sensores óticos(1)
TRANSCRIPT
1. Sensores ópticos
Os sensores são dispositivos capazes de detectar movimentos e ações que ocorrem em processos e projetos eletro-eletrônicos. Os sensores ópticos emulam, basicamente, a visão e são fabricados segundo a tecnologia da emissão e recepção de irradiação infravermelha. De modo geral, apresentam uma vida útil praticamente infinita e são mais precisos quando comparados a outros tipos de sensores. O princípio de funcionamento geral de um sensor óptico consiste na colocação de emissores e receptores de luz.
1.1 Tipos de sensores ópticos:
Os sensores ópticos podem ser divididos em dois tipos: os infravermelhos ativos e os passivos. Dentre os ativos, podemos caracterizar três grupos principais, de acordo com o seu funcionamento:
a) Sistema por Barreira (ópticas alinhadas); b) Sistema por Difusão;c) Sistema por Reflexão.
Um sensor é dito ativo quando este possui um emissor e um receptor que detecta esta onda.
Os sensores são ditos passivos quando estes possuem apenas receptores, ou seja, eles não emitem ondas infravermelhas, apenas detectam a movimentação destas nas suas áreas de atuação.
a) Sistema por Barreira
O transmissor e o receptor estão em unidades distintas e devem ser dispostos em frente ao outro, de modo que o receptor possa constantemente receber a luz do transmissor. O acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado, interromper o feixe de luz;
A distância máxima sensora nominal, informada pelo fabricante, para o sistema é especificada como sendo a máxima distância entre o transmissor e o receptor, o que não impede o conjunto de operar com distâncias menores;
Quando um objeto possui dimensões menores as mínimas recomendadas pelo fabricante, o feixe de luz contorna o objeto e atinge o receptor, que não acusa o acionamento.
a. Principio de funcionamento:
Segue abaixo algumas figuras que ilustram o princípio de funcionamento:
Figura 1: Diagrama em blocos do sistema por barreira.
Figura 2: Diagrama em blocos da função de transferência do sistema por barreira
Figura 3: Diagrama do funcionamento do sistema por barreira.
b. Esquema elétrico do sensor de barreira infravermelha
A figura 4 abaixo mostra o esquema elétrico:
Figura 4: Esquema Elétrico do sensor de barreira infravermelha
O sensor é constituído por dois circuitos. No primeiro circuito, um led infravermelho diretamente polarizado é ligado em série com um resistor e o circuito é alimentado por uma fonte de 12V. Desta forma o led emite um sinal um infravermelho que será captado pelo segundo circuito sensor. Este consiste de um fotosensor inversamente polarizado que recebe o sinal do primeiro circuito. Enquanto o fotosensor está recebendo a luz infravermelha do primeiro circuito, a saída, conectada á alimentação do transistor, permanece inativa.
Quando a barreira é violada, ou seja, o foto sensor deixa de receber a luz do led, passa a existir uma tensão na saída do circuito que irá alimentar o transistor de rádio. Os transistores do segundo circuito funcionam como chaves, fazendo com que exista ou não uma tensão na saída dependendo se a barreira está ou não quebrada, como foi dito acima.
c. Aplicações
A cada dia, a indústria como um todo vem empregando um maior número de sensores ópticos devido, principalmente, a alta precisão, alta confiabilidade e a redução de custos, além de uma vida útil enorme dos mesmos.
Exemplos de aplicações:
Exemplos de sensores ópticos de barreiras:
d. Vantagens e desvantagens do sensor de barreira infravermelha
Vantagens: Podem detectar pequenos objetos a longas distâncias; Os objetos podem ser opacos ou pouco translúcidos; Devido à sua habilidade de detectar através de ambientes
sujos, como pó, óleo, entre outros, esses sensores fornecem grande confiabilidade e necessitam de pouca manutenção.
Desvantagens: Mais caro, devido à exigência de emissor e receptor em
separado; Necessita de duas conexões elétricas separadas; O alinhamento do feixe de luz emissor-receptor torna-se muito
importante; Não detecta objetos completamente transparentes.
1.2 Exemplos de sensores ópticos:
LDR (Light Dependent Resistor)
O foto resistor ou LDR é um dispositivo cuja resistência elétrica diminui quando aumenta a incidência de radiação luminosa. Existe em diversos tamanhos e potência, a figura a seguir mostra o símbolo e o aspecto físico e são usados em detecção de fumaça, alarmes de segurança e roubo, controle de luminosidade, contagem de peças, etc.
