Sensores de toque podem ser usados no controle de diversos tipos de dispositivos mecatrônicos. Eles podem ser usados diretamente em painéis de controle como também em alarmes, detectores de presença e muito mais. Nesse artigo descrevemos uma série de circuitos simples que operam baseados na presença da resistência elétrica do corpo da pessoa que os toca. São, portanto sensíveis sensores resistivos que também podem ser usados com outras finalidades, conforme veremos no decorrer do próprio artigo.
Nota: Artigo publicado na revista Mecatrônica Fácil 35 de Julho/Agosto de 2007
Um dos tipos mais simples de sensor de toque que pode ser implementado com facilidade é o que se baseia na presença de uma resistência elétrica num circuito quando o tocamos com os dedos.
Conforme mostra a figura 1, ao tocarmos ao mesmo tempo duas chapinhas de metal, a presença da resistência da pele humana que pode variar entre algumas dezenas de quilohms até vários megohms é suficiente para ativar o circuito.
Como a corrente que circula pelos dedos da pessoa que toca o sensor é extremamente baixa, não nem perigo nem a sensação de choque. A corrente nesse caso será da ordem de milionésimos de ampère.
É claro que os circuitos desse tipo não devem nunca ser alimentados diretamente pela rede de energia sem os necessários dispositivos de isolamento tais como transformadores.
Nos casos em que a alimentação é direta, devem ser usados resistores limitadores de corrente de valores muito altos para se evitar qualquer tipo de perigo de choque para a pessoa que tocar no sensor.
Os circuitos que descrevemos a seguir foram em sua maioria projetados para acionar um relé, de modo que esse relé interfaceia uma carga de maior potência.
No entanto, podem ser usados como cargas outros dispositivos tais como pequenos motores, lâmpadas, solenoides, etc. Evidentemente, o dispositivo acionado deve estar de acordo com a capacidade do transistor ou outro componente usado.
Na figura 2 damos exemplos de interfaces de maior potência para acionamento de cargas de maior potência usando transistores Darlington e de outros tipos.
Acionamento por Toque 1
O primeiro circuito que apresentamos, mostrado na figura 3, aciona um relé quando tocamos no sensor X1.
Com o toque no sensor, a entrada do circuito digital (porta NAND) vai ao nível baixo e com isso sua saída, que estava no nível baixo, passa ao nível alto, saturando o transistor e ativando o relé.
A carga do relé nesse caso, para servir de exemplo é um LED, mas o que pode ser controlado depende apenas da capacidade de seus contatos.
A sensibilidade desse circuito depende de R1. Quanto maior for esse resistor, maior será a sensibilidade. Não se recomenda um fio de ligação muito longo para o sensor, pois podem ser captados ruídos que instabilizam o seu funcionamento ou fazem os contatos do relé entrar em vibração.
A alimentação pode ser feita com tensões de 6 ou 12 V conforme o relé usado. O relé deve ter corrente máxima de 50 mA.
O sensor pode ser feito com uma plaquinha de circuito impresso, conforme mostra a figura 4(a) ou ainda com dois percevejos conforme mostra a mesma figura em (b).
O circuito apresentado é do tipo de ação momentânea, ou seja, o relé permanece fechado enquanto houver o toque. Na figura 5 mostramos a montagem desse circuito numa matriz de contatos.
Acionamento Monoestável
O circuito apresentado na figura 6 tem uma ação monoestável. Isso significa que ao tocarmos no sensor o relé fecha e assim permanece por um tempo bem determinado, meso depois que deixamos de tocar o sensor.
O tempo é programado pelos valores de R e C. R pode ter valores entre 1 k ohms e 1 M ohms enquanto C pode ter valores entre 10 nF e 1 000 uF. O tempo de acionamento é calculado pela fórmula:
T = 1,1 x R x C
Onde:
T é calculado em segundos
R é dado em ohms
C é dado em Farads.
Por exemplo, para R = 1 M ohms e C = 100 uF obtemos aproximadamente 110 segundos ou pouco menos de 2 minutos. Evidentemente, deve ser considerada a tolerância dos componentes usados.
Na figura 7 temos a simulação do funcionamento desse circuito no Multisim, onde o sensor de toque foi substituído por um sensor de contacto momentâneo.
Observe a forma de onda obtida no osciloscópio virtual do Multisim, mostrada. Uma possibilidade interessante consiste em se substituir R por um potenciômetro de 1 M ohms em série com um resistor de 10 k e assim termos um ajuste do tempo de acionamento.
A alimentação desse circuito pode ser feita com tensões de 6 a 12 V, dependendo apenas do relé usado.
A fonte de alimentação usada, como nos demais circuitos, deve sempre usar transformador de isolamento ou então ser formada por pilhas ou bateria.
O funcionamento do circuito pode ser descrito da seguinte maneira: quando tocamos no sensor, o transistor conduz fazendo com que seja aplicado um nível baixo na entrada de disparo do 555 (pino 2). Nessas condições, sua saída vai ao nível alto por um tempo determinado por R e C.
