Detector de Posicionamento (MEC173)

Existem aplicações industriais, em pesquisa e até mesmo no lar em que a posição de um objeto deve ser usada para disparar algum tipo de dispositivo de aviso ou mesmo um mecanismo. Isso pode ocorrer com bóias, portas, peças de máquinas e em muitos outros casos. Os circuitos detectores de posição que descrevemos neste artigo podem ser muito úteis para o leitor que está precisando de uma solução rápida para este problema.

Uma bóia que atinja uma certa altura num reservatório, uma porta que se abre, uma balança que se movimenta são alguns exemplos de dispositivos que podem ser usados para ativar circuitos eletrônicos, através de sensores de posição.

No laboratório de pesquisa, um objeto que mude de posição numa queda controlada ou ainda uma balança ou mesmo dispositivos ativados por animais (cobaias) podem ser usados para ativar dispositivos eletrônicos de registro, alarme ou mesmo de realimentação conforme um programa.

No lar, a posição de uma porta pode ser usada para disparar um alarme e na indústria a posição de uma peça numa máquina pode ser usada para acusar um início ou fim de função ou ainda para disparar um alarme, detectando uma anormalidade.

Estes são apenas alguns exemplos de dispositivos que podem ser controlados por sensores de posição. (figura 1)

Figura 1 – Acionamento para um sistema excêntrico

Os três projetos que descrevemos neste artigo usam como base potenciômetros comuns como sensores.

Estes têm a vantagem de poderem ser facilmente acoplados de forma mecânica aos sistemas controlados e têm uma boa precisão na determinação dos pontos de disparo.

Por outro lado, o uso de um relé permite que a carga controlada seja isolada eletricamente do circuito sensor e de disparo o que pode ser muito importante por razões de segurança em muitos casos.

Como os potenciômetros podem ser tanto rotativos como deslizantes os circuitos podem ser usados sensoriamento de deslocamento linear (pot..deslizantes) como no sensoriamento de movimentos ou deslocamentos angulares (pot. rotativos), conforme mostra a figura 2.

Figura 2 – Usando dois tipos de potenciômetros

Nossos circuitos apresentam as seguintes características elétricas básicas:

CARACTERÍSTICAS

Tensões de alimentação: 6 a 12 V

Contacto do relé: 6 ampères/250 V

Sensor: potenciômetro de 10 k Ω a 100 k Ω

Corrente de consumo dos circuitos: 2 a 20 mA (sem energizar o relé)

COMO FUNCIONA:

Como sensores de posição tanto podemos usar potenciômetros comuns como sensores resistivos especiais, dependendo da aplicação e da precisão desejada.

Num potenciômetro comum, a resistência apresentada entre o cursor e um dos extremos depende do ângulo do cursor nos tipos rotativos ou de deslocamento linear para os deslizantes.

Nos tipos lineares (lin), a relação é uma proporção direta, conforme mostra a curva da figura 3.

Figura 3 – Resposta linear

Já nos tipos logarítmicos, esta curva e como a mostrada na figura 4.

Figura 4 – Resposta logarítmica

A precisão de um potenciômetro comum é pequena, mas como o circuito tem ajustes ou meios de se fazer uma compensação este problema pode ser facilmente superado, a não ser que se empregue um sensor industrial como o da figura 5.

Figura 5 – Um sensor de posição de precisão

Damos dois tipos de circuito neste artigo:

O primeiro tipo apresentado em duas versões consiste num sistema que dispara um relé quando o cursor atinge e ultrapassa uma certa posição.

Na primeira versão existe uma trava, o que quer dizer que se atingida a posição ajustada o relé disparar ele permanece assim indefinidamente, mesmo que o potenciômetro volte à posição acima do ponto do disparo.

Na segunda versão, ele só se mantém disparado quando o potenciômetro estiver na posição acima do ponto do disparo. Se o potenciômetro ou sensor voltar a sua posição original, o relé desarma.

No segundo circuito, temos o chamado detector de "janela", onde existe uma faixa determinada na qual o relé se mantém ativado, compreendida entre duas posições do deslocamento do cursor, conforme mostra a figura 6.

Figura 6 – O detector de janela

Abaixo do limite inferior e acima do limite superior do ajuste, o relé se mantém desarmado. Em um ajuste fino, o sistema pode ser usado para detectar uma posição única bem definida.

A largura da faixa de atuação pode ser alterada facilmente o que garante uma boa margem de precisão e além disso facilita a adaptação do circuito ao uso em fins específicos.

CIRCUITO 1 - DETECTOR DE POSIÇÃO COM TRAVA

O circuito apresentado na figura 7 dispara um SCR e conseqüentemente um relé quando o sensor de posição (P1) atinge determinada posição.

