Aula 11 Fotossensor

Prévia do material em texto

EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  11	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   1/6	
  
Introdução	
  teórica	
  Aula	
  11:	
  
Fotossensor	
  
	
  Um	
   sensor	
   fotoelétrico	
   ou	
   fotocélula	
   é	
   um	
   dispositivo	
   electrônico	
   que	
   responde	
   à	
   alteração	
   da	
  intensidade	
   da	
   luz.	
   Eles	
   são	
   projetados	
   especialmente	
   para	
   a	
   detecção,	
   classificação	
   e	
  posicionamento	
   de	
   objetos;	
   detecção	
   de	
   formas,	
   cores	
   e	
   diferenças	
   de	
   superfície,	
   mesmo	
   em	
  condições	
  ambientais	
  extremas.	
  	
  Sensores	
   de	
   luz	
   são	
   utilizados	
   para	
   detectar	
   o	
   nível	
   de	
   luz	
   e	
   produzem	
   um	
   sinal	
   de	
   saída	
  representativo	
   da	
   quantidade	
   de	
   luz	
   detectada.	
   O	
   sensor	
   de	
   luz	
   mais	
   comum	
   é	
   o	
   Resistor	
  Dependente	
   de	
   Luz	
   (Light	
  Dependent	
  Resistor	
   LDR).	
  O	
   símbolo	
   do	
   LDR	
   e	
   o	
   dispositivo	
   em	
   si	
   são	
  mostrados	
   na	
   figura	
   1.	
   O	
   LDR	
   é	
   basicamente	
   um	
   resistor	
   que	
   muda	
   sua	
   resistência	
   quando	
  submetido	
  à	
  mudanças	
  de	
  intensidade	
  de	
  luz.	
  A	
  resistência	
  elétrica	
  de	
  um	
  LDR	
  é	
  baixa	
  quando	
  há	
  luz	
  emitida	
  sobre	
  ele	
  (pode	
  cair	
  para	
  50	
  ohms)	
  e	
  muito	
  alta	
  quando	
  está	
  escuro	
  (vários	
  megaohms).	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Figura	
  1:	
  Símbolo	
  e	
  dispositivo	
  LDR.	
  	
  O	
  seu	
  funcionamento	
  baseia-­‐se	
  no	
  efeito	
  fotoelétrico.	
  O	
  fotoresistor	
  é	
  feito	
  de	
  um	
  semicondutor	
  de	
  alta	
   resistência	
   como	
   sulfeto	
   de	
   cádmio,	
   CdS.	
   Se	
   a	
   luz	
   que	
   incide	
   sobre	
   o	
   dispositivo	
   é	
   de	
   alta	
  intensidade,	
   os	
   fótons	
   são	
   absorvidos	
   liberando	
   elétrons	
   de	
   energia	
   suficiente	
   para	
   saltar	
   para	
   a	
  banda	
   de	
   condução.	
   O	
   elétron	
   livre	
   resultante	
   é	
   eletricamente	
   condutor,	
   diminuindo	
   assim	
   a	
  resistência.	
  	
  	
  Nas	
  células	
  de	
  sulfureto	
  de	
  cádmio	
  quanto	
  maior	
  a	
  luz	
  que	
  incide	
  menor	
  resistência.	
  As	
  células	
  são	
  também	
  capazes	
  de	
  reagir	
  com	
  uma	
  vasta	
  gama	
  de	
  frequências	
   ,	
   incluindo	
  infravermelho	
  (IR)	
   ,	
   luz	
  visível	
  e	
  ultravioleta	
  (UV).	
  	
