|
Dispositivos Fotoelétricos
Os dispositivos cobertos nesta discussão são os seguintes: Eles são
mostrados em ordem de sensibilidade crescente. A Célula Foto-elétrica é o
menos sensível enquanto que o Foto Transistor Darlington é o mais
sensível:
A Célula Foto-elétrica (Foto-Resistor - LDR)
O LDR (Light Dependent Resistor - Foto-célula)
A Célula Fotovoltaica - célula solar - produz uma saída de
voltagem
O Foto-Diodo
O Foto Transistor
O SCR ativado por Luz
O Foto FET
O Foto Transistor Darlington
Todos os dispositivos fotoelétricos na Biblioteca de símbolos de Circuitos
serão descritos juntos neste artigo, pois todos fazem a mesma coisa -
detectam luz. O diagrama abaixo mostra os símbolos dos dispositivos que
nós iremos cobrir:
Todos os dispositivos foto-elétricos operam de maneira muito similar a um
resistor variável. Quando não estão recebendo luz, eles têm uma
resistência ALTA. Quando a iluminação é mais forte, eles apresentam
resistência BAIXA.
O
diagrama abaixo mostra como o circuito enxerga o dispositivo
Foto-elétrico. A saída é tomada entre o dispositivo e o resistor de carta.
O resistor de carga também pode ser chamado de um resistor de “parada” ou
“limitador” uma vez que ele limita a corrente usada pelo dispositivo
quando ele está detectando alta luminosidade.
Nota: a saída se apresenta em ‘queda’ à medida que a luminosidade brilho
aumenta. Isso significa que a voltagem de saída aparece na proporção em
que a iluminação aumenta e deve ser detectada pelo próximo estágio do
circuito. Veja mais detalhes da Página 2.
A única maneira de trabalhar com um dispositivo que você precise para uma
aplicação em particular é construir um circuito experimental.
Há uma vasta variedade de dispositivos fotoelétricos no mercado, mas muito
poucos são disponíveis no varejo e não há um modo de comparar a
sensibilidade relativa de cada um deles a partir dos parâmetros fornecidos
com cada dispositivo. Assim, você precisa realizar um teste real, físico.
O circuito de testes mais simples é conectar cada dispositivo à faixa de
alta-resistência de um multímetro. O diagrama abaixo mostra esse arranjo e
como o multímetro vai reagir quando o dispositivo detectar a presença de
luz.
Nota: O multímetro está ligado corretamente pois o pólo negativo do
multímetro é ligado ao polo positivo da bateria no interior do medidor.
Para mais detalhes sobre usar um multímetro para testar componentes como
transistores, clique AQUI.
Existem basicamente três tipos de dispositivos fotoelétricos. Baixa, média
e alta sensibilidade. Os componentes de baixa sensibilidade são a
Foto-Célula e o Foto-Diodo. O de média sensibilidade é o Foto Transistor e
os componentes de alta sensibilidade são o LASCR (SCR ativado por luz), o
Foto FET (Transistor de efeito de Campo) e o foto transistor Darlington.
Quando comparar esses três grupos você será capaz de ver o movimento
relativo da agulha do multímetro.
DUAS CONDIÇÕES
Componentes fotoelétricos operam basicamente sob duas condições
diferentes. A Condição 1 é a mudança da escuridão para a luz (ou da
luz para a escuridão). A Condição 2 é a mudança a média
luminosidade para uma situação mais brilhante (ou de uma situação mais
brilhante para uma mais escura
Para a primeira, quando o componente fotoelétrico está conectado ao
multímetro a agulha mal irá se mover quando ele estiver no escuro e
produzir praticamente a escala completa quando estiver sob luz forte. Na
segunda condição a agulha irá ficar em alguma parte da escala e mover-se
apenas ligeiramente.
Ela se movimentará muito pouco para um LDR. Vai apresentar um movimento
mais amplo para um foto transistor e ainda mais forte para o Foto
transistor Darlington.
Dependendo da quantidade de movimento, você tem a escolha de usar um
componente mais sensível, mais caro, ou um componente com baixa
sensibilidade com um ganho adicional fornecido por um estágio de
amplificação..
Em alguns casos o componente de alta-sensibilidade sai mais barato do que
o arranjo para o de baixa sensibilidade com o estágio de amplificação, de
forma que isso pode influenciá-lo em sua escolha. O resultado final vai
depender da adequação, da disponibilidade do componente, e do custo.
Nenhum dos componentes acima produz uma voltagem de saída.
Eles apenas mudam sua resistência quando detectam a presença de luz. O
único componente que produz uma voltagem na presença de luz é a célula
foto-voltaica. Ela é uma célula solar e produz tanto voltagem quanto
corrente quando exposta à luz. À medida que a luz aumenta, a voltagem
aumenta também, mas a característica mais importante é a corrente. Quando
corrente e voltagem são produzidas, dizemos que a célula é capaz de
entregar ENERGIA.
