EAPS

Electrónica da Aquisição e Processamento de Sinais

TRABALHO DE LABORATÓRIO

SENSORES OPTOELECTRÓNICOS

por

Prof. Moisés Piedade

Engª Teresa Almeida

Electrónica

I.S.T. - 1992

Revisto em 2010

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SENSORES OPTOELECTRÓNICOS

I - INTRODUÇÃO AOS SENSORES DE RADIAÇÃO

1.1 - Sensores térmicos

1.2 - Sensores quânticos

1.3 - Fotoresistências 1.3.1 - Resistência eléctrica de um fotocondutor 1.3.2 - Resposta espectral da fotoresistência 1.3.3 - Resposta no tempo e na frequência da fotoresistência

1.4 - Fotodíodo e fototransístor

II - PARTE LABORATORIAL

2.1 - Fotoresistência (LDR)

2.1.1 - Determinação da característica da LDR 2.1.2 - Acoplador óptico com LDR 2.1.3 - Característica de transferência do acoplador óptico 2.1.4 - Resposta no tempo da LDR 2.1.5 - Resposta em frequência da LDR 2.1.6 - Controlo automático de ganho com acoplamento óptico

2.2 - Fotodíodo ou célula fotovoltaica

2.2.1 - Determinação da característica do fotodíodo 2.2.2 - Acoplador óptico com fotodíodo 2.2.3 - Acoplador óptico com fototransístor

III - ANEXOS

3.1 - Grandezas ópticas

3.2 - Resposta de um fotocondutor à iluminação

3.3 - Bibliografia

3.4 - Lista de material e equipamento

3.5 - Folhas de registo de resultados

3.6 - Características de componentes

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I - INTRODUÇÃO AOS SENSORES DE RADIAÇÃO

Os detectores ópticos ou sensores optoelectrónicos são dispositivos electrónicos capazes de converter a energia da radiação que neles incide, em electrões libertados (efeito fotoeléctrico), o que permite originar sinais eléctricos (tensões, correntes ou variações de condutibilidade eléctrica) susceptíveis de serem utilizados em várias aplicações, nomeadamente, a medição de intensidade de fontes luminosas (fotometria), determinação de variações de intensidade de luz (câmaras de emissão de televisão), detecção de alteração de intensidade de um feixe luminoso (contagem de objectos, abertura automática de portas, sistemas de alarme, etc.).

A energia associada aos fotões da radiação incidente é: E= hν =hc/λ em que h = 6,63x10-34 Ws2 é a constante de Planck, µ a frequência da radiação incidente, c a velocidade de propagação e λ o comprimento de onda.

A banda de frequências da radiação a que o sensor óptico é sensível depende da energia dos fotões e do material usado como detector. Para radiações de alta frequência, os fotões podem ter energia de tal modo elevada que geram um grande número de electrões à superfície, levando a que a taxa de recombinação electrão lacuna seja tão elevada nesta superfície, que não se verifica a penetração da radiação no material. Por outro lado, a frequência da radiação pode ser de tal forma baixa que os fotões são absorvidos pelo material do detector, não sendo no entanto a sua energia suficientemente elevada para libertar electrões.

Segundo o princípio de funcionamento em que se baseiam para absorver a energia da radiação incidente, os detectores ópticos podem classificar-se em: sensores térmicos e quânticos.

1.1 - SENSORES TÉRMICOS

Os sensores térmicos baseiam-se no incremento da temperatura, provocado pela absorção de radiação incidente.

O incremento de temperatura traduz-se numa alteração das propriedades eléctricas do material, por exemplo, alteração da condutibilidade eléctrica usando uma termistência.

A fim de aumentar a eficiência da detecção de radiação incidente, este tipo de sensores é usualmente coberto por um material cujas características de absorção de energia o aproximam do corpo negro (absorção ideal).

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Os sensores térmicos são geralmente lentos a responder às variações da intensidade da radiação incidente, pois o aumento de temperatura provocado pela radiação sofre um regime transitório. Este regime depende da capacidade calorífica do material do sensor (cal/°C), da sua condutibilidade térmica (provoca um atraso da propagação do calor ao corpo do sensor) e da sua resistência térmica (°C/w) (exprime a capacidade de dissipação ou perda de temperatura do sensor para o meio ambiente).

Os detectores térmicos mais importantes são: a termistência, o par termoeléctrico e o detector piroeléctrico. Os princípios de funcionamento destes detectores são descritos, sumariamente, de seguida.

UTermistências

As termistências são resistências cujo valor depende da temperatura. Os materiais utilizados para realizar termistências são os metais e os materiais semicondutores (cristalinos ou amorfos), pois a sua condutividade eléctrica depende da temperatura.

As termistências mais sensíveis são as baseadas em cerâmicas semicondutoras constituídas por óxidos de vários metais ([1] capítulo de sensores térmicos).

UTermopares

Os pares termoeléctricos são constituídos por duas junções de materiais diferentes. Se as duas junções estiverem a temperaturas diferentes, pelo efeito de Seebeck, gera-se uma força electromotriz (f.e.m.) [1] entre elas.

