LDR E SENSORES DE LUZ AMBIENTE : FUNCIONAMENTO E APLICAÇÕES

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1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná UTFPR Câmpus Ponta Grossa Paraná Brasil Semana de Eletrônica e Automação SEA 2013 LDR E SENSORES DE LUZ AMBIENTE : FUNCIONAMENTO E APLICAÇÕES José Jair Alves Mendes Júnior 1 ; Sérgio Luiz Stevan Junior 1 mendes.junior13@yahoo.com.br;sstevanjr@utfpr.edu.br 1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná UTFPR Ponta Grossa Brasil Resumo O objetivo deste documento é apresentar uma revisão bibliográfica, principalmente em catálogos e datasheets, sobre os seguintes componentes eletrônicos: LDR (Resistor Dependente da Luz) e Sensor de Luz (Luminosidade) Ambiente; apresentando suas características, como material e/ou circuito interno, tipo de saída devido incidência de luz e sensibilidade a absorção de luz; e seu funcionamento, além de apresentar as principais aplicações para os mesmos. Com base nos dados coletados, são apresentados os melhores tipos de aplicações para cada modelo de sensor, para que se possa escolher qual o melhor sensor para o tipo de aplicativo que se deseja instalar ou usar. Por fim, constatase que LDRs são dispositivos mais usuais e baratos para aplicações que demandam robustez e detecção de bruscas mudanças de luminosidade, enquanto que os Sensores de Luz Ambiente são usuais em aplicações de controle refinado de luminosidade como tablets e smartphones. Palavras-chave: sensores de luminosidade ambiente; LDR; eletrônica; sensores. 1. Introdução Controle de variáveis físicas por meios eletroeletrônicos sempre foi um dos objetivos da eletrônica. Com o avanço da tecnologia e do entendimento de certos fenômenos físicos, foram descobertos e criados materiais transdutores, que apresentam características elétricas dependentes de variáveis físicas, como temperatura, intensidade sonora, pressão, e, tema desse artigo, a luminosidade. Sendo assim, esse artigo apresenta a comparação entre dois métodos de sensoriamento de luminosidade: o uso do Resistor Dependente da Luz, o LDR (do inglês Light Dependent Resistor) e de sensores de luminosidade ambiente, com o objetivo de apresentar as características de cada um bem como suas principais aplicações, tendo em vista realizar uma comparação entre diferenças de aplicação de ambos para determinar em certos casos qual o sensor deve ser utilizado, com um levantamento bibliográfico, principalmente em catálogos e datasheets, dos dispositivos em questão. 2. LDR O LDR, Resistor Dependente da Luz, é um dispositivo semicondutor eletrônico que possui dois terminais e a característica de possuir certa resistência de acordo com a quantidade de luz incidente sobre ele de forma quase linear, além de ser um elemento não polarizado, fazendo com que a corrente possa circular em ambos os sentidos. Seu funcionamento é explicado pelo efeito fotoelétrico. Assumindo que elementos condutores (na teoria eletrostática) possuem diferença energética entre a banda de valência e a banda de condução quase nula (sem oferecer obstáculos à passagem de corrente) e que materiais isolantes se comportam de maneira inversa (diferença energética muito grande); os semicondutores, por sua vez, têm a diferença de energia entre o valor dos condutores e dos isolantes e necessitam de alguma força externa, como a luminosidade e a temperatura, para conduzir corrente elétrica. Juntamente com a teoria em que a luz pode ser definida como pacotes de energia com determinados comprimentos de onda (energia transmitida a partir de fótons) e que um feixe luminoso está incidindo sobre uma superfície, os elétrons presos ao elemento tendem a interagir com os fótons, desde que estes atinjam um valor mínimo de frequência do material. Quando o LDR é exposto a um feixe luminoso, começa a dispor de elétrons livres, fazendo sua resistência diminuir; reduzindo o feixe luminoso, começa a faltar elétrons livres, aumentando a resistência do mesmo. (GHELLERE, 2009) Seu aspecto físico ser visto na Figura 1 juntamente com seu símbolo elétrico. O principal material para a construção do LDR é o Sulfeto de Cádmio (CdS), também chamada de cápsula de