TUTORIAL Aplicações, Funcionamento e Utilização de Sensores Autor: Luís Fernando Patsko Nível: Intermediário Criação: 14/12/2006 Última versão: 18/12/2006 PdP Pesquisa e Desenvolvimento de Produtos http://www.maxwellbohr.com.br contato@maxwellbohr.com.br http://www.automato.com.br atendimento@automato.com.br 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 1 diminuirá gradativamente. Utilizando um circuito divisor de tensão, podemos fazer com que através dessa variação da resistência, haja uma variação na tensão. Um LDR é um sensor analógico. 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. Comparação de um sinal analógico com um digital. 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. 2 :Um par óptico é um sensor digital simples. 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. Um exemplo de sinal analógico. 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 3 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. 4 LDR :LDR 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. Símbolos do LDR utilizados em esquemas eletrônicos. À esquerda a simbologia americana e à direita a européia. 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 M. 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 k. 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. 5 :Gráfico da resposta do 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. Divisor de tensão. 6 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. Divisor de tensão com o LDR. 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. 7 :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 555. 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. Utilização de um AmpOp comparador. 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 8 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 miliamp res. LDR montado com um comparador. A sensibilidade do circuito é definida pelo potenciômetro. 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. 9 Termistor :Termistores diversos. 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. Assim como o LDR, o termistor não possui uma pinagem específica. O termistor, de acordo com a simbologia européia, é representado da seguinte forma. Símbolo do termistor utilizado em esquemas eletrônicos. Existem dois tipos de termistores, NTC e PTC, assim classificados de acordo com sua resposta em função da temperatura. Os termistores NTC (Negative Temperature Coefficient Coeficiente de Temperatura Negativo) são os modelos mais comuns e são feitos de materiais semicondutores simples. Eles são assim denominados pois a resistência desses componentes 10 diminui quando a temperatura aumenta, ou seja, eles possuem um coeficiente de temperatura negativo. Os termistores PTC (Positive Temperature Coefficient Coeficiente de Temperatura Positivo) são mais difíceis de serem encontrados, pois são constituídos de elementos mais complexos e, portanto, mais caros. Seu comportamento é contrário aos NTC, pois o aumento da temperatura faz com que sua resistência também aumente. Os termistores PTC são mais comumente aplicados para proteger circuitos eletrônicos de excessos de correntes, substituindo os fusíveis tradicionais. Numa situação normal, sua resistência à passagem da corrente elétrica é pequena, e apenas uma pequena quantidade da energia elétrica é transformada em calor. Porém, se a corrente subir muito, a quantidade de energia dissipada em forma de calor será maior. Desse modo, a temperatura do componente aumenta e então temos que sua resistência à passagem da corrente também aumenta. Esse efeito é importante para evitar surtos de corrente, que geralmente ocorrem com motores elétricos. Ao ligar um motor, inicialmente ele consome uma corrente muito grande, para só depois se estabilizar. Supressão de surtos com um termistor PTC. Os gráficos abaixo mostram como a resistência dos termistores NTC e PTC varia de acordo com a temperatura. Os fabricantes disponibilizam vários tipos de termistores, com diferentes curvas de resposta, temperaturas máximas e mínimas de operação e outras características, de modo que seu funcionamento seja adequado a determinadas aplicações. 