Chave Óptica com Foto Diodos (ART1842)

Este circuito se destina ao acionamento de um relé quando a luz que incide num fotodiodo é cortada ou ainda quando a luz é estabelecida, dependendo das posições relativas do diodo D1 e de P1.

A sensibilidade é excelente, e a carga acionada depender exclusivamente do tipo de relé usado.

Na condição de repouso (relé desenergizado) o consumo de energia é extremamente baixo.

Existem muitas aplicações práticas em que um circuito acionado pela luz é

usado, podemos citar o caso de alarmes, interruptores crepusculares, contadores de objetos, etc.

O circuito proposto se enquadra na categoria de foto-relés com a utilização de um fotodiodo como sensor.

Este componente se caracteriza pela velocidade de resposta e sensibilidade, se bem que a corrente fornecida exija o emprego de boas etapas de amplificação.

O circuito excita um relé, em nosso caso, mas pequenas modificações na etapa final de saída permitem que ele excite diversos tipos de cargas, tanto de corrente contínua como ligadas à própria rede de energia, inclusive sem a utilização de relés.

Finalmente, dado o fato de que o fotodiodo também é bastante sensível ao espectro infravermelho produzido por fotoemissores do tipo LED, podemos usar o aparelho com “luz invisível", o que é interessante se visarmos a sua aplicação num alarme.

Características:

Tensão de alimentação: 6 V ou 12 V (conforme relé)

Corrente de repouso: 1 mA (tip.)

Corrente com relé energizado: 50 mA ( 12 V 100 mA x 6 V)

Carga máxima: 2 A

A corrente que circula por um fotodiodo quando polarizado no sentido inverso depende da intensidade de luz que incide em sua junção.

No nosso projeto formamos com o fotodiodo e potenciômetro de ajuste P1 um divisor de tensão.

Com o diodo ao positivo, a tensão no divisor aumenta com a luz. Na posição inversa, ou seja, diodo no negativo da fonte, a tensão no divisor diminui com o aumento da luminosidade.

Você pode escolher a posição conforme o tipo de acionamento que desejar.

O divisor de tensão é usado para polarizar a base de um transistor amplificador, a impedância deste circuito é alta, obtendo-se um melhor desempenho do circuito em termos de sensibilidade.

O transistor, juntamente com R1, forma um novo divisor de tensão que polariza a entrada de um inversor formado por uma das quatro portas disparadoras disponíveis num integrado 4093B.

Desta forma, com o diodo D1 iluminado, (na versão básica) quando a tensão de base do transistor aumenta, o transistor conduz e a tensão na entrada do inversor cai a ponto de ser interpretada como nível baixo.

Nestas condições temos na saída do inversor o nível alto que é aplicado à entrada das três outras portas que são ligadas em paralelo, de modo a formar um buffer inversor.

Na saída deste buffer temos então um nível baixo que mantém o transistor Q2 no corte.

A carga deste transistor é o relé, que se mantém desenergizado.

Se a luz que incide no fotodiodo for cortada temos a inversão de níveis na entrada do primeiro inversor e, conseqüentemente, na saída do buffer, havendo assim a saturação de Q2.

Com a saturação de Q2 o relé energiza e, dependendo dos contatos usados, podemos ligar ou desligar uma carga externa.

Veja que na condição de relé energizado é que temos o maior consumo do aparelho, pois a corrente sobe para 50 mA com alimentação de 12 V, e para 100 mA a alimentação de 6 V.

Desta forma, dependendo da aplicação, será mais interessante inverter as posições de D1 e P1 no sentido de chegar à condição de relé energizado para os intervalos de tempo menores de uso do aparelho.

Na figura 1 temos o diagrama completo da versão básica que alimenta um relé e que é ativado quando a luz é cortada no diodo D1.

Figura 1 – Diagrama sem a fonte

Para esta versão, usando relés do tipo DIL temos a placa de circuito impresso mostrada na figura 2.

Figura 2 - Sugestão de placa de circuito impresso

O fotodiodo pode ser o BPW41 ou equivalentes.

Também podem ser usados fototransistores sensíveis neste circuito.

O potenciômetro P1 não é crítico, determinando a faixa de sensibilidade. Valores entre 1 M ohms e 10 M ohms podem ser usados, em função do nível de iluminação com que se pretende operar o aparelho.

O valor de C1, que é simplesmente de desacoplamento, pode ficar entre 47 uF e 470 uF sem problemas, com tensão de trabalho igual ou maior que a usada na alimentação.

Em lugar de energizarmos a bobina de um relé podemos usar os níveis lógicos obtidos na saída do buffer 4093 para excitar outros tipos de circuitos.

Uma primeira opção faz uso de um FET de potência no controle de uma carga de corrente contínua, que pode ser uma lâmpada, um solenoide ou um pequeno motor.

Os FETs, como o indicado na figura 3, possuem a capacidade de controlar correntes de vários ampères.

Figura 3 – Usando um MOSFET de potência

O transistor de potência deve ter um radiador de calor, e se a carga for indutiva, devemos prever um diodo para evitar a produção de uma tensão elevada sobre o transistor no momento em que ela for desligada.

Outra opção, que faz uso de um Darlington de potência, é mostrada na figura 4.

Figura 4 – Circuito com Darlington de potência

Este circuito pode controlar cargas de potência com correntes até 2 A ou 3 A, mas com um rendimento levemente menor que o da versão anterior, isso porque a resistência coletor-emissor de um transistor bipolar saturado é muito maior que a resistência dreno-fonte de um FET de potência saturado.

Esta resistência, no caso dos FETs, pode chegar a menos de 0,1 ohm.

A ativação da carga com a saída do buffer ao nível baixo pode ser feita com o uso de transistores PNP, conforme mostra o circuito da figura 5.

Figura 5 – Ativação no nível baixo

O transistor, neste caso, também deve ser dotado de um radiador de calor.

Para controlar cargas de corrente alternada podemos usar um SCR, conforme mostra a figura 6.

Figura 6 – Disparando um SCR

No circuito apresentado, (meia onda) podemos controlar cargas de até 3 A tanto na rede de 110 V como 220 V, bastando escolher o SCR com sufixo apropriado. Este componente deverá também ser dotado de um radiador de calor.

Observe que este circuito não tem isolamento entre a rede de energia e o setor de baixa tensão, já que existe uma linha de terra em comum.

Se você desejar mais segurança no controle sem relé de uma carga de alta potência na rede de energia, pode partir para o circuito da figura 7 que faz uso de um opto-diac no disparo de um triac.

Figura 7 – Usando um opto-diac

O triac indicado é de 8 A, mas tipos de sensibilidade semelhante e de acordo com as cargas podem ser usados.

O triac deve ser montado num radiador de calor.

Para provar o aparelho, basta ajustar P1 para que o relé seja ativado com o nível desejado de sombra ou luz, conforme a versão.

Se não for conseguido ajuste com o e nível desejado, ou for notada alguma instabilidade, devemos aumentar o valor de P1.

Uma primeira possibilidade consiste em ligar resistores de 1 M ohms a 4,7 M ohms em série com este componente.

Se o diodo ficar longe do circuito pode haver necessidade de usar fios blindados.

Para evitar respostas rápidas com transientes de luz de curta duração, um capacitor de 100 nF a 10 uF deve ser ligado em paralelo com P1.