Sensores Ópticos

Introdução

Existem dois tipos de sensores:

Operação Direta – São chamados de transdutores, são ditos direta por transformarem uma grandeza física qualquer em um sinal elétrico, mantendo uma proporção de transformação sem modificar suas características físicas.

Operação Indireta – São aqueles que quando sujeitos a uma grandeza física, modifica suas características, de forma proporcional, como por exemplo, sua resistência, capacitância, indutância, etc.. A linearidade é a característica mais importante e muitas vezes é a limitação da aplicação, em outras palavras: quanto mais linear é um sensor, melhor será sua qualidade e sua resposta a um estímulo.    Utiliza-se uma faixa onde o sensor é mais linear possível, denominamos de faixa de atuação (limites máximo e mínimo).

Podemos classificar da seguinte maneira:

De contato: são aqueles que nos informam:

• Presença
• Força
• Pressão
• Escorregamentos
• Limites

Sem contato: são aqueles que basicamente nos informam presença em uma determinada área:

• Distâncias
• Movimentos
• Posição

Sensores ópticos (operação direta, sem contato)

Basicamente, são sensores cujo funcionamento baseia-se na emissão de um feixe de luz, o qual é recebido por um elemento foto-sensível.  Para evitar ruídos (=outras luzes) do ambiente confundam o receptor, o emissor produz e envia um feixe de luz pulsada através de um LED. (Figura-1).

Tipos de foto sensores mais usuais

1)  Foto diodo: sensível a luz, ou seja, quando a luz incide sobre sua junção o mesmo gera portadores majoritários conduzindo corrente elétrica. (Figura-02)

2) Foto transistor: parecido com um foto-diodo, podendo conduzir mais corrente, porém, possui uma resposta mais lenta à incidência de luz.  Existe uma configuração de três terminais para permitir uma possível polarização. (Figura-03)

3) LDR (Light Dependent Resistor, tradução Resistor Variável com a Luz): é um resistor que varia conforme a intensidade da luz (foto-resistência) – o LDR é um dispositivo semicondutor cuja resistência varia proporcionalmente com a incidência de luz. (Figura-04)

Configurações usuais do emissor e receptor

1)  SENSOR de BARREIRA – O emissor e o receptor localizam-se em dois dispositivos diferentes.  Eles devem estar alinhados (=mesma linha) de tal forma que a luz do emissor chegue ao receptor.  Quando um objeto não transparente se interpõe no caminho da luz, entre o emissor e o receptor, a luz é interrompida, fazendo com que o receptor detecte este fato e mude o estado da saída.

Esta configuração, dependendo do emissor e do tipo de luz empregado, permite uma distância considerável entre o emissor e o receptor (algumas dezenas de metros) – aplicados em circuitos de segurança em elevadores e nas portas de garagem (em ambos os casos evitam que as portas prensem a pessoa, ou carro).  Encontramos versão de um feixe e de múltiplos feixes.

Temos casos que o emissor e o receptor localizam-se no mesmo dispositivo; apenas separados por fenda que permite uma distância a passagem de um objeto de espessura mínima.  Exemplo: Foto-interruptor (Figura-06).

Encoder (é um dispositivo que converte número de giros em pulsos elétricos) aplica foto-sensor com um disco com furos eqüidistantes do centro, solidário ao eixo de um motor, ou em componentes mecânicos giratórias.  Neste caso é conhecido como encoder incremental (Figura-07).

2)   SENSOR de REFLEXÃO – O emissor e o receptor localizam-se no mesmo dispositivo, apontados no mesmo sentido, porém, em direção paralela, ou não.   Para que o feixe de luz emitido pelo emissor chegue ao receptor, é necessário que ele se reflita em uma superfície refletora (por exemplo, espelho) posicionada em uma posição conveniente. É comum utilizar uma superfície conhecida por “olho de gato” que possui uma característica interessante – reflete a luz com o mesmo ângulo que chega. (Figura-08).

3)     SENSOR de REFLEXÃO DIFUSA – O emissor de luz e o receptor, também, se localizam no mesmo dispositivo, normalmente muito próximo um do outro e apontados paralelamente. Quando uma superfície rugosa branca, ou brilhante (que não absorva a luz = que reflete) é colocada bem na frente do dispositivo, o feixe emitido é refletido nela e retorna ao receptor. (Figura–09)

Exemplos de aplicações

a) Industrial

Na indústria são muito utilizados, por exemplo, em sistemas de contagem de peças, determinação de fim de curso, e sistemas de segurança, os sensores em geral incluindo os sensores ópticos podem ser encontrados em duas versões PNP, e NPN, já que são em sua grande maioria baseados em transistores, a tensão mais comum entre esses sensores é de 24VDC, padrão no meio industrial e de fácil integração com CLPs (Controladores Lógico Programável), mas também é possível ser encontrados em tensões como 220VAC, mas em menor escala.

b) Predial e residencial

Detalhes Construtivas de fotodiodos e fototransistores de silício, LDR (de CdS) e outros.

Fotodiodo PN

Sabemos que uma junção PN pode emitir luz sob ação de uma corrente elétrica. E o processo inverso também é possível, ou seja, a luz pode gerar uma corrente elétrica em uma junção PN. (Figura-12)

É um diodo semicondutor em que a junção está exposta à luz (fóton). A energia luminosa desloca elétrons para a banda de condução, reduzindo a barreira de potencial pelo aumento do número de elétrons, que podem circular se aplicada polarização reversa.

A corrente nos fotodiodos é da ordem de dezenas de mA com alta luminosidade, e a resposta é rápida. Há fotodiodos para todas as faixas de comprimentos de onda, do infravermelho ao ultravioleta.

