CURSO TÉCNICO DE ELETRÔNICA ANÁLISE DE CIRCUITOS

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1 CURSO TÉCNICO DE ELETRÔNICA ANÁLISE DE CIRCUITOS 3 MÓDULO 2009

2 SUMÁRIO 1 Sensores Características Tipos de Sensores Sensor de posição Sensor de Velocidade Sensor de presença Sensor Luz Sensor de Temperatura: Foto-Diodo Foto-Transistor O Reed-switch Modos de operação dos reed-switch Transdutor Exemplos de transdutores Alto-falante Cápsula fonocaptora Célula fotoelétrica Captador Dínamo Gerador Microfone Termômetro Tipos de Transdutores Transdutores Capacitivos Transdutores Eletromagnéticos Transdutores Indutivos Transdutores Piezelétrico Transdutores Resistivos Referências... 17

3 1 Sensores 3 São dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma grandeza física, podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza. Quando operam diretamente, convertendo uma forma de energia em outra, são chamados transdutores (como veremos mais tarde). Os de operação indireta alteram suas propriedades, como a resistência, a capacitância ou a indutância, sob ação de uma grandeza, de forma mais ou menos proporcional. O sinal de um sensor pode ser usado para detectar e corrigir desvios em sistemas de controle, e nos instrumentos de medição, que freqüentemente estão associados aos processos (não automáticos), orientando o usuário. 1.1 Características Linearidade É o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física. Quanto maior, mais fiel é a resposta do sensor ao estímulo. Os sensores mais usados são os mais lineares, conferindo mais precisão ao SC. Os sensores não lineares são usados em faixas limitadas, em que os desvios são aceitáveis, ou com adaptadores especiais, que corrigem o sinal. Faixa de atuação: É o intervalo de valores da grandeza em que pode ser usado o sensor, sem destruição ou imprecisão. 2 Tipos de Sensores Na automação industrial, ou na micro eletrônica, podemos ter diversos tipos de sensores, cada qual para sua finalidade de utilização. Os principais tipos serão descritos abaixo: a. Sensor de Posição;

4 b. Sensor de Velocidade; 4 c. Sensor de Presença; d. Sensor de Luz/ óptico; e. Sensor de Temperatura; 2.1 Sensor de posição Indicam a posição atual de uma peça usada em medição e posicionamento. 2.2 Sensor de Velocidade Conhecidos também como tacômetros, são dispositivos eletro-mecânico que fornecem uma saída proporcional a uma velocidade angular. Empregam-se nos controle e medidores de velocidade de motores em maquinas industriais, 2.3 Sensor de presença Detecta movimentos usando fotocélulas, detectando radiação infravermelha do corpo humano, ou outros seres vivos. Utilizados em grande escala nos acionamentos de alarmes. 2.4 Sensor Luz Além de seu uso em fotometria (incluindo analisadores de radiações e químicos), é a parte de sistemas de controle de luminosidade, como os relés fotoelétricos de iluminação pública e sensores indireto de outras grandezas, como velocidade e posição (fim de curso). LDR: O LDR (light dependent resistor, resistor dependente da luz) tem sua resistência diminuída ao ser iluminado. É composto de um material semicondutor, o sulfeto de cádmio, CdS. A energia luminosa desloca elétrons da camada de valência para a de condução (mais longe do núcleo), aumentando o número destes, diminuindo a resistência. A resistência varia de alguns Mw, no

5 escuro, até centenas de W, com luz solar direta. Os usos mais comuns do LDR são em relés fotoelétricos, fotômetros e alarmes. Sua desvantagem está na lentidão de resposta, que limita sua operação. 2.5 Sensor de Temperatura: 5 O controle de temperatura é necessário em processos industriais ou comerciais, como a refrigeração de alimentos e compostos químicos, fornos de fusão produção de metais e ligas, destilação fracionada (produção de bebidas e derivados de petróleo), usinas nucleares e aquecedores e refrigeradores domésticos (fornos elétricos e microondas, freezer e geladeiras). NTC e PTC - São resistores dependentes de temperatura. O NTC (Negative Temperature Coeficient, Coeficiente Negativo de Temperatura), tem resistência inversamente proporcional à temperatura. Ele é feito de compostos semicondutores, como os óxidos de ferro, magnésio e cromo. o NTC é utilizado numa faixa pequena de temperaturas, em que a curva é próxima de uma reta. O NTC é empregado em temperaturas de até uns 150º C. O PTC (Positive Temperature Coeficient) tem resistência proporcional à temperatura, e atua numa faixa restrita. A variação da resistência é maior que a de um NTC, na mesma faixa. Seu uso é mais freqüente como sensor de sobre temperatura, em sistemas de proteção, por exemplo, de motores. Como exemplo de sensores de temperatura temos o termopar, que são componentes constituídos por dois metais encostados submetidos a uma determinada temperatura, surgindo nos extremos uma tensão proporcional à temperatura. Os termopares são formados pela junção de elementos metálicos distintos que, devido às suas características eletrônicas, geram uma DDP, proporcional à temperatura que ele está submetido. O custo dos termopares é elevado, e são empregados em aplicações profissionais, onde se requer alta confiabilidade e precisão.

