aulaEI11 - eletronica24h

Busca
Ir para o conteúdo

Menu principal:

Educacional > Cursos > Eletronica Basica 2
Aula10        Indice de Aulas    Aula10
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.  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 )                                      ( b )
Figura 1 -  LDR  ( a ) símbolo ( b ) 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

Descrição dos circuitos da figura 2
     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 ) polarização ( b ) curva característica

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.

Figura 5 -  Fototransistor - Exemplo de  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.

Figura 6 -  Fototransistor  (a ) e ( b ) configuração emissor comum  ( c ) circuito  equivalente ( d ) curva característica de coletor


Outra alternativa é a configuração coletor comum, figura 7, 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 )
Figura 7 -  Fototransistor polarizado ( a ) na configuração coletor comum ( b ) com terminal  de base acessivel

A corrente de coletor no escuro  é dada por:
 IC= β.IS=IE
 Na presença de radiação 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. Pelo modelo podemos  verificar a equivalência entre  um fototransistor  e um fotodiodo ligado a 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 8 mostra o principio de funcionamento de um acoplador  ótico.

Figura 8 -   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.
 A figura 9 mostra  o encapsulamento e  o esquemático interno.

        ( a )               ( b )                         ( c )
Figura 9 -  4N25   ( a )  encapsulamento branco  ( b )  encapsulamento preto   ( c ) esquemático


A figura 10 mostra algumas das curvas características do acoplador ótico  4N25.


                               ( a )                                                                 ( b )
Figura 10 -    ( 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 11 mostra, de forma simplificada, o principio de  funcionamento.

          ( a )                                      ( b )
Figura 11  - ( 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  12  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  12 -   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 13.

Figura 13 - Acoplador otico

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.

Aula10        Indice de Aulas    Aula10
 
Copyright 2015. All rights reserved.
Voltar para o conteúdo | Voltar para o Menu principal