Sensoriamento infravermelho (ART639)

A melhor solução para o sensoriamento à curta distância é a que faz uso do infravermelho (IR). Controles remotos, links de dados, sensoriamento remoto são algumas das aplicações em que o uso do infravermelho se faz presente com grande eficiência. No entanto, para usar o infravermelho na comunicação de dados, no controle remoto e no sensoriamento é preciso que o profissional conheça tenham algum conhecimento básico sobre seu comportamento e circuitos. Nesse artigo falaremos um pouco sobre as aplicações do IR na transmissão de dados e sensoriamento. Na revisão deste artigo em 2012 constatamos que existem diversos artigos no site sobre o assunto.

As grandes vantagens do uso do infravermelho estão na sua imunidade à interferências e possibilidade de ser transmitido e recebido com componentes comuns de baixo custo e fácil utilização.

O infravermelho é uma forma de radiação eletromagnética, uma forma de luz "invisível", localizada no espectro conforme mostra a figura 1.

 

Faixa ocupada pelo espectro do infravermelho.
Faixa ocupada pelo espectro do infravermelho.

 

 

Trata-se portanto de um sinal cuja freqüência está muitos gigahertz acima da faixa de SHF mas abaixo da luz visível. Seu comportamento portanto, é o mesmo da luz comum, sendo bloqueado por obstáculos e refletindo-se em alguns materiais.

Também deve ser consideradas outras características como a refração, polarização e atenuação em determinados meios.

 

O sistema Básico

Para usar o infravermelho na comunicação de dados ou controle remoto precisamos de um sistema que produza esse tipo de radiação, um circuito modulador, um circuito que receba essa radiação e um circuito que extraia do sinal recebido a informação que ele transporta, tudo conforme mostra a figura 2.

 

Diagrama de blocos
Diagrama de blocos

 

Para que esse sistema funcione é preciso observar diversos fatores que podem influir no seu desempenho.

Um deles é a própria iluminação ambiente normalmente muito mais potente do que o infravermelho emitido pelo sistema.

Além de saturarem os circuitos as fontes de luz externa também podem ser causa de ruídos como no caso das lâmpadas fluorescentes. Nos níveis de ruído podem chegar a 60 dB se as lâmpadas forem alimentadas pela rede de 60 Hz.

Também deve ser levado em conta que muitas fontes de iluminação ambiente possuem um espectro com componentes na faixa do infravermelho o que dificulta a eventual utilização de filtros, conforme mostra a figura 3.

 

A luz solar possui uma faixa de infravermelho.
A luz solar possui uma faixa de infravermelho.

 

O resultado é que à medida que se necessita de um alcance maior, a velocidade de transmissão de dados começa a ser comprometida.

Uma solução para esses problemas consiste em se direcionar o receptor para o transmissor, mas nem sempre isso é possível.

O compromisso entre a distância máxima em que um sistema IR pode alcançar e a velocidade faz com que tipicamente acima de 30 cm uma velocidade acima de 300 baud já seja problemática, salvo em condições muito favoráveis.

 

Os Circuitos Detectores

Existem quatro processos básicos de detecção de transmissão de sinais infravermelhos, dos quais três são os mais usados, por exigirem componentes mais fáceis de trabalhar e de obter. Esses quatro sistemas são mostrados na figura 4.

 

Os quatro sistemas de aquisição.
Os quatro sistemas de aquisição.

 

O primeiro (b) faz uso de uma foto-célula que gera o sinal quando recebe a radiação infravermelha. Esse sistema não é tão usado pela dificuldade maior em se trabalhar com esse tipo de sensor.

Em (b) temos o uso de um foto-transistor comum, que é o mais usado por conciliar uma boa velocidade de resposta com uma boa sensibilidade na faixa do infravermelho. Sa velocidade máxima é da ordem de 10 kHz em aplicações normais, mas pode ser elevada com o uso de configurações especiais.

