Tutorial Eletronica - Aplicacoes e funcionamento de sensores

TUTORIAL Aplica es, Funcionamento e Utiliza o de Sensores

Autor: Lu s Fernando Patsko N vel: Intermedi rio Cria o: 14/12/2006 ltima vers o: 18/12/2006

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1 - Introdu o

Em v rios projetos desenvolvidos ao longo do curso de Mecatr nica e Rob tica, o uso de sensores muito interessante. Atrav s de sensores, podemos fazer a leitura de determinadas caracter sticas do ambiente, tais como a presen a de um obst culo no caminho de um rob , a temperatura de um motor ou o fato de uma porta estar fechada ou n o, e responder de acordo com elas, ou seja, criar um sistema capaz de interagir com o ambiente. Nesse tutorial, ser o apresentados diversos tipos de sensores, desde modelos comuns at alguns mais elaborados, detalhando o seu funcionamento e explicando como podemos utiliz -los corretamente num circuito eletr nico ou no Kit. Tamb m ser o apresentadas algumas aplica es a que eles s o geralmente destinados e dadas sugest es de onde eles podem ser aplicados.

2 - Sensores

Literalmente, podemos definir a palavra sensor como "aquilo que sente". Na eletr nica, um sensor conhecido como qualquer componente ou circuito eletr nico que permita a an lise de uma determinada condi o do ambiente, podendo ela ser algo simples como temperatura ou luminosidade; uma medida um pouco mais complexa como a rota o de um motor ou a dist ncia de um carro at algum obst culo pr ximo ou at mesmo eventos distantes do nosso cotidiano, como a detec o de part culas subat micas e radia es c smicas. Os sensores podem ser classificados como um tipo de transdutor. Um transdutor um componente que transforma um tipo de energia em outro. Um motor, por exemplo, um tipo de transdutor, pois converte energia qu mica ou el trica em energia mec nica. Um alto-falante tamb m um transdutor, j que ele transforma energia el trica em som. Por m, um sensor pode ser definido como um transdutor espec fico, que transforma algum tipo de energia (luz, calor, movimento) em energia el trica, utilizada para a leitura de alguma condi o ou caracter stica do ambiente. O desenvolvimento de sensores e a sua aplica o trouxe como consequ ncia in meras vantagens ou comodidades para a vida moderna. Desde a possibilidade de aumentar a efici ncia no funcionamento de um motor ou de uma linha de produ o, realizar uma pesquisa cient fica com maior precis o e em menor tempo, at o fato de poder estacionar o carro sem o perigo de bat -lo ou de ter a seguran a de que qualquer tentativa de furto de sua casa poder ser frustrada, tais s o as vantagens oferecidas pelo uso de sensores. Apesar de ser imensa a variedade de sensores eletr nicos, podemos dividi-los basicamente em dois tipos: sensores anal gicos e sensores digitais. Essa divis o feita de acordo com a forma a qual o componente responde varia o da condi o. Os sensores anal gicos s o os dispositivos mais comuns. Tais sensores s o assim designados pois baseiam-se em sinais anal gicos. Sinais anal gicos s o aqueles que, mesmo limitados entre dois valores de tens o, podem assumir infinitos valores intermedi rios. Isso significa que, pelo menos teoricamente, para cada n vel da condi o medida, haver um n vel de tens o correspondente. Por exemplo, quando um LDR, um dispositivo cuja resist ncia varia de acordo com a luminosidade, submetido a uma luz cada vez mais intensa, pode-se verificar que sua resist ncia 1

diminuir gradativamente. Utilizando um circuito divisor de tens o, podemos fazer com que atrav s dessa varia o da resist ncia, haja uma varia o na tens o.

: Um LDR um sensor anal gico.

J os sensores digitais baseiam-se em n veis de tens o bem definidos. Tais n veis de tens o podem ser descritos como Alto (High) ou Baixo (Low), ou simplesmente "1" e "0". Ou seja, esses sensores utilizam l gica bin ria, que a base do funcionamento dos sistemas digitais. Ao contr rio de um sensor anal gico, onde os valores poss veis s o teoricamente infinitos, um sensor digital poder apenas alternar entre certos estados bem definidos, n o sendo poss vel haver um valor intermedi rio entre eles.

: Compara o de um sinal anal gico com um digital.

Um par ptico, constitu do por um emissor e receptor de infravermelho, um exemplo de um sensor digital simples, onde apenas dois estados s o poss veis. Se o feixe de infravermelho atinge o receptor, teremos um n vel de tens o baixo. Quando algo bloqueia o caminho do feixe, temos um n vel de tens o alto. N o h um n vel de tens o intermedi rio entre ambos.

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: Um par ptico um sensor digital simples.

Existem, por m, sensores digitais mais complexos. Enquanto que um sensor digital simples apenas indica se est acionado ou n o, os modelos mais complexos podem alternar entre v rias respostas distintos respondendo de forma mais elaborada, enviando valores bin rios mais complexos. Eles comunicam-se com outros sistemas de forma mais complexa, podendo enviar informa es como temperatura ou acelera o, por exemplo.

3 - Sensores Anal gicos

Como j foi explicado anteriormente, os sensores anal gicos s o aqueles que respondem atrav s de sinais anal gicos, ou seja, sinais que, mesmo limitados em uma certa faixa, podem variar entre in meros valores de tens o intermedi rios.

: Um exemplo de sinal anal gico.

