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Como funcionam os sensores ópticos (ART1051)

Uma grande quantidade de dispositivos de controle em máquinas industriais, automação predial e mesmo de equipamentos de consumo utiliza sensores ópticos. Sem a necessidade de contatos mecânicos este tipo de dispositivo não sofre desgaste e está sujeito a um número muito menor de falhas, sendo por isso preferido pelos projetistas. Veja, neste artigo, como funcionam os sensores ópticos e guarde no seu arquivo os circuitos práticos que o acompanham, pois eles podem ser de grande utilidade.

A disponibilidade de diversos tipos de sensores ópticos sensíveis e rápidos permite ao projetista de controles eletrônicos de todos os tipos a elaboração de circuitos de grande eficiência. Estes circuitos podem ser usados para detectar o fim de curso de partes móveis de uma máquina, controlar a velocidade de rotação de um volante ou ainda detectar a passagem de um objeto por um determinado local.

Para estudar estes sensores devemos partir inicialmente dos dispositivos utilizados para esta finalidade, passar pelas tecnologias e depois ir aos circuitos aplicativos. É o que faremos.

 

Os sensores

Existem diversos tipos de dispositivos sensores que podem ser utilizados no controle óptico de máquinas.

O primeiro é o LDR ou Light Dependent Resistor (foto-resistor) que consiste numa célula de Sulfeto de Cádmio com símbolo, forma e curvas características mostradas na figura 1.

 

O LDR
O LDR

 

 

O LDR é um dispositivo cuja resistência depende da intensidade de luz que incide numa superfície sensível. A resistência é mais elevada no escuro, caindo rapidamente à medida que a intensidade luminosa aumenta.

Os LDRs comuns podem ter uma resistência maior que 1 M Ω no escuro e menor que 100 Ω com iluminação total. Sua sensibilidade é, portanto, muito grande e ele pode conduzir a corrente em ambos os sentidos.

Todavia, a maior desvantagem no uso dos LDRs como sensores é sua velocidade de resposta, que é muito lenta. Acima de uns 10 kHz ele deixa de responder eficientemente às variações de luz.

Isso significa que esse tipo de sensor funciona bem como um detector de passagem de baixa velocidade, uma chave de fim de curso ou ainda como elemento de segurança impedindo o acionamento de uma máquina quando alguém está num determinado local de perigo. Ele não serve, entretanto, como sensor de velocidade de uma peça que gira em alta rotação.

Os LDRs, contudo, podem trabalhar com correntes relativamente elevadas simplificando os projetos dos circuitos em que eles operam.

Um outro tipo de sensor importante é o fotodiodo cujo símbolo, aspecto e curva característica são ilustrados na figura 2.

 

O fotodiodo.
O fotodiodo.

 

 

O fotodiodo funciona baseado no fato de que a corrente numa junção PN polarizada no sentido inverso varia com a luz que nela incide. Esta luz libera portadores de carga que se somam à corrente de fuga.

As correntes que se obtém dos fotodiodos quando iluminados são muito baixas, exigindo circuitos de grande amplificação para o acionamento de dispositivos de potência.

A principal vantagem dos fotodiodos, entretanto, está na sua elevadíssima velocidade de resposta, o que torna esse tipo de sensor ideal para medir rotação de peças em alta velocidade, ler códigos de barras e até mesmo contar objetos que passem com muita rapidez por um local.

A seguir, temos os fototransistores cujo símbolo, aspecto e curvas características são mostrados na figura 3.

 

O fototransistor.
O fototransistor.

 

 

Os fototransistores funcionam segundo o mesmo princípio dos fotodiodos, ou seja, aproveitando a corrente de fuga entre coletor e emissor que depende da luz incidente nas junções.

Embora os transistores sejam mais sensíveis que os fotodiodos, já que podemos aproveitar o fato de que eles podem ser ligados de modo a amplificar as correntes de fuga, sua velocidade é um pouco menor.

Existem tipos de fototransistores montados na configuração Darlington que podem fornecer intensidades de sinal maiores. No entanto, nesta configuração, ao lado do ganho de sensibilidade temos uma redução na velocidade de resposta. Na configuração Darlington, a capacitância entre emissor e base dos transistores influi na resposta de frequência de modo acentuado, reduzindo assim a velocidade máxima de operação.

Outros dispositivos igualmente importantes mas de utilização menos comum, podem ser encontrados em algumas aplicações como os foto-SCRs e os foto-triacs, cujos símbolos são observados na figura 4.

 

Outros sensores de luz.
Outros sensores de luz.

 

 

Basicamente eles consistem em SCRs e TRIACs que são disparados pela luz. Podemos também incluir nesta categoria os foto-diacs.

 

Fontes de Luz

Para excitar os sensores analisados são usadas as mais diversas fontes de luz. O principal ponto a ser observado na escolha da fonte de luz que vai excitar um determinado sensor é a sua curva espectral de emissão, que deve "casar" com a curva espectral de resposta do sensor.

De nada adianta iluminar o sensor sensível à luz visível com uma fonte infravermelha que ele não consegue "ver".

Na figura 5 temos as curvas espectrais de algumas fontes de luz e também dos sensores que estamos analisando.

 

Curvas espectrais de sensores.
Curvas espectrais de sensores.

 

 

É interessante observar que a maioria dos sensores analisados pode "ver" radiação tanto da faixa do infravermelho quanto do ultravioleta, o que permite que a fonte de luz, nos casos em que isso seja importante, seja invisível aos olhos humanos.