  	
  A	
  resposta	
  do	
  LDR	
  é	
  relativamente	
   lenta	
  quando	
  submetido	
  a	
  variações	
  bruscas	
  de	
   luminosidade.	
  Isto	
   impede	
  a	
  utilização	
  do	
  LDR	
  em	
  aplicações	
  onde	
  o	
  sinal	
  de	
   luz	
  varia	
  rapidamente.	
  O	
   tempo	
  de	
  resposta	
   típico	
   de	
   um	
   LDR	
   é	
   da	
   ordem	
   de	
   um	
   décimo	
   de	
   segundo.	
   Este	
   atraso	
   pode	
   ser	
   uma	
  vantagem	
  em	
  algumas	
  aplicações,	
  uma	
  vez	
  que	
  as	
  variações	
  rápidas	
  podem	
  fazer	
  com	
  que	
  o	
  sensor	
  de	
  iluminação	
  seja	
  instável	
  	
  (por	
  exemplo	
  uma	
  lâmpada	
  fluorescente	
  alimentada	
  em	
  AC)	
  .	
  Em	
  outras	
  aplicações	
  (detecção	
  dia/noite)	
  a	
  lentidão	
  da	
  detecção	
  não	
  é	
  importante.	
  	
  Eles	
  são	
  fabricados	
  em	
  vários	
  tipos	
  e	
  podem	
  ser	
  encontrado	
  em	
  muitos	
  produtos	
  de	
  consumo,	
  tais	
  como	
  câmeras,	
  medidores	
  de	
  luz,	
  relógio,	
  alarme	
  ou	
  sistemas	
  de	
  segurança.	
  	
  	
  	
  
	
  
LDR
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  11	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   2/6	
  
Roteiro	
  de	
  Laboratório	
  Aula	
  11:	
  
Fotossensor	
  	
  
Lista	
  de	
  material	
  
• Osciloscópio	
  
• Resistores	
  R1	
  =	
  10kΩ,	
  R2	
  =	
  100Ω	
  e	
  potenciômetro	
  Rp	
  =	
  1kΩ	
  
• Lâmpada	
  de	
  12V	
  
• LDR	
  
Roteiro	
  da	
  experiência	
  1) Monte	
  o	
  circuito	
  abaixo.	
  	
  
	
  a) Obstrua	
  gradativamente	
  a	
  iluminação	
  no	
  LDR	
  e	
  observe	
  a	
  luminosidade	
  no	
  LED.	
  b) Baseado	
   nas	
   suas	
   observações,	
   explique	
   o	
   que	
   acontece	
   (em	
   termos	
   de	
   corrente	
   e	
  resistência).	
  A	
  resistência	
  do	
  LDR	
  aumenta	
  ou	
  diminui	
  com	
  a	
  intensidade	
  da	
  luz?	
  	
  	
  2) Monte	
  o	
   circuito	
  abaixo,	
  posicionando	
  a	
   lâmpada	
  bem	
  próxima	
   ao	
  LDR.	
  A	
   tensão	
  VR1	
   sobre	
  o	
  resistor	
  R1	
  deve	
  ser	
  mostrada	
  no	
  CH1	
  do	
  osciloscópio,	
  como	
  indicado	
  abaixo.	
  Deixe	
  a	
   lâmpada	
  inicialmente	
  desligada.	
  
	
  	
  a) Varie	
  a	
  iluminação	
  no	
  LDR	
  (encobrindo-­‐o	
  com	
  a	
  mão)	
  e	
  observe	
  a	
  variação	
  da	
  tensão	
  no	
  CH1	
  do	
   osciloscópio.	
   Utilize	
   acoplamento	
   CC	
   e	
   uma	
   escala	
   de	
   tensão	
   adequada	
   (ex:	
   5V/DIV).	
  Observe	
   que	
   esta	
   tensão	
   é	
  contínua,	
   pois	
   a	
   fonte	
   de	
   tensão	
  utilizada	
   é	
   contínua.	
   Assim,	
   o	
  valor	
  desta	
  tensão	
  pode	
  ser	
  obtido	
  no	
  osciloscópio	
  utilizando	
  a	
  medida	
  de	
  valor	
  médio	
  (ou	
  simplesmente	
  olhando	
  na	
  tela).	
  Perceba	
  também	
  que	
  esta	
  tensão	
  é	
  proporcional	
  à	
  corrente	
  no	
  LDR,	
  pois	
  ILDR	
  =	
  VR1	
  /	
  R1	
  (Lei	
  de	
  Ohm).	
  b) Meça	
  as	
  tensões	
  sobre	
  o	
  resistor	
  R1	
  para	
  várias	
  condições	
  de	
  iluminação	
  e	
  preencha	
  a	
  tabela	
  1	
  (obs:	
  não	
  é	
  necessário	
  utilizar	
  o	
  multímetro,	
  apenas	
  o	
  osciloscópio).	
  Note	
  que	
  a	
  corrente	
  pode	
  ser	
  determinada	
  indiretamente,	
  pois	
  R1	
  é	
  um	
  resistor	
  conhecido.	
  A	
  resistência	
  do	
  LDR	
  também	
  pode	
  ser	
  obtida	
  indiretamente	
  através	
  da	
  expressão:	
  
