Circuitos com chaves ópticas (ART762)

As chaves ópticas consistem em elementos apropriados para o isolamento de circuitos. Elas permitem que um sinal de controle atue sobre um circuito sem contacto elétrico. Nesse artigo, descrevemos alguns circuitos simples, porém muito úteis, que fazem uso de chaves ópticas ou isoladores ópticos.

Uma chave óptica típica consiste num dispositivo em que existe uma fonte emissora, normalmente um LED infravermelho, e um receptor, normalmente um foto-transistor, conforme mostra a figura 1.

 


 

O dispositivo é montado de tal forma que entre o emissor e o receptor existe uma fenda onde pode ser introduzido um objeto. A introdução desse objeto interrompe o feixe de radiação do emissor, provocando uma mudança de estado do circuito.

As chaves ópticas são extremamente rápidas e têm a vantagem de não fazerem uso de contactos mecânicos que podem desgastar e ainda apresentar problemas de repiques.

 

1. Circuito com Comparador

O primeiro circuito que mostramos na figura 2, consiste numa chave óptica que faz uso de um comparador de tensão.

 


 

O comparador tanto pode ser elaborado com base num amplificador operacional como pode ser usado um comparador convencional como o Lm339.

Os resistores R3 e r4 fixam o ponto de disparo. R1 determina o brilho da fonte emissora podendo ficar entre 330 ? e 1 k ? tipicamente, para alimentações entre 5 e 12 V. O resistor R2 tem valores típicos entre 10 k? e 100 k?, conforme o ponto de disparo ajustado.

R5 é um elemento de realimentação positiva de modo a acelerar o disparo. O valor desse resistor depende da aplicação.

 

2. Circuito com Amplificador Operacional

Na figura 3 temos uma configuração semelhante em que a tensão de referência vem de um circuito externo, por exemplo, com base num diodo zener.

 


 

A diferença em relação ao anterior está no fato de que o sinal do acoplador é aplicado à entrada não inversora. Os valores dos resistores são escolhidos conforme o ponto de disparo desejado e também a sensibilidade.

 

3. Excitação de Logica TTL

O circuito da figura 4 utiliza dois transistores para a excitação de lógica TTL. Valores típicos dos componentes são mostrados no diagrama para a alimentação de 5 V. Eventualmente ajustes podem ser feito de acordo com a sensibilidade desejada.

 


 

4. Circuito com Acoplamento AC

O circuito mostrado na figura 5 utiliza um capacitor de modo a produzir um pulso de curta duração quando um objeto passa pela chave óptica. O valor do capacitor estará entre 1 nF e 100 nF dependendo da duração desejada para o pulso.

 


 

Os valores dos componentes são típicos, e o amplificador operacional pode ser de qualquer tipo. Eventualmente, alterações de alguns valores de resistores podem ser necessárias para se obter o desempenho desejado conforme a aplicação.

 

5. Circuito com Comparador Flutuante

No circuito da figura 6 usamos três amplificadores operacionais sendo um deles configurado como comparador de tensão onde a referência é dada por R3 e R4 cujos valores típicos estarão entre 2 k e 100 k?.

 


 

Os capacitores C1 e C2 são de desacoplamento enquanto que R1 e r2 são dimensionados conforme os demais circuitos apresentados. R1 depende da tensão de alimentação, fixando a corrente no emissor e R2 é a carga do receptor, fixando sua sensibilidade. Esse circuito exige uma fonte de alimentação simétrica para o receptor. Para o transmissor, a fonte pode ser independente ou isolada do circuito do receptor..

 

6. Circuito com Compensação de Emissão do LED

Um sistema de realimentação permite compensar a luz emitida pelo LED no circuito da figura 7.

 


 

Os valores dos componentes são típicos, mas eventualmente podem ser necessárias alterações conforme a aplicação. Essas alterações podem ser importantes principalmente em R3, R4 e R5 que fixam os pontos de disparo dos comparadores. O transistor Q1 pode ser de uso geral e os amplificadores operacionais necessitam de fonte simétrica.

 

7. Circuito com Amplificador Operacional - II

Na figura 8 temos uma outra configuração com amplificador operacional, onde o resistor de 1 k? pode eventualmente ser alterado conforme a sensibilidade desejada.

 


 

O resistor de 220 k? tem por finalidade agregar histerese ao circuito, e a característica é de inversão de sinal. Isso significa que a saída vai ao nível alto quando um objeto é introduzido na chave óptica.

Observe ainda que esse circuito não necessita de fonte de alimentação simétrica.

 

8. Circuito com Amplificador Operacional - III

O circuito apresentado na figura 9 tem um resistor de realimentação negativa determinando assim seu ganho.

 


 

Esse resistor pode ter valores na faixa de 100 k? a 1 M?, e o amplificador operacional não necessita de fonte de alimentação simétrica. Dependendo do amplificador usado, podem ser feitas alterações de valores dos resistores, para se obter o melhor desempenho.

 

9. Circuito Transistorizado - I

Uma configuração com apenas um transistor e bom rendimento pode ser obtida da maneira mostrada na figura 10.

 


 

Pode-se usar qualquer transistor NPN de uso geral nessa configuração e o ganho depende dos resistores de coletor e base que, eventualmente podem ser alterados numa boa faixa de valores.

Nesse circuito o acoplamento é AC dado pelo capacitor, o que significa a produção de pulsos, mesmo quando o objeto permanece fora ou dentro da chave óptica.

 

10. Circuito Transistorizado PNP

Para utilizar um transistor PNP podemos empregar o circuito mostrado na figura 11.

 


 

Os resistores também podem ter seus valores alterados em função das características da chave óptica, do transistor e da própria aplicação. A tensão de alimentação também influi nos valores desses componentes, principalmente o resistor que determina a corrente no LED emissor.

 

Conclusão

Evidentemente, o que vimos são apenas umas poucas soluções das muitas que podem ser obtidas a partir de chaves ópticas convencionais.

Também lembramos que existem chaves ópticas com elementos sensores diferentes e até mesmo amplificação interna, o que permite o desenvolvimento de outras configurações.

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