Optoeletronica Teoria e Prática

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OPTOELETRNICATEORIA E PRTICA

Aldo Lopes

No nos responsabilizamos pelo uso imprprio dos projetos publicados. Os projetos no podem ser comparados a produtos industrializados e, embora tenham sido exaustivamente testados em laboratrio, esto sujeitos a pequenos desvios em suas caractersticas tcnicas, inerentes s variaes de qualidade dos componentes utilizados e s ligaes executadas pelo montador. Utilize apenas componentes de boa qualidade e de procedncia conhecida, jamais reaproveitando peas usadas de placas defeituosas ou sucatas.

Todos os direitos reservados. Proibida a reproduo total ou parcial sem prvia autorizao por escrito do autor.

COPYRIGHT BY ALDOBERTO LOPES 1998, 1999, 2000

NDICEINTRODUO ............................................................................................................... 5 CAPTULO 1 DISPOSITIVOS E COMPONENTES OPTOELETRNICOS ............................... 6A LUZ ................................................................................................................................... 6 APLICAES DOS OPTOELETRNICOS ................................................................... 7 LMPADA INCANDESCENTE ....................................................................................... 8 LED - DIODO EMISSOR DE LUZ ................................................................................... 9 DISPLAY FLUORESCENTE............................................................................................. 12 LDR - LIGHT DEPENDENT RESISTOR ........................................................................ 13 FOTO-DIODO ..................................................................................................................... 16 FOTO-TRANSISTOR ......................................................................................................... 17 LASCR (LIGHT ACTIVATED SCR) ................................................................................ 17 DIODO EMISSOR OU LED DE INFRA-VERMELHO ................................................. 18 FOTO-ACOPLADOR ......................................................................................................... 18 FOTO-DIAC E FOTO-TRIAC ........................................................................................... 19 CHAVES PTICAS ............................................................................................................ 20

CAPTULO 2 APLICAES CLSSICAS ......................................................................................... 21FOCO AUTOMTICO EM VIDEO-CMERAS ............................................................ 21 SERVOMECANISMO DE VIDEO-CASSETE ................................................................ 22 UNIDADE PTICA DE COMPACT DISC PLAYER ..................................................... 24

CAPTULO 3 PROJETOS PARA MONTAGEM ................................................................................ 26PROJETO 1: FOTO-SENSOR DE SOMBRA .................................................................. 26 PROJETO 2: DESPERTADOR SOLAR ........................................................................... 28 PROJETO 3: PROVADOR DE TRANSISTORES, DIODOS E LEDS .......................... 30 PROJETO 4: ALERTA - LUZ DE SEGURANA ........................................................... 33 PROJETO 5: FOTO-ESTIMULADOR DE RELAXAMENTO ...................................... 35 PROJETO 6: ALARME POR INFRA-VERMELHO ....................................................... 38 PROJETO 7: SIMULADOR DE PRESENA PROGRAMVEL ................................. 47

CAPTULO 4 FONTES DE ALIMENTAO .................................................................................... 54

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INTRODUO

Os fenmenos luminosos so de grande importncia na histria da Fsica. Na tentativa de entendlos e explic-los, os fsicos desenvolveram diversas teorias, algumas muito poderosas, como o Eletromagnetismo e a Teoria Quntica. H muito tempo, os homens aceitaram em comum acordo uma explicao muito simples do que seria responsvel fisicamente pela nossa viso dos objetos: vemos os objetos por existir algo, denominado luz, que vem da superfcie desses objetos at nossos olhos. A partir da, as dificuldades se tornavam maiores: como explicar esse algo denominado luz? Na procura de uma explicao fsica, surgiram vrios modelos propostos para a luz, como os modelos ondulatrio, corpuscular e quntico. medida que o homem passou a conhec-la melhor, esse conhecimento, aliado evoluo tecnolgica, originou novas aplicaes para a luz e seus fenmenos, levando idealizao e desenvolvimento de muitos dispositivos pticos e optoeletrnicos. Neste livro, nosso objetivo no analisar minuciosamente caractersticas ou propriedades da luz, e sim oferecer ao leitor condies para entender o funcionamento de dispositivos e circuitos eletrnicos que se utilizam dela. Estudaremos os componentes eletrnicos que operam recebendo e emitindo luz, e utilizaremos alguns dos mesmos em projetos prticos, com aplicaes bem definidas e interessantes ao leitorestudante. Naturalmente, alguns dispositivos so viveis apenas para uso em equipamentos de porte ou profissionais. Dessa forma, aplicaremos nos projetos somente os disponveis no mercado tradicional de componentes eletrnicos e que tenham custo accessvel. Por se tratar de um tema especfico da eletrnica, no incluimos no contedo deste livro conceitos e explanaes referentes eletrnica bsica, embora o devido cuidado na elaborao do texto e ilustraes tenha sido tomado, objetivando facilitar a compreenso e o aprendizado mesmo dos leitores iniciantes na eletrnica.

Aldo Lopes

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CAPTULO 1: DISPOSITIVOS E COMPONENTES OPTOELETRNICOS

A LUZNa maioria dos ramos da eletrnica, as ondas de radio-frequncia (RF) tm como principal referncia sua frequncia, em hertz (Hz), ficando os correspondentes perodo (T) e comprimento de onda () apenas subentendidos. Raramente ouvimos algum dizer: essa senide de 10 ms. O comum dizermos: essa senide de 100 Hz, referindo-se sua frequncia, e no ao seu perodo, ou muito menos ao seu comprimento de onda. Embora a luz tambm seja uma irradiao eletromagntica, havendo uma frequncia para cada cor, sua principal referncia o seu comprimento de onda, e no a sua frequncia ou o seu perodo. As irradiaes do grupo ptico so ondas 1 eletromagnticas compreendidas na faixa de comprimento de onda que vai de 10 nm a 10 6 nm (=1mm), onde a unidade nanometro (nm) um sub-mltiplo do metro, e 1 nm equivale a 10-9m. A figura 1 mostra o espectro de frequncias, incluindo a faixa correspondente luz. Para ser cientificamente correto, a palavra luz somente deveria ser utilizada para referir-se faixa de comprimentos de ondas visveis pelo olho humano. No entanto, por apresentar as mesmas propriedades da luz visvel, as irradiaes imediatamente anterior e imediatamente posterior a ela, geralmente tambm so tratadas pelo mesmo nome: luz. O comprimento de onda caracteriza a cor da luz. De 10 nm a 1 mm, so visveis pelo olho humano apenas os comprimentos de onda entre cerca de 400 nm (violeta) e 700 nm (roxo). A tabela 1 mostra a distribuio da irradiao ptica na faixa de 100 nm a 1 mm de comprimento de onda. TABELA 1 De 100 nm a 380 nm situase a irradiao ultra-violeta (UV), COMPRIMENTO IRRADIAO DE ONDA PTICA subdividida em 3 faixas: UV-C, UVB e UV-A. De 380 nm a 750 nm 100 nm - 280 nm UV-C temos a faixa de irradiao visvel 280 nm - 315 nm UV-B 315 nm - 380 nm UV-A (luz). E, no final da faixa de 380 nm - 440 nm luz violeta irradiao ptica, temos o infra440 nm - 495 nm luz azul vermelho (IR - Infra-Red), tambm 495 nm - 580 nm luz verde subdividindo-se em trs: IR-A, IR-B 580 nm - 640 nm luz amarela 640 nm - 750 nm luz vermelha e IR-C. 750 nm - 1400 nm IR-A 1,4 um - 3 um IR-B 3 um - 1000 um IR-C UV - Ultra-violeta IR - Infra-vermelho

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APLICAES DOS OPTOELETRNICOSOs componentes optoeletrnicos so utilizados em muitos ramos da indstria, e esto presentes em muitos equipamentos de uso domstico. So utilizados em mquinas de controle e processamento de dados, na indstria automobilsticas e seus automveis, em mquinas fotogrficas, em equipamentos de gravao e reproduo de som, em microcomputadores, enfim, em uma infinidade de equipamentos e produtos eletro-eletrnicos, seja de uso profissional ou domstico. Conforme a aplicao dos dispositivos optoeletrnicos, podemos inclu-los em um ou mais dos seis grupos principais: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Dispositivos Dispositivos Dispositivos Dispositivos Dispositivos Dispositivos de medio, monitorao, controle e teste de fontes de luz de irradiao sem modulao de irradiao modulada para displays alfanumricos para gravao e transmisso de imagens para reproduo de imagens

No grupo 1, entende-se como fontes de luz aquelas que 2 irradiam ondas eletromagnticas predominantemente na faixa espectral visvel, incluindo-se a luz natural (do sol), luzes artificiais (de lmpadas) e a luz proveniente das chamas. Como alguns exemplos de equipamentos e aplicaes utilizando dispositivos desse grupo temos: fotmetros, que so medidores de intensidade luminosa muito utilizados em estdios de fotografia e de televiso, medidores de densidade de poeira em ambientes industriais controlados, circuitos de monitorao de iluminao ambiente para controle automtico de brilho em televisores ou para o acionamento automtico de lmpadas em vitrines de lojas ou iluminao pblica, etc. Esses dispositivos, em suas aplicaes, tm uma de suas propriedades variando conforme a intensidade da luz que o atinge, sendo essa variao interpretada por um circuito de medio ou por outros dispositivos e circuitos de controle (figura 2). Nos equipamentos e sistemas que utilizam dispositivos do grupo 2, a luz no-direcional de um emissor convertida em feixes paralelos, sendo direcionada a um receptor, que um transdutor fotoeltrico (figura 3). O transdutor-receptor 3 converte a luz incidente em um sinal DC, que processado por um circuito eletrnico. Esses circuitos so utilizados como sensores de presena em esteiras industriais, medidores de rotao (rpm) de mquinas e motores, contadores de peas, detetores de OPTOELETRNICA. TEORIA E PRTICA. 7

passagem para a 4 monitorao de ambientes, sensores de mecanismos de video-cassettes e mecanismos de outros aparelhos servocontrolados, alarmes utilizando barreiras infravermelhas, entre muitas outras aplicaes. O grupo 3 engloba as aplicaes do grupo 2, no entanto, o emissor envia uma luz modulada, que convertida pelo receptor em um sinal AC (figura 4). O amplificador de AC torna o circuito mais sensvel e seletivo, alm de garantir melhor estabilidade trmica do que o circuito que atua com DC. Alm das aplicaes do grupo 2, o artifcio de modulao acrescenta outras, como gravao e reproduo por sistema ptico (laser discs), transmisso e recepo de sinais de telefonia e de computadores (fibra tica), controles remotos de equipamentos domsticos e portas de garagem, link ptico, etc. Os componentes de sinalizao, como displays, LEDs, lmpadas e tubos de imagem, participam do grupo 4. So utilizados em equipamentos e produtos diversos, em geral com a funo de facilitar a operao ou sinalizar problemas funcionais, fazendo a traduo da linguagem da mquina para o usurio, ou seja, atravs desses dispositivos a mquina pode passar de forma intelegvel uma informao para o usurio, conversando com ele. J no grupo 5, esto incluidos os tubos de captao de imagens das cmeras captadoras e/ou gravadoras, utilizadas tanto profissionalmente, em sistemas de segurana (circuito fechado de TV), na gravao ou transmisso de imagens para a televiso, etc, como para o entretenimento, a exemplo das cmeras de uso pessoal (domsticas). Outros dispositivos que fazem parte desse grupo so: a cabea ptica de leitura do FAX e o sensor de imagem de estado slido (CCD). O CCD praticamente j substituiu os tubos de captao das cmeras e ultimamente vem tomando o lugar das cabeas de leitura no FAX. Finalmente, fazem parte do grupo 6 os dispositivos para a reproduo de imagens, principalmente o tubo de imagem dos televisores, alm dos tubos utilizados em radares e osciloscpios, incluindo ainda os mostradores fluorescentes a vcuo e de cristal lquido.

