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Eletrônica Basica 2
Aula 11: Dispositivos Optoeletrônicos
1 Dispositivos optoeletronicos São os dispositivos que de alguma forma são ativados pela radiação luminosa que pode ser visível ou não.
1.2 LDR (Light Dependent Resistor - Resistor Dependente da Luz)
O foto resistor ou LDR é um dispositivo cuja resistência elétrica diminui quando aumenta a incidência de radiação luminosa e no escuro a resistencia é muito alta. Existem em diversos tamanhos e potencia, a figura a seguir mostra o símbolo e o aspecto físico e são usados em detecção de fumaça, alarmes de segurança e roubo, controle de luminosidade, contagem de peças, etc. A Figura mostra o LDR, aspecto fisico, simbolo e resposta espectral.
( a ) ( b )
Figura 1 - LDR ( a ) Aspecto fisico ( b ) símbolo ( c ) resposta espectral
A Figura 2 mostra duas aplicações típicas de detecção de luz, a primeira usando transistor e a segunda usando amplificador operacional. Observe que basicamente o LDR faz parte de um divisor de tensão de forma que quando a luz incide ou não no LDR a resistencia do mesmo varia, consequentemente a tensão nele.
( a ) ( b )
Figura 2 - circuitos de detecção de luz ( a ) com transistor ( b ) com amplificador operacional
Na Figura 2a na presença de luz o circuito é ajustado (potenciômetro de 47 k) para que o transistor corte. Na ausência de luz (escuro) a resistência do LDR aumenta aumentando a tensão nele o que faz o transistor saturar ligando o relé.
Na Figura 2b no escuro a tensão na entrada não inversora deve ser levemente inferior à tensão na entrada inversora, desta forma a saída do amplificador operacional é aproximadamente zero e portanto o relé estará desligado. Quando o LDR for iluminado a tensão na entrada n ao inversora aumentara fazendo a saída do AO subir para aproximadamente 12 V o que faz o transistor saturar ligando o relé.
1.3 Fotodiodo e Fototransistor
Um foto diodo funciona ao contrario do LED, isto é, ao receber uma radiação luminosa, na junção, produzirá uma corrente que será proporcional à intensidade luminosa. São usados basicamente para detectar a intensidade luminosa, a posição, cor e a presença. A figura 3 mostra a polarização e a curva característica. Cada uma das curvas da figura 3b para um nível de intensidade luminosa.
( a ) ( b )
Figura 3 - fotodiodo ( a ) simbolo construção e polarização ( b ) curva característica ( c ) Exemplos de fotodiodos
Com o dispositivo no escuro a corrente será devido aos portadores gerados termicamente (portadores minoritários), essa corrente é chamada de corrente no escuro, IS.
Com a incidência de luz na junção a corrente aumentará pois novos portadores de carga serão gerados. A corrente total (IT) através da junção será dada por:
IT= IS+IIL
IS é a corrente de saturação
IIL é a corrente devido à radiação incidente
O fotodiodo tem um pico de resposta para um determinado comprimento de onda, para o qual é produzido o máximo numero de pares eletron-lacuna.
Com o dispositivo no escuro a corrente através da junção (IS) corresponde à corrente devido aos portadores minoritários os quais são gerados termicamente. Com a incidência de radiação luminosa na junção a corrente aumentará pois novos portadores de carga (elétrons livres e lacunas) serão gerados. A corrente total através da junção será dada por:
IT = IS + IIL
onde IS é a corrente de reversa de saturação devido aos portadores gerados termicamente, portanto essa componente depende da temperatura, também é chamada de corrente no escuro.
IIL é a corrente devido a incidência da radiação luminosa
O foto diodo tem um pico de resposta para um determinado comprimento de onda (cor), para o qual será gerado o maximo de pares eletron-lacuna, sendo maxima ao redor do comprimento de onda de 0,85μm.
O fototransistor é mais sensível que o fotodiodo, gerando uma corrente β vezes maior, porem tem uma resposta em freqüência proporcionalmente menor. A resposta espectral está mostrada na Figura 4.
( a ) ( b )
( c )
Figura 4 - Fototransistor ( a ) exemplos ( b ) simbolo ( c ) Resposta espectral
Fonte: Detecting Infrared Radiation with a Phototransistor and an IR Filter; Edward V. Lee, American Physical Society, College Park, MD
A Figura 6 mostra a polarização do fototransistor na configuração emissor comum, a curva característica, e o circuito equivalente. Para a configuração emissor comum, a saída é baixa quando o dispositivo é iluminado e alta quando está no escuro.
( a ) ( b ) ( c ) ( d )
Figura 5 - Fototransistor ( a ) Estrutura ( b ) Circuito equivalente com fotodiodo ( c ) circuito emissor comum ( d ) curva característica de coletor função da luz
Outra alternativa é a configuração coletor comum, Figura 6, na qual a saída será alta com o dispositivo iluminado. A terceira alternativa é usada quando, o terminal da base estiver disponível e for desejado uma diminuição na sensibilidade do fototransistor.
O fototransistor pode operar no modo ativo e no modo chave. No modo ativo a saída será proporcional à intensidade luminosa, essa aplicação é usada nos casos em que se deseja comparar níveis de intensidade de radiação ou mesmo medir a intensidade da radiação. No modo chave a saída será ou Vcc ou aproximadamente zero.
