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Sensores de Luz para Makers (ART4264)

dos problemas que muitos leitores podem ter ao desenvolver um projeto que envolva um sensor de luz está na escolha do tipo de sensor a ser usado. Podemos contar hoje com sensores de diversos tipos, mas com características diferentes, o que torna problemático para alguns saber qual é o ideal para seu caso. Neste artigo básico, trataremos dos principais tipos de sensores de luz.

Um sensor de luz nada mais é do que um dispositivo que converte luz em algum tipo de grandeza elétrica que possa ser usada por um circuito eletrônico, por exemplo, um microcontrolador.

Os sensores mais usados são os LDRs, Foto-Diodos, Foto-Transistores, Foto-Células e alguns tipos especiais menos comuns e que até apresentam hoje alguma dificuldade de obtenção. Analisemos as suas diferenças.

 

LDR – Fotorresistor ou Light Dependent Resistor

Pelo seu baixo custo, facilidade de uso e sensibilidade é um dos preferidos nos projetos eletrônicos.

Os LDRs não devem ser confundidos com as foto-células. Enquanto os LDRs são resistores, cuja resistência depende da intensidade de luz que incide nos mesmos, não fornecendo portanto energia alguma, as foto-células convertem energia luminosa (radiante) em energia elétrica.

Na figura 1 temos o símbolo usado para representar um LDR e os aspectos mais comuns com que podem ser encontrados esses componentes.

 


 

 

 

Na figura 2 temos a curva característica de um LDR por onde pode ser observado que a resistência muito alta deste componente no escuro, da ordem de muitos megohms, se reduz a algumas dezenas ou centenas de ohms quando ele é iluminado diretamente.

 


 

 

 

Assim, se ligarmos em série com um LDR uma fonte de energia (pilha) e um amperímetro, veremos que a corrente circulante pelo circuito dependerá da quantidade de luz que incide no LDR.

Quando a luz for intensa a corrente será maior. Ligando um relê ao circuito, conforme mostra a figura 3 pode-se fazer seu controle por meio de um feixe de luz.

 


 

 

 

Nas aplicações práticas, conforme veremos, de modo a aumentar o rendimento do LDR já que a corrente máxima que pode nele circular é limitada a algumas dezenas de miliampères para os tipos comuns, são usados circuitos amplificadores com um ou mais transistores.

Assim, podemos disparar um relê quando a luz incide no LDR fazendo o mesmo controlar a corrente direta de base de um transistor, conforme mostra a figura 4 e podemos disparar o mesmo relê quando a luz é cortada, controlando a corrente que polariza inversamente a base do transistor, conforme mostra a figura 5.

 


 

 

 

 

 


 

 

 

O relê usado deve ser de tipo sensível com tensão entre 6 e 9V e sensibilidade para disparar com correntes de 10 à 100 mA. O princípio de funcionamento de um LDR é o seguinte:

A superfície sensível deste componente é formada por uma substância denominada Arsenieto de Gálio (GaAs) a qual apresenta a propriedade de alterar a sua resistência em função da luz incidente. O que ocorre é que os fótons ( “partículas “ de luz) incidentes no material conseguem liberar elétrons do material aumentando ou diminuindo sua resistividade. Com maior quantidade de elétrons livres o material apresentará menor resistência e vice-versa.

A variação da resistência obtida com diferentes graus de iluminação e a corrente máxima que pode suportar o componente depende da superfície de contato com os eletrodos do material, e também da área exposta do mesmo à luz.

Assim, na construção de um LDR, conforme mostra a figura 6 o que se faz é utilizar dois eletrodos em forma de “pente” que se interpenetram obtendo-se com isso uma grande superfície de contato com o material fotosensível.

 

 


 

 

 

Os LDRs comuns tem uma sensibilidade que se aproxima de certo modo a sensibilidade do olho humano no que se refere às diferentes cores, com a diferença que estes podem alcançar um pouco mais a faixa do infravermelho.

Com relação à velocidade de operação os LDRs são relativamente lentos em função de outros dispositivos fotosensíveis não podendo operar em frequências maiores que alguns quilohertz.