LMPADA INCANDESCENTEA lmpada incandescente, h algum tempo, era o componente mais utilizado para sinalizaes, principalmente em painis de instrumentos e equipamentos eletro-eletrnicos. Consiste de um filamento, normalmente de 5 tungstnio, envolvido por um bulbo de vidro que pode ter diversos formatos, no interior do qual feito vcuo ou includo um gs inerte (figura 5). O oxignio no pode estar presente no interior do bulbo para que a combusto no ocorra, j que o fogo s possvel na presena do mesmo. Quando a corrente eltrica percorre o filamento, ele aquece ao ponto de emitir uma luz intensa. A temperatura do tungstnio fica na faixa de 2200K a 3000K. Como seu ponto de fuso altssimo, ficando em torno de 3600K, ele pode ser

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aquecido a elevadas temperaturas sem se romper. Nota: A letra K o smbolo correspondente unidade de medida de temperatura absoluta, o kelvin, que tem origem no zero absoluto (temperatura em que as molculas ficam em repouso - sem agitao), correspondendo a -273 graus Celsius. A lmpada de filamento tem um coeficiente de temperatura positivo, como um PTC, ou seja, medida a frio sua resistncia muito menor do que aps o aquecimento do filamento. Atualmente, outros dispositivos substituem as lmpadas na tarefa de sinalizao e comunicao visual, servindo como exemplo os LEDs e os displays (de LEDs, fluorescentes a vcuo ou de cristal lquido), sendo muitas vezes mais econmicos, tanto na construo como no tocante ao consumo de energia eltrica.

LED - DIODO EMISSOR DE LUZO LED (light emitter diode - diodo emissor de luz), como o prprio nome j diz, um diodo (juno P-N) que quando energizado emite luz visvel. A luz monocromtica e produzida pelas interaes energticas do eltron. O processo de emisso de luz pela aplicao de uma fonte eltrica de energia chamado eletroluminescncia. Em qualquer juno P-N polarizada diretamente, dentro da estrutura, prximo juno, ocorrem recombinaes de lacunas e eltrons. Essa recombinao exige que a energia possuida por esse eltron, que at ento era livre, seja liberada, o que ocorre na forma de calor ou ftons de luz. No silcio e no germnio, que so bsicos nos diodos e transistores, entre outros componentes eletrnicos, a maior parte da energia liberada na forma de calor, sendo insignificante a luz emitida, e os componentes que trabalham com maior capacidade de corrente chegam a precisar de irradiadores de calor 6 (dissipadores) para ajudar na manuteno dessa temperatura em um patamar tolervel. J em outros materiais, como o arsenieto de glio (GaAs) ou o fosfeto de glio (GaP), o nmero de ftons de luz emitido suficiente para constituir fontes de luz bastante visveis. A figura 6 apresenta de forma simplificada uma juno P-N de um LED e demonstra seu processo de eletroluminescncia. O material dopante de uma rea do semicondutor contm tomos com um eltron a menos na banda de valncia em relao ao material semicondutor. Na ligao, os ons desse material dopante (ons aceitadores) removem eltrons de valncia do semicondutor, deixando lacunas, portanto, o semicondutor torna-se do tipo P. Na outra rea do semicondutor, o material dopante contm tomos com um eltron a mais do que o semicondutor puro em sua faixa de valncia. Portanto, na ligao esse eltron fica disponvel sob a forma de eltron livre, formando o semicondutor do tio N. Na regio de contato das duas reas, eltrons e lacunas se recombinam, criando uma fina camada isenta de portadores de carga, a chamada barreira de potencial, onde temos apenas os ons doadores da regio N e os ons aceitadores da regio P, que por no apresentarem portadores de carga isolam as demais lacunas do material P dos outros eltrons livres do material N. Um eltron livre ou uma lacuna s pode atravessar a barreira de potencial mediante a aplicao de energia externa (polarizao direta da juno).

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Aqui preciso ressaltar um fato fsico do semicondutor: nesses materiais, os eltrons s podem assumir determinados nveis de energia (nveis discretizados), sendo as bandas de valncia e de conduo as de maiores nveis energticos para os eltrons ocuparem. A regio compreendida entre o topo da de valncia e a parte inferior da de conduo a chamada banda proibida. Se o material semicondutor for puro, no ter eltrons nessa banda (da ser chamada proibida). Como mostra a figura 7, a recombinao entre eltrons e lacunas, que ocorre depois de vencida a barreira de potencial, pode acontecer na banda de valncia ou na proibida. A possibilidade dessa recombinao ocorrer na banda proibida se deve criao de estados eletrnicos de energia nessa rea pela introduo de outras impurezas no material. Como a recombinao ocorre mais facilmente no nvel de energia mais prximo da banda de conduo, pode-se escolher adequadamente as impurezas para a confeco dos LEDs, de modo a 8 exibirem bandas adequadas para a emisso da cor de luz desejada (comprimento de onda especfico). A luz emitida monocromtica, sendo a cor, portanto, dependente do cristal e da impureza de dopagem com que o componente fabricado. O LED que utiliza o arsenieto de glio emite radiaes infravermelhas. Dopando-se com fsforo, a emisso pode ser vermelha ou amarela, de acordo com a concentrao. Utilizando-se fosfeto de glio com dopagem de nitrognio, a luz emitida pode ser verde ou amarela. Na figura 8, encontra-se o aspecto fsico de alguns LEDs e o seu smbolo eltrico. Em geral, os LEDs operam com nvel de tenso de 1,6 a 3,3V, sendo compatveis com os circuitos de estado slido. A potncia necessria est na faixa tpica 9 de 10 a 150 mW, com um tempo de vida til de 100.000 ou mais horas. Como o LED um dispositivo de juno PN, sua caracterstica de polarizao direta semelhante de um diodo semicondutor (figura 9). Sendo polarizado, a maioria dos fabricantes adota um cdigo de identificao para a determinao externa dos terminais A (anodo) e K (catodo) dos LEDs. Nos LEDs redondos, duas codificaes so comuns: identifica-se o terminal K como sendo aquele junto a um pequeno chanfro na

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lateral da base circular do seu invlucro (corpo), ou 10 por ser o terminal mais curto dos dois. Existem fabricantes que adotam simultaneamente as duas formas de identificao. Nos LEDs retangulares, alguns fabricantes marcam o terminal K com um pequeno alargamento do terminal junto base do componente, ou ento deixam esse terminal mais curto. Essas identificaes so notadas na figura 10. Mas, pode acontecer do componente no trazer qualquer referncia externa de identificao dos terminais. Nesse caso, se o invlucro for semi-transparente, pode-se identificar o catodo (K) como sendo o terminal que contm o eletrodo interno mais largo do que o eletrodo do outro terminal (anodo). Alm de mais largo, s vezes o catodo mais baixo 11 do que o anodo (figura 11). Os diodos emissores de luz so empregados tambm na construo dos displays alfa-numricos (figura 12). H tambm LEDs bicolores, que so constituidos por duas junes de 12 materiais diferentes em um mesmo invlucro, de modo que uma inverso na polarizao muda a cor da luz emitida de verde para vermelho, e vice-versa. Existem ainda LEDs bicolores com trs terminais, sendo um para acionar a juno dopada com material para produzir luz verde, outro para acionar a juno dopada com material para gerar a luz vermelha, e o terceiro comum s duas junes. O terminal comum pode corresponder interligao dos anodos das junes (LEDs bicolores em anodo comum) ou dos seus catodos (LEDs bicolores em catodo comum). Embora normalmente seja tratado por LED bicolor (vermelho+verde), esse tipo de LED na realidade um tricolor, j que alm das duas cores independentes, cada qual gerada em uma juno, essas duas junes podem ser simultaneamente polarizadas, resultando na emisso de luz alaranjada. Geralmente, os LEDs so utilizados em substituio s lmpadas de sinalizao ou lmpadas pilotos nos painis dos instrumentos e aparelhos diversos. Para fixao nesses painis, comum o uso de suportes plsticos com rosca. LIMITAES DE UM LED Como o diodo, o LED no pode receber tenso diretamente entre seus terminais, uma vez que a corrente deve ser limitada para que a juno no seja danificada. Assim, o uso de um resistor limitador em srie com o LED comum nos circuitos que o utilizam. Tipicamente, os LEDs grandes (de aproximadamente 5 mm de dimetro, quando redondos) trabalham com correntes da ordem de 12 a 20 mA e os pequenos (com aproximadamente 3 mm de dimetro) 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 um pequeno, com uma fonte de 12V, como mostra a figura 13. Independentemente do LED, note que a tenso sobre ele da ordem de 2V, conforme a curva caracterstica da figura 9.

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Assim:

13R1 = 12 - 2 I1 R2 = 12 - 2 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 prximos.

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Os LEDs no suportam tenso reversa (Vr) de valor significativo, podendo danificarem-se com apenas 5V de tenso nesse sentido. Por isso, quando alimentado por tenso C.A., o LED costuma ser acompanhado de um diodo retificador em antiparalelo (figura 14), com a finalidade de conduzir os semi-ciclos nos quais ele - LED - fica no corte, limitando essa tenso reversa em torno de 0,7V (tenso direta mxima do diodo), ou seja, em um valor suficientemente baixo para que sua juno no se danifique.