( a ) ( b ) ( c )
Figura 6 - Fototransistor polarizado ( a ) na configuração coletor comum ( b ) Emissor comum com terminal de base acessivel ( c ) Emissor comum sem terminal de base
A corrente de coletor no escuro é dada por:
IC= β.IS=IE
Na presença de radiação (luz) portadores adicionais serão gerados, fazendo aparecer uma corrente IIL que será adicionada à corrente no escuro. Acorrente total será dada por:
IC= β.( IIL + IS)
desta forma a corrente produzida pela radiação luminosa será multiplicada por β. A Figura5b mostra como obter um circuito equivalente ao fototransistor usando um fotodiodo e um transistor comum.
1.4 Acoplador Ótico
Um acoplador ótico ou isolador ótico é similar a um transformador, no qual a saída é isolada eletricamente da entrada, no transformador o acoplamento é feito magneticamente e no acoplador ótico é feito através de radiação luminosa.
Internamente ele tem um diodo emissor infravermelho (IR) e um fotodetetor em um mesmo bloco. A energia radiante emitida pelo diodo é emitida através de um elemento transparente e de alta isolação elétrica, não existindo nenhuma conexão elétrica entre a entrada e a saída. A Figura 7 mostra o principio de funcionamento de um acoplador ótico e exemplos de acoplador otico.
Figura 7 - acoplador ótico aspectos construtivos
A capacidade de transmitir o sinal da entrada para a saída é dada através da relação de transferência (CTR), a qual depende da eficiência do LED, do detector, da distancia entre o emissor e o receptor, da superfície e sensibilidade do detector.
Os três principais parâmetros de um acoplador ótico são:
- :A resistência de isolação, é a resistência CC medida entre a saída e a entrada sendo maior do que 1011 Ohms;
- A capacitância de isolação, é a capacitância parasita do dielétrico da entrada para a saída, e o seu valor varia de 1 a 3 pF. Devido á essa capacitância o dispositivo pode sofrer danos se tensões muito rápidas forem aplicadas, por exemplos tensões acima de 500V/μs;
- Tensão de isolação, é a máxima tensão que o dielétrico pode suportar. A tensão de isolação pode atingir valores da ordem de 5000V;
Acoplador Ótico Comercial.
O acoplador ótico 4N25 (4N26,4N27,4N28,4N35,4N36) são acopladores óticos de propósito geral com 6 pinos Dual In Line, Figura 8a. A Figura 8b mostra o encapsulamento e o esquemático interno.
( a ) ( b ) ( c )
Figura 8 - 4N25 ( a ) encapsulamento branco ( b ) encapsulamento preto ( c ) esquemático
A Figura 9 mostra algumas das curvas características do acoplador ótico 4N25.
( a ) ( b )
Figura 9 - ( a ) curva característica de entrada ( b ) relação de transferência normalizada em função da corrente de entrada (corrente no LED)
O acoplador ótico mais conhecido é o que tem como fotodetector um foto transistor mas existem inúmeros outros tipos de elementos de saída: foto diodo, fotodarlington, fotoscr, fototriac, etc.
É importante lembrar sempre da freqüência de operação (banda passante), ela é tanto menor quanto maior o ganho do fotosensor. Por exemplo, para o acoplador ótico com o fodiodo a banda passante pode ser da ordem de MHz, para o fototransistor centenas de kHz, para o fotodarlington algumas dezenas de kHz.
1.4.1 Comutadores e refletores óticos
São basicamente um emissor e um receptor em um mesmo modulo mas com abertura que permita a colocação de um anteparo para cortar o feixe, no caso do interruptor, ou de um anteparo para refletir o feixe, no caso do modulo refletor. A Figura 10 mostra, de forma simplificada, o principio de funcionamento.
( a ) ( b )
Figura 10 - ( a ) Interruptor otico ( b ) Refletor otico
Um exemplo de refletor ótico é o QRE00034 da Fairchild, o qual consiste de um diodo emissor infravermelho e um foto transistor montados lado a lado em um eixo convergente. O foto transistor responde à radiação somente quando um objeto refletor no seu campo de visão.
Um exemplo de interruptor ótico é o MOC70P1 da Fairchild. Esses dispositivos são usados principalmente em controle e posicionamento de motores. A Figura 11 mostra um disco no qual existe uma ranhura (poderia ser um orifício), à medida que o eixo gira quando a ranhura estiver alinhada com o feixe o transistor de saída satura e quando o feixe for cortado o transistor corta gerando uma onda quadrada na saída. A freqüência da onda quadrada será proporcional à rotação do eixo e ao numero de ranhuras.
Figura 11 - Interruptor ótico como sensor de movimento
2 Experiencia: Acoplador otico
2.1 Abra o arquivo ExpEN2_20_Acoplador_otico e identifique o circuito da Figura 12.
Figura 12- Acoplador otico
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2.2 Anote as formas de onda de entrada (onda quadrada 5V/1 kHz) e de saida (coletor do transistor). Qual a relação de fase entre as duas tensões? Qual a amplitude da saida?
2.3 Escreva as suas conclusões.