Como Funcionam Os Sensores Fotoelétricos (ART644)

Como funcionam os sensores fotoeltricos (ART644)

Um tipo de sensor encontrado em uma grande quantidade de aplicaes o sensor fotoeltrico. Estessensores utilizados numa infinidade de aplicaes, indo desde sistemas de segurana, controle, mquinasindustriais, equipamento mdico e eletrnica embarcada. Como escolher um sensor fotoeltrico para umadeterminada aplicao depende do conhecimento de suas caractersticas, j que tambm nesse casopodemos contar com diversos dispositivos que podem ser utilizados em aplicaes prticas. Nesse artigofocalizamos os principais tipos de sensores fotoeltricos, com suas principais caractersticas. Nestareviso de 2012 permanece a atualidade doi artigo, sendo recomendados diversos outros artigos sobre oassunto presentes no site.

A finalidade de um sensor fotoeltrico converter um sinal luminoso (luz ou sombra) num sinal eltricoque possa ser processado por um circuito eletrnico.

Nas aplicaes eletrnicas atuais encontramos uma boa quantidade de tipos de sensores cujascaractersticas se prestam para determinadas finalidades. Assim, ao escolher um sensor para umadeterminada aplicaes, o profissional da eletrnica deve conhecer essas caractersticas de modo a fazer aescolha certa.

Usar um sensor pouco sensvel numa aplicao que opere com fontes fracas de luz ou ainda um sensorlento que deva detectar o movimento rpido de luz ou sombra pode comprometer um projeto.

Nesse artigo focalizamos as diversas tecnologias com que o leitor pode contar e que levam a diversostipos de dispositivos que podem ser usados como sensores fotoeltricos.

Sensores Fotoeltricos

Um sensor fotoeltrico pode ser tanto um transdutor como um sensor propriamente dito.

Dizemos que um sensor fotoeltrico um transdutor quando ele converte energia luminosa (radiante) emenergia eltrica. o caso das fotoclulas que convertem diretamente luz em energia eltrica.

Por outro lado, temos sensores propriamente ditos que convertem luz em uma variao de uma grandezaeltrica qualquer como corrente ou resistncia. Esse o caso dos LDRs e dos foto-diodos. Na figura 1ilustramos os dois casos.

Figura 1

Como funcionam os sensores fotoeltricos (ART644) http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/4883-art6...

1 de 13 04/04/2015 10:47

Caractersticas

Ao escolher um sensor fotoeltrico para uma determinada aplicao precisamos levar em conta suascaractersticas. As principais so:

a) Sensibilidade

A sensibilidade de um sensor fotoeltrico nos diz de que modo a grandeza associada em sua sada variacom a intensidade de luz que incide nesse sensor.

De uma forma geral, a maioria dos sensores usados nas aplicaes eletrnicas so extremamente sensveisno sentido de que basta apenas um fton para que j possamos ter uma variao sensvel da grandezaassociada.

O aproveitamento dessa sensibilidade, na maioria dos casos vai depender muito mais da sensibilidade do

circuito usado no processamento dos sinais desse sensor.

b) Resposta Espectral

Diferentemente do olho humano, a maioria dos sensores fotoeltricos podem "ver" muito mais do que osnossos olhos. Em outras palavras, esses sensores em sua maioria podem perceber tanto radiaoinfravermelha como ultravioleta. Na figura 2 temos a curva de resposta tpica de alguns sensores,comparadas a sensibilidade do olho humano.

Figura 2


2 de 13 04/04/2015 10:47

A sensibilidade de diversos sensores radiao infravermelha importante porque esses sensores podemoperar como fontes de radiao infravermelha tais como LEDs infravermelhos, LASERs e mesmo outras.

c) Velocidade

Em muitas aplicaes os sensores devem detectar variaes muito rpidas de luz (ou sombra), como nocaso da leitura de cdigo de barras, controles de velocidade de mquinas, encoders pticos, links por fibraptica e outras aplicaes.

Nem todos os sensores existentes podem responder a essas variaes rpidas ou modulao das fontes deluz. No entanto, para os sensores lentos existem aplicaes importantes como quelas que exigem omanuseio de correntes intensas no controle de automatismos baseados em luz e sombra, etc.

Os sensores mais lentos podem ter uma resposta to baixa que limitam a sua freqncia de aplicao apouco mais de 10 kHz, enquanto que os mais rpidos podem chegar a dezenas de Megahertz.

Tipos de Sensores

Nas aplicaes prticas atuais existem diversos tipos de sensores, os quais podem ser encontrados emverses particulares e configuraes que dependem da aplicao. Os principais so:

a) LDRs

Os LDRs ou Light Dependent Resistors, tambm conhecidos como foto-resistores e clulas de sulfeto decdmio so sensores do tipo foto-condutivo.

