Introdução teórica Aula 11: Fotossensor

EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 11 EEL/CTC/UFSC Introdução teórica Aula 11: Fotossensor Um sensor fotoelétrico ou fotocélula é um dispositivo electrônico que responde à alteração da intensidade da luz. Eles são projetados especialmente para a detecção, classificação e posicionamento de objetos; detecção de formas, cores e diferenças de superfície, mesmo em condições ambientais extremas. Sensores de luz são utilizados para detectar o nível de luz e produzem um sinal de saída representativo da quantidade de luz detectada. O sensor de luz mais comum é o Resistor Dependente de Luz (Light Dependent Resistor LDR). O símbolo do LDR e o dispositivo em si são mostrados na figura 1. O LDR é basicamente um resistor que muda sua resistência quando submetido à mudanças de intensidade de luz. A resistência elétrica de um LDR é baixa quando há luz emitida sobre ele (pode cair para 50 ohms) e muito alta quando está escuro (vários megaohms). Figura 1: Símbolo e dispositivo LDR. O seu funcionamento baseia-­‐se no efeito fotoelétrico. O fotoresistor é feito de um semicondutor de alta resistência como sulfeto de cádmio, CdS. Se a luz que incide sobre o dispositivo é de alta intensidade, os fótons são absorvidos liberando elétrons de energia suficiente para saltar para a banda de condução. O elétron livre resultante é eletricamente condutor, diminuindo assim a resistência. Nas células de sulfureto de cádmio quanto maior a luz que incide menor resistência. As células são também capazes de reagir com uma vasta gama de frequências , incluindo infravermelho (IR) , luz visível e ultravioleta (UV). A resposta do LDR é relativamente lenta quando submetido a variações bruscas de luminosidade. Isto impede a utilização do LDR em aplicações onde o sinal de luz varia rapidamente. O tempo de resposta típico de um LDR é da ordem de um décimo de segundo. Este atraso pode ser uma vantagem em algumas aplicações, uma vez que as variações rápidas podem fazer com que o sensor de iluminação seja instável (por exemplo uma lâmpada fluorescente alimentada em AC) . Em outras aplicações (detecção dia/noite) a lentidão da detecção não é importante. Eles são fabricados em vários tipos e podem ser encontrado em muitos produtos de consumo, tais como câmeras, medidores de luz, relógio, alarme ou sistemas de segurança. LDR
1/6 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 11 EEL/CTC/UFSC Roteiro de Laboratório Aula 11: Fotossensor Lista de material •
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Osciloscópio Resistores R1 = 10kΩ, R2 = 100Ω e potenciômetro Rp = 1kΩ Lâmpada de 12V LDR Roteiro da experiência 1) Monte o circuito abaixo. +15V
LDR
LED
a) Obstrua gradativamente a iluminação no LDR e observe a luminosidade no LED. b) Baseado nas suas observações, explique o que acontece (em termos de corrente e resistência). A resistência do LDR aumenta ou diminui com a intensidade da luz? 2) Monte o circuito abaixo, posicionando a lâmpada bem próxima ao LDR. A tensão VR1 sobre o resistor R1 deve ser mostrada no CH1 do osciloscópio, como indicado abaixo. Deixe a lâmpada inicialmente desligada. +15V
+15V
LDR
CH1
Rp
R1
R2
a) Varie a iluminação no LDR (encobrindo-­‐o com a mão) e observe a variação da tensão no CH1 do osciloscópio. Utilize acoplamento CC e uma escala de tensão adequada (ex: 5V/DIV). Observe que esta tensão é contínua, pois a fonte de tensão utilizada é contínua. Assim, o valor desta tensão pode ser obtido no osciloscópio utilizando a medida de valor médio (ou simplesmente olhando na tela). Perceba também que esta tensão é proporcional à corrente no LDR, pois ILDR = VR1 / R1 (Lei de Ohm). b) Meça as tensões sobre o resistor R1 para várias condições de iluminação e preencha a tabela 1 (obs: não é necessário utilizar o multímetro, apenas o osciloscópio). Note que a corrente pode ser determinada indiretamente, pois R1 é um resistor conhecido. A resistência do LDR também pode ser obtida indiretamente através da expressão: 2/6 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 11 R !"# =
EEL/CTC/UFSC V! − V!!
I!"#
= R!
V!
− 1 V!!
3) Considere ainda o mesmo circuito da questão anterior, mas deixe a lâmpada de 12V desligada. Observe que, nestas condições de iluminação (i.e., iluminação normal da sala, mas lâmpada de 12V desligada), a tensão no CH1 apresenta uma pequena oscilação periódica. Para visualizá-­‐la, utilize acoplamento CA e ajuste adequadamente as escalas de tensão e de tempo. a) Determine a amplitude e a frequência dessa oscilação. b) Por que ocorre a oscilação? Explique. c) Considerando a sua explicação acima, por que a frequência de oscilação tem o dobro do valor que normalmente seria esperado? Ilustre sua explicação através de desenhos (curvas). d) [OPCIONAL] Ilumine o LDR através da lâmpada de 12V ou de um LED, alimentados pela tensão de saída do transformador, e observe as diferenças. 3/6 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 11 EEL/CTC/UFSC 4/6 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 11 EEL/CTC/UFSC Aluno(a): ______________________________________________________. Turma: ______________________ Matrícula: _______________________ Data: _____/_____/__________ Nota: ________________________ Questão 1.b)
Tabela 1
Condições VR1 ILDR RLDR Lâmpada acesa no máximo Lâmpada parcialmente acesa Sem lâmpada, iluminação normal LDR levemente obstruído LDR fortemente obstruído Sem iluminação Questão 3.a)
Amplitude = __________________ Frequência = __________________ Questão 3.b)
Questão 3.c)
5/6 EEL7011 – Eletricidade Básica – Aula 11 EEL/CTC/UFSC Opcional: Questão 3.d)
Questão de preparação
Um transdutor é um dispositivo que converte um tipo de energia em outro. Liste todos os tipos de transdutores que você conhece (no mínimo 10) e descreva ao menos 3 aplicações que você acha mais interessantes. 6/6