Sulfeto de Cádmio. É disposta de disposta de tal maneira para que haja maior incidência de luz no material, sendo protegido por um invólucro transparente para quase todas as cores do espectro visível, facilitando a absorção da luz sobre ele. Além de Sulfeto de Cádmio, o LDR também pode ser construído de outros elementos, como os presentes na Tabela 1, contendo também a distância de energia entre as bandas de condução e valência ( podendo ser chamada de GAP) em ev (elétron-volt) na temperatura de 25 ºC (aproximadamente 300 K). Com relação a sua construção, a mesma pode ser vista na Figura 2 em vista superior e corte lateral. Percebe-se

2 que, na vista de corte lateral, o material fotocondutivo ( as células de CdS, por exemplo), se encontra acima da base de cerâmica tendo uma janela para a incidência de luz, em que os condutores são ligados à eletrodos, que por sua vez, se conectarão na camada condutiva. Sobre seu diâmetro, os valores comerciais mais usuais são os de 5, 7, 10 e 25 mm de diâmetro. Quanto maior o diâmetro, maior a sensibilidade e capacidade de suportar maiores temperaturas e correntes. aproximação dada pela empresa Philips (2013), em que, para lâmpada de luz branca, cada Watt de potência equivale a 14,4 lux. Além disso, foi calculada a resistência da lâmpada para 127 V, a qual resultou em 288,64 Ω, e desconsiderando que a lâmpada é uma resistência dinâmica, usou-se esse valor para calcular a potência. O resultado do ensaio pode ser vista no gráfico da Figura 3. Figura 1 Ilustração e Símbolo Elétrico do LDR Fonte: WENDLING (2010) Tabela 1: Semicondutores usados para construção de LDRs e seu valor de diferença energética Semicondutor GAP em ev Sulfeto de Cádmio (CdS) 2,4 Fosfeto de Cádmio (CdP) 2,2 Seleneto de Cádmio (CdSe) 1,7 Arseneto de Gálio (GaAs) 1,4 Silício (Si) 1,1 Germânio (Ge) 0,7 Arseneto de Índio (InAs) 0,43 Sulfeto de Chumbo (PbS) 0,37 Telureto de Chumbo (PbTe) 0,29 Seleneto de Chumbo (PbSe) 0,26 Antimoneto de Índio (InSb) 0,23 Fonte: GHELLERE ( 2009 ) Segundo Kumar (2002), a relação entre a resistência e a luminosidade presente no LDR é dada por: Em que: representa a resistência (em Ω) do LDR. representa a resistência (em Ω) do LDR sem a presença de luminosidade representa a luminosidade (em lux) incidente sobre o LDR. representa uma constante do material usado na construção do LDR(em ohm/lux). Pode se perceber que com a equação (1), se satisfaz a condição de funcionamento do LDR, como dito anteriormente, em que aumentando o valor de L, o segundo termo da equação se reduz (independente dos valores de cada modelo de e ) a um valor menor, nesse caso, de resistência. Diminuindo a luminosidade, o segundo termo da equação (1) irá aumentar em comparação com o primeiro, produzindo um maior valor de resistência. Para analisar melhor o comportamento do LDR, foi feito um ensaio usando um modelo de 5mm e uma lâmpada de luz branca de 127/60W. Como para esse teste não havia um luxímetro disponível, foi feita uma (1) Figura 2: Vista superior e corte lateral do LDR Fonte: GHELLERE (2009) Figura 3: Comportamento da Resistência pela Luminosidade para um LDR de 5mm Fonte: Autoria Própria Entre os pontos marcados de A até B na Figura 3, os valores se apresentaram de forma linear, valendo-se na afirmação que para uma faixa de valor, os LDRs se comportam linearmente de acordo com a luminosidade incidente. Tomando como exemplo a Figura 4, a empresa RS Components traçou um gráfico com os valores aproximados para a faixa de valores para o LDR de 5mm, percebendo que ela se encaixa de forma parecida com os pontos marcados. Um fato interessante sobre o LDR é a faixa de sensibilidade máxima da resistência, que se encontra na luz visível entre 400 a 700 nm, vista na Figura 5. Ultrapassando esses valores (ultravioleta e infravermelho), é necessário o uso de lentes ou de outros materiais e dispositivos para melhorar a recepção da luminosidade, pois o mesmo não consegue captar tais ondas. O tempo de resposta de um LDR é considerado lento para certas aplicações, na ordem de milissegundos a alguns segundos, e como sistemas de controle com sensores rápidos em que são descartados fotocondutores como elementos sensores. A lentidão do LDR é explicada Semana de Eletrônica e Automação SEA

