Um tipo de sensor encontrado em uma grande quantidade de aplicações é o sensor fotoelétrico. Estes sensores utilizados numa infinidade de aplicações, indo desde sistemas de segurança, controle, máquinas industriais, equipamento médico e eletrônica embarcada. Como escolher um sensor fotoelétrico para uma determinada aplicação depende do conhecimento de suas características, já que também nesse caso podemos contar com diversos dispositivos que podem ser utilizados em aplicações práticas. Nesse artigo focalizamos os principais tipos de sensores fotoelétricos, com suas principais características. Nesta revisão de 2012 permanece a atualidade doi artigo, sendo recomendados diversos outros artigos sobre o assunto presentes no site.
A finalidade de um sensor fotoelétrico é converter um sinal luminoso (luz ou sombra) num sinal elétrico que possa ser processado por um circuito eletrônico.
Nas aplicações eletrônicas atuais encontramos uma boa quantidade de tipos de sensores cujas características se prestam para determinadas finalidades. Assim, ao escolher um sensor para uma determinada aplicações, o profissional da eletrônica deve conhecer essas características de modo a fazer a escolha certa.
Usar um sensor pouco sensível numa aplicação que opere com fontes fracas de luz ou ainda um sensor lento que deva detectar o movimento rápido de luz ou sombra pode comprometer um projeto.
Nesse artigo focalizamos as diversas tecnologias com que o leitor pode contar e que levam a diversos tipos de dispositivos que podem ser usados como sensores fotoelétricos.
Sensores Fotoelétricos
Um sensor fotoelétrico pode ser tanto um transdutor como um sensor propriamente dito.
Dizemos que um sensor fotoelétrico é um transdutor quando ele converte energia luminosa (radiante) em energia elétrica. É o caso das fotocélulas que convertem diretamente luz em energia elétrica.
Por outro lado, temos sensores propriamente ditos que convertem luz em uma variação de uma grandeza elétrica qualquer como corrente ou resistência. Esse é o caso dos LDRs e dos foto-diodos. Na figura 1 ilustramos os dois casos.
Características
Ao escolher um sensor fotoelétrico para uma determinada aplicação precisamos levar em conta suas características. As principais são:
a) Sensibilidade
A sensibilidade de um sensor fotoelétrico nos diz de que modo a grandeza associada em sua saída varia com a intensidade de luz que incide nesse sensor.
De uma forma geral, a maioria dos sensores usados nas aplicações eletrônicas são extremamente sensíveis no sentido de que basta apenas um fóton para que já possamos ter uma variação sensível da grandeza associada.
O aproveitamento dessa sensibilidade, na maioria dos casos vai depender muito mais da sensibilidade do circuito usado no processamento dos sinais desse sensor.
b) Resposta Espectral
Diferentemente do olho humano, a maioria dos sensores fotoelétricos podem "ver" muito mais do que os nossos olhos. Em outras palavras, esses sensores em sua maioria podem perceber tanto radiação infravermelha como ultravioleta. Na figura 2 temos a curva de resposta típica de alguns sensores, comparadas a sensibilidade do olho humano.
A sensibilidade de diversos sensores à radiação infravermelha é importante porque esses sensores podem operar como fontes de radiação infravermelha tais como LEDs infravermelhos, LASERs e mesmo outras.
c) Velocidade
Em muitas aplicações os sensores devem detectar variações muito rápidas de luz (ou sombra), como no caso da leitura de código de barras, controles de velocidade de máquinas, encoders ópticos, links por fibra óptica e outras aplicações.
Nem todos os sensores existentes podem responder a essas variações rápidas ou modulação das fontes de luz. No entanto, para os sensores lentos existem aplicações importantes como àquelas que exigem o manuseio de correntes intensas no controle de automatismos baseados em luz e sombra, etc.
Os sensores mais lentos podem ter uma resposta tão baixa que limitam a sua freqüência de aplicação a pouco mais de 10 kHz, enquanto que os mais rápidos podem chegar a dezenas de Megahertz.
Tipos de Sensores
Nas aplicações práticas atuais existem diversos tipos de sensores, os quais podem ser encontrados em versões particulares e configurações que dependem da aplicação. Os principais são:
a) LDRs
Os LDRs ou Light Dependent Resistors, também conhecidos como foto-resistores e células de sulfeto de cádmio são sensores do tipo foto-condutivo.
