O controle óptico de máquinas e automatismos ou ainda a transferência de sinais de controle e sensoriamento por meios ópticos ocupa um espaço cada vez maior na eletrônica industrial e mesmo telecomunicações. Neste controle, dispositivos que trabalham tanto com sinais elétricos como luz estão presentes em grande quantidade e dentre eles destacamos as chaves e os acopladores ópticos. Neste artigo especial abordamos a utilização e funcionamento das chaves e acopladores ópticos com ênfase para suas aplicações na indústria.
Optoeletrônica é o nome da ciência que analisa o princípio de funcionamento e as aplicações dos dispositivos que trabalham tanto com sinais elétricos como sinais ópticos (luz).
As fibras ópticas e o desenvolvimento cada vez maior de sensores e emissores de luz como os LEDs têm levado a uma ampliação das aplicações possíveis para a optoeletrônica tanto em telecomunicações como na eletrônica industrial.
Nas telecomunicações são as fibras ópticas que conduzem sinais por longos percursos na forma de luz mas que devem na sua origem e na sua chegada ter formatos elétricos.
Na indústria existem muitos dispositivos que utilizam a luz como elemento básico de seu funcionamento.
O posicionamento de peças, controle de movimento, envio de sinais de sensores podem ser feitos utilizando-se dispositivos optoeletrônicos.
Em especial, nestas aplicações destacamos os dispositivos que trabalham simultaneamente com sinais elétricos e ópticos como as chaves ópticas e os acopladores ópticos que serão justamente abordados neste artigo.
As chaves ópticas podem ser usadas para controles de posição, rotação, medida de velocidade, acionamento de circuitos, sensoriamento de posição e muitas outras aplicações.
Os acopladores ópticos podem ser usados para transferir sinais de controle e sensoriamento com alto grau de isolamento em máquinas industriais de todos os tipos e em sistemas de comunicação.
Acopladores Ópticos
Os acopladores ópticos são dispositivos optoeletrônicos formados por um emissor de luz (que pode ser visível ou infravermelha) e um foto-sensor num mesmo invólucro.
O tipo mais comum é o que faz uso de um LED emissor de luz e um foto-transistor em um invólucro DIL de 6 ou 8 pinos como o mostrado na figura 1.
Quando o LED é excitado ele emite luz que atua sobre o foto-transistor.
Isso significa que aplicando um sinal ao LED podemos transferi-lo para o foto-transistor através da luz.
Como não existe um contacto elétrico entre o emissor e o receptor (LED e foto-transistor) o isolamento entre os dois circuitos é enorme.
De fato, os fabricantes dos opto-acopladores costumam especificar o isolamento entre os dois em termos de milhares de volts ou kV.
Se bem que na maioria dos casos o foto-emissor seja um LED, o receptor admite muitas opções conforme a aplicação do dispositivo.
Assim, conforme mostra a figura 2, podemos ter os mais diversos tipos de foto-sensores num acoplador óptico.
Podemos ter um foto-diodo para dispositivos rápidos, um foto-disparador lógico para acoplamento direto com lógica digital, um foto-darlington para se obter maior sensibilidade ou ainda um opto-diac para controle direto de um TRIAC.
As aplicações para este dispositivo são facilmente percebidas: podemos controlar algum dispositivo a partir de um sinal aplicado ao LED sem ter conexão elétrica com o circuito de controle, ou seja, podemos ter um isolamento total entre os dois, conforme mostra a figura 3.
Podemos também transferir um sinal de um circuito para outro com total isolamento entre ambos.
Vamos analisar algumas aplicações típicas.
Circuitos Práticos com Acopladores Ópticos
A grande variedade de tipos de acopladores ópticos disponível no mercado possibilita ao projetista escolher facilmente uma configuração que se adapte exatamente a sua aplicação sem muito trabalho.
Os circuitos básicos que damos a seguir foram sugeridos em dois manuais de optoeletrônica bastante conhecidos: Optoeletctronics Device Data da Mtorola e Optoelectronics da Texas Instruments.
a) Circuito básico com optoacoplador:
Na configuração básica os optoacopladores podem operar tanto no modo linear como pulsado. Na figura 4 mostramos os dois circuitos típicos.
Os valores dos resistores dependem no primeiro caso (R1) da corrente necessária a excitação do LED o que é fornecido pelo fabricante do dispositivo usado. O segundo resistor (RL) depende da tensão de alimentação e da corrente no circuito para o sinal de saída com a intensidade desejada.
Observe que nos dois circuitos a base do transistor permanece desconectada.
No entanto, a base também pode ser usada como eletrodo de saída assim como se obter o sinal também do coletor, conforme mostra a figura 5.
b) Disparo de SCR
Na figura 6 mostramos o circuito básico para se usar um optoacoplador 4N26 no disparo de um SCR da série 106 como por exemplo o MCR106 ou TIC106.
