Comparadores de Luz (ART2269)

A comparação de grandezas físicas, com a simples indicação das diferenças de valores, acionamento de dispositivos de aviso ou atuações sobre controles, é algo que pode interessar ao profissional da eletrônica. Em especial, focalizamos, neste artigo, comparadores de intensidade de luz usando LDRs que servem para diversas aplicações, como por exemplo a comparação de tonalidade de 1intas, de transparência de plásticos, papéis ou outros produtos; de transparência de soluções químicas, com a detecção da ocorrência de reações; de luminosidades ambientes etc. Com a troca dos sensores de luz por termistores, podemos ainda utilizar os mesmos circuitos numa infinidade de outras aplicações que envolvem a comparação de temperaturas São diversos circuitos, alguns até bastante simples, usando componentes nacionais.

Comparar duas intensidades de luz, eis um problema que pode ser resolvido pela eletrônica com certa facilidade e até mesmo com a possibilidade de alguns recursos adicionais.

Consultado por diversas pessoas sobre a possibilidade de elaborar circuitos para a comparação de grandezas físicas, especificamente a que elaboramos diversos projetos que podem ser de grande utilidade para todos, mas principalmente aos que trabalham em laboratórios de aplicações profissionais.

Estes circuitos são os comparadores de intensidades luminosas que utilizam como sensores LDRS comuns ou foto-resistores de sulfato de cádmio.

A excelente sensibilidade destes sensores permite o trabalho numa enorme gama de intensidades luminosas, o que significa que os circuitos, sem praticamente alterações profundas, podem operar numa quantidade de aplicações muito grande.

Os projetos que discutimos, basicamente, comparam intensidades de quando indicações em instrumentos, LEDs ou ainda acionando cargas externas.

Dentre as aplicações que sugerimos estão as seguintes:

- No laboratório de química, para medida de transparência de soluções e comparações que signifiquem a ocorrência de reações. A monitoração de relações pela mudança do grau de transparência, ou ainda o grau de concentração, pode ser feita com o acionamento de avisos ou alarmes.

- Comparações de refletâncias, transparências ou ainda tonalidade podem ser feitas em laboratórios que trabalhem com tintas, materiais fotográficos ou gráficos.

- A iluminação de ambientes pode ser comparada com padrões, utilizando os circuitos propostos.

- Com a troca dos sensores por termistores, nos laboratórios de química, física ou biologia, podem ser feitas comparações e monitorações de temperatura com a simples indicação ou ainda o acionamento de controles ou alarmes (figura 1).

Figura 1 - Aplicações

OS CIRCUITOS

A base de todos os circuitos é o sensor de luz, conhecido como LDR ou Light Dependent Resistor (foto-resistor).

Seu aspecto é mostrado na figura 2.

Figura 2 – Um LDR e sua curva característica

Este componente apresenta uma superfície de sulfeto de cádmio (CdS) sensível à luz cuja resistência varia numa proporção inversa à intensidade da luz incidente.

Na mesma figura temos um gráfico que nos mostra que, tipicamente, esta resistência pode ser de alguns megohms no escuro completo, caindo para centenas ou mesmo dezenas de ohms com iluminação máxima.

Dois LDRs podem ser ligados de modo a formar uma ponte de Wheatstone típica, conforme mostra a figura 3.

Figura 3 – Ligação de LDRs em ponte

Nesta ponte a corrente no elemento indicador, ou a tensão entre os pontos A e B, é nula quando ocorre o equilíbrio.

E, para o equilíbrio, a equação seguinte deve ser satisfeita:

R1/R2 = R3/R4

Se R1 e R2 forem LDRS é fácil perceber que enquanto eles mantiverem a mesma relação da resistência. o equilíbrio se mantém e, com isso, a indicação da ponte.

Para se obter uma sensibilidade ideal para a indicação de equilíbrio e também do desequilíbrio, é importante que os resistores R3 e R4 tenham a mesma ordem de grandeza que R1 e R2.

Como R1 e R2 são as resistências dos LDRs, e estas podem variar muito dependendo da intensidade de luz com que normalmente se trabalha, seu valor vai depender da aplicação.

Assim, para intensidades de luz muito pequenas, como na medida de refletância de superfícies ou da transparência de substâncias que sejam quase opacas, valores na faixa de 100 k até mesmo 470 k devem ser usados.