Neles, a resistncia apresentada passagem de uma corrente eltrica depende da quantidade de luz queincide numa superfcie sensvel base de Sulfeto de Cdmio ou CdS, conforme mostra a figura 3.

Figura 3

Na montagem tpica de um sensor desse tipo, de modo a maximizar a superfcie sensvel, os eletrodosformam uma estrutura em ziguezague. Tanto maior o sensor, maior ser a sua capacidade de controlarcorrentes mais intensas.

No escuro, a resistncia tpica de um sensor desse tipo pode chegar a mais de 1 M?. No claro, sobiluminao solar direta, essa resistncia pode cair a algumas dezenas de ?. Na figura 4 temos a curva


3 de 13 04/04/2015 10:47

caracterstica de um sensor desse tipo.

Figura 4

Veja que o LDR um sensor bidirecional o que significa que ele pode operar diretamente inclusive emcircuitos de corrente alternada.

Apesar de ter uma resposta espectral bastante ampla, superando a capacidade de percepo do olhohumano, o LDR um dispositivo lento, sendo usado muito mais em aplicaes de automao em funoda luz do que controle ou sensoriamento de variaes rpidas de luz.

Assim, dentre as aplicaes tpica desse sensor esto os sistemas automticos de iluminao ambiente,alarmes de passagem ou sensores de objetos.

O LDR no apresenta uma caracterstica linear de sensibilidade, conforme podemos ver pela sua curvacaracterstica, no sendo portanto muito indicado para instrumentos de medida.

b) Foto-Clulas

As foto-clulas so dispositivos do tipo que geram uma tenso eltrica em funo da quantidade de luzque incide na sua superfcie, sendo basicamente formadas por junes de silcio, conforme mostra a figura5.

Figura 5

A incidncia de luz nas junes semicondutoras libera portadores de carga que, ao se deslocarem, fazemaparecer uma tenso eltrica em suas extremidades. Essa tenso, da ordem de 0,6 a 0,7 V pode provocar acirculao de uma corrente por uma carga externa.


4 de 13 04/04/2015 10:47

A corrente ser tanto mais intensa quanto maior for a quantidade de luz incidente na juno. Veja quenesse ponto importante observar que quantidade de ftons que incide na juno que determina acorrente de sada e no a energia dos ftons.

Einstein ao explicar o efeito foto-eltrico mostrou que, desde que o fton seja capaz de liberar os eltrons,a quantidade de eltrons liberada depende da quantidade de ftons e no de sua energia.

Foto-clulas no so muito usadas como sensores, se bem que tenham uma resposta de freqncia muitogrande, podendo portanto operar com sinais luminosos modulados ou mesmo na deteco de variaesmuito rpidas de luz.

c) Foto-Diodos

Os foto-diodos podem ser usados tanto no modo foto-condutivo como foto-voltaico. O princpio defuncionamento simples de se entender:

Quando luz incide numa juno semicondutora, exatamente como no caso das foto-clulas, portadores decarga so liberados. Nessas condies temos a manifestao de dois fenmenos que podem ser utilizadosna prtica.

Um deles que a resistncia no sentido inverso da juno iluminada diminui e o outro que aparece umatenso no dispositivo. Se o sensor aproveitar a variao da resistncia inversa com a luz no modo deoperao, dizemos que ele opera no modo foto-condutivo. Se ele aproveitar a tenso gerada com a luz,dizemos que ele opera no modo foto-voltaico.

Na prtica os dois modos de utilizao so aproveitados. Na figura 6 temos o smbolo e o aspecto dessessensores que tambm podem ser usados em conjunto com elementos emissores de luz.

Figura 6

Assim, podemos encontrar os toto-diodos em chaves pticas e acopladores pticos como os usados emencoders. A figura 7 d exemplos de alguns desses dispositivos.


5 de 13 04/04/2015 10:47

Figura 7

A curva de resposta dos foto-diodos em relao ao comprimento de onda da radiao incidente a mesmade diversos outros dispositivos baseados em silcio o que significa a possibilidade de se usar radiaoinfravermelha.

Uma caracterstica importante dos diodos entretanto, a sua velocidade de resposta muito alta quepermite detectar pulsos de luz ou sombra muito rpidos, alcanando freqncias de dezenas ou mesmo

centenas de megahertz.

Por esse motivo as aplicaes desse sensor incluem quelas em que a velocidade de resposta importantetais como em encoders, sensores de rotao e posio, recepo de sinais de luz modulados como emlinks de fibras pticas, leitoras de DVDs, CDs, etc.

