94146544 optoeletronica teoria e pratica

OPTOPTOPTOPTOPTOELETRÔNICAOELETRÔNICAOELETRÔNICAOELETRÔNICAOELETRÔNICA

TEORIA E PRÁTICATEORIA E PRÁTICATEORIA E PRÁTICATEORIA E PRÁTICATEORIA E PRÁTICA

Aldo Lopes

COPYRIGHT BY

ALDOBERTO LOPES

1998, 1999, 2000

Não nos responsabilizamos pelo uso impróprio dos projetos publicados. Os projetos não podem sercomparados a produtos industrializados e, embora tenham sido exaustivamente testados em laboratório,estão sujeitos a pequenos desvios em suas características técnicas, inerentes às variações de qualidadedos componentes utilizados e às ligações executadas pelo montador.

Utilize apenas componentes de boa qualidade e de procedência conhecida, jamais reaproveitandopeças usadas de placas defeituosas ou sucatas.

Todos os direitos reservados. Proibidaa reprodução total ou parcial sem préviaautorização por escrito do autor.

ÍNDICE

INTRODUÇÃO ...............................................................................................................5

CAPÍTULO 1DISPOSITIVOS E COMPONENTES OPTOELETRÔNICOS ...............................6

A LUZ................................................................................................................................... 6APLICAÇÕES DOS OPTOELETRÔNICOS................................................................... 7LÂMPADA INCANDESCENTE ....................................................................................... 8LED - DIODO EMISSOR DE LUZ................................................................................... 9DISPLAY FLUORESCENTE............................................................................................. 12LDR - LIGHT DEPENDENT RESISTOR........................................................................ 13FOTO-DIODO..................................................................................................................... 16FOTO-TRANSISTOR......................................................................................................... 17LASCR (LIGHT ACTIVATED SCR)................................................................................ 17DIODO EMISSOR OU LED DE INFRA-VERMELHO................................................. 18FOTO-ACOPLADOR......................................................................................................... 18FOTO-DIAC E FOTO-TRIAC........................................................................................... 19CHAVES ÓPTICAS............................................................................................................ 20

CAPÍTULO 2APLICAÇÕES CLÁSSICAS .........................................................................................21

FOCO AUTOMÁTICO EM VIDEO-CÂMERAS............................................................ 21SERVOMECANISMO DE VIDEO-CASSETE................................................................ 22UNIDADE ÓPTICA DE COMPACT DISC PLAYER..................................................... 24

CAPÍTULO 3PROJETOS PARA MONTAGEM ................................................................................26

PROJETO 1: FOTO-SENSOR DE SOMBRA.................................................................. 26PROJETO 2: DESPERTADOR SOLAR........................................................................... 28PROJETO 3: PROVADOR DE TRANSISTORES, DIODOS E LEDS.......................... 30PROJETO 4: ALERTA - LUZ DE SEGURANÇA........................................................... 33PROJETO 5: FOTO-ESTIMULADOR DE RELAXAMENTO...................................... 35PROJETO 6: ALARME POR INFRA-VERMELHO....................................................... 38PROJETO 7: SIMULADOR DE PRESENÇA PROGRAMÁVEL................................. 47

CAPÍTULO 4FONTES DE ALIMENTAÇÃO ....................................................................................54

4 OPTOELETRÔNICA. TEORIA E PRÁTICA.

OPTOELETRÔNICA. TEORIA E PRÁTICA. 5

INTRODUÇÃO

Os fenômenos luminosos são de grande importância na história da Física. Na tentativa de entendê-los e explicá-los, os físicos desenvolveram diversas teorias, algumas muito poderosas, como oEletromagnetismo e a Teoria Quântica.

Há muito tempo, os homens aceitaram em comum acordo uma explicação muito simples do queseria responsável fisicamente pela nossa visão dos objetos: vemos os objetos por existir algo, denominadoluz, que vem da superfície desses objetos até nossos olhos.

A partir daí, as dificuldades se tornavam maiores: como explicar esse algo denominado luz?Na procura de uma explicação física, surgiram vários modelos propostos para a luz, como os

modelos ondulatório, corpuscular e quântico. À medida que o homem passou a conhecê-la melhor, esseconhecimento, aliado à evolução tecnológica, originou novas aplicações para a luz e seus fenômenos,levando à idealização e desenvolvimento de muitos dispositivos ópticos e optoeletrônicos.

Neste livro, nosso objetivo não é analisar minuciosamente características ou propriedades da luz,e sim oferecer ao leitor condições para entender o funcionamento de dispositivos e circuitos eletrônicos quese utilizam dela.

Estudaremos os componentes eletrônicos que operam recebendo e emitindo luz, e utilizaremosalguns dos mesmos em projetos práticos, com aplicações bem definidas e interessantes ao leitor-estudante.

Naturalmente, alguns dispositivos são viáveis apenas para uso em equipamentos de porte ouprofissionais. Dessa forma, aplicaremos nos projetos somente os disponíveis no mercado tradicional decomponentes eletrônicos e que tenham custo accessível.

Por se tratar de um tema específico da eletrônica, não incluimos no conteúdo deste livro conceitose explanações referentes à eletrônica básica, embora o devido cuidado na elaboração do texto e ilustraçõestenha sido tomado, objetivando facilitar a compreensão e o aprendizado mesmo dos leitores iniciantes naeletrônica.

Aldo Lopes


CAPÍTULO 1: DISPOSITIVOS ECOMPONENTES OPTOELETRÔNICOS

A LUZ

Na maioria dos ramos da eletrônica, as ondas de radio-frequência (RF) têm como principalreferência sua frequência, em hertz (Hz), ficando os correspondentes período (T) e comprimento de onda(λ) apenas subentendidos. Raramente ouvimos alguém dizer: “essa senóide é de 10 ms”. O comum édizermos: “essa senóide é de 100 Hz”, referindo-se à sua frequência, e não ao seu período, ou muitomenos ao seu comprimento de onda.

Embora a luz também seja uma irradiação eletromagnética, havendo uma frequência para cadacor, sua principal referência é o seu comprimento de onda, e não a sua frequência ou o seu período.

As irradiações do grupoóptico são ondaseletromagnéticas compreendidasna faixa de comprimento de ondaque vai de 10 nm a 106 nm(=1mm), onde a unidade nano-metro (nm) é um sub-múltiplo dometro, e 1 nm equivale a 10-9m.

A figura 1 mostra oespectro de frequências, incluindoa faixa correspondente à luz. Paraser cientificamente correto, a palavra “luz” somente deveria ser utilizada para referir-se à faixa decomprimentos de ondas visíveis pelo olho humano. No entanto, por apresentar as mesmas propriedadesda luz visível, as irradiações imediatamente anterior e imediatamente posterior a ela, geralmente tambémsão tratadas pelo mesmo nome: luz.

O comprimento de onda caracteriza a cor da luz. De 10 nm a 1 mm, são visíveis pelo olho humanoapenas os comprimentos de onda entre cerca de 400 nm (violeta) e 700 nm (roxo).

A tabela 1 mostra a distribuição da irradiação óptica na faixa de 100 nm a 1 mm de comprimentode onda.

De 100 nm a 380 nm situa-se a irradiação ultra-violeta (UV),subdividida em 3 faixas: UV-C, UV-B e UV-A. De 380 nm a 750 nmtemos a faixa de irradiação visível(luz). E, no final da faixa deirradiação óptica, temos o infra-vermelho (IR - Infra-Red), tambémsubdividindo-se em três: IR-A, IR-Be IR-C.

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TABELA 1COMPRIMENTO

DE ONDAIRRADIAÇÃO

ÓPTICA

100 nm - 280 nm UV-C280 nm - 315 nm UV-B315 nm - 380 nm UV-A380 nm - 440 nm luz violeta440 nm - 495 nm luz azul495 nm - 580 nm luz verde580 nm - 640 nm luz amarela640 nm - 750 nm luz vermelha

750 nm - 1400 nm IR-A1,4 um - 3 um IR-B

3 um - 1000 um IR-C

UV - Ultra-violetaIR - Infra-vermelho


APLICAÇÕES DOS OPTOELETRÔNICOS

Os componentes optoeletrônicos são utilizados em muitos ramos da indústria, e estão presentesem muitos equipamentos de uso doméstico. São utilizados em máquinas de controle e processamento dedados, na indústria automobilísticas e seus automóveis, em máquinas fotográficas, em equipamentos degravação e reprodução de som, em microcomputadores, enfim, em uma infinidade de equipamentos eprodutos eletro-eletrônicos, seja de uso profissional ou doméstico.

Conforme a aplicação dos dispositivos optoeletrônicos, podemos incluí-los em um ou mais dosseis grupos principais:

1. Dispositivos de medição, monitoração, controle e teste de fontes de luz2. Dispositivos de irradiação sem modulação3. Dispositivos de irradiação modulada4. Dispositivos para displays alfanuméricos5. Dispositivos para gravação e transmissão de imagens6. Dispositivos para reprodução de imagens

No grupo 1, entende-secomo fontes de luz aquelas queirradiam ondas eletromagnéticaspredominantemente na faixaespectral visível, incluindo-se aluz natural (do sol), luzesartificiais (de lâmpadas) e a luzproveniente das chamas.

Como alguns exemplosde equipamentos e aplicaçõesutilizando dispositivos dessegrupo temos: fotômetros, quesão medidores de intensidadeluminosa muito utilizados emestúdios de fotografia e detelevisão, medidores dedensidade de poeira emambientes industriais controlados, circuitos de monitoração de iluminação ambiente para controleautomático de brilho em televisores ou para o acionamento automático de lâmpadas em vitrines de lojasou iluminação pública, etc. Esses dispositivos, em suas aplicações, têm uma de suas propriedadesvariando conforme a intensidade da luz que o atinge, sendo essa variação interpretada por um circuito demedição ou por outros dispositivos e circuitos de controle (figura 2).

Nos equipamentos e sistemas que utilizam dispositivos do grupo 2, a luz não-direcional de umemissor é convertida em feixes paralelos, sendo direcionada a um receptor, que é um transdutor foto-

elétrico (figura 3).O transdutor-receptor

converte a luz incidente em um sinal DC,que é processado por um circuitoeletrônico.

Esses circuitos sãoutilizados como sensores de presençaem esteiras industriais, medidores derotação (rpm) de máquinas e motores,contadores de peças, detetores de

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passagem para amonitoração de ambientes,sensores de mecanismosde video-cassettes emecanismos de outrosaparelhos servo-controlados, alarmesutilizando barreiras infra-vermelhas, entre muitasoutras aplicações.

O grupo 3 englobaas aplicações do grupo 2,no entanto, o emissor enviauma luz modulada, que éconvertida pelo receptor em um sinal AC (figura 4). O amplificador de AC torna o circuito mais sensível eseletivo, além de garantir melhor estabilidade térmica do que o circuito que atua com DC.

Além das aplicações do grupo 2, o artifício de modulação acrescenta outras, como gravação ereprodução por sistema óptico (laser discs), transmissão e recepção de sinais de telefonia e decomputadores (fibra ótica), controles remotos de equipamentos domésticos e portas de garagem, linkóptico, etc.

Os componentes de sinalização, como displays, LEDs, lâmpadas e tubos de imagem, participamdo grupo 4. São utilizados em equipamentos e produtos diversos, em geral com a função de facilitar aoperação ou sinalizar problemas funcionais, fazendo a “tradução” da “linguagem” da máquina para ousuário, ou seja, através desses dispositivos a máquina pode passar de forma intelegível uma informaçãopara o usuário, “conversando” com ele.

Já no grupo 5, estão incluidos os tubos de captação de imagens das câmeras captadoras e/ougravadoras, utilizadas tanto profissionalmente, em sistemas de segurança (circuito fechado de TV), nagravação ou transmissão de imagens para a televisão, etc, como para o entretenimento, a exemplo dascâmeras de uso pessoal (domésticas). Outros dispositivos que fazem parte desse grupo são: a cabeçaóptica de leitura do FAX e o sensor de imagem de estado sólido (CCD). O CCD praticamente já substituiuos tubos de captação das câmeras e ultimamente vem tomando o lugar das cabeças de leitura no FAX.

Finalmente, fazem parte do grupo 6 os dispositivos para a reprodução de imagens, principalmenteo tubo de imagem dos televisores, além dos tubos utilizados em radares e osciloscópios, incluindo aindaos mostradores fluorescentes a vácuo e de cristal líquido.

LÂMPADA INCANDESCENTE

A lâmpada incandescente, há algum tempo, era o componente mais utilizado para sinalizações,principalmente em painéis de instrumentos e equipamentoseletro-eletrônicos. Consiste de um filamento, normalmente detungstênio, envolvido por um bulbo de vidro que pode terdiversos formatos, no interior do qual é feito vácuo ou incluídoum gás inerte (figura 5).

O oxigênio não pode estar presente no interior do bulbopara que a combustão não ocorra, já que o fogo só é possívelna presença do mesmo.

Quando a corrente elétrica percorre o filamento, eleaquece ao ponto de emitir uma luz intensa. A temperatura dotungstênio fica na faixa de 2200K a 3000K. Como seu ponto defusão é altíssimo, ficando em torno de 3600K, ele pode ser

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aquecido a elevadas temperaturas sem se romper. Nota: A letra K é o símbolo correspondente à unidadede medida de temperatura absoluta, o kelvin, que tem origem no zero absoluto (temperatura em que asmoléculas ficam em repouso - sem agitação), correspondendo a -273 graus Celsius.

A lâmpada de filamento tem um coeficiente de temperatura positivo, como um PTC, ou seja,medida a frio sua resistência é muito menor do que após o aquecimento do filamento.

Atualmente, outros dispositivos substituem as lâmpadas na tarefa de sinalização e comunicaçãovisual, servindo como exemplo os LEDs e os displays (de LEDs, fluorescentes a vácuo ou de cristallíquido), sendo muitas vezes mais econômicos, tanto na construção como no tocante ao consumo deenergia elétrica.

LED - DIODO EMISSOR DE LUZ

O LED (light emitter diode - diodo emissor de luz), como o próprio nome já diz, é um diodo (junçãoP-N) que quando energizado emite luz visível. A luz é monocromática e é produzida pelas interaçõesenergéticas do elétron. O processo de emissão de luz pela aplicação de uma fonte elétrica de energia échamado eletroluminescência.

Em qualquer junção P-N polarizada diretamente, dentro da estrutura, próximo à junção, ocorremrecombinações de lacunas e elétrons.

Essa recombinação exige que a energia possuida por esse elétron, que até então era livre, sejaliberada, o que ocorre na forma de calor ou fótons de luz.