DISPLAY FLUORESCENTE A VCUOO mais popular tipo de display o formado por diodos emissores de luz (LEDs) - veja a figura 12. Alm da vantagem do custo relativamente baixo, o display de LEDs oferece alta confiabilidade e vida longa, sendo encontrados geralmente em quatro cores: vermelho, amarelo, laranja e verde. O vermelho o mais econmico de se fabricar, e por isso o mais comum no mercado. Mas, desde o surgimento do video-cassete, outro tipo de mostrador que ganhou bastante popularidade foi o display fluorescente a vcuo, tambm muito utilizado, ainda atualmente, em compact disc players e outros equipamentos de udio e vdeo. Apesar de no ser to recente, poucos sabem realmente como esse display funciona. CONSTRUO E FUNCIONAMENTO Na maneira como construdo e no princpio de funcionamento, o display fluorescente a vcuo muito parecido com uma vlvula triodo a vcuo. Cada segmento ou smbolo possui um catodo, o qual est associado a uma grade de controle (que tem a funo de ativar e desativar o segmento) e formado por um anodo revestido com fsforo. O anodo tem o exato formato do segmento, do desenho ou do ponto que ser visvel (figura 15). O catodo aquecido, feito de um material especialmente selecionado, emite grandes quantidades de eltrons, formando ento uma nuvem de eltrons ao seu redor. Uma grade metlica de controle montada entre o catodo e o anodo. Quando essa grade est polarizada negativamente, os eltrons emitidos pelo catodo so repelidos e forados a permanecerem nas

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proximidades do catodo. 15 Quando essa grade levada a um potencial positivo, ela atrai os eltrons do catodo. A maioria dos eltrons passa pela grade e atinge o anodo, polarizado mais positivamente. Como o anodo revestido com fsforo, ao ser bombardeado pelos eltrons ele emite luz. Essa a razo dele ser feito exatamente no formato do segmento, do ponto ou do desenho que deve ser formado e visto pelo usurio. O formato dos anodos emissores de luz depende da aplicao do display, ou seja, do aparelho no qual empregado, e como alguns exemplos temos: os segmentos dos nmeros do contador de fita e relgio, o desenho representativo de uma fita cassete para indicar a existncia de fita no compartimento, os tringulos que indicam o sentido de movimento da fita nas funes PLAY, FF e REW, o smbolo representando um pequeno relgio para indicar a funo TIMER ativa, alm de palavras inteiras escritas, como REC, TIMER, REPEAT, AUTO TRACKING, PROGRAM, RANDON, entre outros smbolos e caracteres. Pelo princpio de funcionamento, a tenso exigida para o display fluorescente a vcuo maior do que a necessria para o funcionamento dos displays de LEDs, situando-se por volta de 30 a 40V, alm de exigir ainda uma tenso para a alimentao do filamento (cerca de 4 Vac). Como a corrente exigida baixa, seu consumo chega a ser metade do consumo dos displays de LEDs e, apesar disso, apresenta alta luminosidade. Os circuitos que utilizam o display fluorescente a vcuo atuam sequencialmente, j que o display geralmente do tipo multiplexado, ou seja, a cada terminal de segmento (a at k) corresponde mais de um smbolo. Os smbolos que devem ficar visualmente acesos so ativados apenas momentaneamente, numa operao de varredura controlada por um microprocessador. Como nossa viso no capaz de acompanhar essa varredura muito rpida, aquele smbolo, piscando em uma freqncia muito rpida, aparentemente nos parece continuamente aceso. Para acender um smbolo do display, o micro leva a tenso da grade qual ele est associado a uma tenso positiva, acelerando os eltrons livres ao redor do catodo. O terminal do anodo correspondente ao smbolo tambm passado de tenso negativa para positiva, para poder atrair os eltrons que passaram pela grade. Quando os eltrons atrados se chocam com o anodo revestido com fsforo (material fluorescente), esse eletrodo emite luz, ou seja, acende. Outros smbolos que tambm devem acender, e so controlados por essa grade, tambm tero o anodo polarizado com tenso positiva pelos pinos de controle do micro, e os que precisam ficar apagados continuaro com tenso negativa. A tenso negativa j vimos fica em torno de -30V e a tenso positiva geralmente de 5V.

LDR - LIGHT DEPENDENT RESISTORTambm chamado de clula foto-condutiva, ou ainda de foto-resistncia, o LDR um dispositivo semicondutor de dois terminais, cuja resistncia varia linearmente com a intensidade de luz incidente, obedecendo equao R=C.L., onde L a luminosidade em Lux e C e so constantes dependentes do processo de fabricao e material utilizado. A figura 16 mostra um LDR e o seu smbolo de identificao mais comumente encontrado em esquemas e diagramas. OPTOELETRNICA. TEORIA E PRTICA.

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Os materiais foto-condutivos mais frequentemente utilizados na sua construo so o sulfeto de cdmio (CdS) e o seleneto de cdmio (CdSe). CARACTERSTICAS, CONSTRUO E FUNCIONAMENTO Conforme mencionamos, os LDRs sofrem influncia da luz incidente, aumentando sua condutividade quando exposto a essa radiao eletromagntica. O comprimento de onda () da luz incidente sobre o LDR 17 tem influncia sobre sua resistncia - a chamada Resposta Espectral. Os LDRs so como o olho humano, no apresentam a mesma sensibilidade para as mesmas cores de luz. Na figura 17 temos o traado grfico relacionando a sensibilidade de um LDR em funo do comprimento de onda da radiao eletromagntica incidente, comparando-a com a sensibilidade do olho humano. O pico de sensibilidade do LDR ocorre aproximadamente em 5100 ngstron. Nessa faixa de comprimento de onda, a luz vermelha-alaranjada. Atravs desse grfico, notamos ainda que o LDR mais sensvel do que o olho humano, cobrindo uma faixa maior de comprimentos de onda, chegando a ser sensibilizado mesmo pelo infra-vermelho, o que sugere algumas aplicaes interessantes para esse componente. A variao da resistncia de um LDR em funo de uma variao de iluminao no se d instantaneamente. Se o componente for deslocado de uma regio de iluminao para uma regio de escuro total, sua resistncia no aumentar instantaneamente, apresentando uma 18 resposta, na prtica, em torno de 200k ohms/s (figura 18). Isso significa que, estando iluminado de modo a apresentar uma resistncia de 1000 ohms (1k), cortando-se essa luz o LDR demora cerca de 5 segundos para atingir a resistncia de 1M ohms. Passando o LDR do escuro total para uma regio de certa iluminao, verifica-se uma variao de resistncia mais rpida, decrescendo com grande velocidade (cerca de 10 ms para passar de 1M ohms para 1000 ohms). Em geral, o tempo de resposta dos LDRs de CdSe cerca de dez vezes menor que o tempo de resposta dos LDRs de CdS. A resistncia mxima (no escuro) de um LDR deve ficar entre 1M ohms e 10M ohms, dependendo do tipo, e a resistncia sob iluminao ambiente tipicamente fica entre 75 e 500 ohms. O grfico da figura 19 demonstra o comportamento de um LDR de 1 cm em funo da intensidade de luz que o atinge (em lux - lx). Uma forma simples de se verificar essa caracterstica dos LDRs utilizar um multmetro em escala de resistncia (Rx100). Com o LDR iluminado, o multmetro deve indicar a resistncia mnima (figura 20). Cobrindo-se o LDR, de modo que nenhuma luz o atinja, sua resistncia deve ser mxima (se necessrio, utilize a escala Rx1000 para notar essa variao). O processo de construo de um LDR consiste na conexo do material foto-sensvel com os

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terminais, sendo que uma fina camada simplesmente exposta incidncia luminosa externa. Conforme aumenta a intensidade de luz incidente no LDR, um nmero maior de eltrons na estrutura tem tambm seu nvel de energia aumentado, devido aquisio da energia entregue pelos ftons. O resultado o aumento de eltrons livres e eltrons fracamente presos ao ncleo. Consequentemente, ocorre uma diminuio da resistncia. Uma caracterstica importante do LDR o fato da variao de sua resistncia frente a uma variao de iluminao independer do sentido de percurso da corrente que por ele circula. Por isso, perfeitamente possvel o seu emprego em corrente alternada.

Existem LDRs para potncias altas e tenses de trabalho to elevadas que podemos 20 inclusive utiliz-los diretamente com a tenso da rede AC. Por ser um elemento semicondutor, o LDR sofre tambm influncia da temperatura, sendo sua resistncia decrescente com a elevao da mesma. Os LDRS mais comuns so os de 1 cm e 2,5 cm de dimetro, diferenciando-se principalmente pela sua capacidade de corrente, j que o LDR com uma superfcie maior, alm de apresentar maior sensibilidade tambm apresenta uma maior capacidade de dissipar calor, conseguindo controlar correntes mais intensas. Um LDR de 2,5 cm, por exemplo, pode controlar diretamente a corrente da bobina de um rel sensvel, e at mesmo lmpadas de baixa potncia (figura 21).

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CONEXES FUNDAMENTAIS DE LDRS Os LDRs raramente so encontrados nos circuitos em configuraes que no formem um divisor de tenso. Na maioria deles, o LDR participante de um dos ramos do divisor de tenso, seja no ramo positivo ou no negativo. Dessa forma, toda vez que houver uma variao da resistncia do LDR, seguindo uma variao na intensidade de sua iluminao, o divisor de tenso tambm sofrer variao de tenso em seus ramos, de forma proporcional.

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Se o LDR estiver no ramo positivo do divisor (figura 22), o aumento da intensidade de iluminao ser responsvel pelo aumento da tenso de sada desse divisor, devido reduo da resistncia do LDR. Se o LDR estiver no ramo negativo do divisor (figura 23), o aumento da intensidade de iluminao ser responsvel agora pela reduo da tenso de sada desse divisor, tambm em funo da reduo da resistncia do LDR.

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Analogamente, as variaes de tenso se processam de forma inversa, em ambos os 23 casos, quando o LDR sofre uma reduo na sua iluminao. O divisor de tenso pode ainda ser composto exclusivamente por dois LDRs (figura 24), formando ento uma conexo diferencial, visto que o potencial de sada do divisor proporcional diferena na intensidade de iluminao de ambos. Se o LDR do ramo positivo estiver mais intensamente iluminado que o LDR do ramo negativo, o potencial de sada ser maior que U/2. Em situao contrria, esse potencial ser menor que U/2. Com a mesma iluminao, seja ela forte ou fraca, esse potencial teoricamente 24 deve ser de U/2.

FOTO-DIODOO foto-diodo um diodo de juno construido de forma especial, de modo a possibilitar a utilizao da luz como fator determinante no controle da corrente eltrica. A figura 25 mostra o smbolo e o detalhe da polarizao reversa com a qual funciona esse componente. Quando a juno inversamente polarizada, na ausncia de luz incidente na mesma, a corrente praticamente nula. O nmero de portadores dessa juno, e com ele a corrente eltrica, aumenta com o aumento da intensidade luminosa no cristal. O funcionamento do foto-diodo baseia-se 25 no fato de que os ftons que se chocam com a juno produzem pares de eltron-lacuna, por cederem sua energia, facilitando a corrente eltrica. O feixe de luz incidente na juno tem efeito semelhante ao da corrente de base em um transistor convencional, portanto, a curva caractersitica I x V de um foto-diodo semelhante de um transistor convencional, porm, em vez da famlia de curvas de corrente de base, temos traada a de

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intensidade luminosa na juno (figura 26). Quando a luz incide exatamente na juno, a resposta do foto-diodo maior, reduzindo-se rapidamente de cada lado da juno, medida que se afasta dela. Os foto-diodos respondem muito rapidamente s variaes de luz. Respostas a centenas de megahertz so possveis, possibilitando as mais diversas aplicaes para esse componente. Verifica-se a aplicao de foto-diodos nos foto-acopladores, circuitos digitais, controles remotos, etc. A limitao fica por conta da corrente de saturao inversa, que no passa de algumas centenas de microampres. O nvel de corrente gerado em funo da incidncia de luz sobre um foto-diodo insuficiente para um controle direto, e nas suas aplicaes geralmente exigido um estgio de amplificao.