11 :Gráfico de resposta dos termistores NTC e PTC. Durante a utilização do termistor, é importante levar em consideração que ele apresenta uma faixa limite de operação. A temperatura adequada para a sua utilização varia de acordo com o fabricante e, caso não seja possível obter essa informação, é recomendado não expor o componente a temperaturas acima de 100 C, que é o limite de alguns componentes disponíveis no mercado. Para fazer a medição da temperatura através do termistor, podemos ligá-lo na forma de um divisor de tensão, pois ele é um sensor resistivo. Desse modo, a tensão resultante nesse circuito será correspondente à temperatura do ambiente. Isso porque, como vimos acima, a resistência do termistor está relacionada como a temperatura do ambiente ao seu redor. Substituindo R2 por um termistor NTC, que é o modelo mais comum, verificamos que, com o aumento da temperatura, haverá um aumento da tensão no ponto entre R1 e R2. Podemos comprovar na fórmula do divisor de tensão que isso ocorre pois, quanto menor for o valor de R2, maior será a tensão de saída. No lugar de R1, pode ser colocado um resistor de um valor qualquer, desde que não seja muito baixo, para que a corrente elétrica no divisor de tensão não seja alta. É interessante colocarmos um resistor cujo valor é o mesmo da resistência do termistor medido a temperatura ambiente. Desse modo, nessa condição, a saída do divisor de tensão seja aproximadamente a metade da tensão de alimentação. 12 :Divisor de tensão com termistor. Se o termistor for colocado no lugar de R1, o divisor de tensão se comportará de forma contrária. A tensão de saída será aumentará quando a temperatura diminuir. Divisor de tensão com termistor. Esse é o método mais simples e eficaz de possibilitar a verificação da temperatura ambiente através de um termistor. A tensão presente no ponto entre o termistor e o resistor pode ser utilizada como referência para um circuito externo ou monitorada por um MEC1000 ou KDR5000 através de uma entrada analógica. Aplicando seus conhecimentos em programação e eletrônica, é possível monitorar a temperatura do ambiente ou de uma determinada peça ou processo e realizar certas 13 ações como exibi-la através de um display de 7 segmentos ou de cristal líquido, emitir um sinal de alerta ou até mesmo realizar as ações necessárias para controlá-la. Sensor de Peso :Sensores de peso IESP-12 e SF4. O sensor de peso é outro sensor resistivo de fácil aplicação. Através desse componente, podemos medir o peso de algum objeto ou uma força aplicada sobre ele. O monitoramento desses fatores é extremamente importante em ambientes industriais, como em indústrias alimentícias, por exemplo. Monitorando a entrada de matéria-prima e a saída do produto acabado, é possível evitar desperdícios e realizar certos processos de forma mais eficiente. Porém, podemos encontrar esses sensores sendo aplicados com outras finalidades. Modelos mais avançados desses sensores são destinados a criar sistemas de "tato artificial" para robôs, possibilitando que eles tenham percepção de toque de superfícies e texturas. Os sensores de peso (que também são conhecidos como sensores de pressão ou de força) podem ser construídos de diversas formas, mas os modelos mais comuns e cuja utilização é mais simples são os resistivos. O princípio de seu funcionamento é bem simples: quanto maior a força exercida sobre ele, menor será a resistência entre seus terminais. Dentre os sensores de peso disponíveis no mercado, utilizaremos como referência para esse tutorial o IESP-12 e o SF-4, ambos produzidos pela CUI Inc. Apesar de serem fisicamente muito diferentes, eles possuem muitas características semelhantes, como tensão de alimentação, limites de operação e resposta em função do peso, que podemos observar no gráfico abaixo. 14 :Gráfico de resposta dos sensores de peso IESP-12 e SF-4. Como podemos observar, a resposta destes sensores não é linear, ou seja, não é proporcional à força que é exercida sobre eles. A faixa de maior sensibilidade de ambos encontra-se entre 200g e 1000g e, acima deste peso, torna-se cada vez mais difícil obter um valor preciso, o que pode ser observado no gráfico. Isso ocorre porque esses sensores são destinados apenas ao uso genérico. Para aplicações que exigem mais precisão, devem ser utilizados sensores dedicados. Antes de utilizar esses sensores, devemos levar em conta que eles apresentam limites de operação. É preciso tomar cuidado com a voltagem e a corrente conduzida. A alimentação pode ser feita com uma tensão entre 3 e 6V e a corrente não deve ser superior a 20mA. Também deve-se tomar cuidado com a força exercida sobre eles. O peso máximo que o IESP-12 suporta é de 4 Kg enquanto que o SF-4 suporta até 3 Kg. Mas é recomendado que o peso não seja superior a 1,5 Kg, para que sua vida útil seja maior. Além disso, os sensores perdem muito de sua