Esquemas Eletrônicos

A Figura 1 mostra o funcionamento de três tipos de microfones. O microfone de carvão da Figura 2a possui um grande número de grânulos de carvão dentro de pequeno invólucro. Quando esses grânulos forem comprimidos, sua resistência é baixa. Quando forem soltos, sua resistência é alta. A resistência varia entre esses valores quando ondas sonoras atingem o diafragma.

Figura 1

As ondas sonoras fazem o diafragma do microfone deslocar-se para trás e para frente. Esse movimento faz com que os grânulos sejam apertados e em seguida soltos. Em qualquer momento a resistência dos grânulos de carvão depende da posição do diafragma. isso provoca a mudança da corrente do circuito porque a corrente depende da resistência. Desde que a corrente varia com as ondas sonoras, isso pode ser chamado corrente de áudio.

Figura 2a

Quando a corrente de áudio flui através do resistor R, existe uma tensão áudio sobre R. Essa tensão áudio pode ser amplificada e usada conforme necessário.

O microfone de carvão é um exemplo de transdutor passivo. Por si mesmo não pode produzir uma tensão de saída. E necessário ter uma fonte de tensão contínua para obter corrente através de R. Essa corrente é necessária para produzir a tensão de áudio.

A Figura 2b mostra o princípio do microfone de cristal. O cristal é um material piezoelétrico que gera uma tensão quando for submetido à pressão. A pressão das ondas sonoras que deslocam o diafragma para frente e para trás provoca a vibração do cristal, o que produz uma tensão de saída. A tensão de saída está diretamente relacionada com a onda sonora que inside sobre o microfone. O microfone de cristal é um transdutor ativo, porque pode produzir uma tensão de saída por si mesmo.

Figura 2b

A Figura 2c mostra como funciona um microfone dinâmico. Nesse caso o diafragma é ligado a uma bobina enrolada sobre um tubo isolado muito leve. A forma da bobina é redonda, e ela se desloca sobre um ímã permanente. Conforme as ondas sonoras incidem sobre o diafragma, o diafragma desloca a bobina para trás e para frente no campo magnético. Isso faz com que seja induzida uma tensão de áudio na bobina, já que é sempre gerada uma tensão quando condutores são deslocados dentro de um campo magnético (lei de Faraday). A tensão de áudio está diretamente relacionada com as ondas sonoras que deslocam o diafragma. Este também é um transdutor ativo.

Figura 2c

Os três tipos de microfones indicados nas Figuras são usados em muitos sistemas eletrônicos.

O transdutor visto no sistema da Figura 1 alimenta um circuito de ponte. O circuito de ponte é necessário para um transdutor passivo. No lugar deste arranjo, o gerador termoelétrico (como por exemplo um termopar) podia ser usado como sensor. Este tipo de sensor é mostrado ria Figura 2f. Se tivesse sido usado no sistema da Figura 3v a saída seria uma tensão. Você precisaria ainda de um amplificador para aumentar a intensidade da tensão de saída. Entretanto, você não precisaria do circuito de ponte. O restante do sistema permaneceria inalterado.

Figura 1

A Figura 3 mostra um outro uso de um transdutor termoelétrico. Nesse caso uma chama piloto é usada para acender um sistema de aquecimento a gás. A chama aquece também a junção do termopar. A tensão de saída do termopar mantém a válvula de controle aberta. Se por alguma razão a chama se apaga. a tensão do termopar será reduzida a 0 volt e a válvula de controle fechará o gás. Isso impede o escape do gás dentro da sala, quando a chama piloto estiver aberta.

Figura 2

Figura 3

Um transdutor eletromagnético opera deslocando um campo magnético sobre um condutor. Não importa se o campo magnético é deslocado através do condutor ou se o condutor é deslocado através do campo magnético. Em ambos os casos haverá sempre uma tensão produzida.

O valor da tensão depende da velocidade com a qual o campo magnético desloca- se sobre o condutor. Depende também do número de condutores. Em outras palavras, deslocando dois condutores através de um campo magnético mais tensão será produzida de que deslocando um só condutor.