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FOTO-TRANSISTORO foto-transistor, como um transistor convencional, uma combinao de dois diodos de juno, no entanto, associa ao efeito transistor o efeito foto-eltrico. Em geral, possui apenas dois terminais acessveis (coletor e emissor), no entanto, alguns incorporam o terminal de base para uma eventual polarizao ou controle eltrico. Seu funcionamento idntico ao do foto-diodo, exceto que o foto-transistor muito mais sensvel, devido ao amplificadora do efeito transistor, uma vez que a corrente produzida pelo efeito 27 foto-eltrico na base amplificada beta vezes, originando a corrente de coletor. Em contravantagem, apresenta uma resposta mais lenta. Mecanicamente, sua construo enfoca a luz incidente sobre uma ou ambas as junes. Para isso, seu invlucro transparente. Em transistores convencionais, o invlucro opaco, a fim de evitar a influncia da luz sobre seu comportamento. Se retirarmos o invlucro de um transistor comum, ele ir se comportar como um foto-transistor, no entanto, a falta de proteo da juno causar sua rpida deteriorao. A figura 27 mostra a simbologia e a curva caracterstica de um foto-transistor NPN. Quando no est exposto luz, um foto-transistor se comporta exatamente como um transistor convencional, podendo ento ser testado da mesma forma. As aplicaes dos foto-transistores so diversas e, mais frente, exemplificaremos algumas.

LASCR (LIGHT ACTIVATED SCR)Tambm chamado de fototiristor, o LASCR, como o prprio nome j diz, um SCR que tem seus estados de conduo e bloqueio dependentes da luz sobre ele incidente. A figura 28 mostra a constituio

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bsica de um LASCR, juntamente com o seu 28 smbolo mais usual. Por ser construido a partir de uma pastilha semicondutora, o LASCR sofre tambm influncia da temperatura, sendo que quanto mais elevada mais facilmente ocorre o seu disparo, havendo uma exigncia de intensidade luminosa menor. A figura 29 mostra o grfico da iluminao efetiva em funo da temperatura, onde a rea hachurada corresponde de operao para que seja possvel o disparo do LASCR. Se o ponto de operao estiver dentro dessa rea, o LASCR entrar em funcionamento, conduzindo, caso contrrio, o 29 LASCR no conduzir. Do mesmo modo que o SCR de comutao, em corrente alternada o LASCR bloqueado nos semi-ciclos negativos. Em corrente contnua, o LASCR disparado ao receber o primeiro impulso luminoso, devendo sua conduo ser cortada atravs de meios especiais, assim como acontece com o SCR de comutao eltrica. CONEXO FUNDAMENTAL DE LASCRS A nica diferena entre o SCR e o LASCR o fato do segundo ter seu funcionamento dependente do efeito da luz, portanto, sua conexo idntica do SCR de comutao, sendo a mais tpica demonstrada na figura 30.

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DIODO EMISSOR OU LED DE INFRA-VERMELHO

Os diodos emissores de infra-vermelho so junes p-n de arsenieto de glio fosfrico (GaAsP) de estado slido, que emitem um feixe de fluxo radiante quando diretamente polarizadas. O diodo emissor de infra-vermelho nada mais que um LED, e tal como esse, emite luz quando diretamente polarizado. A diferena o fato do LED de infravermelho emitir uma onda eletromagntica com comprimento de onda maior, e portanto frequncia menor, que o da luz vermelha (primeira no espectro visvel). Por ter frequncia imediatamente inferior da luz vermelha, essa irradiao recebe o nome de infra-vermelho, e o componente chamado de LED de infra-vermelho.

FOTO-ACOPLADORA combinao de uma fonte de luz (geralmente um LED de infra-vermelho) com um elemento fotosensvel (usualmente um foto-transistor) em um invlucro comum a ambos, forma um acoplador ptico ou 18 OPTOELETRNICA. TEORIA E PRTICA.

foto-acoplador, como mais conhecido, ou ainda isolador ptico. Esse dispositivo serve para a separao eltrica entre redes de circuitos, mantendo entre eles uma interligao apenas ptica. Um exemplo de aplicao de acopladores pticos o controle de motores ou outras cargas AC. Como uma induo AC em um circuito lgico pode ocasionar uma srie de problemas, o motor e o circuito lgico de controle devem estar eletricamente isolados. Microcomputadores tambm atuam em circuitos analgicos, sobretudo de potncia, atravs de circuitos de interface com acopladores pticos. Alm do foto-transistor, outros foto-receptores so utilizados no acoplador ptico, como o fotodiodo, o foto-darlington, o foto-triac e o LASCR (Light Activated SCR) A figura 31 mostra os smbolos para esses tipos de foto-acopladores. A transmisso de sinal entre o emissor e o receptor feita por um caminho ptico 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 pticos nele baseados ideais para a transmisso de dados em alta velocidade. No entanto, a baixa sensibilidade dos foto-diodos exige uma grande amplificao dos sinais obtidos na sada dos foto-acopladores desse tipo. Os foto-acopladores com foto-transistor e foto-darlington operam com o mesmo princpio: a juno coletor-base do elemento receptor atua como um foto-diodo reversamente polarizado, controlando a conduo do transistor. Quando a irradiao do emissor atinge a juno, a energia incidente gera pares de eltron-lacunas, possibilitando a corrente eltrica sobre ao do campo eltrico na regio de depleo. A maioria dos foto-acopladores utiliza um foto-transistor como receptor da luz irradiada pelo elemento emissor pelo fato da boa sensibilidade do foto-transistor exigir pouca ou nenhuma amplificao, para a maioria das aplicaes. Quando o receptor um foto-darlington (figura 31e), o ganho ainda mais alto, facilitando a excitao de dispositivos e circuitos que exijam maior corrente, no entanto, a velocidade de resposta inferior dos foto-transistores comuns. Foto-acopladores com foto-darlington so recomendados para aplicaes de baixa velocidade.

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FOTO-DIAC E FOTO-TRIACO foto-diac (ou opto-diac) um tipo de foto-acoplador utilizado como sensor-excitador de estgios de potncia, normalmente gatilhando um SCR ou TRIAC comum (figura 32). Foto-acopladores que utilizam chave bilateral ativada por luz (foto-triac) como receptor so utilizados para gatilhar tiristores de potncia (SCRs ou TRIACs) ou para 32 realizar um chaveamento AC de baixa corrente com alta isolao eltrica. Os foto-acopladores com LASCRs (figura 33) possuem aplicaes similares, sendo utilizados quando se requer alta isolao eltrica entre um circuito de baixa tenso,

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como os que utilizam CIs, e a linha AC que alimenta o circuito controlado pelo tiristor pertencente ao componente.

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CHAVES PTICASSemelhantes aos acopladores pticos, as chaves pticas tambm so formadas por um emissor de luz, usualmente um LED, e um receptor, que pode ser tanto um foto-transistor como um foto-diodo. A diferena entre um acoplador e uma chave ptica que na chave existe uma abertura, por onde pode passar um objeto que 34 interrompa a passagem de luz (figura 34). Nas aplicaes das chaves pticas, o LED fica ativado, mantendo o foto-diodo na conduo ou o foto-transistor na saturao. Quando um objeto passa pela abertura existente na chave, a interrupo da luz do LED leva o foto-diodo ou foto-transistor ao corte, o que pode ser detectado por um circuito associado para realizar certa operao, sendo muito comum aplicaes como monitorao do funcionamento de mquinas e contagem de rotaes de rodas dentadas ou perfuradas.

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CAPTULO 2: APLICAES CLSSICAS

No primeiro captulo, exemplificamos diversas aplicaes para os dispositivos optoeletrnicos, inclusive classificando-os segundo essas aplicaes. Vamos demonstrar a seguir o princpio de atuao desses componentes optoeletrnicos em sistemas eletro-mecnicos clssicos, onde a luz atua como elemento de interface entre estgios eltrnicos e mecnicos, possibilitando o inter-relacionamento dos mesmos

FOCO AUTOMTICO EM VDEO-CMERASUm recurso muito importante em vdeo-cmeras o foco automtico, com o qual o usurio no precisa se preocupar com a focalizao da imagem que est gravando, conseguindo se concentrar melhor no enquadramento e movimentao durante a gravao, mantendo a ateno na filmagem em si, termo esse que popular mas tecnicamente inadequado, j que uma cmera no utiliza um filme, e sim uma fita, que grava imagens, no as filma. Todo o trabalho de correo da focalizao, necessrio conforme a dinmica da cena, ou a mudana de enquadramento, quando varia a distncia entre a cmera e a imagem captada, fica por conta de um circuito automtico pertencente prpria video-cmera. Vamos conhecer os princpios de funcionamento da focalizao automtica.

Princpio de Funcionamento 35

O sistema eletrnico de focalizao automtica de video-cmeras, funciona com os mesmos princpios de um telmetro de mquina fotogrfica, 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 direo prpria cmera, formando um tringulo. Como o objeto est distante da cmera, o vrtice do tringulo nele formado tem um menor ngulo, comparado aos outros dois, que se formam na prpria cmera. Esse ngulo (abertura) altera-se conforme o objeto ou pessoa situa-se mais prximo ou mais distante da cmera, de tal modo que resulta um menor ngulo quando a pessoa ou objeto encontra-se mais afastado da cmera. A luz infravermelha que retorna incide sobre dois fotodiodos (A e B). Quando a cena enquadrada est devidamente focalizada, o sistema de lentes faz com que a luz que incide sobre os fotodiodos fique igualmente distribuida, com os dois foto-diodos recebendo a mesma quantidade de energia luminosa. Nessa situao, o motor de foco no atua, mantendo o conjunto de lentes na posio em que se encontra. Se ocorrer a desfocalizao em funo, por exemplo, de uma aproximao da cmera ao objeto ou "corpo" enquadrado, esta condio de equilbrio de iluminao dos fotodiodos alterada, com o diodo sensor (A) passando a receber menos luz do que o sensor (B), devido alterao do ngulo no vrtice do tringulo sobre a lente receptora do sistema de focalizao. Como consequncia, aparece na sada de um amplificador diferencial uma d.d.p. (tenso), que chega ao circuito driver do motor, acionando o mecanismo de foco para movimentar o conjunto de lentes no sentido de reestabelecer o equilbrio, ou seja, o ponto ideal de focalizao, quando ento os fotodiodos voltam a receber a mesma energia de luz infravermelha. No caso da cmera ser distanciada do objeto ou "corpo" em cena, a alterao do ngulo resulta em maior iluminao infravermelha no fotodiodo (A), comparado ao (B), acionando o mecanismo de foco no sentido oposto, novamente com o objetivo de reestabelecer a focalizao ideal. Conforme a disposio mecnica dos componentes que formam o sistema de focalizao automtica, por semelhana de tringulos, pode-se estabelecer a seguinte relao (refere-se figura ): Y/b = fab/c. Sendo b e c fixos, em funo do posicionamento do emissor de luz infravermelha e do detetor da luz refletida, para manter o equilbrio na iluminao dos dois fotodiodos quando a distncia Y muda, a distncia fab deve acompanhar essa mudana, proporcionalmente, funo essa que desempenhada pelo servomecanismo de foco. Com esse compromisso firmado, fica automaticamente garantida a focalizao ideal da imagem sobre o sensor MOS (CCD). A figura 36 demonstra em forma de diagrama em blocos os circuitos eletrnicos associados aos componentes mecnicos do sistema de focalizao automtica.