6 Além dos termopares, existem sensores integrados de temperatura, como o LM 335, da National. Oferecem alta precisão, por conterem circuitos linearizados. Operam de 0 a 100ºC aproximadamente. 2.6 Foto-Diodo 6 O fotodiodo é um diodo semicondutor no qual a corrente inversa varia com a iluminação que incide sobre a sua junção PN. A corrente que existirá sem nenhuma iluminação aplicada é geralmente da ordem dos 10µA nos fotodiodos de germânio e de 1µA nos fotodiodos de silício. + - K A SIMBOLOGIA O fotodiodo é polarizado inversamente aproveitando a variação da corrente inversa que se verifica quando a luz incide nele. A energia luminosa incidente sobre a lente do fotodiodo concentra-se na junção PN e cria pares, lacunas, dando origem a uma corrente, na presença de uma tensão.

7 Curva característica típica de um fotodíodo. (Corrente inversa) 7 Para uma mesma tensão inversa de polarização, a corrente inversa aumenta de valor ao aumentar o fluxo luminoso incidente. Quando incide luz no fotodíodo, a corrente inversa varia quase linearmente com o fluxo luminoso. (Tensão inversa de polarização) 2.7 Foto-Transistor Um foto transistor é um transistor bipolar encapado em uma capa transparente que permite que luz possa atingir a base coletora da junção. O fototransistor funciona de maneira similar a um fotodiodo, apresentando uma sensitividade muito maior à luz, pois os elétrons gerados pelos fótons na junção da base-coletora são aplicados na base do transistor, e sua corrente é então amplificada pela operação do transistor. O fototransistor apresenta um tempo de resposta maior do que o fotodiodo.

8 8 3 O Reed-switch Um interruptor magnético de lâminas (reed-switch) é um dispositivo que contém duas lâminas flexíveis de material ferromagnético (NiFe), seladas hermeticamente dentro de uma cápsula de vidro que é preenchida com um gás inerte. Essa atmosfera de gás inerte protege as regiões de contato elétrico das lâminas impedindo as oxidações. As lâminas estão sobrepostas, porém separadas por um pequeno espaço. As regiões que entrarão em contato são folheadas com um metal nobre tal como ródio ou rutênio, de modo a proporcionar características elétricas estáveis e de notável longevidade. A aplicação de um campo magnético, mediante um ímã permanente (como na ilustração acima - direita) ou uma bobina, induzem uma magnetização dessas lâminas, com polaridades opostas e uma conseqüente força de atração magnética. Se tal força vencer a natural elasticidade das lâminas essas se unem, fechando o circuito externo do qual fazem parte. Quando o campo magnético é afastado, a indução magnética diminui e, com ela, as forças de atração; a elasticidade das lâminas incumbem-se de afasta-las, abrindo o contato elétrico. Certos cuidados devem ser tomados, uma vez que, essa atmosfera inerte será mantida desde que exista perfeita integridade nas interfaces vidro/metal. Maus manuseios feitos sobre esses terminais (por ocasião de cortes ou dobras) pode danificar essas interfaces e levar à destruição do interruptor. Veja no final desse trabalho os modos de operação dos reed-switch

