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1 INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO CAPÍTULO V Transdutores Optoelectrónicos 2012/2013 Índice do capítulo Introdução Transdutores ópticos Transdutores optoelectrónicos - Absolutos - Incrementais Aplicações industriais Luis Filipe Baptista MEMM 2

2 Transdutores ópticos Transdutores Ópticos Célula fotovoltaica Fotocondutiva (Resistiva) Fotodiodo e fototransistor Transdutores opto-electrónicos t Incremental Absoluto Luis Filipe Baptista MEMM 3 Transdutores ópticos Célula fotovoltaica Fenómeno físico: gera uma FEM quando a luz incide na sua superfície Construção: Consiste numa junção PN, em que uma das camadas é muito fina (espessura de 1 μm) ) A luz que incide sobre a célula atravessa esta camada sem perder muita energia Luis Filipe Baptista MEMM 4

3 Transdutores ópticos Célula fotovoltaica Funcionamento: Quando a luz chega à junção PN, é absorvida e liberta a energia, gerando uma força electromotriz (EMF ou FEM) Aplicações típicas: Pode ser utilizada para medir a intensidade luminosa e também para gerar electricidade Luis Filipe Baptista MEMM 5 Transdutores ópticos Célula l fotovoltaica Detalhe construtivo da célula Quando a luz atinge a junção PN (camada de depleção), esta é absorvida e a energia libertada cria pares de electrões-lacunas que se difundem através da junção Luis Filipe Baptista MEMM 6

4 Transdutores ópticos Célula l fotovoltaica Característica I-V de funcionamento da célula e símbolo genérico Lux unidade de luz incidente Luis Filipe Baptista MEMM 7 Transdutores ópticos Célula fotovoltaica Aplicações: Fonte de tensão: para aumentar a tensão de saída, devem-se ligar várias células em série Fonte de corrente: para aumentar a corrente de saída, devem-se ligar várias células em paralelo Fonte de energia: células l solares Transdutor de luminosidade: detector de presença ou ausência de intensidade id d lumin. Luis Filipe Baptista MEMM 8

5 Transdutores ópticos Célula fotovoltaica Aplicações: central fotovoltaica Luis Filipe Baptista MEMM 9 Transdutores ópticos Célula fotovoltaica Valores típicos (central fotovoltaica) Tipo Eficiência típica (%) * Eficiência máxima (%) Silício Mono-cristal ,7 Silício Poli- cristalino itli Silício amorfo , ,7 Luis Filipe Baptista MEMM 10

6 Transdutores ópticos Fototransistor Construção: transistor NPN, que difere do transis-tor t normal, pelo facto de a luz incidir na base do transistor através de uma lente. (c - colector, b base, e emissor) Luis Filipe Baptista MEMM 11 Transdutores ópticos Fototransistor Imagens de fototransistores Luis Filipe Baptista MEMM 12

7 Transdutores ópticos Fototransistor Circuito típico: o colector é ligado à fonte de alimentação (+V) através da resistência de carga R A ligação da base não é utilizada neste circuito, mas está disponível para obter-se a polarização devida à luz e deste modo, efectuar a comutação dos níveis de tensão Luis Filipe Baptista MEMM 13 Transdutores ópticos Fototransistor Circuito típico: Luis Filipe Baptista MEMM 14

8 Transdutores ópticos Fototransistor: Modo de funcionamento Ausência de luz incidente: haverá uma pequena correntedefugaea e a tensão de saída será ligeiramente inferior a +V, devido à queda de tensão em R Presença de luz incidente: aumenta a corrente de fuga através da ligação base-emissor (Iceo) e é amplificada pela acção do transístor de modo a obter uma grande corrente no colector, de acordo com: V = V I R t out ceo Luis Filipe Baptista MEMM 15 Transdutores ópticos Fototransistor Características típicas (Elemento disponível do DIGIAC) Tipo Corrente Colector (V CE = 5 V) MEL12 No escuro Luz ambiente 100 ηa 3,5 ma Luis Filipe Baptista MEMM 16

9 Transdutores ópticos Fototransistor Aplicações típicas: Elemento constituinte de transdutores opto-electrónicos (posição e velocidade linear e angular), geralmente designados por encoders Luis Filipe Baptista MEMM 17 Transdutores ópticos Célula fotocondutiva resistiva (LDR) Constituição: Disco de material semicondutor (sulfito de cádmio), contendo no interior uma grelha de ouro em contacto com o material semicondutor Luis Filipe Baptista MEMM 18