3 devido o tempo que ocorre o fenômeno eletrostático explanado anteriormente, sendo usados principalmente em projetos para detecção de variações de luminosidade. (GHELLERE, 2009). Figura 4: Comportamento de Resistência por Luminosidade do LDR de 5mm Fonte: RS COMPONENTS (1997) próxima a camada de depleção, formando pares de elétron-lacuna, tendo cada portador acelerado em um sentido diferente pelo campo elétrico da junção. Dois modos de operação dos fotodiodos são existentes: modo fotovoltaico, em que o circuito está aberto e a iluminação da junção faz surgir uma diferença de potencial (tensão), gerando uma corrente elétrica; e modo fotocondutivo, em que uma tensão externa é aplicada e com a iluminação do dispositivo, uma corrente flui no sentido oposto à corrente aplicada. (ASSUNÇÃO, 2012, p ) Com relação ao elemento de controle, este pode ser um transistor (modelos mais simples e antigos), oferecendo uma corrente/tensão variável de acordo com a luminosidade, ou um sistema de melhor resolução, como um microcontrolador específico. Na Figura 7, é mostrado o diagrama de blocos interno do modelo AMIS da empresa Amis Semiconductor, em que é utilizado um microcontrolador para realizar conversão AD (Analógico-Digital), controle (ajustes e compensações) e interface serial I²C (com a entrada de clock e a entrada-saída de dados). Figura 7: Diagrama de Blocos do modelo AMIS Fonte: AMIS SEMICONDUCTOR (2006) Figura 5: Sensibilidade de um LDR para vários comprimentos de onda da luz incidente Fonte: GHELLERE (2009) 3. Sensor de Luz Ambiente Sensor de Luz Ambiente é uma combinação de componentes, ou seja, um dispositivo composto de um elemento transdutor, principalmente fotodiodos, e um elemento de controle (como um transistor ou um microcontrolador), que capta a luz ou o brilho ambiente e a transforma em valores de corrente ou tensão. Na Figura 6 é mostrado o modelo BOB08688 da Spark Fun Electronics que usa o sensor TEMT6000 da Vishay Semicondutors. Figura 6: Módulo TEMT6000 da Vishay Semiconductors Fonte: SPARK FUN ELECTRONICS (2013) Pode se definir fotodiodos como estruturas sensíveis à luz que convertem energia luminosa em corrente elétrica, possuindo parte do dispositivo exposta à luminosidade para que haja absorção de fótons na região Diferente do LDR, esse tipo de sensor não deve ser ligado sem a consulta de um datasheet, pois cada modelo possui diferentes polaridades de tensões de entrada bem como diferentes pinagens e modos de saída. Exemplificando, o modelo OPT101P da Texas Instruments mostrado na Figura 8 apresenta pinagem em (a), com o espaço central representando seu fotodiodo, juntamente com seu circuito interno em (b), que usa um amplificador operacional como elemento de controle. O sensor de luz ambiente atua na mesma área de percepção de brilho e luminosidade que a do ser humano, além de trabalhar com um tempo de respostas na ordem de micro a milissegundos, como o modelo APDS-9007 da empresa Avago Techonologies (2007), que possui um tempo de 0,2ms para transição de valores. Sobre o espectro de sensibilidade, os sensores de luz ambiente possuem valores semelhantes ao olho humano. Tomando como exemplo o modelo TEMT6000, a faixa da banda espectral varia de 360 a 970 nm, com pico em 570nm como mostra a Figura 9, se semelhando a faixa visível do ser humano (400nm a 700nm). Como comparação entre modelos, a Tabela 2 apresenta as principais características entre 3 sensores de luminosidade: SFH5711 (da empresa Osram Opto Semiconductors), TEMT6000 e OPT101P. Semana de Eletrônica e Automação SEA

