Sensores de luz

Um sensor de luz gera um sinal de saída indicando a intensidade da luz através da medição da energia radiante que existe numa gama muito estreita de frequências basicamente chamada “luz”, e que varia na frequência de “Infravermelho” a “Visível” até ao espectro de luz “Ultravioleta”.

O sensor de luz é um dispositivo passivo que converte esta “energia luminosa”, visível ou nas partes infravermelhas do espectro, numa saída de sinal eléctrico. Os sensores de luz são mais comumente conhecidos como “Dispositivos Fotoelétricos” ou “Foto Sensores” porque a energia da luz (fótons) é convertida em eletricidade (elétrons).

Os dispositivos fotoelétricos podem ser agrupados em duas categorias principais, aqueles que geram eletricidade quando iluminados, tais como Foto-voltaicos ou Foto-emissivos, etc, e aqueles que mudam suas propriedades elétricas de alguma forma, tais como Foto-resistores ou Foto-condutores. Isto leva à seguinte classificação de dispositivos.

• – Células Foto-emissivas – São fotodispositivos que liberam elétrons livres de um material sensível à luz como o césio quando atingidos por um fóton de energia suficiente. A quantidade de energia que os fotões têm depende da frequência da luz e quanto maior for a frequência, mais energia os fotões têm para converter a energia da luz em energia eléctrica.
• – Células Foto-condutoras – Estes fotões variam a sua resistência eléctrica quando sujeitos à luz. A fotocondutividade resulta de a luz atingir um material semicondutor que controla o fluxo de corrente através dele. Assim, mais luz aumenta a corrente para uma determinada tensão aplicada. O material fotocondutor mais comum é o Sulfureto de Cádmio utilizado nas fotocélulas LDR.
• – Células foto-voltaicas – Estes fotocondutores geram uma emf em proporção à energia luminosa radiante recebida e é semelhante em efeito à fotocondutividade. A energia da luz cai sobre dois materiais semicondutores colados juntos criando uma tensão de aproximadamente 0.5V. O material fotovoltaico mais comum é o Selênio usado em células solares.
• – Dispositivos fotovoltaicos – Estes fotocondutores são principalmente verdadeiros dispositivos semicondutores como o fotodiodo ou fototransistor que usam a luz para controlar o fluxo de elétrons e orifícios através de sua função PN. Os dispositivos fotojuncionais são projetados especificamente para aplicação e penetração de luz com sua resposta espectral ajustada ao comprimento de onda da luz incidente.

A Célula Fotocondutora

Um sensor de luz fotocondutora não produz eletricidade, mas simplesmente muda suas propriedades físicas quando submetido à energia da luz. O tipo mais comum de dispositivo fotocondutor é o Fotorresistor que altera sua resistência elétrica em resposta a mudanças na intensidade da luz.

Fotorresistores são dispositivos semicondutores que utilizam a energia da luz para controlar o fluxo de elétrons e, portanto, a corrente que flui através deles. A Célula Fotocondutora comumente usada é chamada de Resistor Dependente da Luz ou LDR.

O Resistor Dependente da Luz

Como o seu nome indica, o Resistor Dependente da Luz (LDR) é feito de um pedaço de material semicondutor exposto, como o sulfeto de cádmio, que muda sua resistência elétrica de vários milhares de Ohms no escuro para apenas algumas centenas de Ohms quando a luz cai sobre ele, criando pares furo-elétron no material.

O efeito líquido é uma melhoria na sua condutividade com uma diminuição na resistência para um aumento na iluminação. Além disso, as células fotoresistivas têm um longo tempo de resposta que requer muitos segundos para responder a uma alteração na intensidade da luz.

Os materiais utilizados como substrato semicondutor incluem, sulfureto de chumbo (PbS), selenieto de chumbo (PbSe), antimonido de índio (InSb) que detectam luz na faixa de infravermelhos, sendo o mais comumente utilizado de todos os sensores fotoresistivos de luz o Sulfureto de Cádmio (Cds).

