Sensores ou detectores de passagem são empregados em máquinas industriais, eletrodomésticos, eletroeletrônicos, alarmes e muitas outras aplicações. Como funcionam e quais as configurações mais comuns, são assuntos importantes para o profissional da Eletrônica e de Automação. Neste artigo trataremos desses sensores, fornecendo uma coletânea de circuitos práticos.
Nota: Artigo publicado na revista Eletrônica Total 158 de 2013.
Sensores ou detectores de passagem são circuitos que detectam a passagem de pessoas ou objetos pelo corte de um feixe de luz visível ou de infravermelho, conforme mostra a figura 1.
Com o corte de luz por um instante, um sinal de comando é produzido servindo para acionar os mais diversos tipos de dispositivos como contadores, automatismos, sistemas de aviso ou alarme etc.
Podemos encontrar dispositivos em linhas de montagem, onde a passagem do objeto que está sendo produzido faz o acionamento de algum tipo de dispositivos como os citados no parágrafo anterior. Outra aplicação é em alarmes, onde a passagem de uma pessoa entre o sensor e a fonte de luz provoca o disparo.
Finalmente temos o mesmo tipo de dispositivo em uma infinidade de eletroeletrônicos, tais como para detectar a introdução de um CD em um drive, de uma fita em um videocassete (ou quando chega o seu final), e em muitas outras aplicações. O tipo de configuração e de sensores que se usa para fazer um detector de passagem depende de diversos fatores, tais como:
Distância
O tipo de fonte de luz e de sensor depende em primeiro lugar da sua separação.
Para pequenas distâncias, como por exemplo num acoplador óptico ou numa linha de montagem, ou dentro de uma máquina em que ela não supera alguns centímetros, podemos usar LEDs como fontes de luz e sensores como fotodiodos, fototransistores ou LDRs, conforme ilustra a figura 2.
Para distâncias maiores a fonte de luz precisa ser intensa, o sensor pode ser qualquer um dos anteriores, mas eventualmente devem ser usados recursos ópticos, como lentes, para se obter maior sensibilidade e maior diretividade também.
Velocidade
A velocidade com que o objeto a ser detectado passa diante do sensor é outro fator a ser considerado. Se o sensor for lento e o objeto passar rapidamente, a detecção não ocorrerá. Os LDRs são sensores relativamente lentos, servindo para aplicações em que não temos uma frequência de passagem maior do que alguns quilohertz.
Já os fotodiodos e fototransistores podem detectar passagens em velocidades superiores a 10 MHz, dependendo do tipo.
Tipo de radiação usada
Para se evitar a interferência da luz ambiente, ou ainda para se obter maior alcance e maior diretividade, pode-se usar uma fonte de luz modulada. Desta forma, o sensor deve ser capaz de responder à frequência da modulação, caso em que as aplicações exigem o uso de fotodiodos e fototransistores, uma vez que os LDRs são lentos para esta aplicação.
Na prática, a montagem do sistema consiste em uma fonte de luz que aponta para um sensor, deixando espaço livre para que o objeto a ser detectado passe entre ambos, veja na figura 3.
Esta montagem pode incluir recursos ópticos e ser provida de dois dispositivos isolados como mostra a figura. No entanto, para montagens industriais em que uma engrenagem ou um disco perfurado, ou ainda chanfrado, deve ser o agente de controle do circuito, pode-se usar uma chave óptica como a exibida na figura 4.
Chaves ópticas que já incorporam internamente tanto o emissor de luz infravermelha como circuitos sensores (que vão desde fototransistores comuns até foto-Darlingtons e foto disparadores lógicos) como as mostradas na figura 5, podem ser encontradas no comércio especializado. O tipo de sensor a ser escolhido, conforme já explicamos, depende de diversos fatores.
Circuitos práticos
Damos a seguir uma coletânea de circuitos práticos que usam desde LDRs de baixa velocidade e acionam reles, até circuitos de alta velocidade que fazem uso de fontes de luz modulada. Também daremos alguns circuitos acessórios como detectores de tom e moduladores que podem ser usados em projetos práticos.
Lembramos que os valores dos componentes usados devem ser eventualmente alterados em função da aplicação específica para se otimizar o desempenho, e que os transistores marcados com (*) são equivalentes indicados a partir da fonte original que sugere o circuito, o qual faz uso de componentes que não mais podem ser encontrados facilmente no nosso mercado.
Casualmente, em função do uso de equivalentes, a alteração de valores de resistores de polarização pode ser necessária para se obter o melhor desempenho do circuito.
Sensor de Passagem com LDR (1)
Este primeiro circuito é bastante simples e se o LDR for montado em um tubo opaco com lente, sua sensibilidade permite uma separação de até mais de 1 metro entre o sensor e a fonte. A fonte de luz é uma lâmpada de 5 a 12 V com pelo menos 100 mA de corrente, dependendo da distância de separação.