9 3.1 Modos de operação dos reed-switch 9

10 4 Transdutor 10 Um transdutor, é um dispositivo que transforma um tipo de energia noutro tipo de energia, utilizando para isso um elemento sensor que recebe os dados e os transforma. Por exemplo, o sensor pode traduzir informação não elétrica (velocidade, posição, temperatura, ph) em informação elétrica (corrente, tensão, resistência). Um tipo curioso de transdutor é elaborado a partir de cristais naturais denominados cristais "piezelétricos". Estes transdutam energia elétrica em energia mecânica na relação de 1:1 (um sinal elétrico para um sinal mecânico). 4.1 Exemplos de transdutores Alto-falante No alto-falante ocorre a transformação inversa aquela do microfone: a corrente elétrica é transformada em vibrações mecânicas do ar, reconstituindo o som inicial. Para tanto, é necessário o uso de uma bobina, um diafragma (um cone circular ou elíptico, geralmente de papelão por ter peso menor ou polipropileno, um plástico), um imã permanente (ou um eletroímã) e uma suspensão chamada "aranha". O diafragma fica preso na carcaça de metal por meio de um sistema de suspensão de borracha ou espuma localizada ao redor de sua borda externa. Na parte central do cone, fica a bobina, posicionada entre os pólos de um imã permanente e em suspensão pela "aranha", um disco de tecido ondulado grosso coberto com resina que facilita a movimentação da mesma. Liga-se o enrolamento da bobina aos fios de saída do amplificador. No momento em que surgir corrente elétrica nestes fios, surgirá um campo magnético na bobina. Este irá interagir com o campo natural do imã permanente, criando uma reação de atração ou repulsão - conseqüentemente gerando o movimento do diafragma, que está livre para movimento, sendo sustentado pela

11 "aranha". Esta movimentação diafragmática criará uma turbulência ritmada no ar, conseqüentemente, ondas sonoras. Resumindo: o som produzido por um alto-falante nada mais é do que uma turbulência ritmada no ar, causada pelo movimento do diafragma, resultado da interação do campo magnético da bobina com o do imã permanente. 11 aranha Cápsula fonocaptora A cápsula fonocaptora é encontrada em toca-discos de vinil. Trata-se de um transdutor em miniatura que ao percorrer as ondulações dos sulcos, transforma as vibrações mecânicas em impulsos elétricos, que por sua vez serão amplificados, resultando em som audível. Os toca-discos mais simples possuem cápsulas de pouco desempenho, enquanto que os toca-discos de alta fidelidade possuem cápsulas com excelente desempenho e com resposta de freqüência superior, fazendo uso de agulhas elípticas que melhor se ajustam aos sulcos do vinil, permitindo uma leitura mais precisa e resultando em reprodução sonora superior.

12 Célula fotoelétrica Células fotoelétricas ou fotovoltaicas são dispositivos capazes de transformar a energia luminosa, proveniente do Sol ou de outra fonte de luz, em energia elétrica. Uma célula fotoelétrica pode funcionar como geradora de energia elétrica a partir da luz, ou como um sensor capaz de medir a intensidade luminosa. Células geradoras de energia são chamadas também de "células solares", por se aproveitarem principalmente da luz solar para gerar energia elétrica. Atualmente, as células solares comerciais ainda apresentam uma baixa eficiência de conversão, da ordem de 16%. Existem células fotovoltaicas com eficiências de até 28%, fabricadas de arsenieto de gálio, mas o seu alto custo limita a produção dessas células solares para o uso da indústria espacial Captador Captador é um dispositivo eletrônico que capta vibrações mecânicas geradas por um instrumento musical (geralmente de cordas, como guitarras, baixos, ou violinos), e as converte em sinais elétricos, que podem ser, posteriormente, processados, amplificados, ou gravados Dínamo

13 Dínamo é um aparelho que gera corrente Alternada convertendo energia mecânica em elétrica, através de indução eletromagnética. É constituído por um ímã e uma bobina. A energia mecânica (de um rio, pedal de bicicleta, por exemplo) faz girar um eixo ao qual se encontra o ímã, fazendo alternar os pólos norte e sul na bobina e por indução geram uma energia elétrica Gerador Gerador é um dispositivo utilizado para a conversão da energia mecânica, química ou outra forma de energia em energia elétrica Microfone O microfone moderno pega as ondas de pressão variável no ar e converte-as em sinais elétricos, variáveis na gama audível (em freqüências de 20 hz a 20 khz - seja no ar, água ou num material sólido) em um sinal elétrico. Na maioria dos microfones em uso as ondas sonoras são convertidas em vibrações mecânicas através de um diafragma fino e flexível e em seguida convertidas em sinal elétrico através de bobina móvel ou por carga e descarga de um condensador. No caso de microfones de condensador estes necessitam de uma tensão de alimentação contínua, chamada de phantom power, que é de fato uma tensão de polarização. Como você pode ver, quase toda tecnologia imaginável já foi utilizada para converter as ondas sonoras em sinais elétricos. A única coisa que todas têm em comum é o diafragma, que coleta as ondas sonoras e cria movimento em qualquer tecnologia utilizada para gerar o sinal Termômetro Podemos citar varios tipos de termometros, como os termômetros metálicos, termômetro digital e termômetro de mercúrio. A questão é a transformação de energia térmica (temperatura) em outra forma de energia já