Num sensor anal gico "ideal", para a varia o de uma determinada condi o, haver uma varia o na mesma propor o de alguma de suas propriedades, como tens o ou resist ncia. Os 3

sensores "reais" por m, est o sujeitos influ ncias de diversos tipos e possuem certas limita es ao seu funcionamento, n o funcionando de forma t o perfeita. Fatores como a temperatura e a umidade do ambiente podem gerar certos erros de medida e os materiais utilizados em sua constru o limitam a sensibilidade e a faixa de opera o do componente. Poderemos notar que grande parte dos sensores s o anal gicos, pois quase todos os par metros que ser o medidos tamb m o s o. A luminosidade de um ambiente, por exemplo, pode assumir infinitos valores entre a luz intensa e a escurid o total. A velocidade de um objeto, mesmo estando limitada entre o 0 e a velocidade da luz, pode assumir qualquer valor intermedi rio. A utiliza o desses sensores num circuito anal gico realizada sem problemas, por m, quando for necess rio monitor -lo atrav s de algum circuito digital, como um microcontrolador ou um computador, esses sinal dever 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 anal gicos. Tal convers o ser melhor detalhada ao descrevermos a conex o desses sensores ao Kit. Podemos classificar os sensores anal gicos de acordo com o modo o qual respondem s varia es. Tal resposta dever ser na forma da varia o de alguma propriedade el trica, como resist ncia, tens o, capacit ncia, dentre outros. Os sensores resistivos s o aqueles que em circuitos comportam-se como resistores, mas, devido a certas propriedades f sicas ou qu micas, variam o valor de sua resist ncia de acordo com certas caracter sticas, como luminosidade ou temperatura. Esses s o os modelos mais comuns, dentre os quais podemos destacar o LDR, o termistor, o sensor de peso e o potenci metro. J os sensores piezoel tricos, como alguns tipos de microfone e o sensor de vibra o, respondem com uma varia o na tens o. Esses sensores s o feitos com materiais que, quando submetidos a certas press es ou vibra es, geram uma tens o. Existem tamb m sensores capacitivos, onde a varia o de determinada condi o ocasiona uma varia o na capacit ncia do componente. Essa varia o na capacit ncia pode ocasionar a mudan a da tens o ou da frequ ncia do sinal de sa da do sensor. Dentre eles, podemos destacar o aceler metro e o sensor de umidade. Al m desses sensores, existem tamb m alguns cujo funcionamento um pouco mais complexo, pois baseiam-se em outras propriedades e possuem circuitos internos espec ficos para gerar um sinal de sa da adequado. Dentre eles, podemos citar o sensor de dist ncia e o sensor de temperatura LM60. Tais sensores utilizam circuitos integrados para realizar a leitura, mas sua resposta em forma de um sinal anal gico. A partir de agora, detalharemos os sensores anal gicos, mostrando o seu funcionamento, aplica es e explicando como eles podem ser utilizados.

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LDR

: LDR

O exemplo mais comum de sensor resistivo o LDR (Light Dependent Resistor Resistor Dependente de Luz), um componente onde uma varia o na luminosidade que incide sobre ele resulta numa varia o na sua resist ncia. A aplica o mais conhecida do LDR , sem d vida, na ilumina o p blica, onde ele utilizado para que, de acordo com a claridade do ambiente, sejam acionadas ou desligadas as l mpadas automaticamente, sem que haja a necessidade de algu m para control -las. Os LDRs s o tamb m utilizados em c meras para medir o n vel de luz do ambiente, permitindo assim o controle do tempo de exposi o para a captura de uma boa imagem. Utiliza es menos usuais desses componentes foram em m sseis que seguem o calor emanado pelos avi es e em detectores de radia o infravermelha para pesquisas astron micas. O LDR n o tem pinagem, ou seja, podemos ligar seus terminais de qualquer forma. Ele representado em esquemas eletr nicos com o seguinte s mbolo.

: S mbolos do LDR utilizados em esquemas eletr nicos. esquerda a simbologia americana e direita a europ ia.

Os LDRs s o compostos por sulfeto de c dmio (CdS), um material semicondutor, que disposto num tra ado onduloso na superf cie do componente. Esse material tem a propriedade de diminuir sua resist ncia passagem da corrente el trica quando a luminosidade sobre ele aumenta. Com o aux lio de um mult metro, podemos verificar facilmente como ocorre esse fato. Num ambiente escuro, sua resist ncia ser alta, podendo chegar a valores altos, pr ximos ou at superiores a 1 M. Mas se aumentarmos gradativamente a intensidade da luz que incide sobre ele, podemos verificar que sua resist ncia cair , podendo chegar a valores pr ximos de 1 k. Esses valores, no entanto, dependem de v rios fatores, como o componente utilizado, a quantidade de luz no ambiente e o pr prio mult metro. Podemos verificar abaixo o gr fico de resposta do LDR.

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: Gr fico da resposta do LDR.

Para fazer a medida da luminosidade do ambiente atrav s do LDR, precisamos fazer com que a varia o da resist ncia do componente seja convertida numa varia o de tens o. Essa tens o pode ser utilizada por um circuito externo ou ser monitorada atrav s da entrada anal gica do MEC1000 ou do KDR5000, por exemplo. O meio mais f cil de conect -lo atrav s de um divisor de tens o.

: Divisor de tens o.

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Um divisor de tens o composto por dois resistores ligados em s rie. A tens o no ponto entre esses dois resistores depende das suas resist ncias e da tens o de alimenta o e pode ser calculada atrav s de uma f rmula simples. Vr = Vt R1 R1 + R2 Como o LDR um sensor resistivo, podemos substituir um dos resistores do divisor de tens o por este componente. No esquema acima, substituindo R2 por um LDR, temos um circuito cuja tens o aumenta de acordo com a luminosidade do ambiente. Podemos verificar isso na f rmula acima. Quando a quantidade de luz que incide sobre o LDR cresce, sua resist ncia cai, fazendo com que o valor de Vr aumente. No lugar de R1, recomendamos colocar um resistor cujo valor fique entre os valores m ximo e m nimo do LDR. Podemos tamb m troc -lo por outros valores, observando sua influ ncia no valor de sa da do divisor de tens o.

: Divisor de tens o com o LDR.

poss vel tamb m trocar a posi o do LDR, colocando-o no lugar do R1. Nesse caso, teremos um circuito cujo funcionamento contr rio ao mostrado acima. O valor da tens o Vr aumentar quando a luminosidade do ambiente diminui. Na f rmula do divisor de tens o, podemos notar que, quanto menor o valor de R1, menor ser o valor de Vr.

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: Divisor de tens o com o LDR.

