Optoeletronica Teoria e Prática

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    21-Jul-2015

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OPTOELETRNICATEORIA E PRTICA

Aldo Lopes

No nos responsabilizamos pelo uso imprprio dos projetos publicados. Os projetos no podem ser comparados a produtos industrializados e, embora tenham sido exaustivamente testados em laboratrio, esto sujeitos a pequenos desvios em suas caractersticas tcnicas, inerentes s variaes de qualidade dos componentes utilizados e s ligaes executadas pelo montador. Utilize apenas componentes de boa qualidade e de procedncia conhecida, jamais reaproveitando peas usadas de placas defeituosas ou sucatas.

Todos os direitos reservados. Proibida a reproduo total ou parcial sem prvia autorizao por escrito do autor.

COPYRIGHT BY ALDOBERTO LOPES 1998, 1999, 2000

NDICEINTRODUO ............................................................................................................... 5 CAPTULO 1 DISPOSITIVOS E COMPONENTES OPTOELETRNICOS ............................... 6A LUZ ................................................................................................................................... 6 APLICAES DOS OPTOELETRNICOS ................................................................... 7 LMPADA INCANDESCENTE ....................................................................................... 8 LED - DIODO EMISSOR DE LUZ ................................................................................... 9 DISPLAY FLUORESCENTE............................................................................................. 12 LDR - LIGHT DEPENDENT RESISTOR ........................................................................ 13 FOTO-DIODO ..................................................................................................................... 16 FOTO-TRANSISTOR ......................................................................................................... 17 LASCR (LIGHT ACTIVATED SCR) ................................................................................ 17 DIODO EMISSOR OU LED DE INFRA-VERMELHO ................................................. 18 FOTO-ACOPLADOR ......................................................................................................... 18 FOTO-DIAC E FOTO-TRIAC ........................................................................................... 19 CHAVES PTICAS ............................................................................................................ 20

CAPTULO 2 APLICAES CLSSICAS ......................................................................................... 21FOCO AUTOMTICO EM VIDEO-CMERAS ............................................................ 21 SERVOMECANISMO DE VIDEO-CASSETE ................................................................ 22 UNIDADE PTICA DE COMPACT DISC PLAYER ..................................................... 24

CAPTULO 3 PROJETOS PARA MONTAGEM ................................................................................ 26PROJETO 1: FOTO-SENSOR DE SOMBRA .................................................................. 26 PROJETO 2: DESPERTADOR SOLAR ........................................................................... 28 PROJETO 3: PROVADOR DE TRANSISTORES, DIODOS E LEDS .......................... 30 PROJETO 4: ALERTA - LUZ DE SEGURANA ........................................................... 33 PROJETO 5: FOTO-ESTIMULADOR DE RELAXAMENTO ...................................... 35 PROJETO 6: ALARME POR INFRA-VERMELHO ....................................................... 38 PROJETO 7: SIMULADOR DE PRESENA PROGRAMVEL ................................. 47

CAPTULO 4 FONTES DE ALIMENTAO .................................................................................... 54

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OPTOELETRNICA. TEORIA E PRTICA.

INTRODUO

Os fenmenos luminosos so de grande importncia na histria da Fsica. Na tentativa de entendlos e explic-los, os fsicos desenvolveram diversas teorias, algumas muito poderosas, como o Eletromagnetismo e a Teoria Quntica. H muito tempo, os homens aceitaram em comum acordo uma explicao muito simples do que seria responsvel fisicamente pela nossa viso dos objetos: vemos os objetos por existir algo, denominado luz, que vem da superfcie desses objetos at nossos olhos. A partir da, as dificuldades se tornavam maiores: como explicar esse algo denominado luz? Na procura de uma explicao fsica, surgiram vrios modelos propostos para a luz, como os modelos ondulatrio, corpuscular e quntico. medida que o homem passou a conhec-la melhor, esse conhecimento, aliado evoluo tecnolgica, originou novas aplicaes para a luz e seus fenmenos, levando idealizao e desenvolvimento de muitos dispositivos pticos e optoeletrnicos. Neste livro, nosso objetivo no analisar minuciosamente caractersticas ou propriedades da luz, e sim oferecer ao leitor condies para entender o funcionamento de dispositivos e circuitos eletrnicos que se utilizam dela. Estudaremos os componentes eletrnicos que operam recebendo e emitindo luz, e utilizaremos alguns dos mesmos em projetos prticos, com aplicaes bem definidas e interessantes ao leitorestudante. Naturalmente, alguns dispositivos so viveis apenas para uso em equipamentos de porte ou profissionais. Dessa forma, aplicaremos nos projetos somente os disponveis no mercado tradicional de componentes eletrnicos e que tenham custo accessvel. Por se tratar de um tema especfico da eletrnica, no incluimos no contedo deste livro conceitos e explanaes referentes eletrnica bsica, embora o devido cuidado na elaborao do texto e ilustraes tenha sido tomado, objetivando facilitar a compreenso e o aprendizado mesmo dos leitores iniciantes na eletrnica.