Você lembrará que um tacômetro é um transdutor usado para medir a velocidade do motor. A Figura 1 mostra um exemplo de um tacômetro eletromagnético. Dois ímãs permanentes são localizados numa roda de alumínio. Conforme cada ímã passa através da bobina, uma tensão é induzida. Isto porque o campo magnético está se deslocando sobre o condutor. O número de impulsos por minuto pode ser contado eletronicamente e dividido por dois (porque neste caso existem dois impulsos por revolução), e a velocidade em revoluções por minuto (r/min) pode ser indicado em display ou registrado. Dois ímãs são usados a fim de manter a roda balanceada.

Figura 1

Ao invés de usar uma fita perfurada, vista na Figura 3, alguns sistemas de controle eletrônico usam uma fita magnética. A Figura 2mostra como conseguir a informação através da fita magnética. Apesar de haver apenas uma cabeça indicada, seria prática comum usar Oito cabeças. Isto dará oito entradas. Observe também que existem oito entradas na fita perfurada da Figura 3.

Figura 2

A superfície da fita magnética é magnetizada em certos pontos ao longo do comprimento da fita. Os campos magnéticos nesta fita fazem o mesmo serviço que os furos na fita perfurada. A fita é deslocada contra a cabeça e, quando um ponto magnetizado passa no espaço de ar, o fluxo magnético desloca-se através do núcleo de ferro-doce. Este fluxo magnético corta a bobina em volta da cabeça e gera uma tensão na mesma.

A fita da Figura 2 é semelhante ao sistema usado com seus gravadores de fita em casa. Neste caso os campos magnéticos na fita são relacionados ao som ou voz ao invés de um código. E importante comparar os dois sistemas de fita nas Figuras 3 e 2. Existem apenas duas tensões de saída em cada sistema. Podem ser tensões O volt correspondente à não-existência de furo na fita perfurada ou não- existência de campo magnético na fita magnética, ou pode haver uma tensão da saída máxima, correspondente ao furo na fita perfurada ou a um ponto magnético na fita magnética. Portanto a saída pode ter apenas duas condições possíveis: tensão máxima ou tensão O volts. Não existem níveis diferentes de tensão, corno ‘você teria por exemplo numa fita para gravar música.

Figura 3

Um transdutor fotoelétrico pode ser tanto ativo como passivo. Com o tipo passisvo, alterações na energia luminosa produzem alterações na resistência. Este é o princípio do Transdutor fotorresistivo, mostrado na Figura 1c. Um transdutor fotoelétrico ativo produz uma tensão de saída que depende da intensidade da luz. As fotocélulas são exemplos de transdutores fotoelétricos ativos. Para as aplicações descritas nessa seção fototransdutor pode ser ativo ou passivo. O projetista é quem faz sua escolha.

Figura 1

A Figura 2 mostra como transdutores fotoelétricos podem ser usados para ler fitas perfuradas. Esses tipos de fitas são usados para controlar máquinas. Os rasgos são perfurados na fita. E usado um código especial para fazer estes rasgos. Conforme a fita passa na frente das células fotoelétricas, a luz passa através dos rasgos. Tensões são produzidas nas células fotoelétricas. Essas tensões são relacionadas com os rasgos, de modo que podem também ser relacionados ao código da fita. Na posição indicada, a luz está passando através de quatro rasgos e batendo quatro das células fotoelétricas. Quando essas quatro células fotoelétrícas geram uma tensão, o código pode significar que a máquina deve parar, ou pode significar que ela deve mudar de velocidade. Em outras palavras, o código instrui a máquina para fazer alguma coisa.

Figura 2

A Figura 3 mostra como células fotoelétricas podem ser usadas numa linha de montagem para contar caixas ou outros objetos. Conforme a caixa passa entre a mi e a célula fotoelétrica, a tensão de saída da célula fotoelétrica cai a zero. O contador elétrico é ligado de tal forma que, quando isto ocorre, um dígito é adicionado ao total. 

