Acima da primeira camada, aplica-se uma outra camada, tambm fina de material n onde existe abundncia de eltrons

COMPONENTES FOTOELETRNICOS

Componentes fotoeletrnicos so dispositivos cujas propriedades eltricas modificam-se perante a incidncia de luz.

Podemos dizer que a fotoeletricidade o fenmeno no qual partculas de carga so liberadas de um material quando ele absorve energia radiante, muitas vezes ultrapassando os limites das radiaes visveis.

Definido comumente como a ejeo de eltrons da superfcie de uma chapa metlica quando a luz ndice sobre ela. Esse fenmeno foi observado em 1887 pelo fsico alemo Heinrich Rudolf Hertz. Quando eltrons de tais elementos so excitados, algumas grandezas so modificadas, como por exemplo, a resistncia.

Para isso deve-se fornecer aos eltrons energia em forma de radiaes de determinada frequncia, para que estes se movam no material ou mesmo se afastem dele. Essa energia absorvida em forma de ftons.

Natureza da luzA luz uma forma de oscilao eletromagntica que se dispersa no meio em que se encontra a uma velocidade aproximada de 3 . 108 m/s (300.000km/s). Em outras palavras, luz a radiao eletromagntica, de comprimento de onda compreendido entre 4.000 e 7.800 angstrms, capaz de estimular o olho e produzir a sensao visual.

As ondas eletromagnticas no deslocam partculas de matria, como no caso das ondas de som, ocorre sim, modificaes peridicas de campos eltricos e magnticos no ambiente em se encontram.

A figura a seguir mostra o espectro de uma radiao luminosa, onde observa-se o campo eltrico E e o campo magntico H que ao se cruzarem formam uma onda luminosa cujo comprimento corresponde a uma oscilao completa do fton.

Espectro eletromagntico

A luz visvel ou espectro solar, capaz de impressionar a retina e de gerar imagens no crebro, constitui apenas uma parte do total das radiaes eletromagnticas.

medida que o instrumental cientfico ganhou mais preciso, o homem teve acesso a um universo novo, em que descobriu fenmenos at ento ignorados, como os raios X, a radiao ultravioleta, as ondas de rdio e de televiso ou os raios csmicos.

Entende-se por espectro eletromagntico o conjunto das vrias radiaes de natureza eltrica e magntica, com diferentes comprimentos de onda, desde 107 metros at 10-14 metros.

Os fenmenos ondulatrios ocorrem quando uma determinada partcula vibra ou oscila a partir de uma posio de equilbrio e seu movimento se transmite pelo espao em um meio adequado.

A caracterstica principal desse movimento denomina-se comprimento de onda, que o espao compreendido entre dois mximos ou mnimos de uma onda. O comprimento de onda mede uma oscilao completa, enquanto a frequncia (nmero de oscilaes por unidade de tempo), expressa o "ritmo", em que se produz a vibrao.

Essas duas grandezas so inversamente proporcionais entre si.

De ambos os lados do espectro da luz visvel, formado por radiaes de diferentes comprimentos de onda que originam as cores (vermelho escuro, vermelho claro, laranja, amarelo, verde, ciano, azul e violeta) registra-se uma srie de fenmenos eletromagnticos no captados pelos sentidos.

Como as frequncias das ondas eletromagnticas contidas no espectro da luz visvel so muito elevadas, costuma-se represent-las atravs do seu comprimento de onda (().

As unidades mais utilizadas so:

- angstrm ( = 10-10m)

- micrometro (( = 10-6m)

- nanometro (nm = 10-9m).

Assim por exemplo, um comprimento de onda de 4000 equivale a 400nm.

Abaixo do vermelho, com comprimentos de onda progressivamente crescentes, esto: os raios infravermelhos (que produzem a sensao de calor), as ondas de radar e as microondas; as ondas de televiso e as de rdio.

Acima do violeta, com comprimentos de onda cada vez menores e freqncias crescentes esto: a radiao ultravioleta, os raios X, os raios gama e a radiao csmica.

A maior parte dessas radiaes tem mltiplas aplicaes nos mais diversos campos e so o fundamento de grande nmero de aparelhos e invenes tecnolgicas, desde a televiso e o rdio at o radar e os sistemas baseados no infravermelho, alm de constiturem ferramenta imprescindvel na anlise qumica (espectrgrafos), na investigao astronmica (espectrometria, radioastronomia etc.) ou na pesquisa mdica (radiologia) e anlise de materiais.

Essas duas ltimas aplicaes utilizam a propriedade que tm os raios X de penetrar corpos opacos e impressionar chapas fotogrficas.

Algumas dessas radiaes, como a ultravioleta, afetam especialmente os seres vivos. Devido a sua alta freqncia, interagem com a matria biolgica e nela podem acarretar alteraes graves.

Grande parte dos raios ultravioleta so filtrados pela camada de oznio que circunda a Terra, minimizando seus efeitos prejudiciais.

Percepo das cores e sensibilidade tica

A faixa de radiaes normalmente registradas pela vista humana situa-se entre 400 a 800nm (4.000 a 8000), sendo esses comprimentos de onda vistos sob a forma de cores diferentes.

Os extremos que representam a faixa de luz visvel, indicam a temperatura da cor:

Cor quente: Designao genrica dos tons em que predominam o vermelho ou o amarelo no espectro visvel.

Cor fria: Designao genrica dos tons em que predominam o azul ou o verde no espectro visvel.

A figura a seguir mostra a distribuio das cores dentro do espectro da luz visvel:

A radiao luminosa excita a vista humana, transmitindo ao sistema nervoso do crebro a sensao de intensidade e colorao luminosa.