Para intensidades médias, com iluminação ambiente ou fontes de luz fracas, a faixa de valores estará entre 10 k e 82 k e, finalmente, com fontes fortes, como, por exemplo, sob iluminação forte de focos de luz na monitoração de reações químicas, iluminação Solar (luz do dia), etc. os valores ficarão na faixa de 2 k a 8k2.

Nos projetos, dependendo da aplicação, daremos as indicações que permitam fazer as devidas modificações.

Para todos os projetos sugerimos a utilização dos LDRs redondos de 1cm ou equivalentes.

COMPARADOR SIMPLES COM INDICADOR ANALÓGICO

Nosso primeiro circuito é mostrado na figura 4.

Figura 4 – Comparador simples

Esta é a versão mais simples que podemos dar e que faz a comparação de intensidades luminosas.

Podemos medir a transparência de soluções ou compará-las, conforme mostra a figura 5, instalando os LDRS de modo a receberem luz através de tubos de ensaio onde sejam colocadas as soluções.

Figura 5 – Posicionamento dos sensores

Por trás dos tubos temos uma fonte única de luz com intensidade fixa.

Na figura 6 temos a utilização deste circuito na comparação da tonalidade de tintas.

Figura 6 – Comparando tonalidades

Observe que os LDRS devem ser colocados à mesma distância do material analisado e as fontes de luz devem ter a mesma intensidade.

O potenciômetro P1 serve para fazer a calibração.

Colocando-se os dois LDRs sob iluminação de mesma intensidade, devemos ajustar P1 para a indicação de nulo para o instrumentos.

P2 serve para limitar o fundo de escala do instrumento, evitando que, sob iluminação forte, ele ultrapasse o final da escala.

Ajusta-se P2 para que, estando um LDR sob iluminação normal e o outro completamente no escuro, tenhamos a indicação de fundo de escala.

Na figura 7 temos uma sugestão de montagem para este comparador de luz.

Figura 7 – Sugestão de montagem

Os resistores R2 e R3 são escolhidos de acordo com a intensidade de luz que normalmente encontramos nos testes de comparação.

Para intensidades menores (luz muito fraca), aumente estes resistores para 47k, e para intensidades de luz muito fortes (luz do dia), reduza-os para 10 k ou mesmo 4k7.

O instrumento indicador não é crítico, podendo ser usado um microamperímetro de 200 uA com zero no centro ou mesmo um tipo mais sensível, como os de 50 uA, que são usados para indicar estado de bateria em muitos equipamentos e são bastante compactos.

Um miliamperímetro de 0-1mA também poderá ser usado, mas, neste caso, o instrumento não terá a mesma sensibilidade para intensidades de luz muito pequenas.

A alimentação é feita com duas pilhas de 1,5 V que terão ótima durabilidade em vista do baixo consumo de corrente da unidade.

Para usar é preciso sempre zerar o instrumento.

Para isso, submeta os dois LDRs à mesma iluminação (use um padrão como, por exemplo, soluções com transparência conhecida e iguais, painéis com um cinza médio conhecido etc.) e ajuste P1 para indicação de zero. Depois é só fazer as comparações de luz, conforme a aplicação desejada.

Evidentemente, os LDRs podem ser instalados de maneira fixa e não em tubos, caso se pretenda outro tipo de aplicação.

COMPARADOR COM CIRCUITO DE DISPARO

Esta aplicação pode ser interessante quando se desejar o disparo de um alarme, de um circuito de aviso ou ainda de um controle que acione qualquer dispositivo quando a intensidade de luz que incide num LDR aumentar em relação a outro.

O circuito também parte da configuração dos LDRS em ponte, conforme podemos ver pela figura 8.

Figura 8 – Comparador com circuito de disparo

Temos um amplificador operacional 741 ligado como comparador, onde as tensões das entradas inversora e não inversora são determinadas pela intensidade de luz que incide em cada LDR.

Na saída do operacional temos dois circuitos, um que tem um LED que acende quando a tensão desta saída for positiva e outro que tem um relé que aciona quando a tensão for nula.

Se a tensão da entrada não inversora for maior que a da entrada inversora,v a tensão de saída do operacional será positiva e o relé será acionado.

Por outro lado, se a tensão da entrada inversora for menor que a da entrada não inversora, a saída do operacional será nula e o LED estará aceso.

Com a iluminação por igual dos dois LDRs e o ajuste do equilíbrio da ponte feito em P1, ficamos no ponto de transição do circuito.

Um pequeno retoque em P1 nos permite levá-lo à condição em que o relé está aberto e o LED aceso.