Para originar a diferença de temperatura entre as junções, uma delas é exposta e a outra é protegida da radiação incidente. Associando vários termopares em série obtém-se uma termo pilha, mas mesmo assim, a f.e.m. gerada nunca é muito elevada.

UDetectores piroeléctricos

São baseados na utilização de materiais isolantes ferroeléctricos, isto é, em materiais que exibem uma polarização eléctrica espontânea. Se a polarização eléctrica for sensível à temperatura obtemos um detector piroeléctrico, que não é mais do que um condensador capaz de gerar uma diferença de potencial entre os seus terminais, sem qualquer polarização externa. A tensão gerada é proporcional à taxa de variação da temperatura do dieléctrico (material ferroeléctrico), [1].

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1.2 - SENSORES QUÂNTICOS

São baseados em certos materiais semicondutores caracterizados por possuírem uma banda de valência com energia (Ev) próxima da banda de condução (Ec).

Os electrões dos átomos com energia na banda de valência podem tornar-se em electrões livres (passando para a banda de condução) através da absorção de energia, E=hν, de fotões incidentes, tornando assim o material isolante em condutor. Para isto acontecer é necessário que a energia dos fotões, hν, seja superior á diferença de energias Eg=Ec-Eν, designada por altura da banda proibida ("bandgap") [2].

Na tabela 1 (Tab. 1) representam-se as alturas das bandas proibidas em electrão Volt (eV; 1eV=1,602x10-19J) de alguns semicondutores vulgarmente usados em sensores ópticos, e os respectivos comprimentos de onda máximos, ou comprimentos de onda de corte (em micro metros), da radiação incidente que tem energia igual à altura da banda proibida. Material Eg(eV) λ (µm) S Cds 2,40 0,52 Si 1,12 1,10 Ge 0,67 1,85 As In 0,35 3,54 Se Pb 0,27 4,58

Tab. 1 - Altura da banda proibida e λmax da radiação para vários semicondutores.

As radiações com frequência extremamente elevada (pequeno comprimento de onda) não são absorvidas por estes materiais e, na prática, o funcionamento dos sensores quânticos fica limitado a uma pequena banda de comprimentos de onda entre 0,39μm e 4μm, isto é, quase no domínio da radiação visível (0,39μm a 0,77μm) e na região do infravermelho próximo (0,72μm≤λ≤1,6μm). Este funcionamento em banda estreita é característico dos sensores quânticos, contrariamente ao que se passa com os sensores térmicos que funcionam em banda extremamente larga.

Os sensores quânticos mais usados funcionam com diferentes estruturas físicas, que originam os seguintes efeitos ou princípios de funcionamento: fotocondutor, fotovoltaico e fotoemissivo, que de seguida se descrevem sumariamente.

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UFotocondutor U - a condutividade eléctrica do material semicondutor é alterada pela absorção dos fotões incidentes.

UFotovoltaicoU - os fotões são absorvidos numa junção pn, que produz novos pares electrão lacuna, que alteram a altura da barreira de potencial da junção. Assim, a junção gera uma tensão eléctrica aos seus terminais que depende da intensidade da radiação incidente. Este efeito não necessita de uma fonte de energia externa (fonte de tensão ou corrente) e a junção funciona como conversor de energia da radiação incidente em energia eléctrica.

UFotoemissivoU - este efeito manifesta-se em alguns materiais semicondutores em que a energia de extracção (energia necessária para arrancar electrões para o exterior do material) é tão baixa que os fotões arrancam electrões do material. Estes electrões, no caso de serem gerados no vácuo, podem ser captados por um potencial eléctrico auxiliar, permitindo assim a medição da intensidade da radiação incidente. Este fenómeno manifesta-se nas células fotoeléctricas de vácuo que antigamente eram a única alternativa existente de sensor fotoeléctrico. Na figura pode ver-se uma célula fotoeléctrica de vácuo recente.

1.3 - FOTORESISTÊNCIAS

As foto resistências, (LDR "Light Dependent Resistors"), são resistências eléctricas cujo valor ohmico depende da intensidade luminosa que nelas incide. As fotoresistências são feitas com materiais como o sulfureto de cádmio, que é um material fotocondutor. Os materiais fotocondutores quando mantidos na escuridão absoluta contêm poucos ou nenhuns electrões livres, (a sua resistência é bastante elevada). Ao serem iluminados, existe absorção de luz, os electrões libertam-se dos átomos e o material torna-se mais condutor. Os electrões permanecem livres apenas por um curto período de tempo (tempo de vida médio, τ). Quando se interrompe a incidência da luz sobre os fotocondutores, os electrões libertados são novamente capturados pelos átomos que ficaram positivos (recombinação), retomando assim o material a sua característica de não condutor. Na secção seguinte faz-se uma análise simplificada do comportamento de um fotocondutor. No anexo 3.2 faz-se um estudo mais detalhado do comportamento estático e dinâmico do fotocondutor.