Para uma dada potncia de luz emitida a grandeza de excitao depende co comprimento de onda. O grfico abaixo mostra a sensibilidade da vista humana em funo do comprimento de onda, onde observa-se que o olho humano mais sensvel durante o dia cor amarela e a noite, cor verde.

Corpo negro

Conceito terico que corresponde a um radiador ideal hipottico, capaz de absorver toda a radiao luminosa que sobre ele incide.

A figura abaixo mostra a densidade de radiao de um corpo negro.

Oscilaes eletromagnticas

As oscilaes eletromagnticas so irradiadas com a velocidade da luz. Tanto no ar como no vcuo a velocidade de radiao da luz de 3 . 108 m/s, estabelecendo-se a seguinte relao:

f =

c = velocidade da luz (3 . 108 m/s)

f = frequncia em hertz

Exemplo: Qual a frequncia atingida por oscilaes eletromagnticas num ambiente livre, sem reflexo, quando o comprimento de onda atinge 800nm?

Soluo:

f = = = 3,75 . 1014 Hz

Leis da radiao para radiadores de calor

Corpos slidos aquecidos, como por exemplo filamentos de lmpadas e eletrodos, bem como corpos radiadores de calor formam um espectro contnuo. Experimentalmente se determinou que a potncia total irradiada (radiao de energia) depende da temperatura. Da ento, surgiram as leis bsicas:

1. Lei de Stefan-Boltzmann

Princpio fsico segundo o qual o calor emitido por uma superfcie corresponde a uma quarta parte de sua temperatura absoluta. Formulada pelo fsico austraco Josef Stefan e aprofundada pelo tambm austraco Ludwig Boltzmann.

Por exemplo, um corpo com T = 1.000K irradia 16 vezes mais do que T = 500K, pois:

( 24 = 16

2. Lei de Wien

Para cada temperatura irradiada existe um comprimento de onda que atende a condio de energia mxima.

Quanto mais curto for o comprimento da onda, tanto maior ser a energia da radiao. Com a elevao da temperatura essa condio atendida pelas ondas de menor comprimento (linha tracejada do grfico da pgina 5).

A lei de Wien (WilhelmWien) especifica que o comprimento de onda da radiao mxima inversamente proporcional a temperatura absoluta T.

(max = onde:

a = constante que vale 2,9 . 106 nm K

Exemplo:

para T = 500K ( (max = = 5,8 . 103 nm

para T = 4.000K ( (max = = 0,725 . 103 nm

Essa lei tambm explica porque a cor de um corpo superaquecido (em brasa), com a elevao da temperatura passa do vermelho escuro ao amarelo e ao branco. No caso das lmpadas halgenas (famlia dos halognios), ao branco azulado.

3. Lei de Planck

As curvas observadas no grfico da pgina 5, apresentam a lei fundamental da radiao formulada por Planck, que mostram a distribuio das potncias de radiao no espectro de um radiador ideal (corpo negro), em funo do comprimento de onda (() e diversas temperaturas T(K).

OBS: Enquanto as leis de Stefan-Boltzmann permitem o clculo de toda a energia irradiada e as leis de Wien determinam os mximos valores das curvas, Planck obteve as leis que definem a variao dessas curvas.

Ainda em relao as curvas do grfico da pgina 5, a lei de Planck poder ser melhor entendida se tomarmos como exemplo dois valores de temperatura T.

Consideremos inicialmente a rea compreendida pela curva cuja temperatura de 873K (rea tracejada).

Comparando com a rea da curva de temperatura mais elevada, por exemplo, 2.000K observa-se que a esta bem maior. Unindo os dois valores mximos dessas curvas (linha tracejada) observa-se que os valores mximos tendem a inclinar-se para a esquerda em funo de ( = , fundamentando a lei de Wien.

Conclui-se portanto, que com a elevao da temperatura, parte da energia irradiada alcana comprimentos de onda que esto dentro do espectro da luz visvel.

Uma lmpada incandescente por exemplo, anti-econmica para emitir luz, pois a maior parte das radiaes presentes localizam-se na faixa das ondas invisveis. Observe no grfico da pgina 5 que o olho humano sensvel apenas aos comprimentos de onda contidos na rea mais escura.

FOTOELEMENTOS

Transformam energia luminosa em energia eltrica.

A figura abaixo representa o esquema de um fotoelemento (clula fotovoltaica) de selnio.

1 - placa base

2 - camada semicondutora P

3 - camada semicondutora N

4 - camada de bloqueio (xido de cdmio)

5 - anel metlico

As tcnicas para a construo de fotoelementos so muito similares s empregadas na construo de semicondutores (transistores, diodos, etc.)

A princpio, sobre uma placa base aplicada uma fina camada de material semicondutor como o selnio ou o silcio que pode ter condutividade. A primeira camada p onde existem abundncia de lacunas.

Acima da primeira camada, aplica-se uma outra camada, tambm fina de material n onde existe abundncia de eltrons.

Acima da camada n fixado um eletrodo de oposio ou bloqueio constitudo por uma camada metlica fina transparente luz, geralmente xido de cdmio.

Para acabamento colocado um anel metlico. O efeito fotoeltrico aparece quando radiaes luminosas passam pela camada metlica transparente luz, fazendo com que os eltrons da camada semicondutora n sejam liberados e coletados pelo anel, tornando-o negativo.

A placa base torna-se ento positiva e entre o anel e placa base desenvolve-se uma diferena de potencial denominada Uo ou Vo.