Um componente muito importante da famlia de foto-diodos o foto-diodo PIN, criado em torno dos anos1950, mas at hoje amplamente usado em sensores industriais de alta velocidade.

Na figura 8 temos a estrutura bsica de um foto-diodo PIN. O nome vem do fato de que entre as regies Pe N existe uma camada intrnseca (I), conforme sugere a mesma figura.

Figura 8

A curva caracterstica de um foto-diodo nos mostra que a corrente no sentido inverso modifica-se com aincidncia de luz.

Nesse componente, quando um fton atinge um tomo da regio intrnseca, ele libera um eltron


6 de 13 04/04/2015 10:47

formando assim um par eltron-lacuna que migram em direes opostas produzindo uma corrente.

Uma caracterstica importante desse diodo que, como preciso uma energia relativamente pequena paraliberar os eltrons, ele tambm pode ser usado como um sensor para radiao nuclear. Partculas atmicas,pela sua energia maior podem liberar diversos eltrons, formando assim diversos pares eltrons-lacunas.

Os foto-diodos no apresentam nenhuma amplificao, se bem que sejam dispositivos rpidos. Se maisimportante que a velocidade for a sensibilidade, recomenda-se o uso dos foto-transistores.

Os foto-diodos so sensores lineares numa ampla faixa de intensidades luminosas, o que torna-os ideaispara a utilizao em fotmetros.

Um tipo de foto-diodo no linear mas que encontra aplicaes importantes como foto-sensor oFoto-diodo de Avalanche cuja estrutura mostrada na figura 9.

Figura 9

Esse diodo opera polarizado no sentido inverso perto do ponto de avalanche quando poucos portadores decarga liberados provocam fortes correntes inversas.

Quando um fton incide na regio sensvel ele libera um par-eltron lacuna que se desloca para a regiono dopada. Nessa regio ele libera mais pares eltrons-lacuna num processo de avalanche que culminacom correntes muito mais intensas do que as obtidas por diodos comuns.

Esse dispositivo no linear, mas apresenta uma sensibilidade bem maior que os foto-diodos comuns e osfoto-diodos PIN.

d) Foto-Transistores

O princpio de funcionamento do foto-transistor o mesmo do foto-diodo: liberao de portadores decarga nas junes quando a luz incide. No entanto, no caso dos transistores temos uma estrutura maior oque significa uma velocidade um pouco menor, conforme mostra a figura 10.


7 de 13 04/04/2015 10:47

Figura 10

No entanto, os transistores podem ser usados de tal forma que a corrente gerada na liberao de cargaspela luz seja amplificada. Assim, os foto-transistores como sensores podem apresentar ganho.

Uma possibilidade interessante, bastante explorada nas aplicaes em que se exige ganho sem umavelocidade muito grande de resposta a que corresponde ao foto-Darlington, mostrada na figura 11.

Figura 11

O ganho desse foto-transistor ser dado pelo produto doas ganhos dos transistores associados, o quesignifica em alguns casos a possibilidade de se ter at um acionamento direto de rels sensveis, conformemostra a figura 12.

Figura 12

Os foto-transistores so usados em aplicaes onde se exige uma maior sensibilidade mas uma taxa develocidades intermediria, alcanando alguns megahertz.

No entanto, a velocidade de um foto-transistor num circuito pode ser aumentada com sua configuraocomo disparador o que muito comum em aplicaes rpidas. Nessas condies ao iniciar a conduoocorre um rpido processo de realimentao que o leva a comutao muito rpida.


8 de 13 04/04/2015 10:47

e) Foto-Tiristores

Diversos dispositivos da famlia dos tiristores podem ser encontrados em verses sensveis luz. Bastaexpor uma ou mais junes do dispositivo luz para que possamos ter o seu disparo, fazendo-o funcionarcomo um sensor ptico.

Dentre os dispositivos dessa famlia que existem na forma de sensores pticos temos:

* LASCS

SCS significa Silicon Controled Switch ou Chave Controlada de Silcio consistindo num dispositivosemicondutor com caractersticas negativas de conduo com o smbolo e circuito equivalente mostradona figura 13.

Figura 13

Na verso normal, o disparo feito por tenso. Quando a tenso aplicada ao dispositivo atinge algo entre7 e 15 V, ele dispara conduzindo intensamente a corrente.

A verso optoeletrnica tem a juno de disparo exposta a luz de modo que o dispositivo pode serpolarizado de modo a ficar prestes ao disparo, o que vai ocorrer quando luz incidir em sua juno. Temosento o componente cujo smbolo mostrado na figura 14.

