercesso da reta de carga de sadia daorigem dos eixos com a caracterstica correspondente a uma dada iluminaosuas caractersticas volt-ampere de uma fotoclula PN de silcio, relativa asdiversas iluminaes, so traadas entre as retas de carga (1K, 2k, 5k )


no terceiro quadrante no funcionamento fotocondutivo e quatro retas decarga(500, 1k, 2k, 5k) no quarto quadrante no funcionamentofotovotico. {fig.128} Os consideraes das caractersticas correspondentes aoquarto-quadrante da fig. 119 e da fig.127, trazem por comodidade no primeiroquadrante, reist6encia de 200, 1k e 5k. se pode observar na fig. 119, 127,128 dadas iluminaes, aprece uma d.d.p diferente de zero, chamada d.d.p ouf.e.m fotovolticas.

Seu uso principal est nos painis solares.Outro dispositivo a fotoclula de selnio de operao similar. Usa se

em medidores de luminosidade e aparelhos de anlise qumica (comofotocolormetros

Figura 3.14 - Simbologia

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