A figura abaixo mostra o grfico da dependncia da tenso Vo e da resistncia interna Ri de um fotoelemento.

Observa-se que medida que as radiaes luminosas aumentam, cai e resistncia interna (Ri) e aumenta a tenso Vo.

A figura acima mostra o smbolo usado para representar um fotoelemento.

A tenso tpica de sada (Vo) para um elemento de selnio da ordem de 0,3V enquanto que para fotoelementos de silcio da ordem de 0,7V, para mxima radiao luminosa.

A figura a seguir mostra a relao entre a corrente de emisso e a intensidade luminosa perante cargas com resistncias altas e baixas.

Analisando a curva acima, a variao tanto menos linear quanto maior for a carga, ou seja a variao mais linear para cargas baixas (RL + Ri).

Os valores tpicos de resistncia interna so:

para clulas de selnio = 100( por cm2

para clulas de silcio = 2 a 10( por cm2temos ento: Ri = , onde IK = corrente de curto

Io = , onde Ra a resistncia externa; Ri a resistncia interna e Io a corrente fotoeltrica

Fotoclulas ou clulas fotoeltricas - Aplicaes

Os fotoelementos na realidade podem ser definidos como fotoclulas ou clulas fotoeltricas.

A fotoclula ou clula fotoeltrica pode ser comparada a um olho eltrico que, em muitas de suas aplicaes, pode substituir o humano. A vantagem principal desse dispositivo a sensibilidade a radiaes que a retina do homem no consegue perceber.

Fotoclula um transdutor fotoeltrico, dispositivo que favorece a transformao de um fenmeno luminoso em outro de natureza eltrica de magnitude proporcional.

Assim, quando a luz incide sobre ela, a fotoclula produz ou deixa passar corrente eltrica. Ao cessar a luz, cessa tambm a corrente. A fotoclula pode ser de trs tipos:

fotoemissiva

fotocondutora

fotovoltaica

Nas clulas fotoemissivas ou fototubos, o fluxo luminoso determina a emisso de um feixe de eltrons por parte de um catodo ou eletrodo negativo, normalmente construdo de prata, ouro ou cobre.

Os eltrons ento, se aceleram mediante uma diferena de potencial e se recolhem num eletrodo positivo ou anodo.

Esse conjunto fica no interior de uma ampola submetida ao vcuo. Os fototubos de vcuo so empregados em medidas fotomtricas de preciso e os de gs, na leitura da faixa sonora de filmes cinematogrficos.

As clulas fotocondutoras utilizam as caractersticas dos elementos semicondutores, como o silcio e o selnio, que modificam sua resistncia em funo da natureza do foco luminoso que incide sobre eles.

So slidos cristalinos de condutividade situada entre a dos metais e a dos isolantes.

Quando se intercala uma clula fotocondutora num circuito formado por uma bateria e uma resistncia, a corrente eltrica se modifica com o fluxo luminoso.

Por ltimo, as clulas fotovoltaicas, sob a influncia da luz, atuam como geradores eltricos e provocam uma corrente cuja intensidade proporcional do feixe luminoso incidente. Entre suas aplicaes est a comutao para leitura de fitas magnticas.

A utilizao de determinado tipo de clula fotoeltrica depende da finalidade prpria de cada caso. Quando se busca fidelidade e linearidade em alto grau, as clulas fotoemissivas de vcuo so mais funcionais.

As clulas fotocondutoras e fotoemissivas de gs apresentam menor fidelidade, porm so mais sensveis. As fotovoltaicas so adequadas nos casos em que no se requer alta fidelidade nem sensibilidade e podem ser usadas como fonte de energia eltrica.

Caractersticas dos fotoelementos de selnio e silcio

1. Clulas de selnio

A figura abaixo mostra o grfico comparativo entre a sensibilidade do olho humano e de uma clula ou fotoelemento de selnio.

Observa-se que a largura da curva de sensibilidade espectral maior para o fotoelemento de selnio em comparao a vista humana, mas, de forma geral bem prxima sensibilidade mdia da vista humana.

Algumas aplicaes:

1 - medio de tempo de exposio em mquinas fotogrficas (fotmetros)

2 - como acionadores de chaves de iluminao pblica (interruptor crepuscular)

Os fotoelementos de selnio possuem uma certa inrcia, isto , acompanha variaes de luminosidade at o limite de 1kHz. Desta forma, aplicaes que exijam repostas s variaes de luminosidade acima dessa frequncia, no devem utilizar clulas de selnio.

Uma grande desvantagem das clulas de selnio sua dependncia em relao a temperatura, pois um aumento da mesma provoca uma queda de Vo. Uma clula de selnio poder danificar-se se for usada por longo perodo em temperaturas em torno de 60C.

2. Clulas de silcio

A figura abaixo mostra a comparao entre a sensibilidade da vista humana em relao a um fotoelemento de silcio.

Observa-se que a clula de silcio tem uma sensibilidade espectral mxima em 800nm (vermelho escuro). Desta forma muito utilizada em aplicaes que envolvam radiaes infravermelhas.

Uma vantagem das clulas de silcio em relao as de selnio, que sua frequncia limite da ordem de 50kHz, permitindo aplicaes que envolvam rpidas variaes de luminosidade, alm do que, sua temperatura de operao bem superior, da ordem de 150C.

Em condies idnticas, fotoelementos de silcio fornecem corrente cerca de 10 vezes maior do que os fotoelementos de selnio.

Por esse motivo as clulas de silcio so muito utilizadas em sistemas de medio e comando bem como, em carga de baterias de satlites.