Na fabricação dos Fotodiodos são utilizados materiais semicondutores (pn) como o germânio e o silício. Sua sensibilidade luminosa se baseia no efeito fotoelétrico que neles ocorre, no qual a camada semicondutora modifica o valor de sua resistência no sentido de bloqueio, dependendo da intensidade luminosa incidente. Para que o efeito fotoelétrico seja influenciado o menos possível por fontes externas de luz, o fotodiodo é envolto de tal modo, que a luz atinge a área fotossensível apenas através de uma pequena abertura (de 1 m de diâmetro). Quando uma junção é atingida por luz produz uma corrente chamada fotocorrente.

Estando este diodo polarizado inversamente, a zona de transição será maior, aumentando a fotocorrente, se comportando como uma fonte de corrente dependente de intensidade luminosa.

O fotodiodo é usado como sensor em controle remoto, em sistemas de fibra óptica, leitoras de código de barras, scanner (digitalizador de imagens, para computador), canetas ópticas (que permitem escrever na tela do computador), toca-discos CD, fotômetros, como sensor indireto de posição e velocidade, em automação industrial, câmeras fotográficas, aeronaves de combate (de guerras), em drones bélicos, em robótica, entre milhares de aplicações.

Fototransistor NPN, PNP

Transistor sensível a radiação de fótons. Sua representação é dada abaixo (Figura-13). Pode vir ou não o terminal de base.

É um transistor cuja junção coletor-base fica exposta à luz e atua como um fotodiodo. O transistor amplifica a corrente, e fornece alguns mA. Sua velocidade é menor que a do fotodiodo, porém, fornece corrente maior.

Suas aplicações são as mesmas do fotodiodo, exceto sistemas de fibraóptica, pela operação em alta freqüência, contudo encontramos muitas outras aplicações dos fototransistores nos mais diversos tipos de grandezas a serem medidas e monitoradas.

LDR (Light Dependent Resistor), fotoresistor

Normalmente, é utilizado o sulfato de cádmio (CdS) como elemento fotoresistor.  Quando a luz incide sobre a trilha de CdS provoca a liberação de portadores de carga que aumentam a condução da corrente elétrica (diminuindo a resistência).  Veja a estrutura (Figura-14).

O sulfeto de cádmio (CdS) apresenta uma resistência altíssima (ordem de dezenas de megaohms) no escuro e quando iluminado com luz do sol a resistência pode cair para algumas dezenas de ohms.

Por exemplo, um LDR típico de 1 cm de diâmetro. A resistência máxima, no escuro deste componente deve ficar entre 1MΩ e 10 MΩ, dependendo do tipo, e a resistência com iluminação máxima (ambiente) deve ficar entre 75 e 500 ohms tipicamente.

Os LDRs não são componentes polarizados, o que quer dizer que a corrente pode circular os dois sentidos. As variações da resistência com a luz são iguais em qualquer sentido.

O LDR é um dispositivo lento, pode levar algumas dezenas de segundos para completar o ciclo na variação de resistência.   Enquanto que outros tipos de sensores como os fotodiodos e os fototransistores podem perceber variações muito rápidas de luz, em freqüências que podem chegar a centenas de vezes por segundo.

Esta lentidão do LDR impede que ele seja usado em sensores do tipo leitor de cartões perfurados, códigos de barras ou sistemas de alarmes modulados. No entanto, em aplicações mais simples, em que os tempos necessários para a atuação sejam maiores como alarmes, brinquedos, sensores de luz ambiente, detetores de níveis de iluminação, fotômetros, ele é muito útil.

CCD – (Charge Coupled Devices) – sensores de imagem

É um tipo de sensor ótico que é formado por milhares de fotodiodos (ou fototransistores) montados em um chip (pastilha de silício - semicondutor).  E sua quantidade determinará a resolução (qualidade) da imagem.

Estes sensores de imagem são dispositivos semicondutores, fabricados através de processos de microeletrônica, conhecido como tecnologia planar.  Capturam imagens através de feixe de luz que atravessa uma lente que incide sobre a superfície do sensor, transformando em carga elétrica, onde essa carga é processada em imagem digital por um circuito eletrônico.

Informação armazenada em cada fotodiodo é transferida verticalmente para um “balde”, primeiramente; e depois existe uma transferência horizontal destes baldes (como revezamento) com informações de imagem, são transformadas em sinais de tensão e amplificadas antes de serem colocadas na saída. (Figura-15)

Exemplo de um chip CCD comercial utilizado em Camcoder (filmadora manual).  Figura-16.

As imagens são importantes em todas as áreas, principalmente, na área científica do microscópio até o telescópio e, também, muito importante para registrar e eternizar os momentos da nossa vida cotidiana.

CMOS (Complementary Metal Oxide Semicondutor)

A base de invenção deste sensor foi CCD. O CMOS apresenta a mesma propriedade de captura de imagem, as únicas diferenças: a forma como este transforma a energia da luz (fóton) para cargas elétricas e como é composto cada circuito de um pixel. 

Os sensores CMOS têm a mesma capacidade de gerar uma carga elétrica à intensidade de luz que incide na superfície do sensor.  Cada pixel é constituído por fotodiodos, capacitores e transistores interligados.

Temos dois tipos de sensores CMOS: sensores de pixel passivos (sem amplificador) e sensores de pixel ativo (com amplificador).

No sensor CMOS as informações de imagem (pixels) são transferidas diretamente à saída. (Figura-17)

Fig-18: Exemplo de um sensor CMOS.  As aplicações são as mesmas do CCD, porém, o custo é bem menor e a velocidade maior.  A influência de ruídos eletromagnéticos é maior em CMOS do que em CCD.