Trabalho2 - Células fotocondutivas - Engenharia Eletrica

Células Fotocondutivas
Rafael Terplak Beê / Rafael Trasel
1. INTRODUÇÃO
1.1 TRANSDUTORES
Uma função importante da eletricidade, tanto no
âmbito industrial como no âmbito científico, consiste na
medida de grandezas do domínio da física tais como,
temperatura, comprimento, força, pressão e velocidade.
Essa função pode conseguir-se com a utilização de
transdutores, sem os quais os avanços conseguidos no
domínio das aplicações de controle e da computação teriam
sido impossíveis.
A utilização dos transdutores tornou-se
conveniente tanto economicamente como
tecnicamente pelo fato de converterem grandezas físicas em
grandezas elétricas as quais,
facilmente, se podem medir, amplificar, transmitir e
controlar. Para os sistemas de controle, o uso dos
transdutores permite dispor-se da informação numa forma
que os circuitos eletrônicos podem facilmente tratar.
1.2 - Definição de um transdutor
De uma forma genérica define-se transdutor, como
sendo todo o dispositivo que transforma
uma forma de energia em outra forma de energia. Numa
utilização especializada a noção de transdutor tem um
âmbito mais restrito.
Assim, no âmbito da instrumentação elétrica,
define-se transdutor, como sendo todo o
equipamento que converte qualquer grandeza física não
elétrica, como a temperatura, o
som, a luz, etc., num sinal elétrico.
O papel de um transdutor consiste em:
- Detectar a presença, a mudança, a amplitude ou a
frequência de uma medida
(grandeza submetida a medição).
- Providenciar na saída um sinal elétrico que,
quando convenientemente processado
e aplicado a um aparelho de medição, nos permite
quantificar a medida, ou
seja, o elemento medido. Esse elemento pode ser uma
ü
quantidade, uma propriedade
ou uma condição que o transdutor transforma num sinal
elétrico.
ü
1.3 - Classificação dos transdutores
Talvez o processo mais satisfatório de classificar
os transdutores seja com base no
ü
ü
principio elétrico do seu funcionamento. Podem, também,
classificar-se de acordo com a aplicação a que se destinam,
baseada na quantidade física, propriedade ou condição que é ü
ü
medida.
Pode, no entanto, ainda, classificar-se os
transdutores em dois tipos: passivos e ativos.
Os transdutores passivos precisam de uma fonte
de alimentação externa e o valor da sua saída é obtido com
base numa variação, como por exemplo, de uma resistência
ou de uma
capacidade.
Os transdutores ativos são auto-alimentados ( não
precisam de uma fonte de alimentação externa), geram uma
tensão, ou corrente, quando expostos a uma determinada
forma de energia, não elétrica.
Os transdutores são designados, as vezes, por
sensores.
1.4 - Seleção de um transdutor
Na escolha de um transdutor deve normalmente atender-se a
oito aspectos:
1- Gama de funcionamento (limites de utilização): O
transdutor deve ter uma boa resolução na gama pretendida.
2- Sensibilidade: O transdutor deve ser suficientemente
sensível para permitir uma saída razoavelmente detectável.
3- Resposta em Frequência: A resposta do transdutor deve
ser o mais plana possível na gama de frequências desejada.
4- Compatibilidade Ambiental: Deve-se ter a atenção a
gama de temperatura em que o transdutor vai funcionar, as
pressões, choques e interações a que vai estar sujeito as suas
dimensões e as restrições de montagem.
5-Sensibilidade mínima: deve ser pouco sensível a outros
estímulos que não sejam os da grandeza a medir
6- Exatidão: Deve ser sujeito a erros de repetibilidade e
calibração, bem como erros esperados devido à sua
sensibilidade a outros estímulos.
7- Características elétricas como, por exemplo:
Comprimento e tipo do cabo, relação entre o sinal e o ruído,
quando combinadas com a amplificação, e as limitações da
frequência de resposta.
8- Condições de aplicação e robustez (peso, dimensões,
robustez mecânica e elétrica).
1.5 - Alguns tipos de transdutores
Transdutores resistivos
Detecção de posição e deslocamento
Medição de deformação
Transdutores de medição de deslocamento
Transdutores de relutância
Transdutores potenciométricos
Transdutores com saída digital
Transdutores capacitivos
Transdutores indutivos
Transdutores auto-alimentados (taquímetro)
Transdutores passivos (LVDT)
Transdutores piezolétricos
Transdutores de medida de temperatura
Por variação de resistência (RTD)
ü
Termopares
Termistores
Ultrasonicos
Transdutores fotoelétricos
Fotoemissores
Fotocondutores
Fotodíodos
Fototransistores
condutividade no material. A relação (aproximada) entre a
resistência e a iluminação pode ser descrita pela seguinte
fórmula:
R =A .L-α
em que:
R é a resistência, em ohm
L é a iluminação, em lux
A e α constantes.