4 (a) (b) Figura 8: Pinagem (a) e Circuito interno (b) do OPT101P da Texas Instruments Fonte: TEXAS INSTRUMENTS (2009) Terra, além de situações de baixa luminosidade como dias de chuva ou muita neblina. Por esses e outros motivos, são usados LDRs para que, de acordo com a luminosidade, controlar quando as lâmpadas são acesas ou não. A Figura 10 apresenta o modelo de funcionamento da iluminação pública de dia: o LDR fica exposto ao sol, diminuindo sua resistência elétrica, aumentando a corrente que irá passar pela bobina; com a corrente, a bobina irá produzir um campo eletromagnético capaz de atrair para perto de si o condutor para 2, impedindo que a lâmpada de acenda com a interrupção do circuito entre os contatos 1 e 2. Durante a noite, com o aumento da resistência do LDR, a corrente no indutor diminui juntamente com o campo magnético, fazendo com que, pela ação da mola, o condutor se conecte com o contato 1, fechando o circuito e energizando a lâmpada. Outras aplicações do LDR estão na construção de fotômetros, relês fotoelétrico, alarmes, brinquedos, detectores de níveis de iluminação, construção de sensores de luz ambiente, fotocélulas, detectores de incêndio e fumaça, entre outras. Figura 9 : Sensibilidade espectral relativa pelo comprimento de onda do TEMT6000 Fonte : Adaptado de VISHAY SEMICONDUCTORS (2004) 4. Aplicações LDR De acordo com Silva (2006, p. 22), os LDRs são utilizados nos circuitos em configurações que demandam o uso de divisores de tensão, sendo o elemento que mudando sua tensão (ou corrente) pela luminosidade, irá atuar ou desativar uma carga. Um exemplo do uso do LDR está no sistema de iluminação pública para determinar quando a lâmpada do poste deve acender. Não se pode usar apenas um simples temporizador para determinar o quanto uma lâmpada deve ficar acesa, pois os horários do crepúsculo e do amanhecer mudam de acordo com os movimentos da Figura 10: Esquema de funcionamento do sistema de iluminação público Fonte : GHELLERE (2009) 5. Aplicações do Sensor de Luminosidade Ambiente A maioria das aplicações desenvolvidas com os sensores de luminosidade ambiente envolve controle de economia de bateria. Como explanado pela Osram Opto Semiconductors (2006), esses sensores fornecem soluções econômicas para dispositivos eletrônicos móveis como os PDAs, celulares, notebooks, entre outros. Tabela 2: Principais características dos sensores SFH571, TEMT6000 e OPT101P Características SFH5711 TEMT6000 OPT101P Tensão de Alimentação (V) 2,3 a 5,5 5,0 2,7 a 36 Corrente de Entrada (ma) 0, ,12 a 0,22 Banda espectral (nm) 475 a a a 1500 Máximo pico do Comprimento de Onda (nm) Corrente de saída (µa) 25 a 34(Para 1000lux) 50 (Para 100lux) Não especificada Modelo Circuito Interno Amplificador-operacional Transistor NPN Amplificador-operacional Semana de Eletrônica e Automação SEA

5 A chave central para essas aplicações está no controle do backlight do LCD, ou seja, na luz de fundo, para que ela se auto-ajuste a sua luminosidade de acordo com as especificações do ambiente, tornando a operação além de econômica, mais rápida pelo fato de ser automática. Para iluminação externa e de interiores bem como em semáforos, os sensores podem ser usados como controladores de luminosidade para ajustes de acordo com luminosidade exterior, diminuindo a corrente e, consequentemente, a potência e a energia. O controle de visibilidade em automóveis também pode ser feito usando um sensor de luminosidade ambiente, como por exemplo: o escurecimento, de forma automática, dos instrumentos internos para garantir uma visibilidade de confiança em todas as circunstâncias; e o comando em sensores crepusculares automático, quando detectada uma variação na luminosidade como a passagem do carro por um túnel ou em passagens de pouca visibilidade. Além das aplicações já citadas, os sensores de luminosidade ambiente podem ser usados em instrumentação médica e laboratorial, sensores de posição e proximidade, analisadores fotográficos, detectores de fumaça e leitores de código de barras, entre outras. 6. Discussão Com relação à aplicação, pode-se perceber a clara diferença entre os dois tipos de sensores apresentados. Os LDRs são usados principalmente para variações bruscas de luminosidade, pois a faixa comumente usada de suas repostas é ou apresentação de uma resistência muito alta ou muito baixa. Além de serem mais robustos que os sensores de luminosidade ambiente, apresentam um melhor custo-benefício para operações dessa natureza, pois seu preço varia, dependendo do tamanho e da disponibilidade, de R$1 a R$3. E, devido sua resposta de tempo ser mais lenta, pode-se comparar suas principais aplicações como uma chave, que está aberta quando há pouca iluminação, ou