sensibilidade em valores altos, como já foi mencionado. Caso seja utilizado um sensor diferente, basta procurar suas especificações, disponibilizadas no site do fabricante, para que se possa saber quais são seus limites de operação e a alimentação adequada. Outro cuidado muito importante que é necessário com esse tipo de sensor é que não se deve manter um peso apoiado sobre eles durante um tempo muito longo, o que pode danificá-los. Esses sensores geralmente são destinados ao uso intermitente, e uma força exercida por um período muito longo pode causar imprecisão nas leituras ou estragá-los permanentemente. Por isso, após utilizá-lo, guarde-o de modo que não haja nenhum peso forçando-o. Assim como qualquer sensor resistivo, podemos monitorar a resposta do sensor de peso através de um divisor de tensão. A utilização do sensor de peso deverá ser feita com mais cuidado, pois a corrente que flui por ele não poderá ser maior que 20mA. Alimentando-o com uma tensão de 5V, vamos calcular o valor do resistor que será colocado em série com o sensor, de modo que a corrente máxima que passe pelo circuito (quando a resistência do sensor de peso for muito baixa) seja de 5mA. 15 V=R i 5 V =R 0,005 A R= 5V 0,005 A R =1000 É importante ter em mente que esse valor não é obrigatório. Caso não esteja disponível, pode-se utilizar outro resistor, embora seja recomendado utilizar valores maiores, de modo que a corrente não danifique o componente. Tomando essas precauções quanto à alimentação e à utilização do divisor de tensão, garantiremos que o sensor funcionará perfeitamente por um longo tempo. Como o sensor será ligado na forma de um divisor de tensão, temos duas maneiras possíveis para conectá-lo. Se ele for colocado na posição de R2, verificaremos que, quanto maior o peso sobre o sensor, menor será sua resistência e, consequentemente, maior será a tensão entre os dois componentes. Divisor de tensão com sensor de peso. Se o sensor de peso for colocado na posição de R1, acontecerá o inverso, ou seja, quanto maior for o peso sobre o sensor, menor será a tensão entre os dois componentes. 16 :Divisor de tensão com sensor de peso. Tal como os outros modelos de sensores resistivos, o sensor de peso pode ser utilizado muito facilmente, seja em circuitos analógicos ou através do KDR5000 ou MEC1000. Esse sensor pode ser utilizado de modo a construir uma balança, lembrando-se de respeitar seus limites quanto à capacidade máxima e de não mantê-lo durante muito tempo embaixo de algum peso. Uma função muito interessante para esse componente é a de sensor de toque, que pode ser colocado num robô ou em algum sistema eletrônico. Para essa utilização, devemos fazer com que haja uma sensibilidade muito grande à variação do sinal do divisor de tensão, de modo que o sistema responda a uma pequena força exercida sobre o sensor. Também pode ser utilizado para criar um botão que responda de diferentes modos à força exercida sobre ele, bastando para isso que hajam diferentes instruções de acordo com a resposta do sensor. 17 Potenciômetro :Potenciômetros diversos. Embora a finalidade principal do potenciômetro seja de ajustar algum parâmetro (o volume do aparelho de som, por exemplo), podemos facilmente utilizá-lo como um sensor de posição. Potenciômetros com essa finalidade podem ser encontrados em robôs e equipamentos industriais, onde são destinados a informar a angulação exata de um braço mecânico. Outra aplicação a que eles podem ser destinados é a monitorar o funcionamento da suspensão de um carro de corrida onde, de acordo com as informações recebidas de um potenciômetro que acompanha o movimento dos amortecedores, um sistema de controle regula a dureza da suspensão de acordo com as condições da pista. Seu símbolo, de acordo com os padrões americanos e europeus, é o seguinte: Símbolos do potenciômetro utilizados em esquemas eletrônicos. À esquerda a simbologia americana e à direita a européia. 