Células solares individuais podem ter uma saída de voltagem de 0,45 ou
mais (na verdade, quase qualquer voltagem). O fato prático é que uma série
de peças de material semicondutor é ligada em série ou paralelo com a
célula para a produção de voltagem e corrente.
As células também podem produzir saída de corrente de poucos miliampères
até centenas de miliampères. Isso se dá devido a conexão de muitos
componentes semicondutores no interior do componente. A característica de
cada célula solar é fornecida no momento da sua compra.
Uma célula solar não produz muita saída (corrente) sob a iluminação
ambiente de um cômodo, por exemplo, e são bastante grandes em tamanho.
Isso pode influenciar a sua decisão para usá-las ou não como detectores de
luz.
QUAL TIPO EU DEVO USAR?
Devido à falta generalizada de dispositivos fotoelétricos em lojas para
hobistas, o circuito que você escolherá vai depender dos tipos
disponíveis. Exatamente por essa razão, nós não podemos fornecer um modelo
ou especificações sobre um componente em particular. Todos os circuitos em
nossa discussão são de natureza geral.
Algumas vezes é mais barato adquirir um “kit de hobista” com tipos
variados ou ir para uma loja de saldos, pois algumas vezes componentes
novos, originais são muito caros.
Estas notas foram escritas para ajudá-lo a reconhecer “foto” transistores
e diodos, e mostrar circuitos típicos onde são usados.
Um ponto a se observar é o número de terminais em um dispositivo
fotoelétrico. Tanto os transistores como os diodos possuem dois terminais,
uma vez que a base do foto transistor não é conectada a nenhum circuito
externo, não sendo necessária no exterior do componente. Isso torna
extremamente difícil dizer a diferença entre um foto diodo e um foto
transistor. Na realidade é impossível sem que se teste o desempenho de
cada um.
Um foto transistor será entre 10 a 100 vezes mais sensível do que um foto
diodo.
O
FOTO TRANSISTOR
O Foto Transistor é um transistor normal, em um corpo plástico. Se esse
corpo for escuro, o transistor irá responder apenas à luz infravermelha –
caso contrário, responderá tanto a luz normal, quanto à infravermelha.
Todos os transistores vão responder à luz e por isso eles têm que estar em
uma embalagem vedada à entrada de luz se você não quer essa resposta. O
material de silício que compõe as junções em um transistor muda de
resistência quando ele “vê” a energia de uma fonte de luz, e essa mudança
é detectada entre os terminais coletor e emissor.
Algumas vezes um segundo transistor é montado dentro do mesmo corpo e isso
amplifica a mudança de resistência para produzir um dispositivo ainda mais
sensível. Essa combinação é chamada de FOTO TRANSISTOR DARLINGTON.
Há também a disponibilidade de dois componentes menos sensíveis. Eles são
o FOTO DIODO e o FOTO RESISTOR (Também chamado de LDR –
light dependent RESISTOR).
Alguns componentes detectam a luz visível, enquanto que outros detectam o
infravermelho.
Conseguir que um circuito de detecção de luz funcione requer um pouco de
experimentação.
Você precisa determinar se o componente que está usando é sensível o
bastante para a aplicação e ajustar o circuito para as condições de luz em
que irá operar.
O
circuito acima pode ser ajustado de forma que praticamente qualquer nível
de luz seja detectado. Quando a presença de luz é detectada pelo foto
transistor MEL-12, a resistência dele DIMINUI. Isso significa que o nível
de voltagem no lado esquerdo do eletrolítico de 10µ é trazido abaixo em
direção ao pólo de 0v da grade. Isso faz o lado direito do eletrolítico
cair. O resultado é que o nível de voltagem na base do primeiro transistor
é REDUZIDO. Isso DESLIGA o transistor. O segundo transistor é LIGADO e a
voltagem no ponto “X” muda de LOW para HIGH. Esse balanço na voltagem é
passado para o gate CD 4011 NAND para operar um circuito adicional.
O mini trimpot de 50k altera o ganho do foto transistor. Ele torna o
transistor mais sensível à medida que a resistência no trimpot é
diminuída. O resultado é que a queda de voltagem no lado esquerdo do
eletrolítico de 10µ é maior para qualquer mudança ocorrida na luz e isso
significa que uma mudança bem pequena na luz vai acionar o circuito.
O circuito detecta apenas um AUMENTO NA LUZ. Quando a fonte de luz é
removida ou reduzida, o circuito não responde.
