ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE 

 

“M.PANETTI” BARI

 

AREA DI PROGETTO

 

3ETB

 

A.S. 2003/2004

  

ESPOSIMETRO

  

Coordinatore Prof. Ettore Panella

 

 

Introduzione

 

Nel seguente lavoro si descrive la progettazione, realizzazione e collaudo di un semplice esposimetro. Il circuito è in grado di segnalare il livello di luminosità presente nell’ambiente.

In fig. 1 si riporta lo schema elettrico del circuito.

 

 

 

 

 

 Fig. 1 Schema elettrico dell’esposimetro.

 

 

L’elemento fondamentale è una fotoresistenza indicata con RF. Il valore di RF decresce all’aumentare della luminosità dell’ambiente da circa 1MW al buio a circa 500W con forte illuminazione. La fotoresistenza è connessa in serie con una resistenza fissa R = 10K.

La tensione ai capi di R vale:

 

 

Dove Vcc = 12V è la tensione di alimentazione del circuito.

Si evince che la tensione VR è inversamente proporzionale a RF, per cui un aumento di luminosità si traduce in un aumento della tensione VR.

 

Nei casi estremi di luminosità si ha:

 

·         VR = 11.8 V in piena luce (RF = 500W)

·         VR = 0.12 V al buio (RF = 1MW)

 

I due integrati LM741 operano da comparatore. Indicando con Vn la tensione al pin 2 e con Vp quella al pin 3 si ha:

 

 

 

I due comparatori presentano delle tensioni di commutazione pari a:

 

Tensione Vp del comparatore 2:

 

                                   

 

 

  Tensione Vn del comparatore 1:

 

                                    

 

    Le uscite dei comparatori pilotano due LED che segnalano le situazioni estreme di insufficiente luminosità e forte luminosità. Il NOR tra le uscite dei comparatori segnala la situazione di luminosità sufficiente. Infatti:

 

 

 

 

La taratura del circuito è stata realizzata nel Laboratorio di Elettronica Digitale agendo sulle tapparelle delle finestre e le luci della stanza.

Nel seguito si descrivono le caratteristiche dei componenti utilizzati.

 

 

FOTORESISTENZA

 
    La fotoresistenza è un trasduttore di luminosità che trasforma l’energia luminosa in energia elettrica. La fotoresistenza è un dispositivo a semiconduttore che sfrutta la proprietà di aumentare la propria conducibilità elettrica quando è colpita dalla luce. Infatti, un fotone che colpisce un elettrone impegnato in un legame covalente cede la sua energia che può essere sufficiente a liberare l’elettrone dal legame. Se ciò accade si origina nel semiconduttore una coppia elettrone-lacuna in più in grado di partecipare alla conduzione elettrica. I materiali più usati per realizzare le fotoresistenze sono il solfuro di cadmio CdS e il solfuro di piombo PbS. Il primo ha una risposta spettrale centrata nella radiazione visibile, il secondo è sensibile anche alle radiazioni ultraviolette. Affinché il sensore abbia una elevata sensibilità, deve essere in grado di catturare un numero elevato di fotoni e pertanto si tende a realizzare una superficie sufficientemente ampia. Bisogna tenere presente che le coppie elettrone-lacuna create dai fotoni costituiscono uno stato perturbato per il materiale semiconduttore il quale tende pertanto a ricombinare la coppia riportando l’elettrone nella banda di valenza. Per poter sfruttare le coppie di portatori di carica occorre allora far loro percorrere una distanza relativamente breve in modo che non si abbia abbastanza tempo per la ricombinazione. 
Il tempo di vita delle coppie elettrone-lacuna è un fatto statistico poiché non si può prevedere quando un elettrone incontrerà una lacuna per ricombinarsi. Affinché il trasduttore abbia una elevata sensibilità, il tempo impiegato da ogni portatore di carica per raggiungere gli eventuali elettrodi di raccoglimento deve essere inferiore del tempo di vita di ogni portatore. Per ottenere una fotoresisrenza di superficie elevata e contemporaneamente un cammino dei portatori di carica abbastanza breve, si realizzano elettrodi metallici a forma di pettine che costituiscono il giusto compromesso tecnico ai due problemi esposti.

In fig. 2 si riporta la caratteristica resistenza/luminosità di una fotoresistenza.

Fig.2 Caratteristica statica di una fotoresistenza

La relazione tra illuminamento E (lux) e il valore della fotoresistenza RF segue la legge:

dove A è una costante che dipende dalla forma geometrica della superficie esposta alla luce, E è l’illuminamento (flusso luminoso incidente per una superficie unitaria) ed a è una costante adimensionale minore di 1 dipendente dalle tecnologie utilizzate per la costruzione del dispositivo. 
Si ricordi che nel Sistema Internazionale (SI) l’unità di misura E è il lux (lux), 1 lux è l’illuminamento prodotto dal flusso luminoso di 1 lm (lumen) che incide perpendicolarmente su una superficie di m2. L’illuminamento si può misurare anche  in phot (ph =104 lux) o con il foot (fc =10.76 lux).