Circuito sensível com transistores
O circuito mostrado na figura 8 usa transistores comuns, mas é sensível o bastante para acionar um pequeno relé com corrente de bobina de até 50 mA.
Quando o sensor é tocado, o transistor Q1 conduz e com isso polariza a base de Q2 no sentido de saturá-lo. Com isso temos o acionamento do relé ligado em seu coletor.
O relé deve ter tensão de acordo com a alimentação e uma bobina com corrente de acionamento no máximo de 50 mA. O capacitor C1 é usado como filtro para evitar que o ruído da rede de energia captado pelo corpo de quem toca no sensor faça com que os contatos do relé vibrem.
Eventualmente o valor desse componente deve ser aumentado, principalmente se os fios que vão ao sensor forem longos. Nesse caso recomenda-se também o uso de fios blindados.
Toque com FET de Potência
No circuito da figura 9 temos o acionamento de um relé ou mesmo outro tipo de carga com um MOSFET de potência.
A elevadíssima resistência de entrada desse dispositivo possibilita seu acionamento diretamente pelo toque no sensor. O resistor R1 determina a sensibilidade do circuito. O relé usado depende apenas da alimentação que deve ser de pelo menos 12 V, pois os MOSFETs de potência operam melhor com tensões mais altas.
Para o acionamento direto de uma carga de potência, o MOSFET deve ser montado num radiador de calor.
Toque com Amplificador Operacional
Na figura 10 temos um circuito interessante que faz uso de um amplificador operacional do tipo 741. Evidentemente, amplificadores operacionais equivalentes podem ser usados.
Esse circuito não precisa de fonte de alimentação simétrica e relés de 6 a 12 V podem ser usados dependendo apenas da tensão de alimentação.
A sensibilidade do circuito depende de R1 que eventualmente pode ser alterado ou mesmo substituído por um trimpot de mesmo valor. O sensor é do mesmo tipo usado nos demais projetos descritos nesse artigo.
Esse circuito funciona da seguinte maneira: a entrada inversora (pino 2) é polarizada com metade da tensão de alimentação. Sem tocar em X1 a tensão entrada não inversora (pino 3) é mais baixa que a tensão de referência e com isso a saída do amplificador operacional se mantém no nível baixo.
Quando tocamos no sensor, a tensão na entrada não inversora sobe e, ao ultrapassar a tensão de referência ocorre a inversão do nível lógico na saída do 741 que passa a ser alto. Nessas condições o transistor é polarizado no sentido de conduzir a corrente e ativar o relé.
Um amplificador operacional extremamente sensível, por usar transistores de efeito de campo na entrada, e que pode ser usado nesse tipo de aplicação é o CA3140.
Circuito com SCR (trava)
O circuito apresentado na figura 11 trava ao ser disparado, ou seja, se mantém nesse estado indefinidamente mesmo depois que deixamos de tocar no sensor.
Para desligar o circuito é preciso pressionar S1 por um momento. Isso ocorre devido às próprias características do SCR.
A sensibilidade depende de R3 que eventualmente pode ser alterado. O SCR apresenta ainda uma queda de tensão da ordem de 2 V daí ser preciso alimentar o circuito com uma tensão pelo menos 2 V maior do que a exigida para o disparo do relé ou para funcionamento da carga alimentada.
Por esse motivo, com uma boa tolerância, mesmo usando um relé de 6 V, alimentamos o circuito com 9 V.
Para alimentar cargas de maior potência é preciso montar o SCR num radiador de calor apropriado.
SCR na Rede de Energia
O circuito final, mostrado na figura 12 permite o controle de uma carga resistiva, por exemplo, uma lâmpada de 110 V ou 220 V do tipo incandescente, com o simples toque no sensor. O circuito não tem trava, acionando a carga apenas enquanto o sensor estiver sendo tocado.
Não devem ser controladas cargas não resistivas como lâmpadas fluorescentes, eletrônicas, etc.
O resistor R1 limita a corrente no sensor, protegendo a pessoa que o toca. R2 determina a sensibilidade podendo ser aumentado até valores em torno de 220 k ohms.
O cabo ao sensor, que nesse caso é único, pode ter até 1 metro de comprimento. Com cabos maiores temos a possibilidade de captação de ruídos com o funcionamento errático do circuito.
O SCR deve ser sufixo B para a rede de 110 V e sufixo D para a rede de 220 v.
Ao ligar o aparelho toque no sensor. Se a lâmpada não acender, gire de 180 graus a tomada. O SCR deve ser dotado de dissipador de calor se a lâmpada for de mais de 40 W.
Conclusão
Os circuitos que vimos são apenas uma pequena amostra do que se pode fazer em termos de sensores de toque.
Veja que em muitos casos os sensores de toque podem ser perfeitamente substituídos por sensores equivalentes como micro-switches e reed switches. Outra possibilidade consiste no uso de sensores de balanço e até mesmo sensores de umidade.