No silício e no germânio, que são básicos nos diodos e transistores, entre outros componenteseletrônicos, a maior parte da energia é liberada na forma de calor, sendo insignificante a luz emitida, e os

componentes que trabalham com maior capacidade decorrente chegam a precisar de irradiadores de calor(dissipadores) para ajudar na manutenção dessatemperatura em um patamar tolerável.

Já em outros materiais, como o arsenietode gálio (GaAs) ou o fosfeto de gálio (GaP), o númerode fótons de luz emitido é suficiente para constituirfontes de luz bastante visíveis.

A figura 6 apresenta de forma simplificadauma junção P-N de um LED e demonstra seu processode eletroluminescência.

O material dopante de uma área dosemicondutor contém átomos com um elétron a menosna banda de valência em relação ao materialsemicondutor.

Na ligação, os íons desse material dopante(íons aceitadores) removem elétrons de valência do semicondutor, deixando lacunas, portanto, osemicondutor torna-se do tipo P.

Na outra área do semicondutor, o material dopante contém átomos com um elétron a mais do que osemicondutor puro em sua faixa de valência.

Portanto, na ligação esse elétron fica disponível sob a forma de elétron livre, formando osemicondutor do tio N.

Na região de contato das duas áreas, elétrons e lacunas se recombinam, criando uma finacamada isenta de portadores de carga, a chamada barreira de potencial, onde temos apenas os íonsdoadores da região N e os íons aceitadores da região P, que por não apresentarem portadores de cargaisolam as demais lacunas do material P dos outros elétrons livres do material N.

Um elétron livre ou uma lacuna só pode atravessar a barreira de potencial mediante a aplicaçãode energia externa (polarização direta da junção).

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Aqui é preciso ressaltar um fato físico dosemicondutor: nesses materiais, os elétrons só podemassumir determinados níveis de energia (níveisdiscretizados), sendo as bandas de valência e decondução as de maiores níveis energéticos para oselétrons ocuparem.

A região compreendida entre o topo da devalência e a parte inferior da de condução é a chamadabanda proibida.

Se o material semicondutor for puro, nãoterá elétrons nessa banda (daí ser chamada “proibida”).

Como mostra a figura 7, a recombinaçãoentre elétrons e lacunas, que ocorre depois de vencidaa barreira de potencial, pode acontecer na banda devalência ou na proibida.

A possibilidade dessa recombinação ocorrer na banda proibida se deve à criação de estadoseletrônicos de energia nessa área pela introdução de outras impurezas no material.

Como a recombinação ocorre mais facilmente no nível de energia mais próximo da banda decondução, pode-se escolheradequadamente as impurezas para aconfecção dos LEDs, de modo aexibirem bandas adequadas para aemissão da cor de luz desejada(comprimento de onda específico).

A luz emitida émonocromática, sendo a cor,portanto, dependente do cristal e daimpureza de dopagem com que ocomponente é fabricado.

O LED que utiliza o arsenietode gálio emite radiações infra-vermelhas. Dopando-se com fósforo, a emissão pode ser vermelha ou amarela, de acordo com aconcentração. Utilizando-se fosfeto de gálio com dopagem de nitrogênio, a luz emitida pode ser verde ouamarela.

Na figura 8, encontra-se o aspecto físico de alguns LEDs e o seu símbolo elétrico.Em geral, os LEDs operam com nível de tensão de 1,6 a 3,3V, sendo compatíveis com os circuitos

de estado sólido.A potência necessária está na faixa típica

de 10 a 150 mW, com um tempo de vida útil de100.000 ou mais horas.

Como o LED é um dispositivo de junção P-N, sua característica de polarização direta ésemelhante à de um diodo semicondutor (figura9).

Sendo polarizado, a maioria dosfabricantes adota um código de identificaçãopara a determinação externa dos terminais A(anodo) e K (catodo) dos LEDs.

Nos LEDs redondos, duas codificaçõessão comuns: identifica-se o terminal K comosendo aquele junto a um pequeno chanfro na

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lateral da base circular do seu invólucro (“corpo”), oupor ser o terminal mais curto dos dois. Existemfabricantes que adotam simultaneamente as duasformas de identificação.

Nos LEDs retangulares, alguns fabricantesmarcam o terminal K com um pequeno alargamentodo terminal junto à base do componente, ou entãodeixam esse terminal mais curto.

Essas identificações são notadas na figura10.

Mas, pode acontecer do componente nãotrazer qualquer referência externa de identificaçãodos terminais.

Nesse caso, se o invólucro for semi-transparente, pode-se identificar o catodo (K) como sendo oterminal que contém o eletrodo interno mais largo do que o eletrodo dooutro terminal (anodo). Além de mais largo, às vezes o catodo é mais baixodo que o anodo (figura 11).

Os diodos emissores de luz são empregados também naconstrução dos displays alfa-numéricos (figura 12).

Há também LEDs bicolores, quesão constituidos por duas junções demateriais diferentes em um mesmoinvólucro, de modo que uma inversão napolarização muda a cor da luz emitida deverde para vermelho, e vice-versa.

Existem ainda LEDs bicolores com três terminais, sendo um paraacionar a junção dopada com material para produzir luz verde, outro paraacionar a junção dopada com material para gerar a luz vermelha, e oterceiro comum às duas junções. O terminal comum pode corresponder àinterligação dos anodos das junções (LEDs bicolores em anodo comum) ou dos seus catodos (LEDsbicolores em catodo comum).

Embora normalmente seja tratado por LED bicolor (vermelho+verde), esse tipo de LED é narealidade um tricolor, já que além das duas cores independentes, cada qual gerada em uma junção, essasduas junções podem ser simultaneamente polarizadas, resultando na emissão de luz alaranjada.

Geralmente, os LEDs são utilizados em substituição às lâmpadas de sinalização ou lâmpadaspilotos nos painéis dos instrumentos e aparelhos diversos. Para fixação nesses painéis, é comum o usode suportes plásticos com rosca.

LIMITAÇÕES DE UM LED

Como o diodo, o LED não pode receber tensão diretamente entre seus terminais, uma vez que acorrente deve ser limitada para que a junção não seja danificada.

Assim, o uso de um resistor limitador em série com o LED é comum nos circuitos que o utilizam.Tipicamente, os LEDs grandes (de aproximadamente 5 mm de diâmetro, quando redondos)

trabalham com correntes da ordem de 12 a 20 mA e os pequenos (com aproximadamente 3 mm dediâmetro) operam com a metade desse valor (de 6 a 10 mA).

Vamos dimensionar o resistor limitador de corrente para “acender” dois LEDs, um grande e umpequeno, com uma fonte de 12V, como mostra a figura 13.

Independentemente do LED, note que a tensão sobre ele é da ordem de 2V, conforme a curvacaracterística da figura 9.

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Assim:

R1 = 12 - 2 R2 = 12 - 2 I1 I2

Adotamos I1=15 mA e I2=8mA:

R1 = 12 - 2 = 10 = 680*0 ,015 0,015

R2 = 12 - 2 = 10 = 1k2*0,008 0,008

* aproximamos os resultados para os valores comerciais mais próximos.

Os LEDs não suportam tensão reversa (Vr)de valor significativo, podendo danificarem-se comapenas 5V de tensão nesse sentido. Por isso,quando alimentado por tensão C.A., o LED costumaser acompanhado de um diodo retificador em anti-paralelo (figura 14), com a finalidade de conduzir ossemi-ciclos nos quais ele - LED - fica no corte,limitando essa tensão reversa em torno de 0,7V(tensão direta máxima do diodo), ou seja, em umvalor suficientemente baixo para que sua junção nãose danifique.

DISPLAY FLUORESCENTE A VÁCUO

O mais popular tipo de display é o formado por diodos emissores de luz (LEDs) - veja a figura 12.Além da vantagem do custo relativamente baixo, o display de LEDs oferece alta confiabilidade e vidalonga, sendo encontrados geralmente em quatro cores: vermelho, amarelo, laranja e verde. O vermelhoé o mais econômico de se fabricar, e por isso é o mais comum no mercado.

Mas, desde o surgimento do video-cassete, outro tipo de mostrador que ganhou bastantepopularidade foi o display fluorescente a vácuo, também muito utilizado, ainda atualmente, em compactdisc players e outros equipamentos de áudio e vídeo.

Apesar de não ser tão recente, poucos sabem realmente como esse display funciona.

CONSTRUÇÃO E FUNCIONAMENTO

Na maneira como é construído e no princípio de funcionamento, o display fluorescente a vácuo émuito parecido com uma válvula triodo a vácuo. Cada segmento ou símbolo possui um catodo, o qual estáassociado a uma grade de controle (que tem a função de ativar e desativar o segmento) e é formado porum anodo revestido com fósforo. O anodo tem o exato formato do segmento, do “desenho” ou do pontoque será visível (figura 15).

O catodo aquecido, feito de um material especialmente selecionado, emite grandes quantidadesde elétrons, formando então uma nuvem de elétrons ao seu redor.

Uma grade metálica de controle é montada entre o catodo e o anodo. Quando essa grade estápolarizada negativamente, os elétrons emitidos pelo catodo são repelidos e forçados a permanecerem nas

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proximidades do catodo.Quando essa grade é

levada a um potencial positivo,ela atrai os elétrons do catodo.A maioria dos elétrons passapela grade e atinge o anodo,polarizado mais positivamente.

Como o anodo érevestido com fósforo, ao serbombardeado pelos elétrons eleemite luz. Essa é a razão deleser feito exatamente no formatodo segmento, do ponto ou do “desenho” que deve ser formado e visto pelo usuário.

O formato dos anodos emissores de luz depende da aplicação do display, ou seja, do aparelho noqual é empregado, e como alguns exemplos temos: os segmentos dos números do contador de fita erelógio, o desenho representativo de uma fita cassete para indicar a existência de fita no compartimento,os triângulos que indicam o sentido de movimento da fita nas funções PLAY, FF e REW, o símbolorepresentando um pequeno relógio para indicar a função TIMER ativa, além de palavras inteiras escritas,como REC, TIMER, REPEAT, AUTO TRACKING, PROGRAM, RANDON, entre outros símbolos ecaracteres.

Pelo princípio de funcionamento, a tensão exigida para o display fluorescente a vácuo é maior doque a necessária para o funcionamento dos displays de LEDs, situando-se por volta de 30 a 40V, além deexigir ainda uma tensão para a alimentação do filamento (cerca de 4 Vac).

Como a corrente exigida é baixa, seu consumo chega a ser metade do consumo dos displays deLEDs e, apesar disso, apresenta alta luminosidade.

Os circuitos que utilizam o display fluorescente a vácuo atuam sequencialmente, já que o displaygeralmente é do tipo multiplexado, ou seja, a cada terminal de segmento (a até k) corresponde mais deum símbolo. Os símbolos que devem ficar visualmente acesos são ativados apenas momentaneamente,numa operação de varredura controlada por um microprocessador.

Como nossa visão não é capaz de acompanhar essa varredura muito rápida, aquele símbolo,piscando em uma freqüência muito rápida, aparentemente nos parece continuamente aceso.

Para “acender” um símbolo do display, o micro leva a tensão da grade à qual ele está associadoa uma tensão positiva, acelerando os elétrons livres ao redor do catodo. O terminal do anodocorrespondente ao símbolo também é passado de tensão negativa para positiva, para poder atrair oselétrons que passaram pela grade.

Quando os elétrons atraídos se chocam com o anodo revestido com fósforo (materialfluorescente), esse eletrodo emite luz, ou seja, acende. Outros símbolos que também devem acender, esão controlados por essa grade, também terão o anodo polarizado com tensão positiva pelos pinos decontrole do micro, e os que precisam ficar apagados continuarão com tensão negativa.

A tensão negativa já vimos fica em torno de -30V e a tensão positiva geralmente é de 5V.

LDR - LIGHT DEPENDENT RESISTOR

Também chamado de célula foto-condutiva, ou aindade foto-resistência, o LDR é um dispositivo semicondutor dedois terminais, cuja resistência varia linearmente com aintensidade de luz incidente, obedecendo à equaçãoR=C.L.α, onde L é a luminosidade em Lux e C e α sãoconstantes dependentes do processo de fabricação e materialutilizado. A figura 16 mostra um LDR e o seu símbolo deidentificação mais comumente encontrado em esquemas ediagramas.

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Os materiais foto-condutivos mais frequentemente utilizados na sua construção são o sulfeto decádmio (CdS) e o seleneto de cádmio (CdSe).

CARACTERÍSTICAS, CONSTRUÇÃO E FUNCIONAMENTO

Conforme mencionamos, os LDRs sofrem influência da luz incidente, aumentando suacondutividade quando exposto a essa radiação eletromagnética.

O comprimento de onda (λ) da luz incidente sobre o LDRtem influência sobre sua resistência - é a chamada RespostaEspectral. Os LDRs são como o olho humano, não apresentam amesma sensibilidade para as mesmas cores de luz. Na figura 17temos o traçado gráfico relacionando a sensibilidade de um LDRem função do comprimento de onda da radiação eletromagnéticaincidente, comparando-a com a sensibilidade do olho humano.

O pico de sensibilidade do LDR ocorre aproximadamenteem 5100 ângstron. Nessa faixa de comprimento de onda, a luz évermelha-alaranjada.

Através desse gráfico, notamos ainda que o LDR é maissensível do que o olho humano, cobrindo uma faixa maior decomprimentos de onda, chegando a ser sensibilizado mesmo peloinfra-vermelho, o que sugere algumas aplicações interessantespara esse componente.

A variação da resistência de um LDR em função de umavariação de iluminação não se dá instantaneamente. Se ocomponente for deslocado de uma região de iluminação para uma

região de escuro total, sua resistência nãoaumentará instantaneamente, apresentando umaresposta, na prática, em torno de 200k ohms/s(figura 18).

Isso significa que, estando iluminado demodo a apresentar uma resistência de 1000 ohms(1k), cortando-se essa luz o LDR demora cerca de5 segundos para atingir a resistência de 1M ohms.

Passando o LDR do escuro total para umaregião de certa iluminação, verifica-se umavariação de resistência mais rápida, decrescendocom grande velocidade (cerca de 10 ms parapassar de 1M ohms para 1000 ohms).

Em geral, o tempo de resposta dos LDRsde CdSe é cerca de dez vezes menor que o tempode resposta dos LDRs de CdS.

