Sensores de luz ou fotossensores, projetados para medir a intensidade da luz, são um dos sensores mais comumente usados em aplicações eletrônicas. A intensidade da luz é uma das sete grandezas físicas básicas. A medição da intensidade da luz é útil em muitas aplicações de consumo, industriais e de segurança.
O que é um sensor de luz?
Um sensor de luz é um dispositivo fotoelétrico que converte energia luminosa em energia elétrica. Esses sensores são projetados para serem sensíveis à luz visível, infravermelha ou ultravioleta, o que significa que são sensíveis a uma faixa estreita do espectro eletromagnético.
Os sensores de luz são construídos a partir de materiais seletivos que geram eletricidade quando expostos a uma parte específica do espectro. A quantidade de eletricidade é proporcional à intensidade da luz incidente.
Unidades de intensidade de luz
A intensidade da luz é uma das sete grandezas físicas básicas. Sua unidade “SI” é candela. Uma candela é a intensidade luminosa em uma determinada direção de uma fonte, que emite luz verde monocromática de 540×1012 hertz e tem intensidade radiante de 1/683 Watt por esterradiano na mesma direção.
Candela é frequentemente usada para indicar a intensidade das luzes artificiais. Outras unidades incluem lúmen e lux. Lúmen é a unidade de fluxo luminoso e mede a quantidade total de luz emitida por uma fonte. É definido como a quantidade de luz emitida por segundo em um ângulo sólido de um esteradiano de uma fonte uniforme de uma candela. O lúmen é frequentemente usado para indicar o brilho das fontes de luz.
Enquanto o lúmen é uma unidade usada para expressar a quantidade total de luz de uma fonte, lux é a quantidade total de luz de uma fonte incidente em uma determinada área de superfície. Um lux é igual a um lúmen de luz incidente por metro quadrado.
Tipos de sensores de luz
Os sensores de luz são principalmente dispositivos passivos. Eles são categorizados em duas classes:
1. Gera eletricidade quando exposta à luz (ou seja, dispositivos fotoemissivos e fotovoltaicos)
2. Conduz eletricidade quando exposto à luz (isto é, dispositivos fotocondutores/fotorresistivos e de fotojunção)
Um dos melhores exemplos de dispositivo fotovoltaico é uma célula solar. Um fototubo é um dispositivo fotoemissivo. Um resistor dependente de luz é um dispositivo fotocondutor/fotorresistivo. Fotodiodo e fototransistor são dispositivos de fotojunção populares. No entanto, é importante observar as diferenças entre esses mecanismos.
Dispositivos fotoemissivos são construídos a partir de materiais fotossensíveis, como o césio, que gera elétrons livres quando exposto a fótons. Esses dispositivos geram corrente quando expostos à luz. Quanto maior a frequência da luz incidente, maior será a energia dos fótons incidentes e maior será a quantidade de corrente elétrica gerada.
Em dispositivos fotovoltaicos, a diferença entre dois materiais semicondutores é gerada em resposta à energia luminosa incidente. Devido a essas diferenças de potencial, a corrente flui entre as duas camadas semicondutoras.
Dispositivos fotocondutores são construídos com materiais semicondutores que sofrem alterações de condutividade com base na exposição à luz. Devido à energia absorvida da luz incidente, mais elétrons livres são gerados e a condutividade desses materiais aumenta. O material fotocondutor mais comum usado em células LDR é o sulfeto de cádmio.
Os dispositivos de fotojunção são construídos com materiais semicondutores típicos, como silício ou germânio. Eles operam como qualquer diodo ou transistor normal, exceto que sua junção PN é exposta à luz e conduz quando sujeita à luz. A resposta de um fotodiodo ou fototransistor é sintonizada em uma faixa específica do espectro eletromagnético.
LDRs
Um resistor dependente de luz (LDR) ou fotorresistor é feito de um semicondutor fotossensível cuja condutividade muda quando exposto à luz.
A resistência do material é de vários milhares de ohms ou mega ohms no escuro e cai para algumas centenas de ohms quando sujeito à luz. O material semicondutor é frequentemente colocado em zigue-zague sobre um substrato cerâmico para aumentar a resistência ao escuro.
Os materiais semicondutores normalmente usados para a construção de fotorresistores são sulfeto de chumbo (PbS), antimoneto de índio (InSb), seleneto de chumbo (PbSe) e sulfeto de cádmio (CdS).
O sulfeto de cádmio é o material mais comum utilizado na construção de LDRs. É um semicondutor de baixo custo com uma curva de resposta que se aproxima da do olho humano. O comprimento de onda de pico de sensibilidade do sulfeto de cádmio é de 560 nm a 600 nm.
Geralmente, o LDR é usado para a detecção de claro ou escuro. Pode ser conectado em uma rede divisora de tensão com um circuito transistorizado ou um microcontrolador/microprocessador. Também pode ser conectado a uma ponte de Wheatstone com um circuito amplificador operacional.