2.TRANSDUTORES FOTOELÉTRICOS.
Um transdutor deste tipo pode ser dividido em três
categorias: fotoemissivo, fotocondutivo ou fotovoltaico. No
fotoemissivo a radiação que incide no cátodo, origina a
emissão de elétrons da superfície do cátodo. As células
fotovoltaicas geram uma tensão de saída proporcional a
intensidade da radiação pode ser ultravioleta, infravermelha,
luz visível, raios gama ou raios X. Nos fotocondutivos,
acontece a variação da resistividade de um certo material
semicondutor depositado sobre SiO2 por incidência da luz.
Outros materiais típicos são lnSb( λ =7 µm) e CdS( λ = 0,7
µm).
3.O LDR
O LDR ( Light Dependent Resistor) constitue um
tipo de transdutor classificado como
transdutor fotoelétrico, mais concretamente do tipo
fotocondutor. Estes dispositivos são geralmente fabricados a
partir de sulfureto de cádmio, contendo zero ou muito
poucos elétrons livres, quando não sujeitos a radiação
luminosa.
Quando a luz incide sobre o LDR, os elétrons são
libertados, provocando um aumento de
O valor de α depende do tipo de sulfureto de
cádmio, usado no processo de fabrico. Valores entre 0,5 e
0,7 são típicos. Os materiais fotocondutivos, são
depositados num padrão de zigzag para obter a resistência
desejada e a potência necessária. Esse material separa duas
áreas revestidas a metal que funcionam como eletrodos.
Este conjunto está colocado numa base isoladora, uma
cerâmica por exemplo, que por sua vez é envolvido numa
caixa metálica com uma janela de vidro, para que a radiação
possa incidir no material (figura).
3. DETECTOR DE LUMINOSIDADE
Na figura é mostrado um circuito, baseado num LDR,
que acende um LED ( Light Emitting
Diode) na ausência de luz e apaga o mesmo LED na
presença de luz. Para o isso utilizaremos um transistor do
tipo NPN (BC548).
Para se entender a funcionalidade do circuito, observe-se o
esquema deste ilustrado na
figura seguinte.
-O circuito de base do transistor Q1 é constituído por um
divisor resistivo. Quando a tensão VB (VR2) for superior a
0,7 volt o transistor conduz e o LED apaga. Quando a
tensão VB for inferior a 0,7 volt o transistor não conduz e o
LED acende.
A expressão do divisor resistivo é a seguinte:
Vb = R2 / (R2 +RLDR ) . V(R2 +RLDR
)
-Na ausência de luz deve garantir-se que RLDR>> R2 , para
que a tensão UR2 seja pequena
(inferior a 0,7 V).
-Na presença de luz deve garantir-se que RLDR<< R2 , para
que a tensão UR2 seja próxima
da tensão de alimentação (superior a 0,7 V).
Assim, determina-se a relação entre as resistências R2 e
RLDR .
4. ACOPLADOR ÓPTICO COM LDR
É um sistema que permite a transmissão de sinais
elétricos através da luz (visível ou não), entre um circuito de
comando e um circuito comandado. Os dois circuitos estão
isolados galvanicamente, permitindo a existência de
diferenças de tensões extremamente altas entre eles. A
figura abaixo mostra um exemplo com um diodo emissor de
luz (LED) para radiar a luz modulada em intensidade no
circuito de comando e com uma LDR no circuito
comandado na recepção.
5.TRC'S
Uma das aplicações mais comuns dos TRC's é a
geração de imagens de televisão. Um TRC é basicamente
uma espécie de válvula eletrônica de grandes proporções,
como pode ser visto na figura 1, um TRC consiste de um
tubo de vidro, com um canhão de elétrons em uma das
extremidades, algumas bobinas e grades (para ajuste do
feixe de elétrons), e na extremidade oposta (à do canhão)
uma placa feita de material fotocondutor ou fotoemissor. O
uso de um ou outro material caracteriza o tipo de tecnologia
da vídeo câmera: Orticon que usa fotoemissão, Vidicon ou
Pumblicon que usam fotocondução. Utilizaremos aqui o
exemplo do tubo Vidicon para explicar o funcionamento
básico deste dispositivo.