Neles, a resistência apresentada à passagem de uma corrente elétrica depende da quantidade de luz que incide numa superfície sensível à base de Sulfeto de Cádmio ou CdS, conforme mostra a figura 3.
Na montagem típica de um sensor desse tipo, de modo a maximizar a superfície sensível, os eletrodos formam uma estrutura em ziguezague. Tanto maior o sensor, maior será a sua capacidade de controlar correntes mais intensas.
No escuro, a resistência típica de um sensor desse tipo pode chegar a mais de 1 M?. No claro, sob iluminação solar direta, essa resistência pode cair a algumas dezenas de ?. Na figura 4 temos a curva característica de um sensor desse tipo.
Veja que o LDR é um sensor bidirecional o que significa que ele pode operar diretamente inclusive em circuitos de corrente alternada.
Apesar de ter uma resposta espectral bastante ampla, superando a capacidade de percepção do olho humano, o LDR é um dispositivo lento, sendo usado muito mais em aplicações de automação em função da luz do que controle ou sensoriamento de variações rápidas de luz.
Assim, dentre as aplicações típica desse sensor estão os sistemas automáticos de iluminação ambiente, alarmes de passagem ou sensores de objetos.
O LDR não apresenta uma característica linear de sensibilidade, conforme podemos ver pela sua curva característica, não sendo portanto muito indicado para instrumentos de medida.
b) Foto-Células
As foto-células são dispositivos do tipo que geram uma tensão elétrica em função da quantidade de luz que incide na sua superfície, sendo basicamente formadas por junções de silício, conforme mostra a figura 5.
A incidência de luz nas junções semicondutoras libera portadores de carga que, ao se deslocarem, fazem aparecer uma tensão elétrica em suas extremidades. Essa tensão, da ordem de 0,6 a 0,7 V pode provocar a circulação de uma corrente por uma carga externa.
A corrente será tanto mais intensa quanto maior for a quantidade de luz incidente na junção. Veja que nesse ponto é importante observar que é quantidade de fótons que incide na junção que determina a corrente de saída e não a energia dos fótons.
Einstein ao explicar o efeito foto-elétrico mostrou que, desde que o fóton seja capaz de liberar os elétrons, a quantidade de elétrons liberada depende da quantidade de fótons e não de sua energia.
Foto-células não são muito usadas como sensores, se bem que tenham uma resposta de freqüência muito grande, podendo portanto operar com sinais luminosos modulados ou mesmo na detecção de variações muito rápidas de luz.
c) Foto-Diodos
Os foto-diodos podem ser usados tanto no modo foto-condutivo como foto-voltaico. O princípio de funcionamento é simples de se entender:
Quando luz incide numa junção semicondutora, exatamente como no caso das foto-células, portadores de carga são liberados. Nessas condições temos a manifestação de dois fenômenos que podem ser utilizados na prática.
Um deles é que a resistência no sentido inverso da junção iluminada diminui e o outro é que aparece uma tensão no dispositivo. Se o sensor aproveitar a variação da resistência inversa com a luz no modo de operação, dizemos que ele opera no modo foto-condutivo. Se ele aproveitar a tensão gerada com a luz, dizemos que ele opera no modo foto-voltaico.
Na prática os dois modos de utilização são aproveitados. Na figura 6 temos o símbolo e o aspecto desses sensores que também podem ser usados em conjunto com elementos emissores de luz.
Assim, podemos encontrar os toto-diodos em chaves ópticas e acopladores ópticos como os usados em encoders. A figura 7 dá exemplos de alguns desses dispositivos.
A curva de resposta dos foto-diodos em relação ao comprimento de onda da radiação incidente é a mesma de diversos outros dispositivos baseados em silício o que significa a possibilidade de se usar radiação infravermelha.
Uma característica importante dos diodos entretanto, é a sua velocidade de resposta muito alta que permite detectar pulsos de luz ou sombra muito rápidos, alcançando freqüências de dezenas ou mesmo centenas de megahertz.
Por esse motivo as aplicações desse sensor incluem àquelas em que a velocidade de resposta é importante tais como em encoders, sensores de rotação e posição, recepção de sinais de luz modulados como em links de fibras ópticas, leitoras de DVDs, CDs, etc.