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SERVOMECANISMO DE VDEO-CASSETEO microcontrolador de um vdeo-cassette monitora sensores de incio e fim de fita, e sensores que indicam a ocorrncia de "problemas" funcionais. Esses sensores esto distribuidos no mecanismo (figura 37), protegendo a fita e o prprio mecanismo quando ocorre alguma anormalidade no funcionamento do sistema, principalmente no transporte da fita. Dentre os principais sensores temos alguns utilizando o sistema ptico, como o de rotao do carretel captador e os sensores de incio e fim de fita. Vejamos como atuam os componentes optoeletrnicos nessas funes:

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a) Sensores do carretel captador : o sensor do carretel monitora a rotao do mesmo e, alm do sistema ptico, encontramos tambm em alguns modelos comerciais o sensor do tipo magntico, com transistor de efeito Hall, que no nosso objetivo analisar. Dentre os dois, o sensor ptico, com emissor/receptor de infra-vermelho, o mais utilizado. Nesse tipo de sensor, um disco com reas reflexivas e noreflexivas intercaladas (figura 38) faz parte da base do disco do carretel. A luz emitida por um LED infravermelho incide na superfcie do disco e retorna quando atinge as reas reflexivas, gerando pulsos eltricos na sada do sensor (foto-transistor). Quando a fita est em PLAY, REW (retrocesso) ou FF (avano), se o perodo entre os pulsos aumenta 38 demasiadamente, ou esses pulsos ficam ausentes, o micro detecta que o carretel est "preso" ou parou, por um motivo qualquer. Para evitar que a fita se enrosque ou seja tracionada (esticada), partindo-se, o micro coloca o vdeo em STOP ou em POWER OFF (standby), dependendo do modelo. Portanto, com o auxlio da optoeletrnica, o microcontrolador (um sistema eletrnico), consegue interpretar o funcionamento de um sistema mecnico, avaliando suas condies de operao. OPTOELETRNICA. TEORIA E PRTICA. 23

Nota: a maioria dos video-cassetes possui apenas sensor em um dos carretis (normalmente no captador), no entanto, modelos com conta-fita em tempo real e que indicam tempo remanescente de fita, possuem sensores nos dois carretis, utilizando os pulsos dos mesmos para "calcular" esse tempo real ou remanescente.

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b) Sensores de incio e fim de fita: se uma fita fosse rebobinada ou avanada at o final, a fora excessiva resultante do 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 fita chegue na parte transparente, e dessa forma ela nunca esticada violentamente, seja no avano ou no retrocesso. Para que o micro possa detectar essa parte transparente da fita, tambm utiliza-se um sistema optoeletrnico, com uma luz infra-vermelha sendo emitida atravs de um LED emissor duplo, montado em um pequeno "poste-suporte" localizado aproximadamente no centro do mecanismo. Dependendo do projeto do fabricante, a luz infra-vermelha pode ser pulsada ou contnua. Quando a fita inserida no compartimento, um furo do cassette "cobre" esse poste, fazendo com que a luz infra-vermelha propague-se por um "duto" no seu interior (figura 39). No mecanismo, prximo de cada extremidade da fita (direita e esquerda), encontra-se um fototransistor. O duto interno do cassette termina em um furo em cada extremidade. Quando a fita rebobinada (REW), ao chegar no incio, sua parte transparente permite a passagem da luz infra-vermelha pelo furo do lado direito (olhando o vdeo pela frente). Essa luz passa a atingir o foto-transistor localizado desse lado, que informa ao micro que a fita est para ser "forada", j que est chegando no seu incio. Resultado: o micro interrompe o rebobinamento, colocando o vdeo em STOP, no havendo assim o risco da fita partir-se por tensionamento excessivo. Da mesma forma, no avano (FF), quando a a fita chega na parte transparente (na outra extremidade), a luz infra-vermelha sai pelo furo do lado esquerdo (olhando o vdeo pela frente), atingindo o foto-transistor localizado desse lado, que tambm informa ao micro que a fita est chegando no seu final. Agora, o micro interrompe o avano, e novamente a fita no "forada". Essa mais uma clssica aplicao da optoeletrnica na interao entre um sistema eletrnico (microcontrolador e circuitos associados) e um sistema mecnico (mecanismo de transporte da fita).

UNIDADE PTICA DE COMPACT DISC PLAYERA optoeletrnica, alm de interfacear sistemas eletro-mecnicos, facilitando a interao entre ambos, oferce ainda uma caracterstica at ento inigualvel: a preciso. Utilizando um finssimo feixe de luz laser, o sistema de leitura de um Compact Disc Player (CDP) capaz de fazer a leitura das informaes gravadas nas trilhas de um Compact Disc (CD), onde a distncia entre duas trilhas sucessivas de cerca de 1,6 micro-metro, o que equivale a 1,6 milsimo de milmetro (0,0016 mm). Essa distncia chega a ser mais de 60 vezes menor do que a existente entre dois sulcos de um LP convencional de vinil, que 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 preciso necessria ao leitor ptico e aos seus movimentos para realizar corretamente a leitura das informaes gravadas em um CD. A figura 40 demonstra os componentes pticos da unidade laser de um CDP, onde encontramos o diodo emissor laser, que gera o feixe de laser para ser focalizado na superfcie do disco, e o conjunto de foto-diodos, responsveis pela converso da luz laser refletida no disco em informao eltrica para 24 OPTOELETRNICA. TEORIA E PRTICA.

ser amplificada e processada pelos circuitos 40 eltricos do CDP. Essa unidade ptica do tipo mais moderno, que gera trs feixes para serem levados ao disco: um principal com a funo de focalizao e leitura da informao do disco, e dois auxiliares para garantirem o correto trilhamento (tracking) pelo feixe principal. Como fisicamente temos apenas um diodo laser, gerando portanto um nico feixe, existe a grade de difrao posicionada sua frente para "originar" os dois feixes auxiliares de tracking. Depois da grade, os feixes so mantidos paralelos e direcionados pelas lentes colimadoras, chegando superfcie do disco atravs da lente objetiva. A distncia dessa lente superfcie do disco responsvel pela focalizao correta do feixe principal sobre a superfcie do disco, formando um ponto de foco com cerca de 1 milmetro de dimetro sobre a camada plstica protetora refratora. O ndice de refrao dessa camada plstica do CD acaba por concentrar o feixe em um ponto focal com cerca de 1 micro-metro sobre a superfcie metalizada do CD (figura 41). Na volta, o feixe refletido passa pela lente objetiva e, no prisma, desviado em direo ao 41 conjunto de foto-diodos, dispostos de forma a informarem ao sistema de servo-controle eletrnico as condies de foco e tracking, alm de servirem como transdutores para converter as informaes digitais contidas na variao de intensidade luminosa do laser em sinais eltricos. Esse apenas um exemplo clssico de um sistema optoeletrnico de preciso, dentre os muitos existentes, principalmente na eletromedicina e na indstria. Poderamos analisar outros tantos sistemas optoeletrnicos, mas vamos deixar por conta do leitor observar a tecnologia que o cerca, identificar e pesquisar sobre a interao da optoeletrnica em seu dia-a-dia.

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CAPTULO 2: PROJETOS PARA MONTAGEM

PROJETO 1: FOTO-SENSOR DE SOMBRAUm verdadeiro olho eletrnico capaz de sentir pequenas variaes de intensidade luminosa. Eficiente na proteo de reas proibidas ou objetos valiosos, avisando caso algum se aproxime. Pode funcionar tambm como detetor de passagem, entre muitas outras aplicaces possveis. FUNCIONAMENTO Nesse projeto, aplicamos o foto-transistor. O propsito do circuito (figura 42) acionar um rel quando sentir uma reduo da luz que atinge o foto42 transistor (Q1). O rel ser mantido acionado por um tempo determinado por C1, mesmo que a intensidade de luz inicial seja reestabelecida. Para funcionar corretamente, o circuito requer que o foto-transistor (sensor) esteja sempre iluminado, ainda que seja por pouca luz. Com a aproximao de algum ou algo, ele deve ser atingido por sua sombra, que provocar ento o disparo. Enquanto Q1 est iluminado, sua corrente de coletor alta o bastante para levar Q2 saturao. Q2 saturado desvia toda a corrente de base de Q3, mantendo-o no corte, o mesmo acontecendo com Q4, ficando o rel desativado. Diminuindo a intensidade de luz em Q1, menor ser a sua corrente de coletor o que far com que Q2 saia da saturao, permitindo que chegue corrente base de Q3. Q3 conduzindo leva Q4 saturao, acionando portanto o rel. Mesmo que se reestabelea a intensidade de luz normal em Q1, o rel ainda permanecer acionado devido carga armazenada em C1. Esse tempo de permanncia ser proporcional ao valor de C1. MONTAGEM E AJUSTE A figura 43 traz o lay-out da placa de circuito impresso para a montagem, incluindo o rel RUD101006, com bobina de 6V. Outros rels podem ser utillizados, no entanto, possivelmente no tero seus pinos coincidindo com a furao dessa placa. Para a aplicao como circuito de proteo, sugerimos o uso de um capacitor de 2200 uF x 16V para C1, resultando em cerca de 50 segundos de permanncia do rel acionado. Como detetor de passagem, por exemplo na entrada de uma loja, servindo de aviso entrada

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de um cliente, um capacitor de 100 uF x 16V resulta em cerca de 4 segundos para esse tempo. O rel pode fechar o circuito de uma campainha comum, ou acionar outro dispositivo de alerta qualquer, como por exemplo uma sirene. Em VR1 ajusta-se o nvel de sombra que causar o disparo, na faixa de quase escurido total a uma simples penumbra, quase imperceptvel. Para facilitar o ajuste, desligue um dos terminais de C1, eliminando a temporizao. LISTA DE MATERIAL

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Semicondutores Q1 - TIL78 - foto-transistor Q2- BC548 - transistor NPN Q3 e Q4 - BC337 - transistor NPN D1 - 1N4148 Resistores (1/8W x 5%) R1 R2 VR1 R3 R4 R5 1,8M ohms (marrom, cinza, verde) 1M (marrom, preto, verde) - 220k ohms - trim-pot horizontal mini 1k ohms (marrom, preto, vermelho) 56k ohms (verde, azul, laranja) 15k ohms (marrom, verde, laranja)

Capacitor C1 - 100uF/16V ou 2200uF/16V (ver texto) - eletroltico Diversos RL1 - RUD101006 - rel contato para 10A, bobina para 6V S1 - chave liga-desliga (1 plo x 2 posies ou H-H mini) Fio, solda, placa de circuito impresso, etc.