FOTORRESISTORES

O fotorresistor um componente que tem sua resistncia variada pela ao da luz, ou seja, medida que aumenta a incidncia luminosa sobre o mesmo, sua resistncia cai, conforme ilustra o grfico abaixo.

O fotorresistor conhecido como LDR (do ingls Light Dependent Resistor) e ao contrrio dos fotoelementos, no fornece energia; sua resistncia varia pela ao da incidncia luminosa. Na realidade, pode-se afirmar que o LDR um resistor varivel.

Como o LDR no tem condutividade assimtrica (circula corrente nos dois sentidos), prprio para aplicaes em CC e CA.

Fabricao:

Geralmente so utilizados dois tipos de materiais, dependendo do tipo de aplicao a que se destina.

1 - sulfito de cdmio (CdS): quando usado na faixa das radiaes visveis

2 - sulfito de chumbo (PbS): quando usado na faixa das radiaes infravermelhas

Anlise da corrente no fotorresistor

1 - Corrente no claro ( I ): a corrente que circula pelo fotorresistor na incidncia de luz. Seu valor depende da intensidade luminosa, da tenso aplicada, da temperatura da cor e das propriedades de uso fornecidas pelo fabricante.

2 - Corrente no escuro ( Io ): a corrente que circula pelo fotorresistor na ausncia total de luz. O valor de Io depende da tenso aplicada, da temperatura e das propriedades de uso fornecidas pelo fabricante.

Um dos fatores que devem ser considerados nos fotorresistores sua inrcia em relao ao tempo de crescimento e reduo da corrente.

A figura abaixo mostra a curva representativa do tempo de elevao (tel) ou crescimento.

O tempo de elevao (tel) o tempo necessrio para que a corrente varie de zero at a 90% de seu valor.

O tempo de reduo (tre) outro parmetro que deve ser conhecido. o tempo para que a corrente no fotorresistor seja reduzido a 10% do seu valor a partir do momento em que cessar a luz incidente. Veja o grfico a seguir.

Analisando os dois grficos, verifica-se que existe uma inrcia relativamente alta em relao a variao da resistncia com a variao de luminosidade. Para os fotorresistores fabricados a partir de CdS, esse valor est entre 10ms e 1s. Por esse motivo os fotorresistores de CdS so inadequados quando se exige uma rpida variao de resistncia.

Resistncia do LDR

A resistncia do LDR de CdS dada pela frmula: R = A.L-( onde:

A = constante que depende do material (rea a ser iluminada)

R = resistncia em ohms

L = fluxo em lux ou lumen

( = constante que varia em funo do CdS (0,7 a 0,9)

Taxa de recuperao: o tempo que o LDR leva par atingir a resistncia mxima aps ser levado bruscamente de um ambiente claro para um ambiente escuro. O crescimento da resistncia (tpico) da ordem de 200k por segundo.

Tempo de ataque: o tempo que a resistncia do LDR leva para diminuir quando se leva o mesmo de um ambiente escuro para um ambiente iluminado, se o ambiente iluminado tiver um nvel de 300 lux. Este tempo (tpico) da ordem de 30ms.

LDRs de sulfito de cdmio - aplicaes

A figura abaixo representa a sensibilidade espectral de um fotorresistor construdo a partir de CdS, fornecida pelo fabricante.

LDR-03

Verifica-se que a curva espectral do LDR de CdS abrange todo o espectro da luz visvel, sendo portanto adequado para ser utilizado em fotmetros.

Notaes importantes nos manuais:

Tenso contnua ou tenso de pico alternada (UB)75V

Potncia de perda: temperatura ambiente at 25C (P)150mW

Potncia de perda: temperatura mxima de 75C (P)40mW

Corrente passante pelo fotorresistor com U = 10V / 50 lux (I)8mA

Corrente no escuro, com UB = 75V (Io) 10(A

Tempo de elevao (tel)50ms

Tempo de reduo (tre)500ms

Valor da resistncia com luminosidade zero (Ro) 10M(

Valor da resistncia com 1.000 lux (R) 80120(

Sensibilidade espectralver curva

EXERCCIO RESOLVIDO:

Um LDR deve fazer funcionar um rel, para que este acenda remotamente uma lmpada, conforme mostra o circuito abaixo. Determinar:

1. tenso que deve ser aplicada na bobina do rel

2. corrente do enrolamento do rel

3. resistncia do enrolamento do rel

Dados:

UB = 12V

Tamb = 25C

E = 1.000lux (intensidade luminosa)

P = 120mW

A curva do LDR-03 mostrada abaixo:

Soluo:

- Pela curva do LDR-03, em 1.000 lux a resistncia de 100(- A potncia de perda para esse LDR a 25C deve ser no mximo de 120mW

- Com UB = 12V podemos calcular a corrente:

I2 = = = = 34,64mA

- Nestas condies, a queda de tenso no LDR ser:

VLDR = 34,64mA . 100( = 3,464V

- Pelo rel teremos ento uma corrente de 34,64mA e uma queda de tenso:

12V - 3,464V = 8,536V

- A resistncia da bobina do rel dever ser: RREL = = 246,42(Resposta:

Tenso a ser aplicada na bobina do rel: 8,536V (adotar 9V)

Corrente no enrolamento do rel: 34,64mA (adotar 35mA)

Resistncia da bobina (enrolamento do rel): 246,42( (adotar 250()

PROJETO: INDICADOR DE INTERRUPO DE FEIXE LUMINOSO

O presente projeto um circuito bem simples, que tem por finalidade fazer acender uma lmpada (ou acionar qualquer outro dispositivo) quando interrompido o feixe de luz incidente sobre o LDR. Veja o circuito abaixo.

