Embed Size (px)
Citation preview
Sensores de Luz
Um sensor de luz gera um sinal de saída que indica a intensidade de luz através
da medição da energia radiante que existe uma gama muito estreita de
frequências, basicamente, chamado "leve", e que varia em frequência a partir de
"Infravermelho" a "visível" até " Ultraviolet "espectro de luz.
O sensor de luz é um dispositivo passivo que convertem essa "energia luminosa"
visíveis ou nas infra-vermelhos partes do espectro em uma saída de sinal
elétrico. Sensores de luz são mais comumente conhecido como "dispositivos
fotoelétricos" ou "Foto Sensores", porque a energia da luz convert (fótons) em energia
elétrica (elétrons).
Dispositivos fotoelétricos podem ser agrupados em duas categorias principais, aqueles
que geram eletricidade quando iluminado, como energia fotovoltaica ou Photo-
emissives etc, e aqueles que mudam suas propriedades elétricas, de alguma forma,
como foto-resistores ou foto-condutores . Isto conduz à seguinte classificação de
dispositivos.
• Foto-emissivo Cells - Estes são fotossensíveis que liberam elétrons livres de
um material sensível à luz, como césio quando atingido por um fóton de energia
suficiente. A quantidade de energia que os fótons têm depende da freqüência
da luz e quanto maior a freqüência, mais energia que os fótons têm a
conversão de energia luminosa em energia elétrica.
• Foto condutor Cells - Estes fotossensíveis variar sua resistência elétrica
quando submetido à luz. Resultados da fotocondutividade de luz que atingem
um material semicondutor, que controla o fluxo de corrente através dele. Assim,
mais luz aumentar a corrente para uma dada tensão aplicada. O material
fotocondutor mais comum é o sulfureto de cádmio utilizado em fotocélulas LDR.
• fotovoltaicos Células - Estes fotossensíveis gerar uma fem proporcional à
energia da luz radiante recebida e é similar em efeito a fotocondutividade. A
energia da luz cai sobre dois materiais semicondutores colada juntos criando
uma tensão de aproximadamente 0.5V. O material mais comum fotovoltaica é
Selenium usado em células solares.
• Dispositivos Foto-junção - Estes fotossensíveis são principalmente
dispositivos semicondutores verdadeiros como o fotodiodo ou fototransistor que
usam a luz para controlar o fluxo de elétrons e buracos em toda a sua PN-
junção. Dispositivos Photojunction são projetados especificamente para a
aplicação do detector e penetração de luz com a sua resposta espectral
ajustado para o comprimento de onda da luz incidente.
O celular PhotoconductiveA Photoconductive sensor de luz não produz eletricidade, mas simplesmente muda
suas propriedades físicas quando submetido a energia luminosa. O tipo mais comum
de dispositivo fotocondutora é o LDR que altera a sua resistência eléctrica em
resposta a mudanças na intensidade da luz.
Fotorresistências são semicondutores dispositivos que usam a energia da luz para
controlar o fluxo de elétrons e, portanto, a corrente que flui através deles. O
comumente usado célula fotocondutora é chamado de Luz Resistor
Dependente ou LDR .
The Light Dependent Resistor
Típico LDR
Como o próprio nome indica, o Luz Dependent Resistor (LDR) é feita a partir de um
pedaço de material semicondutor expostas, como o sulfureto de cádmio, que muda
sua resistência elétrica de alguns milhares Ohms no escuro a apenas algumas
centenas de Ohms quando a luz incide sobre ele, criando pares elétron-buraco no
material.
O efeito líquido é uma melhoria na condutividade com um decréscimo na resistência
de um aumento na iluminação. Além disso, as células fotoresistivo tem um longo
tempo de resposta que exige muitos segundos para responder a uma mudança na
intensidade da luz.
Os materiais utilizados como substrato semicondutor incluem, sulfeto de chumbo
(PbS), seleneto de chumbo (PbSe), antimoneto índio (InSb), que detectam a luz na
faixa de infra-vermelho com o mais comumente usado de todos os sensores de luz
fotoresistivo sendo sulfureto de cádmio ( Cd ) .