Uma lâmpada incandescente de 5 a 40 W também pode ser usada para conexão na rede de energia. A sensibilidade é ajustada no trimpot de 1 M Ω e o relé deve ter uma corrente máxima de bobina (acionamento) de 50 mA, com tensão de acordo com a alimentação usada. O circuito é dado na figura 6.
Lembramos que, com a passagem de um objeto diante do relé, ele fechará por um breve instante seus contatos, enviando assim um pulso de controle ao circuito externo.
Trata-se, portanto, de um circuito de ação momentânea, e não monoestável ou biestável. Podemos usar os contatos do relé para acionar um monoestável com o circuito integrado 555, por exemplo, se assim a aplicação o exigir.
Sensor de Passagem com LDR (II)
Este circuito é mais sensível do que o anterior, no sentido de que podemos usar fontes de luz mais fracas e mais distantes. O sensor deve ser montado em um tubo opaco com lente que focalize a fonte distante. Distâncias de até mais de 5 metros podem ser cobertas com esta configuração.
O ajuste é feito no trimpot de 4,7 M Ω, e o relé deve ter uma bobina de acordo com a tensão de alimentação e corrente máxima de 50 mA. O circuito também é de ação lenta, produzindo um breve fechamento dos contatos do relé quando acionado. Recomenda-se este circuito para detecção de objetos extensos e lentos. A fonte de luz pode ter as mesmas características do circuito anterior. A configuração é mostrada na figura 7.
Detector Monoestável (I)
A ação monoestável pode ser um fator importante em muitos projetos.
Entende-se por ação monoestável a produção de um pulso de saída de duração constante que independe da velocidade ou extensão do objeto detectado, ou seja, do tempo de interrupção do feixe de luz. Esta ação pode ser obtida facilmente com a ajuda de um circuito integrado 555 na configuração monoestável. O tempo de duração do pulso de saída depende de R e de C no circuito da figura 8. A constante de tempo é dada por:
T= 1,1 .11.C
O ajuste do ponto de disparo do circuito depende da intensidade da fonte de luz, e pode ser feito por um trimpot de 100 k Ω no pino 2. Para fontes fracas este potenciômetro pode ser aumentado para 1 M Ω. Lembramos que o circuito integrado 555 pode excitar diretamente uma etapa com um relé, ou ainda etapas de circuitos lógicos de tecnologia TTL ou CMOS.
As fontes de luz dependem da sensibilidade desejada. O circuito completo deste detector é apresentado na figura 8.
Detector Monoestável (II)
Trata-se de uma versão equivalente à anterior, mas com um tipo de ação diferente e com maior sensibilidade. Este circuito contém recursos para que o pulso de disparo do 555 seja de duração constante, evitando problemas de repiques com objetos que tenham fendas ou ainda formatos irregulares.
Ao mesmo tempo, a adição do transistor aumenta a sensibilidade do circuito que pode cobrir distâncias maiores. Da mesma forma que o anterior, temos um comportamento monoestável em que o tempo no qual a saída permanece no nível alto depende de R e de C (conforme fórmula já dada). O circuito, que pode ser alimentado com tensões de 5 a 15 V, excita etapas com relés ou outras cargas e é compatível com tecnologias TTL e CMOS. O circuito completo para este detector é ilustrado na figura 9.
Detector com Fototransistor
Um primeiro circuito que faz uso de um fototransistor como detector e que é indicado para a cobertura de pequenas distâncias (até 10 mm), podendo também ser usada uma chave óptica, é exibido na figura 10. Este circuito aciona um relé, quando o feixe de luz que incide no fototransistor é cortado. Para distâncias bem pequenas, a fonte de luz pode ser um diodo emissor de luz visível ou infravermelha.
O relé tem bobina de no máximo 50 mA e tensão de acordo com a usada para a alimentação da etapa. Lembramos que este circuito produz um pulso apenas durante o tempo em que o objeto corta o feixe de luz e que, portanto, não tem ação monoestável.
Detector Sensível Com Fototransistor
Este circuito faz uso de dois transistores numa configuração de acoplamento direto, e aciona diretamente um relé cujas características dependem da tensão de alimentação usada. A corrente de acionamento do relé deve ser no máximo de 50 mA, devendo ser considerada a queda de tensão no resistor de realimentação de 10 Ω.
A fonte de luz é uma pequena lâmpada de baixa tensão, que tem sua luz focalizada no fototransistor a uma distância de até 3 cm. Fontes mais potentes e recursos ópticos podem aumentar esta distância.
O resistor de 1 k ohm, eventualmente, pode ser alterado conforme as características de acionamento desejadas para o circuito. Na figura 11 temos o diagrama completo deste detector de passagem.