Assim, se no seu projeto você precisa de um sensor de luz sensível e barato, que opere com uma velocidade relativamente baixa. O LDR pode ser uma boa escolha. Se você quer um circuito que dispare com a passagem de uma pessoa ou com o crepúsculo tudo bem. No entanto, para ler um código de barras ou num link de dados, ele não serve.

 

Fotodiodos e Fototransistores

Na realidade, estes dois tipos de sensores operam segundo o mesmo princípio: a luz que incide numa junção semicondutores. No diodo ela cria uma corrente ou uma tensão. No fototransistor, além disso, elas podem ser amplificadas. Analisemos o funcionamento.

Fotodiodos são dispositivos eletrônicos semicondutores usados como sensores de luz em diversas aplicações. Seu princípio de funcionamento reside no fato de que as junções de materiais semicondutores são sensíveis à luz.

A luz incidente (incluindo radiações próximas do espectro como infravermelho e ultravioleta) numa junção semicondutora, como de um diodo comum, libera portadores de carga que fazem com que sua resistência, quando polarizada no sentido inverso, diminua. Para termos um fotodiodo basta então expormos a estrutura básica de um diodo, ou seja, uma junção PN, à luz, conforme mostra a figura 7.

 


 

 

 

Na figura 8 temos o símbolo usado para representar um fotodiodo e os aspectos dos tipos mais comuns encontrados nas aplicações eletrônicas.

 


 

 

 

Os fotodiodos são montados em invólucros que possuem aberturas ou ainda são de material transparente de modo que a luz ou radiação infravermelha possa atingir sua junção. Alguns tipos possuem invólucros dotados de lentes que concentram a radiação de uma forma mais eficiente em sua junção. Temos também os tipos em invólucros SMD.

Na figura 9 temos um circuito típico em que um fotodiodo é usado como sensor de luz visível. Neste circuito, o diodo é polarizado no sentido inverso, ou seja, no sentido em que a junção apresenta uma resistência elevada à circulação da corrente.

 


 

 

 

A pequena corrente que pode ser observada nesse circuito, na ausência de iluminação, deve-se a portadores de carga que são liberados na região de junção pela agitação térmica dos átomos do material, já eu sua temperatura está acima do zero absoluto (0o K).

Os portadores de carga que vão reduzir a resistência e, portanto, aumentar a corrente através do dispositivo. Quanto maior for a quantidade de fótons, maior será a quantidade de portadores de cargas liberados e com isso menor será a corrente circulante no circuito.

É interessante observar que existem outros componentes que possuindo junções semicondutoras também podem funcionar como fotodiodos. É o caso dos LEDs que, sendo expostos à luz também apresentam uma mudança da sua resistência no sentido inverso e por isso podem funcionar como sensores.

Não devemos ainda confundir a ação dos fotodiodos como a das fotocélulas. Enquanto os fotodiodos mudam de resistência ao serem iluminados, as fotocélulas geram energia elétrica, convertendo luz em eletricidade. Veja que, para que os portadores de carga sejam liberados, os fótons precisam ter uma energia mínima, que justamente será dada pela sua frequência, ou seja, pela cor.

Mas, os fotodiodos também podem funcionar como fotocélulas. Quando a luz incide na junção com a liberação de portadores de cargas, aparece uma pequena tensão nos terminais do dispositivo. Essa tensão é um sinal que pode ser amplificado.

Conforme mostra a figura 10, o fotodiodo opera então no modo gerador de tensão ou fotocélula.

 

 

Figura 10 – Fotodiodo no modo gerador de tensão ou fotovoltaico
Figura 10 – Fotodiodo no modo gerador de tensão ou fotovoltaico

 

 

Assim, os fotodiodos não respondem à qualquer frequência de radiação, mas possuem uma faixa bem definida de resposta para as radiações. Um fotodiodo de silício, por exemplo, conforme mostra a figura 11 tem uma faixa de funcionamento muito mais ampla que a percebida pelo olho humano, mas sua sensibilidade maior ocorre justamente com um tipo de luz que não podemos ver, o infravermelho em torno de 5000 um.