Funcionamento:

a) o circuito alimentado por corrente contnua, proveniente de uma retificao de meia onda com Tr1, D1 e C1.

b) O LDR em srie com R1 forma uma circuito de polarizao da base do transistor, de tal forma que, com o LDR sem iluminao a tenso VBE seja aproximadamente zero. Como o transistor nestas condies est operando em corte, o rel no liga.

c) Quando ocorrer uma incidncia luminosa sobre o LDR, sua resistncia diminuir e o divisor de tenso dever fornecer uma tenso de polarizao VBE suficiente para levar o transistor na condio de saturao, ligando o rel.

d) O diodo D2 em paralelo com a bobina do rel tem a funo de proteger o transistor do efeito de auto-induo, que ocorre quando do desligamento do rel. Nestas condies a auto-induo tendo um sentido contrrio, polarizar o diodo diretamente absorvendo-a (lembrar que na polarizao direta a resistncia de juno do diodo muito baixa).

Valores tpicos do projeto para fins de orientao:

Tr1 = transformador 110V - 12V - 200mA

C1 = capacitor eletroltico, 470(F / 25V

D1, D2 = diodos 1N4002

T1 = transistor BC547

LP = lmpada 110V/60W

R1 = resistor de 1k( a 10k( (determinar experimentalmente com trimpot)

RL = rel para DC: bobina 330 a 500( - contatos 5A - 12V

LDR-03 = LDR com resistncia no escuro >10k( e resistncia no claro (1.000lux) de 50 a 400(.

LDRs de sulfito de chumbo - aplicaes

A figura abaixo representa a sensibilidade espectral de um fotorresistor construdo a partir de PbS, fornecida pelo fabricante.

A figura mostra a elevada sensibilidade do componente s radiaes infravermelhas, atuando com grande vantagem perante radiaes invisveis de calor.

Um fotorresistor de PbS muito utilizado para informar o estado rubro do ferro ou ao em fuso, na faixa das radiaes infravermelhas, uma vez que, uma material no estado de fuso emite luz contnua.

Uma aplicao para o LDR de PbS ilustrada na figura abaixo.

Neste exemplo uma barra de ao no estado rubro desloca-se por uma esteira. A mesma emite ento radiaes luminosas muito prximas ao infravermelho que so captadas por um sensor contendo um LDR de PbS.

O sensor recebe essas informaes em forma de pulsos provenientes de um carto perfurado que gira em sincronia com um pequeno motor. Ao perceber os pulsos a presena da barra de ao registrada e a velocidade da esteira controlada.

Controlando a velocidade da esteira:

Suponhamos que a esteira esteja movimentando a barra de ao a uma velocidade de 5 m/s e que a partir do momento em que a barra registrada pelo sensor essa velocidade deva reduzir-se a 5 cm/s. Qual deve ser a frequncia dos pulsos emitidos pelo carto perfurado, supondo que o circuito atue somente aps 3 pulsos claros e 3 pulsos escuros? (Obs: os pulsos escuros ocorrem por causa da interrupo do feixe)Soluo:

5cm = 0,05m ( 1 metro = 100cm

como a velocidade da esteira de 5m em 1 segundo, temos: 0,05m em

Conclui-se ento que o circuito deve atuar aps

Como nesse intervalo de tempo devem ocorrer 3 pulsos claros e 3 pulsos escuros a frequncia dos pulsos ser:

Portanto: s = 300 pulsos, o que significa que a frequncia do carto perfurado deve ser de 300Hz.

Concluso: O sensor formado pelo fotorresistor de PbS tem duas funes importantes:

a) registrar o comprimento do bloco

b) registrar a temperatura, uma vez que para diferentes temperaturas a sensibilidade espectral diferenciada.

Alguns valores caractersticos para LDRs de PbS (notao de manuais)

Tenso de alimentao (UB)250V

Valor mximo da corrente (I)0,5mA

Valaor mximo da sensibilidade espectral ( 2,5 . 103 nm

Resistncia no escuro( 5M(

Frequncia de impulsos (f)800Hz

Temperatura ambiente (t) ou (Tamb)60C

Potncia de radiao incidente sobre a superfcie (P)10 . 10-6 W/cm2

Potncia de perdas no fotorresistor (Pp)100mW

rea total a ser iluminada (A)0,36cm2

Constante de tempo (()75(s

EXERCCIO RESOLVIDO

O circuito abaixo um fotmetro bsico, formado por um LDR de CdS, onde o miliampermetro tem sua escala calibrada em lux.

Determinar o valor de Rs, sabendo-se que:

E = 1,5V

Ri do mA = 10(RLDR = 10( em 1.000 lux

RLDR = 10k( em 10 lux

WMAX (potncia mxima do LDR) = 30mW

Soluo:

Devemos calcular a mxima corrente do LDR em 1.000 lux

P = R.I20,03 = 10.I2ILDR = IT = = 54,77mA

A resistncia total em 1.000 lux deve ser: = 27,39(Escrevendo a equao da malha: E - I(Rs + Ri + RLDR) = 0

Assim: Rs = 27,39( - 20( = 7,39(Em 10 lux a corrente pelo LDR ser:

ILDR = = 1,73mA

FOTODIODOS

Os fotodiodos so fabricados a partir do germnio e do silcio (atualmente o silcio prevalece na fabricao desses dispositivos).

Sua sensibilidade luminosa baseia-se no efeito fotoeltrico que neles ocorre, no qual a camada semicondutora modifica o valor de sua resistncia no sentido do bloqueio, dependendo da incidncia luminosa.