1.3.1 - Resistência eléctrica de um fotocondutor

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Considere-se uma célula LDR constituída por uma barra de material fotocondutor com dois eléctrodos metálicos (fig. 1-a)). A distância entre os eléctrodos é UdU e a largura da barra é U1U.

Quando a barra é exposta a uma radiação óptica com potência Po, o número de fotões que incidem por unidade de tempo sobre a superfície da barra é Po/hν.

A iluminação, L, da radiação (ver apêndice sobre significado de algumas medidas da radiação), representa o número de fotões que incidem por unidade de tempo e por unidade de área (ld) na superfície da barra:

L=(Po/hν)/ld

O número de electrões gerado por unidade de tempo é N=ηL.ld em que η é o rendimento quântico do material, isto é, o número de electrões gerados por cada fotão absorvido pelo material.

a) b) c)

Fig. 1 - Fotoresistência.

Quando uma tensão UVU é aplicada aos eléctrodos, os electrões movem-se com uma velocidade UvU que é proporcional ao valor do campo eléctrico UE U: v=μE=μV/d, em que UμU é a mobilidade dos electrões no material.

Os electrões têm um tempo médio de vida, Uτ U, que, conjuntamente com a sua velocidade de deriva e a distância entre eléctrodos, define a fracção (vτ/d) de electrões que contribui para a intensidade da corrente externa Ui U: i=Nqvτ/d=ημτ qlLV/d.

Assim, a resistência URU, sendo função da iluminação, é dada por: R=V/i=d/ηqμτlL.

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O tempo de vida médio dos electrões depende do comprimento de onda da luz, λ, e da iluminação, L, isto é: τ=τo (λ)L-β.

A relação entre os valores da resistência e da iluminação pode, finalmente, ser expressa por:

R=AL-α com A=d/ηqμτo1

A fotoresistência, LDR, é tanto mais sensível quanto menor for o valor da constante A. A diminuição do seu valor é possível escolhendo um material com os valores de η, μ e τo elevados (como o sulfureto de cádmio) e fazendo com que o valor do quociente l/d seja o mais elevado possível (utiliza-se a forma de uma tira comprida e estreita com a configuração de um pente - figura 1-b).

Na fig. 1-c) representa-se o símbolo eléctrico correntemente usado para representar uma fotoresistência.

a) b)

Fig. 2 - Características de uma LDR.

O valor de α na expressão R=AL-α, depende do material utilizado e, tipicamente, encontra-se no intervalo entre 0,7 e 0,9. Na figura 2 a) encontra-se representada graficamente, a relação entre a resistência de uma LDR expressa em Ω e a iluminação expressa em UluxU (ver anexo 3.1).

Como se sabe, a temperatura pode, em certos materiais, provocar a libertação de electrões; isto também acontece com os materiais fotocondutores. Assim, a resistência apresentada pela LDR na ausência de luz, não é infinita à temperatura ambiente, e diminui com o aumento desta. No entanto, o coeficiente de temperatura é reduzido e pode ser desprezado nas condições de iluminação e temperatura normais, sendo no entanto importante quando a iluminação é reduzida.

1.3.2 - Resposta espectral da fotoresistência

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A resposta espectral da fotoresistência (figura 2 b)) apresenta um máximo para

um comprimento de onda de cerca de 5500AA.

E A, decrescendo até ao comprimento de onda de corte, λc, na faixa dos infra-vermelhos, onde se deixa de manifestar o efeito fotoeléctrico, dado que os fotões da radiação incidente não transportam uma energia suficiente para libertar os electrões do material fotocondutor, λ>λc=hc/Eg.

1.3.3 - Resposta no tempo e na frequência da fotoresistência

A diminuição do valor da resistência, resultante de um aumento de iluminação evolui muito mais rapidamente que o processo inverso, (aumento do valor da resistência, como resultado de uma diminuição de iluminação), tipicamente ao ritmo de 10 MΩ/s. Quer isto dizer que o ritmo de geração de electrões livres por acção da luz é muito superior ao ritmo a que se dá a recombinação electrão - lacuna, isto é, a captura dos electrões livres pelos núcleos positivos dos átomos a que foram arrancados electrões da banda de valência.

Na prática interessa conhecer o comportamento da fotoresistência do ponto de vista da resposta à radiação incidente modulada em amplitude, isto é a uma fonte cuja potência óptica, Po, pode ser alterada por uma função f(t) e obter-se P=Po.[1+m.f(t)] em que m é o índice de modulação e f(t) é a função moduladora.

Se o sinal modulador for sinusoidal, do tipo f(t)=ejwt, a potência média do sinal modulado será: <P>=mPo/A 2 E Apelo que a resistência da fotoresistência será:

R(ω)=Ro . f(ω)

em que Ro é a resistência devida à radiação contínua de potência Po e f(ω) é tipicamente da forma f(ω)≈(1+ω2τ2) em que τ é o tempo de vida médio dos electrões gerados no fotocondutor.