A tens o presente no ponto entre o LDR e o resistor pode servir de refer ncia para um outro circuito, como um Amplificador Operacional montado na configura o de comparador ou um oscilador 555. Tamb m podemos monitor -la atrav s do MEC1000 ou do KDR5000, ao conect -la a uma entrada anal gica. Podemos criar um circuito de ilumina o autom tica, utilizando um LDR e um Amplificador Operacional comparador. Um AmpOp ligado dessa forma compara a tens o das duas entradas, positiva e negativa. Quando a tens o da entrada positiva for superior da entrada negativa, encontraremos na sa da do AmpOp a tens o de alimenta o do circuito. Se a tens o da entrada negativa for superior da entrada positiva, acontecer o contr rio, ou seja, na sa da do AmpOp encontraremos uma tens o de 0 V. interessante notar que qualquer AmpOp pode ser utilizado com essa finalidade.

: Utiliza o de um AmpOp comparador.

Atrav s de um divisor de tens o, ligaremos o LDR entrada negativa do AmpOp enquanto que a entrada positiva ser ligada a um potenci metro (ou trimpot), atrav s do qual podemos 8

determinar a sensibilidade do circuito. Na sa da do AmpOp, colocamos um LED, por m, poss vel acionar um rel , ou at mesmo lig -lo a um circuito digital, desde que as tens es sejam compat veis. Quando a luminosidade sobre o LDR diminuir, sua resist ncia aumenta e, deste modo, a tens o na entrada negativa do AmpOp tamb m aumenta. Caso essa tens o seja maior do que a presente na entrada negativa, que definida atrav s do potenci metro, a sa da do AmpOp ser igual a tens o negativa da alimenta o, que no circuito abaixo 0 V, o que acender o LED. O resistor a ser colocado em s rie com o LED deve ser compat vel com a tens o de alimenta o do circuito, pois devemos nos lembrar que o LED n o 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 definida pelo potenci metro.

Uma sugest o de montagem muito interessante utilizando LDRs de um rob que siga ou se afaste da luz. Montando tr s LDRs no rob , sendo um na dire o frontal e dois nas laterais, e exercitando um pouco os conhecimentos de eletr nica e programa o, podemos fazer com que o rob verifique os n veis de luminosidade no ambiente e movimente-se de modo que o LDR central seja mais iluminado (no caso de um rob que siga a luz) ou menos iluminado (num rob que fuja da luz) do que os outros montados nas laterais.

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Termistor

: Termistores diversos.

Outro modelo de sensor resistivo muito comum o termistor, um componente destinado a medir varia es de temperatura. Devido a import ncia que esse fator exerce em in meros processos, seja o funcionamento de m quinas, a realiza o de experimentos ou a fabrica o de diversos tipos de produtos, o seu monitoramento algo essencial. O uso de termistores tamb m essencial em sistemas de ar condicionado. Modelos de alta qualidade s o empregados em setores diversos como medicina (durante a realiza o de diagn sticos e tratamentos), automotivo (para monitorar a temperatura do motor e dos sistemas de lubrifica o) e at aeroespacial. Mas, antes de utiliz -lo, importante compreender alguns conceitos b sicos sobre o componente. Assim como o LDR, o termistor n o possui uma pinagem espec fica. O termistor, de acordo com a simbologia europ ia, representado da seguinte forma.

: S mbolo do termistor utilizado em esquemas eletr nicos.

Existem dois tipos de termistores, NTC e PTC, assim classificados de acordo com sua resposta em fun o da temperatura. Os termistores NTC (Negative Temperature Coefficient Coeficiente de Temperatura Negativo) s o os modelos mais comuns e s o feitos de materiais semicondutores simples. Eles s o assim denominados pois a resist ncia desses componentes

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diminui quando a temperatura aumenta, ou seja, eles possuem um coeficiente de temperatura negativo. Os termistores PTC (Positive Temperature Coefficient Coeficiente de Temperatura Positivo) s o mais dif ceis de serem encontrados, pois s o constitu dos de elementos mais complexos e, portanto, mais caros. Seu comportamento contr rio aos NTC, pois o aumento da temperatura faz com que sua resist ncia tamb m aumente. Os termistores PTC s o mais comumente aplicados para proteger circuitos eletr nicos de excessos de correntes, substituindo os fus veis tradicionais. Numa situa o normal, sua resist ncia passagem da corrente el trica pequena, e apenas uma pequena quantidade da energia el trica transformada em calor. Por m, se a corrente subir muito, a quantidade de energia dissipada em forma de calor ser maior. Desse modo, a temperatura do componente aumenta e ent o temos que sua resist ncia passagem da corrente tamb m aumenta. Esse efeito importante para evitar surtos de corrente, que geralmente ocorrem com motores el tricos. Ao ligar um motor, inicialmente ele consome uma corrente muito grande, para s depois se estabilizar.

: Supress o de surtos com um termistor PTC.

Os gr ficos abaixo mostram como a resist ncia dos termistores NTC e PTC varia de acordo com a temperatura. Os fabricantes disponibilizam v rios tipos de termistores, com diferentes curvas de resposta, temperaturas m ximas e m nimas de opera o e outras caracter sticas, de modo que seu funcionamento seja adequado a determinadas aplica es.

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: Gr fico de resposta dos termistores NTC e PTC.

Durante a utiliza o do termistor, importante levar em considera o que ele apresenta uma faixa limite de opera o. A temperatura adequada para a sua utiliza o varia de acordo com o fabricante e, caso n o seja poss vel obter essa informa o, recomendado n o expor o componente a temperaturas acima de 100 C, que o limite de alguns componentes dispon veis no mercado. Para fazer a medi o da temperatura atrav s do termistor, podemos lig -lo na forma de um divisor de tens o, pois ele um sensor resistivo. Desse modo, a tens o resultante nesse circuito ser correspondente temperatura do ambiente. Isso porque, como vimos acima, a resist ncia do termistor est relacionada como a temperatura do ambiente ao seu redor. Substituindo R2 por um termistor NTC, que o modelo mais comum, verificamos que, com o aumento da temperatura, haver um aumento da tens o no ponto entre R1 e R2. Podemos comprovar na f rmula do divisor de tens o que isso ocorre pois, quanto menor for o valor de R2, maior ser a tens o de sa da. No lugar de R1, pode ser colocado um resistor de um valor qualquer, desde que n o seja muito baixo, para que a corrente el trica no divisor de tens o n o seja alta. interessante colocarmos um resistor cujo valor o mesmo da resist ncia do termistor medido a temperatura ambiente. Desse modo, nessa condi o, a sa da do divisor de tens o seja aproximadamente a metade da tens o de alimenta o.