O sulfureto de cádmio é utilizado na fabricação de células fotocondutoras porque a sua curva de resposta espectral coincide estreitamente com a do olho humano e pode até ser controlado usando uma simples lanterna como fonte de luz. Tipicamente então, tem um comprimento de onda de sensibilidade de pico (λp) de cerca de 560nm a 600nm na faixa espectral visível.

A Célula Resistente Dependente da Luz

O sensor de luz fotoresistivo mais comumente utilizado é a célula fotocondutora ORP12 Sulfureto de Cádmio. Esta resistência dependente da luz tem uma resposta espectral de cerca de 610nm na região amarela a laranja da luz. A resistência da célula quando não iluminada (resistência escura) é muito alta em cerca de 10MΩ’s que cai para cerca de 100Ω’s quando totalmente iluminada (resistência iluminada).

Para aumentar a resistência escura e portanto reduzir a corrente escura, o caminho resistivo forma um padrão em ziguezague através do substrato cerâmico. A fotocélula CdS é um dispositivo de custo muito baixo, frequentemente utilizado na detecção automática de escurecimento, escuridão ou crepúsculo para ligar e desligar as luzes da rua e para aplicações do tipo fotómetro de exposição.

Conectar um resistor dependente da luz em série com um resistor padrão como este através de uma única tensão de alimentação DC tem uma grande vantagem, uma tensão diferente aparecerá na sua junção para diferentes níveis de luz.

A quantidade de queda de tensão através do resistor em série, R2 é determinada pelo valor resistivo do resistor dependente da luz, RLDR. Esta capacidade de gerar diferentes tensões produz um circuito muito útil chamado “Potential Divider” ou Rede Divididora de Tensão.

Como sabemos, a corrente através de um circuito em série é comum e como o LDR muda o seu valor resistivo devido à intensidade luminosa, a tensão presente no VOUT será determinada pela fórmula do divisor de tensão. A resistência de um LDR, RLDR pode variar de cerca de 100Ω na luz solar, até mais de 10MΩ na escuridão absoluta com esta variação de resistência sendo convertida em uma variação de tensão no VOUT, como mostrado.

Um simples uso de um Resistor Dependente de Luz, é como um interruptor sensível à luz, como mostrado abaixo.

Este circuito básico do sensor de luz é de um interruptor de saída de luz ativado por relé. Um circuito divisor de potencial é formado entre o fotorresistor, o LDR e o resistor R1. Quando não há luz, ou seja, na escuridão, a resistência do LDR é muito alta na faixa de Megaohms (MΩ), de modo que o viés de base zero é aplicado ao transistor TR1 e o relé é desenergizado ou “OFF”.

Como o nível de luz aumenta, a resistência do LDR começa a diminuir, fazendo com que a tensão do viés de base em V1 aumente. Em algum ponto determinado pela rede divisora de potencial formada com o resistor R1, a tensão de polarização de base é alta o suficiente para ligar o transistor TR1 “ON” e assim ativar o relé que, por sua vez, é usado para controlar algum circuito externo. Como o nível de luz cai novamente para a escuridão, a resistência do LDR aumenta fazendo com que a tensão de base do transistor diminua, fazendo com que o transistor e o relé “DESLIGUE” a um nível de luz fixo determinado novamente pela rede divisora de potencial.

Substituindo a resistência fixa R1 por um potenciômetro VR1, o ponto no qual o relé liga “ON” ou “OFF” pode ser pré-definido para um determinado nível de luz. Este tipo de circuito simples mostrado acima tem uma sensibilidade bastante baixa e seu ponto de comutação pode não ser consistente devido a variações tanto na temperatura quanto na tensão de alimentação. Um circuito mais sensível ativado por luz de precisão pode ser facilmente feito incorporando o LDR em um arranjo “Wheatstone Bridge” e substituindo o transistor por um Amplificador Operacional, como mostrado.