A resistência máxima (no escuro) de umLDR deve ficar entre 1M ohms e 10M ohms,

dependendo do tipo, e a resistência sob iluminação ambiente tipicamente fica entre 75 e 500 ohms.O gráfico da figura 19 demonstra o comportamento de um LDR de 1 cm em função da intensidade

de luz que o atinge (em lux - lx).Uma forma simples de se verificar essa característica dos LDRs é utilizar um multímetro em

escala de resistência (Rx100). Com o LDR iluminado, o multímetro deve indicar a resistência mínima(figura 20). Cobrindo-se o LDR, de modo que nenhuma luz o atinja, sua resistência deve ser máxima (senecessário, utilize a escala Rx1000 para notar essa variação).

O processo de construção de um LDR consiste na conexão do material foto-sensível com os

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terminais, sendo que uma fina camada ésimplesmente exposta à incidência luminosa externa.

Conforme aumenta a intensidade de luzincidente no LDR, um número maior de elétrons naestrutura tem também seu nível de energiaaumentado, devido à aquisição da energia entreguepelos fótons. O resultado é o aumento de elétronslivres e elétrons fracamente presos ao núcleo.Consequentemente, ocorre uma diminuição daresistência.

Uma característica importante do LDR é ofato da variação de sua resistência frente a umavariação de iluminação independer do sentido depercurso da corrente que por ele circula. Por isso, éperfeitamente possível o seu emprego em correntealternada.

Existem LDRs para potências altas etensões de trabalho tão elevadas que podemosinclusive utilizá-los diretamente com a tensão darede AC.

Por ser um elemento semicondutor, o LDRsofre também influência da temperatura, sendosua resistência decrescente com a elevação damesma.

Os LDRS mais comuns são os de 1 cm e2,5 cm de diâmetro, diferenciando-seprincipalmente pela sua capacidade de corrente,já que o LDR com uma superfície maior, além deapresentar maior sensibilidade também apresentauma maior capacidade de dissipar calor,conseguindo controlar correntes mais intensas.

Um LDR de 2,5 cm, por exemplo, podecontrolar diretamente a corrente da bobina de umrelé sensível, e até mesmo lâmpadas de baixa potência (figura 21).

CONEXÕES FUNDAMENTAIS DE LDRS

Os LDRs raramente são encontrados nos circuitos em configurações que não formem um divisorde tensão. Na maioria deles, o LDR é participante de um dos ramos do divisor de tensão, seja no ramopositivo ou no negativo.

Dessa forma, toda vez que houver uma variação da resistência do LDR, seguindo uma variaçãona intensidade de sua iluminação, o divisor de tensão também sofrerá variação de tensão em seus ramos,de forma proporcional.

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Se o LDR estiver no ramo positivo dodivisor (figura 22), o aumento da intensidade deiluminação será responsável pelo aumento datensão de saída desse divisor, devido à reduçãoda resistência do LDR.

Se o LDR estiver no ramo negativo dodivisor (figura 23), o aumento da intensidade deiluminação será responsável agora pelaredução da tensão de saída desse divisor,também em função da redução da resistênciado LDR.

Analogamente, as variações de tensão seprocessam de forma inversa, em ambos oscasos, quando o LDR sofre uma redução na suailuminação.

O divisor de tensão pode ainda sercomposto exclusivamente por dois LDRs (figura24), formando então uma conexão diferencial,visto que o potencial de saída do divisor éproporcional à diferença na intensidade deiluminação de ambos.

Se o LDR do ramo positivo estiver mais intensamente iluminado que o LDR do ramo negativo, opotencial de saída será maior que U/2. Em situação contrária, esse potencial será menor que U/2. Com amesma iluminação, seja ela forte oufraca, esse potencial teoricamentedeve ser de U/2.

FOTO-DIODO

O foto-diodo é um diodo dejunção construido de forma especial,de modo a possibilitar a utilização daluz como fator determinante nocontrole da corrente elétrica.

A figura 25 mostra o símbolo e o detalhe da polarização reversa com a qual funciona essecomponente.

Quando a junção é inversamente polarizada, na ausência de luz incidente na mesma, a correnteé praticamente nula.

O número de portadores dessa junção, e com ele a corrente elétrica, aumenta com o aumento daintensidade luminosa no cristal.

O funcionamento do foto-diodo baseia-seno fato de que os fótons que se chocam com a junçãoproduzem pares de elétron-lacuna, por cederem suaenergia, facilitando a corrente elétrica.

O feixe de luz incidente na junção temefeito semelhante ao da corrente de base em umtransistor convencional, portanto, a curvacaracterísitica I x V de um foto-diodo é semelhante à deum transistor convencional, porém, em vez da famíliade curvas de corrente de base, temos traçada a de

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intensidade luminosa na junção (figura 26).Quando a luz incide exatamente na junção, a

resposta do foto-diodo é maior, reduzindo-serapidamente de cada lado da junção, à medida que seafasta dela.

Os foto-diodos respondem muito rapidamenteàs variações de luz. Respostas a centenas demegahertz são possíveis, possibilitando as maisdiversas aplicações para esse componente. Verifica-sea aplicação de foto-diodos nos foto-acopladores,circuitos digitais, controles remotos, etc. A limitação ficapor conta da corrente de saturação inversa, que nãopassa de algumas centenas de microampères. O nívelde corrente gerado em função da incidência de luz sobreum foto-diodo é insuficiente para um controle direto, enas suas aplicações geralmente é exigido um estágio deamplificação.

FOTO-TRANSISTOR

O foto-transistor, como um transistor convencional, é uma combinação de dois diodos de junção,no entanto, associa ao efeito transistor o efeito foto-elétrico.

Em geral, possui apenas dois terminais acessíveis (coletor e emissor), no entanto, algunsincorporam o terminal de base para uma eventual polarização ou controle elétrico.

Seu funcionamento é idêntico ao do foto-diodo, exceto que o foto-transistor é muito mais sensível,devido à ação amplificadora do efeito transistor,uma vez que a corrente produzida pelo efeitofoto-elétrico na base é amplificada beta vezes,originando a corrente de coletor.

Em contravantagem, apresentauma resposta mais lenta.

Mecanicamente, sua construçãoenfoca a luz incidente sobre uma ou ambas asjunções. Para isso, seu invólucro é transparente.

Em transistores convencionais, oinvólucro é opaco, a fim de evitar a influência daluz sobre seu comportamento. Se retirarmos oinvólucro de um transistor comum, ele irá secomportar como um foto-transistor, no entanto, a

falta de proteção da junção causará sua rápida deterioração.A figura 27 mostra a simbologia e a curva característica de um foto-transistor NPN.Quando não está exposto à luz, um foto-transistor se comporta exatamente como um transistor

convencional, podendo então ser testado da mesma forma.As aplicações dos foto-transistores são diversas e, mais à frente, exemplificaremos algumas.

LASCR (LIGHT ACTIVATED SCR)

Também chamado de fototiristor, o LASCR, como o próprio nome já diz, é um SCR que tem seusestados de condução e bloqueio dependentes da luz sobre ele incidente. A figura 28 mostra a constituição

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básica de um LASCR, juntamente com o seusímbolo mais usual.

Por ser construido a partir de umapastilha semicondutora, o LASCR sofre tambéminfluência da temperatura, sendo que quantomais elevada mais facilmente ocorre o seudisparo, havendo uma exigência de intensidadeluminosa menor.

A figura 29 mostra o gráfico dailuminação efetiva em função da temperatura,onde a área hachurada corresponde à deoperação para que seja possível o disparo doLASCR.

Se o ponto de operação estiver dentro dessa área, oLASCR entrará em funcionamento, conduzindo, caso contrário, oLASCR não conduzirá.

Do mesmo modo que o SCR de comutação, em correntealternada o LASCR é bloqueado nos semi-ciclos negativos.

Em corrente contínua, o LASCR é disparado ao receber oprimeiro impulso luminoso, devendo sua condução ser cortadaatravés de meios especiais, assim como acontece com o SCR decomutação elétrica.

CONEXÃO FUNDAMENTAL DE LASCRS

A única diferença entre o SCR e o LASCR é o fato dosegundo ter seu funcionamento dependente do efeito da luz, portanto, sua conexão é idêntica à do SCRde comutação, sendo a mais típica demonstrada na figura 30.

DIODO EMISSOR OU LEDDE INFRA-VERMELHO

Os diodos emissores de infra-vermelhosão junções p-n de arsenieto de gálio fosfórico(GaAsP) de estado sólido, que emitem um feixe defluxo radiante quando diretamente polarizadas.

O diodo emissor de infra-vermelho nadamais é que um LED, e tal como esse, emite luzquando diretamente polarizado.

A diferença é o fato do LED de infra-vermelho emitir uma onda eletromagnética comcomprimento de onda maior, e portanto frequência

menor, que o da luz vermelha (primeira no espectro visível).Por ter frequência imediatamente inferior à da luz vermelha, essa irradiação recebe o nome de

infra-vermelho, e o componente é chamado de LED de infra-vermelho.

FOTO-ACOPLADOR

A combinação de uma fonte de luz (geralmente um LED de infra-vermelho) com um elemento foto-sensível (usualmente um foto-transistor) em um invólucro comum a ambos, forma um acoplador óptico ou

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foto-acoplador, como é mais conhecido, ouainda isolador óptico.

Esse dispositivo serve para aseparação elétrica entre redes de circuitos,mantendo entre eles uma interligaçãoapenas óptica.

Um exemplo de aplicação deacopladores ópticos é o controle de motoresou outras cargas AC. Como uma indução ACem um circuito lógico pode ocasionar umasérie de problemas, o motor e o circuitológico de controle devem estar eletricamenteisolados. Microcomputadores também atuamem circuitos analógicos, sobretudo de

potência, através de circuitos de interface com acopladores ópticos.Além do foto-transistor, outros foto-receptores são utilizados no acoplador óptico, como o foto-

diodo, o foto-darlington, o foto-triac e o LASCR (Light Activated SCR)A figura 31 mostra os símbolos para esses tipos de foto-acopladores.A transmissão de sinal entre o emissor e o receptor é feita por um caminho óptico interno.O foto-acoplador da figura 31a utiliza um LED de infra-vermelho como emissor e um foto-diodo

como receptor. Os foto-diodos possuem velocidede de resposta elevada, sendo os acopladores ópticosnele baseados ideais para a transmissão de dados em alta velocidade. No entanto, a baixa sensibilidadedos foto-diodos exige uma grande amplificação dos sinais obtidos na saída dos foto-acopladores dessetipo.

Os foto-acopladores com foto-transistor e foto-darlington operam com o mesmo princípio: a junçãocoletor-base do elemento receptor atua como um foto-diodo reversamente polarizado, controlando acondução do transistor. Quando a irradiação do emissor atinge a junção, a energia incidente gera paresde elétron-lacunas, possibilitando a corrente elétrica sobre ação do campo elétrico na região de depleção.

A maioria dos foto-acopladores utiliza um foto-transistor como receptor da luz irradiada peloelemento emissor pelo fato da boa sensibilidade do foto-transistor exigir pouca ou nenhuma amplificação,para a maioria das aplicações.

Quando o receptor é um foto-darlington (figura 31e), o ganho é ainda mais alto, facilitando aexcitação de dispositivos e circuitos que exijam maior corrente, no entanto, a velocidade de resposta éinferior à dos foto-transistores comuns. Foto-acopladores com foto-darlington são recomendados paraaplicações de baixa velocidade.

FOTO-DIAC E FOTO-TRIAC

O foto-diac (ou opto-diac) é um tipo de foto-acoplador utilizado como sensor-excitador de estágiosde potência, normalmente gatilhando um SCR ou TRIAC comum (figura 32).

Foto-acopladores que utilizam chave bilateral ativada por luz (foto-triac) como receptor sãoutilizados para gatilhar tiristores depotência (SCRs ou TRIACs) ou pararealizar um chaveamento AC de baixacorrente com alta isolação elétrica.

Os foto-acopladores comLASCRs (figura 33) possuemaplicações similares, sendo utilizadosquando se requer alta isolação elétricaentre um circuito de baixa tensão,

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como os que utilizam CIs, e a linha ACque alimenta o circuito controlado pelotiristor pertencente ao componente.

CHAVES ÓPTICAS

Semelhantes aos acopladoresópticos, as chaves ópticas também sãoformadas por um emissor de luz,usualmente um LED, e um receptor, que pode ser tanto um foto-transistor como um foto-diodo.

A diferença entre um acoplador e uma chave óptica é quena chave existe uma abertura, por onde pode passar um objeto queinterrompa a passagem de luz (figura 34).

Nas aplicações das chaves ópticas, o LED fica ativado,mantendo o foto-diodo na condução ou o foto-transistor na saturação.

Quando um objeto passa pela abertura existente na chave,a interrupção da luz do LED leva o foto-diodo ou foto-transistor aocorte, o que pode ser detectado por um circuito associado pararealizar certa operação, sendo muito comum aplicações comomonitoração do funcionamento de máquinas e contagem de rotaçõesde rodas dentadas ou perfuradas.

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CAPÍTULO 2: APLICAÇÕES CLÁSSICAS

No primeiro capítulo, exemplificamos diversas aplicações para os dispositivos optoeletrônicos,inclusive classificando-os segundo essas aplicações. Vamos demonstrar a seguir o princípio de atuaçãodesses componentes optoeletrônicos em sistemas eletro-mecânicos clássicos, onde a luz atua comoelemento de interface entre estágios elétrônicos e mecânicos, possibilitando o inter-relacionamento dosmesmos

FOCO AUTOMÁTICO EM VÍDEO-CÂMERAS

Um recurso muito importante em vídeo-câmeras é o foco automático, com o qual o usuário nãoprecisa se preocupar com a focalização da imagem que está gravando, conseguindo se concentrarmelhor no enquadramento e movimentação durante a gravação, mantendo a atenção na filmagem em si,termo esse que é popular mas tecnicamente inadequado, já que uma câmera não utiliza um filme, e simuma fita, que grava imagens, não as filma.

Todo o trabalho de correção da focalização, necessário conforme a dinâmica da cena, ou amudança de enquadramento, quando varia a distância entre a câmera e a imagem captada, fica por contade um circuito automático pertencente à própria video-câmera.

Vamos conhecer os princípios de funcionamento da focalização automática.

Princípio de Funcionamento

O sistema eletrônico de focalização automática de video-câmeras, funciona com os mesmosprincípios de um telêmetro de máquina fotográfica, como demonstra a figura 35.