fechada, quando há muita iluminação incidente. Por outro lado, os sensores de luminosidade ambiente são dispositivos desenvolvidos especialmente para medição de valores para controle. Com eles, obtém-se o valor em corrente ou tensão bem definido, diferente do LDR, que sozinho varia apenas a resistência. Existem sensores que utilizam como seu elemento transdutor um LDR, mas não possui precisão tão boa quanto à de um fotodiodo, por exemplo. Entretanto, se o sensor de luminosidade for apenas para detectar grandes variações, vale a pena investir em um circuito que use um LDR; se o controle do processo, por assim dizer, e a velocidade de resposta forem o essencial, o melhor investimento é no controle sofisticado dos sensores de luminosidade ambiente, variando no preço dependendo do modelo e da precisão requerida. 7. Considerações Finais Sensores de luminosidade são um dos ramos que mais crescem na Eletrônica. Com o advento das lâmpadas de LED de alta potência e de gadgets como os smartphones e tablets, a questão chave está em encontrar um meio de garantir eficiência, potência e energia ao mesmo tempo. Para isso, sensores de luminosidade são essenciais, já que com eles podem ser feitas várias formas de garantir controle, especialmente para os sensores de luminosidade ambiente. Mesmo que o LDR tenha sido uns dos primeiros componentes eletrônicos desenvolvidos para a medição de luminosidade, não se pode descartá-lo devido ás tecnologias recentes, pois mesmo com sua simplicidade, é essencial em projetos que necessitem de tempo de resposta longo e variações bruscas de luminosidade. Sobre essas perspectivas, é necessário que bons profissionais tomem conhecimento desses modelos de tecnologias para que possam desenvolver com êxito suas funções e se integrarem às novas tendências de medição de sinais, especialmente, a de luminosidade. Referências AMIS SEMICONDUCTOR : (I²C) Ambient Light Sensor. Phoenix, Estados Unidos : Disponível em: Acesso em 7 de jun de ASSUNÇÃO, M. de O. Efeitos térmicos em fotodiodos de pontos quânticos semicondutores p. Dissertação (Mestrado em Física). Universidade Federal de Uberlândia GHELLERE, G. LDR Light Dependent Resistor : Resistor Variável de acordo com incidência de luz. Foz do Iguaçu : Disponível em : endiov7.pdf. Acesso em 4 de jun de 2013 KUMAR, J. LDR Characteristics. Bangalore, India : Disponível em: 75.pdf. Acesso em 6 de jun de OSRAM OPTO SEMICONDUCTOR. High Accuracy Ambient Light Sensor. Regensburg, Alemanha : Disponível em: H5711.pdf. Acesso em 5 de jun de 2013 PHILIPS. Conceitos de Iluminação Disponível em : onceitos_de_iluminacao.wpd. Acesso em 6 de jun de RS COMPONENTES. Light Dependent Resistors. Corby, Reino Unido: Disponível em ar/40/ldr_nsl19_m51.pdf. Acesso em 6 de jun de SILVA, D. A comparação entre um microfone de eletreto e um LDR como detectores de luz num sistema de espectroscopia ótica p. Dissertação. (Mestrado em Bioengenharia) Universidade do Vale do Paraíba

6 SPARK FUN ELECTRONICS. TEMT6000 Breakout Board Disponível em : Acesso em 4 de jun de TEXAS INSTRUMENTS. Monolithic photodiode and single-supply transimpedance amplifier. Dallas, Texas : Disponível em: Acesso em 7 de jun de VISHAY SEMICONDUCTORS. TEMT6000: Ambient Light Sensor. Heilbronn, Alemanha: Disponível em EMT6000.pdf. Acesso em 05 de jun de WENDLING, M. Sensores. Guaratinguetá: 2010 Disponível em: rcelowendling/4---sensores-v2.0.pdf. Acesso em 05 de jun de Semana de Eletrônica e Automação SEA

7 Nome completo: José Jair Alves Mendes Júnior Filiação institucional: Universidade Tecnológica Federal do Paraná UTFPR Departamento: Departamento de Eletrônica - DAELE Função ou cargo ocupado: Estudante de Tecnologia em Automação Industrial Endereço completo para correspondência: Rua Thomaz Gonzaga,1,Boa Vista , Ponta Grossa PR Telefones para contato: (42) mendes.junior13@yahoo.com.br Nome completo: Sergio Luiz Stevan Junior Filiação institucional: Universidade Tecnológica Federal do Paraná UTFPR Departamento: Departamento de Eletrônica DAELE Função ou cargo ocupado: Professor Adjunto Endereço: Av. Monteiro Lobato, s/n, Km 4. Ponta Grossa-Pr CEP: Telefones para contato: (42) sstevanjr@utfpr.edu.br