Circuito de detecção de nível de luz

Neste circuito básico de detecção de nível de luz, a resistência LDR1 e o potenciómetro VR1 formam um braço ajustável de uma rede de ponte de resistência simples, também conhecida como ponte de Wheatstone, enquanto as duas resistências fixas R1 e R2 formam o outro braço. Ambos os lados da ponte formam redes divisoras de potencial através da tensão de alimentação cujas saídas V1 e V2 estão ligadas às entradas de tensão não inversa e inversa respectivamente do amplificador operacional.

O amplificador operacional é configurado como um Amplificador Diferencial também conhecido como um comparador de tensão com realimentação cuja condição de tensão de saída é determinada pela diferença entre os dois sinais ou tensões de entrada, V1 e V2. A combinação de resistores R1 e R2 formam uma referência de tensão fixa na entrada V2, definida pela relação dos dois resistores. A combinação LDR – VR1 fornece uma entrada de tensão variável V1 proporcional ao nível de luz a ser detectado pelo fotossistor.

Como com o circuito anterior a saída do amplificador operacional é usada para controlar um relé, que é protegido por um díodo de roda livre, D1. Quando o nível de luz detectado pelo LDR e sua tensão de saída cai abaixo da tensão de referência definida em V2, a saída do op-amp muda de estado ativando o relé e comutando a carga conectada.

Likewise conforme o nível de luz aumenta, a saída voltará a comutar “OFF” o relé. A histerese dos dois pontos de comutação é definida pela resistência de realimentação Rf pode ser escolhida para dar qualquer ganho de tensão adequado do amplificador.

A operação deste tipo de circuito do sensor de luz também pode ser revertida para ligar o relé “ON” quando o nível de luz excede o nível de tensão de referência e vice-versa invertendo as posições do sensor de luz LDR e do potenciômetro VR1. O potenciômetro pode ser utilizado para “pré-ajustar” o ponto de comutação do amplificador diferencial para qualquer nível de luz particular, tornando-o ideal como um simples circuito de projeto do sensor de luz.

Dispositivos de fotojunção

Dispositivos de fotojunção são basicamente sensores de luz PN-Junction ou detectores feitos a partir de semicondutores de silício PN-junções que são sensíveis à luz e que podem detectar tanto a luz visível como os níveis de luz infravermelha. Os dispositivos foto-fotojuncionais são feitos especificamente para a detecção da luz e esta classe de sensores de luz fotoelétrica inclui o Fotodiodo e o Fototransistor.

O Fotodiodo.

A construção do fotodíodo sensor de luz é semelhante à de um díodo convencional com função PN, excepto que o invólucro exterior do díodo é transparente ou tem uma lente transparente para focar a luz na junção PN para aumentar a sensibilidade. A junção responderá à luz comprimentos de onda particularmente longos, como vermelho e infravermelho, em vez de luz visível.

Esta característica pode ser um problema para diodos com corpos transparentes ou de esferas de vidro, como o diodo de sinal 1N4148. Os LED’s também podem ser usados como fotodiodos, pois podem emitir e detectar luz a partir da sua junção. Todas as junções PN são sensíveis à luz e podem ser usadas em um modo de tensão fotocondutiva sem polarização com a junção PN do fotodiodo sempre “Reversa Polarizada” de modo que somente os diodos vazam ou corrente escura podem fluir.

A característica de corrente-tensão (curvas I/V) de um fotodiodo sem luz em sua junção (modo escuro) é muito semelhante a um sinal normal ou diodo retificador. Quando o fotodíodo está enviesado para frente, há um aumento exponencial da corrente, o mesmo que para um diodo normal. Quando um viés inverso é aplicado, aparece uma pequena corrente de saturação inversa que causa um aumento da região de esgotamento, que é a parte sensível da junção. Os fotodíodos também podem ser conectados em um modo de corrente usando uma tensão de polarização fixa em toda a junção. O modo de corrente é muito linear em uma ampla faixa.

Construção e Características do Fotodiodo

Quando usado como um sensor de luz, um fotodiodo de corrente escura (0 lux) é cerca de 10uA para gerânio e 1uA para diodos tipo silício. Quando a luz cai sobre a junção, mais pares de furos/elétron são formados e a corrente de fuga aumenta. Esta corrente de fuga aumenta à medida que a iluminação da junção aumenta.