10 Transdutores ópticos Célula l fotocondutiva ti resistiva (LDR) Funcionamento: A resistência do semicondutor medida aos seus terminais diminui quando a luz incide na sua superfície. Luz incidente nula: resistência elevada Luz incidente elevada: resistência baixa Luis Filipe Baptista MEMM 19 Transdutores ópticos Célula fotocondutiva resistiva LDR Material utilizado: o sulfito de cádmio é muito utilizado, pois varia a sua resistência numa gama de comprimentos de onda próxima da do olho humano ( µm) Quando a luz é retirada, os pares electrãolacuna respondem de uma forma lenta -> tempo de resposta muito elevado Luis Filipe Baptista MEMM 20

11 Transdutores ópticos Célula fotocondutiva resistiva - LDR Lei de variação com a luz: R = a L α a 0,7 a 0,9 sensibilidade d elevada relação diâmetro/espessura elevada Luis Filipe Baptista MEMM 21 Transdutores ópticos Célula fotocondutiva resistiva (LDR) Imagens de LDR s Luis Filipe Baptista MEMM 22

12 Transdutores ópticos Célula l fotocondutiva resistiva i (LDR) Aplicações práticas: Fotometria Medição de níveis de líquidos Sistemas de segurança (intrusão de pessoas em espaços proibidos ou perigosos, detecção ou corte de chama em caldeiras Controlo de luminosidade em diversos espaços (aviários, estufas, etc ) Luis Filipe Baptista MEMM 23 Transdutores ópticos Fotodíodo PIN Constituição: difere do fotodíodo normal, porque possui uma camada de silício intrínseco (puro), a região I, localizada entre as camadas P e N Vantagem: reduz a capacitância da junção, obtendo-se uma resposta mais rápida (± 0,5 ns) Luis Filipe Baptista MEMM 24

13 Transdutores ópticos Fotodíodo PIN Modo de operação Luis Filipe Baptista MEMM 25 Transdutores ópticos Fotodíodo PIN Modo de operação: pode funcionar da seguinte forma: Como célula fotovoltaica, através da medição da tensão de saída Amplificando a corrente de saída e convertendo-a numa tensão Luis Filipe Baptista MEMM 26

14 Transdutores ópticos Fotodíodo PIN Modo de funcionamento: montagem típica, símbolo do fotodíodo d e característica ti I-V Vde um fotodíodo, para diversos valores de intensidade luminosa Luis Filipe Baptista MEMM 27 Transdutores ópticos Fotodíodo PIN Imagem de fotodiodos Luis Filipe Baptista MEMM 28

15 Transdutores optoelectrónicos t Transdutores optoelectrónicos Dispositivos de medição de movimento Os dispositivos optoelectrónicos têm a vantagem de permitir medir um deslocamento de uma forma digital, sem ter que se recorrer a um conversor A/D Tipos de transdutores de posição opto- electrónicos: Absolutos Incrementais Luis Filipe Baptista MEMM 29 Transdutores optoelectrónicos t Transdutores optoelectrónicos Características dos transdutores Incremental: Mede o deslocamento a partir de um ponto inicial de partida. É conhecido por encoder incremental Absoluto: Mede o deslocamento relativamente a um ponto de referência interno fixo. O deslocamento é traduzido em incrementos codificados de forma discreta. É conhecido apenas por encoder Luis Filipe Baptista MEMM 30

16 Transdutores optoelectrónicos t Formas de leitura A diferenciação óptica pode ser obtida da seguinte forma: Zonas transparentes / opacas Zonas reflectoras / não reflectoras Sistema transparente/opaco: o emissor e o detector de luz são montados um de cada lado do disco ou régua. Para o caso da diferenciação ser feita através de reflexão, o emissor e detector estão situados no mesmo lado Luis Filipe Baptista MEMM 31 Transdutores optoelectrónicos t Formas de leitura Facilidade de montagem: no caso dos discos, é bastante usual utilizar-se o sistema transparente; no caso das réguas é usado o sistema por reflexão Montagem típica de um encoder incremental: Disco com orifícios Emissor: led de infra-vermelhos Receptor: fotodíodo ou fototransistor Luis Filipe Baptista MEMM 32

17 Transdutores optoelectrónicos t Encoder incremental Luis Filipe Baptista MEMM 33 Transdutores optoelectrónicos t Encoder incremental Dispositivo optoelectrónico emissorreceptor de leitura associado ao disco Luis Filipe Baptista MEMM 34

18 Transdutores optoelectrónicos t Encoder incremental Tipos de encoders: Saída pulsada Saída em quadratura Saída em quadratura: Utiliza dois canais A e B, para medir a posição. São usadas duas fiadas de orifícios desfasados de 90º Esta disposição permite através da leitura dos sinais dos dois canais, medir a posição e o sentido do movimento Luis Filipe Baptista MEMM 35 Transdutores optoelectrónicos t Encoder incremental Saída em quadratura: Disposição dos orifícios do encoder (duas fiadas) e formas de onda à saída dos canais A e B Luis Filipe Baptista MEMM 36