Uma fonte geradora (LED) emite um feixe de luz infravermelha, que atinge o objeto ou pessoa a

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ser "filmada", refletindo-se nesse e voltando em direção à própria câmera, formando um triângulo.Como o objeto está distante da câmera, o vértice do triângulo nele formado tem um menor ângulo,

comparado aos outros dois, que se formam na própria câmera.Esse ângulo (abertura) altera-se conforme o objeto ou pessoa situa-se mais próximo ou mais

distante da câmera, de tal modo que resulta um menor ângulo quando a pessoa ou objeto encontra-semais afastado da câmera.

A luz infravermelha que retorna incide sobre dois fotodiodos (A e B). Quando a cena enquadradaestá devidamente focalizada, o sistema de lentes faz com que a luz que incide sobre os fotodiodos fiqueigualmente distribuida, com os dois foto-diodos recebendo a mesma quantidade de energia luminosa.

Nessa situação, o motor de foco não atua, mantendo o conjunto de lentes na posição em que seencontra.

Se ocorrer a desfocalização em função, por exemplo, de uma aproximação da câmera ao objetoou "corpo" enquadrado, esta condição de equilíbrio de iluminação dos fotodiodos é alterada, com o diodosensor (A) passando a receber menos luz do que o sensor (B), devido à alteração do ângulo no vértice dotriângulo sobre a lente receptora do sistema de focalização.

Como consequência, aparece na saída de um amplificador diferencial uma d.d.p. (tensão), quechega ao circuito driver do motor, acionando o mecanismo de foco para movimentar o conjunto de lentesno sentido de reestabelecer o equilíbrio, ou seja, o ponto ideal de focalização, quando então os fotodiodosvoltam a receber a mesma energia de luz infravermelha.

No caso da câmera ser distanciada do objeto ou "corpo" em cena, a alteração do ângulo resultaem maior iluminação infravermelha no fotodiodo (A), comparado ao (B), acionando o mecanismo de focono sentido oposto, novamente com o objetivo de reestabelecer a focalização ideal.

Conforme a disposição mecânica dos componentes que formam o sistema de focalizaçãoautomática, por semelhança de triângulos, pode-se estabelecer a seguinte relação (refere-se à figura ):Y/b = fab/c.

Sendo b e c fixos, em função do posicionamento do emissor de luz infravermelha e do detetor daluz refletida, para manter o equilíbrio na iluminação dos dois fotodiodos quando a distância Y muda, adistância fab deve acompanhar essa mudança, proporcionalmente, função essa que é desempenhadapelo servomecanismo de foco.

Com esse compromisso firmado, fica automaticamente garantida a focalização ideal da imagemsobre o sensor MOS (CCD).

A figura 36 demonstra em forma de diagrama em blocos os circuitos eletrônicos associados aoscomponentes mecânicos do sistema de focalização automática.

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SERVOMECANISMO DE VÍDEO-CASSETE

O microcontrolador de umvídeo-cassette monitora sensores deinício e fim de fita, e sensores queindicam a ocorrência de "problemas"funcionais. Esses sensores estãodistribuidos no mecanismo (figura37), protegendo a fita e o própriomecanismo quando ocorre algumaanormalidade no funcionamento dosistema, principalmente no transporteda fita.

Dentre os principais sensorestemos alguns utilizando o sistemaóptico, como o de rotação do carretelcaptador e os sensores de início e fimde fita. Vejamos como atuam oscomponentes optoeletrônicos nessasfunções:

a) Sensores do carretelcaptador : o sensor do carretelmonitora a rotação do mesmo e, alémdo sistema óptico, encontramostambém em alguns modeloscomerciais o sensor do tipomagnético, com transistor de efeitoHall, que não nosso objetivo analisar.Dentre os dois, o sensor óptico, comemissor/receptor de infra-vermelho,é o mais utilizado.

Nesse tipo de sensor, umdisco com áreas reflexivas e não-reflexivas intercaladas (figura 38) fazparte da base do disco do carretel. Aluz emitida por um LED infravermelhoincide na superfície do disco eretorna quando atinge as áreas reflexivas, gerando pulsos elétricos na saída do sensor (foto-transistor).

Quando a fita está em PLAY, REW (retrocesso) ouFF (avanço), se o período entre os pulsos aumentademasiadamente, ou esses pulsos ficam ausentes, omicro detecta que o carretel está "preso" ou parou, porum motivo qualquer. Para evitar que a fita se enrosque ouseja tracionada (esticada), partindo-se, o micro coloca ovídeo em STOP ou em POWER OFF (standby),dependendo do modelo.

Portanto, com o auxílio da optoeletrônica, omicrocontrolador (um sistema eletrônico), consegueinterpretar o funcionamento de um sistema mecânico,avaliando suas condições de operação.

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Nota: a maioria dos video-cassetes possui apenassensor em um dos carretéis (normalmente no captador), noentanto, modelos com conta-fita em tempo real e que indicamtempo remanescente de fita, possuem sensores nos doiscarretéis, utilizando os pulsos dos mesmos para "calcular" essetempo real ou remanescente.

b) Sensores de início e fim de fita: se uma fita fosserebobinada ou avançada até o final, a força excessiva resultantedo torque do carretel a esticaria a ponto de romper-se. Por isso,o micro faz com que o carretel pare de girar assim que a fitachegue na parte transparente, e dessa forma ela nunca éesticada violentamente, seja no avanço ou no retrocesso.

Para que o micro possa detectar essa partetransparente da fita, também utiliza-se um sistemaoptoeletrônico, com uma luz infra-vermelha sendo emitida através de um LED emissor duplo, montado emum pequeno "poste-suporte" localizado aproximadamente no centro do mecanismo. Dependendo doprojeto do fabricante, a luz infra-vermelha pode ser pulsada ou contínua.

Quando a fita é inserida no compartimento, um furo do cassette "cobre" esse poste, fazendo comque a luz infra-vermelha propague-se por um "duto" no seu interior (figura 39).

No mecanismo, próximo de cada extremidade da fita (direita e esquerda), encontra-se um foto-transistor. O duto interno do cassette termina em um furo em cada extremidade.

Quando a fita é rebobinada (REW), ao chegar no início, sua parte transparente permite apassagem da luz infra-vermelha pelo furo do lado direito (olhando o vídeo pela frente). Essa luz passa aatingir o foto-transistor localizado desse lado, que informa ao micro que a fita está para ser "forçada", jáque está chegando no seu início.

Resultado: o micro interrompe o rebobinamento, colocando o vídeo em STOP, não havendo assimo risco da fita partir-se por tensionamento excessivo.

Da mesma forma, no avanço (FF), quando a a fita chega na parte transparente (na outraextremidade), a luz infra-vermelha sai pelo furo do lado esquerdo (olhando o vídeo pela frente), atingindoo foto-transistor localizado desse lado, que também informa ao micro que a fita está chegando no seufinal. Agora, o micro interrompe o avanço, e novamente a fita não é "forçada".

Essa é mais uma clássica aplicação da optoeletrônica na interação entre um sistema eletrônico(microcontrolador e circuitos associados) e um sistema mecânico (mecanismo de transporte da fita).

UNIDADE ÓPTICA DE COMPACT DISC PLAYER

A optoeletrônica, além de interfacear sistemas eletro-mecânicos, facilitando a interação entreambos, oferce ainda uma característica até então inigualável: a precisão.

Utilizando um finíssimo feixe de luz laser, o sistema de leitura de um Compact Disc Player (CDP)é capaz de fazer a leitura das informações gravadas nas trilhas de um Compact Disc (CD), onde adistância entre duas trilhas sucessivas é de cerca de 1,6 micro-metro, o que equivale a 1,6 milésimo demilímetro (0,0016 mm).

Essa distância chega a ser mais de 60 vezes menor do que a existente entre dois sulcos de umLP convencional de vinil, que é de cerca de 100 micro-metro. Um fio de cabelo, caindo sobre o CD,encobriria cerca de 40 trilhas, e dentro de um sulco do LP de vinil caberiam cerca de 60 trilhas do CD.

Podemos portanto imaginar a precisão necessária ao leitor óptico e aos seus movimentos pararealizar corretamente a leitura das informações gravadas em um CD.

A figura 40 demonstra os componentes ópticos da unidade laser de um CDP, onde encontramoso diodo emissor laser, que gera o feixe de laser para ser focalizado na superfície do disco, e o conjuntode foto-diodos, responsáveis pela conversão da luz laser refletida no disco em informação elétrica para

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ser amplificada e processada pelos circuitoselétricos do CDP.

Essa unidade óptica é do tipo maismoderno, que gera três feixes para seremlevados ao disco: um principal com a funçãode focalização e leitura da informação dodisco, e dois auxiliares para garantirem ocorreto trilhamento (tracking) pelo feixeprincipal.

Como fisicamente temos apenas umdiodo laser, gerando portanto um único feixe,existe a grade de difração posicionada à suafrente para "originar" os dois feixesauxiliares de tracking.

Depois da grade, os feixes sãomantidos paralelos e direcionados pelaslentes colimadoras, chegando à superfíciedo disco através da lente objetiva. Adistância dessa lente à superfície do disco éresponsável pela focalização correta do feixe principal sobre a superfície do disco, formando um ponto defoco com cerca de 1 milímetro de diâmetro sobre a camada plástica protetora refratora.

O índice de refração dessa camada plástica do CD acaba por concentrar o feixe em um pontofocal com cerca de 1 micro-metro sobre a superfície metalizada do CD (figura 41).

Na volta, o feixe refletido passa pela lenteobjetiva e, no prisma, é desviado em direção aoconjunto de foto-diodos, dispostos de forma ainformarem ao sistema de servo-controleeletrônico as condições de foco e tracking, alémde servirem como transdutores para converter asinformações digitais contidas na variação deintensidade luminosa do laser em sinais elétricos.

Esse é apenas um exemplo clássico de umsistema optoeletrônico de precisão, dentre osmuitos existentes, principalmente naeletromedicina e na indústria.

Poderíamos analisar outros tantossistemas optoeletrônicos, mas vamos deixar porconta do leitor observar a tecnologia que ocerca, identificar e pesquisar sobre a interaçãoda optoeletrônica em seu dia-a-dia.

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CAPÍTULO 2: PROJETOS PARAMONTAGEM

PROJETO 1: FOTO-SENSOR DE SOMBRA

Um verdadeiro “olho eletrônico” capaz de “sentir” pequenas variações de intensidade luminosa.Eficiente na proteção de áreas proibidas ou objetos valiosos, avisando caso alguém se aproxime. Podefuncionar também como detetor de passagem, entre muitas outras aplicacões possíveis.

FUNCIONAMENTO

Nesse projeto, aplicamos o foto-transistor. O propósito do circuito (figura 42) é acionar um reléquando “sentir” uma reduçãoda luz que atinge o foto-transistor (Q1).

O relé será mantidoacionado por um tempodeterminado por C1, mesmoque a intensidade de luz inicialseja reestabelecida.

Para funcionarcorretamente, o circuito requerque o foto-transistor (sensor)esteja sempre iluminado,ainda que seja por pouca luz.Com a aproximação dealguém ou algo, ele deve seratingido por sua sombra, que provocará então o disparo.

Enquanto Q1 está iluminado, sua corrente de coletor é alta o bastante para levar Q2 à saturação.Q2 saturado desvia toda a corrente de base de Q3, mantendo-o no corte, o mesmo acontecendo

com Q4, ficando o relé desativado.Diminuindo a intensidade de luz em Q1, menor será a sua corrente de coletor o que fará com que

Q2 saia da saturação, permitindo que chegue corrente à base de Q3.Q3 conduzindo leva Q4 à saturação, acionando portanto o relé.Mesmo que se reestabeleça a intensidade de luz normal em Q1, o relé ainda permanecerá

acionado devido à carga armazenada em C1. Esse tempo de permanência será proporcional ao valor deC1.

MONTAGEM E AJUSTE

A figura 43 traz o lay-out da placa de circuito impresso para a montagem, incluindo o reléRUD101006, com bobina de 6V. Outros relés podem ser utillizados, no entanto, possivelmente não terãoseus pinos coincidindo com a furação dessa placa.

Para a aplicação como circuito de proteção, sugerimos o uso de um capacitor de 2200 uF x 16Vpara C1, resultando em cerca de 50 segundos de permanência do relé acionado.

Como detetor de passagem, por exemplo na entrada de uma loja, servindo de aviso à entrada

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de um cliente, um capacitor de 100 uF x16V resulta em cerca de 4 segundospara esse tempo.

O relé pode fechar o circuito deuma campainha comum, ou acionaroutro dispositivo de alerta qualquer,como por exemplo uma sirene.

Em VR1 ajusta-se o nível desombra que causará o disparo, na faixade quase “escuridão” total a umasimples penumbra, quaseimperceptível.

Para facilitar o ajuste, desligueum dos terminais de C1, eliminando atemporização.

LISTA DE MATERIAL

Semicondutores

Q1 - TIL78 - foto-transistorQ2- BC548 - transistor NPNQ3 e Q4 - BC337 - transistor NPND1 - 1N4148

Resistores (1/8W x 5%)

R1 - 1,8M ohms (marrom, cinza, verde)R2 - 1M (marrom, preto, verde)VR1 - 220k ohms - trim-pot horizontal miniR3 - 1k ohms (marrom, preto, vermelho)R4 - 56k ohms (verde, azul, laranja)R5 - 15k ohms (marrom, verde, laranja)

Capacitor

C1 - 100uF/16V ou 2200uF/16V (ver texto) - eletrolítico

Diversos

RL1 - RUD101006 - relé contato para 10A, bobina para 6VS1 - chave liga-desliga (1 pólo x 2 posições ou H-H mini)Fio, solda, placa de circuito impresso, etc.

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PROJETO 2: DESPERTADOR SOLAR

Para quem gosta de acordar com o sol nascendo, para aproveitar bem o dia, esse circuito geraum sinal contínuo de despertar quando “sente” que o sol está surgindo.

Utilizamos o LDR com uma função oposta à da montagem anterior. Enquanto no Foto-sensor deSombra o dispositivo optoeletrônico tinha a função de “avisar” a redução da luz, no Despertador Solar eledeve atuar de forma oposta, “avisando” que a intensidade de luz aumentou.

FUNCIONAMENTO

No esquema, visto nafigura 44, Q2 e Q3 formam umoscilador, entregando seu sinal aoalto-falante. A frequência pode serajustada em VR2.

Esse oscilador fica“travado” quando Q1 estásaturado.

Assim, quando ainda nãoamanheceu, o LDR está poucoiluminado, apresentando umaresistência alta, possibilitandoportanto a carga de C1 com umatensão suficiente para levar Q1 àsaturação.