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: Divisor de tens o com termistor.

Se o termistor for colocado no lugar de R1, o divisor de tens o se comportar de forma contr ria. A tens o de sa da ser aumentar quando a temperatura diminuir.

: Divisor de tens o com termistor.

Esse o m todo mais simples e eficaz de possibilitar a verifica o da temperatura ambiente atrav s de um termistor. A tens o presente no ponto entre o termistor e o resistor pode ser utilizada como refer ncia para um circuito externo ou monitorada por um MEC1000 ou KDR5000 atrav s de uma entrada anal gica. Aplicando seus conhecimentos em programa o e eletr nica, poss vel monitorar a temperatura do ambiente ou de uma determinada pe a ou processo e realizar certas

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a es como exibi-la atrav s de um display de 7 segmentos ou de cristal l quido, emitir um sinal de alerta ou at mesmo realizar as a es necess rias para control -la.

Sensor de Peso

: Sensores de peso IESP-12 e SF4.

O sensor de peso outro sensor resistivo de f cil aplica o. Atrav s desse componente, podemos medir o peso de algum objeto ou uma for a aplicada sobre ele. O monitoramento desses fatores extremamente importante em ambientes industriais, como em ind strias aliment cias, por exemplo. Monitorando a entrada de mat ria-prima e a sa da do produto acabado, poss vel evitar desperd cios e realizar certos processos de forma mais eficiente. Por m, podemos encontrar esses sensores sendo aplicados com outras finalidades. Modelos mais avan ados desses sensores s o destinados a criar sistemas de "tato artificial" para rob s, possibilitando que eles tenham percep o de toque de superf cies e texturas. Os sensores de peso (que tamb m s o conhecidos como sensores de press o ou de for a) podem ser constru dos de diversas formas, mas os modelos mais comuns e cuja utiliza o mais simples s o os resistivos. O princ pio de seu funcionamento bem simples: quanto maior a for a exercida sobre ele, menor ser a resist ncia entre seus terminais. Dentre os sensores de peso dispon veis no mercado, utilizaremos como refer ncia para esse tutorial o IESP-12 e o SF-4, ambos produzidos pela CUI Inc. Apesar de serem fisicamente muito diferentes, eles possuem muitas caracter sticas semelhantes, como tens o de alimenta o, limites de opera o e resposta em fun o do peso, que podemos observar no gr fico abaixo.

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: Gr fico de resposta dos sensores de peso IESP-12 e SF-4.

Como podemos observar, a resposta destes sensores n o linear, ou seja, n o proporcional for a que 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 dif cil obter um valor preciso, o que pode ser observado no gr fico. Isso ocorre porque esses sensores s o destinados apenas ao uso gen rico. Para aplica es que exigem mais precis o, devem ser utilizados sensores dedicados. Antes de utilizar esses sensores, devemos levar em conta que eles apresentam limites de opera o. preciso tomar cuidado com a voltagem e a corrente conduzida. A alimenta o pode ser feita com uma tens o entre 3 e 6V e a corrente n o deve ser superior a 20mA. Tamb m deve-se tomar cuidado com a for a exercida sobre eles. O peso m ximo que o IESP-12 suporta de 4 Kg enquanto que o SF-4 suporta at 3 Kg. Mas recomendado que o peso n o seja superior a 1,5 Kg, para que sua vida til seja maior. Al m disso, os sensores perdem muito de sua sensibilidade em valores altos, como j foi mencionado. Caso seja utilizado um sensor diferente, basta procurar suas especifica es, disponibilizadas no site do fabricante, para que se possa saber quais s o seus limites de opera o e a alimenta o adequada. Outro cuidado muito importante que necess rio com esse tipo de sensor que n o se deve manter um peso apoiado sobre eles durante um tempo muito longo, o que pode danific -los. Esses sensores geralmente s o destinados ao uso intermitente, e uma for a exercida por um per odo muito longo pode causar imprecis o nas leituras ou estrag -los permanentemente. Por isso, ap s utiliz -lo, guarde-o de modo que n o haja nenhum peso for ando-o. Assim como qualquer sensor resistivo, podemos monitorar a resposta do sensor de peso atrav s de um divisor de tens o. A utiliza o do sensor de peso dever ser feita com mais cuidado, pois a corrente que flui por ele n o poder ser maior que 20mA. Alimentando-o com uma tens o de 5V, vamos calcular o valor do resistor que ser colocado em s rie com o sensor, de modo que a corrente m xima que passe pelo circuito (quando a resist ncia 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 importante ter em mente que esse valor n o obrigat rio. Caso n o esteja dispon vel, pode-se utilizar outro resistor, embora seja recomendado utilizar valores maiores, de modo que a corrente n o danifique o componente. Tomando essas precau es quanto alimenta o e utiliza o do divisor de tens o, garantiremos que o sensor funcionar perfeitamente por um longo tempo. Como o sensor ser ligado na forma de um divisor de tens o, temos duas maneiras poss veis para conect -lo. Se ele for colocado na posi o de R2, verificaremos que, quanto maior o peso sobre o sensor, menor ser sua resist ncia e, consequentemente, maior ser a tens o entre os dois componentes.

: Divisor de tens o com sensor de peso.

Se o sensor de peso for colocado na posi o de R1, acontecer o inverso, ou seja, quanto maior for o peso sobre o sensor, menor ser a tens o entre os dois componentes.

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: Divisor de tens o com sensor de peso.