Se a função moduladora for uma onda quadrada, observa-se que o valor da fotoresistência não aumenta instantaneamente, quando de uma situação normal (com iluminação) se passa à situação de total ausência de iluminação. A taxa de recuperação ("recovery rate") é definida como o aumento máximo do valor de resistência por unidade de tempo, expressa em kΩ/s (tipicamente 200 kΩ/s).

1.4 - FOTODÍODO E FOTOTRANSISTOR

Os fotodíodos e fototransístores baseiam-se no efeito fotovoltaico que se processa numa junção semicondutora.

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O número de fotões que incidem por segundo na junção semicondutora é dado pela potência óptica, Po, dividida pela energia de cada fotão, hν. O número de electrões gerados por segundo é igual ao número destes fotões multiplicado pelo rendimento quântico, η, do material semicondutor, pelo que a intensidade da corrente gerada, IP, é:

Ip = η q Po/hν

Na prática verifica-se que esta lei de variação tem rigor numa ampla gama de variação de potência óptica (fig. 4-a)).

Como os electrões são gerados na junção semiconductora, estão sujeitos à barreira de potencial existente e à relação corrente-tensão da junção

semiconductora: iD = IS (e A

vDVT

E A- 1).

Polarizando a junção com uma fonte de tensão vB e RB (fig. 4-b),

a) b) c)

Fig. 4 Junção fotovoltaica polarizada por vB e RB.

obtém-se:

I = IS (e A

vDVT

E

A- 1) - Ip = A

vB-vDRB

E

Com vB=0 a junção funciona como célula fotovoltaica, gerando energia sem qualquer fonte externa aplicada. A corrente máxima que se pode obter é a corrente de curto circuito, ICC, quando RB=0. A tensão máxima em vazio, vDV, obtém-se quando RB=∞. Nestas duas situações a potência fornecida ao exterior

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é nula. Todavia existe uma resistência de carga óptima, vm/im, que maximiza a potência fornecida ao exterior, ou seja maximiza a área do rectângulo a tracejado na Fig. 4-c). A potência que se pode utilizar é tipicamente cerca de 80% do produto ICCVDv.

No ponto que maximiza a potência:

Pm = vm.im

im= A

vTRm

E A- (IS+Ip)

im(vT+vm) = - vm(IS +Ip)

vm = vT ln A

⎝⎜⎛

⎠⎟⎞1+

IP+imIS E

em que Rm é a resistência de carga óptima que permite maximizar a potência.

Em vazio tem-se: vDv = vT lnA

⎝⎜⎛

⎠⎟⎞1+

IpIS E A.

Em curto-circuito tem-se: ICC= - Ip.

Tendo em conta que IS<<Ip, obtém-se:

im = A

vTRm

E A+ ICC, o que se pode medir facilmente.

A junção fotovoltaica pode funcionar como célula solar e aproveitar energia da potência óptica solar, Po, de cerca de 800 W/m2 que atinge a superfície terrestre. No presente trabalho a junção semicondutora é utilizada como sensor de luz, devendo ser excitada de modo a aproveitar toda a corrente ip, pois esta é directamente proporcional à luz incidente distinguindo-se as situações de curto-circuito e de polarização inversa.

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Fig. 5 - Fotodíodo como sensor de luz

FOTODÍODO EM CURTO CIRCUITO

O curto-circuito pode ser a massa virtual de um amp. op. ou de um circuito transistorizado com baixa impedância de entrada pois estes circuitos funcionam como conversores de corrente de tensão (fig. 5-a)).

FOTODÍODO INVERSAMENTE POLARIZADO

Com VB << -VT, iD= - IS ≈ 0, I≈ip.

A conversão da corrente ip em tensão faz-se directamente sobre a resistência RB, obtendo-se vO=RBip (fig. 5-b)).

A principal vantagem desta montagem reside no facto da capacidade de depleção da junção CJ(v)=CJ(0)Jo/(1 - v/ø)1/2 poder tornar-se muito pequena tornando o circuito muito rápido.

FOTOTRANSISTOR

O fototransístor bipolar é um transístor bipolar em que a junção colector-base é submetida ao efeito fotovoltaico. Na fig. 6-a) pode ver-se a estrutura de um transístor NPN, onde se evidencia a base muito fina espalhada sobre o colector. Os fotões atravessam a base e atingem a junção colector base onde desenvolvem, pelo efeito fotovoltaico, uma corrente de electrões.

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a) b) c)

Fig. 6 - Fototransistor

A junção base-emissor é normalmente muito pequena a fim de que a junção colector-base seja grande. Na fig. 6-b) representa-se a junção PN (colector-base) onde se dá o efeito fotovoltaico e indica-se a capacidade CJ, normalmente pequena devido à usual polarização inversa da junção colector-base. Na fig. 6-c) representa-se o símbolo eléctrico do fototransístor.