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PROJETO 2: DESPERTADOR SOLARPara quem gosta de acordar com o sol nascendo, para aproveitar bem o dia, esse circuito gera um sinal contnuo de despertar quando sente que o sol est surgindo. Utilizamos o LDR com uma funo oposta da montagem anterior. Enquanto no Foto-sensor de Sombra o dispositivo optoeletrnico tinha a funo de avisar a reduo da luz, no Despertador Solar ele deve atuar de forma oposta, avisando que a intensidade de luz aumentou. FUNCIONAMENTO No esquema, visto na 44 figura 44, Q2 e Q3 formam um oscilador, entregando seu sinal ao alto-falante. A frequncia pode ser ajustada em VR2. Esse oscilador fica travado quando Q1 est saturado. Assim, quando ainda no amanheceu, o LDR est pouco iluminado, apresentando uma resistncia alta, possibilitando portanto a carga de C1 com uma tenso suficiente para levar Q1 saturao. O oscilador ento fica inoperante, at que, amanhecendo, o LDR passa a ser iluminado mais intensamente, reduzindo sua resistncia. Com isso, C1 no consegue manter sua carga, o que faz com que Q1 corte. Q1 cortado, libera o oscilador, que emitir o sinal (apito contnuo) no alto-falante. MONTAGEM, INSTALAO E AJUSTE A figura 45 traz o lay-out da placa de 45 circuito impresso para a montagem. O LDR deve ser instalado em local que receba a claridade solar, mas deve ser protegido da incidncia direta dos raios solares, que podem danific-lo. Para isso, ele pode ser montado no fundo de um tubinho plstico (cano de PVC ou tubinho preto de alojamento utilizado para armazenar filme fotogrfico) com cerca de 5 cm de comprimento, fechado por um papel translcido ou opaco, como o papel vegetal. Em VR1 ajusta-se o horrio de despertar , ou seja, a intensidade de luz que far com que o despertador dispare. Ela dever ser maior quanto menor for a resistncia do trim-pot.

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LISTA DE MATERIAL

Semicondutores Q1 e Q2 - BC337 - transistor NPN Q3 - BC327 - transistor PNP D1 - 1N4148 - diodo de uso geral Resistores R1 R2 R3 R4 VR1 VR2 1k ohms (marrom, preto, vermelho) 150k ohms (marrom, verde, amarelo) 100k ohms (marrom, preto, amarelo) 4,7k ohms (amarelo, violeta, vermelho) - 1M ohms - trim-pot horizontal mini - 470k ohms - trim-pot horizontal mini

Capacitores C1 - 10uF/16V - eletroltico C2 - 4,7 nF - cermico ou polister Diversos LDR1 - LDR comum S1 - chave liga/desliga ou H-H mini Fte1 - alto-falante de 8 ohms x 2 polegadas Fios, solda, bateria de 9V ou pilhas, clip para bateria ou suporte de pilhas, placa de circuito impresso, tubinho plstico (ver texto), etc.

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PROJETO 3: PROVADOR DE TRANSISTORES, DIODOS E LEDSNesse projeto, aplicamos o LED como sinalizador, em um pequeno instrumento que realiza de forma simples e direta os testes de transistores, indicando com preciso o seu tipo (NPN ou PNP), alm de 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 seus terminais (anodo e catodo). Ideal para quem no possui um multmetro ou um equipamento profissional para testes desses componentes ou verificao de continuidade. FUNCIONAMENTO O circuito (figura 46) um multivibrador astvel (oscilador), utilizando dois transistores (Q1 e Q2) que operam em estados opostos, ou seja, quando um est na saturao o outro est no corte, e viceversa.

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A partir dos potenciais dos coletores desses transistores que se formam os terminais de testes do instrumento. Do coletor de Q1 puxado o terminal E-K (E de Emissor - para transistor; K de Catodo - para diodo e LED). No coletor de Q2, dois LEDs, um vermelho (LD1) e outro verde (LD2), so 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, est ligado o resistor R5, que tem o terminal livre marcado por B (de Base). Para entender essas marcaes, vamos exemplificar o uso das mesmas, comeando pelo teste de um diodo comum. Para testar um diodo, devemos ligar o seu catodo com o terminal do instrumento marcado por K e o seu anodo com o terminal do instrumento marcado por A. Quando o coletor de Q2 estiver com potencial alto, o coletor de Q1 estar com 0V, portanto, nesse instante teremos o diodo conduzindo, passando corrente eltrica pelo LED LD2 (verde), que ir acender. Quando o oscilador inverter os potenciais nos transistores (coletor de Q2 com 0V e coletor de Q1 com potencial alto), como o diodo ficar reversamente polarizado, no circular corrente e nenhum dos LEDs acender. Como a frequncia do oscilador alta, comparada de resposta da nossa viso, iremos enxergar o LED LD2 permanentemente aceso, no entanto, na realidade ele estar piscando muito rapidamente, sem que no entanto percebamos. Mas, se o diodo estiver em curto, no bloquear a corrente do sentido inverso, e os dois LEDs iro

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acender, indicando a inutilidade do componente. Se nenhum dos LEDs acendesse, poderamos concluir que o diodo estaria aberto, e tambm inutilizado. Se apenas o LED vermelho acendesse, em vez do verde, concluiramos 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 nica diferena a incluso de um terminal destinado base, marcado por B, para polarizao do transistor em teste. Por exemplo, vamos analisar o teste de um determinado transistor do qual s se conhece a identificao 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 acender, j que o transistor entrar em conduo quando no oscilador o potencial do coletor de Q1 for alto e o do coletor de Q2 baixo. Assim, o LED LD1 (vermelho) indicar que o transistor PNP. Se o LED acender com pouco brilho ou no acender, o transistor estar com ganho baixo ou aberto. Se os dois LEDs acenderem, o transistor estar em curto. Se for um transistor NPN, o LED LD2 que dever 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 sinal que o transistor est em curto. Para ter certeza de que o transistor foi ligado na posio correta, basta deixar a base aberta (sem ligao), quando ento nenhum LED dever acender. Se um dos LEDs acender, sinal que a ligao dos terminais do transistor no coincide com a demarcada nos terminais de teste (E e C), ou o transistor apresenta uma fuga elevada entre coletor e emissor. No teste de continuidade, que pode ser de uma lmpada, fiao ou circuito impresso, utiliza-se os mesmos terminais de teste para diodos. No caso afirmativo de conduo, ambos os LEDs devem acender. Para facilitar o uso do instrumento, a tabela resume todas as suas indicaes de testes. TESTE DE LEDS E DIODOS APENAS LED VERDE ACESO: diodo ou LED bom; polaridade coincide com a marcao dos terminais de teste. APENAS LED VERMELHO ACESO: diodo ou LED bom; polaridade invertida - catodo ligado ao terminal A e anodo ao terminal K. NENHUM LED ACESO: diodo ou LED aberto - inutilizado.AMBOS OS LEDS ACESOS: diodo em curto - 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: no conduo ou alta resistncia. AMBOS OS LEDS ACESOS: conduo de corrente.

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MONTAGEM A figura 47 traz o lay-out de uma placa de circuito impresso para a fixao dos componentes. Para facilitar a conexo do instrumento ao componente em teste, pode-se utilizar garras jacars nos seus terminais, ou ento um pedao de soquete para circuito impresso (3 pinos), possibilitando que diodos, transistores e LEDs sejam facilmente encaixados para serem testados. A alimentao do circuito pode estar na faixa de 6 a 9V. LISTA DE MATERIAL

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Semicondutores Q1 e Q2 - BC548 - transistor NPN LD1 - LED vermelho 3 mm LD2 - LED verde 3 mm Resistores (1/8W x 5%) 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 - cermico Diversos S1 - interruptor push button N.A. S2 - chave H-H mini B1 - 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 SEGURANANa era da eletrnica, que tal substituir o antigo tringulo de emergncia por uma luz piscante, certamente muito mais eficiente no alerta aos motoristas em situaes como troca de pneu, carro quebrado, acidente, etc ? Alimentada pelos 12V da bateria, essa luz pode ser colocada alguns metros atrs do veculo parado, garantindo sua segurana por alertar aos outros motoristas para que desviem do seu carro, evitando a coliso. Essa uma interessante aplicao para o primeiro dos componentes de sinalizao ptica: a lmpada. FUNCIONAMENTO O circuito oscilador a dois 48 transistores, visto na figura 48, gera os pulsos para serem aplicados lmpada. Com C1 descarregado, ao ligar-se S1, Q1 e Q2 estaro no corte e a lmpada apagada. Quando C1 atingir cerca de 0,6V, Q1 conduzir, fazendo com que Q2 sature e a lmpada acenda por receber os 12V. Os 12V da lmpada inicia a carga de C1 no sentido oposto, alm de reforar a conduo de Q1 e a saturao de Q2. No entanto, quando C1 estiver carregado com mais de 11,4V no outro sentido, o transistor Q1 ir cortar, cortando por sua vez Q2, que zera ento a tenso na lmpada. C1 passa ento a carregar-se novamente no sentido anterior, via R1 e R2, tendo sua carga atual de 11,4V sendo reduzida, at zerar, quando ento ele passa a aumentar a tenso no outro sentido, at que ela chegue a 0,6V e Q1 conduza novamente, repetindo todo o ciclo. O resultado da saturao e corte de Q2 o piscar da lmpada, com frequncia dependente de R1, R2 e C1. MONTAGEM O lay-out da placa de circuito impresso encontra-se na figura 49. Utilizamos no prottipo 3 lmpadas de 12V x 5W, que garantiram uma boa iluminao. Recomendamos mont-las frente de um refletor metlico ou espelho, que aumenta ainda mais a luminosidade. Para evitar atrapalhar a viso dos outros motoristas, esse conjunto lmpada+refletor pode ser coberto por uma lanterna plstica alaranjada ou vermelha, tornando a iluminao menos ofuscante que a luz branca. No recomendamos o uso de lmpadas de maior

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potncia, j que o circuito teria seu comportamento totalmente alterado. Para conexo bateria, pode-se utilizar duas garras do tipo jacar de tamanho grande, como as utilizadas em recarregadores de bateria. No circuito, o LED LD1 ir apagar-se quando a tenso da bateria cair abaixo de 11V, quando ento recomenda-se desligar a luz de alerta para no danificar a bateria. LISTA DE MATERIAL

Semicondutores Q1 - BC548B - transistor NPN Q2 - TIP32 - transistor NPN de potncia ZD1 - BZX79C9V1 ou 1N757A - diodo zener de 9,1V x 0,5W LD1 - LED vermelho de 3 mm Resistores (1/8W x 5%) R1 - 1,8M ohms (marrom, cinza, verde) R2 - 47k ohms (amarelo, violeta, laranja) R3 - 100 ohms (marrom, preto, marrom) Capacitor C1 - 2,2uF/25V - eletroltico Diversos LP - 3 x 12V/5W - lmapada de automvel S1 - chave liga-desliga para 2A Garras jacar para conexo bateria do automvel, soquete para a lmpada, lanterna plstica, placa de circuito impresso, fios, solda, etc.