O oscilador então ficainoperante, até que, amanhecendo, o LDR passa a ser iluminado mais intensamente, reduzindo suaresistência.

Com isso, C1 não consegue manter sua carga, o que faz com que Q1 corte.Q1 cortado, libera o oscilador, que emitirá o sinal (apito contínuo) no alto-falante.

MONTAGEM, INSTALAÇÃO E AJUSTE

A figura 45 traz o lay-out da placa decircuito impresso para a montagem.

O LDR deve ser instalado em local quereceba a claridade solar, mas deve ser protegidoda incidência direta dos raios solares, quepodem danificá-lo.

Para isso, ele pode ser montado nofundo de um tubinho plástico (cano de PVC outubinho preto de alojamento utilizado paraarmazenar filme fotográfico) com cerca de 5 cmde comprimento, fechado por um papeltranslúcido ou opaco, como o papel vegetal.

Em VR1 ajusta-se o “horário” dedespertar , ou seja, a intensidade de luz que farácom que o despertador dispare.

Ela deverá ser maior quanto menor for a resistência do trim-pot.

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LISTA DE MATERIAL

Semicondutores

Q1 e Q2 - BC337 - transistor NPNQ3 - BC327 - transistor PNPD1 - 1N4148 - diodo de uso geral

Resistores

R1 - 1k ohms (marrom, preto, vermelho)R2 - 150k ohms (marrom, verde, amarelo)R3 - 100k ohms (marrom, preto, amarelo)R4 - 4,7k ohms (amarelo, violeta, vermelho)VR1 - 1M ohms - trim-pot horizontal miniVR2 - 470k ohms - trim-pot horizontal mini

Capacitores

C1 - 10uF/16V - eletrolíticoC2 - 4,7 nF - cerâmico ou poliéster

Diversos

LDR1 - LDR comumS1 - chave liga/desliga ou H-H miniFte1 - alto-falante de 8 ohms x 2 polegadasFios, solda, bateria de 9V ou pilhas, clip para bateria ou suporte de pilhas, placa de circuito

impresso, tubinho plástico (ver texto), etc.


PROJETO 3: PROVADOR DE TRANSISTORES,DIODOS E LEDS

Nesse projeto, aplicamos o LED como sinalizador, em um pequeno instrumento que realiza deforma simples e direta os testes de transistores, indicando com precisão o seu tipo (NPN ou PNP), alémde informar o estado em que se encontram (bom, aberto ou em curto).

Testa diodos e LEDs, indicando seu estado (bom, aberto ou em curto) e identificando seusterminais (anodo e catodo). Ideal para quem não possui um multímetro ou um equipamento profissionalpara testes desses componentes ou verificação de continuidade.

FUNCIONAMENTO

O circuito (figura 46) é um multivibrador astável (oscilador), utilizando dois transistores (Q1 eQ2) que operam em estados opostos, ou seja, quando um está na saturação o outro está no corte, e vice-versa.

A partir dos potenciais dos coletores desses transistores é que se formam os terminais de testesdo instrumento.

Do coletor de Q1 é “puxado” o terminal E-K (E de Emissor - para transistor; K de Catodo - paradiodo e LED).

No coletor de Q2, dois LEDs, um vermelho (LD1) e outro verde (LD2), são ligados em paralelo,mas com polaridades opostas, e deles “sai” outro terminal de teste: C-A (C de Coletor - para transistor;A de Anodo - para diodo e LED). Ainda no coletor de Q2, está ligado o resistor R5, que tem o terminallivre marcado por B (de Base).

Para entender essas marcações, vamos exemplificar o uso das mesmas, começando pelo testede um diodo comum.

Para testar um diodo, devemos ligar o seu catodo com o terminal do instrumento marcado por Ke o seu anodo com o terminal do instrumento marcado por A.

Quando o coletor de Q2 estiver com potencial alto, o coletor de Q1 estará com 0V, portanto, nesseinstante teremos o diodo conduzindo, passando corrente elétrica pelo LED LD2 (verde), que irá acender.

Quando o oscilador inverter os potenciais nos transistores (coletor de Q2 com 0V e coletor de Q1com potencial alto), como o diodo ficará reversamente polarizado, não circulará corrente e nenhum dosLEDs acenderá.

Como a frequência do oscilador é alta, comparada à de resposta da nossa visão, iremos enxergaro LED LD2 permanentemente aceso, no entanto, na realidade ele estará “piscando” muito rapidamente,sem que no entanto percebamos.

Mas, se o diodo estiver em curto, não bloqueará a corrente do sentido inverso, e os dois LEDs irão

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acender, indicando a inutilidade do componente.Se nenhum dos LEDs acendesse, poderíamos concluir que o diodo estaria aberto, e também

inutilizado.Se apenas o LED vermelho acendesse, em vez do verde, concluiríamos que o diodo estaria ligado

com os terminais invertidos (anodo no terminal K e catodo no terminal A do provador).No teste de transistores, a única diferença é a inclusão de um terminal destinado à base, marcado

por B, para polarização do transistor em teste.Por exemplo, vamos analisar o teste de um determinado transistor do qual só se conhece a

identificação de seus terminais. Primeiramente um transistor PNP.Com o emissor ligado ao terminal E e o coletor ao terminal C de teste, assim que S1 for

pressionado, o LED LD1 acenderá, já que o transistor entrará em condução quando no oscilador opotencial do coletor de Q1 for alto e o do coletor de Q2 baixo. Assim, o LED LD1 (vermelho) indicará queo transistor é PNP.

Se o LED acender com pouco brilho ou não acender, o transistor estará com ganho baixo ouaberto.

Se os dois LEDs acenderem, o transistor estará em curto.Se for um transistor NPN, o LED LD2 é que deverá acender, indicando o bom estado do transistor

e o seu tipo.Do mesmo modo, pouco brilho ou LED apagado indica transistor com baixo ganho ou aberto, e

ambos os LEDs acesos é sinal que o transistor está em curto.Para ter certeza de que o transistor foi ligado na posição correta, basta deixar a base aberta (sem

ligação), quando então nenhum LED deverá acender.Se um dos LEDs acender, é sinal que a ligação dos terminais do transistor não coincide com a

demarcada nos terminais de teste (E e C), ou o transistor apresenta uma fuga elevada entre coletor eemissor.

No teste de continuidade, que pode ser de uma lâmpada, fiação ou circuito impresso, utiliza-se osmesmos terminais de teste para diodos.

No caso afirmativo de condução, ambos os LEDs devem acender.Para facilitar o uso do instrumento, a tabela resume todas as suas indicações de testes.

TESTE DE LEDS E DIODOS

APENAS LED VERDE ACESO: diodo ou LED bom; polaridade coincide com a marcação dosterminais de teste.

APENAS LED VERMELHO ACESO: diodo ou LED bom; polaridade invertida - catodo ligado aoterminal A e anodo ao terminal K.

NENHUM LED ACESO: diodo ou LED aberto - inutilizado.AMBOS OS LEDS ACESOS: diodo emcurto - inutilizado.

TESTE DE TRANSISTORES

APENAS LED VERDE ACESO: transistor bom - tipo NPN.APENAS LED VERMELHO ACESO: transistor bom - tipo PNP.NENHUM LED ACESO: transistor aberto ou com baixo ganho - inutilizado.AMBOS OS LEDS ACESOS: transistor em curto - inutilizado.

PROVA DE CONTINUIDADE

NENHUM LED ACESO: não condução ou alta resistência.AMBOS OS LEDS ACESOS: condução de corrente.


MONTAGEM

A figura 47 traz o lay-out de uma placa decircuito impresso para a fixação dos componentes.

Para facilitar a conexão do instrumento aocomponente em teste, pode-se utilizar garrasjacarés nos seus terminais, ou então um pedaço desoquete para circuito impresso (3 pinos),possibilitando que diodos, transistores e LEDssejam facilmente encaixados para serem testados.

A alimentação do circuito pode estar nafaixa de 6 a 9V.

LISTA DE MATERIAL

Semicondutores

Q1 e Q2 - BC548 - transistor NPNLD1 - LED vermelho 3 mmLD2 - LED verde 3 mm


R1 e R2 - 1k ohms (marrom, preto, vermelho)R3 e R4 - 47k ohms (amarelo, violeta, laranja)R5 - 10k ohms (marrom, preto, laranja)

Capacitores

C1 e C2 - 100kpF - cerâmico

Diversos

S1 - interruptor push button N.A.S2 - chave H-H miniB1 - Pilhas ou bateria de 9V, suporte de pilhas ou clip para bateria, fios, solda, placa de circuito

impresso, suporte para os LEDs, etc.

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PROJETO 4: ALERTA - LUZ DE SEGURANÇA

Na era da eletrônica, que tal substituir o antigo triângulo de emergência por uma luz piscante,certamente muito mais eficiente no alerta aos motoristas em situações como troca de pneu, carroquebrado, acidente, etc ?

Alimentada pelos 12V da bateria, essa luz pode ser colocada alguns metros atrás do veículoparado, garantindo sua segurança por alertar aos outros motoristas para que desviem do seu carro,evitando a colisão.

Essa é uma interessante aplicação para o primeiro dos componentes de sinalização óptica: alâmpada.

FUNCIONAMENTO

O circuito oscilador a doistransistores, visto na figura 48, gera ospulsos para serem aplicados àlâmpada.

Com C1 descarregado, aoligar-se S1, Q1 e Q2 estarão no corte ea lâmpada apagada.

Quando C1 atingir cerca de0,6V, Q1 conduzirá, fazendo com queQ2 sature e a lâmpada acenda porreceber os 12V.

Os 12V da lâmpada inicia acarga de C1 no sentido oposto, alémde reforçar a condução de Q1 e asaturação de Q2.

No entanto, quando C1 estiver carregado com mais de 11,4V no outro sentido, o transistor Q1 irácortar, cortando por sua vez Q2, que zera então a tensão na lâmpada.

C1 passa então a carregar-se novamente no sentido anterior, via R1 e R2, tendo sua carga atualde 11,4V sendo reduzida, até zerar, quando então ele passa a aumentar a tensão no outro sentido, atéque ela chegue a 0,6V e Q1 conduza novamente, repetindo todo o ciclo.

O resultado da saturação e corte de Q2 é o piscar da lâmpada, com frequência dependente de R1,R2 e C1.

MONTAGEM

O lay-out da placa de circuito impresso encontra-se na figura 49.Utilizamos no protótipo 3 lâmpadas de 12V x 5W,

que garantiram uma boa iluminação.Recomendamos montá-las à frente de um refletor

metálico ou espelho, que aumenta ainda mais aluminosidade.

Para evitar atrapalhar a visão dos outrosmotoristas, esse conjunto lâmpada+refletor pode sercoberto por uma lanterna plástica alaranjada ouvermelha, tornando a iluminação menos ofuscante quea luz branca.

Não recomendamos o uso de lâmpadas de maior

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potência, já que o circuito teria seu comportamento totalmente alterado.Para conexão à bateria, pode-se utilizar duas garras do tipo jacaré de tamanho grande, como as

utilizadas em recarregadores de bateria.No circuito, o LED LD1 irá apagar-se quando a tensão da bateria cair abaixo de 11V, quando então

recomenda-se desligar a luz de alerta para não danificar a bateria.

LISTA DE MATERIAL

Semicondutores

Q1 - BC548B - transistor NPNQ2 - TIP32 - transistor NPN de potênciaZD1 - BZX79C9V1 ou 1N757A - diodo zener de 9,1V x 0,5WLD1 - LED vermelho de 3 mm


R1 - 1,8M ohms (marrom, cinza, verde)R2 - 47k ohms (amarelo, violeta, laranja)R3 - 100 ohms (marrom, preto, marrom)

Capacitor

C1 - 2,2uF/25V - eletrolítico

Diversos

LP - 3 x 12V/5W - lâmapada de automóvelS1 - chave liga-desliga para 2AGarras jacaré para conexão à bateria do automóvel, soquete para a lâmpada, lanterna plástica,

placa de circuito impresso, fios, solda, etc.


PROJETO 5: FOTO-ESTIMULADOR DE RELAXAMENTO

Embora o cérebro seja uma parte do corpo humano que ainda nos reserve muitos “segredos” e“mistérios”, pesquisas científicas demonstraram que, em estado de relaxamento, produzimos ondascerebrais do tipo alfa; alguns praticantes de Yoga, depois de meses de dedicação, ou às vezes até anosde prática, são capazes de fazer predominar as ondas cerebrais do tipo alfa, atingindo um estado deextremo relaxamento.

Para evitar o stress, ou outras complicações de saúde, precisamos aprender a relaxar, depois deum corrido dia de trabalho, trânsito caótico e todo o desgaste físico e mental sofrido no dia-a-dia.

O circuito proposto baseia-se na biorealimentação de ondas alfa através da estimulação fotônica,ou fotoestimulação.

As ondas alfa situam-se na faixa de 7 a 14Hz (o valor exato depende de cada pessoa).Na fotoestimulação, o circuito eletrônico produz flashs de luz no rítmo das ondas alfa, que são

projetadas nos olhos do usuário, levando o cérebro a entrar em “ressonância”, sendo estimulado aaumentar a amplitude e mesmo a produzir as ondas alfa, que em estado de alerta (acordado), apresentamamplitude muito reduzida e, às vezes, é comum nem presenciarem-se.

As ondas alfa produzidas possibilitarão o estado de relaxamento; mesmo com o usuário estandoconsciente ele atingirá o estado alfa.

FUNCIONAMENTO E MONTAGEM

O circuito é o conhecido multivibrador astável com o CI 555 (figura 50), sendo que os flashs deluz são emitidos pelos LEDs LD1 e LD2 na condução de Q1.

Em P1 ajusta-se a frequência dos flashs, para que o usuário consiga encontrar sua frequênciaideal.

Os LEDs de alto brilho (alta eficiência) possibilitam maior intensidade que os standards.A corrente contínua suportada pelos LEDs é de aproximadamente 20 mA, mas eles podem

suportar pulsos de curta duração acima de 50 mA. A alimentação é de 9V (bateria ou fonte).Se a alta intensidade dos flashs for desconfortável, R6 pode ser aumentado para um valor entre

150 e 270 ohms.Os LEDs devem ser montados em um óculos protetor, desses utilizados por nadadores, fixados

no centro das lentes, sendo passados de fora para dentro (um em cada lente).Interligue-os em série e utilize um plug para ligá-los ao circuito oscilador. Proteja os terminais

expostos cobrindo-os com uma pequena tampa plástica, colando-as nas lentes (figura 51). Pinte astampas com tinta escura para evitar a passagem de luz ambiente.