Tal como os outros modelos de sensores resistivos, o sensor de peso pode ser utilizado muito facilmente, seja em circuitos anal gicos ou atrav s do KDR5000 ou MEC1000. Esse sensor pode ser utilizado de modo a construir uma balan a, lembrando-se de respeitar seus limites quanto capacidade m xima e de n o mant -lo durante muito tempo embaixo de algum peso. Uma fun o muito interessante para esse componente a de sensor de toque, que pode ser colocado num rob ou em algum sistema eletr nico. Para essa utiliza o, devemos fazer com que haja uma sensibilidade muito grande varia o do sinal do divisor de tens o, de modo que o sistema responda a uma pequena for a exercida sobre o sensor. Tamb m pode ser utilizado para criar um bot o que responda de diferentes modos for a exercida sobre ele, bastando para isso que hajam diferentes instru es de acordo com a resposta do sensor.

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Potenci metro

: Potenci metros diversos.

Embora a finalidade principal do potenci metro seja de ajustar algum par metro (o volume do aparelho de som, por exemplo), podemos facilmente utiliz -lo como um sensor de posi o. Potenci metros com essa finalidade podem ser encontrados em rob s e equipamentos industriais, onde s o destinados a informar a angula o exata de um bra o mec nico. Outra aplica o a que eles podem ser destinados a monitorar o funcionamento da suspens o de um carro de corrida onde, de acordo com as informa es recebidas de um potenci metro que acompanha o movimento dos amortecedores, um sistema de controle regula a dureza da suspens o de acordo com as condi es da pista. Seu s mbolo, de acordo com os padr es americanos e europeus, o seguinte:

: S mbolos do potenci metro utilizados em esquemas eletr nicos. esquerda a simbologia americana e direita a europ ia.

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O potenci metro pode ser utilizado em aplica es que envolvam deslocamentos, movimentos e outros fen menos puramente mec nicos. Ou seja, atrav s desse componente poss vel que a mudan a de uma vari vel mec nica, como um ngulo ou uma altura, seja transformada numa mudan a de uma caracter stica el trica. O potenci metro pode ser mais claramente definido como sendo um divisor de tens o vari vel. Ele 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 potenci metro. Esse cursor pode ser movimentado atrav s de um eixo rotativo ou um pino de pl stico ou metal. Quando alteramos a posi o do cursor, alteramos a resist ncia entre o terminal central e os dois terminais externos do potenci metro.

: Interior do potenci metro, detalhando suas partes principais.

O valor da resist ncia total do potenci metro (medida entre seus terminais externos) ser sempre constante. Ou seja, o potenci metro funciona como dois resistores em s rie, onde podemos alterar simultaneamente os seus valores, desde que a soma das resist ncias seja constante.

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: Resist ncia medida entre os terminais do potenci metro em diferentes posi es do cursor.

O valor da resist ncia total geralmente mostrada no pr prio corpo do potenci metro. Caso ele n o esteja presente, podemos verific -la com um mult metro, medindo a resist ncia entre os dois terminais externos. Al m da resist ncia total, podemos classificar os potenci metros de acordo com outros fatores. O principal o modo como podemos alterar a posi o do cursor, ou seja, como podemos variar a resist ncia entre o terminal central e os terminais externos. Podemos classific -los em angulares, lineares ou multivolta.

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: Modelos de potenci metros. 1-Poteci metro angular. 2-Potenci metro multivolta. 3-Potenci metro linear.

Dentre todos, os potenci metros angulares s o os mais comuns, e podemos encontr -los facilmente no nosso cotidiano, especialmente em aparelhos de som. Nesses potenci metros, o cursor est ligado a um eixo, de modo que ele acompanha o seu movimento. Podemos utilizar esses potenci metros como sensores de posi o angular, indicando o deslocamento de uma engrenagem ou a inclina o de uma rampa, por exemplo. O seu giro (mais especificamente chamado de curso) restrito em 270 . Os modelos multivolta s o uma varia o dos angulares, que possibilitam v rias voltas do in cio ao fim do curso. Isso os torna muito pr ticos para aplica es em rob s e outros sistemas mec nicos, onde seja necess rio monitorar a movimenta o de alguma estrutura. A desvantagem est na dificuldade de encontr -los no mercado. Os potenci metros lineares s o comuns em aparelhos de mixagem e equalizadores de udio, pois proporcionam uma leitura mais f cil pelo operador. O cursor est ligado a um pequeno pino de pl stico ou de metal e movimentado junto com ele. Uma aplica o dele como sensor de movimento linear, onde podemos verificar a compress o de uma mola. A classifica o dos potenci metros tamb m pode ser feita em rela o a sua configura o interna. Os mais comuns s o os potenci metros simples, que apresentam apenas uma faixa de material resistivo e um cursor e possuem 3 terminais. Para aplica es onde necess rio controlar dois divisores de tens o simultaneamente, utiliza-se o potenci metro duplo (dual-gang em ingl s). Ele apresenta duas faixas de material resistivo e dois cursores, al m de possuir 6 terminais. Ao mover o eixo ou pino do potenci metro, os dois cursores s o deslocados simultaneamente. Ou seja, como se tiv ssemos dois potenci metros distintos, mas compartilhando o mesmo controle de posi o do cursor. Os potenci metros duplos angulares possuem seus terminais divididos em dois grupos de tr s, tornando-se f cil identificar cada um. Os tr s terminais dianteiros correspondem a um potenci metro enquanto que os tr s terminais traseiros s o destinados ao outro. Nos modelos lineares a identifica o tamb m f cil. Nos dois lados do corpo do potenci metro h 3 terminais, sendo que o cada lado possui um potenci metro distinto.

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: Potenci metros angulares duplos.