( a ) ( b )
Figura 5: LDR ( a ) símbolo ( b ) resposta espectral
A figura a seguir mostra duas aplicações típicas de detecção de luz, a primeira usando transistor e a segunda usando amplificador operacional.
( a ) ( b )
Figura 6: circuitos de detecção de luz ( a ) com transistor ( b ) com amplificador operacional
Na figura 2a na presença de luz o circuito é ajustado (potenciômetro de 47K) para que o transistor corte. Na ausência de luz (escuro) a resistência do LDR aumenta aumentando a tensão nele o que faz o transistor saturar ligando o relé.
Na figura 2b no escuro a tensão na entrada não inversora deve ser levemente inferior à tensão na entrada inversora, desta forma a saída do amplificador operacional é aproximadamente zero e o relé estará desligado. Quando o LDR for iluminado, a tensão na entrada n inversora aumentara fazendo a saída do AO subir para aproximadamente 12V o que faz o transistor saturar ligando o relé.
Fotodiodo e Fototransistor
Um foto diodo funciona ao contrario do LED, isto é, ao receber uma radiação luminosa na junção, produzirá uma corrente que será proporcional à intensidade luminosa. São usados basicamente para detectar a intensidade luminosa, a posição, cor e a presença. A figura a seguir mostra a polarização e a curva característica. Cada uma das curvas da figuraxxx é para um nível de intensidade luminosa.
(a) (b)
Figura 7: fotodiodo ( a ) polarização ( b ) curva característica
Com o dispositivo no escuro a corrente será devido aos portadores gerados termicamente (portadores minoritários), essa corrente é chamada de corrente no escuro, IS.
Com a incidência de luz na junção a corrente aumentará pois novos portadores de carga serão gerados. A corrente total (IT) através da junção será dada por:
IT= IS+IIL
IS é a corrente de saturação
IIL é a corrente devido à radiação incidente
O fotodiodo tem um pico de resposta para um determinado comprimento de onda, para o qual é produzido o máximo numero de pares eletron-lacuna.
Com o dispositivo no escuro a corrente através da junção (IS) corresponde à corrente devido aos portadores minoritários os quais são gerados termicamente. Com a incidência de radiação luminosa na junção a corrente aumentará, pois novos portadores de carga (elétrons livres e lacunas) serão gerados. A corrente total através da junção será dada por:
IT = IS + IIL
Onde: IS é a corrente de reversa de saturação devido aos portadores gerados termicamente, portanto essa componente depende da temperatura, também é chamada de corrente no escuro.
IIL é a corrente devido a incidência da radiação luminosa
O foto diodo tem um pico de resposta para um determinado comprimento de onda (cor), para o qual será gerado o máximo de pares eletron-lacuna, sendo máxima ao redor do comprimento de onda de 0,85μm.
O fototransistor é mais sensível que o fotodiodo, gerando uma corrente β vezes maior, porém tem uma resposta em freqüência proporcionalmente menor. A resposta espectral está mostrada na figura a seguir.
Figura 8: Fototransistor - Exemplo de resposta espectral
Fonte: Detecting Infrared Radiation with a Phototransistor and an IR Filter; Edward V. Lee, American Physical Society, College Park, MD
A figura a seguir mostra a polarização do fototransistor na configuração emissor comum, a curva característica e o circuito equivalente. Para a configuração emissor comum, a saída é baixa quando o dispositivo é iluminado e alta quando está no escuro.
Figura 9; Fototransistor (a ) e ( b ) configuração emissor comum ( c ) circuito equivalente ( d ) curva característica de coletor
Outra alternativa é a configuração coletor comum, figura 7, na qual a saída será alta com o dispositivo iluminado. A terceira alternativa é usada quando o terminal da base estiver disponível e for desejado uma diminuição na sensibilidade do fototransistor.
O fototransistor pode operar no modo ativo e no modo chave. No modo ativo a saída será proporcional à intensidade luminosa, essa aplicação é usada nos casos em que se deseja comparar níveis de intensidade de radiação ou mesmo medir a intensidade da radiação. No modo chave a saída será ou Vcc ou aproximadamente zero.
Figura 10: Fototransistor polarizado ( a ) na configuração coletor comum ( b ) com terminal de base acessível
A corrente de coletor no escuro é dada por:
IC= β.IS=IE
Na presença de radiação, portadores adicionais serão gerados, fazendo aparecer uma corrente IIL que será adicionada à corrente no escuro. Acorrente total será dada por:
IC= β.( IIL + IS) desta forma a corrente produzida pela radiação luminosa será multiplicada por β. Pelo modelo podemos verificar a equivalência entre um fototransistor e um fotodiodo ligado a um transistor comum.