O fototransistor pode usar-se sem polarização externa da base (iB na fig. 6-c)) e com polarização inversa da junção colector base, obtendo-se:

IC = ip + ßFip + ßFIB = (ßF + 1) ip + ßFIB

em que ßF é o ganho de corrente do transístor.

Analisando a eficiência e tendo como ponto de comparação o fotodíodo colector-base, verifica-se que a eficiência do fototransístor é (ßF + 1) vezes maior.

Todavia o efeito de Miller resultante do elevado ganho, ∆vCE/∆vBE, usado nos circuitos com transístores, e da capacidade CJ, reduz a largura de banda disponível, sendo usual terem-se tempos de resposta de 10 ns para fotodíodos normais e 5 µs para fototransístores.

II - PARTE LABORATORIAL

Realize todas as experiências a seguir indicadas, registando todos os resultados nas folhas de resultados anexas no final deste guia. Comente os resultados obtidos e, sempre que necessário preveja teoricamente os valores experimentais a medir.

2.1. FOTORESISTÊNCIA (LDR)

2.1.1. Determinação da característica da LDR

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A característica resistência - iluminação, R(L), de uma fotoresistência, pode obter-se a partir da medição da sua resistência eléctrica em função da luz incidente. A fim de simular, de forma aproximadamente linear, a variação da iluminação, considere a luz ambiente atenuada por várias folhas de papel translúcido, colocadas debaixo de uma lâmina de vidro sobre o topo aberto de um cilindro protector da fotoresistência, (fig. L1-a)).

Na prática verifica-se que a potência de luz incidente não varia de forma linear em função do número de folhas de papel translúcido colocadas entre a fonte luminosa e o sensor óptico.

De facto, devido às camadas de ar existentes entre folhas consecutivas, verificam-se fenómenos de reflexão e refracção da luz que não permitem que a variação pretendida seja tão próxima de uma variação do tipo linear, como seria de desejar (fig. L1-b)).

Torna-se então necessário considerar um factor de correcção ao número de folhas, ou seja, em vez de se representar a resistência da LDR em função do número de folhas de papel, representa-se em função da potência normalizada (fig. L1-c)), da luz incidente.

A fim de estabilizar as variações de iluminação, coloque o cilindro com a fotoresistência sob uma fonte de iluminação dominante (candeeiro de mesa).

Fig. L1 - Circuito para medir a resistência da LDR em função da iluminação

a) - Seleccione M1 como ohmímetro e meça o valor da fotoresistência colocada dentro do cilindro preto (fig. L1), nas situações de ausência de iluminação (usando a folha opaca) e com iluminação ambiente, registando os valores nas folhas de resultados.

b) - Meça os valores de resistência obtidos quando coloca sucessivas folhas de papel atenuador da intensidade luminosa que incide sobre a fotoresistência (colocadas debaixo de uma lâmina de vidro). Registe os valores.

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c) - Construa um gráfico, baseado na tabela anterior, em que representa a variação do valor da fotoresistência não em função do número de folhas atenuadoras da luz, mas sim em função da potência normalizada, utilizando a tabela da fig. L1-c).

d) - Compare e comente os resultados obtidos com os previstos pela teoria da fotocondução.

2.1.2. Acoplador óptico com LDR

O acoplador óptico é um sistema que permite a transmissão de sinais eléctricos, através da luz, entre um circuito de comando e um circuito comandado. Os dois circuitos estão isolados galvanicamente, permitindo a existência de tensões extremamente altas entre si.

O acoplamento ou transmissão de sinais para o circuito comandado pode fazer-se através da modulação da intensidade da luz radiada por um Díodo Emissor de Luz, LED, controlada pela corrente do circuito de comando, e que atinge um elemento fotossensível colocado no circuito comandado.

O circuito representado na fig. L2 é um acoplador óptico, baseado numa fotoresistência e num díodo LED, montados de modo a poder-se determinar a sua característica de transmissão, vO (iL).

Fig. L2 - Acoplador óptico com LED e LDR.

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A resistência R3//R4 é utilizada para observar no osciloscópio a forma de onda da corrente, iL, no LED, e portanto da luz emitida, cuja luminância é proporcional à corrente iL .

L=cte.iL com iL=IL+il e IL=(V1-Vγ)/RT ; il=-vG1/RT.(1+R3/R4) e RT=RP+RD+(R4//R3), Vγ é a tensão limiar de condução do LED e RD a sua resistência incremental, tipicamente: Vγ=1,6 V e RD= 50 Ω.

A luz emitida tem uma componente de fluxo constante e uma componente modulada, proporcional a il e portanto a vG1. Assume-se que o LED tem uma resposta no tempo e em frequência melhor que a LDR, não afectando os resultados.

Com vG1=0 pode determinar-se a característica de transferência do acoplador óptico Vo(IL). Se vG1 for uma onda quadrada pode determinar-se a partir da resposta vo(t) os tempos de subida e descida da resposta RLDR às variações de iluminação. Se vG1 for sinusoidal pode determinar-se a resposta em frequência do acoplador óptico e da LDR.