+15V
LED
LDR
+15V +15V
R2
Rp
CH1
R1
LDR
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  11	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   3/6	
  
R!"#  = V! − V!!I!"# = R! V!V!! − 1 	
  	
  	
  3) Considere	
  ainda	
  o	
  mesmo	
  circuito	
  da	
  questão	
  anterior,	
  mas	
  deixe	
  a	
  lâmpada	
  de	
  12V	
  desligada.	
  Observe	
  que,	
  nestas	
  condições	
  de	
   iluminação	
  (i.e.,	
   iluminação	
  normal	
  da	
  sala,	
  mas	
   lâmpada	
  de	
  12V	
  desligada),	
  a	
  tensão	
  no	
  CH1	
  apresenta	
  uma	
  pequena	
  oscilação	
  periódica.	
  Para	
  visualizá-­‐la,	
  utilize	
  acoplamento	
  CA	
  e	
  ajuste	
  adequadamente	
  as	
  escalas	
  de	
  tensão	
  e	
  de	
  tempo.	
  a) Determine	
  a	
  amplitude	
  e	
  a	
  frequência	
  dessa	
  oscilação.	
  b) Por	
  que	
  ocorre	
  a	
  oscilação?Explique.	
  	
  c) Considerando	
   a	
   sua	
   explicação	
   acima,	
   por	
   que	
   a	
   frequência	
   de	
   oscilação	
   tem	
   o	
  dobro	
   do	
  valor	
  que	
  normalmente	
  seria	
  esperado?	
  Ilustre	
  sua	
  explicação	
  através	
  de	
  desenhos	
  (curvas).	
  d) 	
  [OPCIONAL]	
   Ilumine	
   o	
   LDR	
   através	
   da	
   lâmpada	
   de	
   12V	
   ou	
   de	
   um	
   LED,	
   alimentados	
   pela	
  tensão	
  de	
  saída	
  do	
  transformador,	
  e	
  observe	
  as	
  diferenças.	
  
	
   	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  11	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   4/6	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  11	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   5/6	
  
Aluno(a):	
  ______________________________________________________.	
   Turma:	
  ______________________	
  Matrícula:	
  _______________________	
  Data:	
  _____/_____/__________	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Nota:	
  ________________________	
  	
  
Questão 1.b) 	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
 
Tabela 1 	
  
Condições	
   VR1	
   ILDR	
   RLDR	
  Lâmpada	
  acesa	
  no	
  máximo	
   	
   	
   	
  Lâmpada	
  parcialmente	
  acesa	
   	
   	
   	
  Sem	
  lâmpada,	
  iluminação	
  normal	
   	
   	
   	
  LDR	
  levemente	
  obstruído	
   	
   	
   	
  LDR	
  fortemente	
  obstruído	
   	
   	
   	
  Sem	
  iluminação	
   	
   	
   	
  
 
Questão 3.a) Amplitude	
  =	
  __________________	
  	
   	
   Frequência	
  =	
  __________________	
  
 
Questão 3.b) 	
  	
  	
  	
  	
  
 
Questão 3.c) 	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  11	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   6/6	
  
 
Opcional: Questão 3.d) 	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Questão de preparação Um	
  transdutor	
  é	
  um	
  dispositivo	
  que	
  converte	
  um	
  tipo	
  de	
  energia	
  em	
  outro.	
  Liste	
  todos	
  os	
  tipos	
  de	
  transdutores	
   que	
   você	
   conhece	
   (no	
  mínimo	
  10)	
   e	
   descreva	
   ao	
  menos	
   3	
   aplicações	
   que	
   você	
   acha	
  mais	
  interessantes.