A corrente em um fotodiodo eleva-se diretamente intensidade da incidncia luminosa.

Para que o efeito fotoeltrico seja influenciado o menos possvel por fontes externas de luz, o mesmo envolto de tal forma que a luz atinge a parte fotossensvel apenas atravs de uma pequena abertura. Geralmente so dotados de lentes para concentrar ainda mais o feixe luminoso.

A figura abaixo mostra o aspecto fsico de um fotodiodo e smbolos mais utilizados.

O fotodiodo um dispositivo de juno pn cuja regio de operao limitada pela regio de polarizao reversa.

Para uma determinada tenso reversa (V() aplicada, a corrente (I() aumenta medida que aumenta a intensidade luminosa.

A figura a seguir mostra as curvas caractersticas de um fotodiodo.

Para uma dada tenso reversa, observa-se que um incremento da intensidade luminosa aumenta em um incremento quase linear da corrente reversa. A figura abaixo ilustra o grfico intensidade luminosa x intensidade luminosa para uma tenso reversa de 30V.

Nos grficos acima a intensidade luminosa dada em foot-candles (fc).

A intensidade do fluxo luminoso normalmente medida em lm/ft2 (foot-candles) ou ainda em W/m2. Desta forma:

lm/ft2 = fc = 1,609 . 10-12 W/m2 ( 1 lmen equivale a 1,496 . 10-10 W

A corrente negra a corrente que existir sem nehuma iluminao aplicada. A corrente somente ser zero, se for aplicada uma polarizao positiva igual a Vo.

Diferenas entre lmen e lux.Lux:

Unidade de medida de iluminamento no sistema internacional de medidas. Corresponde ao iluminamento de uma rea igual a 1m2 que recebe na direo normal um fluxo luminoso de um lmen distribudo de modo uniforme (abrevia-se lx).

Lmen:

Unidade de fluxo luminoso definida como uma emisso de uma fonte de intensidade igual a 1 candela no interior de um ngulo slido de um esferorradiano (abrevia-se: lm).

Em outras palavras, enquanto a unidade de medida luxdefine o iluminamento de uma determinada rea, lmen define um fluxo luminoso incidente um uma superfcie qualquer.

A figura abaixo ilustra a sensibilidade espectral dos elementos Ge (germnio), Si (silcio) e Se (selnio) em comparao viso humana.

A grande vantagem dos fotodiodos de germnio e silcio que so adequados para locais com temperaturas ambientes elevadas (50C para o Ge e 120C para o Si), alm de ter dimenses bem reduzidas.

A seguir, as principais caractersticas dos fotodiodos.

Tipo de fotodiodoTemp. de operao

( t )Tenso de alimentao

( UB )Frequncia limite

( f )Corrente no escuro

( I )Potncia de perda

( P )Mxima sensibilidade espectral

Ge50C30V50kHz15(A30mW1,5 . 103 nm

Si120C30V35kHz2(A100mW1,1 . 103 nm

Circuitos com fotodiodos

Embora existam uma infinidade de circuitos que empregam fotodiodos, uma das aplicaes mais simples e muito utilizada como uma chave eletrnica, conforme mostra o circuito abaixo.

A carga uma lmpada que deve acender quando o ambiente escurecer. Para isso um fotodiodo utilizado na entrada de um circuito disparador com SCR.

Enquanto o ambiente estiver claro, a resistncia do fotodiodo baixa e a tenso sobre os seus terminais no suficiente para disparar o SCR. A partir do momento que o ambiente escurecer, a resistncia do fotodiodo aumenta e a tenso nos seus terminais sobre, a ponto de disparar o SCR, acendendo a lmpada.

Uma outra aplicao mostrada na figura abaixo.

O ganho do A.O. (amplificador operacional) dado por A = - .

A cada nvel de iluminao a resistncia do dispositivo diferente, ou seja, quando menor o nvel de iluminao maior a resistncia Rd, diminuindo o ganho do circuito e consequentemente, menor a tenso de sada (Vo). Quando aumenta o nvel de iluminao, Rd diminui e ocorre um aumento do ganho e da tenso de sada.

Se na sada do A.O. for colocado um medidor com escala calibrada em lux, teremos construdo um medidor de intensidade luminosa.

DIODOS EMISSORES DE LUZ (LEDs)

O diodo emissor de luz - LED (light emitting diode) emite luz quando devidamente energizado ou corretamente polarizado.

Funcionamento bsico: Quando um diodo diretamente polarizado, ocorre nas proximidades da juno uma recombinao de eltrons e lacunas, sendo que, esta recombinao exige que a energia possuda por um eltron livre seja transferida para um outro estado.

Em todas as junes pn semicondutoras, uma parte da energia emitida na forma de calor e outra na forma de ftons. Nas junes formadas por germnio e silcio a maior parte da energia emitida na forma de calor e uma parte insignificante na forma de luz.

Em outros materiais como o fosfeto de arsenieto de glio (GaAsP), o fosfeto de glio (GaP) ou simplesmente o arsenieto de glio (GaAS) a luz emitida suficiente de tal forma a tornar-se bastante visvel.

O processo de emisso de luz por aplicao de uma fonte eltrica de energia em uma juno pn chamado eletroluminescncia.

Estrutura Bsica: Basicamente a estrutura idntica a dos diodos de juno convencionais. A figura abaixo mostra o que ocorre numa estrutura formada por uma juno pn de GaAsP.