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PROJETO 5: FOTO-ESTIMULADOR DE RELAXAMENTOEmbora o crebro seja uma parte do corpo humano que ainda nos reserve muitos segredos e mistrios, pesquisas cientficas demonstraram que, em estado de relaxamento, produzimos ondas cerebrais do tipo alfa; alguns praticantes de Yoga, depois de meses de dedicao, ou s vezes at anos de prtica, so capazes de fazer predominar as ondas cerebrais do tipo alfa, atingindo um estado de extremo relaxamento. Para evitar o stress, ou outras complicaes de sade, precisamos aprender a relaxar, depois de um corrido dia de trabalho, trnsito catico e todo o desgaste fsico e mental sofrido no dia-a-dia. O circuito proposto baseia-se na biorealimentao de ondas alfa atravs da estimulao fotnica, ou fotoestimulao. As ondas alfa situam-se na faixa de 7 a 14Hz (o valor exato depende de cada pessoa). Na fotoestimulao, o circuito eletrnico produz flashs de luz no rtmo das ondas alfa, que so projetadas nos olhos do usurio, levando o crebro a entrar em ressonncia, sendo estimulado a aumentar a amplitude e mesmo a produzir as ondas alfa, que em estado de alerta (acordado), apresentam amplitude muito reduzida e, s vezes, comum nem presenciarem-se. As ondas alfa produzidas possibilitaro o estado de relaxamento; mesmo com o usurio estando consciente ele atingir o estado alfa. FUNCIONAMENTO E MONTAGEM O circuito o conhecido multivibrador astvel com o CI 555 (figura 50), sendo que os flashs de luz so emitidos pelos LEDs LD1 e LD2 na conduo de Q1.

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Em P1 ajusta-se a frequncia dos flashs, para que o usurio consiga encontrar sua frequncia ideal. Os LEDs de alto brilho (alta eficincia) possibilitam maior intensidade que os standards. A corrente contnua suportada pelos LEDs de aproximadamente 20 mA, mas eles podem suportar pulsos de curta durao acima de 50 mA. A alimentao de 9V (bateria ou fonte). Se a alta intensidade dos flashs for desconfortvel, R6 pode ser aumentado para um valor entre 150 e 270 ohms. Os LEDs devem ser montados em um culos protetor, desses utilizados por nadadores, fixados no centro das lentes, sendo passados de fora para dentro (um em cada lente). Interligue-os em srie e utilize um plug para lig-los ao circuito oscilador. Proteja os terminais expostos cobrindo-os com uma pequena tampa plstica, colando-as nas lentes (figura 51). Pinte as tampas com tinta escura para evitar a passagem de luz ambiente. A chave S2 permite trocar a faixa de frequncia de 7 a 14Hz para 3 a 7Hz, visando estimular ondas do tipo tta, presentes durante solues 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 mxima estimulao. Na figura 52 temos uma sugesto 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 confortvel e que no lhe possibilite a mnima distrao. Coloque o circuito com o potencimetro em local de fcil acesso, para permitir um fcil ajuste com uma movimentao mnima do brao. O brilho dos LEDs no fere, mas o melhor efeito obtido com os olhos fechados.

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Ponha os culos e ajuste P1 em busca de sua frequncia de ressonncia, que voc reconhecer quando suas plpebras comearem a vibrar levemente com os flashs de luz, ou quando voc tiver a impresso de um aumento na intensidade do flash luminoso. Voc entrar em sintonia, j que ir sentirse mais confortvel. Depois de cerca de 10 minutos, desligue o fotoestimulador. Se voc sentir-se completamente relaxado, sinal de que encontrou o correto posicionamento de P1. ALERTA MDICO: Pessoas que sofrem de epilepsia no devem utilizar o fotoestimulador, que pode desencadear uma crise. Se voc no tem conhecimento de ser ou no epiltico, caso comece a perceber odor, som ou qualquer outro fenmeno estranho, desligue o fotoestimulador e consulte um mdico.

LISTA DE MATERIAL

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Semicondutores CI1 - 555 - timer Q1 - BC558 - transistor PNP D1 - 1N4148 - diodo de uso geral LD1 e LD2 - LED vermelho de alto brilho (5 mm) Resistores (1/8W x 5%) 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 mini R4 e R5 - 10k ohms (marrom, preto, laranja) R6 - 120 ohms (marrom, vermelho, marrom) 36 OPTOELETRNICA. TEORIA E PRTICA.

P1 - 4,7k ohms - potencimetro linear rotativo Capacitores C1 C2 C3 C5 - 100uF/16V - eletroltico - 22uF/16V - eletroltico e C4 - 2,2uF/16V - eletroltico - 100kpF - cermico

Diversos S1 - chave 1 plo x 2 posies ou H-H mini culos de proteo para natao, jack e plugue mini, bateria de 9V, knob, placa de circuito impresso, clip para bateria, fios, solda, etc.

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PROJETO 6: ALARME POR INFRA-VERMELHOUma aplicao muito comum para o LED emissor de infra-vermelho e para o foto-transistor em sistemas de segurana, formando uma barreira de luz invisvel, que ao ser interrompida por um intruso provoca a sensibilizao do circuito alarmante. O sistema de segurana que apresentaremos seguir, no deixa a desejar, comparado aos comercializados no mercado do ramo, e ainda traz algumas particularidades adicionais, sendo que destacamos a possibilidade do uso de diversos sensores, alm do ptico por infra-vermelho. FUNCIONAMENTO DO MDULO CENTRAL O mdulo central do alarme residencial 54 visto no diagrama em blocos da figura 54. O primeiro bloco faz a funo de memria dos sensores. ele quem memoriza quando um dos sensores detecta algum indcio de invaso. A memorizao de disparo somente inicia-se alguns segundos aps o estabelecimento do reset. Qualquer informao presente em um dos sensores dentro desse tempo inicial aps o reset ser simplesmente desprezada. Com esse temporizador, podemos ter o tempo suficiente para deixar a residncia sem disparar o alarme ao abrir as portas para sair, desde que essas sejam abertas dentro do intervalo de tempo seguinte ao reset (aproximadamente 120 segundos). Assim que terminar esse tempo, se alguma porta ou janela estiver ou for aberta, o alarme ir disparar. O segundo temporizador constitui um reciclador de disparo. Quando o alarme disparado, um rel fecha os contatos para alimentar uma sirene ou buzina de alerta. Decorrido um certo intervalo de tempo, aproximadamente 30 segundos, o rel desativado, cessando o som de alerta. Agora, o reciclador aguarda um novo intervalo de tempo (cerca de 15 minutos) e, caso no seja estabelecido o reset (desarme do alarme), o som de alerta ser novamente emitido, por mais 30 segundos. A partir da, o ciclo se repete, ou seja, o som de alerta emitido periodicamente, de 15 em 15 minutos, at que haja o resetamento. Esse reciclador na realidade um oscilador de onda retangular, que tem sua sada ligada a um driver para acionar um rel, responsvel por ativar o dispositivo de emisso sonora (sirene ou buzina). Atravs da chave S1, desativamos o reciclador, sendo obtido apenas um perodo de emisso sonora quando o alarme for disparado, no havendo a reciclagem. Essa condio til, pois em casos quando a residncia se mantm desocupada por muitas horas, ou mesmo dias, seria perturbativo vizinhana a constante reciclagem sonora, principalmente em horrios noturnos. O ltimo dos temporizadores encontra-se incorporado ao driver. graas a ele que, ao chegarmos em casa, mesmo aps abrirmos a porta o alarme no emite o alerta sonoro imediatamente, havendo um retardo suficiente para efetuarmos o reset antes mesmo que isso ocorra. O tempo pr-fixado para se estabelecer o reset de cerca de 40 segundos. Esse retardo para o disparo pode ser desligado atravs da chave S2. Essa condio de funcionamento bastante til noite, quando estamos dormindo, pois o disparo imediato evita que o intruso tenha tempo para uma investida contra os ocupantes da residncia, por motivos bvios. Assim, com o retardo desligado, ao ocorrer a deteco de invaso por algum sensor,

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

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O CI1 um amplificador operacional que atua como um comparador de tenso, forando sua sada ao nvel de aproximadamente +Vcc quando a entrada positiva apresentar maior potencial, e levando-a ao nvel 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 sada do CI1 passar a +Vcc. Esse potencial ser mantido pela realimentao forada pelo diodo D1, mesmo que a tenso do ponto (S) caia. O capacitor C1 o responsvel pela primeira temporizao, citada anteriormente na anlise do diagrama em blocos. ele que possibilita o intervalo suficiente para deixar a residncia sem disparar o alarme quando ele ligado. Isso conseguido pois, at que ele se carregue, a entrada negativa mantm-se com tenso superior entrada positiva do comparador, independente de haver ou no um alto potencial na entrada dos sensores (ponto S), inibindo portanto o disparo. O reciclador que mencionamos na anlise do diagrama em blocos formado pelo CI2, que se trata do conhecido 555. Sua alimentao provm da sada do CI1, o que significa que ele s entra em funcionamento quando o comparador tiver +Vcc na sada, ou seja, quando for identificada uma violao por algum sensor. Nesse estgio, o nico comentrio necessrio com relao ao diodo D3. Esse diodo faz com que o resistor R8 no atue durante a carga de C2. Mas, durante a descarga desse capacitor atravs do pino 7 do CI2, o diodo fica reversamente polarizado, forando a descarga via R8. Durante o perodo de carga de C2, a sada do CI2 (pino 3) fica em aproximadamente +Vcc, alimentando o driver e acionando o rel, que por sua vez liga a sirene ou buzina de alerta. Durante a descarga de C2, a sada do CI2 fica em 0V, correspondendo ao perodo em que o rel