Fotodiodos
Um fotodiodo é um dispositivo de fotojunção. É um diodo normal com sua junção PN exposta à luz através de uma caixa transparente ou lente transparente. Esses diodos têm as mesmas características de tensão-corrente que quaisquer outros diodos de junção. Mas eles têm maior condutividade que os diodos convencionais porque sua junção está aberta à exposição à luz.
Os fotodiodos são conectados em uma configuração de polarização reversa, que conduz uma corrente de fuga reversa no escuro. Quando o fotodiodo está sujeito à luz, a corrente de fuga reversa aumenta várias vezes.
A corrente de fuga reversa de um diodo de silício no escuro é 1 uA. O de um diodo de germânio é 10 uA. Na exposição à luz, a corrente de fuga reversa pode atingir até 300 uA. Quanto maior a intensidade da luz incidente, maior será a corrente de fuga reversa.
LDRs ou fotorresistores têm um longo tempo de resposta. Podem levar vários segundos para alterar a condutividade após a exposição à luz. Os fotodiodos, por outro lado, têm uma resposta instantânea.
Embora um LDR esteja sintonizado no espectro visível da luz, os fotodiodos são sensíveis às luzes visíveis e infravermelhas. A maior desvantagem dos fotodiodos é que a sua corrente de fuga reversa ainda está na faixa dos microamperes – mesmo quando sujeitos à luz. Portanto, eles requerem um circuito amplificador operacional para detecção de luz.
Os fotodiodos têm um tempo de resposta em nanossegundos. Eles são usados em aplicações sofisticadas, incluindo câmeras, dispositivos de imagem e digitalização, leitores de CD e DVD, comunicação por fibra óptica, detecção de movimento e sensores de posicionamento.
Fototransistores
Os fototransistores são semelhantes aos fotodiodos, exceto que fornecem amplificação da corrente. Eles geralmente são projetados usando transistores NPN normais com sua junção PN da base do coletor exposta à luz por meio de uma caixa transparente ou lente transparente. Devido à amplificação da corrente, sua corrente de saída é 50 a 100 vezes maior que a dos fotodiodos. A região base é eletricamente isolada ou possui controle de sensibilidade.
Como o fototransistor já fornece amplificação de corrente, ao contrário de um fotodiodo, e não necessita de amplificador externo para seu funcionamento. Um fototransistor é simplesmente um transistor típico com um coletor de base exposto à luz.
Os fototransistores NPN são conectados em um circuito com seu coletor base em configuração de polarização reversa. No escuro, há uma pequena corrente de fuga do emissor. Quando exposta à luz, a corrente de base aumenta e é amplificada pelo transistor. A sensibilidade de um fototransistor depende do ganho DC do transistor. A corrente de saída pode ser controlada pela resistência entre a base e o emissor do fototransistor.
Para aplicações de maior sensibilidade, como optoacopladores, são usados fototransistores Darlington. Nos transistores Photodarlington, dois fototransistores do tipo NPN são conectados como um par Darlington. A amplificação da corrente de saída é o produto da amplificação da corrente dos dois fototransistores. Os transistores Photodarlington têm um tempo de resposta mais longo em comparação aos fototransistores, mas oferecem maior sensibilidade.
Os fototransistores são normalmente usados como interruptores ópticos, isoladores ópticos ou filtros infravermelhos e em controles remotos IR e comunicação por fibra óptica.
Células solares
Células solares ou células fotovoltaicas não são sensores. Eles são usados principalmente para gerar energia solar e são feitos de junções PN de silício monocristalino, fotodiodos semelhantes, mas com uma curva de resposta mais ampla.
Ao contrário dos fotodiodos conectados em uma configuração de polarização reversa, as células solares são conectadas em uma configuração de polarização direta, muito parecida com os diodos típicos. Essas células são projetadas para serem sensíveis à luz solar, em vez de uma faixa estreita do espectro eletromagnético. Quando exposta à radiação solar, uma célula gera uma diferença de potencial de 0,58V.
Normalmente, várias células solares são conectadas em série em um painel para produzir uma tensão maior. Esta tensão CC pode acionar uma carga resistiva ou ser convertida em CA para transmissão.
Aplicações de sensores de luz
LDRs, fotodiodos e fototransistores são comumente usados como sensores de luz em diversas aplicações. Os exemplos incluem: ajuste de brilho em dispositivos móveis, luzes automáticas, irrigação automática, isolamento óptico, comunicação de fibra óptica, detecção de movimento, controles remotos IR, detecção de posição, dados ópticos e imagens ópticas.
Sensores de luz também são usados para aplicações de segurança e automação residencial. Por exemplo, eles são frequentemente usados em remessas de carga para detectar em que horários o contêiner foi aberto para rastrear mercadorias perdidas. Alguns sensores de luz também são usados para detecção de movimento em muitas aplicações de segurança residencial inteligente.