Algumas fotoresistências respondem muito lentamente às variações de intensidade da fonte luminosa (o tempo de vida médio dos electrões pode chegar a ser alguns segundos). No Laboratório, para que o tempo de estabelecimento da LDR possa ser medido confortavelmente com o osciloscópio, é necessário usar uma onda quadrada ou sinusoidal de frequência demasiado alta relativamente à frequência de corte da LDR (por ex: 10 Hz) cujo período muito curto não permite ver todo o desenvolvimento da resposta no tempo da LDR. Todavia, a partir do desenvolvimento inicial da resposta e a partir do valor final determinado pela característica de transferência estática é possível estimar os tempos de recuperação da LDR.

Também para a resposta no domínio da frequência é preferível medir o valor do ganho D.C. do acoplador óptico e medir a resposta A.C. em frequências relativamente altas (ex: 10, 20, 40, 80 Hz).

2.1.3. Característica de Transferência do Acoplador Óptico

Tape o acoplador óptico com a folha opaca para que este não seja influenciado pela luz ambiente.

a) - Faça vG1=0 (atenuação máxima do sinal de saída do gerador) e utilize o osciloscópio O1 e O2 em D.C.. Através do ajuste de RP1 meça em M1 vários

valores da corrente iL no LED e, em M2, meça e registe os correspondentes valores da tensão de saída do Amp. Op..

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b) - Construa um gráfico, baseado na tabela anterior, em que representa a função de transferência do acoplador óptico, vO (iL). Tire conclusões sobre a sua linearidade e calcule os valores da RLDR na referida tabela.

2.1.4. Resposta no tempo da LDR

a) - Fazendo vG1=0, ajuste RP1 até atingir uma corrente IL=2,5 mA, medida em

M1 (ou outra corrente que garanta um ponto de funcionamento na região linear da característica de transferência).

Ajuste o gerador G1 de modo a obter em vG1 uma onda quadrada de 0,5 Hz com 5 V de amplitude.

Sincronize o osciloscópio no modo externo por esta onda quadrada. Observe e registe as formas de onda nos pontos v3 e vo. Tire conclusões quanto à rapidez de resposta da LDR.

2.1.5. - Resposta em frequência da LDR

a) - Com vG1=0, ajuste RP1 até obter iL=2,5 mA, meça o valor de VO.

Ajuste o gerador G1 (sem introduzir componente D.C.), de modo a obter em v3 uma onda sinusoidal cujo valor mínimo seja 0V e o valor máximo à volta de 5V. Sincronize o osciloscópio no modo externo. Observe e registe as formas de onda nos pontos v3 e vo. Tire conclusões quanto à rapidez de resposta da LDR.

b) - Meça o valor pico a pico da componente sinusoidal presente em vo(t) para diferentes frequências (1 Hz a 100 Hz). Represente graficamente a resposta em frequência da LDR; determine a frequência de corte e, a partir desta, o tempo de vida média dos electrões no fotocondutor da LDR.

2.1.6. - Controlo automático de ganho com acoplamento óptico

Existem aplicações em que se pretende manter a amplitude ou nível dos sinais sendo necessário compensar as variações lentas dessa amplitude.

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Fig. L3 - Diagrama de blocos de um CAG.

Na fig. L3 apresenta-se um circuito de Comando Automático de Ganho (CAG), ou mais rigorosamente de comando automático de amplitude ou nível, o qual permite fazer a compensação das variações de amplitude do sinal de entrada, através da realimentação das estimativas das variações lentas de amplitude que controlam um amplificador de ganho variável.

O estimador de amplitude é, usualmente, um rectificador de 1/2 onda ou de onda completa seguido de um filtro passa-baixo no qual se obtém a estimativa da amplitude <Vo>. Esta tensão (com variação no tempo muito lenta) é aplicada a um circuito com função não linear (f.n.l.) que origina uma tensão ou corrente de controlo (vc ou ic) que reduz o ganho do amplificador A. Idealmente

deveria obter-se vo t = K

<V i>vi t = A vc . vi t

em que K é um ganho constante de tensão e <Vi> é a estimativa da amplitude da tensão de entrada, pelo que deveria ser A (vc) = A (f.n.l., <Vo>) = K/<Vi>.

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Fig. L4 - CAG com amplificador e LDR.

Na Fig. L4 apresenta-se um CAG com acoplamento óptico. A LDR, o Amp. Op. e as resistências R1, R2 e R5, constituem o amplificador de ganho variável. O díodo D1 e o LED introduzem a função de rectificação, e a função não linear, uma vez que só conduzem quando vo(t) ultrapassar a soma das suas tensões limiares de condução (1,7V + 0,5V). A função de filtragem é obtida pela inerente lentidão da resposta da LDR.

