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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
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