Um componente muito importante da família de foto-diodos é o foto-diodo PIN, criado em torno dos anos 1950, mas até hoje amplamente usado em sensores industriais de alta velocidade.
Na figura 8 temos a estrutura básica de um foto-diodo PIN. O nome vem do fato de que entre as regiões P e N existe uma camada intrínseca (I), conforme sugere a mesma figura.
A curva característica de um foto-diodo nos mostra que a corrente no sentido inverso modifica-se com a incidência de luz.
Nesse componente, quando um fóton atinge um átomo da região intrínseca, ele libera um elétron formando assim um par elétron-lacuna que migram em direções opostas produzindo uma corrente.
Uma característica importante desse diodo é que, como é preciso uma energia relativamente pequena para liberar os elétrons, ele também pode ser usado como um sensor para radiação nuclear. Partículas atômicas, pela sua energia maior podem liberar diversos elétrons, formando assim diversos pares elétrons-lacunas.
Os foto-diodos não apresentam nenhuma amplificação, se bem que sejam dispositivos rápidos. Se mais importante que a velocidade for a sensibilidade, recomenda-se o uso dos foto-transistores.
Os foto-diodos são sensores lineares numa ampla faixa de intensidades luminosas, o que torna-os ideais para a utilização em fotômetros.
Um tipo de foto-diodo não linear mas que encontra aplicações importantes como foto-sensor é o Foto-diodo de Avalanche cuja estrutura é mostrada na figura 9.
Esse diodo opera polarizado no sentido inverso perto do ponto de avalanche quando poucos portadores de carga liberados provocam fortes correntes inversas.
Quando um fóton incide na região sensível ele libera um par-elétron lacuna que se desloca para a região não dopada. Nessa região ele libera mais pares elétrons-lacuna num processo de avalanche que culmina com correntes muito mais intensas do que as obtidas por diodos comuns.
Esse dispositivo não é linear, mas apresenta uma sensibilidade bem maior que os foto-diodos comuns e os foto-diodos PIN.
d) Foto-Transistores
O princípio de funcionamento do foto-transistor é o mesmo do foto-diodo: liberação de portadores de carga nas junções quando a luz incide. No entanto, no caso dos transistores temos uma estrutura maior o que significa uma velocidade um pouco menor, conforme mostra a figura 10.
No entanto, os transistores podem ser usados de tal forma que a corrente gerada na liberação de cargas pela luz seja amplificada. Assim, os foto-transistores como sensores podem apresentar ganho.
Uma possibilidade interessante, bastante explorada nas aplicações em que se exige ganho sem uma velocidade muito grande de resposta é a que corresponde ao foto-Darlington, mostrada na figura 11.
O ganho desse foto-transistor será dado pelo produto doas ganhos dos transistores associados, o que significa em alguns casos a possibilidade de se ter até um acionamento direto de relés sensíveis, conforme mostra a figura 12.
Os foto-transistores são usados em aplicações onde se exige uma maior sensibilidade mas uma taxa de velocidades intermediária, alcançando alguns megahertz.
No entanto, a velocidade de um foto-transistor num circuito pode ser aumentada com sua configuração como disparador o que é muito comum em aplicações rápidas. Nessas condições ao iniciar a condução ocorre um rápido processo de realimentação que o leva a comutação muito rápida.
e) Foto-Tiristores
Diversos dispositivos da família dos tiristores podem ser encontrados em versões sensíveis à luz. Basta expor uma ou mais junções do dispositivo à luz para que possamos ter o seu disparo, fazendo-o funcionar como um sensor óptico.
Dentre os dispositivos dessa família que existem na forma de sensores ópticos temos:
* LASCS
SCS significa Silicon Controled Switch ou Chave Controlada de Silício consistindo num dispositivo semicondutor com características negativas de condução com o símbolo e circuito equivalente mostrado na figura 13.
Na versão normal, o disparo é feito por tensão. Quando a tensão aplicada ao dispositivo atinge algo entre 7 e 15 V, ele dispara conduzindo intensamente a corrente.