Sulfureto de cádmio é usado no fabrico de células fotocondutoras porque a sua curva
de resposta espectral se aproxima da do olho humano e podem até mesmo ser
controlada utilizando um maçarico simples como uma fonte de luz. Tipicamente, então,
tem um comprimento de onda de pico de sensibilidade ( λp ) de cerca de 560 nm a
600 nm na gama do espectro visível.
A Luz celular Resistor Dependente
O sensor de luz fotoresistivo mais comumente utilizado é o ORP12 célula
fotocondutora sulfureto de cádmio. Este resistor dependente da luz tem uma resposta
espectral de cerca de 610nm no amarelo para região laranja da luz. A resistência da
célula quando unilluminated (resistência escuro) é muito elevada em cerca de 10M de
que cai para cerca de 100Ω, quando totalmente iluminado (aceso resistência).
Para aumentar a resistência ao escuro e, por conseguinte, reduzir a corrente de
obscuridade, o trajecto resistivo constitui um padrão em ziguezague ao longo do
substrato de cerâmica. A fotocélula CdS é um dispositivo de custo muito baixo, muitas
vezes utilizado em auto dimming, a escuridão ou a detecção de crepúsculo para
acender as luzes de rua "ON" e "OFF", e para aplicações do tipo medidor de
exposição fotográfica.crepúsculo detecção para acender as luzes de rua "ON" e
"OFF", e para aplicações do tipo medidor de exposição fotográfica.
Ligar um resistor dependente da luz em série com um resistor padrão como este em
uma única tensão de alimentação DC tem uma grande vantagem, uma tensão
diferente irá aparecer na sua junção para diferentes níveis de luz.
O valor da queda de tensão através de resistência em série, R 2 é determinada pelo
valor da resistência da resistência dependente da luz, R LDR . Esta capacidade de gerar
tensões diferentes produz um circuito muito útil chamado de "divisor de potencial"
ou divisor de tensão de rede .
Como se sabe, a corrente através de um circuito em série é comum e que a LDR
muda o seu valor de resistência, devido à intensidade da luz, a tensão presente
na V OUT vai ser determinada pela fórmula divisor de tensão. Resistência, de um
LDR R LDR pode variar de cerca de 100Ω na luz do sol, a mais de 10M de na escuridão
absoluta com esta variação de resistência que está sendo convertido em uma variação
de tensão em V OUT como mostrado.
Um uso simples de uma luz Resistor Dependente , é como um interruptor sensível à
luz, como mostrado abaixo.
Mudar LDR
Este circuito básico do sensor de luz é de um switch ativado luz saída de relé. Um
circuito de divisor de potencial é formado entre o fotoresistor, LDR e do
resistor R1 . Quando não há luz está presente, ou seja nas trevas, a resistência
do LDR é muito elevado nos Megaohms ( mohms de ) variam de modo viés de base
zero é aplicada ao transistor TR1 eo relé está desenergizado ou "OFF".
À medida que o nível de luz aumenta a resistência do LDRcausando começa a
diminuir a tensão de polarização de base para V1 a subir. Em algum ponto
determinado pela rede divisora de potencial formado com resistência R1 , a tensão de
polarização de base é suficiente para ligar o transistor TR1 "ON" e, assim, activar o
relê que por sua vez é utilizada para controlar um circuito externo. À medida que o
nível de luz cai de volta para a escuridão novamente a resistência dos LDR causando
aumentos na tensão de base do transistor para diminuir, tornando o transistor e
retransmissão "OFF" a um nível de luz fixo novamente determinada pela rede divisora
de potencial.
Ao substituir o resistor fixo R1 com um potenciômetro de VR1 , o ponto em que o relê
se transforma "ON" e "OFF" podem ser pré-regulado para um nível de luz
particular. Este tipo de circuito simples mostrado acima tem uma sensibilidade
bastante baixa e um ponto de comutação pode não ser consistente devido a variações
quer de temperatura ou a tensão de alimentação. Um circuito ativado luz precisão
mais sensível pode ser feita facilmente através da incorporação da LDR em um arranjo
"Wheatstone Bridge" e substituir o transistor com um amplificador operacional como
mostrado.
Nível Luz Sensing Circuito
Neste circuito básico de detecção de escuro, a luz dependente do resistor LDR1 e o
potenciómetroVR1 forma um braço ajustável de uma ponte de rede de resistência
simples, também vulgarmente conhecido como uma ponte de Wheatstone , enquanto
as duas resistências fixas R1 e R2 formam o outro braço. Ambos os lados das redes
divisor de potencial formam ponte em toda a tensão de alimentação cujas
saídas V1 e V2 são conectados aos não-inversora e tensão inversora entradas,
respectivamente, do amplificador operacional.