Aldo Lopes

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CAPTULO 1: DISPOSITIVOS E COMPONENTES OPTOELETRNICOS

A LUZNa maioria dos ramos da eletrnica, as ondas de radio-frequncia (RF) tm como principal referncia sua frequncia, em hertz (Hz), ficando os correspondentes perodo (T) e comprimento de onda () apenas subentendidos. Raramente ouvimos algum dizer: essa senide de 10 ms. O comum dizermos: essa senide de 100 Hz, referindo-se sua frequncia, e no ao seu perodo, ou muito menos ao seu comprimento de onda. Embora a luz tambm seja uma irradiao eletromagntica, havendo uma frequncia para cada cor, sua principal referncia o seu comprimento de onda, e no a sua frequncia ou o seu perodo. As irradiaes do grupo ptico so ondas 1 eletromagnticas compreendidas na faixa de comprimento de onda que vai de 10 nm a 10 6 nm (=1mm), onde a unidade nanometro (nm) um sub-mltiplo do metro, e 1 nm equivale a 10-9m. A figura 1 mostra o espectro de frequncias, incluindo a faixa correspondente luz. Para ser cientificamente correto, a palavra luz somente deveria ser utilizada para referir-se faixa de comprimentos de ondas visveis pelo olho humano. No entanto, por apresentar as mesmas propriedades da luz visvel, as irradiaes imediatamente anterior e imediatamente posterior a ela, geralmente tambm so tratadas pelo mesmo nome: luz. O comprimento de onda caracteriza a cor da luz. De 10 nm a 1 mm, so visveis pelo olho humano apenas os comprimentos de onda entre cerca de 400 nm (violeta) e 700 nm (roxo). A tabela 1 mostra a distribuio da irradiao ptica na faixa de 100 nm a 1 mm de comprimento de onda. TABELA 1 De 100 nm a 380 nm situase a irradiao ultra-violeta (UV), COMPRIMENTO IRRADIAO DE ONDA PTICA subdividida em 3 faixas: UV-C, UVB e UV-A. De 380 nm a 750 nm 100 nm - 280 nm UV-C temos a faixa de irradiao visvel 280 nm - 315 nm UV-B 315 nm - 380 nm UV-A (luz). E, no final da faixa de 380 nm - 440 nm luz violeta irradiao ptica, temos o infra440 nm - 495 nm luz azul vermelho (IR - Infra-Red), tambm 495 nm - 580 nm luz verde subdividindo-se em trs: IR-A, IR-B 580 nm - 640 nm luz amarela 640 nm - 750 nm luz vermelha e IR-C. 750 nm - 1400 nm IR-A 1,4 um - 3 um IR-B 3 um - 1000 um IR-C UV - Ultra-violeta IR - Infra-vermelho

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APLICAES DOS OPTOELETRNICOSOs componentes optoeletrnicos so utilizados em muitos ramos da indstria, e esto presentes em muitos equipamentos de uso domstico. So utilizados em mquinas de controle e processamento de dados, na indstria automobilsticas e seus automveis, em mquinas fotogrficas, em equipamentos de gravao e reproduo de som, em microcomputadores, enfim, em uma infinidade de equipamentos e produtos eletro-eletrnicos, seja de uso profissional ou domstico. Conforme a aplicao dos dispositivos optoeletrnicos, podemos inclu-los em um ou mais dos seis grupos principais: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Dispositivos Dispositivos Dispositivos Dispositivos Dispositivos Dispositivos de medio, monitorao, controle e teste de fontes de luz de irradiao sem modulao de irradiao modulada para displays alfanumricos para gravao e transmisso de imagens para reproduo de imagens

No grupo 1, entende-se como fontes de luz aquelas que 2 irradiam ondas eletromagnticas predominantemente na faixa espectral visvel, incluindo-se a luz natural (do sol), luzes artificiais (de lmpadas) e a luz proveniente das chamas. Como alguns exemplos de equipamentos e aplicaes utilizando dispositivos desse grupo temos: fotmetros, que so medidores de intensidade luminosa muito utilizados em estdios de fotografia e de televiso, medidores de densidade de poeira em ambientes industriais controlados, circuitos de monitorao de iluminao ambiente para controle automtico de brilho em televisores ou para o acionamento automtico de lmpadas em vitrines de lojas ou iluminao pblica, etc. Esses dispositivos, em suas aplicaes, tm uma de suas propriedades variando conforme a intensidade da luz que o atinge, sendo essa variao interpretada por um circuito de medio ou por outros dispositivos e circuitos de controle (figura 2). Nos equipamentos e sistemas que utilizam dispositivos do grupo 2, a luz no-direcional de um emissor convertida em feixes paralelos, sendo direcionada a um receptor, que um transdutor fotoeltrico (figura 3). O transdutor-receptor 3 converte a luz incidente em um sinal DC, que processado por um circuito eletrnico. Esses circuitos so utilizados como sensores de presena em esteiras industriais, medidores de rotao (rpm) de mquinas e motores, contadores de peas, detetores de OPTOELETRNICA. TEORIA E PRTICA. 7