A chave S2 permite trocar a faixa de frequência de 7 a 14Hz para 3 a 7Hz, visando estimular ondasdo tipo téta, presentes durante soluções de problemas ou durante o sono profundo, que podem ser mais

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atuantes para algumas pessoas.Em VR1 consegue-se um ajuste fino

para obter a máxima estimulação.Na figura 52 temos uma sugestão para a

caixa contendo o circuito.A figura 53 traz o lay-out da placa de

circuito impresso para a montagem.

AJUSTE E USO

Para utilizar o fotoestimulador,acomode-se em um local confortável e que nãolhe possibilite a mínima distração. Coloque ocircuito com o potenciômetro em local de fácilacesso, para permitir um fácil ajuste com umamovimentação mínima do braço.

O brilho dos LEDs não fere, mas omelhor efeito é obtido com os olhos fechados.

Ponha os óculos e ajuste P1 em busca de sua frequência deressonância, que você reconhecerá quando suas pálpebrascomeçarem a “vibrar” levemente com os flashs de luz, ouquando você tiver a impressão de um aumento na intensidadedo flash luminoso. Você entrará em “sintonia”, já que irá sentir-se mais confortável.

Depois de cerca de 10 minutos, desligue ofotoestimulador. Se você sentir-se completamente relaxado, ésinal de que encontrou o correto posicionamento de P1.

ALERTA MÉDICO: Pessoas que sofrem deepilepsia não devem utilizar o fotoestimulador, que podedesencadear uma crise. Se você não tem conhecimento deser ou não epilético, caso comece a perceber odor, som ouqualquer outro fenômeno estranho, desligue o fotoestimuladore consulte um médico.

LISTA DE MATERIAL

Semicondutores

CI1 - 555 - timerQ1 - BC558 - transistor PNPD1 - 1N4148 - diodo de uso geralLD1 e LD2 - LED vermelho de alto brilho (5 mm)


R1 - 18k ohms (marrom, cinza, laranja)R2 - 3,9k ohms (laranja, branco, vermelho)R3 - 1k ohms (marrom, preto, vermelho)VR1 - 10k ohms - trim-pot horizontal miniR4 e R5 - 10k ohms (marrom, preto, laranja)R6 - 120 ohms (marrom, vermelho, marrom)

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P1 - 4,7k ohms - potenciômetro linear rotativo

Capacitores

C1 - 100uF/16V - eletrolíticoC2 - 22uF/16V - eletrolíticoC3 e C4 - 2,2uF/16V - eletrolíticoC5 - 100kpF - cerâmico

Diversos

S1 - chave 1 pólo x 2 posições ou H-H miniÓculos de proteção para natação, jack e plugue mini, bateria de 9V, knob, placa de circuito

impresso, clip para bateria, fios, solda, etc.


PROJETO 6: ALARME POR INFRA-VERMELHO

Uma aplicação muito comum para o LED emissor de infra-vermelho e para o foto-transistor é emsistemas de segurança, formando uma barreira de luz invisível, que ao ser interrompida por um intrusoprovoca a sensibilização do circuito alarmante.

O sistema de segurança que apresentaremos à seguir, não deixa a desejar, comparado aoscomercializados no mercado do ramo, e ainda traz algumas particularidades adicionais, sendo quedestacamos a possibilidade do uso de diversos sensores, além do óptico por infra-vermelho.

FUNCIONAMENTO DO MÓDULO CENTRAL

O módulo central do alarme residencial évisto no diagrama em blocos da figura 54.

O primeiro bloco faz a função de memóriados sensores. É ele quem memoriza quando um dossensores detecta algum indício de invasão.

A memorização de disparo somente inicia-sealguns segundos após o estabelecimento do reset.Qualquer informação presente em um dos sensoresdentro desse tempo inicial após o reset serásimplesmente desprezada.

Com esse temporizador, podemos ter o tempo suficiente para deixar a residência sem disparar oalarme ao abrir as portas para sair, desde que essas sejam abertas dentro do intervalo de tempo seguinteao reset (aproximadamente 120 segundos).

Assim que terminar esse tempo, se alguma porta ou janela estiver ou for aberta, o alarme irádisparar.

O segundo temporizador constitui um reciclador de disparo.Quando o alarme é disparado, um relé fecha os contatos para alimentar uma sirene ou buzina de

alerta.Decorrido um certo intervalo de tempo, aproximadamente 30 segundos, o relé é desativado,

cessando o som de alerta. Agora, o reciclador aguarda um novo intervalo de tempo (cerca de 15 minutos)e, caso não seja estabelecido o reset (desarme do alarme), o som de alerta será novamente emitido, pormais 30 segundos.

A partir daí, o ciclo se repete, ou seja, o som de alerta é emitido periodicamente, de 15 em 15minutos, até que haja o resetamento.

Esse reciclador na realidade é um oscilador de onda retangular, que tem sua saída ligada a umdriver para acionar um relé, responsável por ativar o dispositivo de emissão sonora (sirene ou buzina).

Através da chave S1, desativamos o reciclador, sendo obtido apenas um período de emissãosonora quando o alarme for disparado, não havendo a reciclagem.

Essa condição é útil, pois em casos quando a residência se mantém desocupada por muitashoras, ou mesmo dias, seria perturbativo à vizinhança a constante reciclagem sonora, principalmente emhorários noturnos.

O último dos temporizadores encontra-se incorporado ao driver. É graças a ele que, ao chegarmosem casa, mesmo após abrirmos a porta o alarme não emite o alerta sonoro imediatamente, havendo umretardo suficiente para efetuarmos o reset antes mesmo que isso ocorra. O tempo pré-fixado para seestabelecer o reset é de cerca de 40 segundos.

Esse retardo para o disparo pode ser desligado através da chave S2. Essa condição defuncionamento é bastante útil à noite, quando estamos dormindo, pois o disparo imediato evita que ointruso tenha tempo para uma investida contra os ocupantes da residência, por motivos óbvios.

Assim, com o retardo desligado, ao ocorrer a detecção de invasão por algum sensor,

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imediatamente ocorre o disparo sonoro.O circuito do módulo central do alarme residencial encontra-se na figura 55.

O CI1 é um amplificador operacional que atua como um comparador de tensão, forçando suasaída ao nível de aproximadamente +Vcc quando a entrada positiva apresentar maior potencial, elevando-a ao nível de terra quando for a entrada negativa a de maior potencial.

Nesse comparador, a entrada negativa tem um potencial fixo de aproximadamnte +Vcc/2.O potencial da entrada positiva depende do estado da entrada dos sensores (S). Se esse ponto

receber um potencial superior ao da entrada negativa, a saída do CI1 passará a +Vcc. Esse potencial serámantido pela realimentação forçada pelo diodo D1, mesmo que a tensão do ponto (S) caia.

O capacitor C1 é o responsável pela primeira temporização, citada anteriormente na análise dodiagrama em blocos. É ele que possibilita o intervalo suficiente para deixar a residência sem disparar oalarme quando ele é ligado.

Isso é conseguido pois, até que ele se carregue, a entrada negativa mantém-se com tensãosuperior à entrada positiva do comparador, independente de haver ou não um alto potencial na entradados sensores (ponto S), inibindo portanto o disparo.

O reciclador que mencionamos na análise do diagrama em blocos é formado pelo CI2, que se tratado conhecido 555.

Sua alimentação provém da saída do CI1, o que significa que ele só entra em funcionamentoquando o comparador tiver +Vcc na saída, ou seja, quando for identificada uma violação por algum sensor.

Nesse estágio, o único comentário necessário é com relação ao diodo D3. Esse diodo faz com queo resistor R8 não atue durante a carga de C2. Mas, durante a descarga desse capacitor através do pino7 do CI2, o diodo fica reversamente polarizado, forçando a descarga via R8.

Durante o período de carga de C2, a saída do CI2 (pino 3) fica em aproximadamente +Vcc,alimentando o driver e acionando o relé, que por sua vez liga a sirene ou buzina de alerta.

Durante a descarga de C2, a saída do CI2 fica em 0V, correspondendo ao período em que o relé

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fica desativado e a sirene ou buzina desligada.Como a carga é mais rápida do que a descarga, já que D3 praticamente curto-circuita R8 durante

o período de carga, o resultado é a diferença de tempo no ciclo do alerta sonoro: 30 segundos para asirene ou buzina funcionando e 15 minutos de intervalo com ela desligada.

O início do alerta sonoro é retardado pelo capacitor C5, quando a chave S2 o coloca no circuito.Com o capacitor no circuito, só existirá corrente de base em Q1 depois que ele atingir a tensão mínima decerca de 9V, e sua carga ocorre através de R10. A constante RC é que define o tempo que o capacitorleva para atingir essa tensão.

É esse retardo, de cerca de 20 segundos, que possibilita ao proprietário da residência desativaro alarme quando chega.

Atingindo a tensão de 9V, o zener ZD1 conduz e fornece corrente de base para Q1 suficiente paralevar Q2 à condução, e consequentemente energizando a bobina do relé RL1, que controla a alimentaçãoda sirene ou buzina de alerta.

Conhecido todo o funcionamento de disparo e temporizações do alarme residencial, vamoscomentar um pouco sobre o seu reset.

Em um alarme residencial nãopode existir um interruptor do tipo liga/desliga, para dificultar o desarme porintrusos.

A nossa sugestão para o reseté utilizar um conjunto de chaves emsérie, formando uma combinaçãológica para desarmá-lo, como o exemplo da figura 56.

Para dificultar ainda mais o desarme, encontra-se em série com as chaves um reed-swich, que éum interruptor magnético.

Assim, para que o alarme seja desativado, ou resetado, é necessário posicionar as chaves nocódigo correto, e ainda manter um imã próximo do reed-swich.

Ao deixar a residência, ou à noite,quando quando todas as portas e janelas jáestiverem trancadas, retira-se o imã de perto doreed-swich e, para dificultar qualquer tentativade desarme por estranhos, altera-se oposicionamento das chaves.

Feito isso, o alarme entra emfuncionamento, e cerca de dois minutos depoispassa a “ficar atento” aos pontos desensoriamento.

Recomenda-se também a inclusãodo circuito de alimentação a bateria da figura 57,protegendo a residência mesmo no caso de corte

de energia elétrica, com a única particularidade de que o emissor sonoro acionado pelo relé tambémdeverá ser de 12V e alimentado por essa bateria.

FUNCIONAMENTO DOS SENSORES

Podemos utilizar qualquer tipo de sensor, desde queem condições normais ele entregue em sua saída potencialpróximo ao de terra e, frente a uma invasão, passe-a aopotencial próximo ao de +Vcc.

Para proteger portas, janelas e portões, pode-seutilizar o simples, mas eficiente, sensor magnético com reed-switch (figura 58), que é “alimentado” pelos

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mesmos 12V do módulo central através do resistor R1 (15 k ohms).Quando um imã está nas proximidades do reed, os seus contatos

permanecem fechados, mantendo o ponto (S) do módulo central empotencial de terra.

Assim que o imã se afasta, o contato do reed é aberto e opotencial da entrada (S) do módulo central passa para +Vcc, havendo odisparo do alarme, que imediatamente é “memorizado”, não adiantandomais voltar a fechar o reed-swich.

A figura 59 representa a fixação de um sensor desse tipo naporta.

Da mesma forma,dispomos outros sensorescomo esse em janelas e outrasportas, interligando todos osreeds em série, sendosuficiente que apenas umdeles abra contato para disparar o alarme.

A forma de interligação desses sensores aomódulo central é demonstrada na própria figura 58. O diodo D1desse circuito serve para isolá-lo de outros tipos de sensoresque podem ser ligados em paralelo na entrada (S) do módulocentral, como o tão esperado sensor de infra-vermelho. Vamosa ele.

Na proteção de ambientes externos, como murosou passagens sem portas, utilizamos uma barreira de infra-vermelho.

A figura 60 traz o circuito do transmissor de infra-vermelho pulsado, constando de um oscilador que entregapulsos ao LED emissor de infra-vermelho (LD1).

O fato de ser pulsado possibilita uma maiorsensibilidade do receptor, que pode atuar amplificando o sinaldetectado pelo foto-sensor.

O circuito do receptor é visto na figura 61.Os módulos transmissor e receptor devem ser dispostos de forma que o feixe proveniente do

emissor atinja o receptor em linha reta, monitorando por exemplo a entrada de um corredor.Como elemento foto-sensor integrante do receptor, utilizamos o foto-transistor (Q1, Q2 e Q3). O

uso de três foto-transistores é justificável: normalmente, os circuitos de link óptico utilizam uma lenteconvergente em frente ao elementofoto-sensível receptor para concentraro feixe de luz no mesmo, aumentandoassim sua sensibilidade, já que a “áreade visão” da lente se torna maiorcomparada à do foto-sensor, emfunção do seu maior diâmetro (figura62). No nosso circuito, para evitar ouso de lente, que pode ser difícil de seconseguir longe dos grandes centros,utilizamos um “truque” para aumentar aárea de captura de infra-vermelho.Ligamos três foto-transistores emparalelo, geometricamente dispostos

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de modo a formarem um triedro, e assiminterceptarem um maior número de linhas do feixede infra-vermelho (figura 63).

Em VR1 ajusta-se a polarização dessesfoto-transistores de modo que não fiquem próximodo corte na condição de ausência de luz infra-vermelha (feixe interrompido), sob as condiçõesnormais do ambiente. Iremos detalhar esse ajustemais adiante.

Os pulsos “sentidos” pelos foto-transistores, convertidos em corrente elétrica, aparecem como tensão (forma de onda pulsada) sobre aassociação série R1+VR1.

O capacitor C1 possibilita a passagemdesses pulsos para a base de Q4, o primeirotransistor amplificador. Esse capacitor estádimensionado para atenuar bastante qualquervariação de 60Hz que existe no sinal, provocadapela variação instantânea da luz ambiente quandoproveniente de lâmpadas alimentadas pela redeelétrica, que tem essa ciclagem. Embora nossosolhos não acompanhem essa variação (para nós écomo se a lâmpada emitisse um brilho contínuomédio), o foto-transistor responde muito maisrapidamente, tendo sua condução elétrica afetadapela mesma.

Através do trim-pot VR2, ajustamos a polarização desse transistor para que a tensão em seucoletor seja de aproximadamente 2V (esse valor não é crítico, mas o transistor não deve ficar com tensãode coletor abaixo de 1V).

Do coletor de Q4, os pulsos amplificados são levados à base de Q5, via capacitor de acoplamentoC2, que também tem um valor apropriado para atenuar a passagem dos 60Hz.