Para utilizar um potenci metro como um sensor de posi o, necess rio ligar um dos terminais da extremidade com uma tens o positiva e o outro com uma tens o negativa. A tens o do terminal central variar entre esses dois valores de tens o. A tens o m xima de alimenta o do potenci metro depende da pot ncia que ele capaz de dissipar (a energia perdida na forma de calor) e de sua resist ncia. Um potenci metro comum capaz de dissipar uma pot ncia de 0,5W. Supondo que estamos utilizando um potenci metro de 1 k , vamos calcular a tens o m xima que podemos aliment -lo. A rela o entre pot ncia, tens o e resist ncia dada pela seguinte f rmula: P = V / R V = (P R) V = (0,5 W 1000 ) V = 22,4 V Podemos alimentar esse potenci metro com uma tens o cont nua de, no m ximo, 22,4 Volts. Al m de estar atento tens o, lembre-se de nunca ligar o terminal central do potenci metro alimenta o, sob o risco de causar um curto-circuito na fonte de alimenta o. Al m disso, recomendamos que o terminal central n o seja ligado diretamente ao circuito eletr nico que far a leitura da tens o. importante que ele passe antes por um Amplificador Operacional montado na configura o de ganho unit rio (tamb m conhecida como seguidor de voltagem ou buffer). O potenci metro o componente onde esse procedimento mais necess rio. Isso porque, dependendo do circuito a ser conectado ao terminal central, podem ocorrer desequil brios no divisor de tens o formado pelo potenci metro. Utilizando um buffer, o AmpOp pode fornecer uma corrente de at algumas dezenas de miliamp res sem que o sinal de entrada seja afetado. A sa da do AmpOp pode ser ent o ligada a um outro circuito eletr nico.

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: Poteci metro com Amplificador Operacional montado na configura o de ganho unit rio.

A leitura da posi o do potenci metro atrav s da Entrada Anal gica pode ser feita de forma muito simples. N o ser utilizado nenhum componente extra, pois ele pr prio j um divisor de tens o e as entradas j s o bufferizadas. Os terminais das extremidades dever o ser alimentados com 5V e 0V, dispon veis nos conectores de sensores, e o terminal central ser ligado obrigatoriamente Entrada Anal gica.

: Potenci metro ligado a uma Entrada Anal gica do Kit.

Podemos utilizar potenci metros nas mais variadas aplica es que envolvam deslocamento, seja ele linear ou angular. Atrav s desse componente, poss vel fazer o controle preciso da posi o de um eixo ou um bra o mec nico de um rob , colocando-o de modo que ele gire junto com a estrutura. A partir da tens o de sa da do potenci metro, poss vel saber a angula o do conjunto e, se necess rio, control -la. Outra aplica o interessante a medi o do volume de um tanque. Para isso, utilizamos um potenci metro angular com uma b ia presa ao seu eixo atrav s de uma haste. Sendo assim, a resposta do potenci metro varia em fun o da posi o da b ia dentro do tanque. Podemos ent o, de acordo com o sinal do potenci metro, mostrar atrav s de uma barra de LEDs se este se encontra vazio ou cheio, ou at mesmo mostrar o volume em litros numa tela de cristal l quido.

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: Utilizando um potenci metro para monitorar o volume de um tanque.

Microfone

: Microfones diversos.

O microfone um componente captador de som, destinado a converter as vibra es sonoras em sinais el tricos. Eles s o empregados em in meras aplica es, desde aparelhos telef nicos e equipamentos de grava o a sensores de dist ncia baseados em ultra-som. 24

Existem diversos tipos de microfones dispon veis, cujo funcionamento baseia-se nos mais variados princ pios. Os microfones din micos s o 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 vari vel numa bobina eletromagn tica, enquanto que nos alto-falantes acontece exatamente o oposto). Muito comuns tamb m s o os capacitivos, que baseiam-se nos capacitores vari veis. Dentre os microfones mais complexos, encontramos os parab licos (destinados espionagem) e at modelos baseados na refra o de raios laser numa l mina de vidro. O microfone mais adequado s nossas aplica es, tamb m estando presente no KDR5000, o microfone de eletreto. Este o modelo mais comum, podendo ser encontrado desde aparelhos telef nicos at em microfones destinados grava es de alta qualidade. Dentre suas vantagens est o o pre o acess vel e, principalmente, a sua f cil utiliza o.

: Microfones de eletreto.

Quase todos os microfones utilizam um diafragma, uma pel cula fina e flex vel, que vibra quando as ondas sonoras incidem sobre ela. O modo como essa vibra o convertida num sinal el trico caracteriza o tipo de microfone. Nos microfones capacitivos e nos de eletreto, al m do diafragma, h uma pequena placa de metal. Juntas, essas duas pe as comp em um capacitor. A vibra o do diafragma faz com que a dist ncia entre ele e a placa de metal varie e, consequentemente, a capacit ncia desse conjunto tamb m varia. Como a carga armazenada pelo capacitor se mant m constante, temos que a voltagem entre o diafragma e a placa de metal tamb m varia, de acordo com a f rmula, onde Q a carga (em Coulombs), C a capacit ncia (em Farad) e V a tens o (em Volts): Q=C V O sinal el trico resultante da varia o dessa voltagem reproduz fielmente a vibra o do diafragma, podendo ser ent o amplificado e reproduzido atrav s de um alto-falante. A diferen a do microfone de eletreto para o capacitivo que o seu diafragma possui uma fina pel cula de eletreto, um material que quando eletrizado, mant m sua carga permanentemente. Isso permite que esses microfones operem com tens es extremamente baixas, n o sendo necess rio aliment -lo com algumas dezenas de Volts, como no caso dos capacitivos. Al m disso, esse microfone possui internamente um FET (Field Effect Transistor Transistor de Efeito de Campo) cuja fun o servir de buffer, eliminando problemas de imped ncia e capacit ncia que podem ocorrer durante a conex o deste componente com o destino final do sinal (que pode ser um amplificador, um gravador ou um microcontrolador). A fonte de tens o necess ria para utilizar o microfone se destina a alimentar esse transistor.

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: Interior do microfone de eletreto, detalhando suas partes principais.

Devido a sua constru o, o microfone de eletreto possui uma pinagem espec fica. N o podemos ligar os seus terminais de qualquer modo, pois isso pode ocasionar em danos ao componente. importante que eles sejam conectados da maneira correta. Olhando a parte inferior do microfone, onde est o os seus dois terminais, podemos notar que eles s o ligeiramente diferentes. Enquanto que um deles est totalmente isolado, o outro possui "extens es" direcionadas carca a do microfone. Esse terminal que possui a "extens o" o terminal negativo do componente, e o que est isolado o terminal positivo.

: O terminal do microfone que possui extens es sua carca a o terminal negativo.

