A função dos sensores ópticos em aplicações eletrônicas

Este artigo descreve os princípios de operação de sensores ópticos, tipos de sensores ópticos, considerações para seleção de sensores ópticos e principais aplicações.

Sensores ópticos são componentes eletrônicos projetados para detectar e converter raios de luz incidentes em sinais elétricos. Esses componentes são úteis para medir a intensidade da luz incidente e convertê-la em uma forma legível por um dispositivo de medição integrado, dependendo do tipo de sensor.

Este artigo descreve os princípios de operação de sensores ópticos, tipos de sensores ópticos, considerações para seleção de sensores ópticos e aplicações principais.

Exemplo de um sensor óptico. Imagem cortesia de ROHM

Aplicações de sensores óticos

Sensores ópticos são componentes onipresentes em dispositivos e equipamentos eletrônicos utilizados nas áreas industrial, de consumo, saúde e automotiva.

Medicina e saúde

Com a necessidade sem precedentes de detecção sem contato devido à pandemia global, sensores ópticos têm sido utilizados em dispensadores de desinfetante em instalações de saúde de longo prazo para garantir conformidade de saúde e segurança.

Outras aplicações médicas incluem dispositivos biomédicos para análise da respiração e monitoramento da frequência cardíaca. A análise da respiração pode ser obtida usando um laser de diodo sintonizável, enquanto a reflexão da luz de volta para o sensor através da pele pode monitorar com precisão a frequência cardíaca humana em um processo conhecido como fotopletismografia. Os sensores portáteis vestíveis utilizam sensores ópticos para rastreamento automático e manual do estado de saúde e dos sinais vitais dos usuários.

Industrial / Comercial

Em aplicações industriais e comerciais, os sensores ópticos também estão sendo usados ​​para detecção de distância e temperatura e automação em aplicações da Indústria 4.0. Por exemplo, sensores ópticos podem detectar níveis de líquido em instalações de engenharia de processo, como níveis de petróleo em fazendas de tanques e refinarias de hidrocarbonetos, integrando um LED infravermelho, transistor de luz e uma ponta de prisma transparente.

Os sensores óticos também permitem o controle automatizado, detectando a presença de componentes no chão da fábrica.

Eletrônicos de consumo

Sensores ópticos também estão sendo usados ​​para detecção de luz ambiente em eletrônicos de consumo, como smartphones, com vantagens como estender a vida útil da bateria e otimizar o brilho da tela para corresponder à quantidade de iluminação do ambiente.

O esquema abaixo (Figura 1) integra um microcontrolador e um driver IC equipado com controle autoluminoso para obter uma corrente de saída proporcional à quantidade de luz ambiente e imita a sensibilidade espectral do olho humano.

Figura 1. Diagrama do bloco de IC do sensor de luz ambiente. Imagem cortesia de ROHM

Os interruptores de foto e os fotossensores do tipo reflexivo são usados ​​para detecção óptica em impressoras e scanners 3D para aplicações industriais e de varejo. Sensores ópticos também são usados ​​em equipamentos de vigilância em edifícios comerciais e residenciais para detectar intrusos.

Tipos de sensor óptico

Os tipos mais comuns de sensores ópticos incluem:

• Foto-interruptores do tipo transmissão detectam a presença de objetos pela interceptação da luz e são amplamente utilizados em aplicações como detecção de posição e medições de velocidade de rotação
• Fotossensores reflexivos detectar o movimento de objetos medindo o reflexo da luz sobre eles
• Dispositivos fotocondutores tornam-se eletricamente condutores ao absorver os raios de luz incidentes
• Fotodiodos converter luz incidente em corrente elétrica
• Fototransistores alcançar resultados semelhantes aos fotodiodos quando a junção base-coletor é exposta à luz

Operação de sensores óticos

As tecnologias de sensoriamento óptico requerem fontes de luz monocromáticas, compactas e confiáveis ​​para funcionar de forma eficaz. Fontes de luz comuns adequadas para iluminação de sensor óptico incluem LEDs e lasers.