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fica desativado e a sirene ou buzina desligada. Como a carga mais rpida do que a descarga, j que D3 praticamente curto-circuita R8 durante o perodo de carga, o resultado a diferena de tempo no ciclo do alerta sonoro: 30 segundos para a sirene ou buzina funcionando e 15 minutos de intervalo com ela desligada. O incio do alerta sonoro retardado pelo capacitor C5, quando a chave S2 o coloca no circuito. Com o capacitor no circuito, s existir corrente de base em Q1 depois que ele atingir a tenso mnima de cerca de 9V, e sua carga ocorre atravs de R10. A constante RC que define o tempo que o capacitor leva para atingir essa tenso. esse retardo, de cerca de 20 segundos, que possibilita ao proprietrio da residncia desativar o alarme quando chega. Atingindo a tenso de 9V, o zener ZD1 conduz e fornece corrente de base para Q1 suficiente para levar Q2 conduo, e consequentemente energizando a bobina do rel RL1, que controla a alimentao da sirene ou buzina de alerta. Conhecido todo o funcionamento de disparo e temporizaes do alarme residencial, vamos comentar um pouco sobre o seu reset. Em um alarme residencial no 56 pode existir um interruptor do tipo liga/ desliga, para dificultar o desarme por intrusos. A nossa sugesto para o reset utilizar um conjunto de chaves em srie, formando uma combinao lgica para desarm-lo, como o exemplo da figura 56. Para dificultar ainda mais o desarme, encontra-se em srie com as chaves um reed-swich, que um interruptor magntico. Assim, para que o alarme seja desativado, ou resetado, necessrio posicionar as chaves no cdigo correto, e ainda manter um im prximo do reed-swich. Ao deixar a residncia, ou noite, quando quando todas as portas e janelas j 57 estiverem trancadas, retira-se o im de perto do reed-swich e, para dificultar qualquer tentativa de desarme por estranhos, altera-se o posicionamento das chaves. Feito isso, o alarme entra em funcionamento, e cerca de dois minutos depois passa a ficar atento aos pontos de sensoriamento. Recomenda-se tambm a incluso do circuito de alimentao a bateria da figura 57, protegendo a residncia mesmo no caso de corte de energia eltrica, com a nica particularidade de que o emissor sonoro acionado pelo rel tambm dever ser de 12V e alimentado por essa bateria. FUNCIONAMENTO DOS SENSORES

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Podemos utilizar qualquer tipo de sensor, desde que em condies normais ele entregue em sua sada potencial prximo ao de terra e, frente a uma invaso, passe-a ao potencial prximo ao de +Vcc. Para proteger portas, janelas e portes, pode-se utilizar o simples, mas eficiente, sensor magntico com reed-switch (figura 58), que alimentado pelos

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mesmos 12V do mdulo central atravs do resistor R1 (15 k ohms). 59 Quando um im est nas proximidades do reed, os seus contatos permanecem fechados, mantendo o ponto (S) do mdulo central em potencial de terra. Assim que o im se afasta, o contato do reed aberto e o potencial da entrada (S) do mdulo central passa para +Vcc, havendo o disparo do alarme, que imediatamente memorizado, no adiantando mais voltar a fechar o reed-swich. A figura 59 representa a fixao de um sensor desse tipo na porta. Da mesma forma, dispomos outros sensores 60 como esse em janelas e outras portas, interligando todos os reeds em srie, sendo suficiente que apenas um deles abra contato para disparar o alarme. A forma de interligao desses sensores ao mdulo central demonstrada na prpria figura 58. O diodo D1 desse circuito serve para isol-lo de outros tipos de sensores que podem ser ligados em paralelo na entrada (S) do mdulo central, como o to esperado sensor de infra-vermelho. Vamos a ele. Na proteo de ambientes externos, como muros ou passagens sem portas, utilizamos uma barreira de infravermelho. A figura 60 traz o circuito do transmissor de infravermelho pulsado, constando de um oscilador que entrega pulsos ao LED emissor de infra-vermelho (LD1). O fato de ser pulsado possibilita uma maior sensibilidade do receptor, que pode atuar amplificando o sinal detectado pelo foto-sensor. O circuito do receptor visto na figura 61. Os mdulos 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 trs foto-transistores justificvel: normalmente, os circuitos de link ptico utilizam uma lente convergente em frente ao elemento foto-sensvel receptor para concentrar 61 o feixe de luz no mesmo, aumentando assim sua sensibilidade, j que a rea de viso da lente se torna maior comparada do foto-sensor, em funo do seu maior dimetro (figura 62). No nosso circuito, para evitar o uso de lente, que pode ser difcil de se conseguir longe dos grandes centros, utilizamos um truque para aumentar a rea de captura de infra-vermelho. Ligamos trs foto-transistores em paralelo, geometricamente dispostos

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de modo a formarem um triedro, e assim 62 interceptarem um maior nmero de linhas do feixe de infra-vermelho (figura 63). Em VR1 ajusta-se a polarizao desses foto-transistores de modo que no fiquem prximo do corte na condio de ausncia de luz infravermelha (feixe interrompido), sob as condies normais do ambiente. Iremos detalhar esse ajuste mais adiante. Os pulsos sentidos pelos fototransistores, convertidos em corrente eltrica, aparecem como tenso (forma de onda pulsada) sobre a associao srie R1+VR1. O capacitor C1 possibilita a passagem desses pulsos para a base de Q4, o primeiro 63 transistor amplificador. Esse capacitor est dimensionado para atenuar bastante qualquer variao de 60Hz que existe no sinal, provocada pela variao instantnea da luz ambiente quando proveniente de lmpadas alimentadas pela rede eltrica, que tem essa ciclagem. Embora nossos olhos no acompanhem essa variao (para ns como se a lmpada emitisse um brilho contnuo mdio), o foto-transistor responde muito mais rapidamente, tendo sua conduo eltrica afetada pela mesma. Atravs do trim-pot VR2, ajustamos a polarizao desse transistor para que a tenso em seu coletor seja de aproximadamente 2V (esse valor no crtico, mas o transistor no deve ficar com tenso de coletor abaixo de 1V). Do coletor de Q4, os pulsos amplificados so levados base de Q5, via capacitor de acoplamento C2, que tambm tem um valor apropriado para atenuar a passagem dos 60Hz. Em VR3, ajusta-se a polarizao desse transistor para que ele fique prximo do corte, sendo recomendada uma tenso de coletor em torno de 10V. Essa mesma tenso carrega o capacitor C3, sendo descontado apenas os 0,6V de queda no diodo D1. Com os pulsos, a reduo da tenso do coletor que acompanha os pulsos positivos aplicados base de Q5 faz com que Q6 conduza proporcionalmente a essa reduo, e para uma distncia de at cerca de 5 metros, esse transistor chega a saturar quando acionamos a tecla do CR. A saturao de Q6 faz com que C4 carregue-se com a tenso do seu emissor, tenso essa que leva o transistor Q7 saturao devido forte corrente de base. Mantendo-se saturado, o ponto (S) do mdulo central fica com 0V, ou seja, o alarme interpreta que o receptor est recebendo o feixe pulsado de infra-vermelho normalmente. Frente a uma interrupo desse feixe, mesmo que momentnea, o capacitor C4 ir se descarregar sobre R7, deixando de existir a corrente de base para Q7, que passa ento da saturao para o corte, e atravs do diodo de isolao D2 leva o ponto (S) do mdulo central ao nvel alto (aproximadamente 12V), provocando a memorizao da invaso detectada e posteriormente o disparo do alarme. MONTAGEM O lay-out mostrado na figura 64 pode ser utilizado como base para a confeco de uma placa de circuito impresso para a montagem do mdulo central. Os lay-outs das figuras 65 e 66 so indicados respectivamente para o transmissor e o receptor de infra-vermelho.

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No receptor, importante tomar muito cuidado com o uso de componentes equivalentes, principalmente quanto ao ganho dos transistores. A mxima sensibilidade s ser conseguida utilizando-se transistores com sufixo C, que representa um grupo com hfe (ganho de corrente) acima de 300. Para a ligao dos foto-transistores placa do receptor, siga a identificao dos seus terminais mostrada na figura 67. Note que do lado do terminal do coletor o invlucro marcado por um chanfro, como nos LEDs. Naturalmente, quanto menos luz ambiente os foto-transistores receberem, ser melhor, para que mantenham a mxima sensibilidade, sendo recomendado mont-los no interior de um pequeno tubinho escuro, como os utilizados para guardar filmes fotogrficos. Na impossibilidade de impedir a incidncia de luz na abertura desse tubinho, mantenha-o tampado por um negativo de fotografia velado ou, se possvel, por um filtro plstico para infra-vermelho, como os utilizados frente dos receptores de CR dos TVs. Em funo da alta sensibilidade do circuito, alertamos que alguns fatores pode lev-lo a no sentir a interrupo do feixe de infra-vermelho, ou seja, o a tenso do coletor de Q7 no sobe, isto , este transistor fica saturado mesmo quando o feixe cortado. Entre esses fatores podemos citar:

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a) luz proveniente de lmpadas alimentadas pela rede eltrica incidindo sobre os foto-transistores: acima de um certo limite, os capacitores de acoplamento entre os estgios amplificadores no conseguem atenuar os 60Hz que modula a intensidade luminosa emitida por essas lmpadas, sendo essa frequncia interpretada como pulsos de luz, que uma vez amplificada termina por provocar a carga do capacitor C4 e manter Q7 saturado. Reduzir o valor dos capacitores de acoplamento seria uma soluo, no entanto, a sensibilidade do circuito ficaria comprometida, portanto, a melhor providncia a ser tomada grantir que os foto-transistores fiquem no escuro, redirecionando o tubinho no qual esto montados ou utilizando o filme escuro na sua abertura, como j havamos comentado. b) interferncia local de 60Hz invadindo o circuito: se o receptor for colocado sobre uma estrutura metlica, por exemplo, essa estrutura pode atuar como uma grande antena, que capta o campo eletromagntico do ambiente, acoplando-o ao circuito, provocando a carga de C4 e, novamente, mantendo Q7 saturado mesmo na condio de feixe de infra-vermelho bloqueado. Evite instal-lo nessas condies para no ter que alterar ou adicionar componentes na tentativa de eliminar esse efeito (pode ser at mesmo impossvel obter sucesso com essa tentativa). c) fiao que liga os foto-transistores placa muito longa: se na aplicao que voc deseja os fototransistores precisam ficar afastados do restante do circuito, no utilize fios comuns para a interligao; nessas condies deve-se utilizar uma fiao apropriada, ou seja, um cabo blindado por uma malha, que deve ser aterrada para evitar a captao de esprios, os quais certamente interfeririam no funcionamento do conjunto. Terminada a montagem e a instalao, ajuste os trim-pots VR2 e VR3 para obter as tenses j comentadas para os coletores de Q4 e Q5 (respectivamente em torno de 2V e 10V). O trim-pot VR1, sempre que possvel, deve ficar com a mxima resistncia, o que garante um maior alcance, ou seja, o emissor pode ficar mais distante do receptor, possibilitando a proteo de passagens mais amplas em largura. No entanto, a tenso no emissor dos foto-transistores (em relao ao terra) no deve ficar acima de 2V. Se isso acontecer, sinal de que o foto-transistor est sentindo uma certa iluminao ambiente, condio em que VR1 dever compensar a conduo dos mesmos ao ponto de manter a tenso mxima de 2V em seus emissores. A alta sensibilidade do receptor garante uma instalao muito fcil do link a infra-vermelho, no exigindo uma direcionalidade muito aguada, ou seja, basta virar o emissor para o lado do recepto