Sensores

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

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

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

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

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

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

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.

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.

Os LDRs são compostos por sulfeto de cádmio (CdS), um material semicondutor, que é disposto num traçado onduloso na superfície do componente. Esse material tem a propriedade de diminuir sua resistência à passagem da corrente elétrica quando a luminosidade sobre ele aumenta. Com o auxílio de um multímetro, podemos verificar facilmente como ocorre esse fato.

Num ambiente escuro, sua resistência será alta, podendo chegar a valores altos, próximos ou até superiores a 1 MΩ. Mas se aumentarmos gradativamente a intensidade da luz que incide sobre ele, podemos verificar que sua resistência cairá, podendo chegar a valores próximos de 1 kΩ. Esses valores, no entanto, dependem de vários fatores, como o componente utilizado, a quantidade de luz no ambiente e o próprio multímetro. Podemos verificar abaixo o gráfico de resposta do LDR.

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.

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.

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

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

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

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.

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 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 apresente na entrada negativa, que é definida através do potenciômetro, a saída do AmpOp será igual a tensão negativa da alimentação, que no circuito abaixo é 0 V, o que acenderá o LED.

O resistor a ser colocado em série com o LED deve ser compatível com a tensão de alimentação do circuito, pois devemos nos lembrar que o LED não suporta correntes muito altas.

Utilize um resistor de valor que a corrente que passe por ele seja de apenas alguns miliampères.

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

Termistor

Outro modelo de sensor resistivo muito comum é o termistor, um componente destinado a medir variações de temperatura. Devido a importância que esse fator exerce em inúmeros processos, seja o funcionamento de máquinas, a realização de experimentos ou a fabricação de diversos tipos de produtos, o seu monitoramento é algo essencial.

O uso de termistores também é essencial em sistemas de ar condicionado. Modelos de alta qualidade são empregados em setores diversos como medicina (durante a realização de diagnósticos e tratamentos), automotivo (para monitorar a temperatura do motor e dos sistemas de lubrificação) e até aeroespacial. Mas, antes de utilizá-lo, é importante compreender alguns conceitos básicos sobre o componente.

Assim como o LDR, o termistor não possui uma pinagem específica. O termistor, de acordo com a simbologia européia, é representado da seguinte forma.

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 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.

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.

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.

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.

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 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.

Comentários