18 O potenciômetro pode ser utilizado em aplicações que envolvam deslocamentos, movimentos e outros fenômenos puramente mecânicos. Ou seja, através desse componente é possível que a mudança de uma variável mecânica, como um ângulo ou uma altura, seja transformada numa mudança de uma característica elétrica. O potenciômetro pode ser mais claramente definido como sendo um divisor de tensão variável. Ele é composto por uma faixa de material resistivo (geralmente grafite) ligada entre seus dois terminais externos. Nesse material, desliza um cursor, ligado diretamente ao terminal central do potenciômetro. Esse cursor pode ser movimentado através de um eixo rotativo ou um pino de plástico ou metal. Quando alteramos a posição do cursor, alteramos a resistência entre o terminal central e os dois terminais externos do potenciômetro. Interior do potenciômetro, detalhando suas partes principais. O valor da resistência total do potenciômetro (medida entre seus terminais externos) será sempre constante. Ou seja, o potenciômetro funciona como dois resistores em série, onde podemos alterar simultaneamente os seus valores, desde que a soma das resistências seja constante. 19 :Resistência medida entre os terminais do potenciômetro em diferentes posições do cursor. O valor da resistência total geralmente é mostrada no próprio corpo do potenciômetro. Caso ele não esteja presente, podemos verificá-la com um multímetro, medindo a resistência entre os dois terminais externos. Além da resistência total, podemos classificar os potenciômetros de acordo com outros fatores. O principal é o modo como podemos alterar a posição do cursor, ou seja, como podemos variar a resistência entre o terminal central e os terminais externos. Podemos classificá-los em angulares, lineares ou multivolta. 20 :Modelos de potenciômetros. 1-Poteciômetro angular. 2-Potenciômetro multivolta. 3-Potenciômetro linear. Dentre todos, os potenciômetros angulares são os mais comuns, e podemos encontrá-los facilmente no nosso cotidiano, especialmente em aparelhos de som. Nesses potenciômetros, o cursor está ligado a um eixo, de modo que ele acompanha o seu movimento. Podemos utilizar esses potenciômetros como sensores de posição angular, indicando o deslocamento de uma engrenagem ou a inclinação de uma rampa, por exemplo. O seu giro (mais especificamente chamado de curso) é restrito em 270 .Os modelos multivolta são uma variação dos angulares, que possibilitam várias voltas do início ao fim do curso. Isso os torna muito práticos para aplicações em robôs e outros sistemas mecânicos, onde seja necessário monitorar a movimentação de alguma estrutura. A desvantagem está na dificuldade de encontrá-los no mercado. Os potenciômetros lineares são comuns em aparelhos de mixagem e equalizadores de áudio, pois proporcionam uma leitura mais fácil pelo operador. O cursor está ligado a um pequeno pino de plástico ou de metal e é movimentado junto com ele. Uma aplicação dele é como sensor de movimento linear, onde podemos verificar a compressão de uma mola. A classificação dos potenciômetros também pode ser feita em relação a sua configuração interna. Os mais comuns são os potenciômetros simples, que apresentam apenas uma faixa de material resistivo e um cursor e possuem 3 terminais. Para aplicações onde é necessário controlar dois divisores de tensão simultaneamente, utiliza-se o potenciômetro duplo (dual-gang em inglês). Ele apresenta duas faixas de material resistivo e dois cursores, além de possuir 6 terminais. Ao mover o eixo ou pino do potenciômetro, os dois cursores são deslocados simultaneamente. Ou seja, é como se tivéssemos dois potenciômetros distintos, mas compartilhando o mesmo controle de posição do cursor. Os potenciômetros duplos angulares possuem seus terminais divididos em dois grupos de três, tornando-se fácil identificar cada um. Os três terminais dianteiros correspondem a um potenciômetro enquanto que os três terminais traseiros são destinados ao outro. Nos modelos lineares a identificação também é fácil. Nos dois lados do corpo do potenciômetro há 3 terminais, sendo que o cada lado possui um potenciômetro distinto. 21 :Potenciômetros angulares duplos. Para utilizar um potenciômetro como um sensor de posição, é necessário ligar um dos terminais da extremidade com uma tensão positiva e o outro com uma tensão negativa. A tensão do terminal central variará entre esses dois valores de tensão. A tensão máxima de alimentação do potenciômetro depende da potência que ele é capaz de dissipar (a energia perdida na forma de calor) e de sua resistência. Um potenciômetro comum é capaz de dissipar uma potência de 0,5W. Supondo que estamos utilizando um potenciômetro de 1 k ,vamos calcular a tensão máxima que podemos alimentá-lo. A relação entre potência, tensão e resistência é dada pela seguinte fórmula: P =V / R V =(P R) V =(0,5 W 1000 ) V =22,4 V Podemos alimentar esse potenciômetro com uma tensão contínua de, no máximo, 22,4 Volts. Além de estar atento à tensão, lembre-se de nunca ligar o terminal central do potenciômetro à alimentação, sob o risco de