Assim, a corrente dos fotodíodos é directamente proporcional à intensidade luminosa que cai sobre a função PN. Uma vantagem principal dos fotodíodos quando usados como sensores de luz é sua resposta rápida às mudanças nos níveis de luz, mas uma desvantagem deste tipo de fotodiodo é o fluxo de corrente relativamente pequeno mesmo quando totalmente iluminado.

O circuito seguinte mostra um circuito conversor de fotocorrente para tensão usando um amplificador operacional como dispositivo amplificador. A tensão de saída (Vout) é dada como Vout = IP*Rƒ e que é proporcional às características de intensidade luminosa do fotodíodo.

Este tipo de circuito também utiliza as características de um amplificador operacional com dois terminais de entrada a cerca de zero tensão para operar o fotodíodo sem polarização. Esta configuração de ampola op-amp zero dá uma alta carga de impedância ao fotodíodo resultando em menos influência da corrente escura e uma maior amplitude linear da corrente do fotodiodo em relação à intensidade luminosa radiante. O capacitor Cf é utilizado para evitar oscilações ou picos de ganho e para definir a largura de banda de saída (1/2πRC).

Amplificador de Foto-diodo Circuito

Fotodiodos são sensores de luz muito versáteis que podem ligar e desligar o seu fluxo de corrente em nanossegundos e são normalmente usados em câmaras, medidores de luz, unidades de CD e DVD-ROM, controles remotos de TV, scanners, aparelhos de fax e copiadoras, etc., e quando integrados em circuitos amplificadores operacionais como detectores de espectro infravermelho para comunicações por fibra óptica, circuitos de detecção de movimento de alarme anti-roubo e numerosos sistemas de imagem, varredura e posicionamento a laser, etc.

O Fototransistor

Um dispositivo de foto-junção alternativo ao fotodíodo é o Fototransistor que é basicamente um fotodíodo com amplificação. O Fototransistor de luz tem sua base coletora com polarização de polarização inversa da função PN expondo-o à fonte de luz radiante.

Fototransistores operam da mesma forma que o fotodiodo, exceto que eles podem fornecer ganho de corrente e são muito mais sensíveis que o fotodiodo com correntes são 50 a 100 vezes maiores que o fotodiodo padrão e qualquer transistor normal pode ser facilmente convertido em um fototransistor de luz, conectando um fotodiodo entre o coletor e a base.

Fototransistores consistem principalmente em um Transistor NPN bipolar com sua grande região de base eletricamente desconectada, embora alguns fototransistores permitam uma conexão de base para controlar a sensibilidade, e que usa fótons de luz para gerar uma corrente de base que, por sua vez, faz com que um coletor emita corrente para o fluxo. A maioria dos fototransistores são do tipo NPN cujo invólucro externo é transparente ou tem uma lente transparente para focalizar a luz na junção da base para aumentar a sensibilidade.

Construção e características do fototransistor

No transistor NPN o colector é polarizado positivamente em relação ao emissor de modo que a junção base/collector seja polarizada ao contrário. Portanto, sem luz na junção vazamento normal ou fluxos de corrente escuros que são muito pequenos. Quando a luz cai sobre a base formam-se mais pares electrões/furo nesta região e a corrente produzida por esta acção é amplificada pelo transistor.

Usualmente a sensibilidade de um fototransistor é função do ganho de corrente DC do transistor. Portanto, a sensibilidade global é uma função da corrente coletora e pode ser controlada conectando uma resistência entre a base e o emissor, mas para aplicações do tipo optoacoplador de sensibilidade muito alta, os fototransistores Darlington são geralmente utilizados.

Transistores de Photodarlington usam um segundo transistor NPN bipolar para fornecer amplificação adicional ou quando é necessária maior sensibilidade de um fotodetector devido a baixos níveis de luz ou sensibilidade seletiva, mas sua resposta é mais lenta do que a de um fototransístor NPN comum.

