Sensores e Atuadores para Eletrônica Embarcada (ART3207)

Os automóveis modernos são controlados por microcontroladores que atuam sobre diversos tipos de acionadores a partir de sensores especiais. As variáveis que devem ser medidas em cada instante e o tipo de ambiente que corresponde a um carro em funcionamento exigem o uso de sensores e acionadores especiais. Técnicos que trabalhem com a Eletrônica do Automóvel devem ter um preparo especial. Já falamos em outro artigo de como os microcontroladores podem ser usados no controle dos motores dos automóveis. É chegado o momento de falarmos um pouco dos sensores que fornecem as informações para os microprocessadores e dos acionadores que são controlados.

Este artigo não é novo, mas os princípios de funcionamento dos sensores e atuadores se mantém. É claro que aperfeiçoamentos tem sido feitos ao longo dos anos no sentido de tornar estes sensores mais eficientes, principalmente no modo como processam e enviam os sinais aos microcontroladores.

 

Os sensores e os acionadores são componentes críticos no caso do ambiente do carro, em que ocorrem variações extremas de temperatura e umidade, além de condições de vibração e até mesmo, da presença de poluentes.

Nas condições de funcionamento de um carro os sensores e acionadores devem ter características especiais como:

a) A precisão que deve estar de acordo com as exigências do projeto para que a resposta correta seja obtida.

b) A prontidão, que é a capacidade de responder rapidamente a determinadas variações da grandeza a ser medida, no tempo necessário para que o sistema inteligente do carro (microcontrolador) tome as decisões para sua correção.

c) A sensibilidade que permite perceber as variações da grandeza na intensidade necessária para a aplicação.

Na figura 1 temos um diagrama de blocos que mostra um controle eletrônico simplificado de um motor de carro.

 

Sensores num controle eletrônico de motor.
Sensores num controle eletrônico de motor.

 

Observe que temos diversos tipos de sensores usados como:

- Sensor de temperatura do líquido de refrigeração

- Sensor da temperatura do ar na admissão

- Pressão absoluta no múltiplo de admissão

- Pressão atmosférica absoluta

- Posição angular do rotor do motor

- Velocidade angular do motor (rpm)

- Concentração de oxigênio no gás do escapamento

- Ângulo da válvula borboleta

 

Para os acionadores temos os seguintes:

- Acionador da dosagem de combustível

- Injetor de combustível

- Sistema de ignição

- Acionador de recirculação do gás do escapamento

 

SENSORES

Analisaremos a seguir, de forma resumida, o princípio de funcionamento de alguns sensores encontrados nos carros com controle eletrônico.

Observamos que os tipos e as quantidades de sensores encontrados podem variar bastante, dependendo do modelo do carro e da época da fabricação.

 

Sensor de Pressão Absoluta de Admissão

A pressão do ar no cano de admissão (PAM) é importante como parâmetro para o ajuste dos atuadores, de modo a ser obtido o melhor desempenho de um motor.

Esta pressão varia segundo uma curva senoidal, conforme observamos na figura 2, e em função dessas variações, o microprocessador fornece sinais para os diversos atuadores.

 

A pressão no sistema de admissão varia com o movimento.
A pressão no sistema de admissão varia com o movimento.

 

 

O sistema de admissão consiste numa série de condutores através dos quais a mistura ar/combustível chega até os cilindros.

A pressão no sistema e controlada pela abertura da válvula e pelo próprio movimento, uma vez que os pistões ao se moverem devem sugar a mistura para o seu interior na proporção correta.

O movimento de vai-e-vem dos cilindros puxando a mistura forma a curva próxima da senoidal numa frequência que corresponde ao número de cilindros multiplicado pela frequência da rotação (número de voltas por segundo).

O sensor mais comum usado para medir esta pressão é um medidor de deformação, que consiste num diafragma de silício veja a figura 3.

 

Um sensor de pressão absoluta.
Um sensor de pressão absoluta.

 

Este sensor, que fica no interior do sistema de admissão, consiste num chip de silício de aproximadamente 3 mm quadrados com bordas de aproximadamente 250 micros de espessura e uma área central de 25 micros formando um diafragma flexível.

