Lab 2 - fotosensores

Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade
de Coimbra
Biosensores e Sinais Biomédicos
2009/2010
TP3: ESTUDO E APLICAÇÃO DE FOTOSENSORES
Objectivo
Determinação da resposta de uma fotoresistência em função da iluminância (produzida
por um LED percorrido por uma corrente variável). Utilização de um fotodíodo para
medição do número de rotações por minuto (rpm), de um motor eléctrico.
Material
1 LED verde com uma iluminância de 250 milicandelas (mcd) para 20 mA.
1 fotoresistência
1 Fotodíodo
1 multímetro digital
1 fonte de alimentação DC variável, para alimentação do LED.
1 ventoinha eléctrica
Introdução
Os princípios gerais da fotocondutividade encontram aplicação em dois tipos principais
de elementos: as fotoresistências e os elementos fotosensíveis de junção. Esta última
categoria divide-se ainda, fundamentalmente, em fotodíodos e fototransístores.
Se aplicarmos uma diferença de potencial aos terminais de um desses elementos, e se
sobre ele não incidir qualquer luz, então a corrente que circula no elemento é designada
por corrente de obscuridade (ou corrente escura). Esta corrente depende da resistividade
e das dimensões da fotoresistência ou, no caso dos elementos fotosensíveis de junção,
das características da própria junção de semicondutor e, nomeadamente, da corrente
inversa de saturação. A partir do momento em que se ilumina o dispositivo, a corrente
aumenta de acordo com uma lei que depende do elemento em causa. Esta corrente é
normalmente designada por corrente fotoeléctrica.
A sensibilidade de um elemento é determinada pela variação da corrente fotoeléctrica
em função da iluminância que a origina; utilizando unidades do S.I., é expressa A/lux
(Ampére por Lux). Um elemento fotosensível é também caracterizado pela sua resposta
espectral, isto é, pela relação entre a sensibilidade e o comprimento de onda da luz
incidente.
FOTORESISTÊNCIA
O primeiro elemento fotoresistente conhecido e utilizado na indústria foi o selénio.
Presentemente as células fotoresistentes (também conhecidas por LDR – Light
Dependent Resistors) são construídas em sulfureto ou seleniato de cádmio. No entanto,
os defeitos apresentados pelo sulfureto de cádmio cristalizado dão origem a chapas
semicondutoras de baixa sensibilidade e com largura de banda espectral estreita. Por
esse motivo, as células são dopadas com átomos de impurezas que funcionam como
activadores, tais como o cobre, a prata ou o mercúrio. Estes activadores aumentam a
sensibilidade e a largura de banda espectral. Facilitam ainda a circulação dos electrões
livres, reduzindo assim a resistividade do cristal. A natureza e concentração dos
activadores modifica a resposta espectral do elemento fotoresistente.
As fotoresistências são constituídas por uma placa de vidro ou cerâmica, que pode
suportar uma temperatura de 750 ºC. É vaporizada sobre esta placa uma camada de 20
mm de sulfureto de cádmio de alta pureza. Seguidamente, difundem-se por vaporização
no vazio as impurezas escolhidas como activadores. Também por vaporização,
depositam-se nos terminais metais preciosos como o ouro, a prata ou o índio. Para que a
resistência de obscuridade seja o mais elevada possível, é necessário retirar toda a
humidade, o que é conseguido com camadas de verniz transparente, ou recobrindo a
célula com resina epoxy.
A Fig. 1 apresenta um plano de corte de uma fotoresistência, enquanto que a Fig. 2
representa um gráfico típico da resistência em função da iluminância (lux = lm/m2).
Este não é o gráfico da fotoresistência usada neste trabalho e, por isso, os valores
indicados não são relevantes para o trabalho; trata-se apenas de um exemplo.
A relação entre resistência, R, e iluminância, Il (densidade superficial de potência
recebida), não é linear podendo ser aproximada ao modelo simples dado por:
R = AIl −α
sendo A e α constantes característica da célula, cujo valor depende das suas dimensões
geométricas, das propriedades fotocondutoras do material que a constitui e dos
parâmetros de fabrico.