No terceiro caso (c) temos o uso de um foto-transistor Darlington, que apresenta um excelente ganho e consequentemente sensibilidade, mas tem a vantagem de ser o mais lento de todos os sensores.

A velocidade de ação desse circuito normalmente está limitada a uns 5 kHz.

Tanto o transistor comum como o Darlington são bastante usados nas aplicações comuns por exigirem poucos circuitos e por proporcionarem uma boa tensão de saída na recepção dos sinais.

Normalmente, como usam sensores de silício (transistores) não são indicados para operação com iluminação ambiente forte.

O quarto sistema é o que faz uso de um foto-diodo (d). Esse sistema tem a vantagem de não estar sujeito ao problema da saturação e com isso pode ser usado em locais com iluminação ambiente e solar fortes.

A desvantagem está na pouca sensibilidade que exige um circuito de amplificação mais sofisticado. Por outro lado, a velocidade de operação também é muito maior, sendo tipicamente de 50 a 100 kHz.

Levando em conta esses comportamentos, os circuitos para as aplicações em diferentes condições devem ser diferentes. Analisemos as possibilidades.

 

Sistemas de Pequeno Alcance

No sensoriamento de posição, normalmente exige um pequeno alcance do sistema, conforme mostra a figura 5.

 

Sistema de pequeno alcance.
Sistema de pequeno alcance.

 

O próprio sistema opera com sinais facilmente detectáveis, pois são do tipo sim ou não e existe sempre a possibilidade de se evitar uma ação direta da luz ambiente.

Para esses sistemas o recomendado como fonte de infravermelho é um simples LED e como receptor pode ser usado um transistor comum.

Distâncias da ordem de 5 cm ou mais podem ser cobertas com esse sistema.

Dados também podem ser transmitidos por esse mesmo sistema, por exemplo num acoplador óptico ou ainda entre dois PCs adjacentes, conforme mostra a figura 6.

 

Link de comunicação.
Link de comunicação.

 

Nesse tipo de circuito o resistor tem um efeito importante sobre o desempenho. Maiores valores aumentam a sensibilidade, mas diminuem a velocidade de resposta.

Os valores usados dependem do circuito de amplificação e partem de 100 ? tipicamente chegando a mais de 100 k ?, dependendo da aplicação.

 

Médias Distâncias

Nessa faixa incluímos as aplicações em que a distância entre o emissor de infravermelho e o receptor é da ordem de 30 cm ou mais chegando aos 10 metros.

Nessas aplicações o esquema mais utilizado é o que faz uso de um LED infravermelho no emissor, modulado por freqü6encias entre 20 kHz e 100 kHz.

No receptor utiliza-se um foto-diodo acoplado a amplificadores com limitação de faixa.

Com essas características um circuito relativamente simples pode transmitir dados a uma velocidade de 5000 baud ou mais. Na figura 7 mostramos um circuito de excitação para um LED infravermelho que pode ser usado num sistema de média distância.

 

Excitando um LED IR.
Excitando um LED IR.

 

O processo de modulação usado é o CW (Continuous Wave).

No projeto do transmissor o leitor deve estar atento à corrente máxima que pode ser aplicada ao diodo emissor infravermelho.

Os diodos modernos podem operar com até 1 A de corrente de pico, e muitos projetos empregam um sinal modulador com um ciclo ativo de 50%. Nesses casos, as correntes de excitação dos LEDs podem ficar entre 100 e 500 mA.

Um ponto importante que deve ser observado em relação às características dos LEDs infravermelhos é sua sensibilidade à elevação da temperatura.

A potência emitida aumenta linearmente com a corrente mas cai sensivelmente com o aumento de sua temperatura.

Uma forma de se obter um rendimento maior, muito usada na prática, consiste em se usar diodos emissores ligados em série. Com isso, pode-se aumentar a potência com uma corrente de excitação menor e também uma temperatura menor para os componentes.

