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Como funcionam os foto-diodos (ART1181)

Encontramos sensores fotoelétricos numa infinidade de aplicações, indo desde sistemas de segurança, controle, máquinas industriais, equipamento médico e eletrônica embarcada. Existem hoje diversos tipos de sensores fotoelétricos que, pelas suas características se destinam a aplicações diferentes. Um tipo importante de sensor, encontrado em aplicações em que se exige alta velocidade e sensibilidade é o foto-diodo. Veja neste artigo como funcionam os principais tipos de fotodiodos e suas principais características.

A finalidade de um sensor fotoelétrico é converter um sinal luminoso (luz ou sombra) num sinal elétrico que possa ser processado por um circuito eletrônico.

Nas aplicações eletrônicas atuais encontramos uma boa quantidade de tipos de sensores cujas características se prestam para determinadas finalidades. Assim, ao escolher um sensor para uma determinada aplicações, o profissional da eletrônica deve conhecer essas características de modo a fazer a escolha certa.

Nesse artigo focalizamos um tipo especial de sensor que tem sua utilização mais intensa nos equipamentos em que se exige uma grande velocidade de resposta tais como leitores de CD ROM, DVDs, códigos de barras e links por fibras ópticas. Trata-se do foto-diodo ou diodo fotoelétrico que pode ser encontrado numa grande variedade de formas e até mesmo associado a outros dispositivos como acopladores ópticos ou chaves ópticas.

 

Sensores Fotoelétricos

Existem basicamente dois tipos de sensores fotoelétricos: os fotocondutivos e os fotovoltaicos. Nos foto-condutivos temos uma variação de uma corrente que circula através do dispositivo em função da intensidade da luz incidente. É o caso dos LDRs.

Nos fotovoltáicos temos a produção de uma corrente cuja intensidade depende da intensidade da luz incidente, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1 - Dois tipos de sensores fotoelétricos.
Figura 1 - Dois tipos de sensores fotoelétricos.

 

 

Características

Ao escolher um sensor fotoelétrico para uma determinada aplicação precisamos levar em conta suas características. As principais são:

 

a) Sensibilidade

A sensibilidade de um sensor fotoelétrico nos diz de que modo a grandeza associada em sua saída varia com a intensidade de luz que incide nesse sensor.

De uma forma geral, a maioria dos sensores usados nas aplicações eletrônicas são extremamente sensíveis no sentido de que basta apenas um fóton para que já possamos ter uma variação sensível da grandeza associada.

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 fotoelétricos podem "ver" muito mais do que os nossos olhos. Em outras palavras, esses sensores em sua maioria podem perceber tanto radiação infravermelha como ultravioleta. Na figura 2 temos a curva de resposta típica de alguns sensores comparadas a sensibilidade do olho humano.

 

Figura 2 - Curvas de resposta do olho e de sensores comparadas.
Figura 2 - Curvas de resposta do olho e de sensores comparadas.

 

A sensibilidade de diversos sensores à radiação infravermelha é importante porque esses sensores podem operar como fontes de radiação infravermelha tais como LEDs infravermelhos, LASERs e mesmo outras.

 

c) Velocidade

Em muitas aplicações os sensores devem detectar variações muito rápidas de luz (ou sombra), como no caso da leitura de código de barras, controles de velocidade de máquinas, encoders ópticos, links por fibra óptica e outras aplicações.

Nem todos os sensores existentes podem responder a essas variações rápidas ou modulação das fontes de luz. No entanto, para os sensores lentos existem aplicações importantes como àquelas que exigem o manuseio de correntes intensas no controle de automatismos baseados em luz e sombra, etc.

Os sensores mais lentos podem ter uma resposta tão baixa que limitam a sua freqüência de aplicação a pouco mais de 10 kHz, enquanto que os mais rápidos podem chegar a dezenas de Megahertz.

 

O foto diodo

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

Quando luz incide numa junção semicondutora, portadores de carga são liberados. Nessas condições temos a manifestação de dois fenômenos que podem ser utilizados na prática.

Um deles é que a resistência no sentido inverso da junção iluminada diminui e o outro é que aparece uma tensão no dispositivo. Se o sensor aproveitar a variação da resistência inversa com a luz no modo de operação, dizemos que ele opera no modo foto-condutivo. Se ele aproveitar a tensão gerada com a luz, dizemos que ele opera no modo foto-voltaico.

Na prática os dois modos de utilização são aproveitados. Na figura 3 temos o símbolo e o aspecto desses sensores que também podem ser usados em conjunto com elementos emissores de luz.

 

Figura 3 - Símbolo e aspectos dos foto-diodos.
Figura 3 - Símbolo e aspectos dos foto-diodos.

 

Assim, podemos encontrar os foto-diodos em chaves ópticas e acopladores ópticos como os usados em encoders. A figura 4 dá exemplos de alguns desses dispositivos.

 

Figura 4 - Diferença entre chaves e acopladores ópticos.
Figura 4 - Diferença entre chaves e acopladores ópticos.