FOTODÍODO
Trata-se de uma simples junção pn (díodo) em que a corrente de deriva inversa é
fortemente dependente da incidência de luz (como se vê na característica CorrenteTensão abaixo). Há dois circuitos básicos: montagem fotovoltaica e montagem
fotocondutiva que diferem apenas no facto de, nesta última, o díodo ser polarizado
inversamente. Vamos usar a montagem fotocondutiva representada na figura abaixo.
Estes circuitos básicos podem, com alguma vantagem, ser implementados com a
ajuda de amplificadores operacionais [1].
Montagem fotovoltaica
Montagem fotocondutiva
CÉLULA FOTOVOLTAICA
A célula fotovoltaica ou célula solar como vulgarmente é conhecida, não é mais do que
um díodo semicondutor capaz de produzir uma corrente através de uma carga que a ele
se encontre ligada, quando sobre a célula é feita incidir luz. O material semicondutor
que serve de base à construção das células fotovoltaicas comuns é o silício (Si) ou o
selénio (Se). Assim, uma célula fotovoltaica é composta fina camada de material
semicondutor tipo n (ex: silício dopado com fósforo), sobre uma camada semicondutora
tipo p (ex: silício dopado com boro), cada uma das quais ligada a um terminal de
contacto do dispositivo. A camada tipo n encontra-se exposta à luz através de um vidro.
Devido à fina da espessura da camada semicondutora tipo n, a grande maioria dos
fotões atravessa-a sendo apenas absorvidos na camada tipo p com geração de pares
electrões-lacuna. Estes electrões (portadores minoritários na camada tipo p) são
rapidamente acelerados pela barreira de potencial do díodo no sentido da camada tipo n,
dando-se portanto uma acumulação de cargas negativas nessa zona. Se o circuito for
fechado através de uma carga assistiremos então através do circuito exterior, a uma
corrente de electrões da camada tipo n (onde estes existem em excesso) para a camada
tipo p (onde existe falta de electrões).
FOTOTRANSÍSTOR
O fototransístor é um dos elementos fotosensíveis de junção. O
seu comportamento assemelha-se a um transístor de junção
convencional (BJT), em que a corrente de colector pode ser
controlada pela iluminância (que, por assim dizer, substitui a
corrente de base, como acontece nos BJT).
Fotodíodo
IPL10020BW 0.66mm2
Preparação do Trabalho
I.
Determinação da curva de resposta de uma fotoresistência
a) Observe a montagem do LED e fotoresistência no interior do tubo opaco
disponível para a elaboração deste trabalho. Faça um esquema ilustrativo desta
montagem incluindo os circuitos eléctricos.
b) Efectue as ligações do dispositivo que tem disponível
I
na sua bancada, para dar início às medições.
c) O LED tem uma resposta I(V) típica de um díodo,
com um comportamento que pode ser representado
de forma simplificada pela função representada na
figura. Determine VD, tensão de condução directa,
aumentado o valor da tensão aplicada ao circuito do
VD
LED até verificar uma variação no valor da
fotoresistência.
d) Efectue as leituras dos valores da fotoresistência para diferentes valores da
corrente que percorre o LED. Para tal faça variar os valores da tensão aplicada
ao circuito do LED em intervalos de 3 V desde 0 a 24 V.
e) Meça o valor da resistência em série com o LED.
f) Elabore um gráfico dos valores da fotoresistência em função da corrente que
percorre o LED.
g) Identifique a função de resposta e caracterize-a através da determinação dos
respectivos parâmetros. Indique o erro associado a cada um destes parâmetros.
V
II.
Determinação da velocidade de um motor eléctrico usando um fotosensor
a) Observe a montagem que se encontra disponível para proceder a esta medição.
Faça um esquema do circuito usado identificando o material utilizado e,
nomeadamente, o tipo de fotosensor.
b) Observe a curva no osciloscópio e deduza o algoritmo que lhe permita calcular a
velocidade do motor em termos de rpm.
c) Faça uma estimativa dos erros associados.
Referências
[1] http://home.sandiego.edu/~ekim/photodiode/pdtech.html#Construction (28/11/2008)