Figura 14


9 de 13 04/04/2015 10:47

Na prtica os LASCS no so muito comuns, pois existem componentes equivalentes preferidos como osfoto-diodos e mesmo os foto-transistores. Aplicaes incluem o disparo de SCRs pela luz.

* LASBS

SBS significa Silicon Bilateral Switch ou chave bilateral de silcio, consistindo no equivalente do SCSque conduz a corrente nos dois sentidos. Na figura 15 temos o smbolo desse componente.

Figura 15

Da mesma forma que no caso dos SCSs podemos ter a verso sensvel luz desse componente, expondosuas junes. Assim, LASBS significa Light - SBS.

Os LASCSs so usados no disparo de SCRs enquanto que os LASBS so usados no disparo de triacs,conforme mostra a figura 16.

Figura 16


10 de 13 04/04/2015 10:47

Tambm no so dispositivos muito comuns atualmente por existirem outras alternativas para a mesmafuno.

* Opto-Diac

Os Diacs tambm podem ser encontrados em verses sensveis luz. O exemplo mais comum emacopladores pticos como os da srie MOC310 e 3020 que so empregados no disparo de triacs, conformemostra a figura 17.

Figura 17

* LASCR

LASCR so SCRs (Diodos Controlados de Silcio ou Silicon Controlled Rectifiers) que tem suas junesexpostas luz de modo a se obter seu disparo por essa forma de radiao. Assim, conforme mostra afigura 18, basta polarizar a juno de um desses componentes para que ele fique no limiar do disparo eento a luz faz o resto.

Figura 18

A vantagem desse dispositivo est na sua velocidade rpida ao disparo e possibilidade de controlar cargasde potncia. No entanto, no so dispositivos comuns pois pode-se obter o mesmo desempenho comSCRs comuns ligados a sensores como os foto-transistores que tm um custo muito baixo.

Encontramos tambm alguns LASCRs integrados a acopladores pticos, como o mostrado na figura 19.


11 de 13 04/04/2015 10:47

Figura 19

A vantagem desse dispositivos est na possibilidade de se ter o conjunto isolado eletricamente numinvlucro de pequenas dimenses cuja entrada aceita sinais de microprocessadores, microcontroladores ecircuitos lgicos das famlias comuns.

f) Vlvulas foto-multiplicadoras

Um dispositivo mais antigo, mas que ainda apresenta um comportamento eltrico que o torna ideal paraaplicaes em que intensidades de luz extremamente pequenas devam ser detectadas a vlvulafoto-multiplicadora ou tubo foto-multiplicador, como tambm chamado. Na figura 20 temos o aspectode um desses sensores foto-eltricos.

Figura 20 - Aspecto de uma vlvula foto-multiplicadora

Para entendermos o princpio de funcionamento desse sensor foto-eltrico, partirmos da estruturamostrada na figura 21.


12 de 13 04/04/2015 10:47

Figura 21 - Princpio de funcionamento de uma vlvula foto-multiplicadora.

Quando um fton de luz emitido e atinge o foto-catodo ele libera um eltron que dirigido a um dinodoatravs da ao de um eletrodo de focalizao.

Ao incidir no dinodo, o eltron libera outros eltrons que so emitidos em direo a um segundo dinodo.Da mesma forma, ao incidir num segundo dinodo, novos eltrons so liberados e emitidos num processo

multiplicador.

Assim no ltimo dinodo j temos uma grande quantidade de eltrons que so ento captados por umanodo, produzindo assim uma corrente de sada no dispositivo.

As vlvulas foto-multiplicadoras so usadas nos processos em que quantidades extremamente pequenasde luz devam ser detectadas, por exemplo, um nico fton numa cmara de cintilao.

Essa cmara, usada em pesquisas nucleares contm uma substncia que ao receber uma partcula atmica

libera um fton, produzindo assim uma cintilao.

Nas pesquisas mais simples, a radiao de uma substncia pode ser avaliada observando-se essascintilaes num microscpio e fazendo sua contagem. Num processo mais elaborado pode-se fazer uso deuma vlvula foto-multiplicadora para detectar essas cintilaes sendo produzidos pulsos que podem sercontados automaticamente por um circuito.

Concluso

Os sensores foto-eltricos podem ser encontrados em diversas configuraes. Fornecedores como aRockwell, Omron, Metaltex e muitos possuem amplas linhas de sensores especialmente projetados paraaplicaes especficas.

Conhecendo as caractersticas dos principais tipos, o projetista pode consultar os manuais dessasempresas para encontrar exatamente o modelo de sensor que melhor se adapta a sua aplicao.


13 de 13 04/04/2015 10:47

Como Funcionam Os Sensores Fotoelétricos (ART644)

Documents

Transcript of Como Funcionam Os Sensores Fotoelétricos (ART644)