As extremidades do chip são mantidas no vácuo por meio de uma placa de pirex de modo que forma-se entre a placa e a área central do chip uma câmara vazia como nos barômetros comuns.

A introdução de impurezas no chip faz com que sejam criados resistores sensores que têm seus valores determinados pelo tensionamento do diafragma, o qual depende justamente da diferença entre a pressão externa e a interna (que é nula).

Este mesmo tipo de sensor pode ser usado como barômetro, servindo para indicar a pressão atmosférica absoluta, que é uma variável também utilizada nos sistemas de controle dos motores.

Na figura 4 temos um circuito típico de sensor deste tipo, observando que os resistores formam uma ponte de Wheatstone que se desequilibra com as variações da pressão, fornecendo um sinal para o circuito externo a partir de um amplificador diferencial.

 

Um circuito sensor usando o sensor semicondutor da figura 3.
Um circuito sensor usando o sensor semicondutor da figura 3.

 

 

Outro tipo de sensor de pressão, que pode ser encontrado nos sistemas de admissão de alguns veículos, é o capacitivo, cuja vista simplificada está na figura 5.

 

Capacitor usado como sensor de pressão.
Capacitor usado como sensor de pressão.

 

 

Este dispositivo sensor consiste numa cápsula com um capacitor formado por duas folhas de alumínio, havendo entre elas um dielétrico com uma cavidade oca em que se produz o vácuo.

Como as armaduras de alumínio são flexíveis, elas se tensionam de acordo com a diferença entre a pressão externa e a interna (que é fixa).

Desta forma, a capacitância apresentada pelo dispositivo passa a variar conforme a pressão nas armaduras.

 

Sensor de Posição

A posição do eixo do motor é um dado muito importante para o sistema de controle. A partir dele é possível saber a posição em cada instante dos cilindros e demais dispositivos controlados mecanicamente.

A posição do eixo é medida em graus, de 0 a 360 por volta, e para sua medida existem diversas possibilidades através do uso de sensores.

Vejamos:

 

Sensor de Relutância Magnética

Este sensor consiste num ímã em forma de ferradura que tem enrolada em sua volta uma bobina, figura 6.

 

Um sensor de posição do tipo de relutância magnética.
Um sensor de posição do tipo de relutância magnética.

 

Pela abertura entre os polos (peça polar) passa um disco com ressaltos fixado ao eixo do motor.

A passagem do ressalto pela abertura do imã fecha o circuito magnético do imã, de modo a produzir uma variação no campo magnético deste e com isso gerar um sinal que aparece nas extremidades da bobina sensora.

Conforme verificamos na figura 7, a passagem do ressalto pela abertura do imã gera um sinal que pode ser usado para obter informações sobre posição e funcionamento dinâmico do motor.

 

Quando o dente ou ressalto passa entre as peças polares ele “fecha” o circuito magnético produzindo um sinal na bobina.
Quando o dente ou ressalto passa entre as peças polares ele “fecha” o circuito magnético produzindo um sinal na bobina.

 

 

Este mesmo sensor de posições pode ser usado, por exemplo, para medir a velocidade do motor. Para um sensor de 4 dentes, basta dividir por 4 o número de pulsos produzidos e teremos o número de rotações por segundo.

Multiplicando por 60 este valor teremos as rpm (rotações por minuto).

Este mesmo sensor também pode ser usado para fornecer o instante de produção dos pulsos do sistema de ignição.

 

Sensor de efeito Hall

Outro tipo de sensor encontrado nos carros para a posição do eixo ou para a medida de rotações é o sensor de efeito Hall.

Conforme observamos na figura 8, um sensor de efeito Hall consiste numa pequena pastilha de material semicondutor.

 

A corrente depende da intensidade do campo magnético num sensor de efeito Hall.
A corrente depende da intensidade do campo magnético num sensor de efeito Hall.

 

 

A circulação de uma corrente por esta pastilha pode ser afetada por um campo magnético externo. Assim, a resistência que ela apresenta dependerá da intensidade do campo magnético externo.