 Il principale difetto delle fotoresistenze al CdS consiste nella scarsa velocità di ricombinazione delle coppie lacuna-elettrone generate dalla radiazione elettromagnetica che, se da un lato favorisce la loro sensibilità d’altro lato non favorisce una rapida risposta. La quantità di coppie ricombinate segue una legge di decadimento esponenziale come rappresentato in figura 3:                          

Fig.3 Ricombinazione coppia elettrone-lacuna in una fotoresistenza

La costante di tempo t del fenomeno è relativamente alta e questo comporta una velocità di ristabilimento della resistenza abbastanza elevata. I valori tipici di questa velocità sono nell’ordine di 200 KW /s e questo rende le fotoresistenze inadatte per applicazioni in cui la velocità è ritenuta indispensabile.Anche se le fotoresistenze al PbS sono relativamente più veloci esse non vengono mai utilizzate nel rilievo di illuminazioni rapidamente variabili per le quali si preferiscono altri dispositivi. Soltanto i fotoni di appropriata energia possono essere assorbiti dal materiale semiconduttore per generare portatori di carica in eccesso e ciò comporta che le fotoresistenze, come ogni dispositivo fotosensibile, abbiano una soglia di frequenza sotto la quale la radiazione non ha alcun effetto. Inoltre anche frequenze troppo elevate non possono produrre portatori di carica in eccesso. Le fotoresistenze commerciali presentano una resistenza di buio dell’ordine del MW (resistenza elettrica in condizioni di oscurità) ed un valore dell’ordine di 100W quando sottoposta a forti flussi luminosità (intorno a 1000 lux). Possono dissipare potenze dell’ordine di 1-2 W. I tempi di salita e di discesa risultano superiori a 50-100 ms ed aumentano al diminuire dell’intensità della luce incidente. Ciò dipende dalla elevata vita media dei portatori di carica che determina una elevata inerzia delle fotoresistenze. Le fotoresistenze vengono utilizzate nei circuiti per la regolazione automatica della luminosità (dispay LED, cinescopi, gallerie stradali) in funzione dell’illuminazione dell’ambiente.

 

Il Diodo LED

 

Il termine "LED" è un acronimo che sta per "Light Emitting Diode", ovvero "diodo che emette luce". I LED sono costituiti da una giunzione P-N realizzata con arseniuro di gallio o con fosfuro di gallio, entrambi materiali in grado di emettere radiazioni luminose quando sono attraversati da una corrente elettrica; il valore di tale corrente è compreso fra 5 e 50 mA.

 

Fig. 4 Diodo LED

 

Il funzionamento del LED si basa sul fenomeno detto "elettroluminescenza", dovuto alla emissione di fotoni (nella banda del visibile o dell'infrarosso) prodotti dalla ricombinazione degli elettroni e delle lacune allorché la giunzione è polarizzata in senso diretto. I LED hanno un terminale positivo ed uno negativo, e per funzionare devono essere inseriti in circuito rispettando tale polarità; in genere il terminale positivo è quello più lungo, ma lo si può individuare con certezza osservando l'interno del LED in controluce. L'elettrodo positivo è sottile, a forma di lancia, mentre il negativo ha l'aspetto di una bandierina. Quando si utilizza un LED, è necessario inserire una resistenza in serie ad esso, allo scopo di limitare la corrente che passa ed evitare che possa distruggersi; la caduta di tensione ai capi di un LED può variare da 1,5 a 2,1 V, in funzione della lunghezza d'onda della radiazione emessa (a lunghezze d'onda minori corrisponde una caduta di tensione più alta).Diversamente dalle comuni lampadine, il cui filamento funziona a temperature elevatissime ed è caratterizzato da notevole inerzia termica, i LED emettono luce fredda, e possono lampeggiare a frequenze molto alte, superiori al MHz; se si considera anche che la luce emessa è direttamente proporzionale alla corrente che li attraversa. I LED risultano particolarmente adatti alla trasmissione di segnali tramite modulazione dell'intensità luminosa. Uno dei tanti impieghi del LED è ad esempio quello di iniettori di segnali nelle reti a fibre ottiche. I LED più comuni emettono luce rossa, arancio, gialla o verde. In tempi relativamente recenti si è riusciti a produrre un LED caratterizzato dall'emissione di luce blu chiara, utilizzando il Nitruro di Gallio (GaN). La disponibilità di un LED a luce blu è molto importante poiché consente di ricreare, insieme alle radiazioni rossa e verde, una sorgente di luce bianca.

 

Di seguito si riportano i data sheet degli integrati utilizzati.