Detector Lógico (I)
O circuito apresentado na figura 12 aciona diretamente uma porta lógica TTL, exigindo, pois, alimentação de 5 V.
O resistor R1 determina a sensibilidade do circuito. O nível lógico de saída depende do fato da luz no sensor ser cortada ou incidir no mesmo, lembrando que a porta TTL atua como um inversor. Outras funções inversoras-disparadoras (Schmitt) podem ser usadas na mesma configuração.
Detector Lógico Sensível (II)
Esta segunda configuração (usando uma porta lógica com saída compatível TTL) utiliza um transistor amplificador para se obter maior sensibilidade. O capacitor atua como um filtro, evitando a ação de espúrios que possam aparecer ao se cortar a luz incidente no sensor.
O resistor de 15 k O na base do transistor determina a sensibilidade e eventualmente pode ser alterado na faixa de 4k7 a 47 kohms, conforme a aplicação. O circuito é mostrado na figura 13 e qualquer fototransistor comum pode ser usado como sensor.
Detector de Luz Modulada
Um recurso para se evitar a influência da luz ambiente, ou ainda a ação de fontes de luz externas no circuito detector, é o uso de luz modulada. O sinal resultante de um circuito sensor como o mostrado na figura seguinte é um tom de frequência igual à usada na modulação, e pode ser aplicado a um PLL para detecção ou ainda a um circuito reconhecedor de outro tipo, incluindo os que fazem uso de DSPs.
No circuito indicado, o resistor de 22 k Ω em série com o sensor pode ser alterado em função da sensibilidade desejada. O fototransistor usado deve ser de tipo escolhido de acordo com a aplicação, mas em geral os tipos comuns como o TIL78 admitem operação com sinais modulados em até algumas centenas de quilohertz. O circuito completo para esta aplicação está na figura 14.
Receptor de Luz Modulada de Alta Velocidade
Sinais modulados em até alguns megahertz podem ser detectados com o circuito mostrado na figura 15, que faz uso de um fotodiodo como sensor e um transistor de efeito de campo de baixa potência como elemento amplificador. A sensibilidade depende do resistor de 100 k Ω em série com o fotodiodo, o qual pode ser alterado conforme a aplicação.
O capacitor C tem seu valor escolhido na faixa de 1 nF a 100 nF, con-forme a frequência de modulação do sinal recebido. A alimentação pode ficar entre 5 V e 15 V, tipicamente. O sensor pode ser qualquer fotodiodo ou mesmo uma junção PN de um fototransistor.
Monoestável Para Linha de Montagem
O circuito da figura 16 é sugerido pela Texas Instruments em seu manual de optoeletrônica e consiste num sensor de passagem para objetos numa esteira de linha de montagem. Este circuito usa um fototransistor para detectar a passagem do objeto, o qual gera uma transição lógica numa porta disparadora do tipo 7414.
Esta transição é usada para disparar um monoestável TTL, que gera um pulso de contagem ou controle de duração constante no pino 6 de saída. O tempo de duração deste pulso depende do resistor de 15 kohms e do capacitor de 10 nF, componentes estes que podem ser alterados em função da aplicação desejada.
Recursos ópticos junto à fonte de luz e ao sensor podem ser usados para se aumentar a sensibilidade e alcance.
Sensor de Boia
Este circuito, visto na figura 17, também é sugerido pela Texas Instruments e mostra como se pode controlar o nível de um reservatório de água (ou outro líquido transparente) utilizando-se sensores de passagem. O que temos são dois sensores que são posicionados em níveis diferentes do reservatório, sendo focalizados em fontes de luz que no caso são LEDs.
O corte do feixe de luz por uma boia faz com que os circuitos sensores atuem sobre um flip-flop TTL montado com portas de um 7402, mudando-o de estado. Assim, temos a produção de sinais nos níveis A e B, que servem tanto para ligar uma bomba para encher o reservatório no nível B como para desligá-la quando a boia atingir o nível A.
O circuito deve ser alimentado com 5 V e a sensibilidade elevada exige que os focos de luz dos LEDs sejam rigorosamente apontados para os sensores, que não podem receber luz de outras fontes.
Circuitos complementares
Para operar com os circuitos indicados podem ser necessários alguns circuitos complementares. Alguns deles são dados a seguir:
Etapas de Potência
Na figura 18 damos alguns circuitos simples de etapas de potência que podem ser alimentadas por saídas TTL diretamente, acionando relés e outras cargas.
Detector de Tom
Um circuito que detecta quando um tom de baixa frequência (100 Hz a 500 kHz) está ausente, podendo ser usado nos sensores que fazem uso de luz modulada é o mostrado na figura 19. Este circuito faz uso de um PLL NE567 que é sintonizado no trimpot. Quando o tom de entrada deixa de ser reconhecido, o relé ligado na saída é acionado.