 

As tecnologias

Para usar um sensor óptico numa aplicação qualquer existem diversas tecnologias que podem ser empregadas.

A mais comum é a que faz uso da interrupção de um feixe de luz que incide num sensor, conforme ilustra a figura 6.

 

Sensoreamento por interrupção.
Sensoreamento por interrupção.

 

 

Quando um dente de uma engrenagem, um ressalto ou ainda uma peça interrompe o feixe de luz que incide no sensor, temos uma variação de sua condição de condução e a produção de um pulso de saída.

É comum encontrarmos sensores já prontos ou chaves ópticas industriais que são componentes que já contêm no invólucro um emissor (normalmente um LED infravermelho) e um receptor que pode ser qualquer um dos estudados no item anterior.

Na figura 7 mostramos um desses sensores que pode ser usado com uma roda denteada.

 

Uma chave óptica.
Uma chave óptica.

 

 

O funcionamento de modo "invertido" para o sensor também é possível, quando em lugar de se produzir um pulso pela interrupção da luz, este pulso é gerado pela passagem de um "gap" ou ainda por um furo numa roda ou outro dispositivo móvel, conforme indica a figura 8.

 

Sensoreamento por furo.
Sensoreamento por furo.

 

 

É muito importante nas aplicações em que esses tipos se sensores sejam usados verificar se o pulso de luz (ou sombra) gerado tem duração suficiente para que o sensor responda com um pulso elétrico na saída.

Observe pela forma de onda que, mesmo sendo a interrupção de luz um pulso retangular, dada a velocidade de resposta do sensor, na saída não temos uma forma de onda igual.

Este tipo de comportamento exige que nas aplicações onde o pulso excita circuitos digitais, faça-se uso de disparadores ou outros circuitos que melhorem a forma de onda para que ela possa ser trabalhada com contadores e outros circuitos utilizados.

É importante observar também que, nos casos em que a fonte emissora e o sensor ficam muito longe um do outro, devem ser usados recursos ópticos para aumentar a sensibilidade. O mais comum é o uso de lentes convergentes que podem ser acopladas ao sensor, ao emissor ou a ambos, conforme mostra a figura 9.

 

Usando lentes.
Usando lentes.

 

 A lente convergente pode operar de duas formas:

 

a) Concentrando a luz que incide na sua superfície sobre a superfície do sensor.

b) Alterando a emissão do feixe de luz de modo que ele se torne mais paralelo, e portanto fique mais concentrado na direção em que o sensor está localizado.

 

Um outro modo de se operar os sensores é o denominado "refletivo" que pode ser visto na figura 10.

 

Detecção por reflexão.
Detecção por reflexão.

 

 

Nesta modalidade de operação a fonte de luz ilumina uma área da peça móvel e o sensor é focalizado de modo a receber a luz dessa área.

A produção do pulso no sensor pode ser obtida de duas formas:

 

a) Pintando-se numa peça negra pontos ou faixas brancas que vão ser detectadas pela passagem diante do sensor/emissor.

b) Pintando-se numa peça branca faixas ou pontos pretos que vão ser detectados pela sua passagem diante do sensor/emissor.

 

Circuitos Práticos

Apresentamos, a seguir, diversos circuitos práticos usando sensores ópticos.

Começamos pelo circuito para fotodiodo com amplificador operacional, sugerido pela Texas Instruments (*) e que é mostrado na figura 11.

 

Circuito para o fotodiodo.
Circuito para o fotodiodo.

 

 

Neste circuito o ganho é determinado pelo resistor R1 enquanto que o trimpot entre os pinos 1 e 5 é um ajuste de nulo para a tensão de saída. Deve ser alimentado por fonte simétrica e a frequência máxima dependerá justamente do operacional, sendo inferior a 1 MHz.

Na figura 12 temos outra configuração sugerida pela Texas Instruments (*), que inclui um disparador de modo a se obter um tempo de variação menor para o sinal.

 

Circuito com transistores.
Circuito com transistores.

 

 Na figura 13 temos um circuito de opto-acoplador que usa uma lâmpada comum de 12 V como fonte, sugerido pela Texas Instruments (*).

 

Disparador de relé (chave óptica).
Disparador de relé (chave óptica).

 

 Nele, o relé deve ter uma corrente de acionamento de no máximo 50 mA.

Para fornecer um sinal a partir de um sensor para um circuito digital TTL temos a configuração ilustrada na figura 14.

 

Configuração para TTL.
Configuração para TTL.

 

 

Esta configuração também é sugerida pela Texas Instruments (*) e funciona com diversos disparadores da família TTL.

 Um circuito mais sensível, ainda fornecido pela Texas Instruments (*), é apresentado na figura 15.

 

Circuito para TTL sensível.
Circuito para TTL sensível.

 

 

(*) A Texas Instruments publicou um excelente manual de opto-eletrônicos contendo teoria básica e circuitos de aplicação. Trata-se do livro "Optoelectronics" - Theory and Practice, de Alan Chappell.

 

Este circuito excita disparadores Schmitt-TTL, como o anterior.

 

CONCLUSÃO

Para o projetista ou mesmo o técnico de manutenção de equipamentos industriais que, eventualmente, precise de alternativas ou circuitos de sensores ópticos, os que mostramos neste artigo são apenas alguns dos muitos que existem.

O importante na escolha de uma configuração ou de um sensor é levar em conta tanto a sensibilidade quanto a velocidade do dispositivo usado. Eventualmente, o espectro é importante dependendo do tipo de fonte luminosa que será usado na sua excitação.

 

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