Basta então colocar este sensor junto aos polos de em ímã, como na configuração anterior e ele substituirá a bobina, gerando 'um sinal cada vez que o campo magnético do sistema variar pela passagem do dente do disco de controle acoplado ao motor.

Os sensores de efeito Hall também podem ser usados numa configuração por interrupção do campo, mostrada na figura 9.

 

Quando o furo passa diante do ímã seu campo atinge o sensor produzindo o sinal.
Quando o furo passa diante do ímã seu campo atinge o sensor produzindo o sinal.

 

 

Nela existe uma abertura ou vão no disco e a passagem diante do sensor faz com que o campo magnético de um ímã colocado em posição oposta atue, produzindo um pulso de controle.

 

Sensor Óptico

Um outro tipo de controle que pode ser citado é o que faz uso de um LED e um fotossensor, caso em que a passagem de dentes ou furos no disco, interrompendo ou estabelecendo o acoplamento óptico, permite a geração do sinal de controle.

 

Sensor de Fluxo de Ar

Uma variável importante para o controle de um motor, principalmente levando em consideração as rígidas normas para a não emissão de poluentes, é a quantidade de ar que entra no sistema de admissão por unidade de tempo.

O sensor mais simples que existe foi desenvolvido em 1984 e é montado no próprio filtro de ar de muitos veículos.

O sensor SMA, como é chamado, é uma variação do anemômetro de fio quente, usado em medidores de velocidade de vento de aeroportos e em aplicações semelhantes.

Um fio percorrido por uma corrente se aquece e dilata. No entanto, a temperatura e, portanto, a dilatação vai depender de sua ventilação. Se este fio for esticado na passagem de um fluxo de ar (que irá refrigera-lo) sua temperatura, e logo, a corrente que passa por ele vai depender da temperatura do ar que entra e da sua velocidade (fluxo), figura 10.

 

O sensor de fio quente de fluxo de ar.
O sensor de fio quente de fluxo de ar.

 

 

Assim, basta ligar este fio numa ponte e teremos uma saída que depende justamente da velocidade do fluxo de ar e da sua temperatura. A temperatura pode entrar como parâmetro no processamento dos dados ou ainda compensada por um sensor na ponte, obtendo-se então o fluxo absoluto do ar.

Observe que este sistema atua sobre um conversor A/D fornecendo na saída um sinal cuja frequência depende do fluxo de ar do sistema de admissão.

 

Sensor da válvula borboleta

A válvula de abertura de entrada da mistura de ar com o combustível é controlada pelo acelerador. Assim, basta ter um sensor para a posição do acelerador, o que é relativamente simples de implementar.

Um sensor de posição simples nada mais é do que um potenciômetro. A resistência apresentada ou a tensão, quando ele forma um divisor de tensão, depende da posição do seu cursor. Outros tipos de sensores sem contatos podem ser elaborados com base em sistemas ópticos como, por exemplo os que se baseiam no mesmo princípio empregado nos mouses dos computadores.

Uma roda dentada passando entre uma fonte de luz (LED) e um fotossensor pode enviar pulsos em determinada quantidade sempre que houver uma mudança na sua posição.

 

Sensores de temperatura

Diversos são os sensores que podem ser encontrados nos carros para medir a temperatura ou para enviar informações sobre sua variação.

O sensor mais comum é a chamada “cebolinha”, um termistor ou NTC, com o aspecto mostrado na figura 11.

 


 

 

Este tipo de sensor consiste num material cuja resistência depende de forma inversa da temperatura A resistência diminui quando a temperatura aumenta= Ligado de modo a formar um divisor de tensão com um resistor fixo e uma fonte de tensão de referência, ele pode fornecer ao circuito de um conversor analógico digital uma tensão proporcional à temperatura. Digitalizada, esta tensão pode ser enviada ao microprocessador de controle.

 

Sensores estequiométricos

O ponto ideal de funcionamento de um motor ocorre quando a relação entre a quantidade de ar e de combustível é tal que a combustão completa é possível. Trata-se da relação estequiométrica.

Quando há excesso de oxigênio ou excesso de combustível, temos a sobra de um ou de outro, o que impede que o motor atinja o rendimento ideal e mais ainda, provoque a emissão de gases poluentes e gaste mais combustível.