O amplificador operacional é configurado como um amplificador diferencial , também
conhecido como um comparador de tensão com realimentação, cujo estado de tensão
de saída é determinada pela diferença entre os dois sinais ou tensões de
entrada, V1 e V2 . A combinação do resistor R1 e R2formam uma tensão de referência
fixa na entrada V2 , definida pela relação das duas resistências. ALDR -
VR1 combinação oferece uma entrada de tensão variável V1 proporcional ao nível de
luz que está sendo detectado pelo photoresistor.
Tal como com o circuito anterior a saída do amplificador operacional é utilizado para
controlar um relê, o qual é protegido por um diodo de roda livre, D1 . Quando o nível
de luz detectada pelo LDR e a sua tensão de saída cai abaixo da tensão de referência
fixado em V2 de saída do amplificador operacional altera o estado de activação do relê
de comutação e da potência de ligação.
Da mesma forma como o nível de luz aumenta a produção voltará viragem "OFF" o
relé. A histerese dos dois pontos de comutação é definido pela resistência de
realimentação Rf podem ser escolhidos para se obter qualquer ganho de tensão
adequada do amplificador.
O funcionamento deste tipo de circuito sensor de luz também pode ser invertida para
comutar o relê "LIGADO" quando o nível de luz for superior ao nível de tensão de
referência, e vice-versa, através da inversão das posições do sensor de luz LDR eo
potenciômetro VR1 . O potenciômetro pode ser usado para "pre-set" do ponto de
comutação do amplificador diferencial para qualquer nível de luz específica, tornando-
o ideal como um circuito de sensor de luz projeto simples.
Dispositivos PhotojunctionDispositivos Photojunction são basicamente PN-Junção sensores de luz ou
detectores feitos de semicondutores de silício PN-junções que são sensíveis à luz e
que podem detectar tanto a luz visível e infra-vermelho níveis de luz. Dispositivos foto
de derivação são fabricadas especificamente para detecção de luz e esta classe de
sensores de luz fotoelétricas incluir o fotodiodo eo fototransistor .
O fotodiodo.
Foto-diodo
A construção do fotodiodo sensor de luz é semelhante ao de um diodo PN-junção
convencional, excepto que a diodos invólucro exterior é transparente ou tem uma lente
clara para focar a luz sobre a junção PN para aumento da sensibilidade. A junção vai
responder a luz comprimentos de onda mais longos, como particularmente a luz
vermelha e infra-vermelha em vez de visível.
Esta característica pode ser um problema para os diodos com corpos transparentes ou
grânulo de vidro, tais como o diodo de sinal 1N4148. do LED pode também ser
utilizada como fotodiodos como ambos podem emitir e detectar luz da sua
junção. Todas as junções PN-são sensíveis à luz e podem ser utilizados num modo de
tensão imparcial foto-condutora com o PN-junção do fotodiodo sempre "inclinado
reverso", de modo que apenas a fuga de corrente escura ou diodos pode fluir.
As curvas características (I / V) de corrente-tensão de um fotodíodo com nenhuma luz
sobre a sua junção (modo escuro) é muito semelhante ao de um sinal de normal ou
diodo de rectificação.Quando o fotodiodo é inclinado para a frente, há um aumento
exponencial da corrente, o mesmo que para um diodo normal. Quando uma
polarização inversa é aplicada, uma pequena corrente de saturação reversa aparece o
que provoca um aumento da região de exaustão, que é a parte mais sensível do
entroncamento. Fotodiodos também pode ser ligado em um modo de corrente com
uma tensão de polarização fixa através da junção. O modo de corrente é muito
lineares ao longo de uma vasta gama.
Construção foto diodo e Características
Quando usado como um sensor de luz, uma corrente de escuro fotodiodos (0 lux) é de
cerca de 10uA para gerânio e 1uA para o tipo de silício diodos. Quando a luz incide
sobre a junção mais pares buraco / elétrons são formados e as fugas de corrente
aumenta. Esta fuga aumenta atuais como a iluminação da junção os aumentos.
