Eletrônica Industrial 
Aula11:  Dispositivos Optoeletrônicos

São os dispositivos  que de alguma forma são ativados pela radiação luminosa que  pode ser visível ou não.

LDR (Light Dependent Resistor)

O  foto resistor ou LDR é um dispositivo cuja resistência elétrica diminui quando aumenta a incidência de radiação luminosa. Existem em diversos tamanhos e potencia, a figura a seguir mostra o símbolo e o aspecto físico e são usados em detecção de fumaça, alarmes de segurança e roubo, controle de luminosidade, contagem de peças, etc.

        ( a )                                            ( b )

Fig01: LDR  ( a ) símbolo ( b ) resposta espectral

A figura a seguir mostra duas aplicações típicas de detecção de luz,  a primeira usando transistor e a segunda usando amplificador operacional.

                        ( a )                                                                   ( b )

Fig02: circuitos de detecção de luz  ( a ) com transistor  ( b ) com amplificador operacional

Na figura02a na presença de luz  o circuito é ajustado (potenciômetro de 47K) para que o transistor corte. Na ausência de luz (escuro) a resistência do LDR aumenta aumentando a tensão nele o que faz o transistor saturar ligando o relé.

Na fig02b no escuro a tensão na entrada não inversora deve ser levemente inferior à tensão na entrada inversora, desta forma a saída do amplificador operacional é aproximadamente zero e portanto o relé estará desligado. Quando o LDR  for iluminado a tensão na entrada n ao inversora aumentara fazendo a saída do AO subir para aproximadamente 12V o que faz o transistor saturar ligando o relé.

 Fotodiodo e Fototransistor

Um foto diodo funciona  ao contrario do LED, isto é, ao receber uma radiação luminosa,  na junção, produzirá uma corrente que será proporcional à intensidade luminosa. São usados basicamente para detectar a intensidade luminosa, a posição, cor e a presença.  A figura a seguir mostra a polarização e a curva  característica. Cada uma das curvas da figuraxxx é para um nível de intensidade luminosa.

                                ( a )                                                                ( b )
Fig03: fotodiodo( a ) polarização ( b ) curva característica

Com o dispositivo no escuro a corrente será devido aos portadores gerados termicamente (portadores minoritários), essa corrente é chamada de corrente no escuro, I_S.

 Com a incidência de luz na junção a corrente aumentará pois novos portadores de carga serão gerados. A corrente total (I_T)  através da junção será dada por:

I_T= I_S+I_IL

I_S é a corrente de saturação

I_IL é a corrente devido  à radiação incidente

O fotodiodo tem um pico de resposta para um determinado comprimento de onda, para o qual é produzido o máximo numero de pares eletron-lacuna.

Com o dispositivo no escuro a corrente através da junção (I_S) corresponde à corrente devido aos portadores minoritários os quais são gerados termicamente. Com a  incidência de radiação luminosa na junção a corrente aumentará pois novos portadores de carga  (elétrons livres e lacunas) serão gerados. A corrente total através da junção será dada por:

   I_T = I_S + I_IL  

  onde    I_S é a corrente de reversa de saturação devido aos portadores gerados termicamente, portanto essa componente depende da temperatura, também é chamada de corrente no escuro.

 I_IL   é a corrente devido a incidência da radiação luminosa

  O foto diodo tem um pico de resposta para um determinado comprimento de onda (cor), para o qual será gerado o maximo de pares eletron-lacuna, sendo  maxima ao redor do comprimento de onda de 0,85μm.

O fototransistor é mais sensível  que o fotodiodo, gerando uma  corrente  β vezes maior, porem tem uma resposta em freqüência proporcionalmente menor. A resposta espectral  está mostrada  na figura a seguir.

Fig05; Fototransistor - Exemplo de resposta espectral       Fonte: Detecting Infrared Radiation with a Phototransistor and an IR Filter; Edward V. Lee, American Physical Society, College Park, MD

A figura a seguir mostra  a polarização do fototransistor na configuração emissor comum,   a curva característica,  e o circuito equivalente. Para  a configuração emissor comum, a saída é baixa quando o dispositivo é iluminado e alta quando está no escuro,

Fig06; Fototransistor  (a ) e ( b ) configuração emissor comum  ( c ) circuito equivalente ( d ) curva característica de coletor

 Outra alternativa é a configuração coletor comum, figura07, na qual  a saída será alta com o dispositivo iluminado. A terceira  alternativa é usada quando, o terminal da base estiver disponível e for desejado uma diminuição na sensibilidade do fototransistor.