causar um curto-circuito na fonte de alimentação. Além disso, recomendamos que o terminal central não seja ligado diretamente ao circuito eletrônico que fará a leitura da tensão. É importante que ele passe antes por um Amplificador Operacional montado na configuração de ganho unitário (também conhecida como seguidor de voltagem ou buffer). O potenciômetro é o componente onde esse procedimento é mais necessário. Isso porque, dependendo do circuito a ser conectado ao terminal central, podem ocorrer desequilíbrios no divisor de tensão formado pelo potenciômetro. Utilizando um buffer, o AmpOp pode fornecer uma corrente de até algumas dezenas de miliamp res sem que o sinal de entrada seja afetado. A saída do AmpOp pode ser então ligada a um outro circuito eletrônico. 22 :Poteciômetro com Amplificador Operacional montado na configuração de ganho unitário. A leitura da posição do potenciômetro através da Entrada Analógica pode ser feita de forma muito simples. Não será utilizado nenhum componente extra, pois ele próprio já é um divisor de tensão e as entradas já são bufferizadas. Os terminais das extremidades deverão ser alimentados com 5V e 0V, disponíveis nos conectores de sensores, e o terminal central será ligado obrigatoriamente à Entrada Analógica. Potenciômetro ligado a uma Entrada Analógica do Kit. Podemos utilizar potenciômetros nas mais variadas aplicações que envolvam deslocamento, seja ele linear ou angular. Através desse componente, é possível fazer o controle preciso da posição de um eixo ou um braço mecânico de um robô, colocando-o de modo que ele gire junto com a estrutura. A partir da tensão de saída do potenciômetro, é possível saber a angulação do conjunto e, se necessário, controlá-la. Outra aplicação interessante é a medição do volume de um tanque. Para isso, utilizamos um potenciômetro angular com uma bóia presa ao seu eixo através de uma haste. Sendo assim, a resposta do potenciômetro varia em função da posição da bóia dentro do tanque. Podemos então, de acordo com o sinal do potenciômetro, mostrar através de uma barra de LEDs se este se encontra vazio ou cheio, ou até mesmo mostrar o volume em litros numa tela de cristal líquido. 23 :Utilizando um potenciômetro para monitorar o volume de um tanque. Microfone :Microfones diversos. O microfone é um componente captador de som, destinado a converter as vibrações sonoras em sinais elétricos. Eles são empregados em inúmeras aplicações, desde aparelhos telefônicos e equipamentos de gravação a sensores de distância baseados em ultra-som. 24 Existem diversos tipos de microfones disponíveis, cujo funcionamento baseia-se nos mais variados princípios. Os microfones dinâmicos são os mais simples de todos, apresentando um funcionamento semelhante ao dos alto-falantes (o som faz vibrar um diafragma que, por sua vez, induz uma corrente variável numa bobina eletromagnética, enquanto que nos alto-falantes acontece exatamente o oposto). Muito comuns também são os capacitivos, que baseiam-se nos capacitores variáveis. Dentre os microfones mais complexos, encontramos os parabólicos (destinados à espionagem) e até modelos baseados na refração de raios laser numa lâmina de vidro. O microfone mais adequado às nossas aplicações, também estando presente no KDR5000, é o microfone de eletreto. Este é o modelo mais comum, podendo ser encontrado desde aparelhos telefônicos até em microfones destinados à gravações de alta qualidade. Dentre suas vantagens estão o preço acessível e, principalmente, a sua fácil utilização. Microfones de eletreto. Quase todos os microfones utilizam um diafragma, uma película fina e flexível, que vibra quando as ondas sonoras incidem sobre ela. O modo como essa vibração é convertida num sinal elétrico caracteriza o tipo de microfone. Nos microfones capacitivos e nos de eletreto, além do diafragma, há uma pequena placa de metal. Juntas, essas duas peças compõem um capacitor. A vibração do diafragma faz com que a distância entre ele e a placa de metal varie e, consequentemente, a capacitância desse conjunto também varia. Como a carga armazenada pelo capacitor se mantém constante, temos que a voltagem entre o diafragma e a placa de metal também varia, de acordo com a fórmula, onde Q é a carga (em Coulombs), C é a capacitância (em Farad) e V é a tensão (em Volts): Q=C V O sinal elétrico resultante da variação dessa voltagem reproduz fielmente a vibração do diafragma, podendo ser então amplificado e reproduzido através de um alto-falante. A diferença do microfone