Fotoemissores e fotossensores

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ELETRÔNICA INDUSTRIAL II 4.1 
 
UNIDADE IV - COMPONENTES FOTOEMISSORES E FOTOSSENSORES 
 
4.1 – INTRODUÇÃO 
 
 Os dispositivos optoeletrônicos são divididos em dois grupos básicos: dispositivos sensíveis à luz e dispositivos 
emissores de luz. Os mais importantes componentes em ambas as categorias serão por nós estudados. 
 A necessidade de conhecermos os dispositivos optoeletrônicos esta crescendo em importância, uma vez que 
eles estão sendo cada vez mais usados e novas aplicações são constantemente encontradas, na indústria, no 
comércio, no lar, no automóvel, na informática,... 
 
Características Principais da Luz: 
 
 O termo luz é usado para designar radiações eletromagnéticas em parte visíveis ao olho humano. 
Basicamente a luz é um tipo de radiação eletromagnética e difere de outros tipos como raios cósmicos, raios gama, 
raios x e ondas de rádio, apenas quanto à freqüência. 
 O espectro, ou seja a faixa de freqüência, ocupada pela luz estende-se de 300 giga hertz (300 x 109 hertz) 
até 300.000.000 giga hertz (300 x 1015 hertz). Acima da região de raios x estão os raios gama e os raios cósmicos. 
 
| | | | | | | | | | | | | 
2000 3000 4000 6000 5000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 (A ) 
1,5x106 1,0x106 7,5x105 6,0x105 5,0x105 4,3x105 3,8x105 3,3x105 3,0x105 2,7x105 2,5x105 2,3x105 2,1x105 
 | | 
 ULTRAVIOLETA CORES VISÍVEIS PARA O SER HUMANO INFRAVERMELHO 
 
 
v
f
 
 = comprimento de onda em metros OBS.: 1 A = 10-10 m 
V = velocidade da luz 3x108 m/s 
f = freqüência Hertz 
 
4.2 - CÉLULAS FOTOCONDUTIVAS (LDR) 
 
 A célula fotocondutiva é um dos mais antigos componentes sensores optoeletrônicos. Basicamente não 
passa de um resistor sensível a luz, conhecido por LDR (Resistência Dependente da Luz), cuja resistência interna 
varia quando a luz que o atinge é alterada em intensidade. A variação da resistência não é linear pois varia em 
proporções diferentes da luz incidente. 
 
 
 
- Materiais utilizados na construção destas células: 
 
 As células fotocondutivas são geralmente feitas de materiais sensíveis à luz, como sulfato de cádmio (CdS) 
ou seleneto de cádmio (CdSe), embora outros materiais, como sulfato de chumbo e telureto de chumbo, também 
sejam usados. Estes materiais básicos podem ainda ser dopados com outros, como cobre ou cloro, para controlar a 
exata maneira em que a resistência do dispositivo variará com a intensidade da luz. 
 As células fotocondutivas são mais sensíveis à luz do que outros tipos de dispositivos fotossensíveis. A 
resistência de uma célula típica pode ser tão alta como algumas centenas de Mega ohms, quando a luz que atinge 
sua superfície (iluminação) é zero (completa escuridão), e tão baixa como algumas centenas de ohms, quando a 
iluminação é superior a 100 lux (aproximadamente 9 pés candela ou 100 lumem por metro quadrado). Isto 
representa uma tremenda mudança na resistência para uma variação relativamente pequena de iluminação. Esta 
extrema sensibilidade torna a célula fotocondutiva adequada a aplicações onde as variações na intensidade 
luminosa são pequenas. 
 
Desvantagem: 
 
 Ela responde lentamente as variações na iluminação. 
SIMBOLOGIA:
 
ESTRUTURA FÍSICA DO LDR:
MATERIAL SENSÍVEL À LUZ
TERMINAIS 
 ELETRÔNICA INDUSTRIAL II 4.2 
 
Tensão de alimentação: 
 
 A maioria das células fotocondutivas podem suportar tensões de operação relativamente altas. Dispositivos 
típicos deverão ter valores máximos de tensão de 100, 200, ou 300 volts contínuos. 
 
