Tutorial Eletronica - Aplicações e funcionamento de sensores

Tutorial Eletronica - Aplicações e funcionamento de sensores

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Aplicações,

Funcionamento e

Utilização de Sensores

Autor: Luís Fernando Patsko Nível: Intermediário Criação: 14/12/2006 Última versão: 18/12/2006

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1 − Introdução

Em vários projetos desenvolvidos ao longo do curso de Mecatrônica e Robótica, o uso de sensores é muito interessante. Através de sensores, podemos fazer a leitura de determinadas características do ambiente, tais como a presença de um obstáculo no caminho de um robô, a temperatura de um motor ou o fato de uma porta estar fechada ou não, e responder de acordo com elas, ou seja, criar um sistema capaz de interagir com o ambiente.

Nesse tutorial, serão apresentados diversos tipos de sensores, desde modelos comuns até alguns mais elaborados, detalhando o seu funcionamento e explicando como podemos utilizá-los corretamente num circuito eletrônico ou no Kit. Também serão apresentadas algumas aplicações a que eles são geralmente destinados e dadas sugestões de onde eles podem ser aplicados.

2 − Sensores

Literalmente, podemos definir a palavra sensor como “aquilo que sente”. Na eletrônica, um sensor é conhecido como qualquer componente ou circuito eletrônico que permita a análise de uma determinada condição do ambiente, podendo ela ser algo simples como temperatura ou luminosidade; uma medida um pouco mais complexa como a rotação de um motor ou a distância de um carro até algum obstáculo próximo ou até mesmo eventos distantes do nosso cotidiano, como a detecção de partículas subatômicas e radiações cósmicas.

Os sensores podem ser classificados como um tipo de transdutor. Um transdutor é um componente que transforma um tipo de energia em outro. Um motor, por exemplo, é um tipo de transdutor, pois converte energia química ou elétrica em energia mecânica. Um alto-falante também é um transdutor, já que ele transforma energia elétrica em som. Porém, um sensor pode ser definido como um transdutor específico, que transforma algum tipo de energia (luz, calor, movimento) em energia elétrica, utilizada para a leitura de alguma condição ou característica do ambiente.

O desenvolvimento de sensores e a sua aplicação trouxe como consequência inúmeras vantagens ou comodidades para a vida moderna. Desde a possibilidade de aumentar a eficiência no funcionamento de um motor ou de uma linha de produção, realizar uma pesquisa científica com maior precisão e em menor tempo, até o fato de poder estacionar o carro sem o perigo de batê-lo ou de ter a segurança de que qualquer tentativa de furto de sua casa poderá ser frustrada, tais são as vantagens oferecidas pelo uso de sensores.

Apesar de ser imensa a variedade de sensores eletrônicos, podemos dividi-los basicamente em dois tipos: sensores analógicos e sensores digitais. Essa divisão é feita de acordo com a forma a qual o componente responde à variação da condição.

Os sensores analógicos são os dispositivos mais comuns. Tais sensores são assim designados pois baseiam-se em sinais analógicos. Sinais analógicos são aqueles que, mesmo limitados entre dois valores de tensão, podem assumir infinitos valores intermediários. Isso significa que, pelo menos teoricamente, para cada nível da condição medida, haverá um nível de tensão correspondente.

Por exemplo, quando um LDR, um dispositivo cuja resistência varia de acordo com a luminosidade, é submetido a uma luz cada vez mais intensa, pode-se verificar que sua resistência diminuirá gradativamente. Utilizando um circuito divisor de tensão, podemos fazer com que através dessa variação da resistência, haja uma variação na tensão.

Já os sensores digitais baseiam-se em níveis de tensão bem definidos. Tais níveis de tensão podem ser descritos como Alto (High) ou Baixo (Low), ou simplesmente “1” e “0”. Ou seja, esses sensores utilizam lógica binária, que é a base do funcionamento dos sistemas digitais. Ao contrário de um sensor analógico, onde os valores possíveis são teoricamente infinitos, um sensor digital poderá apenas alternar entre certos estados bem definidos, não sendo possível haver um valor intermediário entre eles.

Um par óptico, constituído por um emissor e receptor de infravermelho, é um exemplo de um sensor digital simples, onde apenas dois estados são possíveis. Se o feixe de infravermelho atinge o receptor, teremos um nível de tensão baixo. Quando algo bloqueia o caminho do feixe, temos um nível de tensão alto. Não há um nível de tensão intermediário entre ambos.

Figura 1: Um LDR é um sensor analógico. Figura 2: Comparação de um sinal analógico com um digital.

Existem, porém, sensores digitais mais complexos. Enquanto que um sensor digital simples apenas indica se está acionado ou não, os modelos mais complexos podem alternar entre várias respostas distintos respondendo de forma mais elaborada, enviando valores binários mais complexos. Eles comunicam-se com outros sistemas de forma mais complexa, podendo enviar informações como temperatura ou aceleração, por exemplo.

3 − Sensores Analógicos

Como já foi explicado anteriormente, os sensores analógicos são aqueles que respondem através de sinais analógicos, ou seja, sinais que, mesmo limitados em uma certa faixa, podem variar entre inúmeros valores de tensão intermediários.