de eletreto para o capacitivo é que o seu diafragma possui uma fina película de eletreto, um material que quando eletrizado, mantém sua carga permanentemente. Isso permite que esses microfones operem com tensões extremamente baixas, não sendo necessário alimentá-lo com algumas dezenas de Volts, como no caso dos capacitivos. Além disso, esse microfone possui internamente um FET (Field Effect Transistor Transistor de Efeito de Campo) cuja função é servir de buffer, eliminando problemas de impedância e capacitância que podem ocorrer durante a conexão deste componente com o destino final do sinal (que pode ser um amplificador, um gravador ou um microcontrolador). A fonte de tensão necessária para utilizar o microfone se destina a alimentar esse transistor. 25 :Interior do microfone de eletreto, detalhando suas partes principais. Devido a sua construção, o microfone de eletreto possui uma pinagem específica. Não podemos ligar os seus terminais de qualquer modo, pois isso pode ocasionar em danos ao componente. É importante que eles sejam conectados da maneira correta. Olhando a parte inferior do microfone, onde estão os seus dois terminais, podemos notar que eles são ligeiramente diferentes. Enquanto que um deles está totalmente isolado, o outro possui "extensões" direcionadas à carcaça do microfone. Esse terminal que possui a "extensão" é o terminal negativo do componente, e o que está isolado é o terminal positivo. O terminal do microfone que possui extensões à sua carcaça é o terminal negativo. Para a utilização de um microfone de eletreto, necessitamos de alguns componentes extras. Primeiro, devemos alimentá-lo, devido ao transistor interno, o que pode ser feito com os conectores disponíveis nas entradas de sensores. Entre o terminal positivo do microfone e a alimentação (que pode ser de 5V), devemos colocar um resistor, para limitar a corrente que alimentará o microfone. O terminal positivo do microfone é o que será ligado ao receptor do sinal. Como esse terminal também estará ligado à alimentação, através do resistor, precisamos separar o sinal DC (que alimenta o circuito), do sinal AC (o sinal variável que será gerado pelo microfone). Para essa função, podemos utilizar um capacitor. O capacitor é um componente que bloqueia os sinais contínuos, mas deixa passar os sinais variáveis. Quando utilizado nessa função, ele é chamado de 26 capacitor de desacoplamento. Depois desse capacitor, temos então um sinal variável que reproduz fielmente as vibrações do diafragma causadas pelas ondas sonoras. Esquema básico para a ligação de um microfone de eletreto. O sinal resultante desse circuito poderá então ser destinado a um amplificador, um transmissor de radiofrequência ou qualquer outro circuito analógico. Mas para que seja monitorado por um outro circuito ou aplicado num conversor A/D, ele ainda não é ideal. O primeiro passo será adequar a tensão de repouso desse sinal. Depois, devemos amplificá-lo. A tensão de repouso (Vrep), também chamada de nível DC ou Offset, é a tensão presente na saída do circuito quando o sensor estiver em repouso, ou seja, quando nenhum som é captado pelo microfone. No momento em que as ondas sonoras fazem vibrar o diafragma do microfone, é gerado então um sinal variável. Como o sinal é alternado, a sua tensão varia acima e abaixo da tensão de repouso. No circuito acima, a tensão de repouso é de 0V. Ou seja, quando o microfone captar algum som, haverá um sinal analógico que varia até uma tensão de pico V, ou seja, de +V (valor máximo) a -V (valor mínimo). 27 :O sinal de saída do circuito corresponde ao som captado pelo microfone. A maior parte dos conversores A/D não pode ler tensões negativas, como por exemplo, o conversor A/D presente no microcontrolador do KDR5000 e do MEC1000, que suporta tensões de 5 V a 0 V. Sendo assim, é necessário fazer com que a tensão de repouso seja maior, para que o valor mínimo do sinal analógico seja ligeiramente maior que 0 V. Desse modo, o sinal de saída do microfone estará enquadrado nos valores de leitura do conversor. Devemos aumentar a tensão de repouso do circuito. Observe que o valor mínimo do sinal da direita é um pouco maior que 0 V. Com essa função, podemos utilizar um divisor de tensão. Ao colocar um divisor de tensão na saída do circuito acima, quando o sensor estiver em repouso, a saída do circuito será a tensão presente no divisor de tensão. Quando o microfone passar a captar algum som, a tensão de saída variará acima e abaixo dessa tensão. Como o sinal de saída do microfone é baixo, com picos entre 10 e 20 mV, podemos ter um valor baixo como tensão de repouso. Vamos fazer com que a tensão de repouso seja de aproximadamente 40 mV (0,04 V). 