Funcionamento: uma das faces da placa fotocondutora é
varrida pelo feixe eletrônico que divide a extensão da
mesma em 525 linhas horizontais, a outra face recebe os
raios de luz vindos do objeto cuja imagem será captada.
Como a placa é fotocondutora, as variações de incidência de
luz provocarão variações de resistência elétrica em toda a
extensão da mesma, formando um imagem "resistiva" do
objeto alvo. Por isso, a medida que o feixe de elétrons varre
a face da placa e para cada ponto encontrado sobre esta, é
estabelecida uma corrente elétrica (em direção à tensão
positiva) que varia em função da resistência elétrica do
ponto que sofre a ação do feixe naquele momento. Essas
correntes passam por um resistor de carga que gera uma
queda de tensão, que por sua vez constituirá o desejado
sinal de vídeo, ou seja o conjunto de sinais elétricos que
representarão a imagem do objeto Há circuitos adicionais ao
TRC que controlam a varredura do feixe de elétrons sobre a
placa alvo (figura), além disso, há outros circuitos que
geram um sinal elétrico linear acrescido de informações,
tais como sincronismo vertical e horizontal, os quais
permitirão a reconstrução bidimensional da imagem na tela
de um monitor.
Tubo de raios catódicos (TRC)
figura 2: detalhe de um TRC
figura 2.b: seqüência de varredura do feixe de elétrons
6. DISPOSITIVOS CCD
Funcionamento: As cameras que usam CCD não utilizam
feixes de elétrons, o CCD ou Charge Coupled Devices é
um dispositivo semicondutor capaz de converter sinais de
luz visível em sinais elétrico. A tecnologia CCD foi
desenvolvida em 1970 nos laboratorios Bell, ironicamente
essa tecnologia, de início foi aplicada para construção de
dispositivos de memória, porém a sua popularidade
cresceu mesmo quando notou-se a sua aplicabilidade
como elemento fotosenssível.
Os semicondutores, especialmente o Sílicio (o Si
será usado nessa discussão mas há também CCD's de
Germânio para aplicaçoes que envolvem captação de
raios infravermelhos), possuem seus elétrons segmentados
em diversas camadas as quais os físicos chamam de
bandas, para cada banda há elétrons que possuem uma
certa energia característica, a banda de energia mais baixa
é a chamada banda de valência enquanto a de energia
mais alta chama-se banda de condução. A maioria dos
elétrons são "tipos sossegados" e se encontram na banda
de valência, no entanto atráves da ação do calor ou da luz
(absorção de fótons), esses elétrons de baixa energia
podem ser excitados e saltarem para bandas de maior
energia, deixando lacunas na banda de valência, tais
lacunas passam a funcionar praticamente como cargas
positivas devido ao efeito da falta do respecitivo elétron
que saltou.
O fenômeno ideal (desejado) é o salto para a
banda de condução, aquela de maior energia, para tanto é
necessário um ganho de pelo menos 1,1 e V, uma absorção
de energia entre esse valor e 5 eV gera o salto de um
elétron para a banda de condução e o surgimento de uma
lacuna na banda de valência, com energia maior que 5 e V
há o surgimento de múltiplos pares elétron/lacuna
(elétrons excitados decaem à banda de valência após
algum tempo, neutralizando as lacunas, no CCD isso é
evitado com o uso de um campo elétrico) esse processo
torna-se cada vez mais intenso até os 10 keV (1000 eV)
de energia, quando o Si praticamente não sofre mais
interação com os fótons de luz, devido ao curto
comprimento de onda da luz nessa faixa de energia.
Há esta concentração de elétrons (tensão elétrica)
que varia de acordo com a absorção de fótons da luz
oriunda de uma imagem constituindo uma representação
discreta de uma informação visual.
O CCD é uma pastilha de Si organizada como
uma matriz de pequenas regiões chamadas fotossítios,
cada um deles é capaz de manifestar o fenômeno acima
descrito, ou seja, representar uma parte da imagem através
de um nível discreto de tensão armazenado, e o seu
número determina a resolução da imagem, na figura 3, a
matriz corresponde ao centro da imagem (parte que
apresenta nuances coloridas).
Um CCD encapsulado
Digitalização: A matriz de fotossíitios fornecem uma
amostragem discretizada da imagem, que deve ser
digitalizada por dispositivo específico para isso, que
reside dentro da própia câmera digital.
BIBLIOGRAFIA:
[1] Transdutores.doc – Autor desconhecido
[2] Fotocondutores.pdf – Prof. Orlando
Belloto/UNICAMP
[3] Circuitos fotoelétricos.pdf – Prof. Gilberto Haus