 


 

 

 

Pela mesma figura pode-se ver que outros sensores de luz, como as células de sulfeto de cádmio (LDRs) e as células de selênio apresentam curvas mais próximas da que caracteriza o olho humano. Em suma, os fotodiodos se comportam como resistências cujo valor depende da quantidade de luz incidente em sua junção ou geradores cuja corrente depende da quantidade de luz incidente.

Além da curva de resposta do fotodiodo em relação à frequência da luz, existe uma outra característica importante desse componente, principalmente para aplicações rápidas: sua velocidade de resposta. Os fotodiodos têm respostas de frequência que permitem a modulação de sinais luminosos com frequências muito altas, da ordem de dezenas ou mesmo centenas de megahertz.

Os fototransistores funcionam do mesmo modo com os fotodiodos. A diferença é que eles são componentes ativos e dependendo do modo que os usamos podem amplificar o sinal.

Como no caso dos fotodiodos, se as junções de um transistor forem expostas à luz, o componente reage com alterações de suas correntes. Isso significa que, transistores que tenham invólucros transparentes ou com janelas, podem ser usados como sensores de luz.

Neles, é comum que se utilize a corrente que passa entre o coletor e o emissor (mantendo a base desligada) a qual depende da quantidade de luz incidente.

Os fototransistores são usados da mesma forma que os fotodiodos apresentando uma boa velocidade e sensibilidade. Observamos que os fototransistores podem perceber luz ultravioleta e infravermelha que são invisíveis para nós. Na figura 12 mostramos o símbolo adotado para representar o fototransistor e os aspectos mais comuns.

 


 

 

 

Como muitos outros componentes, os fototransistores são especificados por um código de fabricação sendo preciso obter as suas folhas de características para saber mais do seu comportamento elétrico.

Dentre as principais características que devem ser observadas temos:

a) Tipo - se NPN ou PNP

b) Tensão máxima entre coletor e emissor

c) Faixa de comprimentos de onda em que ele é mais sensível

d) Potência máxima de dissipação

 

Como os fototransistores são muito mais rápidos que os LDRs eles possuem usos diferentes.

Assim o projetista encontra LDRs como detectores de luz onde as mudanças de intensidade são lentas, enquanto os fototransistores são encontrados em aplicações onde as variações são muito rápidas ou ainda onde informação deva ser transmitida através de raios de luz.

Na figura 13 temos um circuito típico de aplicação de um foto-transistor que aciona um relé quando recebe luz.

 


 

 

 

Neste circuito o terminal de base do transistor não é usado, pois se aproveita apenas a corrente entre emissor e coletor.

 

Fotocélula

As fotocélulas ou células fotoelétricas podem ser usadas como sensíveis sensores de luz. Uma das vantagens é que, sendo criadas para produzir mais energia, elas podem ser usadas para excitar diretamente uma carga, de acordo com sua capacidade.

Assim uma pequena fotocélulas, do tipo usado em calculadoras, pode excitar diretamente um pequeno relé a partir de um sinal. Evidentemente, elas podem ser usadas com cargas maiores tendo um circuito intermediário de excitação.

As fotocélulas como sensores são sensíveis e rápidas, podendo ser usadas em muitos projetos interessantes.

 

Outros sensores

Outros sensores de luz menos comuns são encontrados em documentação mais antiga e em algumas aplicações especiais.

Assim, nos projetos mais antigos, da época da válvula temos as válvulas foto-multiplicadoras que são extremamente sensíveis podendo ser usadas para detectar um único fóton. Ainda são encontradas em aplicações científicas

 

Figura 14 – Uma válvula foto-multiplicadora.
Figura 14 – Uma válvula foto-multiplicadora.

 

 

Outro dispositivo interessante é o LASCR ou Light Activated SCR. Esse SCR disparado pela luz tem uma janela transparente para seu disparo.

 

Consultando nosso site, o leitor poderá ainda encontrar outros dispositivos interessantes sensíveis a luz que podem servir para um projeto.

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N° do componente 

(Como usar este quadro de busca)

 

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