Diodos emissores de luz (LEDs) produzem luz quando os elétrons se combinam com orifícios em uma junção de semicondutores dopados com n e p para auxiliar na liberação de fótons. Por outro lado, um laser é produzido pela excitação elétrica de elétrons nos átomos de certos materiais, como vidro ou cristais.

Figura 2. Diagrama de blocos do sensor óptico de proximidade. Imagem cortesia de ROHM

Vários tipos de sensores ópticos, no entanto, operam de maneira um pouco diferente.

A corrente máxima que um fototransistor baseado em estágio de saída pode conduzir em foto-interruptores depende da quantidade de luz que recebe. Quando a luz brilha no fototransistor (ou seja, nenhum objeto na lacuna), os fotointerruptores exibem saída BAIXA.

Figura 3. Construção do fotointerruptor. Imagem cortesia de ROHM

Por outro lado, os interruptores fotográficos exibem uma saída ALTA com a presença de um objeto. Os engenheiros podem aproveitar os recursos dos interruptores fotográficos conectando a saída a um microcontrolador ou dispositivo lógico para controle óptico.

Considerações de design

Tempos de resposta, custo, tamanho e sensibilidade são considerações essenciais para engenheiros que buscam integrar sensores ópticos em seus projetos.

O tempo de resposta refere-se ao tempo que um sensor óptico leva para responder à luz incidente e é crítico em várias aplicações. Tempos de resposta mais rápidos normalmente resultam em maior eficiência de detecção óptica. Muitos sensores ópticos (Figura 4) incorporam circuitos de medição de tempo de resposta em seus projetos para levar em conta suas capacidades de retardo, aumento e queda.

Figura 4. Imagem do produto do RPI-246 (à esquerda) e do RPI-44C1E (à direita). Imagem cortesia de ROHM

Da mesma forma, o custo é um requisito essencial para projetar sensores ópticos. Muitos fatores afetam o custo geral do projeto do sensor óptico, incluindo compra de hardware / software, testes e pesquisa e desenvolvimento.

Os sensores também vêm em vários tamanhos, dependendo de seus tipos e aplicações específicas. Por exemplo, os tamanhos típicos de pacotes de foto-interruptores variam de 3,6 x 3,3 mm a 8 x 4,2 mm. Devido à rápida miniaturização, os projetistas geralmente optam por sensores ópticos menores com um equilíbrio entre alto desempenho e custos mais baixos.

Além disso, os designers preferem sensores sensíveis a um espectro mais amplo de luz, incluindo visível e infravermelho. Sensibilidades mais altas de até ± 40 podem atingir medições de proximidade e de detecção de luz ambiente até quatro vezes mais rápidas.

Benefícios dos sensores óticos

Os sensores ópticos oferecem vários benefícios em várias aplicações, incluindo:

• Pacote leve
• Imunidade à interferência eletromagnética (EMI)
• Confiabilidade
• Amplo alcance dinâmico
• Alta sensibilidade

Além disso, eles são adequados para monitorar vários fenômenos químicos e físicos e são quimicamente inertes, o que é crítico em ambientes perigosos e combustíveis.

Além disso, à luz da pandemia, a necessidade de detecção sem contato está em um ponto mais alto. Sensores ópticos podem ser usados ​​para projetar soluções inovadoras em ambientes industriais e comerciais para facilitar a conformidade de segurança e saúde.

Soluções ROHM para detecção óptica em aplicações eletrônicas

ROHM é um fornecedor de soluções de sensores ópticos de alto desempenho. Os sensores ROHM oferecem um alto grau de sensibilidade, o que é crítico em uma ampla gama de aplicações, por exemplo, automação, detecção de movimento, medição, segurança, vigilância e muito mais.

As soluções de sensoriamento óptico incluem sensores de proximidade e luz ambiente, foto-interruptores, LEDs infravermelhos, fotossensores, fotodiodos, fototransistores, CIs de sensores de luz ambiente e detectores de 4 direções. Os sensores ópticos do ROHM oferecem uma ampla faixa de temperatura operacional (-25 a + 85 ° C) e vêm em pacotes pequenos para economia de espaço ideal.

Para obter mais informações sobre as soluções de sensoriamento óptico da ROHM, visite o site.

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