O optoacoplador usado é o 4N26 que pode ser encontrado na linha de produtos de diversos fabricantes.
A corrente no LED vai determinar o valor do resistor em série para uma correta excitação.
Este circuito pode ser usado para se isolar uma saída de controle lógica (TTL ou CMOS) de um circuito de potência alimentado pela rede de energia, como por exemplo um relé de alta tensão, um motor ou ainda uma carga resistiva de alta potência como um elemento de aquecimento de um forno.
Observamos que o diodo em paralelo com a carga só é necessário se ela for indutiva.
O SCR é disparado quando o LED acende, mas nada impede que um inversor seja acrescentado na entrada de controle do LED para um acionamento por um nível lógico zero ou ainda outra configuração apropriada como a mostrada na figura 7.
c) Excitando Amplificador Operacional
Uma outra aplicação importante para um acoplador óptico como o 4N26, que é bastante comum neste tipo de aplicação é mostrada na figura 8.
Neste circuito o acoplador transfere o sinal opara um amplificador
operacional com ganho 10 de tensão
Neste caso temos a transferência de sinais modulados ou sinal AC que passa de um circuito a outro com total isolamento.
O sinal AC pode ser da saída de um conversor tensão/frequência de um sensor de uma máquina e que deve ser enviado à distância, sem perdas e com total isolamento para maior segurança.
Observe que o amplificador operacional é acoplado capacitivamente ao acoplador óptico de modo que a componente DC no emissor não aparece no sinal.
d) Acoplador de Alta Velocidade
Uma maneira de se obter maior velocidade para a transferência dos sinais num acoplador óptico é aproveitando a junção base-coletor do transistor sensor que então passa a funcionar como um foto-diodo.
No circuito mostrado na figura 9, por exemplo, pode-se transferir pulsos de até 1 us de largura utilizando-se um amplificador operacional de alta velocidade e um acoplador óptico comum como o 4N26.
Observe que neste circuito a saída é feita pela base do foto-transistor permanecendo o seu emissor aberto.
e) Monoestável com Optoacoplador
O circuito mostrado na figura 10 é uma outra aplicação importante para os acopladores ópticos na indústria pois pode ser usado para transmissão de sinais de controle ou de sensores com maior precisão.
Este circuito produz um pulso com duração constante dada por 0,7 x R x C no circuito quando um pulso de duração variável menor que a de saída é aplicado ao LED de controle.
O retardo e o atraso na transmissão do pulso também dependem da tensão de alimentação e das características do transistor usado.
f) Schmitt Trigger
Os disparadores de Schitt são elementos importantes dos projetos pois fornecem uma saída retangular de qualidade mesmo quando a entrada não seja um pulso perfeitamente retangular.
O circuito mostrado na figura 11 é sugerido pela Motorola e tem por base o acoplador óptico 4N26 além de um transistor comutador de alta velocidade que pode ser substituído por equivalente.
Este circuito é alimentado por 12 V na parte de saída e sua entrada é para pulsos que gerem uma corrente de pelo menos 30 mA no LED emissor do acoplador óptico.
g) Flip-Flop R-S
Na figura 12 temos um flip-flop R-S sugerido pela Motorola para fazer uso do acoplador óptico 4N26.
Os próprios transistores dos dois optoacopladores são usados no circuito de realimentação, sendo polarizados por resistores de 10 k ohms. Observe que a intensidade do sinal de saída é de 4,5 V quando o circuito é alimentado com 5 V e que para as entradas lógicas precisamos de níveis lógicos de apenas 2 V.
h) Excitação de Triacs
Para excitação de Triacs podemos usar optoacopladores como o MOC3010 e MOC3020 (110 V e 220 V) que possuem em seu interior como elemento sensível à luz um opto-diac.
Assim, temos na figura 13 uma aplicação típica do MOC3010 para a rede de 110 V (120 VAC 60 Hz) excitando um triac a partir de saídas lógicas.
Para o MOC 3020, indicado para a rede de 220 V ou 240 V temos o circuito de aplicação mostrado na figura 14.
Nos dois casos os triacs disparam quando o LED excitador é aceso. A corrente neste LED vai depender do optoacoplador (opto-diac) usado. Veja na parte de tipos comuns estas características.
Estes circuitos são muito interessantes para o controle de motores e outras cargas de potência a partir de lógica digital e mesmo microcontroladores com total segurança devido ao isolamento que proporcionam.
De fato, o circuito de controle fica totalmente isolado do circuito controlado que é alimentado pela rede de energia. Um isolamento de alguns milhares de volts é obtido facilmente nesta aplicação.
Por outro lado o uso de opto-diacs garante uma precisão de disparo no ângulo de condução certo, quando esta característica é importante no projeto.