O circuito abaixo é projetado para detectar quando a fonte de luz é
DESLIGADA
No circuito a seguir, o estágio A-D e o gate 4011 NAND foram substituídos
por um Trigger Schmitt. Para detalhes sobre o Trigger Schmitt clique
AQUI
O foto transistor MEL-12 é conectado diretamente à saída do gate Schmitt e
o circuito pode ser ajustado através do mini trimpot de 50k.
Quando o MEL-12 recebe luz, a voltagem na entrada do gate Schmitt cai de
um valor HIGH – alto – para LOW – baixo. Para o circuito funcionar o
valor baixo deve ser 33% da voltagem de grade ou menos.
Quando a fonte de luz é removida do MEL-12, a voltagem na entrada do gate
Schmitt sobe para um valor HIGH. Para que o gate altere seu estado, a
voltagem deve subir para 66% da voltagem de grade ou mais.
A animação abaixo mostra como o mini trimpot altera o ganho do foto
transistor.
Se a mudança na intensidade de luz não é suficiente para acionar o gate
Schmitt, você pode acrescentar o estágio A-D descrito acima e o
eletrolítico de 10µ..
A aparência geral dos componentes fotoelétricos varia de acordo com o
fabricante. O diagrama abaixo mostra alguns dos componentes que estamos
cobrindo:
A maior parte dos componentes possui um terminal longo e um curto para
facilitar a identificação, bem como uma “área achatada” perto de um
terminal, ou ainda um corte no corpo. Alguns possuem uma lente para
indicar o lado frontal. O LDR, a Célula fotoelétrica e o foto resistor
podem ser ligados em qualquer direção em um circuito.
É
impossível oferecer um “circuito universal” com valores de componentes
para os dispositivos fotoelétricos, pois cada um difere enormemente dos
outros e as condições de luz para a sua aplicação são desconhecidas.
A única coisa que podemos fazer é explicar como um circuito funciona assim
você pode saber qual componente alterar de forma que o componente
fotoelétrico que escolheu, tenha a voltagem correta para funcionar.
No diagrama a seguir nós temos três diferentes resistores de carga.
A animação abaixo mostra cada circuito respondendo à variações na
intensidade de luz. O dispositivo é um foto transistor Darlington, mas,
exatamente o mesmo “balanço” acontecerá com um foto transistor ou um foto
diodo. A partir dessa animação você poderá ver o efeito de valores baixo,
médio e alto, para a resistência de carga. O resistor de carga determina a
voltagem através do dispositivo como nós já explicamos que o componente
fotoelétrico age exatamente como um resistor variável, assim o circuito
tem na verdade dois resistores em séria, com o ponto médio sendo o ponto
de “partida”.
A saída do dispositivo fotoelétrico com 3 resistores de carga diferentes.
O valor real da voltagem através do componente dependerá da voltagem de
alimentação e do nível de luminosidade.
No primeiro caso, a voltagem permanecerá bastante “alta” e “cairá”
à medida que a luminosidade aumenta.
No segundo caso a oscilação será grande.
No terceiro caso a voltagem será baixa, e cairá muito pouco.
No primeiro e segundo casos, o ganho do transistor é alto e esse é o seu
objetivo se você quer que o circuito seja SENSÍVEL. Em termos técnicos o
transistor tem o maior ganho. O modo mais fácil para chegar ao melhor
ajuste para o estágio é colocar um potenciômetro no circuito. Você também
precisará um resistor de “parada” para prevenir excesso de corrente quando
o dispositivo estiver em condução máxima.
Comece com um potenciômetro de 100k e um resistor de parada de 1k.
Experimente com o circuito e se o potenciômetro estiver muito difícil de
ajustar – o menor ajuste altera bastante as condições do circuito – você
pode reduzir o valor do potenciômetro e aumentar o resistor de parada. Em
outras palavras, mais voltagem será entregue através do resistor e menos
através do potenciômetro. Isso significa que o potenciômetro se torna um
“trimpot” e girando sua haste para um lado e para outro, adiciona ou
remove apenas uma pequena quantidade na resistência.
O
QUE ESTAMOS REALMENTE FAZENDO?
Ajustando o potenciômetro, nós estamos alterando o resistor superior, do
divisor de voltagem. Os resistores formam uma parte do divisor de voltagem
e o componente fotoelétrico forma a parte de mais baixa resistência do
divisor. Há um outro fator que entra na equação. O componente fotoelétrico
terá uma diferença ligeira na resistência (para um nível particular de
luminosidade), dependendo do fluxo de corrente através do circuito
divisor. Mas isso é o mais longe que podemos ir sem entrar em termos muito
mais técnicos – e eu prometi que o curso seria totalmente livre de
complexidades matemáticas.
A única coisa que você realmente tem que saber é isto: Como configurar as
condições do ‘estágio’ para a faixa de luminosidade.
Será necessário um pouco de experimentações para o circuito funcionar
exatamente como requerido.
|