Consumo máximo: 
 
 Potência máximas de 30 mW a 300 mW são típicas. 
 
Aplicações: sensor que monitora a existência ou não de chama em um queimador de uma caldeira; sensor de 
luminosidade ambiente, que fornece informações a um circuito que controla a intensidade da luz artificial; relê 
fotoelétrico que aciona a iluminação externa sempre que o sol se põe e etc.. 
 
Exemplo de aplicação do LDR: 
 
Circuito de um rele fotoelétrico. 
RELÉ
LDR
LÂMPADANF
NA
F NREDE CA
220V 
 
Funcionamento do circuito: 
 
 A luz incidente sobre o LDR faz com que sua resistência diminua e acione o relê, o relê ao acionar abre o 
contato NF e fecha o contato NA, a lâmpada é desligada. A ausência de luz incidente sobre o LDR, faz com que sua 
resistência aumente, desacionando o relê. O relê desacionado, faz com que o contato NA abra e o contato NF feche, 
permitindo a energização da lâmpada. 
 
4.3-) CÉLULAS FOTOVOLTAICAS 
 
 A célula fotovoltaica é um dispositivo que converte diretamente energia luminosa em elétrica. Quando 
exposta à luz ela gera uma tensão entre seus terminais, esta tensão aumenta quando a luz cresce em intensidade. A 
célula fotovoltaica foi usada por muitos anos em várias aplicações militares e espaciais. É comumente empregada a 
bordo de satélites e aeronaves para converter energia solar em elétrica que pode ser usada para operar vários tipos 
de equipamentos eletrônicos. Este dispositivo é normalmente chamado de célula solar. 
A célula fotovoltaica é basicamente um dispositivo feito de materiais semicondutores, usualmente o silício e o selênio. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAMADA
P
ANEL METÁLICO
P
N
SUPORTE METÁLICO
TERMINAIS
ANEL METÁLICO
ESTRUTURA SÍMBOLO
ENTRADA DE
LUZ
 
 ELETRÔNICA INDUSTRIAL II 4.3 
 
fonte de luz 
+ 
P 
N 
janela metálica 
base metálica 
N 
I 
 Nos últimos anos tem havido um interesse crescente pela célula solar como fonte alternativa de energia. 
Porém, se considerarmos que a densidade de energia recebida do sol ao nível do mar é em torno de 100 m W/ cm 2 ( 
1 kW/m2 ), veremos que certamente é uma fonte de energia que ainda requer pesquisa e desenvolvimento, a fim de 
maximizar a eficiência de conversão de energia solar para elétrica. 
 A geração de tensão, na célula fotovoltaica, depende da incidência de fótons (partículas de luz) na superfície 
da célula. Nem todos os fótons que atingem a célula fotovoltaica criam pares elétron-lacuna e muitos dos elétrons e 
lacunas que separam-se para formar pares, eventualmente se recombinam. A célula é, portanto um dispositivo 
altamente ineficiente com relação à conversão da energia luminosa em energia elétrica. Comparando a potência de 
saída com a potência total contida na energia luminosa da entrada, a maioria das células apresenta eficiência que 
varia de 3% até no "máximo" 15%. 
 Esses dispositivos geralmente requerem altos níveis de luz para fornecer potência de saída útil. A 2000 pés-
candelas, a tensão média de saída em circuito aberto (sem carga) de uma célula comum é aproximadamente 0,45 
volts, Quando carregada, uma célula típica pode fornecer 50 mA a 60 mA de corrente de saída à carga. 
Entretanto, conectando-se um grande número de células em série ou paralelo, qualquer valor desejado de tensão ou 
corrente poderá ser obtido. 
 
4.4 - FOTODIODO 
 
 O fotodiodo é um dispositivo sensível a luz que utiliza uma única junção PN. É constituído de forma similar à 
célula fotovoltaica. Pode fornecer energia elétrica quando iluminado ou pode variar a corrente que passa por ele 
(polarização reversa) comandado pela luz. 
 