passagem para a 4 monitorao de ambientes, sensores de mecanismos de video-cassettes e mecanismos de outros aparelhos servocontrolados, alarmes utilizando barreiras infravermelhas, entre muitas outras aplicaes. O grupo 3 engloba as aplicaes do grupo 2, no entanto, o emissor envia uma luz modulada, que convertida pelo receptor em um sinal AC (figura 4). O amplificador de AC torna o circuito mais sensvel e seletivo, alm de garantir melhor estabilidade trmica do que o circuito que atua com DC. Alm das aplicaes do grupo 2, o artifcio de modulao acrescenta outras, como gravao e reproduo por sistema ptico (laser discs), transmisso e recepo de sinais de telefonia e de computadores (fibra tica), controles remotos de equipamentos domsticos e portas de garagem, link ptico, etc. Os componentes de sinalizao, como displays, LEDs, lmpadas e tubos de imagem, participam do grupo 4. So utilizados em equipamentos e produtos diversos, em geral com a funo de facilitar a operao ou sinalizar problemas funcionais, fazendo a traduo da linguagem da mquina para o usurio, ou seja, atravs desses dispositivos a mquina pode passar de forma intelegvel uma informao para o usurio, conversando com ele. J no grupo 5, esto incluidos os tubos de captao de imagens das cmeras captadoras e/ou gravadoras, utilizadas tanto profissionalmente, em sistemas de segurana (circuito fechado de TV), na gravao ou transmisso de imagens para a televiso, etc, como para o entretenimento, a exemplo das cmeras de uso pessoal (domsticas). Outros dispositivos que fazem parte desse grupo so: a cabea ptica de leitura do FAX e o sensor de imagem de estado slido (CCD). O CCD praticamente j substituiu os tubos de captao das cmeras e ultimamente vem tomando o lugar das cabeas de leitura no FAX. Finalmente, fazem parte do grupo 6 os dispositivos para a reproduo de imagens, principalmente o tubo de imagem dos televisores, alm dos tubos utilizados em radares e osciloscpios, incluindo ainda os mostradores fluorescentes a vcuo e de cristal lquido.

LMPADA INCANDESCENTEA lmpada incandescente, h algum tempo, era o componente mais utilizado para sinalizaes, principalmente em painis de instrumentos e equipamentos eletro-eletrnicos. Consiste de um filamento, normalmente de 5 tungstnio, envolvido por um bulbo de vidro que pode ter diversos formatos, no interior do qual feito vcuo ou includo um gs inerte (figura 5). O oxignio no pode estar presente no interior do bulbo para que a combusto no ocorra, j que o fogo s possvel na presena do mesmo. Quando a corrente eltrica percorre o filamento, ele aquece ao ponto de emitir uma luz intensa. A temperatura do tungstnio fica na faixa de 2200K a 3000K. Como seu ponto de fuso altssimo, ficando em torno de 3600K, ele pode ser

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aquecido a elevadas temperaturas sem se romper. Nota: A letra K o smbolo correspondente unidade de medida de temperatura absoluta, o kelvin, que tem origem no zero absoluto (temperatura em que as molculas ficam em repouso - sem agitao), correspondendo a -273 graus Celsius. A lmpada de filamento tem um coeficiente de temperatura positivo, como um PTC, ou seja, medida a frio sua resistncia muito menor do que aps o aquecimento do filamento. Atualmente, outros dispositivos substituem as lmpadas na tarefa de sinalizao e comunicao visual, servindo como exemplo os LEDs e os displays (de LEDs, fluorescentes a vcuo ou de cristal lquido), sendo muitas vezes mais econmicos, tanto na construo como no tocante ao consumo de energia eltrica.

LED - DIODO EMISSOR DE LUZO LED (light emitter diode - diodo emissor de luz), como o prprio nome j diz, um diodo (juno P-N) que quando energizado emite luz visvel. A luz monocromtica e produzida pelas interaes energticas do eltron. O processo de emisso de luz pela aplicao de uma fonte eltrica de energia chamado eletroluminescncia. Em qualquer juno P-N polarizada diretamente, dentro da estrutura, prximo juno, ocorrem recombinaes de lacunas e eltrons. Essa recombinao exige que a energia possuida por esse eltron, que at ento era livre, seja liberada, o que ocorre na forma de calor ou ftons de luz. No silcio e no germnio, que so bsicos nos diodos e transistores, entre outros componentes eletrnicos, a maior parte da energia liberada na forma de calor, sendo insignificante a luz emitida, e os componentes que trabalham com maior capacidade de corrente chegam a precisar de irradiadores de calor 6 (dissipadores) para ajudar na manuteno dessa temperatura em um patamar tolervel. J em outros materiais, como o arsenieto de glio (GaAs) ou o fosfeto de glio (GaP), o nmero de ftons de luz emitido suficiente para constituir fontes de luz bastante visveis. A figura 6 apresenta de forma simplificada uma juno P-N d...

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