Assim, a corrente de fotodiodos é diretamente proporcional à intensidade da luz que
incide sobre o PN-junção. Uma vantagem principal de fotodiodos, quando usados
como sensores de luz é a sua resposta rápida a alterações nos níveis de luz, mas uma
desvantagem deste tipo de photodevice é a relativamente pequena corrente, mesmo
quando completamente iluminado.
O circuito a seguir mostra um circuito foto-atual-à-tensão conversor usando um
amplificador operacional como o dispositivo de amplificação. A tensão de saída (Vout)
é dada como Vout = Ip × Rfe que é proporcional às características de intensidade de
luz do fotodiodo.
Este tipo de circuito também utiliza as características de um amplificador operacional
com dois terminais de entrada de cerca de zero tensão para operar o fotodiodo sem
viés. Esta configuração do op-amp-polarização zero, dá uma carga de alta impedância
para o fotodiodo resultando em menor influência de corrente escura e uma faixa linear
mais amplo da fotocorrente relação à intensidade da luz irradiante. O
condensador C f é utilizado para prevenir a oscilação ou ganho de pico e para definir a
largura de banda de saída ( 1/2πRC ).
Foto-diodo Amplificador Circuito
Fotodiodos são sensores de luz muito versáteis que podem transformar o seu fluxo
de corrente tanto "ON" e "OFF" em nanossegundos e são comumente usados em
câmeras, medidores de luz, CD e DVD-ROM, controles remotos de TV, scanners ,
aparelhos de fax e copiadoras, etc e, quando integrados em circuitos amplificadores
operacionais como detectores infravermelhos do espectro para comunicações de fibra
óptica, circuitos de detecção de movimento de alarme de intrusão e de numerosas
imagens, de varredura a laser e sistemas de posicionamento etc
O fototransistor
Foto-transistor
Um dispositivo foto-junção alternativa do fotodiodo é o fototransistor , que é,
basicamente, um fotodíodo com a amplificação. O sensor de luz Phototransistor tem
seu coletor-base PN-junção reversamente polarizado expô-lo à fonte de luz radiante.
Fototransistores operar o mesmo que o fotodiodo, excepto que eles podem fornecer
ganho de corrente e são muito mais sensíveis do que o fotodiodo com correntes são
de 50 a 100 vezes maior do que a do fotodiodo padrão e qualquer transistor normal
pode ser facilmente convertido em um sensor de luz pelo fototransistor ligação de um
fotodiodo entre o coletor e base.
Fototransistores consistem principalmente de um bipolar NPN Transistor com a sua
região de base grande eletricamente desconectado, embora alguns phototransistors
permitir uma conexão de base para controlar a sensibilidade, e que usa fótons de luz
para gerar uma corrente de base que inturn causa um coletor para o emissor que a
corrente flua. A maioria dos f ototransistores são tipos NPN cujo invólucro exterior é
transparente ou tem uma lente clara para focar a luz sobre a junção base para
aumento da sensibilidade.
Construção Photo-transistor e Características
No transistor NPN o colector é polarizado positivamente em relação ao emissor, de
modo que a junção base / colector é inversamente polarizado. por conseguinte, sem a
luz na junção vazamento normal ou fluxos de corrente escura que é muito
pequeno. Quando a luz incide sobre a base de mais pares de elétrons / buracos são
formados nessa região ea corrente produzida por esta ação é amplificado pelo
transistor.
Normalmente, a sensibilidade de um fototransistor é uma função da corrente do
transistor de ganho DC. Por conseguinte, a sensibilidade global é uma função da
corrente de colector e pode ser controlada por uma resistência de ligação entre a base
e o emissor, mas para aplicações muito elevada sensibilidade de tipo acoplador,
fototransistores Darlington são geralmente utilizados.
Photo-darlington
PHOTODARLINGTON transistores utilizar um segundo bipolar transistor NPN para
fornecer amplificação adicional ou quando maior sensibilidade de um fotodetector é
necessária devido aos baixos níveis de luz ou sensibilidade seletiva, mas sua resposta
é mais lenta do que a de um fototransistor NPN comum.
Darlington dispositivos foto consistem de um fototransistor normal, cuja saída de
emissor está acoplado à base de um transistor NPN, maior bipolar. Como uma
configuração de transistor Darlington dá um ganho de corrente igual a um produto dos
ganhos de corrente dos dois transistores individuais, um dispositivo Photodarlington
produz um detector muito sensível.