Em VR3, ajusta-se a polarização desse transistor para que ele fique próximo do corte, sendorecomendada uma tensão de coletor em torno de 10V. Essa mesma tensão carrega o capacitor C3, sendodescontado apenas os 0,6V de queda no diodo D1.

Com os pulsos, a redução da tensão do coletor que acompanha os pulsos positivos aplicados àbase de Q5 faz com que Q6 conduza proporcionalmente a essa redução, e para uma distância de atécerca de 5 metros, esse transistor chega a saturar quando acionamos a tecla do CR.

A saturação de Q6 faz com que C4 carregue-se com a tensão do seu emissor, tensão essa queleva o transistor Q7 à saturação devido à forte corrente de base.

Mantendo-se saturado, o ponto (S) do módulo central fica com 0V, ou seja, o alarme interpreta queo receptor está recebendo o feixe pulsado de infra-vermelho normalmente.

Frente a uma interrupção desse feixe, mesmo que momentânea, o capacitor C4 irá se descarregarsobre R7, deixando de existir a corrente de base para Q7, que passa então da saturação para o corte, eatravés do diodo de isolação D2 leva o ponto (S) do módulo central ao nível alto (aproximadamente 12V),provocando a memorização da invasão detectada e posteriormente o disparo do alarme.

MONTAGEM

O lay-out mostrado na figura 64 pode ser utilizado como base para a confecção de uma placa decircuito impresso para a montagem do módulo central.

Os lay-outs das figuras 65 e 66 são indicados respectivamente para o transmissor e o receptorde infra-vermelho.

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No receptor, é importante tomar muitocuidado com o uso de componentes equivalentes,principalmente quanto ao ganho dos transistores. Amáxima sensibilidade só será conseguida utilizando-setransistores com sufixo C, que representa um grupocom hfe (ganho de corrente) acima de 300.

Para a ligação dos foto-transistores àplaca do receptor, siga a identificação dos seusterminais mostrada na figura 67. Note que do lado doterminal do coletor o invólucro é marcado por umchanfro, como nos LEDs.

Naturalmente, quanto menos luz ambienteos foto-transistores receberem, será melhor, para quemantenham a máxima sensibilidade, sendorecomendado montá-los no interior de um pequenotubinho escuro, como os utilizados para guardar filmesfotográficos. Na impossibilidade de impedir a incidênciade luz na abertura desse tubinho, mantenha-o“tampado” por um negativo de fotografia velado ou, sepossível, por um filtro plástico para infra-vermelho,como os utilizados à frente dos receptores de CR dosTVs.

Em função da alta sensibilidade do circuito, alertamos que alguns fatores pode levá-lo a não“sentir” a interrupção do feixe de infra-vermelho, ou seja, o a tensão do coletor de Q7 não sobe, isto é,este transistor fica saturado mesmo quando o feixe é cortado. Entre esses fatores podemos citar:

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a) luz proveniente de lâmpadas alimentadas pela rede elétrica incidindo sobre os foto-transistores:acima de um certo limite, os capacitores de acoplamento entre os estágios amplificadores não conseguematenuar os 60Hz que modula a intensidade luminosa emitida por essas lâmpadas, sendo essa frequênciainterpretada como pulsos de luz, que uma vez amplificada termina por provocar a carga do capacitor C4e manter Q7 saturado. Reduzir o valor dos capacitores de acoplamento seria uma solução, no entanto, asensibilidade do circuito ficaria comprometida, portanto, a melhor providência a ser tomada é grantir queos foto-transistores fiquem “no escuro”, redirecionando o “tubinho” no qual estão montados ou utilizandoo filme escuro na sua abertura, como já havíamos comentado.

b) interferência local de 60Hz invadindo o circuito: se o receptor for colocado sobre uma estruturametálica, por exemplo, essa estrutura pode atuar como uma grande “antena”, que capta o campoeletromagnético do ambiente, acoplando-o ao circuito, provocando a carga de C4 e, novamente,mantendo Q7 saturado mesmo na condição de feixe de infra-vermelho bloqueado. Evite instalá-lo nessascondições para nâo ter que alterar ou adicionar componentes na tentativa de eliminar esse efeito (podeser até mesmo impossível obter sucesso com essa tentativa).

c) fiação que liga os foto-transistores à placa muito longa: se na aplicação que você deseja os foto-transistores precisam ficar afastados do restante do circuito, não utilize fios comuns para a interligação;nessas condições deve-se utilizar uma fiação apropriada, ou seja, um cabo blindado por uma malha, quedeve ser aterrada para evitar a captação de espúrios, os quais certamente interfeririam no funcionamentodo conjunto.

Terminada a montagem e a instalação, ajuste os trim-pots VR2 e VR3 para obter as tensões jácomentadas para os coletores de Q4 e Q5 (respectivamente em torno de 2V e 10V).

O trim-pot VR1, sempre que possível, deve ficar com a máxima resistência, o que garante ummaior alcance, ou seja, o emissor pode ficar mais distante do receptor, possibilitando a proteção depassagens mais amplas em largura. No entanto, a tensão no emissor dos foto-transistores (em relaçãoao terra) não deve ficar acima de 2V. Se isso acontecer, é sinal de que o foto-transistor está “sentindo”uma certa iluminação ambiente, condição em que VR1 deverá compensar a condução dos mesmos aoponto de manter a tensão máxima de 2V em seus emissores.

A alta sensibilidade do receptor garante uma instalação muito fácil do link a infra-vermelho, nãoexigindo uma direcionalidade muito aguçada, ou seja, basta virar o emissor para o lado do receptor, comum “enxergando” o outro.

Acreditamos que os tempos pré-fixados para reatrdo de disparo na entrada ou saída daresid~encia ou escritório satisfaçam as aplicações consideradas normais.

Caso o circuito seja instalado em propriedades em que se leve muito tempo para chegar do portãode entrada/saída ao aparelho, ou vice-versa, pode ser necessário aumentar esses tempos de retardo parasair e para entrar em casa, antes que haja o disparo. Isso pode ser conseguido aumentando oscapacitores C1 e C5.

A alimentação do alarme deve ser de 12V, fornecida por uma fonte com boa filtragem e capacidadede corrente de aproximadamente 1A, já conssiderando o consumo de alguns sensores dedisparo a infra-vermelho. Não existe uma limitação para o número de sensores, no entanto, a cada conjunto transmissor/receptor adicionado deve-se levar em consideração o acréscimo de consumo, que deverá ser suportadopela fonte.

Não consideramos ainda uma possível carga de 12V controlada pelo relé do módulo central,responsável pela emissão do alerta sonoro em uma situação de disparo, como por exemplo uma cigarra.,buzina ou sirene.

Caso seja adaptado o circuito de alimentação a bateria da figura 57, a própria fonte dealimentação do circuito será responsável por manter a carga da bateria, enquanto na presença de energiaelétrica na rede.

Em um eventual corte na transmissão de energia, seja pela companhia fornecedora, ou pelo


intruso “espertinho” que cortou os fios, o alarme continuará ativo graças à manutenção da alimentação pormeio da bateria.

LISTA DE MATERIAL (FIGURA 55)

Semicondutores

CI1 - 741 - amplificador operacionalCI2 - 555 - timerQ1 - BC337B - transistor NPNQ2 - BC327B - transistor PNPD1 a D5 - 1N4148 - diodo de uso geralZD1 - BZX79C8V2 - diodo zener de 8,2V x 0,5WLD1 - LED vermelho de 3 mm


R1 - 56k ohms (verde, azul, laranja)R2 e R5 - 1M ohms (marrom, preto, verde)R3 e R8 - 820k ohms (cinza, vermelho, amarelo)R4 - 270k ohms (vermelho, violeta, amarelo)R6 e R9 - 470 ohms 9amarelo, violeta, marrom)R7 - 180k ohms (marrom, cinza, amarelo)R10 - 47k ohms (amarelo, violeta, laranja)R11 - 1k ohms (marrom, preto, vermelho)

Capacitores

C1 e C5 - 330uF/16V - eletrolíticoC2 - 1000uF/16V - eletrolíticoC3 e C4 - 47 nF - cerâmico

Diversos

RL1 - RUD101012 - relé 12V x 10A - SchrackS1 e S2 - chave H-H miniPlaca de circuito impresso, fios, solda, etc.


Semicondutores

CI1 - 555 - timerLD1, LD2 - LED emissor de infra-vermelho de 5 mm utilizado em transmissores de CRsQ1 - BC327B - transistor PNPResistores (1/8W x 5%)R1 - 47k ohms (amarelo, violeta, laranja)R2 - 10k ohms (marrom, preto, laranja)R3 - 1k ohms (marrom, preto, vermelho)R4 - 100 ohms (marrom, preto, marrom)

Capacitores

C1 - 47uF x 16V - eletrolítico


C2 - 100pF - cerâmicoC3 - 10kpF - cerâmico

Diversos

Suporte para pilhas, pilhas, placa de circuito impresso, solda, etc.


Semicondutores

Q1, Q2 e Q3 - TIL78 - foto-transistorQ4 e Q5 - BC550C - transistor NPNQ6 - BC327B - transistor PNPQ7 - BC337B - transistor NPND1 e D2 - 1N4148 - diodo de uso geral


R1, R5 e R8 - 4,7k ohms (amarelo, violeta, vermelho)R2 - 180k ohms (marrom, cinza, amarelo)R3, R4, R7 e R9 - 47k ohms (amarelo, violeta, laranja)R6 - 470k ohms (amarelo, violeta, amarelo)VR1 - 220k ohms - trim-pot horizontal miniVR2 e VR3 - 3,3M ohms - trim-pot horizontal mini

CAPACITORES

C1 e C2 - 1kpF - cerâmicoC3 - 10uF x 16V - eletrolíticoC4 - 1uF x 16V - eletrolíticoC5 - 100uF x 25V - eletrolíticoC6 - 100kpF - cerâmico

DIVERSOS

“Tubinho” de filme fotográfico, negativo velado de filme fotográfico, placa de circuito impresso, fios,solda, etc.


PROJETO 7: SIMULADOR DE PRESENÇAPROGRAMÁVEL

Um alarme para proteção de uma residência avisa que o local sob “proteção” está sendo ou foiinvadido. No entanto, este dispositivo muitas vezes não consegue efetivamente impedir ou evitar umainvasão, seja ela total ou parcial, uma vez que muitos “gatunos” são ousados e não fogem quando oalarme dispara, preferindo encontrá-lo e literalmente destruí-lo.

Instalando na residência um simulador de presença, ele automaticamente simula a ocupação doimóvel, seja ele residencial ou comercial, acionando sequencialmente diferentes dispositivos, como porexemplo lâmpadas de determinados cômodos, televisão, aparelho de som e outros eletrodomésticos,enfim, qualquer dispositivo elétrico ou eletrônico que cause a impressão de que uma ou mais pessoasestão no imóvel, afastando a possibilidade de um assalto fácil.

O projeto proposto possui algumas características interessantes para essa aplicação:

. permite o acionamento de vários dispositivos;

. pode acionar diferentes dispositivos simultaneamente, de preferência em cômodos diferentes doimóvel, para causar a impressão de que mais de uma pessoa ocupa o imóvel;

. o acionamento de lãmpadas externas pode acorrer apenas no período noturno, para não levantarsuspeitas de acionamento automático;

. o acionamento de dispositivos “barulhentos” pode ocorrer somente em período diurno, para nãoincomodar os vizinhos;

. permite o controle independente do tempo durante o qual cada dispositivo irá permanecer ligado.

Utilizando o simuladorde presença em conjunto comum alarme, forma-se umsistema de prevenção e alerta àação dos assaltantes.

FUNCIONAMENTO

O circuito completoencontra-se na figura 68,utilizando componentes simplese de fácil aquisição no mercadotradicional de eletrônica.

O diagrama em blocosda figura 69 representa seufuncionamento.

O multivibrador astávelé formado pelo CI timer 555,sendo o responsável direto pelotempo de permanência noestado ligado de cadadispositivo sob controleautomático.

Esse astável éprogramado através dos pontosA, B, C, D E e F, que possibilitamrespectivamente os tempos de

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15 segundos, 30 segundos, 2 minutos, 7 minutos, 14 minutos e 35minutos, aproximadamente, para cada um dos aparelhos sob atuaçãodo simulador.

Os pulsos de saída do multivibrador (pino 3 do CI1) sãoaplicados ao contador/decodificador de 10 saídas, formado pelo CI2,que é responsável pela sequência de seleção dos dispositivos aserem acionados, formando a segunda parte do simulador.

Quando o circuito é ligado, a saída do CI2 (4017) ativa (emnível alto) é S0 e, a cada pulso positivo de clock no pino 14, essasaída ativa é progressivamente deslocada, até S9.

No décimo pulso, o ciclo de deslocamento começa a serepetir, ou seja, é reiniciado a partir de S0.

OPERAÇÃO E PROGRAMAÇÃO

Para facilitar a compreensão de como programar osimulador de presença e completar a análise do seu funcionamento, vamos lançar mão de uma situaçãoilustrativa.

Vamos supor que, no processo de simulação, primeiramente deseja-se acionar uma lâmpadaexterna, que deve manter-se ligada por aproximadamente 35 segundos e, em seguida, um televisor,mantendo-se ligado por cerca de 14 minutos. A figura 70demonstra as conexões necessárias para essa programação.

A saída de tempo T0 irá determinar o tempo depermanência da lâmpada ligada, devendo portanto serconectada ao ponto F na programação (35 segundos). Já asaída T1 de tempo, que é a seguinte na sequência, deve serconectada ao ponto E, para fixar o tempo de 14 minutos paraque o televisor fique ligado.

A duração da saída S0 do contador em nível altodepende do ponto do temporizador (astável) no qual estáligada a saída de tempo T0. Como essa saída foi ligada aoponto F, que corresponde a 35 minutos, a saída S0 irá manter-se em nível alto até que transcorra esse período, quando entãoo oscilador/temporizador transmitirá um pulso de clock aocontador, que seguirá sua sequência de contagem, passandoa saída S0 para o nível baixo e S1 para o nível alto.

A saída T1 de tempo encontra-se conectada ao pontoE do temporizador, correspondente a 14 minutos, que iráportanto manter a saída S1 do contador em nível alto por esse período e, em seguida, o oscilador enviaráum novo pulso ao contador.

Recebendo esse pulso, a saída ativa do contador passa a ser S2 e a nova saída de tempo ativapassa a ser T2.