Se a iluminação sobre os dois LDRs se alterar do mesmo modo, ou seja, aumentar ou diminuir nos dois ao mesmo tempo, esta condição de equilíbrio dá ponte é mantida e não há mudança das condições de saída.

No entanto, se a iluminação do LDR1 aumentar mais que a do LDR2, ou então a iluminação do LDR2 diminuir mais rapidamente do que a do LDR1, passamos pelo ponto de transição do circuito e ocorre a comutação.

O LED se apaga e o relé é ativado, ligando uma carga externa.

Veja que este circuito não responde à variações contrárias a indicada, ou seja, diminuição da luz de LDR1 em relação a LDR2 Para isso, temos outro tipo de circuito que será dado posteriormente.

O potenciômetro P2 determina a rapidez da resposta à transição de luz, ou seja, à sensibilidade.

Este componente atua sobre o ganho do amplificador operacional e seu ajuste depende da aplicação dada ao aparelho assim como de R1 e de R2.

Os valores de 47k são indicados para iluminações de média para fraca, devendo ser diminuídos se o aparelho trabalhar com iluminação forte.

A alimentação do circuito é feita com fonte de 12V, que deve fornecer pelo menos 200 mA de corrente.

Os resistores são todos de 1/8W e os transistores são de uso geral.

Uma possibilidade de acionamento duplo consiste em se trocar R4 por um resistor de 1 k e o LED com R6 por outro relé de 12 V.

Teremos, então, o acionamento deste relé quando K1 estiver aberto e o desacionamento com K1 fechado.

COMPARADOR DE JANELA

Neste circuito os relés ficarão desativados quando as intensidades de luz nos LDRS estiverem dentro de uma faixa determinada de iluminação.

Quando a iluminação dos LDRs for diferente, aumentando ou diminuindo, um relé ou outro será acionado, levando-nos então à característica de “janela“, mostrada na figura 9.

Figura 9 – O comparador de janela

Os relés tanto podem ser ligados em paralelo como de modo independente, em função da aplicação desejada.

No modo independente, teremos o acionamento de um com a queda da iluminação de LDR1 em relação a LDR2, ou aumento de luz em LDR2 em relação a LDR1.

O outro relé será acionado quando tivermos uma queda de iluminação em LDR2 em relação a LDR1, ou aumento de luz em LDR1 em relação a LDR2.

P1 faz o ajuste do equilíbrio, que determina o centro da faixa de atuação.

Na figura 10 temos o circuito completo desta aplicação.

Figura 10 – Circuito completo

Veja que, nesta aplicação, os comparadores feitos com amplificadores operacionais do tipo 741 operam com ganho máximo, o que significa uma transição rápida de estado no ponto de desequilíbrio.

Podemos suavizar esta característica, conforme mostra a figura 11, com a utilização de um potenciômetro de realimentação negativa entre os pinos 6 e 2 de cada integrado.

Figura 11 - Controle de sensibilidade

O valor típico deste potenciômetro é 1M e com ele todo fechado obtemos um ganho unitário de tensão nos operacionais.

Os resistores R2 e R3 devem ter seus valores adequados à intensidade de luz normal nos dois sensores.

A faixa de valores é a mesma indicada na introdução do artigo.

COMPARADOR ESCALONADO COM INDICAÇÃO POR LED

Com a utilização de quádruplos comparadores de tensão, como os LM ou CA339 (Sid ou Texas), podemos ter uma primeira versão de comparador com indicação de diferenças de iluminação dadas em quatro LEDs.

O circuito é mostrado na figura 12.

Figura 12 – Comparador escalonado

Seu modo de funcionamento é descrito a seguir.

LDR2 e os resistores de R2 a R6 formam uma rede de referência de tensão escalonada para as quatro entradas não inversoras dos comparadores.

Temos então, com determinado nível de iluminação do LDR2, tensões escalona das nos comparadores que, conforme mostra a figura 13, determinam os pontos de comutação de cada saída.

Figura 13 – A escada de acionamento

As entradas inversoras são ligadas juntas e a um divisor de tensão formado por LDR1 e por R7.

O potenciômetro P1 ajusta o ponto de equilíbrio do circuito.

Os valores são dados de tal forma que podemos ajustar P1 para que a tensão na entrada inversora de todos seja da mesma ordem que a encontrada na entrada do segundo comparador (pino 9).

Isso significa que o primeiro e o segundo comparador estarão comutados e suas saídas no nível baixo (com 0 V), o que faz com que o LED3 e o LED4 estejam acesos.