1 - Quando o LED ligado a uma fonte de corrente os eltrons so introduzidos na regio N.

2 - Para cruzar a barreira de potencial formada pela juno, eles so transferidos para a banda de conduo.

3 - Aps a passagem pela juno os eltrons caem de volta para as lacunas na banda de valncia e liberam sua energia excedente na forma de ftons (radiao de recombinao).

A figura abaixo ilustra a estrutura bsica de um diodo LED fabricado com tecnologia planar.

1 - Tipicamente consistem de uma pastilha semicondutora P, com uma camada difundida tipo N.

2 - A camada P geralmente colocada na base metlica pois esta tende a ser menos transparente radiao.

3 - A princpio pode-se imaginar que a emisso de luz se d mais via camada N, no entanto, a radiao gerada na juno pode ser emitida por todas as partes do diodo no bloqueadas.

4 - Geralmente a base metlica reflexiva para melhor aproveitamento da luz gerada pelo dispositivo.

A figura ao lado ilustra a emisso de luz num LED de forma hemisfrica.

O aspecto fsico dos LEDs varia bastante, sendo que a configurao ideal da pastilha semicondutora a hemisfrica, por no conter superfcies que causem perdas por reflexo. No entanto, so muito mais caros em relao s pastilhas fabricadas com tecnologia planar.

Para minimizar o problema as pastilhas planar so encapsuladas com material claro com ndice de refrao intermedirio entre o do semicondutor e o ar. O material mais utilizado o epxi transparente, pois permite aumentar em quase trs vezes a sada de luz se comparado a um diodo LED no encapsulado.

A figura abaixo ilustra algumas configuraes fsicas de LEDs.

A figura abaixo mostra as curvas de resposta espectral para LEDs de vrias cores.

Observa-se no grfico acima que a banda espectral a partir da intensidade relativa igual a 0,5 bastante estreita. A largura de banda uma caracterstica muito importante nos LEDs, pois permite fabricar lmpadas indicadoras que emitem luz nas cores amarela, mbar, verde ou vermelha sem o uso de filtros.

Isto representa uma grande vantagem nas comunicaes pticas pelas razes:

1 - Os LEDs podem ser programados para fornecer uma sada de pico correspondente sensibilidade dos detectores disponveis, tornando a deteco mais eficiente em relao aos dispositivos que usam banda larga.

2 - A banda estreita equivale a um filtro que transmite apenas os comprimentos de onda que interessam, ajudando a eliminar interferncias externas de fontes de luz.

3 - Os LEDs de GaAsP e GaAs so ideais para comunicaes em frequncias altas, podendo ser modulados ao redor de 100MHz. Os LEDs fabricados com GaAs compensados com silcio podem ser modulados ao redor de 1MHz.

Relao entre tenso, corrente e a sada de luz

A figura abaixo mostra a curva de tenso x corrente em um LED de GaAs.

Existe um limite para a tenso reversa e a corrente direta em no LED sem que este seja danificado. O valor tpico da corrente direta varia de 50 a 100mA, podendo operar com tenses reversas da ordem de 1,7 a 3,5V.

A sada de luz dos LEDs varia geralmente de forma linear, de acordo com a corrente que por ele circula.

A figura a seguir tpica de um LED emissor de luz vermelha de GaAsP, onde nota-se uma perfeita linearidade da emisso de luz at uma corrente de 80mA.

Acima dessa corrente a emisso comea a declinar em relao ao valor de pico, em virtude do sobreaquecimento da pastilha do mesmo.

Para contornar esse problema o dispositivo deveria ser instalado num dissipador de calor, que em alguns casos desaconselhvel por fatores econmicos.

O relacionamento entre a corrente no LED e a sada de luz interessante para algumas aplicaes, como por exemplo comunicao por modulao de amplitude da voz humana e potencimetros pticos.

Exemplo:

No circuito abaixo deseja-se calcular o valor do resistor Rs e sua potncia para que o LED opere em 1,8V sob uma corrente de 60mA.

Soluo:

Rs = = = 220(A potncia no resistor Rs ser: PRS = R . I2 = 220 . (0,06)2 = 0,792W

Vida til do LED

Uma grande vantagem dos LEDs sua longa vida til, por reunirem todas as vantagens inerentes aos semicondutores:

1 - so robustos

2 - sua fabricao fcil e barata

3 - no exigem altas tenses de operao

4 - trabalham numa ampla faixa de temperaturas

Enquanto lmpadas piloto incandescentes tem uma vida til que raramente chega a 10.000 horas, os LEDs podem durar em operao contnua 100.000 horas ou mais.

Alguns estudos de acelerao de vida til indicaram que os LEDs podem operar at por 100 anos antes que sua luminosidade caia pela metade em relao ao valor inicial.

DIODOS EMISSORES DE INFRAVERMELHO

Os diodos emissores de infravermelho (IV) so construdos a partir do arsenieto de glio (GaAs), que quando diretamente polarizados emitem um feixe de fluxo radiante.

A construo bsica mostrada na figura a seguir e funciona da seguinte forma:

1 - quando a juno pn diretamente polarizada, os eltrons da regio n se recombinam com as lacunas excedentes da regio p.

2 - essa recombinao ocorre em uma regio especialmente projetada para tal finalidade, que situa-se entre as regies p e n.

3 - ocorre ento a radiao de energia em forma de ftons.

4 - os ftons gerados so reabsorvidos pela estrutura ou abandonaro a superfcie do dispositivo na forma de energia radiante, representada pela letra grega (.

A relao entre a corrente direta e o fluxo radiante praticamente linear, conforme mostra o grfico abaixo.