Existem diversos sensores usados para analisar as informações sobre a composição da mistura ar/combustível e dos gases de escape.

 

Sonda Iambda

A sonda lambda, cujo aspecto é mostrado na figura 12, é usada na detecção do oxigênio dos gases do escapamento.

 

Sensor de oxigênio no gás de escape (sensor de óxido de zircônio)
Sensor de oxigênio no gás de escape (sensor de óxido de zircônio)

 

O tipo mais usado se baseia nas propriedades do óxido de zircônio ou ainda do óxido de titânio. Funciona da seguinte maneira: estes materiais possuem propriedades elétricas que dependem da presença de íons de oxigênio na face sensível do elemento sensor formado por este material.

O óxido de zircônio atrai os íons de oxigênio que se acumulam na superfície do material que forma o eletrodo do sensor, figura 13.

 

O sensor de oxigênio no escapamento.
O sensor de oxigênio no escapamento.

 

Uma placa de platina forma a referência do sensor, de modo que entre os eletrodos aparece uma tensão que depende do teor de oxigênio na mistura que passa pelo sensor poroso.

 

ACIONADORES

Em função das respostas que o microcontrolador dá às variáveis de entrada, determinados sensores devem ser acionados:

Da mesma forma que no caso dos sensores existem diversos tipos de acionadores encontrados no sistema elétrico/mecânico dos automóveis.

Veremos a seguir como funcionam:

 

Acionador para injeção de combustível

Antigamente a injeção do combustível para obtenção da mistura ar./combustível era feita por um carburador, elemento que se tornou obsoleto nos veículos modernos com o advento da injeção eletrônica.

A figura 14 apresenta um sistema de injeção eletrônica, onde temos um solenoide que puxa fortemente a válvula do injetor no momento em que é percorrido por uma corrente.

 

Acionador do sistema de injeção de combustível.
Acionador do sistema de injeção de combustível.

 

 

O instante e o tempo pelo qual o injetor deve se manter aberto, fixando assim a quantidade de combustível a ser injetado, são determinados pelo microcontrolador em função das variáveis fornecidas pelo sensor a partir do programa fixo em seu interior.

 

Acionador da ignição

Na figura 15 temos o sistema básico de ignição, em que o sensor fornece a posição do sensor do distribuidor ao circuito, que então gera o pulso para a bobina de ignição.

 

Sistema eletrônico de ignição.
Sistema eletrônico de ignição.

 

Num sistema simples, este sistema pode ser independente do microcontrolador, no entanto, parâmetros para obtenção do melhor desempenho como, por exemplo, a manutenção da intensidade da faísca nas altas rotações ou ainda, uma intensidade que depende da mistura e da temperatura podem ser agregados no seu funcionamento.

 

Acionador da recirculação dos gases do escapamento

Este sistema funciona com uma válvula solenoide, conforme verificamos na figura 16.

 

O acionador de recirculação do gás do escapamento.
O acionador de recirculação do gás do escapamento.

 

 

Em função do teor de oxigênio dos gases de escape e de outros parâmetros, a válvula muda a sua posição, deixando passar mais ou menos gás para a recirculação.

 

CONCLUSÃO

O teste dos sensores e dos acionadores por um técnico comum, mesmo que este utilize um simples multímetro, não oferece maiores dificuldades quando se conhece suas características, ou seja, a tensão ou a resistência que devem apresentar.

Isso significa que na manutenção dos carros modernos, além do conhecimento do princípio de funcionamento dos seus sistemas eletrônicos e da disponibilidade de equipamentos de medida, mesmo que simples, o técnico precisa ter informações básicas sobre os parâmetros dos sensores mais comuns usados nos carros com que trabalha.

Infelizmente, estas informações nem sempre são acessíveis, o que leva muitos a apenas intuir sobre o funcionamento ou fazer comparações com os sensores de carros que estejam em boas condições.

Por isso, o conhecimento das características na maioria dos casos vai ser decorrência muito mais da prática do que da disponibilidade de literatura.


História
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