As aplicações típicas de Fototransistores sensores de luz estão em opto-isoladores,
chaves de fenda, opto sensores de feixe de luz, fibras ópticas e controles remotos tipo
TV, etc filtros infravermelhos são por vezes necessária ao detectar a luz visível.
Outro tipo de photojunction sensor de luz de semicondutores vale a pena mencionar é
o Photo-tiristor . Este é um tiristor activado luz ou Silicon Controlled
Rectifier , SCR , que pode ser utilizada como um interruptor de luz activado em
aplicações de CA. Entretanto, sua sensibilidade é geralmente muito baixo quando
comparado com fotodiodos ou fototransistores equivalentes.
Para ajudar a aumentar a sua sensibilidade à luz, foto-tiristores são mais finas ao
redor da junção portão. A desvantagem deste processo é que ele limita a quantidade
de corrente de ânodo que eles podem mudar. Então, para maiores aplicações AC
atuais eles são usados como dispositivos de piloto em opto-acopladores para mudar
tiristores mais convencionais maiores.
Células fotovoltaicas.O tipo mais comum de sensor de luz fotovoltaica é a célula solar . As células solares
convertem a energia luminosa diretamente em energia elétrica DC, na forma de uma
tensão ou corrente a uma fonte de uma carga resistiva, como uma luz, bateria ou
motor. Em seguida, as células fotovoltaicas são semelhantes em muitos aspectos, a
uma bateria porque eles fornecem energia CC.
No entanto, ao contrário dos outros dispositivos de fotografias que examinamos acima,
que utilizam a intensidade da luz, mesmo a partir de uma tocha de operar, células
solares fotovoltaicas funcionam melhor com os sóis de energia radiante.
As células solares são usados em muitos tipos diferentes de aplicativos para oferecer
uma fonte de energia alternativa a partir de baterias convencionais, como em
calculadoras, satélites e agora em casas que oferecem uma forma de energia
renovável.
Fotovoltaica celular
As células fotovoltaicas são feitas de junções pn de silício de cristal único, o mesmo
que fotodiodos com uma luz muito grande região sensível, mas são usados sem a
polarização reversa. Eles têm as mesmas características que um grande fotodíodo
quando no escuro.
Quando iluminado a energia da luz faz com que os elétrons fluam através da junção
PN e uma célula solar indivíduo pode gerar uma tensão de circuito aberto de cerca de
0.58v (580mV). Células solares têm um um lado "negativo", assim como uma bateria
de "positiva" e.
Células solares individuais podem ser ligados em conjunto em série para formar
painéis solares, o que aumenta a tensão de saída, ou ligados entre si em paralelo para
aumentar a corrente disponível.Painéis solares comercialmente disponíveis são
classificados em Watts, o que é o produto da tensão e corrente de saída (Volts vezes
Amps) quando completamente iluminado.
Características de uma típica célula fotovoltaica Solar.
A quantidade de corrente disponível a partir de uma célula solar depende da
intensidade da luz, o tamanho da célula e a sua eficácia, que é, geralmente, muito
baixo de cerca de 15 a 20%. Para aumentar a eficácia global da célula de células
solares comercialmente disponíveis usam silício policristalino ou silício amorfo, que
não têm uma estrutura cristalina, e podem gerar correntes de entre 20 a 40 mA por
cm 2 .
Outros materiais utilizados na construção de células fotovoltaicas incluem arsenieto de
gálio, índio disseleneto de cobre e cádmio Telluride. Estes materiais diferentes, cada
um tem um espectro de resposta diferente, e assim podem ser "afinados" para
produzir uma tensão de saída, em diferentes comprimentos de onda de luz.
Neste tutorial sobre Sensores de Luz , vimos vários exemplos de dispositivos que são
classificados como Sensores de Luz . Isto inclui aqueles com e sem PN-junções que
podem ser utilizados para medir a intensidade de luz. No próximo tutorial, vamos olhar
para os dispositivos de saída chamadosatuadores . Atuadores converter um sinal
elétrico em uma grandeza física correspondente, como movimento, força, ou som. Um
dispositivo de saída utilizado como é o Relé eletromagnético .