Essa saída pode ser utilizada para o controle do tempo ativo de um outro dispositivo qualquer,tempo esse que dependerá do ponto do temporizador ao qual ela será conectada: A, B, C, D, E ou F.

Desejando apenas o acionamento da lâmpada e do televisor ciclicamente, em vez de conectar T2ao oscilador, faz-se sua ligação com o ponto de reset do contador, forçando a contagem a recomeçar dasaída S0 assim que T2 passa para o nível alto, ou seja, depois do televisor, novamente é acionada alâmpada.

Os dispositivos controlados são ativados através das saídas de controle (C0 a C9), via módulosde potência, como veremos. No exemplo, C0 aciona o módulo de potência da lâmpada e C1 o módulocorrespondente ao televisor.

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Com um “truque” de programação, é possível disporde tempos diferentes dos disponíveis diretamente atravésdos pontos A, B, C, D, E e F. Por exemplo, desejando-semanter o televisor do exemplo anterior acionada por 28minutos, em vez de 14, basta interligar as saídas de tempoT1 e T2, conectando-as ao ponto E do temporizador e ativaro módulo de potência que acionará a lâmpada através dasduas saídas de controle correspondentes (C1 e C2) - figura71.

Assim, decorridos os primeiros 14 minutos, o pulsode clock transmitido ao 4017 fará sua saída S1 passar parao nível baixo e S2 para o nível alto.

Apesar de S1 ir para nível baixo, a lâmpada serámantida acesa por mais 14 minutos, já que S2 manterá omódulo de potência ativado por mais 14 minutos, uma vezque a saída T2 também está conectada ao ponto E.

De maneira análoga, pode-se conseguir diferentes tempos de programação.

MÓDULOS DE POTÊNCIA

Os dispositivos controlados pelo simuladorde presença obviamente não podem ser acionadosdiretamente pelas saídas do contador, que além deentregarem uma tensão baixa não possuemcapacidade de corrente suficiente para isso.

Entre o módulo central do simulador ecada dispositivo deve haver um módulo de potência,que irá energizar um relé para comandar aalimentação do dispositivo controlado.

Portanto, na entrada de um módulo depotência conecta-se uma ou mais saídas de controle,sendo que esse módulo manterá o relé acionadoenquanto a(s) saída(s) de controle a ele ligada(s)permanecer(em) em nível alto, ou seja, durante todo otempo programado pela respectiva saída de tempo decada saída de controle.

O relé fará a conexão elétrica necessária para que o dispositivo sob controle seja acionado, sendoo controle mais comum a interrupção da linha de alimentação desse dispositivo através do contato do relé.

O módulo 1 da figura 72 ésimplesmente um circuito que aciona um reléquando em sua entrada presencia-se o nívelalto. Já os módulos 2 e 3 possuemcaracterísticas especiais.

Através de um foto-transistor, omódulo 2 (figura 73) permite o acionamentodo dispositivo sob controle somente emhorário noturno, sendo útil por exemplo paracontrolar o acionamento de lâmpadasexternas, evitando que as mesmas acendamdurante o dia, para não levantar suspeitas deum automatismo.

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O módulo 3 (figura 74) age de forma oposta, e, também com o auxílio de um foto-transistor,permite que o dispositivo sob controle seja acionado somente em horário diurno, sendo útil por exemplopara controlar o acionamento de um aparelho de som ou um eletrodoméstico barulhento, como oliquidificador ou a batedeira, que são dispositivos perturbativos à vizinhança se ligados à noite.

Fora do “horário liberado”, os módulos 2 e 3 inibem o funcionamento do dispositivo sob controle,ignorando a presença de nível alto na entrada.

Como o leitor já deve ter notado, esse “horário” está relacionado com a intensidade de luzincidente no foto-transistor.

No módulo 2, uma iluminação acima de um certo nível causa uma redução na impedância entrecoletor e emissor do foto-transistor Q1, aumentando a corrente de base de Q2, que passa do estado decorte para a saturação.

Enquanto Q2 estava no estado de corte (na ausência ou pequena intensidade de luz incdente emQ1), o diodo D1 não conduzia, sendo que aplicando um nível alto na entrada desse módulo tínhamos oacionamento do relé, e consequentemente do dispositivo sob controle.

Com a incidência de luz com intensidade acima de um certo nível, regulado no trim-pot VR1 deajuste do “horário liberado” para acionamento, o estado de saturação de Q2 faz D1 conduzir quando naentrada desse módulo é aplicado o nível alto, drenando significativa parcela da corrente que antes fluiatoda para a base de Q3.

A redução da corrente de base de Q3 inibe o acionamento do relé, e o dispositivo sob controle nãoé acionado.

Se analisarmos o módulo 3, concluiremos que temos um funcionamento semelhante, exceto pelofato do acionamento ser possibilitado apenas sob condições de incidência de luz acima de certo limite,sendo inibido quando a intensidade da mesma encontra-se abaixo desse limite - ideal para controlarlâmpadas exetrnas.

Conforme comentamos, o simulador pode ter uma mesma saída acionando simultaneamente maisde um dispositivo.

Para que isso seja possível, devemos conectar a essa saída de controle mais de um módulo depotência (no máximo 3), sendo que quando essa saída passar para o nível alto, esse nível será levado atodos os módulos nela conectados, podendo assim acionar os dispositivos simultaneamente.

MONTAGEM

Para servir como base à montagem, sugerimos a placa de circuito impresso da figura 75 para omódulo central do simulador.

A alimentação utilizada para o circuito é de 12V, possibilitando, o uso paralelo de uma bateria de

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automóvel, conectada entre os pontos marcados por B+ e B-. Oresistor R9 mantém a carga da bateria enquanto o circuito estásendo alimentado pela rede elétrica (via transformador). O circuitoda fonte já está incluido na placa do simulador, possuindo dezsaídas destinadas à alimentação dos módulos de potência.

Para alimentar mais de dez módulos, se forem acionadossimultaneamente, deve-se utilizar uma fonte à parte, já que acorrente exigida será maior e as trilhas da placa podem aquecer-seem demasia, além dos diodos também “pifarem” sobre solicitaçãoacima de 1A. Na maioria das aplicações, acreditamos ser possívelmanter o número de módulos acionados simultaneamente abaixodesse limite, dispensando a fonte adicional.

Nas figuras 76, 77 e 78, temos respectivamente as placaspara montagem dos módulos de potência 1, 2 e 3.

O relé incluído nessas placas é o RUD101012, daSchrack, que suporta até 10A de corrente de contato, sendoeficiente para controlar a alimentação da maioria dos equipamentoseletrônicos e eletrodomésticos. Caso o dispositivo controlado exijamaior corrente elétrica, utilize outro relé de maior capacidade.

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Semicondutores

CI1 - 555 - timerCI2 - 4017 - contador decimalD1 a D21 - 1N4148 - diodo de uso geralD22 a D26 - 1N4001 - diodo retificador de 1A


R1 - 2,7k ohms (vermelho, violeta, vermelho)R2 - 10k ohms (marrom, preto, laranja)R3 - 15k ohms (marrom, preto, verde)R4 - 56k ohms (verde, azul, laranja)R5 e R6 - 270k ohms (vermelho, violeta, amarelo)R7 - 470k ohms (amarelo, violeta, amarelo)R8 - 120k ohms (marrom, vermelho, amarelo)R9 - 220 ohms x 1W - filme metálico

Capacitores

C1 e C4 - 1000 uF x 16V - eletrolíticoC2 - 100 kpF - cerâmicoC3 - 220 kpF - poliéster

Diversos

T1 - 9+9V x 1 A - transformadorS1 - chave liga/desligaS2 - chave 110/220VCabo de força, solda, fios, etc.


Semicondutores

Q1 - BC337 - transistor NPND1 - 1N4148 - diodo de uso geral

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Resistor (1/8W x 5%)

R1 - 15k ohms (marrom, verde, laranja)

Diversos

RL1 - RUD101012 - relé contato para 10A, bobina para 12V - SchrackPlaca de circuito impresso, fios, solda, etc.


Semicondutores

Q1 - TIL78 - foto-transistorQ2 e Q3 - BC337 - transistor NPND1 e D2 - 1N4148 - diodo de uso geral

Resistores

VR1 - 220k ohms - trim-pot horizontal miniR1 - 270k ohms (vermelho, violeta, amarelo)R2 - 1,8M ohms (marrom, cinza, verde)R3 e R4 - 1M ohms (marrom, preto, verde)R5 - 2,7k ohms (vermelho, violeta, vermelho)R6 - 15k ohms (marrom, verde, laranja)

Capacitor

C1 - 10uF/16V - eletrolítico

Diversos

RL1 - RUD101012 - relé contato para 10A, bobina para 12V -SchrackFios, solda, placa de circuito impresso, etc.

LISTA DE MATERIAL(FIGURA 74)

Semicondutores

Q1 - TIl78 - foto-transistorQ2 e Q3 - BC337 - transistor NPND1 e D2 - 1N4148 - diodo de uso geralResistores (1/8W x 5%)R1 - 3,3M ohms - trim-pot horizontal miniR2 - 1M ohms (marrom, preto, verde)R3 - 47k ohms (amarelo, violeta, laranja)R4 - 15k ohms (marrom, verde, laranja)R5 - 2,7k ohms (vermelho, violeta, vermelho)

Capacitor

C1 - 10uF/16V - eletrolítico

Diversos

RL1 - RUD101012 - relé contato para 10A, bobina para 12V - SchrackFios, solda, placa de circuito impresso, etc.


CAPÍTULO 4: FONTES DE ALIMENTAÇÃO

A maioria das montagens pode ser alimentada com pilhas ou bateria de 9V, como descrevemosnos respectivos textos, no entanto, algumas “exigem” uma fonte a partir da rede elétrica, por motivo daautonomia das pilhas ou bateria ser insuficiente, havendo uma descarga das mesmas em um temporelativamente curto, conforme a aplicação a que se destina o projeto, a exemplo do alarme infra-vermelhoe do simulador de presença, que devem permanecer ligados normalmente por mais de 10 horas/dia.

Também por motivo de economia, já que as pilhas e baterias de 9V têm uma relação custo/durabilidade relativamente alta, o leitor pode preferir substituí-las por fontes a partir da rede AC.

As montagens que descrevemos não são críticas, aceitando bem uma fonte de alimentação deconfiguração muito simples, como a demonstrada na figura 79.

O transformador utilizado deve ser de tensão secundária apoximadamente 30% abaixo da tensãonominal de alimentação da montagem que receberá a fonte, uma vez que a tensão DC na saída doretificador/filtro é muito próxima da tensão de pico da senóide desse secundário. Para uma fonte de 12V,por exemplo, o transformador deve ter secundário de 9 VAC; se a montagem pede uma fonte de 9V, otransformador deverá ser então de 6 VAC, e assim por diante.

A corrente nominal desse transformador deve ter um valor em torno de 20% acima da correntemáxima de consumo do circuito alimentado pela fonte. No caso do simulador de presença, por exemplo,considere sempre o número máximo de relés que serão acionados simultaneamente, conforme asligações estabelecidas na sua programação sequencial. Cada relé RUD101012, recomendado nesseprojeto, consome cerca de 40 mA (corrente DC na bobina para que ele feche contato).

O capacitor de filtragem deve ser de 1000uF ou mais, com tensão de isolação mínima 50% acimada tensão nominal da fonte. Portanto, para uma fonte de 12V o capacitor deveria ter uma tensão deisolação de cerca de 18V, sendo que utilizamos um para 25V, que é o valor comercial acima mais próximo.Analogamente, para uma fonte de 9V o capacitor a ser utilizado terá uma tensão de isolação de 16V, eassim por diante.

Na ponte de diodos, D1 a D4 pode ser qualquer diodo retificador da série 1N400X, como o1N4001, 1N4002, ..., 1N4007.

O LED LD1 indica quando a fonte está ligada, e seu resistor limitador de corrente será calculadoconforme a equação demonstrada no tópico LIMITAÇÕES DE UM LED, pertencente ao título LED - DIODOEMISSOR DE LUZ. Na prática, o valor desse resistor ficará na faixa de 680 a 1k ohms, para fontes comtensões entre 9 e 12V, com uma corrente de 10 mA o atravessando.

Finalmente, o fusível F1 será calculado para uma corrente de ruptura cerca de 30% acima dacorrente do primário na condição de consumo máximo, considerando apenas a rede elétrica de 110V,onde a corrente de primário é maior, para que não seja necessário trocar o fusível quando se passar paraa rede de 220V.

Utilizamos nesse cálculo a equação (1), que envolve as tensões do primário (Vp) e do secundário(Vs), além da corrente máxima de consumo (Ism).

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Ifuse

= 1,5 . Ism . Vs (1) Vp

Como estamos considerando apenas a tensão primária de 110V, podemos reescrever essaequação como segue:

Ifuse

= 0,014 . Ism . Vs (2)

Notamos pela equação (2) que a corrente nominal do fusível é cerca de 1,5% do produto dacorrente máxima consumida no secundário pela sua tensão nominal. Esse é um resultado teórico, já quena prática precisaríamos considerar a perda de potência no circuito magnético formado pelo núcleo dotransformador, ou seja, sua eficiência, no entanto, podemos utilizar o resultado sugerido por esse cálculopara estimar um valor que certamente será bem próximo do real e, na escolha do fusível, optar pelo valorcomercial superior mais próximo.

Vamos adiantar que, pelo fato da maioria das montagens apresentar um consumo máximo emtorno dos 100 a 300 mA, no cálculo obteremos como resultados fusíveis abaixo de 50 mA.

No mercado tradicional de componentes eletrônicos, é muito difícil encontrar fusíveis comcorrente de ruptura nominal inferiro a 100 mA. Por isso, é muito comum projetos desse tipo, com consumomuito baixo, nem mesmo utilizarem fusível de proteção na entrada de rede.

A decisão entre usar ou não o fusível fica por conta do leitor. De nossa parte, recomendamosnesses casos utilizar o valor mínimo encontrado no comércio (geralmente 100 mA) para se precaver deoutros problemas, como surto ou perda de isolação do próprio transformador, quando muitoprovavelmente o fusível irá se romper, mesmo estando acima do valor ideal para proteção do circuito,evitando assim acidentes de maiores proporções, como um princípio de incêndio.

Para finalizar, a figura 80 apresenta uma sugestão de lay-out para a placa de circuito impressoque sustentará os componentes que compõem a fonte projetada, ficando de fora da mesma apenas ofusível, as chaves liga-desliga e de comutação de rede, além é claro, do cabo de força e da fiaçãocorrespondente ao primário do transformador.

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94146544 optoeletronica teoria e pratica

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