Num sensor analógico “ideal”, para a variação de uma determinada condição, haverá uma variação na mesma proporção de alguma de suas propriedades, como tensão ou resistência. Os

Figura 3: Um par óptico é um sensor digital simples. Figura 4: Um exemplo de sinal analógico.

sensores “reais” porém, estão sujeitos à influências de diversos tipos e possuem certas limitações ao seu funcionamento, não funcionando de forma tão perfeita. Fatores como a temperatura e a umidade do ambiente podem gerar certos erros de medida e os materiais utilizados em sua construção limitam a sensibilidade e a faixa de operação do componente.

Poderemos notar que grande parte dos sensores são analógicos, pois quase todos os parâmetros que serão medidos também o são. A luminosidade de um ambiente, por exemplo, pode assumir infinitos valores entre a luz intensa e a escuridão total. A velocidade de um objeto, mesmo estando limitada entre o 0 e a velocidade da luz, pode assumir qualquer valor intermediário.

A utilização desses sensores num circuito analógico é realizada sem problemas, porém, quando for necessário monitorá-lo através de algum circuito digital, como um microcontrolador ou um computador, esses sinal deverá ser convertido num sinal digital equivalente. Isso porque o funcionamento desses sistemas baseia-se em sinais digitais, que podem ser gravados e processados muito mais facilmente do que os analógicos. Tal conversão será melhor detalhada ao descrevermos a conexão desses sensores ao Kit.

Podemos classificar os sensores analógicos de acordo com o modo o qual respondem às variações. Tal resposta deverá ser na forma da variação de alguma propriedade elétrica, como resistência, tensão, capacitância, dentre outros.

Os sensores resistivos são aqueles que em circuitos comportam-se como resistores, mas, devido a certas propriedades físicas ou químicas, variam o valor de sua resistência de acordo com certas características, como luminosidade ou temperatura. Esses são os modelos mais comuns, dentre os quais podemos destacar o LDR, o termistor, o sensor de peso e o potenciômetro. Já os sensores piezoelétricos, como alguns tipos de microfone e o sensor de vibração, respondem com uma variação na tensão. Esses sensores são feitos com materiais que, quando submetidos a certas pressões ou vibrações, geram uma tensão.

Existem também sensores capacitivos, onde a variação de determinada condição ocasiona uma variação na capacitância do componente. Essa variação na capacitância pode ocasionar a mudança da tensão ou da frequência do sinal de saída do sensor. Dentre eles, podemos destacar o acelerômetro e o sensor de umidade.

Além desses sensores, existem também alguns cujo funcionamento é um pouco mais complexo, pois baseiam-se em outras propriedades e possuem circuitos internos específicos para gerar um sinal de saída adequado. Dentre eles, podemos citar o sensor de distância e o sensor de temperatura LM60. Tais sensores utilizam circuitos integrados para realizar a leitura, mas sua resposta é em forma de um sinal analógico.

A partir de agora, detalharemos os sensores analógicos, mostrando o seu funcionamento, aplicações e explicando como eles podem ser utilizados.

O exemplo mais comum de sensor resistivo é o LDR (Light Dependent Resistor – Resistor

Dependente de Luz), um componente onde uma variação na luminosidade que incide sobre ele resulta numa variação na sua resistência.

A aplicação mais conhecida do LDR é, sem dúvida, na iluminação pública, onde ele é utilizado para que, de acordo com a claridade do ambiente, sejam acionadas ou desligadas as lâmpadas automaticamente, sem que haja a necessidade de alguém para controlá-las. Os LDRs são também utilizados em câmeras para medir o nível de luz do ambiente, permitindo assim o controle do tempo de exposição para a captura de uma boa imagem. Utilizações menos usuais desses componentes foram em mísseis que seguem o calor emanado pelos aviões e em detectores de radiação infravermelha para pesquisas astronômicas.

O LDR não tem pinagem, ou seja, podemos ligar seus terminais de qualquer forma. Ele é representado em esquemas eletrônicos com o seguinte símbolo.

Os LDRs são compostos por sulfeto de cádmio (CdS), um material semicondutor, que é disposto num traçado onduloso na superfície do componente. Esse material tem a propriedade de diminuir sua resistência à passagem da corrente elétrica quando a luminosidade sobre ele aumenta. Com o auxílio de um multímetro, podemos verificar facilmente como ocorre esse fato. Num ambiente escuro, sua resistência será alta, podendo chegar a valores altos, próximos ou até superiores a 1 MΩ. Mas se aumentarmos gradativamente a intensidade da luz que incide sobre ele, podemos verificar que sua resistência cairá, podendo chegar a valores próximos de 1 kΩ. Esses valores, no entanto, dependem de vários fatores, como o componente utilizado, a quantidade de luz no ambiente e o próprio multímetro. Podemos verificar abaixo o gráfico de resposta do LDR.

Figura 6: Símbolos do LDR utilizados em esquemas eletrônicos. À esquerda a simbologia americana e à direita a européia.