             O fototransistor pode operar no modo ativo e no modo chave. No modo ativo a saída será proporcional à intensidade luminosa, essa aplicação é usada nos casos em que se deseja comparar níveis de intensidade de radiação ou mesmo medir a intensidade da radiação.  No modo chave a saída será ou Vcc ou aproximadamente zero.

Fig07; Fototransistor polarizado ( a ) na configuração coletor comum ( b ) com terminal de base acessivel

  A corrente de coletor no escuro  é dada por:

 I_C= β.I_S=I_E

 Na presença de radiação portadores adicionais serão gerados, fazendo aparecer uma corrente I_IL que será adicionada à corrente no escuro. Acorrente total será dada por:

 I_C= β.( I_IL +  I_S) desta forma  a corrente  produzida pela radiação luminosa será multiplicada por  β. Pelo modelo podemos verificar a equivalência entre  um fototransistor  e um fotodiodo ligado a um transistor comum.

Acoplador Ótico

Um acoplador ótico ou isolador ótico é similar a um transformador, no qual a saída é isolada eletricamente da entrada, no transformador o acoplamento é feito magneticamente e no acoplador ótico é feito através de radiação luminosa.

Fig08:  acoplador ótico aspectos construtivos

A capacidade de transmitir o sinal da entrada para a saída é dada através da relação de transferência (CTR), a qual depende da eficiência do LED, do detector, da distancia entre o emissor e o receptor,  da superfície e sensibilidade do detector.

Os três principais parâmetros de um acoplador ótico são:

• A resistência  de isolação, é a resistência CC medida  entre a saída e a  entrada sendo maior do que   10¹¹ Ohms.
• A capacitância de isolação, é a capacitância parasita do dielétrico da entrada para a saída, e o seu valor varia de 1 a 3 pF. Devido á essa capacitância o dispositivo pode sofrer danos se tensões muito rápidas forem aplicadas, por exemplos tensões acima de 500V/μs.
• Tensão de isolação, é a máxima tensão que o dielétrico pode suportar. A tensão de isolação pode atingir valores da ordem de 5000V.

 Acoplador Ótico Comercial

 O acoplador ótico 4N25 (4N26,4N27,4N28,4N35,4N36) são acopladores óticos de propósito geral com 6 pinos Dual In Line.

 A figura a seguir mostra  o encapsulamento e  o esquemático interno.

Fig09: 4N25   ( a ) encapsulamento branco  ( b )  encapsulamento preto   ( c ) esquemático

A figura a seguir mostra algumas das curvas características do acoplador ótico 4N25.

Fig10:   ( a ) curva característica de entrada  ( b ) relação de transferência normalizada em função da corrente de entrada (corrente no LED)

 O acoplador ótico mais conhecido é o que tem como fotodetector um foto transistor mas existem inúmeros outros tipos de elementos de saída: foto diodo, fotodarlington, fotoscr, fototriac, etc.

 Comutadores e Refletores Óticos 

São basicamente um emissor e um receptor  em um mesmo modulo mas com  abertura que permita a colocação de um anteparo para cortar o feixe, no caso do interruptor, ou  de um anteparo para refletir o feixe, no caso do modulo refletor. A figura a seguir mostra, de forma simplificada, o principio de funcionamento.

Fig11:  Refletor ótico ( a ) aspecto físico  ( b ) esquemático ( c ) dimensões (mm)

Um exemplo de  refletor ótico é o QRE00034 da Fairchild, o qual  consiste de um diodo emissor infravermelho e um foto transistor montados lado a lado em um eixo convergente. O foto transistor responde à radiação somente quando um objeto refletor no seu campo de visão.

          ( a )                                         ( b )                             ( c )

Um exemplo de interruptor  ótico é o MOC70P1 da Fairchild. Esses dispositivos são usados principalmente em controle e posicionamento de motores. Por exemplo, a figura 5.15 mostra um disco no qual existe uma ranhura (poderia ser um orifício), à medida que o eixo gira quando a ranhura estiver  alinhada com o feixe o transistor de saída satura e quando o feixe for cortado o transistor corta gerando uma onda quadrada na saída. A freqüência  da onda quadrada será proporcional  à rotação do eixo e ao numero de ranhuras.

Fig 13:  Interruptor ótico como sensor de movimento