Para a utiliza o de um microfone de eletreto, necessitamos de alguns componentes extras. Primeiro, devemos aliment -lo, devido ao transistor interno, o que pode ser feito com os conectores dispon veis nas entradas de sensores. Entre o terminal positivo do microfone e a alimenta o (que pode ser de 5V), devemos colocar um resistor, para limitar a corrente que alimentar o microfone. O terminal positivo do microfone o que ser ligado ao receptor do sinal. Como esse terminal tamb m estar ligado alimenta o, atrav s do resistor, precisamos separar o sinal DC (que alimenta o circuito), do sinal AC (o sinal vari vel que ser gerado pelo microfone). Para essa fun o, podemos utilizar um capacitor. O capacitor um componente que bloqueia os sinais cont nuos, mas deixa passar os sinais vari veis. Quando utilizado nessa fun o, ele chamado de

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capacitor de desacoplamento. Depois desse capacitor, temos ent o um sinal vari vel que reproduz fielmente as vibra es do diafragma causadas pelas ondas sonoras.

: Esquema b sico para a liga o de um microfone de eletreto.

O sinal resultante desse circuito poder ent o ser destinado a um amplificador, um transmissor de radiofrequ ncia ou qualquer outro circuito anal gico. Mas para que seja monitorado por um outro circuito ou aplicado num conversor A/D, ele ainda n o ideal. O primeiro passo ser adequar a tens o de repouso desse sinal. Depois, devemos amplific -lo. A tens o de repouso (Vrep), tamb m chamada de n vel DC ou Offset, a tens o presente na sa da do circuito quando o sensor estiver em repouso, ou seja, quando nenhum som captado pelo microfone. No momento em que as ondas sonoras fazem vibrar o diafragma do microfone, gerado ent o um sinal vari vel. Como o sinal alternado, a sua tens o varia acima e abaixo da tens o de repouso. No circuito acima, a tens o de repouso de 0V. Ou seja, quando o microfone captar algum som, haver um sinal anal gico que varia at uma tens o de pico V, ou seja, de +V (valor m ximo) a -V (valor m nimo).

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: O sinal de sa da do circuito corresponde ao som captado pelo microfone.

A maior parte dos conversores A/D n o pode ler tens es negativas, como por exemplo, o conversor A/D presente no microcontrolador do KDR5000 e do MEC1000, que suporta tens es de 5 V a 0 V. Sendo assim, necess rio fazer com que a tens o de repouso seja maior, para que o valor m nimo do sinal anal gico seja ligeiramente maior que 0 V. Desse modo, o sinal de sa da do microfone estar enquadrado nos valores de leitura do conversor.

: Devemos aumentar a tens o de repouso do circuito. Observe que o valor m nimo do sinal da direita um pouco maior que 0 V.

Com essa fun o, podemos utilizar um divisor de tens o. Ao colocar um divisor de tens o na sa da do circuito acima, quando o sensor estiver em repouso, a sa da do circuito ser a tens o presente no divisor de tens o. Quando o microfone passar a captar algum som, a tens o de sa da variar acima e abaixo dessa tens o. Como o sinal de sa da do microfone baixo, com picos entre 10 e 20 mV, podemos ter um valor baixo como tens o de repouso. Vamos fazer com que a tens o de repouso seja de aproximadamente 40 mV (0,04 V).

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: Utilizando um divisor de tens o para adequar a tens o de repouso.

O n vel de tens o de repouso do circuito dado pela mesma f rmula utilizada para os divisores de tens o. Ao utilizarmos um divisor de tens o com os valores de resistores mostrados acima, considerando que o circuito foi alimentado com uma tens o de 5 V, teremos uma tens o de repouso de 37 mV (0,037 V), como podemos comprovar pela f rmula abaixo. Vr = Vt R1 R1 + R2 Vrep = 5 V 750 100000 + 750 Vrep = 3750 100750 Vrep = 0,037 V Temos ent o um sinal adequado sua utiliza o em diversos circuitos. Quando o microfone estiver captando algum som, o sinal de sa da variar entre, no m ximo, 20 mV e 60 mV. Como esse sinal fraco, ele pode ent o ser amplificado, se necess rio. A amplifica o interessante, pois a amplitude do sinal original muito pequena, ou seja, a diferen a entre os valores m nimo e m ximo do sinal muito baixa. Desse modo, a diferen a entre os sinais de um som fraco e um forte, captados pelo microfone, muito pequena. Amplificando o sinal, essa diferen a ficar mais clara.

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: Amplifica o de um sinal fraco.

Existem diversos m todos para realizar essa amplifica o, mas o mais pr tico atrav s de um Amplificador Operacional (AmpOp). Nesse exemplo, utilizamos um circuito integrado LM324N, que semelhante ao modelo utilizado na Placa de Sensores do KDR 5000, mas existem v rios modelos dispon veis que atendem a essa necessidade.

: Circuito integrado LM324, sua pinagem e esquema da configura o de amplificador.

O sinal do microfone, depois de ser adequado atrav s do divisor de tens o, ser aplicado na entrada positiva do AmpOp. Um resistor (R1) ser ligado entre a sa da e a entrada negativa e outro resistor (R2), de valor menor, ligar a entrada negativa ao 0 V da alimenta o. O ganho desse circuito ser determinado por esses resistores, atrav s da seguinte f rmula: 30

Vsa da=Ventrada 1

R1 R2

O sinal proveniente do microfone tem um pico de tens o de aproximadamente 60 mV. Vamos amplific -lo com um ganho de aproximadamente 25 vezes, de modo que teremos como resultado um sinal de at 1,5 V. Utilizamos no lugar de R1 um resistor de 18 k e, no lugar de R2, um resistor de 750, o que proporcionar o ganho necess rio. Caso esses resistores n o estejam dispon veis, pode-se utilizar outros. Se necess rio, tamb m poss vel amplificar ainda mais o sinal. Agora sim temos um sinal que pode ser perfeitamente analisado atrav s do MEC1000 ou do KDR5000 ou de algum outro circuito externo. Como o sinal todo foi amplificado, podemos observar que a tens o de repouso agora tamb m mais alta, estando pr xima de 1 V. Al m disso, quando o n vel sonoro for o m ximo suportado pelo microfone, o sinal resultante variar entre um valor pouco acima de 0,5 V e um pouco abaixo de 1,5 V.