14 indica o termômetro com um transdutor. Por exemplo, um termômetro digital pode ser utilizado em medição de temperatura em fundições, em alimentos em restaurantes ou indústrias, em processos químicos, em estruturas, em fornos, em produtos diversos 4.2 Tipos de Transdutores 14 Capacitivos; Eletromagnéticos; Indutivos; Piezelétrico; Resistivo; Fotocondutivo; Transdutores Capacitivos Os transdutores capacitivos de proximidade acusam a presença de objetos metálicos ou não-metálicos. Objetos não-metálicos são detectados por seus efeitos na constante dielétrica próxima ao capacitor. Os sensores capacitivos de proximidade são úteis para contar objetos ou operar interruptores ou alarmes em resposta à posição de mecanismos controláveis. A aplicação e instalação são simples e deve haver precauções para manter uma distância razoável entre os sensores e entre um sensor e qualquer estrutura metálica da instalação Transdutores Eletromagnéticos LVDT (Linear Variable Differencial Transformer) é um tipo de transdutor cujo sinal de saída é proporcional à posição de um núcleo magnético móvel. O núcleo se move linearmente dentro de um transformador que consiste em uma espira primária central e duas espiras secundárias, todas dispostas em um

15 formato cilíndrico. A primária é energizada por uma fonte de corrente alternada, induzindo tensões secundárias que variam em função da posição do núcleo magnético. Quando o núcleo está centralizado, as tensões induzidas nas espiras secundárias são iguais. Quando o núcleo é deslocado para outra posição, a tensão na espira secundária mais próxima será maior que na outra espira secundária. O resultado é, portanto, um sinal de tensão que varia linearmente com a posição do núcleo, se o LVDT for propriamente projetado. Os LVDTs se tornaram dispositivos importantes para medir posições e deslocamentos. São largamente utilizados como sensores em aplicações de controle onde deslocamentos de algumas micro-polegadas até vários metros devem ser medidos e onde força e pressão possam ser convertidos em deslocamentos lineares Transdutores Indutivos Quando uma corrente alternada (AC) flui através de uma bobina induz uma força eletromotriz, fem, numa bobina vizinha. Esse fenômeno é conhecido como indução eletromagnética. Por exemplo Transformadores diferenciais Transdutores Piezelétrico Os transdutores piezelétricos usam o efeito de mesmo nome para gerar o sinal elétrico como o microfone é que converte o som em sinais elétricos. Microfones são usados em muitas aplicações como telefones, gravadores, aparelhos auditivos e na transmissão de rádio e televisão Transdutores Resistivos Os cirtuitos de ponte de Wheatstone forneceu um meio básico e preciso de medir resistência. O circuito da ponte não é nada mais que dois divisores de tensão e uma saída de tensão. Quando os dois divisores forem iguais, a tensão de saída será zero.

16 Na maioria dos instrumentos atuais, a ponte não é balanceada. Ao invés disso, todos os resistores, exceto o transdutor, são fixos, e a tensão de saída da ponte varia. Operação desbalanceada introduz quatro considerações de acurácia: a tensão da ponte não é linear com a resistência, a saída depende da tensão de entrada da ponte, a saída é afetada pela impedância do aparelho de leitura e o nível de imprecisão de leitura contribui para erros de medição. Nãolinearidade é causada pelo fato de um aumento na resistência do transdutor reduz a corrente que passa através dele. Por isso, a linearidade é melhor se o resistor fixo for muito maior que a resistência do transdutor. Uma ponte é adequada para medições diferenciais, ou seja, para medir as diferenças entre dois transdutores resistivos. 16

17 17 5 Referências Todo conteúdo disponibilizado neste material, foi retirado de conteúdo disponível na internet, ou sites referenciados conforme abaixo: