10 Circuitos com Chaves Ópticas
As chaves ópticas consistem em elementos apropriados para o isolamento de circuitos. Neste artigo, descrevemos alguns circuitos simples, porém muito úteis, que fazem uso de chaves ópticas ou isoladores ópticos
Autor: Newton C. Braga
Uma chave óptica típica é um dispositivo em que existe uma fonte emissora, normalmente um LED infra-vermelho, e um receptor, geralmente um fototransistor, conforme mostra a figura 1. O dispositivo é montado de tal forma que entre o emissor e o receptor existe uma fenda onde pode ser introduzido um objeto. A introdução desse objeto interrompe o feixe de radiação do emissor, provocando uma mudança de estado do circuito.
Figura 1
As chaves ópticas são extremamente rápidas e têm a vantagem de não utilizarem contatos mecânicos que podem desgastar-se e ainda apresentarem problemas de repiques.
Circuito com Comprador
O primeiro circuito que ilustramos na figura 2, consiste numa chave óptica que faz uso de um comparador de tensão. O comparador tanto pode ser elaborado com base em um amplificador operacional quanto pode ser usado um comparador convencional como o LM339.
Figura 2
Os resistores R3 e R4 fixam o ponto de disparo. R1 determina o brilho da fonte emissora podendo ficar entre 330 ohms e 1 k ohms tipicamente, para alimentações entre 5 e 12 V. O resistor R2 tem valores usuais entre 10 k ohms e 100 k ohms, conforme o ponto de disparo ajustado. R5 é um elemento de realimentação positiva de modo a acelerar o disparo. O valor desse resistor depende da aplicação.
Circuito com Amplificador Operacional
Na figura 3 temos uma configuração semelhante em que a tensão de referência vem de um circuito externo, por exemplo, com base em um diodo zener.
Figura 3
A diferença em relação ao anterior está no fato de que o sinal do acoplador é aplicado à entrada não inversora. Os valores dos resistores são escolhidos conforme o ponto de disparo desejado e também a sensibilidade.
Excitação de Lógica TTL
O circuito da figura 4 utiliza dois transistores para a excitação de lógica TTL. Valores típicos dos componentes são mostrados no diagrama para a alimentação de 5 V. Eventualmente, ajustes podem ser feitos de acordo com a sensibilidade desejada.
Figura 4
Circuito com Acoplamento AC
O circuito exibido na figura 5 utiliza um capacitor de modo a produzir um pulso de curta duração quando um objeto passa pela chave óptica.O valor do capacitor estará entre 1 nF e 100 nF, dependendo da duração desejada para o pulso.
Figura 5
Os valores dos componentes são típicos, e o amplificador operacional pode ser de qualquer tipo. Ocasionalmente, alterações de alguns valores de resistores podem ser necessárias para se obter o desempenho desejado conforme a aplicação.
Circuito com Comparador Flutuante
No circuito da figura 6 usamos três amplificadores operacionais, sendo um deles configurado como comparador de tensão onde a referência é dada por R3 e R4 , cujos valores típicos estarão entre 2 k e 100 k ohms.
Figura 6
Os capacitores C1 e C2 são de desacoplamento enquanto que R1 e R2 são dimensionados conforme os demais circuitos apresentados. R1 depende da tensão de alimentação, fixando a corrente no emissor e R2 é a carga do receptor, fixando sua sensibilidade.
Esse circuito exige uma fonte de alimentação simétrica para o receptor. Para o transmissor, a fonte pode ser independente ou isolada do circuito do receptor.
Circuito Com Compensação de Emissão do LED
Um sistema de realimentação permite compensar a luz emitida pelo LED no circuito da figura 7.
Figura 7
Os valores dos componentes são típicos, mas eventualmente podem ser necessárias alterações conforme a aplicação. Essas alterações podem ser importantes, principalmente em R3, R4 e R5 que fixam os pontos de disparo dos comparadores. O transistor Q1 pode ser de uso geral e os amplificadores operacionais necessitam de fonte simétrica.
Circuito com Amplificador - II
Na figura 8 temos uma outra configuração com amplificador operacional, onde o resistor de 1 k ohms pode eventualmente ser alterado conforme a sensibilidade desejada.
Figura 8
O resistor de 470 k ohms tem por finalidade agregar histerese ao circuito, e a caraterística é de inversão de sinal. Isso significa que a saída vai ao nível alto quando um objeto é introduzido na chave óptica. Observe ainda que esse circuito não necessita de fonte de alimentação simétrica.
Circuito com Amplificador Operacional - III
O circuito apresentado na figura 9 tem um resistor de realimentação negativa determinando assim seu ganho.
Figura 9
Esse resistor pode ter valores na faixa de 100 k ohms a 1 M ohms, e o amplificador operacional não necessita de fonte de alimentação simétrica. Dependendo do amplificador usado, podem ser feitas alterações de valores dos resistores para se obter o melhor desempenho.
Circuito Transistorizado - I
Uma configuração com apenas um transistor e bom rendimento pode ser obtida da maneira mostrada na figura 10.
Figura 10
Pode-se usar qualquer transistor NPN de uso geral nessa configuração e o ganho depende dos resistores de coletor e base que, eventualmente podem ser alterados numa boa faixa de valores. Nesse circuito o acoplamento é AC (dado pelo capacitor), o que significa a produção de pulsos, mesmo quando o objeto permanece fora ou dentro da chave óptica.
Circuito com Emissor AC
A idéia básica do circuito ilustrado na figura 11 é usar luz modulada (AC) na chave óptica de modo a se evitar a influência da luz ambiente.
Figura 11
A modulação é obtida a partir de um CI 555 (astável) que gera pulsos de 400 µs separados por intervalos de 1,0 ms. Esses pulsos alimentam a chave óptica. Os pulsos são sensoriados pelo fototransistor, passando via capacitor à etapa amplificadora, onde o sinal estará disponível para comandar um circuito externo.
A freqüência do sinal foi escolhida de modo a ficar acima da freqüência da iluminação artificial, evitando-se assim a sua interferência nos circuitos.
Conclusão
Evidentemente, o que vimos aqui são apenas algumas poucas soluções das muitas que podem ser obtidas a partir das chaves ópticas convencionais. Lembramos também, que existem chaves ópticas com elementos sensores diferentes e até mesmo amplificação interna, o que permite o desenvolvimento de outras configurações.
*Originalmente publicado na revista Saber Eletrônica - Ano 43 - Edição 418
Figura 1
As chaves ópticas são extremamente rápidas e têm a vantagem de não utilizarem contatos mecânicos que podem desgastar-se e ainda apresentarem problemas de repiques.
Circuito com Comprador
O primeiro circuito que ilustramos na figura 2, consiste numa chave óptica que faz uso de um comparador de tensão. O comparador tanto pode ser elaborado com base em um amplificador operacional quanto pode ser usado um comparador convencional como o LM339.
Figura 2
Os resistores R3 e R4 fixam o ponto de disparo. R1 determina o brilho da fonte emissora podendo ficar entre 330 ohms e 1 k ohms tipicamente, para alimentações entre 5 e 12 V. O resistor R2 tem valores usuais entre 10 k ohms e 100 k ohms, conforme o ponto de disparo ajustado. R5 é um elemento de realimentação positiva de modo a acelerar o disparo. O valor desse resistor depende da aplicação.
Circuito com Amplificador Operacional
Na figura 3 temos uma configuração semelhante em que a tensão de referência vem de um circuito externo, por exemplo, com base em um diodo zener.
Figura 3
A diferença em relação ao anterior está no fato de que o sinal do acoplador é aplicado à entrada não inversora. Os valores dos resistores são escolhidos conforme o ponto de disparo desejado e também a sensibilidade.
Excitação de Lógica TTL
O circuito da figura 4 utiliza dois transistores para a excitação de lógica TTL. Valores típicos dos componentes são mostrados no diagrama para a alimentação de 5 V. Eventualmente, ajustes podem ser feitos de acordo com a sensibilidade desejada.