Para a excitação dos LEDs podem ser usados transistores bipolares comuns, Darlingtons ou Power FETs, conforme mostra a figura 8.

 

Usando um transistor comum, Darlingtons ou Power FETs para excitar o LED.
Usando um transistor comum, Darlingtons ou Power FETs para excitar o LED.

 

Os bipolares exigem uma corrente maior de excitação, que nem sempre podem ser fornecidas por circuitos lógicos digitais (TTL ou CMOS) para se obter uma boa potência de saída.

Os transistores Darlington exigem menos corrente de excitação, mas têm a desvantagem da baixa velocidade.

Os MOSFETs são ideais para essas aplicações pois exigem apenas uma tensão para excitação, são rápidos o suficiente para as aplicações comuns e podem fornecer uma boa corrente para os LEDs emissores.

Normalmente utiliza-se em série com a comporta do MOSFET de potência um resistor de 50 a 500 ? para limiar a alta velocidade de comutação e o ruído de alta freqüência que pode aparecer no processo de comutação de circuitos TTL. Para CMOS, normalmente esse resistor não é necessário.

Para a recepção o esquema normalmente usado é que tem os blocos mostrados na figura 9.

 

O Receptor em diagrama de blocos.
O Receptor em diagrama de blocos.

 

A finalidade do filtro (quando usado) é atenuar a parte visível da radiação ambiente (luz ambiente) de modo que ela não interfira no elemento sensor do circuito (foto-diodo ou foto-transistor).

Existem diversas possibilidades de uso de filtros como os profissionais da Kodak até os mais simples feitos de acrílico. Esses filtros consistem em plásticos de cor escura que deixam passar apenas uma estreita faixa da radiação infravermelha que deve chegar até o sensor.

Para o dispositivo sensor é preciso lembrar que a intensidade do sinal obtido na saída depende da quantidade de radiação que ele pode colher.

Assim, no caso de diodos é comum a utilização de dispositivos de grande superfície. Nesses dispositivos a área da junção que deve receber a radiação infravermelha é maior do que a que encontramos nos diodos comuns.

Muitos diodos são encapsulados em materiais que servem como filtros, eliminando assim a necessidade de filtros externos.

O circuito amplificador deve ter ganho suficiente para fornecer uma saída que permita a extração da informação do sinal. Nesses circuitos também são incorporados filtros que permitam que apenas o sinal que interessa receba uma boa amplificação, eliminando assim eventuais ruídos que possam estar presentes.

Para extrair os dados o processo mais simples é o detector de pico com um comparador. Outras técnicas como as que fazem uso de PLLs ou mesmo circuito sintonizados podem ser encontradas em algumas aplicações.

 

Modos de Operação dos Foto-Diodos

Existem duas formas de se empregar os foto-diodos nos circuitos de detecção de infravermelho. Essas formas são mostradas na figura 10.

 

Duas formas de empregar o foto-diodo.
Duas formas de empregar o foto-diodo.

 

No primeiro caso, aproveita-se a corrente gerada pela liberação dos portadores de carga quando radiação infravermelha incide na junção do foto-diodo. Essa corrente faz com que apareça uma tensão sobre o resistor de carga, a qual é usada no processo de amplificação.

No segundo caso aproveita-se a tensão que aparece entre os terminais do diodo quando os portadores de carga são liberados. Neste caso, o diodo opera como uma foto-célula, gerando o sinal que vai ser amplificado pelo circuito externo.

 

Circuitos Práticos

Na figura 11 temos um circuito prático para um amplificador com banda passante de 50 kHz usando um foto-diodo como sensor. Observe a configuração do foto-diodo como foto-célula, gerando a tensão de sinal.

 

Circuito prático.
Circuito prático.

 

Para melhor desempenho, amplificadores operacionais rápidos devem ser usados nesta aplicação.