 Material utilizado na construção: silício. 
 
 
Representação em barras de fotodiodos: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
OBS.: I material intrínseco possui resistência muito alta (uma baixa condutividade) porque possui algumas impurezas. 
 O acréscimo da camada I resulta numa região de depleção muito maior para uma certa tensão de polarização 
reversa. A região de depleção mais extensafaz o fotodiodo PIN responder melhor as freqüências menores (fótons 
penetram mais fundo) e maiores (por possuir menor capacitância, dielétrico maior). 
 
Curva tensão reversa x fotocorrente x potência radiante (luz) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
janela 
metálica 
fonte de luz 
+ 
P 
N 
base metálica 
Tipo PN 
 
 
70 
 
60 
 
50 
 
40 
 
30 
 
20 
 
10 
 5 10 15 20 25 30 tensão reversa (volts) 
fotocorrente (A) 
 50  W 
100  W 
150  W 
200  W 
potência 
radiante 
 ELETRÔNICA INDUSTRIAL II 4.4 
 
SÍMBOLOS: 
 
 CÁPSULA DE UM FOTODIODO: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Exemplo de polarização de um fotodiodo: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.5 - FOTOTRANSISTOR 
 
 O fototransistor é também um dispositivo de junção PN. Porém ele apresenta duas junções ao invés de uma. 
 
Construção: (estrutura em barras) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Circuito equivalente: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Uma diferença importante entre o fototransistor e o fotodiodo, está na quantidade de corrente que cada 
dispositivo pode controlar. O fototransistor pode conduzir muito mais corrente de saída que o fotodiodo, para uma 
certa intensidade luminosa, devido à capacidade de amplificação do fototransistor. 
 O fototransistor não possui uma resposta muito rápida para mudanças de intensidade de luz e portanto não é 
adequado a aplicações onde uma resposta muito mais rápida seja exigida. 
 
catodo
anodo anodo

catodo
 
N P 
N 
emissor 
base 
coletor 
luz 
+ 
R 
coletor 
base 
emissor 
tensão de 
polarização 
 ELETRÔNICA INDUSTRIAL II 4.5 
 
Símbolo do fototransistor: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.6 - OPTO-ISOLADORES (Fotoacopladores) 
 
 O opto-isolador é uma unidade que contém um LED 
infravermelho e um fotodetetor tal como um diodo de silício, um par 
Darlington de transistor, ou um SCR. As respostas a comprimentos de 
onda dos dispositivos são feitas o mais parecido possível para se obter a 
máxima medida de acoplamento. 
 
EXERCÍCIOS: 
 
1) Qual o significado da sigla LDR? 
 
2) Qual o comportamento do LDR com relação as variações da intensidade luminosa? 
 
3) Qual a desvantagem que o LDR apresenta? 
 
4) Cite três aplicações para o LDR. 
 
5) Descreva o funcionamento do circuito desenhado abaixo: 
RELÉ
LDR
LÂMPADANF
NA
F NREDE CA
220V
 
6) O que é uma célula fotovoltaica? 
 
7) Desenhe o símbolo de uma célula fotovoltaica: 
 
8) Cite três aplicações para as células fotovoltaicas: 
 
9) O que é um fotodiodo? 
 
10) Desenhe o símbolo do fotodiodo. 
 
11) O que é um fototransistor? 
 
12) Desenhe o circuito equivalente de um fototransistor. 
 
13) Desenhe o símbolo de um fototransistor. 
 
14) Cite uma vantagem e uma desvantagem do fototransistor em relação ao fotodiodo. 
 
15) O que é um opto-isolador? 
 5 10 15 20 25 30 tensão de coletor (volts)
5
4
3
2
1
 1 m W/cm2
2 m W/cm2
3 m W/cm2
 4 m W/cm2
 
C
E
B
 
 
 Curva característica Vc x IC 
corrente de coletor (mA) 
 
1 
 
2 
 
 
3 
 
6 
 
5 
 
 
4