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7/28/2019 Fotodetetores.pdf

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UNIVERSIDADE DE SO PAULOESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA

FOTODETECTORES

Filipe Correia PintoHenrique Varella Ribeiro

ELETRNICA E INSTRUMENTAO


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SUMRIO

1) INTRODUO 02

2) CONSIDERAES GERAIS SOBRE OS SENSORES TICOS 02

2.1) SENSORES DE REFLEXO 03

2.2) FOTOSENSOR POLARIZADO 03

2.3) SENSOR DE RETROREFLEXO 03

2.4) SENSOR DE RUPTURA DE FEIXE 04

2.5) FOTOSENSOR DE FEIXE CONVERGENTE 04

2.6) SENSOR DE FIBRA TICA 05

2.7) SENSOR DE MARCA DE COR 05

2.8) SENSOR A LASER 05

2.9) SENSOR CONDIFICADOR 05

2.10) CONSIDERAES PARA INSTALAO DE SENSORES 06

3) TIPOS DE FOTODETECTORES 06

3.2) FOTOTRANSISTOR 06

3.3) FOTODIODO 08

3.3.1)Fotodiodos APD 09

3.3.2) Fotodiodos PIN 09

3.3.3) Vantagens do APD vs PIN 10

3.3.4) Desvantagens do APD vs PIN 10

4) APLICAES 10

5) CONCLUSO 12

6) BIBLIOGRAFIA 12


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1) INTRODUO

Os sensores fotoeltricos, tambm conhecidos por sensores pticos, manipulam a luz de

forma a detectar a presena do acionador, que na maioria das aplicaes o prprio produto a ser

detectado. Baseiam-se na transmisso e recepo de luz (dependendo do modelo no espectro,

visvel ou invisvel ao ser humano), que pode ser refletida ou interrompida por um objeto a ser

detectado. O receptor composto por um fototransistor sensvel luz, que em conjunto com um filtro

sintonizado na mesma frequncia de pulsao dos flashes do transmissor, faz com que o receptor

compreenda somente a luz vinda do transmissor. Os sensores diferem-se em suas configuraes e

componentes eletrnicos utilizados. Possuem uma ampla aplicao, desde sensores de movimento

at em aparelhos de Absoro Atmica.

2) CONSIDERAES GERAIS SOBRE OS SENSORES TICOS

Todos os sensores ticos usam a luz para detectar objetos. Uma fonte de luz (emissor) e um

fotodetector sentem a presena ou a ausncia da luz. LEDs (diodos emissores de luz), que so diodos

semicondutores que emitem luz, so usados tipicamente como fontes de luz porque so pequenos,

resistentes, muito eficientes e podem ser ligados/desligados em velocidades extremamente elevadas.

Operam em um comprimento de onda estreito e so muito confiveis. Os diodos emissores de luz no so

sensveis temperatura, choque, ou vibrao e tem uma vida til quase infinita.

Os diodos emissores de luz existentes nos sensores so usados normalmente em pulsos. O

emissor de luz pulsado (desligado e ligado repetidamente). O tempo de permanncia ligado pequeno

comparado ao tempo desligado. Os LEDs so pulsados por duas razes: para impedir que o sensor seja

afetado pela luz ambiental, e para aumentar a vida til do diodo emissor de luz. Isto tambm chamado de

modulao.

O fotodetector detecta a luz pulsante. O receptor e o emissor so ambos ajustados freqncia da

modulao. Assim, o fotodetector essencialmente ignora toda a luz ambiental e percebe somente a

freqncia correta. As fontes de luz escolhidas so geralmente invisveis ao olho humano e os

comprimentos de ondas so escolhidos de modo que os sensores no sejam afetados por outras fontes de

iluminao da fbrica. O uso de comprimentos de ondas diferentes permite que alguns sensores, chamados

de sensores de marcao colorida, diferenciem diversas cores. O mtodo de pulsar a luz e o comprimento

de onda escolhido fazem dos sensores ticos dispositivos muito confiveis.Algumas aplicaes para sensores utilizam a luz emitido por materiais aquecidos ao rubro, tais

como o vidro ou o metal. Nestas aplicaes, utilizam receptores sensveis luz infravermelha.

Todos os vrios tipos de sensores ticos funcionam basicamente da mesma maneira. As diferenas

esto na maneira em que a fonte de luz (emissor) e o receptor so configurados e encapsulados e que

componente eletrnico utilizado.


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2.1) SENSORES DE REFLEXO

Um dos tipos mais comuns de sensores ticos o tipo reflexivo ou de reflexo difusora. O emissor

e o receptor de luz so encapsulados na mesma pea. O emissor emite a luz, que incide no produto a ser

detectado. A luz refletida retorna ao receptor onde detectada (figura 1). Os sensores reflexivos tm menorpoder de deteco (alcance) do que outros tipos de sensores ticos porque dependem da luz refletida no

produto.

Figura 1 - Sensor tipo Reflexivo

2.2) FOTOSENSOR POLARIZADO

Um fotosensor especial detecta objetos brilhantes usando um refletor especial. O refletor consiste

de pequenos prismas que polarizam a luz do sensor. O refletor polariza verticalmente a luz e reflete-a para

em direo ao receptor do sensor. O fotosensor emite luz polarizada horizontalmente. Assim, se um objeto

muito brilhante se mover entre o fotosensor e o refletor e refletir de volta a luz em direo ao sensor, ela

ignorada porque no est polarizada verticalmente.

Figura 2 - Um fotosensor polarizado. Notar o uso de um refletor especial

2.3) SENSOR DE RETROREFLEXO

Este sensor similar ao sensor de reflexo. O emissor e o receptor so ambos montados no

mesmo pacote. A diferena que a luz refletida de um refletor em vez do produto. Os sensores de

retroreflexo possuem maior alcance do que sensores reflexivos comuns mas menor alcance do que

sensores de ruptura-defeixe.


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Figura 3 - Sensor de retroreflexo

2.4) SENSOR DE RUPTURA DE FEIXE

Outro sensor comum o de ruptura-de-feixe. Nesta configurao o emissor e o receptor so

empacotados separadamente. O emissor emite a luz atravs de um espao e o receptor detecta a luz do

outro lado. Se o produto passar entre o emissor e o receptor, a luz para de bater no receptor, dizendo ao

sensor que um produto est interrompendo o feixe. Esta provavelmente a modalidade de deteco mais

confivel para objetos opacos (no transparentes).

Figura 4 - Sensor de Ruptura de Feixe.

2.5) FOTOSENSOR DE FEIXE CONVERGENTE

Um fotosensor convergente, um tipo especial de sensor reflexivo. Emite-se a luz a um ponto focal

especfico. A luz deve ser refletida do ponto focal a ser detectado pelo receptor do sensor.

Figura 5 - Fotosensor do tipo feixe-convergente.


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2.6) SENSOR DE FIBRA TICA

Um sensor de fibra tica simplesmente uma mistura dos outros tipos. O emissor e o receptor so

os mesmos, mas com um cabo de fibra tica unido a cada um dos dois. Os cabos so muito pequenos eflexveis e funcionam como uma tubulao para carregar a luz. Existem cabos disponveis nas

configuraes ruptura-de-feixe e reflexiva.

Figura 6 - Sensor de Fibra tica

2.7) SENSOR DE MARCA DE COR

Um sensor da marca da cor um tipo especial de sensor tico reflexivo difuso que pode diferenciar

cores; alguns podem mesmo detectar o contraste entre cores. usado tipicamente para verificar etiquetas e

classificar pacotes atravs de uma marca colorida.

2.8) SENSOR A LASER

Um sensor a laser usado tambm como uma fonte de luz para sensores ticos que executam

funes de inspees de preciso e qualidade que requerem medies muito exatas. Esta preciso pode

chegar a ser to pequena quanto alguns mcrons. Um LED de luz laser usado como a fonte de luz.

2.9) SENSOR CONDIFICADOR

Um sensor codificador usado para retroalimentao da posio e em alguns casos para

retroalimentao da velocidade. Os dois tipos principais de codificadores so: incrementais e absolutos;

incremental o tipo o mais comum. A preciso de um codificador determinada pelo nmero de linhas no

disco do codificador. Quanto mais linhas, mais elevada a preciso obtida. A luz de um LED brilha atravs

das linhas no disco do codificador e em uma mscara e detectada ento por receptores.


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Figura 7- Vista expandida de um codificador

2.10) CONSIDERAES PARA INSTALAO DE SENSORES

A considerao principal na instalao de sensores o limite da corrente eltrica aplicvel. A

corrente de sada (carga) deve ser limitada para a maioria dos sensores a uma corrente de sada bastante

pequena. Se houver uma fiao de alta tenso na proximidade do cabo do sensor, este cabo deve ser

protegido por uma canalizao metlica para impedir que o sensor no detecte sinais falsos, no apresente

mal funcionamento ou danos.

3) TIPOS DE FOTODETECTORES

Na sada de uma linha de transmisso ptica tem que existir um elemento receptor que interpreta a

informao contida no sinal de sada. O primeiro elemento do receptor o fotodetector. Este dispositivo

detecta a potncia ptica e converte as variaes dessa em variaes de corrente eltrica. Como o sinal

ptico muito fraco e distorcido, necessrio que o fotodetector apresente um elevado desempenho.

Assim, deve possuir uma elevada velocidade de resposta e sensibilidade no comprimento de onda de

emisso, introduzir o mnimo de rudo no sinal de sada e deve ter uma largura de banda suficientemente

grande para poder suportar o dbito de informao. O dispositivo deve ser tambm insensvel a variaes

de temperatura e ser compatvel com as dimenses fsicas do canal de transmisso.

Existem diversos tipos de fotodetectores, dos quais podemos destacar os fototransistores, os

fotodiodos APD e PIN.

3.2) FOTOTRANSISTOR

O fototransistor mais um dispositivo que funciona baseado no fenmeno da fotocondutividade. Ele

pode, ao mesmo tempo, detectar a incidncia de luz e fornecer um ganho dentro de um nico componente.

Como o transistor convencional, o fototransistor uma combinao de dois diodos de juno, porm,associado ao efeito transistor aparece o efeito fotoeltrico. Em geral, possui apenas dois terminais


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acessveis, o coletor e o emissor, sendo a base includa apenas para eventual polarizao ou controle

eltrico.

Como nas outras clulas fotocondutivas, a incidncia de luz (ftons) provoca o surgimento de

lacunas na vizinhana da juno base-coletor. Esta tenso conduzir as lacunas para o emissor, enquanto

os eltrons passam do emissor para a base. Isso provocar um aumento da corrente de base, o que porconseqncia implicar numa variao da corrente de coletor beta vezes maior (lembrando que, para Ib

sendo a corrente da base e Ic a do coletor, temos a relao Ic = .Ib, onde o ganho do transistor

(fornecido pelo fabricante), sendo essa variao proporcional intensidade da luz incidente.

Como a base est normalmente desconectada, a corrente que circula por ela depender apenas do

fluxo luminoso incidente. Assim, na ausncia de luz, a corrente de base ser zero e o fototransistor estar

cortado, resultando na tenso do coletor igual tenso de polarizao Vcc. Quando h luz incidindo, a

tenso no coletor ir diminuir devido ao aumento da corrente.

Tais como os transistores bipolares, os fototransistores esto sujeitos variaes de temperatura.

Com o aumento da temperatura em torno de 8 a 10 graus Celsius, a corrente Iceo (corrente que circula no

componente enquanto no existe incidncia de luz) dobrar. Para elevadas temperaturas, essa corrente

ter um valor significativo em relao corrente total. Entretanto, utilizando dois fototransistores, podemos

compensar esse erro. Para isso, basta uni-los como na figura 10, fazendo com que essa corrente Ic em

ambos possua os mesmos valores, cancelando uma outra. Assim, a corrente fornecida pela incidncia da

luz passar inteiramente pelo resistor Rl.

Figura 10 Representao de dois fototransistores

Os fototransistores so dispositivos sensveis a luz. A base do fototransistor sensvel a luz,

quando h presena da mesma o transistor conduz, entretanto quando no h presena de luminosidade, o

transistor fica cortado. Abaixo foi representada uma situao onde a presena de luz (LED) liga ou desliga o

circuito acoplado ao receptor (fototransistor). Quando um facho de luz apontado para o receptor, este

conduz e logo a sada estar em nvel lgico "0". No entanto, quando no h presena de luz, o receptor

no est conduzindo, logo a sada estar em nvel lgico "1".


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3.3) FOTODIODO

O fotodiodo um diodo de juno construdo de forma especial, de modo a possibilitar a utilizao

da luz como fator determinante no controle da corrente eltrica. um dispositivo de juno pn semicondutor

cuja regio de operao limitada pela regio de polarizao reversa e caracteriza-se por ser sensvel luz. A aplicao de luz juno resultar em uma transferncia de energia das ondas luminosas incidentes

(na forma de ftons) para a estrutura atmica, resultando em um aumento do nmero de portadores

minoritrios e um aumento do nvel da corrente reversa. A corrente negra a corrente que existir sem

nenhuma iluminao aplicada. A corrente retornar a zero somente se for aplicada uma polarizao positiva

igual a Vo. Em resumo, podemos dizer ento que um fotodiodo um dispositivo que converte a luz recebida

em uma determinada quantidade de corrente eltrica.

A corrente reversa e o fluxo luminoso variam quase que linearmente, ou seja, um aumento na

intensidade luminosa resultar em um aumento semelhante na corrente reversa. Podemos admitir que a

corrente reversa essencialmente nula na ausncia de luz incidente. Como os tempos de subida e de

queda (parmetros de mudana de estado) so da ordem de nano segundos, o dispositivo pode ser usado

na aplicao de contagem ou comutao de alta velocidade. O germnio mais adequado para luz

incidente na regio infravermelha, j que abrange um espectro mais amplo de comprimentos de onda do

que o silcio, apesar de sua corrente negra ser maior. O nvel de corrente gerada pela luz incidente sobre

um fotodiodo no suficiente para que ele possa ser usado em um controle direto, sendo necessrio para

isto que haja um estgio de amplificao.

Existem duas maneiras de operar um fotodiodo. Ele pode funcionar como uma clula fotovoltaica (a

incidncia de luz gera tenso) ou como uma clula fotocondutiva (a incidncia de luz gera corrente). A figura

11 mostra o grfico das caractersticas dos fotodiodos.

Figura 11 Curva caracterstica I x V


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3.3.1)Fotodiodos APD

Os fotodiodos de avalanche so construdos por forma a inclurem uma regio de campo eltrico

elevado, que ir acelerar os fotoportadores at uma velocidade suficiente para que as colises com tomosproduzam novos portadores. Estas partculas criadas por ionizao so aceleradas por este campo eltrico

dando continuidade ao processo de avalanche. Assim, os APD multiplicam (amplificam) internamente a

corrente fotodetectada primria. A maioria dos sistemas de transmisso a longa distncia e com elevada

velocidade de transmisso, operando na gama dos 1.3 a 1.5 m, utilizam APD de InP/InGaAsP/InGaAs na

seco frontal do receptor. A estrutura destes fotodiodos consiste numa regio de multiplicao de InP, e

uma regio de absoro separada por uma ou mais regies de InGaAsP para diminuir a acumulao de

cargas na heterojuno. Na figura 12 apresentado o esquema da estrutura em estudo.

Figura 12 - Esquema estrutural de um fotododo APD

A dopagem da regio de multiplicao n+ resulta num campo eltrico que descreve uma funo

triangular com um pico na juno p n (x=0), sendo a largura da regio de multiplicao muito pequena

comparada com a largura da regio de depleo total. Como consequncia desta estrutura as lacunassecundrias so coletadas numa regio p neutra logo que so criadas. Quase todos os eltrons

secundrios, por seu turno, viajam atravs da regio de depleo antes de serem recolhidos. Como a

corrente no circuito exterior resulta da movimentao das cargas atravs da regio de depleo, a

contribuio das lacunas secundrias pode ser desprezada. , ento, claro que os eltrons primrios,

secundrios e as lacunas primrias devem ser considerados separadamente.

3.3.2) Fotodiodos PIN

O fotodiodo PIN tem a estrutura de uma juno pn com uma regio levemente dopada de largura Wi(regio de intrnseca) entre as regies p e n normais, com nveis de dopagem relativamente elevados. A

regio de depleo, de largura Wd, inclu para alm da regio intrnseca tambm partes das regies p e n.


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Figura 13 - Esquema de um fotododo PIN

Quando um fton incidente tem energia maior ou igual ao intervalo energtico entre bandas (" band-

gap") do semicondutor utilizado, o fton fornece energia e excita um eltron da banda de valncia fazendo-

o deslocar para a banda de conduo. Este processo gera pares livres de eltrons / lacuna conhecidos

como fotoportadores. Este processo representado de uma forma esquemtica na figura 14.

Figura 14 Diagrama das bandas de energia de um fotododo PIN com heterojuno

O elevado campo eltrico na regio de depleo faz com que os portadores se separem e sejam

recolhidos pelos terminais da juno inversamente polarizada. Este movimento de cargas provoca um fluxode corrente no circuito exterior, conhecida como corrente fotodetectada.

Os sistemas de comunicao mais lentos utilizam um comprimento de onda entre 0.8 e 0.9 m da

regio espectral onde os fotodetectores de silcio apresentam um excelente desempenho. Presentemente,

as linhas de transmisso por fibra ptica utilizam comprimentos de onda superiores, surgindo assim a

necessidade, de utilizar fotodiodos que utilizam compostos com elementos do grupo III-IV.

3.3.3 ) Vantagens do APD vs PIN

Existncia de uma ganho elevado na converso ptico-elctrica.

3.3.4) Desvantagens do APD vs PIN

A limitao do desempenho pode dar-se pelo rudo quntico. (No PIN este desprezvel

sendo a limitao geralmente imposta pelo rudo de circuito);

Estrutura mais complexa (necessita da estrutura onde ocorre a multiplicao em

avalanche). Por tanto, mais caro;

O desempenho fica limitado pelo rudo de circuito e no pelo rudo quntico; Sensibilidade elevada das suas propriedades (como o ganho) temperatura;


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Requer tenses de polarizao muito superiores (para garantir a multiplicao em

avalanche).

4) APLICAES

O fotodiodo pode ser aplicado no foco automtico de filmadora, na unidade tica do CD Player, em

sistema contador de pulso, sensor crepuscular (iluminao pblica), acopladores pticos (isolar com total

segurana dois circuitos eletrnicos). Alm destas os sensores ticos podem ser utilizados para diferentes

fins, como mostra a figura 15.


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Figura 15 - Aplicaes para sensores ticos

5) CONCLUSO

O dispositivo fotodetector quem converte os sinais pticos em luminosos. No processo de

fotodeteco, os ftons absorvidos pelo material semicondutor fazem transitar eltrons da

banda de valncia para a de conduo, desde que o comprimento de onda seja inferior a um

valor crtico, convertendo assim, os sinais pticos recebidos da fibra em sinais eltricos.

6) BIBLIOGRAFIA

MALVINO, Albert Paul ELETRNICA - vol. 1 So Paulo: Ed. McGraw-Hill, 1986

MALVINO, Albert Paul ELETRNICA NO LABORATRIO So Paulo: Ed. McGraw-Hill,

1987

CATHEY, Jimmie J. Dispositivos e circuitos eletrnicos, 1 ed. So Paulo, Makron Books, 1994.

(coleo Schaum)

MELLO, Hilton Andrade de; INTRATOR, Edmond. Dispositivos semicondutores,


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3 ed. Rio de Janeiro, Livros tcnicos e Cientficos, 1978.

CEFET FLORIANPOLIS SC Prof. Valdir Noll

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