Figura 3

Os transdutores ativos produzem uma tensão de saída que depende muito do valor da energia de entrada. Em alguns casos a tensão pode ser suficiente para ser usada sem um amplificador. Na maioria dos casos, porém, amplificadores são usados para converter a tensões fracas de sinal do transdutores ai is os em grandes variações de energia necessárias para operar alguns dispositivos (como por exemplo um relé ou um motor).

À primeira vista você pode achar que não houve vantagem em usar o termistor e o circuito de ponte. Vamos supor pelo contrário que o termistor esteja ligado dentro do circuito simples mostrado na Figura 1.

Novamente, o termistor está localizado em algum ponto onde é necessário controlar as mudanças de temperatura. Quando a temperatura varia, a resistência do termistor também varia. Isso provoca um valor diferente da tensão E sobre o mesmo. O motivo para essa mudança de tensão é baseado na simples lei de Ohm, que reza que a tensão sobre a resistência depende da corrente através da mesma e também da resistência da mesma. Alterando a resistência do termistor alterará a tensão do mesmo. A pergunta é: por que não usar esse circuito simples ao invés do circuito mais complexo indicado na Figura 2

Figura 1

Para responder a essa pergunta, você deve em primeiro lugar considerar a tensão aplicada, que nos circuitos da Figura 2 e 1 é a bateria. (Na prática isso pode ser uma tensão alternada ou urna tensão contínua.) Vamos supor que a tensão aplicada na Figura 1 caia no valor em volts. Isso reduzirá a intensidade da corrente que flui através de R1 e do termistor, provocando uma queda da tensão E sobre o termistor. Haverá então urna alteração na tensão de saída independentemente do fato de que não existe alteração na temperatura que está sendo controlada. Isso signitïca que você obterá uma leitura errônea da tensão de saída.

Figura 2

No circuito da Figura 2 isso não ocorre. Quando a tensão aplicada diminui, a tensão no ponto a diminui. Entretanto, a tensão no ponto b também diminui no mesmo valor. A diferença entre a tensão nos pontos a e b permanece a mesma. Portanto E não varia quando a tensão aplicada varia.

Num transdutor capacitivo a energia controlada comanda o valor da capacitância. A capacitância de um capacitor depende de três fatores: a área das placas diretamente opostas uma a outra, a distância entre as placas, e o tipo de material usado para dielétrico.

A Figura 1 mostra dois exemplos de transdutores capacitivos. Na Figura 1a o valor da capacitância é alterado mudando a distância entre as placas. Essa distância é alterada pela aplicação de urna força externa, representada por uma seta. Conforme a força empurra as placas aproximando-as urna da outra, a capacitância aumenta.

FIgura 1

A Figura 1b mostra um outro exemplo de transdutor capacitivo. Neste caso o nível de um fluido não-condutor está sendo controlado mudando o dielétrico do capacitor.

Quando o tanque estiver cheio, o dielétrico consiste do fluido não- condutor. Conforme o fluido é esvaziado do tanque, acrescenta-se maior quantidade de ar dielétrico entre as placas, e dessa forma a capacitância é reduzida. Dessa maneira o valor da capacitância é diretamente relacionado ao nível do fluido.

Em outra versão do transdutor capacitivo, urna força externa insere o dielétrico
para dentro ou para tora da área entre as placas.

Quando a capacitância de um transdutor capacitivo for alterada, uma alteração do circuito é provocada. Por exemplo, você pode usar a mudança da capacitância para alterar a leitura de um medidor. Existem também Outros circuitos especiais de ponte que convertem mudanças de capacitância em mudanças de tensão.

A Figura 1 mostra alguns transdutores resistivos. Você deve sempre lembrar o fato de que transdutores passivos podem ser usados por um circuito em ponte de tal forma que uma alteração no valor da resistência produz uma alteração na tensão de saida.
Um termistor, Figura 1a, é um resistor sensível à temperatura. Isto foi discutido numa seção anterior.