: Sinal de sa da do circuito utilizado com o microfone.

Finalizamos todos os procedimentos necess rios para a adequa o do sinal do microfone. O esquem tico final do circuito necess rio para a utiliza o do microfone mostrado a seguir.

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: Circuito recomendado para a utiliza o do microfone.

Durante a soldagem do microfone, como j foi mencionado anteriormente, necess rio estar atento quanto a sua pinagem. Al m disso, os terminais de alguns microfones de eletreto dispon veis no mercado s o apenas pequenas reas de metal, dificultando a soldagem do componente diretamente numa placa. Nesse caso, o microfone poder ser soldado atrav s de fios, ou at mesmo com pernas improvisadas. Como as pernas de resistores e capacitores novos s o grandes, podemos cort -las e sold -las nos terminais do microfone. Um exemplo de aplica o pr tica do microfone num sistema de acionamento controlado por som. Podemos utilizar o microfone para monitorar o volume de som no ambiente e, quando houver um ru do (que pode ser uma palma ou uma fala mais alta) maior do que o definido como limite, algum circuito seja acionado. Podemos acionar v rias coisas, como uma l mpada (atrav s de um rel ), um alarme ou at mesmo um motor de um rob , por exemplo. Sensor de vibra o

: Sensor de vibra o.

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O sensor de vibra o um componente destinado a captar uma vibra o e convert -la num sinal el trico. Seu funcionamento muito semelhante ao de um microfone, mas enquanto que no microfone as vibra es s o causadas por ondas sonoras, o sensor de vibra o destina-se vibra o de estruturas. A principal aplica o dos sensores de vibra o realizada em equipamentos industriais, verificando o funcionamento de motores, m quinas, centr fugas, ou seja, de qualquer equipamento que produza ou utilize algum tipo de movimento em seu funcionamento. O monitoramento do funcionamento de tais aparelhos atrav s desses sensores permite identificar problemas e falhas antes que elas se tornem graves, possibilitando uma maior efici ncia na linha de produ o e evitando perdas financeiras expressivas. Os sensores de vibra o s o geralmente constru dos com materiais piezoel tricos. Esses materiais (cristais, como quartzo e fosfato de g lio) possuem a capacidade de gerar uma tens o, quando submetidos a um esfor o mec nico. Isso ocorre porque, quando o cristal est em repouso, todas as cargas el tricas positivas e negativas est o simetricamente distribu das, de modo que a carga total neutra. Quando uma for a exercida sobre o cristal, essa simetria desfeita e a distribui o irregular das cargas faz surgir uma tens o. Essa tens o gerada pode ser muito alta, atingindo valores de at alguns milhares de volts em casos extremos.

: Funcionamento do sensor de vibra o.

Devido a essa capacidade de gerar uma tens o com a aplica o de um esfor o mec nico, os materiais piezoel tricos podem ser utilizados em v rias reas. Al m de serem ideais para a elabora o de sensores de vibra o, podemos encontr -los em microfones piezoel tricos, captadores para guitarras e viol es, receptores de ultra-som e at isqueiros. A fa sca utilizada para iniciar a queima do g s do isqueiro produzida a partir da compress o de um cristal piezoel trico. O processo inverso tamb m pode ser realizado, ou seja, uma compress o do tamanho do cristal quando uma tens o aplicada nele. Esse princ pio utilizado na constru o do buzzer, que converte um sinal el trico num sinal sonoro. Apesar de poderem gerar grandes tens es, esses materiais n o s o bons condutores de eletricidade. Por esse motivo, aplicado uma camada met lica em cada extremidade do cristal, de modo que seja poss vel utiliz -lo adequadamente. A disposi o desses elementos mostrada no s mbolo desse componente.

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: S mbolo do sensor de vibra o.

Para verificar a vibra o captada por esse sensor, necessitamos de alguns componentes extras. Alguns dos procedimentos realizados para a conex o do microfone tamb m ser o utilizados aqui, portanto, recomendado que ele seja lido previamente para melhor entendimento de alguns conceitos utilizados. Como o sensor de vibra o utilizado composto unicamente por um cristal piezoel trico com dois eletrodos, sem nenhum componente eletr nico extra, n o necess rio aliment -lo. Um dos terminais do sensor deve ser aterrado, ligado ao negativo da alimenta o. O outro terminal ser a origem do sinal do sensor, que ser monitorado por um circuito externo, depois de ser previamente adequado. O primeiro passo ser desacoplar o sensor de vibra o, ou seja, isol -lo de qualquer sinal DC que possa ser originado nas etapas posteriores. Isso pode ser feito utilizando um capacitor, colocado no terminal de sa da do sinal do sensor. O valor do capacitor a ser utilizado n o cr tico, sendo que nesse caso utilizamos um de 100nF.

: Esquema b sico para a utiliza o do sensor de vibra o.

Temos ent o depois do capacitor um sinal que corresponde vibra o captada pelo sensor. Por m, esse sinal n o pode ser monitorado diretamente atrav s de alguns circuitos, como as entradas anal gicas do MEC1000 ou do KDR5000. Assim como foi feito com o microfone, devemos adequar a tens o de repouso (Vrep), de modo que o valor m nimo do sinal vari vel seja acima de 0V.

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: Devemos aumentar a tens o de repouso do circuito. Observe que o valor m nimo do sinal da direita um pouco maior que 0 V.

Assim como foi feito com o microfone, ser utilizado um divisor de tens o, s que no sensor de vibra o ele ser elaborado de modo que a tens o de repouso seja de 900 mV (0,9 V). Isso pode ser feito utilizando o circuito abaixo.

: Circuito com o divisor de tens o para adequar a tens o de repouso.

Atrav s da f rmula do divisor de tens o, podemos calcular a tens o do circuito quando o sensor n o estiver captando nenhuma vibra o. De acordo com os resistores utilizados e com a tens o de alimenta o do circuito acima, vamos calcular a tens o de repouso. Vr = Vt R1 R1 + R2 Vrep = 5 V 220000 1000000 + 220000 Vrep = 1100000 1220000 Vrep = 0,901 V Temos e