19 Transdutores optoelectrónicos t Encoder incremental: formas dos sinais para ambos os sentidos de rotação Luis Filipe Baptista MEMM 37 Transdutores optoelectrónicos t Encoder incremental Construção do disco: utilizando a tecnologia laser, conseguem-se discos com 100 fendas e diâmetros da ordem dos 40 mm Resolução: recorrendo à multiplicação de sinais através de circuitos electrónicos de condicionamento de sinal, é possível aumentar a resolução para 1/400 ou mesmo 1/600 de volta (rotação), no caso dos codificadores com 3 canais Luis Filipe Baptista MEMM 38

20 Transdutores optoelectrónicos t Encoder incremental (rotativo) Aspecto do dispositivo de leitura e disco com duas fiadas de orifícios desfasados Luis Filipe Baptista MEMM 39 Transdutores optoelectrónicos t Encoder incremental (rotativo) Construção de um encoder (simplificado) Aspecto típico de um encoder rotativo industrial (OMRON) Luis Filipe Baptista MEMM 40

21 Transdutores optoelectrónicos t Encoder incremental (rotativo) Esquema em corte de um encoder industrial Luis Filipe Baptista MEMM 41 Transdutores optoelectrónicos t Encoder absoluto Para obter grandes resoluções, os discos ou réguas utilizados são normalmente de vidro O processo de tratamento dos discos para obter as zonas transparentes ou de reflexão, difere em cada um dos casos Sistemas de reflexão: é utilizado um processo químico de ataque ao vidro de forma a criar as zonas de reflexão e de não reflexão Sistemas por transparência: é utilizado um sistema de emulsão fotográfica ou de deposição metálica Luis Filipe Baptista MEMM 42

22 Transdutores optoelectrónicos t Encoder absoluto (movim. angular) Montagem óptica de reflexão: Neste caso, o emissor e receptor estão montados no mesmo suporte, sendo o feixe luminoso reflectido (ou não) através de um disco Luis Filipe Baptista MEMM 43 Transdutores optoelectrónicos t Encoder absoluto (movim. angular) Formas de onda à saída de um encoder absoluto e incremental Luis Filipe Baptista MEMM 44

23 Transdutores optoelectrónicos t Encoder absoluto (movim. angular) Disco com código binário reflectido ou de Gray com 3 bits Luis Filipe Baptista MEMM 45 Transdutores optoelectrónicos t Encoder absoluto (movim. angular) Código binário reflectido ou de Gray com 3 bits (C, B, A) > só muda um bit de cada vez Posição C B A Luis Filipe Baptista MEMM 46

24 Transdutores optoelectrónicos t Encoder absoluto (movim. angular) O disco tem representado um código binário (Gray) com 8 bits Tem associado ao disco 8 emissores e receptores ópticos Luis Filipe Baptista MEMM 47 Transdutores optoelectrónicos t Encoder absoluto (movim. angular) Dispositivo optoelectrónico de leitura e disco de 8 bits Luis Filipe Baptista MEMM 48

25 Transdutores optoelectrónicos t Encoder absoluto (movim. angular) Formas de onda de um encoder (8 bits) Luis Filipe Baptista MEMM 49 Transdutores optoelectrónicos t Encoder absoluto (movim. linear) Permite medir posição ou velocidade linear Mais sensível de montar e alinhar Mais sujeito a poeiras e sujidades Luis Filipe Baptista MEMM 50

26 Transdutores optoelectrónicos t Encoder absoluto (movim. linear) Exemplo de uma régua com código binário reflectido ou de Gray (4 bits) Luis Filipe Baptista MEMM 51 Transdutores optoelectrónicos t Encoder absoluto (movim. linear) Princípio de funcionamento Emissor: led Receptor: célula fotovoltaica Luis Filipe Baptista MEMM 52

27 Transdutores optoelectrónicos t Aspecto típico de encoders lineares Caixa estanque (Selado) Caixa aberta (Exposto) Luis Filipe Baptista MEMM 53 Transdutores optoelectrónicos t Aplicações típicas de encoders (I): Medição da posição angular de servos ou de velocidade d em motores eléctricos Luis Filipe Baptista MEMM 54

28 Transdutores optoelectrónicos t Aplicações típicas de encoders (II): Medição da posição angular de velocidade em motores Diesel Luis Filipe Baptista MEMM 55 Transdutores optoelectrónicos t Aplicações típicas de transdutores optoelectrónicos Leitura/gravação de dados Leitura de códigos de barras Leitura e posicionamento de peças Luis Filipe Baptista MEMM 56

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