Figura 4
Circuito com Acoplamento AC
O circuito exibido na figura 5 utiliza um capacitor de modo a produzir um pulso de curta duração quando um objeto passa pela chave óptica.O valor do capacitor estará entre 1 nF e 100 nF, dependendo da duração desejada para o pulso.
Figura 5
Os valores dos componentes são típicos, e o amplificador operacional pode ser de qualquer tipo. Ocasionalmente, alterações de alguns valores de resistores podem ser necessárias para se obter o desempenho desejado conforme a aplicação.
Circuito com Comparador Flutuante
No circuito da figura 6 usamos três amplificadores operacionais, sendo um deles configurado como comparador de tensão onde a referência é dada por R3 e R4 , cujos valores típicos estarão entre 2 k e 100 k ohms.
Figura 6
Os capacitores C1 e C2 são de desacoplamento enquanto que R1 e R2 são dimensionados conforme os demais circuitos apresentados. R1 depende da tensão de alimentação, fixando a corrente no emissor e R2 é a carga do receptor, fixando sua sensibilidade.
Esse circuito exige uma fonte de alimentação simétrica para o receptor. Para o transmissor, a fonte pode ser independente ou isolada do circuito do receptor.
Circuito Com Compensação de Emissão do LED
Um sistema de realimentação permite compensar a luz emitida pelo LED no circuito da figura 7.
Figura 7
Os valores dos componentes são típicos, mas eventualmente podem ser necessárias alterações conforme a aplicação. Essas alterações podem ser importantes, principalmente em R3, R4 e R5 que fixam os pontos de disparo dos comparadores. O transistor Q1 pode ser de uso geral e os amplificadores operacionais necessitam de fonte simétrica.
Circuito com Amplificador - II
Na figura 8 temos uma outra configuração com amplificador operacional, onde o resistor de 1 k ohms pode eventualmente ser alterado conforme a sensibilidade desejada.
Figura 8
O resistor de 470 k ohms tem por finalidade agregar histerese ao circuito, e a caraterística é de inversão de sinal. Isso significa que a saída vai ao nível alto quando um objeto é introduzido na chave óptica. Observe ainda que esse circuito não necessita de fonte de alimentação simétrica.
Circuito com Amplificador Operacional - III
O circuito apresentado na figura 9 tem um resistor de realimentação negativa determinando assim seu ganho.
Figura 9
Esse resistor pode ter valores na faixa de 100 k ohms a 1 M ohms, e o amplificador operacional não necessita de fonte de alimentação simétrica. Dependendo do amplificador usado, podem ser feitas alterações de valores dos resistores para se obter o melhor desempenho.
Circuito Transistorizado - I
Uma configuração com apenas um transistor e bom rendimento pode ser obtida da maneira mostrada na figura 10.
Figura 10
Pode-se usar qualquer transistor NPN de uso geral nessa configuração e o ganho depende dos resistores de coletor e base que, eventualmente podem ser alterados numa boa faixa de valores. Nesse circuito o acoplamento é AC (dado pelo capacitor), o que significa a produção de pulsos, mesmo quando o objeto permanece fora ou dentro da chave óptica.
Circuito com Emissor AC
A idéia básica do circuito ilustrado na figura 11 é usar luz modulada (AC) na chave óptica de modo a se evitar a influência da luz ambiente.
Figura 11
A modulação é obtida a partir de um CI 555 (astável) que gera pulsos de 400 µs separados por intervalos de 1,0 ms. Esses pulsos alimentam a chave óptica. Os pulsos são sensoriados pelo fototransistor, passando via capacitor à etapa amplificadora, onde o sinal estará disponível para comandar um circuito externo.
A freqüência do sinal foi escolhida de modo a ficar acima da freqüência da iluminação artificial, evitando-se assim a sua interferência nos circuitos.
Conclusão
Evidentemente, o que vimos aqui são apenas algumas poucas soluções das muitas que podem ser obtidas a partir das chaves ópticas convencionais. Lembramos também, que existem chaves ópticas com elementos sensores diferentes e até mesmo amplificação interna, o que permite o desenvolvimento de outras configurações.
*Originalmente publicado na revista Saber Eletrônica - Ano 43 - Edição 418
Fonte: www.sabereletronica.com.br