A versão optoeletrônica tem a junção de disparo exposta a luz de modo que o dispositivo pode ser polarizado de modo a ficar prestes ao disparo, o que vai ocorrer quando luz incidir em sua junção. Temos então o componente cujo símbolo é mostrado na figura 14.
Na prática os LASCS não são muito comuns, pois existem componentes equivalentes preferidos como os foto-diodos e mesmo os foto-transistores. Aplicações incluem o disparo de SCRs pela luz.
* LASBS
SBS significa Silicon Bilateral Switch ou chave bilateral de silício, consistindo no equivalente do SCS que conduz a corrente nos dois sentidos. Na figura 15 temos o símbolo desse componente.
Da mesma forma que no caso dos SCSs podemos ter a versão sensível à luz desse componente, expondo suas junções. Assim, LASBS significa Light - SBS.
Os LASCSs são usados no disparo de SCRs enquanto que os LASBS são usados no disparo de triacs, conforme mostra a figura 16.
Também não são dispositivos muito comuns atualmente por existirem outras alternativas para a mesma função.
* Opto-Diac
Os Diacs também podem ser encontrados em versões sensíveis à luz. O exemplo mais comum é em acopladores ópticos como os da série MOC310 e 3020 que são empregados no disparo de triacs, conforme mostra a figura 17.
* LASCR
LASCR são SCRs (Diodos Controlados de Silício ou Silicon Controlled Rectifiers) que tem suas junções expostas à luz de modo a se obter seu disparo por essa forma de radiação. Assim, conforme mostra a figura 18, basta polarizar a junção de um desses componentes para que ele fique no limiar do disparo e então a luz faz o resto.
A vantagem desse dispositivo está na sua velocidade rápida ao disparo e possibilidade de controlar cargas de potência. No entanto, não são dispositivos comuns pois pode-se obter o mesmo desempenho com SCRs comuns ligados a sensores como os foto-transistores que têm um custo muito baixo.
Encontramos também alguns LASCRs integrados a acopladores ópticos, como o mostrado na figura 19.
A vantagem desse dispositivos está na possibilidade de se ter o conjunto isolado eletricamente num invólucro de pequenas dimensões cuja entrada aceita sinais de microprocessadores, microcontroladores e circuitos lógicos das famílias comuns.
f) Válvulas foto-multiplicadoras
Um dispositivo mais antigo, mas que ainda apresenta um comportamento elétrico que o torna ideal para aplicações em que intensidades de luz extremamente pequenas devam ser detectadas é a válvula foto-multiplicadora ou tubo foto-multiplicador, como também é chamado. Na figura 20 temos o aspecto de um desses sensores foto-elétricos.
Para entendermos o princípio de funcionamento desse sensor foto-elétrico, partirmos da estrutura mostrada na figura 21.
Quando um fóton de luz é emitido e atinge o foto-catodo ele libera um elétron que é dirigido a um dinodo através da ação de um eletrodo de focalização.
Ao incidir no dinodo, o elétron libera outros elétrons que são emitidos em direção a um segundo dinodo. Da mesma forma, ao incidir num segundo dinodo, novos elétrons são liberados e emitidos num processo multiplicador.
Assim no último dinodo já temos uma grande quantidade de elétrons que são então captados por um anodo, produzindo assim uma corrente de saída no dispositivo.
As válvulas foto-multiplicadoras são usadas nos processos em que quantidades extremamente pequenas de luz devam ser detectadas, por exemplo, um único fóton numa câmara de cintilação.
Essa câmara, usada em pesquisas nucleares contém uma substância que ao receber uma partícula atômica libera um fóton, produzindo assim uma cintilação.
Nas pesquisas mais simples, a radiação de uma substância pode ser avaliada observando-se essas cintilações num microscópio e fazendo sua contagem. Num processo mais elaborado pode-se fazer uso de uma válvula foto-multiplicadora para detectar essas cintilações sendo produzidos pulsos que podem ser contados automaticamente por um circuito.
Conclusão
Os sensores foto-elétricos podem ser encontrados em diversas configurações. Fornecedores como a Rockwell, Omron, Metaltex e muitos possuem amplas linhas de sensores especialmente projetados para aplicações específicas.
Conhecendo as características dos principais tipos, o projetista pode consultar os manuais dessas empresas para encontrar exatamente o modelo de sensor que melhor se adapta a sua aplicação.