Os dispositivos de fotodetecção Darlington consistem num fototransístor normal cuja saída do emissor está acoplada à base de um transístor NPN bipolar maior. Como uma configuração de transistor darlington dá um ganho de corrente igual a um produto dos ganhos de corrente de dois transistores individuais, um dispositivo fotodarlington produz um detector muito sensível.

Aplicações típicas dos sensores de luz dos fototransistores são em opto-isoladores, interruptores opto-isoladores ranhurados, sensores de feixe de luz, fibra óptica e controles remotos tipo TV, etc. Filtros infravermelhos são por vezes necessários quando se detecta luz visível.

Outro tipo de sensor de luz semicondutor fotojuncional que vale a pena mencionar é o Photo-thyristor. Este é um tiristor ativado por luz ou um retificador controlado por silício, SCR que pode ser usado como um interruptor ativado por luz em aplicações CA. No entanto, sua sensibilidade é normalmente muito baixa em comparação com fotodíodos ou fototransistores equivalentes.

Para ajudar a aumentar sua sensibilidade à luz, os foto-tirístores se tornam mais finos ao redor da junção da porta. A desvantagem deste processo é que ele limita a quantidade de corrente do ânodo que eles podem trocar. Então, para aplicações de corrente mais alta AC, eles são usados como dispositivos piloto em acopladores ópticos para trocar tiristores maiores e mais convencionais.

Células Fotovoltaicas.

O tipo mais comum de sensor de luz fotovoltaica é a Célula Solar. As células solares convertem a energia luminosa directamente em energia eléctrica CC sob a forma de tensão ou corrente para uma carga resistiva, como uma luz, bateria ou motor. Então as células fotovoltaicas são semelhantes em muitos aspectos a uma bateria porque fornecem energia DC.

No entanto, ao contrário dos outros dispositivos fotovoltaicos que vimos acima que utilizam intensidade de luz mesmo de uma tocha para funcionar, as células solares fotovoltaicas funcionam melhor utilizando a energia radiante dos sóis.

As células solares são utilizadas em muitos tipos diferentes de aplicações para oferecer uma fonte de energia alternativa a partir de baterias convencionais, como em calculadoras, satélites e agora em casas oferecendo uma forma de energia renovável.

célula fotovoltaica são feitas de junções PN de silício de cristal único, o mesmo que fotodíodos com uma região sensível à luz muito grande, mas são utilizados sem o viés inverso. Têm as mesmas características de um fotodíodo muito grande quando no escuro.

Quando iluminada a energia da luz faz com que os elétrons fluam através da junção PN e uma célula solar individual pode gerar uma tensão de circuito aberto de cerca de 0.58v (580mV). As células solares têm um lado “Positivo” e um lado “Negativo” tal como uma bateria.

Células solares individuais podem ser ligadas em série para formar painéis solares que aumentam a tensão de saída ou ligadas em paralelo para aumentar a corrente disponível. Os painéis solares comercialmente disponíveis são classificados em Watts, que é o produto da tensão e corrente de saída (Volts vezes Amps) quando totalmente iluminado.

Características de uma típica Célula Solar Fotovoltaica.

A quantidade de corrente disponível de uma célula solar depende da intensidade luminosa, do tamanho da célula e da sua eficiência que é geralmente muito baixa em cerca de 15 a 20%. Para aumentar a eficiência global da célula disponível comercialmente as células solares utilizam silício policristalino ou silício amorfo, que não têm estrutura cristalina, e podem gerar correntes entre 20 a 40mA por cm2.

Outros materiais utilizados na construção de células fotovoltaicas incluem o Arsenieto de Gálio, o Diselenieto de Cobre e o Telluride de Cádmio. Estes diferentes materiais têm cada um uma resposta de banda de espectro 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, nós olhamos vários exemplos de dispositivos que são classificados como Sensores de Luz. Isto inclui aqueles com e aqueles sem PN-junções que podem ser usados para medir a intensidade da luz.