Na figura 12 temos um circuito sensor que faz uso de transistores comuns e um foto-diodo como sensor.

 

Dois transistores e um foto-diodo.
Dois transistores e um foto-diodo.

 

Uma opção interessante é a que faz uso do circuito integrado MC3373 e que é mostrada na figura 13.

 

Usando o MC3373
Usando o MC3373

 

(Clique aqui caso precise do Datasheet do MC3373)

 

Esse circuito integra as principais funções exigidas para o processamento de um sinal modulado e o entrega a um transistor que proporciona uma saída compatível com lógica TTL.

O circuito sintonizado é usado para ajudar a se obter uma boa eliminação de ruídos na freqüência de operação do circuito.

Na figura 14 temos mais um circuito que faz uso de transistores e que tem um excelente desempenho.

 

Usando o 2N5086
Usando o 2N5086

 

(Clique aqui caso precise do datasheet do 2N5086)

 

Esse circuito é alimentado por uma tensão de 12 V e faz uso de um foto-diodo de grande superfície como detector. Sua freqüência de operação chega aos 100 kHz.

 

Operação para Longas Distâncias

Para distâncias maiores do que 10 metros existem diversas técnicas para a utilização eficiente do infravermelho.

Uma delas consiste no aumento da potência do transmissor o que pode ser conseguido de diversas maneiras.

Pode-se, por exemplo, utilizar mais diodos emissores (normalmente mais do que três) posicionados de modo a espalhar a radiação num leque maior.

Outra possibilidade consiste em se aplicar pulsos de corrente mais intensos, mas com um ciclo ativo menor, conforme mostra a figura 15.

 

Aumentando a corrente em ciclos menores.
Aumentando a corrente em ciclos menores.

 

Alguns sistemas chegam a operar com ciclos ativos de apenas 5% aplicando pulsos de corrente que alcançam 1 ampère.

Para a recepção dos sinais com ciclos ativos menores também é preciso utilizar circuitos especiais.

Uma técnica para se obter maior sensibilidade consistem em se ligar diversos foto-diodos em paralelo, aumentando assim a superfície efetiva de captação.

Outra possibilidade consiste no uso de lentes que concentram a energia captada num ponto menor, se bem que isso também implique numa diretividade maior. Lentes de Fresnel podem ser usados já que estamos operando com infravermelho, num comprimento de onda relativamente grande.

Os circuitos receptores também devem ser mais elaborados. O circuito da figura 14, onde transistores de baixo nível de ruído são usados é uma configuração recomendada para longo alcance.

A codificação para os sistemas de longo alcance também deve ser apropriada. Utiliza-se normalmente um pulso único para indicar uma transição de bit de dados e dois pulsos mais próximos para indicar a transição oposta.

Finalmente temos uma solução bastante usada nessas aplicações que consiste no uso de um PLL para detectar sinais modulados numa faixa de 5 000 bauds com freqüências entre 50 e 100 kHz.

Trata-se do conhecido NE567 na configuração mostrada na figura 16, onde o capacitor e o resistor ligados aos pinos 5 e 6 fazem a sintonia do circuito.

 

Usando o NE567
Usando o NE567

 

(Clique aqui caso precise do datasheet do NE567)

 

Conclusão

Links por infravermelhos consistem numa excelente solução para a transmissão de dados e comandos a distâncias que podem superar algumas dezenas de metros.

O uso do infravermelho é especialmente recomendado quando se trabalha num ambiente ruidoso, em que outros sistemas encontram dificuldades de implementação.

A possibilidade de se contar com emissores e receptores baratos, a não necessidade de circuitos complexos sem ajustes especiais facilitam bastante a elaboração de projetos.

O que vimos neste artigo é apenas um pouco do que o leitor precisa saber quando for implementar seu próprio sistema por infravermelhos.


Sábio
O sábio não se aflige por não ser conhecido dos homens; ele se aflige por não conhecê-los.
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