28 :Utilizando um divisor de tensão para adequar a tensão de repouso. O nível de tensão de repouso do circuito é dado pela mesma fórmula utilizada para os divisores de tensão. Ao utilizarmos um divisor de tensão com os valores de resistores mostrados acima, considerando que o circuito foi alimentado com uma tensão de 5 V, teremos uma tensão de repouso de 37 mV (0,037 V), como podemos comprovar pela fórmula abaixo. Vr =Vt R1 R1 +R2 Vrep =5 V 750 100000 +750 Vrep =3750 100750 Vrep =0,037 V Temos então um sinal adequado à sua utilização em diversos circuitos. Quando o microfone estiver captando algum som, o sinal de saída variará entre, no máximo, 20 mV e 60 mV. Como esse sinal é fraco, ele pode então ser amplificado, se necessário. A amplificação é interessante, pois a amplitude do sinal original é muito pequena, ou seja, a diferença entre os valores mínimo e máximo do sinal é muito baixa. Desse modo, a diferença entre os sinais de um som fraco e um forte, captados pelo microfone, é muito pequena. Amplificando o sinal, essa diferença ficará mais clara. 29 :Amplificação de um sinal fraco. Existem diversos métodos para realizar essa amplificação, mas o mais prático é através de um Amplificador Operacional (AmpOp). Nesse exemplo, utilizamos um circuito integrado LM324N, que é semelhante ao modelo utilizado na Placa de Sensores do KDR 5000, mas existem vários modelos disponíveis que atendem a essa necessidade. Circuito integrado LM324, sua pinagem e esquema da configuração de amplificador. O sinal do microfone, depois de ser adequado através do divisor de tensão, será aplicado na entrada positiva do AmpOp. Um resistor (R1) será ligado entre a saída e a entrada negativa e outro resistor (R2), de valor menor, ligará a entrada negativa ao 0 V da alimentação. O ganho desse circuito será determinado por esses resistores, através da seguinte fórmula: 30 Vsaída=Ventrada 1 R1 R2 O sinal proveniente do microfone tem um pico de tensão de aproximadamente 60 mV. Vamos amplificá-lo com um ganho de aproximadamente 25 vezes, de modo que teremos como resultado um sinal de até 1,5 V. Utilizamos no lugar de R1 um resistor de 18 k e, no lugar de R2, um resistor de 750, o que proporcionará o ganho necessário. Caso esses resistores não estejam disponíveis, pode-se utilizar outros. Se necessário, também é possível amplificar ainda mais o sinal. Agora sim temos um sinal que pode ser perfeitamente analisado através do MEC1000 ou do KDR5000 ou de algum outro circuito externo. Como o sinal todo foi amplificado, podemos observar que a tensão de repouso agora também é mais alta, estando próxima de 1 V. Além disso, quando o nível sonoro for o máximo suportado pelo microfone, o sinal resultante variará entre um valor pouco acima de 0,5 V e um pouco abaixo de 1,5 V. Sinal de saída do circuito utilizado com o microfone. Finalizamos todos os procedimentos necessários para a adequação do sinal do microfone. O esquemático final do circuito necessário para a utilização do microfone é mostrado a seguir. 31 :Circuito recomendado para a utilização do microfone. Durante a soldagem do microfone, como já foi mencionado anteriormente, é necessário estar atento quanto a sua pinagem. Além disso, os terminais de alguns microfones de eletreto disponíveis no mercado são apenas pequenas áreas de metal, dificultando a soldagem do componente diretamente numa placa. Nesse caso, o microfone poderá ser soldado através de fios, ou até mesmo com pernas improvisadas. Como as pernas de resistores e capacitores novos são grandes, podemos cortá-las e soldá-las nos terminais do microfone. Um exemplo de aplicação prática do microfone é num sistema de acionamento controlado por som. Podemos utilizar o microfone para monitorar o volume de som no ambiente e, quando houver um ruído (que pode ser uma palma ou uma fala mais alta) maior do que o definido como limite, algum circuito seja acionado. Podemos acionar várias coisas, como uma lâmpada (através de um relé), um alarme ou até mesmo um motor de um robô, por exemplo. Sensor de vibração :Sensor de vibração. 32 O sensor de vibração é um componente destinado a captar uma vibração e convertê-la num sinal elétrico. Seu funcionamento é muito semelhante ao de um microfone, mas enquanto que no microfone as vibrações são causadas por ondas sonoras, o sensor de vibração destina-se à vibração de estruturas. A principal aplicação dos sensores de vibração é realizada em equipamentos industriais, verificando o funcionamento de motores, máquinas, centrífugas, ou seja, de qualquer equipamento que produza ou utilize algum tipo de movimento em seu funcionamento. O monitoramento do funcionamento de tais aparelhos através desses sensores permite identificar problemas e falhas antes que elas se tornem graves, possibilitando uma maior eficiência na linha de produção e evitando perdas financeiras expressivas. Os sensores de vibração são geralmente construídos com materiais piezoelétricos. Esses materiais (cristais, como quartzo e fosfato de gálio) possuem a capacidade de gerar uma tensão, quando submetidos a um esforço mecânico. Isso ocorre porque, quando o cristal está em repouso, todas as cargas elétricas positivas e negativas estão simetricamente distribuídas, de modo que a carga total é neutra. Quando uma força é exercida sobre o cristal, essa simetria é desfeita e a distribuição irregular das cargas faz surgir uma tensão. Essa tensão gerada pode ser muito alta, atingindo valores de até alguns milhares de volts em casos extremos. Funcionamento do sensor de vibração. Devido a essa capacidade de gerar uma tensão com a aplicação de um esforço mecânico, os materiais piezoelétricos podem ser utilizados em várias áreas. Além de serem ideais para a elaboração de sensores de vibração, podemos encontrá-los em microfones piezoelétricos, captadores para guitarras e violões, receptores de ultra-som e até isqueiros. A faísca utilizada para iniciar a queima do gás do isqueiro é produzida a partir da compressão de um cristal piezoelétrico. O processo inverso também pode ser realizado, ou seja, uma compressão do tamanho do cristal quando uma tensão é aplicada nele. Esse princípio é utilizado na construção do buzzer, que converte um sinal elétrico num sinal sonoro. Apesar de poderem gerar grandes tensões, esses materiais não são bons condutores de eletricidade. Por esse motivo, é aplicado uma camada metálica em cada extremidade do cristal, de modo que seja possível utilizá-lo adequadamente. A disposição desses elementos é mostrada no símbolo desse componente. 33 :Símbolo do sensor de vibração. Para verificar a vibração captada por esse sensor, necessitamos de alguns componentes extras. Alguns dos procedimentos realizados para a conexão do microfone também serão utilizados aqui, portanto, é recomendado que ele seja lido previamente para melhor entendimento de alguns conceitos utilizados. Como o sensor de vibração utilizado é composto unicamente por um cristal piezoelétrico com dois eletrodos, sem nenhum componente eletrônico extra, não é necessário alimentá-lo. Um dos terminais do sensor deve ser aterrado, ligado ao negativo da alimentação. O outro terminal será a origem do sinal do sensor, que será monitorado por um circuito externo, depois de ser previamente adequado. O primeiro passo será desacoplar o sensor de vibração, ou seja, isolá-lo de qualquer sinal DC que possa ser originado nas etapas posteriores. Isso pode ser feito utilizando um capacitor, colocado no terminal de saída do sinal do sensor. O valor do capacitor a ser utilizado não é crítico, sendo que nesse caso utilizamos um de 100nF. Esquema básico para a utilização do sensor de vibração. Temos então depois do capacitor um sinal que corresponde à vibração captada pelo sensor. Porém, esse sinal não pode ser monitorado diretamente através de alguns circuitos, como as entradas analógicas do MEC1000 ou do KDR5000. Assim como foi feito com o microfone, devemos adequar a tensão de repouso (Vrep), de modo que o valor mínimo do sinal variável seja acima de 0V. 34 :Devemos aumentar a tensão de repouso do circuito. Observe que o valor mínimo do sinal da direita é um pouco maior que 0 V. Assim como foi feito com o microfone, será utilizado um divisor de tensão, só que no sensor de vibração ele será elaborado de modo que a tensão de repouso seja de 900 mV (0,9 V). Isso pode ser feito utilizando o circuito abaixo. Circuito com o divisor de tensão para adequar a tensão de repouso. Através da fórmula do divisor de tensão, podemos calcular a tensão do circuito quando o sensor não estiver captando nenhuma vibração. De acordo com os resistores utilizados e com a tensão de alimentação do circuito acima, vamos calcular a tensão de repouso. Vr =Vt R1 R1 +R2 Vrep =5 V 220000 1000000 +220000 Vrep =1100000 1220000 Vrep =0,901 V Temos e
Baixar Arquivo
516 visitas | 47 downloads