 

A curva de resposta dos foto-diodos em relação ao comprimento de onda da radiação incidente é a mesma de diversos outros dispositivos baseados em silício o que significa a possibilidade de se usar radiação infravermelha.

Uma característica importante dos diodos entretanto é a sua velocidade de resposta muito alta que permite detectar pulsos de luz ou sombra muito rápidos, alcançando freqüências de dezenas ou mesmo centenas de megahertz.

Por esse motivo as aplicações desse sensor incluem àquelas em que a velocidade de resposta é importante tais como em encoders, sensores de rotação e posição, recepção de sinais de luz modulados como em links de fibras ópticas, leitoras de DVDs, CDs, etc.

 

Foto Diodos PIN

Um componente muito importante da família de foto-diodos é o foto-diodo PIN, criado em torno dos anos 1950, mas até hoje amplamente usado em sensores industriais de alta velocidade.

Na figura 5 temos a estrutura básica de um foto-diodo PIN. O nome vem do fato de que entre as regiões P e N existe uma camada intrínseca (I), conforme sugere a mesma figura.

 

Figura 5 - Estrutura de um diodo PIN.
Figura 5 - Estrutura de um diodo PIN.

 

A curva característica de um foto-diodo nos mostra que a corrente no sentido inverso modifica-se com a incidência de luz. Nesse componente, quando um fóton atinge um átomo da região intrínseca, ele libera um elétron formando assim um par elétron-lacuna que migram em direções opostas produzindo uma corrente.

Uma característica importante desse diodo é que, como é preciso uma energia relativamente pequena para liberar os elétrons, ele também pode ser usado como um sensor para radiação nuclear. Partículas atômicas, pela sua energia maior podem liberar diversos elétrons, formando assim diversos pares elétrons-lacunas.

Os foto-diodos não apresentam nenhuma amplificação, se bem que sejam dispositivos rápidos. Se mais importante que a velocidade for a sensibilidade, recomenda-se o uso dos foto-transistores ou então um outro tipo de foto-diodo especial que é o foto-diodo de avalanche.

Os foto-diodos são sensores lineares numa ampla faixa de intensidades luminosas, o que torna-os ideais para a utilização em fotômetros.

 

Foto-Diodo de Avalanche

Um tipo de foto-diodo não linear mas que encontra aplicações importantes como foto-sensor é o Foto-diodo de Avalanche cuja estrutura é mostrada na figura 6.

 

Figura 6 - Foto-diodo de avalanche
Figura 6 - Foto-diodo de avalanche

 

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

Quando um fóton incide na região sensível ele libera um par elétron-lacuna que se desloca para a região não dopada. Nessa região ele libera mais pares elétrons-lacuna num processo de avalanche que culmina com correntes muito mais intensas do que as obtidas por diodos comuns.

Esse dispositivo não é linear, mas apresenta uma sensibilidade muito maior que os foto-diodos comuns e os foto-diodos PIN.

 

Circuitos

Na operação fotocondutiva, os foto-diodos operam polarizados no sentido inverso, conforme mostra a figura 7.

 

Figura 7 - Circuito simples para acionamento de relé.
Figura 7 - Circuito simples para acionamento de relé.

 

Nessa figura temos um circuito típico para acionamento de um relé, com o diodo sendo ligado diretamente à base de um transistor amplificador já que, conforme vimos, as correntes inversas produzidas por esse componente são muito baixas.

Num link óptico, também operando no modo foto-condutivo, podemos dar como exemplo a configuração mostrada na figura 8.

 

Figura 8 - Receptor para link óptico.
Figura 8 - Receptor para link óptico.

 

Esse circuito permite a operação do foto-diodo com sinais modulados de freqüências relativamente elevadas.

No modo fotovoltaico temos o circuito da figura 9 em que se utiliza um amplificador operacional.

 

Figura 9 - Receptor com operacional.
Figura 9 - Receptor com operacional.

 

Nesse circuito, a tensão produzida pelo diodo ao receber luz é amplificada no modo diferencial pelo amplificador, fornecendo assim o sinal de saída.

 

Foto Diodos na Prática

Podemos encontrar foto-diodos em diversos formatos e até mesmo embutidos em acopladores e chaves ópticas, conforme mostra a figura 10.

 

Figura 10 - Alguns invólucros.
Figura 10 - Alguns invólucros.

 

Alguns foto-diodos podem ser encontrados em invólucros de plásticos especialmente projetados para agir como filtros de modo que o componente tenha um pico de resposta máxima na região infravermelha.

Esses são diodos especiais que são indicados para operar com LEDs emissores infravermelhos e não com fontes de luz comum. Também existem foto-diodos com lentes incorporadas que permitem a concentração maior da luz, obtendo-se assim maior sensibilidade e diretividade.

 

Conclusão

Existem muitos tipos de foto-diodos disponíveis no mercado. Para o leitor é importante conhecer os tipos e as características para saber utilizá-los corretamente.

Com a breve visão que demos neste artigo o leitor certamente estará apto a escolher o melhor diodo para uma aplicação ou aproveitar um que possua num projeto interessante.

 

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