Figura. 7 - Detector de posição com trava.

Este circuito é dotado de trava, o que quer dizer que mesmo que o sensor volte para a posição original, na faixa de não disparo o relé permanece ativado. Para desativar é preciso desligar por um momento a alimentação ou pressionar S1

Para uma alimentação de 12 V usamos um relé G1RC2, lembrando que no SCR temos uma pequena queda de tensão da ordem de 2 V.

A disposição dos componentes para esta montagem numa pequena placa de circuito impresso é mostrada na figura 8.

Figura 8 – Placa para este circuito

Os fios para o sensor, ligados em A, B e C podem ser bem longos e até existe a possibilidade do terceiro condutor (C) ser substituído por uma ligação à terra conforme mostra a figura 9.

Figura 9 – Conexão usando apenas dois fios

Para usar o aparelho, posicione P1 de modo que ocorra o disparo do relé na posição desejada.

Na figura 10 mostramos um modo simples de se fazer o circuito disparar com a ultrapassagem do nível de água num local através de uma bóia acoplada ao eixo de um potenciômetro.

Figura 10 – Usando o sensor numa caixa de água

CIRCUITO 2 - DETECTOR DE POSIÇAO SEM TRAVA

O circuito apresentado na figura 11 dispara o relé sempre que o sensor

ultrapassar a posição de equilíbrio, desligando-o quando voltar a posição

normal.

Figura 11 – Detector de posição sem trava

O relé permite o controle de cargas externas de até 6 ampères e a

alimentação pode ser feita com tensões de 6 ou 12 V conforme a bobina do relé usado.

A escolha do valor do sensor e do resistor em série permite adequar a faixa de disparo do sistema.

Com um potenciômetro de 10 k Ω e um resistor de 10 k Ω ou maior para R1, por exemplo podemos deslocar a faixa de disparo, conforme mostra a fig. 12.

Figura 12 – Alterando a faixa de atuação com um resistor

Observamos que este circuito é dotado de uma certa histerese, o que quer dizer que o ponto que ocorre o disparo na ida do sensor para a região

de ativação do relé, ocorre depois do ponto em que ocorre o desligamento na

volta, conforme mostra a figura 13.

Figura 13- A histerese

Este fato deve-se as características mecânicas e magnéticas do relé.

A utilização dos potenciômetros de valores maiores tende a reduzir esta faixa, devendo pois o usuário escolher os valores experimentalmente de acordo com a aplicação.

Na figura 14 temos a disposição dos componentes numa placa de circuito impresso.

Figura 14 – Placa para a montagem

O sensor ligado aos pontos A, B e C pode ser conectado por meios de fios longos. O fio C pode ser eliminado em favor de uma boa conexão à terra.

Para utilizar o aparelho é simples: basta posicionar o sensor de modo que

o disparo ocorra no ponto desejado.

CIRCUITO 3 - DETECTOR DE POSIÇAO COM JANELA

O circuito da figura 15 é um detector que atua numa determinada faixa, dada pelos ajustes de P2 e P3 conforme explicamos na introdução do artigo.

Figura 15 – Detector com janela

O circuito manterá o relé travado apenas numa faixa de posições do cursor do sensor.

 O amplificador operacional 1458 pode ser substituído por dois operacionais independentes como o 741 ou mesmo comparadores do tipo encontrado num LM139 ou 339.

A disposição dos componentes numa placa de circuito impresso e mostrada na figura 16.

Figura 16 – Placa de circuito impresso para a montagem

P2 determina a referência de tensão para CI-1 a enquanto que P3 determina

a referência de tensão para Cl-1 b.

Nas condições de não operação do relé, (contatos abertos) as saídas dos

operacionais se mantém no nível alto.

As faixas são determinadas pelos ajustes de P2 e P3.

Quando qualquer uma das saídas for ao nível baixo, o transistor é polarizado na saturação e a bobina do relé é energizada.

A volta do sensor a posição normal(não energizado) faz com que o relé desligue.

Deve ser considerada a histerese do relé na ida e volta do sensor dentro da faixa de atuação.

Para ajustar o aparelho, coloque inicialmente P2 na posição do cursor que não ocorra o disparo, mantendo inicialmente P3 no centro e P1 no centro.

Leve então P1 para a posição em que se deseja o primeiro ponto de disparo e ajuste P3. Feito isso, leve P1 para a segunda posição de disparo, fixando assim a faixa de atuação e ajuste P2.

O fio de ligação a P1 pode ser longo e neste circuito a conexão C pode ser eliminada substituindo-se um retorno via terra.