A Figura 1b mostra como um resistor variável pode ser usado como transdutor, fazendo com que uma força mecânica controle diretamente o braço do resistor. Conforme a força mecânica se desloca da esquerda para a direi esistência entre os terminais .v e s’ aumenta.

O resistor fotossensível, Figura 1c, possui uma resistência que depende da quantidade de 1u7 incidindo sobre o mesmo.

O gerador de Hali, da Figura 1d, possui uma resistência que é diretamente relacionada com a quantidade e a intensidade do campo magnético presente.

O sensor de umidade, da Figura 1e, possui uma resistência que é relacionada com o teor de um idade presente na atmosfera. Alterações no valor da resistência são diretamente relacionadas com mudanças de umidade.

O sensor de detbrmaçào, Figura 1f possui um arame muito fino que corre atravês de um material flexível. Geralmente, este resistor é cimentado ao material sendo colocado sob tensão. Conforme o esforço for aplicado, o material se deforma fatendo com que o fio estique. Quando o fio for esticado, seu diâmetro muda; portanto, sua resistência muda.

É importante conhecer o sentido científico das palavras esforço e deformação. O esforço é uma Força que tende a causar uma mudança de forma num corpo e deforinação é a quantidade e o valor da mudança produzida num corpo como resistência do esforço aplicado. Desta forma, um sensor de deformação mede a mudança de forma de um corpo.

Figura 1

Exemplos de transdutores resistivos; (a) termistor; (b) resistor
variável (c) resistor fotossensível; (d) gerador de Hall (e) sensor de umidade (d) de; (1) sensor de deformação.

Na Figura 2 você pode ver corno uru resistor variável pode ser usado para determinar o nível de um fluido dentro de um tanque. A bóia desloca-se para cima e para baixo com o nível do fluido. Conforme o movimento da bóia, altera-se a resistência do resistor variável R. O resistor R está ligado corno um reostato de tal forma que quando o tanque estiver cheio a resistência é de O ohm. Quando o tanque estiver vazio a resistência entre o ponto a e a terra é máxima. Como no caso de outros transdutores resistivos a saída pode ser ligada a um circuito em ponte.

Existem outras variações do circuito da Figura 2 que também são importantes. Ao invés do conjunto de alavancas ser ligado a urna bóia, conforme indicado na ilustração, o mesmo pode ser ligado a qualquer objeto que se desloca dentro de uma distância limitada. Com esse arranjo é possível obter uma saída de resistência que varia conforme a posição.

Figura 2

Resumo

1. Os transdutores que sentem a velocidade do motor são chamados tacômetros.
2. Quando um transdutor, ligado à saída de um sistema, for usado para controle da entrada deste mesmo sistema, o mesmo é chamado sistema em circuito fechado.
3. Um transdutor resis1vo altera o valor da resistência quando ocorre urna mudança na grandeza controlada.
4. Você viu exemplos de transdutores resistivos sendo usados para controlar calor, movimento, luz, intensidade de campo magnético, umidade, força e nível de fluido.
5. Outros usos de transdutores resistivos são também possíveis.
6. Um termistor é um transdutor sensiel à temperatura. Sua resistência varia dentro de uma ampla faixa para pequenas alterações em sua temperatura.
7. O esforço é uma força que tende a alterar a forma de um corpo, e a deformação é a alteração de forma que ocorre quando é aplicado o esforço.

Com um transdutor passivo (não gerador), a energia sendo controlada produz alterações na resistência, capacitância e indutância. Vamos olhar de novo para o circuito da Figura 1. Você poderá ver que a energia sendo controlada é o calor e que um termistor é usado como sensor. Algumas alterações da temperatura provocam alterações importantes na resistência do termistor. O termistor é um exemplo de um transdutor passivo.

Figura 1

Antes de estudar os diversos tipos de transdutores e como funcionam, será útil você lembrar dois exemplos simples dos usos de um transdutor.

