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LDR E SENSORES DE LUZ AMBIENTE : FUNCIONAMENTO E
APLICAÇÕES
José Jair Alves Mendes Júnior1; Sérgio Luiz Stevan Junior1
mendes.junior13@yahoo.com.br;sstevanjr@utfpr.edu.br
1Universidade 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, constata-
se 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 eletro-
eletrônicos 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
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Câmpus Ponta Grossa – Paraná – Brasil
Semana de Eletrônica e Automação
SEA 2013
Semana de Eletrônica e Automação – SEA 2013
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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.
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:
(1)
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
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 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
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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)
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
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. 22-23)
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-749803 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-749803
Fonte: AMIS SEMICONDUCTOR (2006)
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.
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(a)
(
(b)
Figura 8: Pinagem (a) e Circuito interno (b) do OPT101P
da Texas Instruments
Fonte: TEXAS INSTRUMENTS (2009)
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
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 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)
0,42
20
0,12 a 0,22
Banda espectral (nm)
475 a 650
360 a 970
≈300 a 1500
Máximo pico do
Comprimento de Onda (nm)
555
570
850
Corrente de saída (µA)
25 a 34(Para 1000lux)
50 (Para 100lux)
Não especificada
Modelo Circuito Interno
Amplificador-operacional
Transistor NPN
Amplificador-operacional
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
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Disponível em:
http://www2.feg.unesp.br/Home/PaginasPessoais/ProfMa
rceloWendling/4---sensores-v2.0.pdf. Acesso em 05 de
jun de 2013.
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