Figura 5: LDR

Para fazer a medida da luminosidade do ambiente através do LDR, precisamos fazer com que a variação da resistência do componente seja convertida numa variação de tensão. Essa tensão pode ser utilizada por um circuito externo ou ser monitorada através da entrada analógica do MEC1000 ou do KDR5000, por exemplo. O meio mais fácil de conectá-lo é através de um divisor de tensão.

Figura 7: Gráfico da resposta do LDR. Figura 8: Divisor de tensão.

Um divisor de tensão é composto por dois resistores ligados em série. A tensão no ponto entre esses dois resistores depende das suas resistências e da tensão de alimentação e pode ser calculada através de uma fórmula simples.

Vr = Vt· R1
R1 + R2

Como o LDR é um sensor resistivo, podemos substituir um dos resistores do divisor de tensão por este componente. No esquema acima, substituindo R2 por um LDR, temos um circuito cuja tensão aumenta de acordo com a luminosidade do ambiente. Podemos verificar isso na fórmula acima. Quando a quantidade de luz que incide sobre o LDR cresce, sua resistência cai, fazendo com que o valor de Vr aumente.

No lugar de R1, recomendamos colocar um resistor cujo valor fique entre os valores máximo e mínimo do LDR. Podemos também trocá-lo por outros valores, observando sua influência no valor de saída do divisor de tensão.

É possível também trocar a posição do LDR, colocando-o no lugar do R1. Nesse caso, teremos um circuito cujo funcionamento é contrário ao mostrado acima. O valor da tensão Vr aumentará quando a luminosidade do ambiente diminui. Na fórmula do divisor de tensão, podemos notar que, quanto menor o valor de R1, menor será o valor de Vr.

Figura 9: Divisor de tensão com o LDR.

A tensão presente no ponto entre o LDR e o resistor pode servir de referência para um outro circuito, como um Amplificador Operacional montado na configuração de comparador ou um oscilador 5. Também podemos monitorá-la através do MEC1000 ou do KDR5000, ao conectá-la a uma entrada analógica.

Podemos criar um circuito de iluminação automática, utilizando um LDR e um

Amplificador Operacional comparador. Um AmpOp ligado dessa forma compara a tensão das duas entradas, positiva e negativa. Quando a tensão da entrada positiva for superior à da entrada negativa, encontraremos na saída do AmpOp a tensão de alimentação do circuito. Se a tensão da entrada negativa for superior à da entrada positiva, acontecerá o contrário, ou seja, na saída do AmpOp encontraremos uma tensão de 0 V. É interessante notar que qualquer AmpOp pode ser utilizado com essa finalidade.

Através de um divisor de tensão, ligaremos o LDR à entrada negativa do AmpOp enquanto que a entrada positiva será ligada a um potenciômetro (ou trimpot), através do qual podemos

Figura 10: Divisor de tensão com o LDR. Figura 1: Utilização de um AmpOp comparador.

determinar a sensibilidade do circuito. Na saída do AmpOp, colocamos um LED, porém, é possível acionar um relé, ou até mesmo ligá-lo a um circuito digital, desde que as tensões sejam compatíveis.

Quando a luminosidade sobre o LDR diminuir, sua resistência aumenta e, deste modo, a tensão na entrada negativa do AmpOp também aumenta. Caso essa tensão seja maior do que a presente na entrada negativa, que é definida através do potenciômetro, a saída do AmpOp será igual a tensão negativa da alimentação, que no circuito abaixo é 0 V, o que acenderá o LED.

O resistor a ser colocado em série com o LED deve ser compatível com a tensão de alimentação do circuito, pois devemos nos lembrar que o LED não suporta correntes muito altas. Utilize um resistor de valor que a corrente que passe por ele seja de apenas alguns miliampères.

Uma sugestão de montagem muito interessante utilizando LDRs é de um robô que siga ou se afaste da luz. Montando três LDRs no robô, sendo um na direção frontal e dois nas laterais, e exercitando um pouco os conhecimentos de eletrônica e programação, podemos fazer com que o robô verifique os níveis de luminosidade no ambiente e movimente-se de modo que o LDR central seja mais iluminado (no caso de um robô que siga a luz) ou menos iluminado (num robô que fuja da luz) do que os outros montados nas laterais.

Figura 12: LDR montado com um comparador. A sensibilidade do circuito é definida pelo potenciômetro.

Termistor

Outro modelo de sensor resistivo muito comum é o termistor, um componente destinado a medir variações de temperatura. Devido a importância que esse fator exerce em inúmeros processos, seja o funcionamento de máquinas, a realização de experimentos ou a fabricação de diversos tipos de produtos, o seu monitoramento é algo essencial. O uso de termistores também é essencial em sistemas de ar condicionado. Modelos de alta qualidade são empregados em setores diversos como medicina (durante a realização de diagnósticos e tratamentos), automotivo (para monitorar a temperatura do motor e dos sistemas de lubrificação) e até aeroespacial. Mas, antes de utilizá-lo, é importante compreender alguns conceitos básicos sobre o componente.

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