O LED3 é o indicador de nível normal ou equilíbrio, sendo que um LED verde é usado para esta finalidade.

Se a iluminação cair em LDR1 em relação a LDR2, cai a tensão na entrada inversora de cada comparador, e quando ela for inferior ao nível do segundo comparador (pino 9), somente o primeiro estará comutado e o LED4 estará aceso, indicando sub-iluminação.

Se cair ainda mais a iluminação e a tensão, este LED também se apagará.

Se a iluminação aumentar, aumenta a tensão e, com isso, também teremos a comutação dos comparadores 3 e 4 (pinos 5 e 7), com o acendimento dos LEDs 1 e 2.

Veja que temos dois LEDs de sobre-iluminação, que são LED1 e LED2 vermelhos), um de indicação normal (verde) e um de indicação abaixo do normal, que é o LED4.(que pode ser amarelo).

Perceba que, como a referência é dada por LDR2, se ocorrer uma variação simultânea da iluminação neste componente e em LDR1, a referência na entrada de cada comparador se altera de acordo com a tensão de entrada e não temos indicação de mudança de situação.

Os valores de R6 e R7 são escolhidos de modo a termos, aproximadamente, no pino 9 do comparador a mesma tensão das entradas inversoras dos comparadores.

A rede divisora pode ter os valores alterados numa ampla faixa, em função do grau de iluminação dos LDRs.

Uma característica importante deste circuito é que podemos ligar nas saídas de cada comparador circuitos de disparo de sistemas externos, como mostra a figura 14.

Figura 14 – Ligando sistemas externos

Estes Circuitos são drivers de relés, energizados quando a saída vai ao nível baixo, ou seja, quando ocorre a comutação de cada um dos quatro comparadores existentes num LM339 ou CA339.

Circuitos equivalentes como os 239 e 139 também podem ser usados sem problemas.

COMPARADOR ESCALONADO COM OITO LEDS

Este Circuito consiste numa versão melhorada do anterior, com a utilização de dois integrados e oito LEDs.

O princípio de funcionamento é exatamente o mesmo, como podemos observar na figura 15.

Figura 15 – Comparador escalonado de 8 LEDs

Os valores de R1 e da rede de referência (de R2 a R10) também são escolhidos em função das intensidades de luz que devem ser comparadas.

O LED5 pode ser tomado como nível normal de referência, sendo este de cor verde.

Do LED6 a LED8, que indicariam a condição de sub-iluminação. podemos usar LEDs amarelos e para a sobre-iluminação, que vai de LED4 a LED1, podemos usar tipos vermelhos.

Os resistores de R11 a R18 determinam a intensidade do brilho dos LEDs.

Também neste circuito podemos usar em diversos níveis disparadores para relés, como na versão anterior.

Para uma aplicação mais crítica, podem ser estabelecidos níveis de disparo para cada saída, com a utilização de uma rede de resistores (R2 a R9) com valores determinados através de cálculos ou experimentação, obtendo-se assim uma “escada“ não uniforme.

O circuito também pode ser alimentado com 12 V com a troca dos resistores de R11 a R18 por unidades de 1k5 ou 2k2, para menor consumo de energia e menor corrente nos LEDs.

CONCLUSÃO

Os LDRs permitem a utilização destes circuitos numa infinidade de aplicações que envolvam a comparação de luz.

Para o caso de termistores, os valores obtidos nas condições operacionais destes componentes não estão nas mesmas faixas dos LDRs, sendo, portanto, necessárias modificações nos valores dos resistores do divisor.

Outros transdutores resistivos como sensores de gases, de umidade, de pressão e mesmo de nível podem ser acoplados nestes circuito com facilidade.

Na figura 16 damos como sugestão a utilização de dois sensores de níveis feitos com potenciômetros comuns, que podem servir para indicação comparativa de níveis de reservatórios, com o acionamento de bombas que possam sempre manter os dois em níveis próximos.

Figura 16 – Sensor de nível

Os valores típicos destes potenciômetros estão na faixa de 10 a 100 k, com a modificação dos resistores das redes de referência conforme os casos.

Na figura 17 temos uma aplicação para o laboratório de química, em que podemos tanto medir a transparência de uma solução como uma eventual rotação do plano de polarização para substâncias que apresentem esta polaridade.

Figura 17 – Outra aplicação

Evidentemente, as aplicações são tantas que ficará por conta de cada um complementar o projeto com os “periféricos“ necessários.