A Figura 1 mostra um esquema simplificado de um sistema de temperatura controlada. Neste desenho, a área aquecida deve ser mantida a uma temperatura constante. Um transdutor é inserido na área aquecida e ligado num circuito ponte. Qualquer alteração da temperatura dentro da área aquecida irá causar uma alteração na resistência do transdutor. Isto, por sua vez, irá produzir um sinal de saída no circuito ponte.
O sinal de saída no circuito ponte é levado a um amplificador que serve para duas finalidades: o amplificador aumenta o sinal da ponte; modifica também o sinal de modo que pode ser usado para operar o circuito de controle. O circuito de controle possui duas entradas: uma entrada no amplificador e outra em corrente alternada para operar o aquecedor na área aquecida. A potência para o aquecedor é ligada e desligada pelo circuito de controle.

Figura 1

Iremos iniciar com a premissa de que a área aquecida está exatamente na temperatura correta e o aquecedor está desligado. Vamos agora supor que a temperatura comece a cair. Isto altera o sinal de saída do transdutor e reduz o sinal do circuito ponte, O amplificador aumenta o sinal de modo que possa ser usado para ligar o circuito de controle. O circuito de controle fornece energia alternada ao aquecedor. O aquecedor eleva a temperatura da área aquecida de volta para a temperatura desejada. Tão logo a temperatura desejada seja atingida, a saída do transdutor volta ao normal e o amplificador não faz mais o circuito de controle enviar energia para o aquecedor.

A saída de potência do transdutor é muito pequena para ser usada para operar diretamente o circuito de controle. Esta é a razão por que é necessário um amplificador no sistema.

Na última seção você viu dois tipos de transdutores. Aqueles que produzem a tensão de saída e aqueles que não produzem tensão de saída. Estes eram chamados transdutores ativos e transdutores passivos. O transdutor que você vê no circuito da Figura 1 é passivo, isto é, ele não produz uma tensão de saída. De fato, é um resistor sensível à temperatura chamado termistor. Quando a temperatura na área aquecida muda, a resistência do termistor muda.

Uma fonte externa de alimentação de corrente contínua é necessária para converter as alterações da resistência do termistor nas alterações da tensão, fornecidas para o amplificador. Urna tensão continua de alimentação é também necessária para operar os circuitos do amplificador. A Figura 2 mostra um outro exemplo de como o transdutor pode :;er usado no sistema de comando. A finalidade do sistema é comandar a velocidade de um motor. Um tacômetro é usado como transdutor. Um tacômetro produz uma tensão que é proporcional à velocidade do motor. Um amplificador é necessário para aumentar a tensão de saída do tacômetro.

Figura 2

Existem duas tensões de entrada para o comparador. Uma é a tensão do amplificador do transdutor e a outra é uma tensão de referência. Se as duas tensões forem iguais, não existe saída do comparador para o circuito de comando e a velocidade do motor não é alterada. Se a velocidade do motor diminuir ou a saída do amplificador do transdutor for inferior à tensão de referência no comparador, isto produz uma tensão enviada ao circuito de comando que irá aumentar a velocidade do motor. Por outro lado, se a velocidade do motor exceder o valor permitido, a tensão de saída do amplificador do transdutor será maior do que a tensão de referência. Neste caso, a saída do comparador irá fazer com que o circuito de comando reduza a velocidade do motor para a velocidade correta.

Os circuitos das Figuras 1 e 2 possuem duas coisas muito importantes em comum. Em primeiro lugar, ambos usam transdutores. O transdutor sente o calor no circuito de comando da Figura 1 e o transdutor da Figura 2sente a velocidade mecânica do motor. Outra coisa que os dois circuitos têm em comum é que a saída do transdutor é usada indiretamente para controlar a energia de entrada no sistema sendo controlado. Na Figura 1a saída do transdutor controla a entrada de energia para o aquecedor. Na Figura 2 controla a tência para o motor. Os circuitos como aqueles indicados são chamados sistemas em circuito fechado.