2.1.7. - Caracterização do CAG

Tape o acoplador óptico. Ajuste o gerador G1 de modo a obter em v2 uma onda sinusoidal de 1 kHz, medida em M1 e O1.

a) - Varie lentamente a amplitude de v2 desde 1Vpp a 8Vpp observando e medindo a amplitude de tensão de saída.

b) - Construa um gráfico em que representa o comportamento do circuito. Comente os resultados.

c) - Aumentando e diminuindo bruscamente a amplitude de v2 observe o comportamento de vo(t). Comente e registe.

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2.2. FOTODÍODO E FOTOTRANSISTOR

A fim de poder efectuar o estudo experimental das características do fotodíodo e do fototransístor, dispõe de um cilindro que contém um fotodíodo, um fototransístor, um led e uma lâmpada incandescente (fig. L6).

2.2.1 - Determinação da característica do fotodíodo

Sem nenhum sinal externo aplicado à junção semicondutora o fotodíodo funciona como célula fotovoltaica. É então possível determinar qual a variação da corrente no fotodíodo, em função da intensidade de luz incidente.

a) - Meça o valor da intensidade da corrente no fotodíodo nas duas situações de luz ambiente e de total ausência de luz. Registe as medidas efectuadas.

b) - Coloque sucessivamente várias folhas de papel translúcido sobre o cilindro, tendo o cuidado de colocar sempre no topo uma lâmina de vidro. Meça em M1 os valores da intensidade da corrente e registe-os.

c) - Construa um gráfico da corrente no fotodíodo, não em função do número de folhas, mas sim em função da potência normalizada (Tabela da fig. L1-c)). Comente o resultado obtido, comparando-o com a previsão teórica.

2.2.2 - Acoplador óptico com fotodíodo

Fig. L6 - Acoplador óptico com fotodíodo.

a) - Considere o acoplador óptico com fotodíodo representado na fig. L6.

Faça vG1=0 (atenuação máxima do sinal de saída do gerador). Ajustando o potenciómetro RP1, meça em M1 os vários valores da corrente no LED e os

correspondentes valores de vo em M2. Registe os resultados.

2.2.3 - Acoplador óptico com fototransístor

21

Considere agora o acoplador óptico com fototransístor representado na fig. L7. São de considerar duas fontes geradoras de luz: o LED, já utilizado na montagem anterior, e uma lâmpada incandescente (ligação LA representada a traço interrompido).

O fototransístor pode ser ligado de duas formas diferentes: como fototransístor propriamente dito ou como fotodíodo (ligação LB representada a traço interrompido), ao ser curto circuitada a junção base-emissor.

Fig. L7 - Acoplador óptico com fototransistor.

a) - Considere o LED como fonte geradora de luz. Faça vG1=0 (atenuação do sinal de saída do gerador) e ajuste o potenciómetro Rp1 por forma a que a corrente no LED seja 2,5 mA.

Seleccione agora no gerador G1 uma onda quadrada de 100 Hz e 8 V de amplitude. Considere o fototransístor a funcionar como tal e ajuste o potenciómetro Rp2 para o seu valor máximo. Observe e registe as formas de onda em v3 e vo. Comente os resultados

b) - Considere a lâmpada incandescente como fonte de luz e o fototransístor a funcionar como tal. Ajuste o potenciómetro RP2 por forma a que vo=8V (ausência de saturação).

Ligue o fototransístor como fotodíodo (curto-circuito da junção base-emissor) e meça o novo valor de vo. A partir desta medida e do valor anteriormente imposto (8V) calcule o ganho de corrente do fototransístor. Comente o valor obtido.

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III - ANEXOS

3.1 — GRANDEZAS ÓPTICAS

Definições de grandezas associadas à radiação.

Luz - é a radiação que é capaz de estimular o olho humano. O olho humano é sensível ao espectro de radiações com comprimentos de onda compreendidos entre 400 e 700um fig. a, podendo descriminar cores que diferem, em comprimento de onda, de 1 a 4nm, (fig. A1- b)), [3].

Fig. A1 - a) Resposta espectral do olho humano; b) alteração de λ detectável.

As ondas da radiação transportam a energia radiante Qe, e a potência associada, Po, ou fluxo radiante øe, dado por:

φe =

d Qe

d tφe = Wat t , W

a1)

Para uma fonte de radiação, numa dada direcção, a intensidade radiante, Ie, é a potência radiante que deixa a fonte ou uma parte elementar da fonte, por ângulo sólido elementar, contendo a direcção dada:

I e =

d φe

d žI e = Wat t p or e s t e r or ad in o, W/ sr

A irradiância, E, ou iluminância num ponto de uma superfície é a potência radiante incidente por unidade de área de superfície:

E =

d φe

d AE = W/ m

2

23

A intensidade luminosa de uma fonte, numa dada direcção é o fluxo luminoso que deixa a fonte por unidade de ângulo sólido, nessa direcção.

Iv =

d φedž

IV = Candela , c d

A candela é a intensidade luminosa, na direcção perpendicular à superfície de 1/600000 m2 de um corpo negro à temperatura de solidificação da platina à pressão de 101325 pascal.