O fluxo radiante dado em mW e a corrente direta representada por IF.

A construo interna de um dispositivo emissor de IV mais sofisticada, pois deve ser levado em considerao o ngulo de radiao.

Quando o dispositivo construdo com direcionamento interno o ngulo de radiao bastante estreito em comparao aos dispositivos construdos sem direcionamento interno, conforme ilustra o grfico abaixo.

Smbolo

Algumas aplicaes:

- leitores de cartes e fitas perfuradas

- codificadores para perfuradores de cartes e fitas de papel

- sistemas de transmisso de dados

- alarmes

Referncias bibliogrficas:

ELETRNICA vols. 1 e 2 - Malvino, Ed. McGraw-Hill - SP

MICROELETRNICA E DISPOSITIVOS - Horenstein, Ed. Prentice-Hall do Brasil - RJ

DISPOSITIVOS ELETRNICOS TEORIA E CIRCUITOS - Boylestad, Nashelsky, Ed. Prentice-Hall do Brasil - RJ

ELETRNICA APLICADA - L.W. Turner, Hemus Editora Ltda. - SP

ELECTRONIC CIRCUITS AND APPLICATIONS - Grobb, Ed. Mc Graw-Hill International

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Hertz, Heinrich Rudolf

Fsico alemo. Contribuiu para o aprimoramento das tcnicas de radiotransmisso, com seus estudos sobre as ondas eletromagnticas, que em sua homenagem se chamaram ondas hertzianas.

Radiao

Designao genrica dos diferentes processos de emisso de energia ou matria pelos corpos. Os principais tipos so o calor, a luz visvel e a radiao eletromagntica.

Fton

Termo que designa, em fsica, a poro ou quantum de radiao eletromagntica que tem massa em repouso nula e energia igual ao produto da constante de Planck pela freqncia do campo.

A luz possui a capacidade de se dispersar no vcuo

Angstrm

Unidade de medida de comprimento para ondas luminosas e dimenses moleculares.

Equivale a 10-10m. Smbolo: .

ngstrm, Anders Jonas (1814 -1874).

Fsico sueco, um dos fundadores da espectroscopia. Especialista tambm em termocondutividade, tem seu nome ligado unidade de medida para ondas luminosas e dimenses moleculares.

Irradiao: Ato ou efeito de irradiar(-se).

Difundir-se, espalhar-se, propagar-se.

Fs. Qualquer dos processos fsicos de emisso e propagao de energia, seja por intermdio de fenmenos ondulatrios, seja por meio de partculas dotadas de energia cintica

Stefan, Josef (1835-1893).

Fsico austraco. Famoso pela descoberta da lei sobre a radiao do corpo negro, em 1879. A teoria foi desenvolvida por Boltzmann, e ficou conhecida como lei de Stefan-Boltzmann.

Boltzmann, Ludwig Eduard (1844-1906).

Fsico austraco. Elaborou a teoria cintica dos gases e introduziu a teoria das probabilidades na termodinmica.

Wien, Wilhelm (1864-1928).

Fsico alemo. Notvel pelos descobrimentos relativos s leis da radiao trmica. Sua contribuio radiao do corpo negro est contida nas trs leis de Wien. Prmio Nobel de 1911.

Halognios

Famlia de elementos qumicos no-metlicos que compem o grupo VIIa da tabela peridica. Formada por flor, cloro, bromo, iodo e astato.

Planck, Max (1858-1947).

Fsico alemo. Criou as bases da cincia moderna com o conceito de quantum e a teoria da descontinuidade da energia. Prmio Nobel de 1918

Cdmio.

Elemento qumico pertencente ao grupo IIb da tabela peridica. Smbolo qumico: Cd. Nmero atmico: 48. Peso atmico: 112,4.

Selnio

Elemento qumico pertencente ao grupo VIa da tabela peridica. Smbolo: Se. Nmero atmico: 34. Peso atmico: 78,96.

Silcio

Elemento qumico pertencente ao grupo IVa da tabela peridica. Smbolo: Si. Nmero atmico: 14. Peso atmico: 28,09.

Fotmetro

Instrumento utilizado para medir a energia de um feixe luminoso. Pode se basear em comparaes efetuadas visualmente ou em comparaes quantitativas realizadas por meio de dispositivos fotoeltricos.

Cdmio

Elemento qumico pertencente ao grupo IIb da tabela peridica. Smbolo qumico: Cd. Nmero atmico: 48. Peso atmico: 112,4.

Chumbo

Elemento qumico pertencente ao grupo IVa da tabela peridica. Smbolo: Pb. Nmero atmico: 82. Peso atmico: 207,21.

O fenmeno da induo eletromagntica em que o campo magntico indutor gerado pelo prprio circuito onde se estabelece a fora eletromotriz induzida.

Candela

Unidade fsica de intensidade luminosa, igual a 1/60 de centmetro quadrado, da superfcie de um radiador perfeito, na temperatura da solidificao da platina, 1.772oC. Adotada em 1948, com base na X Conferncia Internacional de Pesos e Medidas.

Esferorradiano

Unidade de medida de ngulo slido, igual ao ngulo slido, com vrtice no centro de uma esfera, que subtende na superfcie desta esfera uma rea medida pelo quadrado do raio da esfera.

Germnio

Elemento de nmero atmico 32, cristalino, cinza-metlico, semicondutor com importante emprego na manufatura de circuitos transistorizados [smb.: Ge].

SCR - Retificador controlado de silcio, muito utilizado como rel eletrnico.

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COMPONENTES FOTOELETRNICOS

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