Acoplador Ótico
Um acoplador ótico ou isolador ótico é similar a um transformador, no qual a saída é isolada eletricamente da entrada, no transformador o acoplamento é feito magneticamente e no acoplador ótico é feito através de radiação luminosa.
Internamente ele tem um diodo emissor infravermelho (IR) e um fotodetetor em um mesmo bloco. A energia radiante emitida pelo diodo é emitida através de um elemento transparente e de alta isolação elétrica, não existindo nenhuma conexão elétrica entre a entrada e a saída. A figura a seguir mostra o principio de funcionamento de um acoplador ótico:
Figura 11: acoplador ótico aspectos construtivos
A capacidade de transmitir o sinal da entrada para a saída é dada através da relação de transferência (CTR), a qual depende da eficiência do LED, do detector, da distancia entre o emissor e o receptor, da superfície e sensibilidade do detector.
Os três principais parâmetros de um acoplador ótico são:
A resistência de isolação, é a resistência CC medida entre a saída e a entrada sendo maior do que 1011 Ohms;
A capacitância de isolação, é a capacitância parasita do dielétrico da entrada para a saída, e o seu valor varia de 1 a 3 pF. Devido á essa capacitância o dispositivo pode sofrer danos se tensões muito rápidas forem aplicadas, por exemplos tensões acima de 500V/μs e
Tensão de isolação é a máxima tensão que o dielétrico pode suportar. A tensão de isolação pode atingir valores da ordem de 5000V.
O acoplador ótico comercial 4N25 (4N26,4N27,4N28,4N35,4N36) são acopladores óticos de propósito geral com 6 pinos Dual In Line.
A figura a seguir mostra o encapsulamento e o esquemático interno.
(a) (b) (c)
Figura 12: 4N25 ( a ) encapsulamento branco ( b ) encapsulamento preto ( c ) esquemático
A figura 13 a seguir mostra algumas das curvas características do acoplador ótico 4N25.
(a) (b)
Figura 13: ( a ) curva característica de entrada ( b ) relação de transferência normalizada em função da corrente de entrada (corrente no LED).
O acoplador ótico mais conhecido é o que tem como fotodetector um foto transistor mas existem inúmeros outros tipos de elementos de saída: foto diodo, fotodarlington, fotoscr, fototriac, etc.
É importante lembrar sempre da freqüência de operação (banda passante), ela é tanto menor quanto maior o ganho do fotosensor. Por exemplo, para o acoplador ótico com o fodiodo a banda passante pode ser da ordem de MHz, para o fototransistor centenas de KHz, para o fotodarlington algumas dezenas de KHz.
1.2 Comutadores e Refletores Óticos
São basicamente um emissor e um receptor em um mesmo modulo, mas com abertura que permita a colocação de um anteparo para cortar o feixe. Pode ser um interruptor ou de um anteparo para refletir o feixe, no caso do modulo refletor.
A figura a seguir mostra, de forma simplificada, o principio de funcionamento:
( a ) ( b ) ( c )
Figura 14: Refletor ótico ( a ) aspecto físico ( b ) esquemático ( c ) dimensões (mm)
Um exemplo de refletor ótico é o QRE00034 da Fairchild, o qual consiste de um diodo emissor infravermelho e um foto transistor montados lado a lado em um eixo convergente. O foto transistor responde à radiação somente quando um objeto refletor no seu campo de visão.
( a ) ( b ) ( c )
Figura 15: interruptor ótico ( a ) aspecto físico ( b ) esquemático ( c ) dimensões (mm)
Um exemplo de interruptor ótico é o MOC70P1 da Fairchild. Esses dispositivos são usados principalmente em controle e posicionamento de motores. A figura 13 mostra um disco no qual existe uma ranhura (poderia ser um orifício). À medida que o eixo gira quando a ranhura estiver alinhada com o feixe, o transistor de saída satura e quando o feixe for cortado, o transistor corta gerando uma onda quadrada na saída. A freqüência da onda quadrada será proporcional à rotação do eixo e ao numero de ranhuras.
Figura 16: Interruptor ótico como sensor de movimento
Bibliografia:
UTILIZANDO ELETRÔNICA COM AO, SCR, TRIAC,SCR,555Rômulo Oliveira Albuquerque e Antonio Carlos Seabra - Ed Erica