O fluxo luminoso mede-se em lúmen que representa a radiação de 1 candela num ângulo sólido de 1 esteroradiano (sr).

1 lm = 1 cd. sr

O lux é a iluminação produzida quando o fluxo de 1 lumen atinge uma superfície com 1m2 de área.

1 lux = 1 lm . 1 m2 = 1 cd . 1 sr . 1 m2

Radiação produzida

O lúmen exprime a maior ou menor capacidade de um fluxo radiante produzir sensação de visível no olho humano.

φv = 680 φe

vλ

v λ . d λ lm = 1W/680

onde vλ é o espectro visível e φe v(λ) é a sensibilidade média espectral do olho humano, (fig. A1-a)

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Luz produzida por um LED

Um díodo emissor de luz, LED, percorrido por corrente constante produz uma intensidade luminosa constante. Se a excitação do LED for pulsada pode obter-se uma eficiência maior, devido à relação não linear existente entre a corrente e a intensidade luminosa [3].

a) b) c)

Fig. A2 - Intensidade luminosa em função de corrente num LED.

No exemplo da Fig. A2 a) uma corrente de 4 mA produz 3,2 mcd enquanto 20 mA produz 23 mcd. Ao ser pulsada a corrente de 20 mA, com um factor de ciclo (dutty cycle) de 20%, a corrente média também é de 4 mA, sendo a intensidade luminosa de 4,6 mcd, superior portanto, ao valor de 3,2mcd.

Para correntes elevadas a potência dissipada no LED, PD=VD.ID incrementa a temperatura de junção Tj; relativamente à temperatura ambiente, Ta:

Tj = Ta + Rth . Pd

em que Rth é a resistência térmica do LED. Este incremento da temperatura Tj traduz-se numa redução da intensidade luminosa do LED, pois tipicamente tem-se dIv/dTj≈-0,7% por grau centígrado. Para LEDs modernos de alta potência a luz emitida já fica abaixo da proporcionalidade com a corrente eléctrica, Fig A2 c).

3.3 - BIBLIOGRAFIA

[1] Electrónica da Aquisição e Processamento de Sinais - Prof. Moisés Piedade, IST, 1991.

[2] S. M. Sze, "Physics of Semiconductor Devices", Willey & Suns, 1981.

[3] Catálogo Philips - Book S8a, Light Emitting Diodes, Fev. 1986.

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3.4 - LISTA DE MATERIAL E EQUIPAMENTO

UMaterial:

1 Cilindro com fotoresistência e led 1 Cilindro com fotodíodo, fototransístor, led e lâmpada 1 Placa de vidro 1 Folha opaca

15 Folhas de papel translúcido 1 Amplificador operacional - TLØ81 1 Díodo - 1N4001 1 Potenciómetro - 10 kΩ 1 Potenciómetro - 100 kΩ 1 Resistência - 1 kΩ 2 Resistências - 2 kΩ 1 Resistência - 10 kΩ 1 Resistência - 100 kΩ 1 Resistência - 10 MΩ

UEquipamento:

1 Base experimental com placa de bread-board e fonte de tensão (±12V, 0V) 1 Alicate de corte 1 Descarnador 1 Pinça 1 Chave de parafusos pequena 1 Osciloscópio de 2 canais 1 Gerador de sinais 1 Multímetro Cabos BNC - Crocodilo/Banana e fios de ligação

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3.5 - REGISTO DE RESULTADOS (SENSORES OPTOELECTRÓNICOS)

Determinação da característica da LDR (2.1.1)

a) - RLDR (L=0) = . . . . . . . . kΩ; RLDR (Lambiente) = . . . . . . . . kΩ

b) -

Nº de Folhas 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

RLDR(kΩ)

c) -

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d) -

Acoplador óptico com LDR (2.1.3) a) -

IL (mA)

Vo (V) RLDR

R2 = . . . . . kΩ ; V2 = . . . . . ; R LDR = -

V o

V 2

R 5

R 1 / / R 5. R 2 + R 1 / / R 5

b) -

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Resposta no tempo da LDR (2.1.4)

Resposta em frequência da LDR (2.1.5)

a) Rp1 = ………… VO =……… V

b) -

f (freq.) Hz 1 2 3 4 5 7 10 20 30 40 50 70 100

vo (pp)

RLDR (f) fc = ……… Hz τ = ……… s

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Caracterização do CAG (2.1.7) V2pp (V)

Vo (V)

b)

c)

Determinação da característica do fotodíodo (2.2.1)

a) - IP (L=0) = . . . . . . . . μA ; IP (Lambiente) = . . . . . . . . . kΩ

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b) - Nº de Folhas

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

IP (µA)

c) -

Acoplador óptico com fotodíodo (2.2.2)

a)

ILED (mA)

VO

b) Acoplador óptico com fototransístor (2.2.3)

a)

b) vo (fototransístor) = ……… V

vo (fotodíodo) = ……… V

ganho corrente = ………

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3.5 - CARACTERÍSTICAS DE COMPONENTES