Tipos Comuns
Existem diversos tipos de optoacopladores que se tornaram populares e por isso podem ser encontrados com a marca de diversos fabricantes.
Sempre é interessante fazer projetos com tais componentes pois sabemos que na falta de um deles de uma marca podemos substituí-lo com facilidade pelo mesmo tipo de outro fabricante.
Damos a seguir as características de alguns acopladores ópticos que podem ser encontrados com facilidade e por isso servem de base para inúmeros projetos.
a) 4N25/4N25A/4N26/4N27/4N28
Estes acopladores fazem parte de uma ampla família com características bastante próximas utilizando como emissor um LED infravermelho e como receptor um foto-transistor.
Na figura 15 temos o invólucro e a pinagem comum a todos estes tipos
As características destes comuns componentes são:
LED de entrada (máximos):
| Característica | |
| Símbolo | |
| Valor | |
| Unidade | |
| Tensão Inversa | |
| VR | |
| 3 | |
| V | |
| Corrente direta | |
| IF | |
| 60 | |
| mA | |
| Dissipação | |
| Pd | |
| 120 | |
| mW |
Transistor de saída (máximos)
| Característica | |
| Símbolo | |
| Valor | |
| Unidade | |
| Tensão coletor/emissor | |
| VCEO | |
| 30 | |
| V | |
| Tensão coletor/base | |
| VCBO | |
| 70 | |
| V | |
| Corrente de coletor | |
| IC | |
| 150 | |
| mA | |
| Dissipação | |
| Pd | |
| 150 | |
| mW |
Para o componente total (máximos)
| Característica | |
| Símbolo | |
| Valor | |
| Unidade | |
| Dissipação Total | |
| Pd | |
| 250 | |
| mW | |
| Tensão de Isolação | |
| Viso | |
| 7500 | |
| V |
Características Elétricas:
4N27, 4N28 1 5 -
| Característica | |
| Símbolo | |
| Min. | |
| Tip. | |
| Max. | |
| Unidade | |
| Corrente de saída (coletor) 4N25,25 A,26 | |
| Ic | |
| 2 | |
| 7 | |
| - | |
| mA | |
| mA | |
| Capacitância de isolação | |
| Ciso | |
| - | |
| 0,2 | |
| - | |
| pF |
Mais informações sobre este componente podem ser obtidas no site da ON Semiconductor (que agora incorpora a linha de produtos Motorola – http://www.onsemi.com.
b) MOC3009/MOC3010/MOC3011/MOC3012
Os componentes desta série consistem em optoacopladores com LED emissor infravermelho e um optodiac como receptor. Este componente se destina ao controle de Triacs na rede de 110V (117/125V). Na figura 16 temos a pinagem e o invólucro dos componentes desta série.
Na mesma família temos diversos componentesque por diferença têm apenas as correntes de disparo que devem ser aplicadas ao LED conforme a seguinte tabela:
| Corrente no LED para o disparo | |
| Símbolo | |
| Min | |
| Tip | |
| Max | |
| Unidade | |
| MOC3009 | |
| IFT | |
| - | |
| 15 | |
| 30 | |
| mA | |
| MOC3010 | |
| IFT | |
| - | |
| 8 | |
| 15 | |
| mA | |
| MOC3011 | |
| IFT | |
| - | |
| 5 | |
| 10 | |
| mA | |
| MOC3012 | |
| IFT | |
| - | |
| 3 | |
| 5 | |
| mA |
Outras características para este componente:
LED de entrada (máximos):
| Característica | |
| Símbolo | |
| Valor | |
| Unidade | |
| Tensão inversa | |
| VR | |
| 3 | |
| V | |
| Corrente direta | |
| IF | |
| 60 | |
| mA | |
| Potência de dissipação | |
| PD | |
| 100 | |
| mW |
Driver de Saída (maximos)
| Característica | |
| Símbolo | |
| Valor | |
| Unidade | |
| Tensão no terminal de saída no estado off | |
| VRRM | |
| 250 | |
| V | |
| Corrente de pico (repetitiva) | |
| ITSM | |
| 1 | |
| A | |
| Potência de dissipacão | |
| PD | |
| 300 | |
Dispositivo total (máximos):
| Característica | ||
| Símbolo | ||
| Valor | ||
| Unidade | ||
| Tensão de isolação | ||
| Viso | ||
| 7500 | ||
| V | ||
| Potência de dissipacão | ||
| PD | ||
| 330 | ||
| mW |
c) MOC3020/MOC3021/MOC3022/MOC3023
Estes dispositivos consistem em optoacopladores com LED emissores infravermelhos e na parte receptora, optodiacs.
O que diferencia os dispositivos desta família dos anteriores é que estes são destinados à rede de 220 (240 V).
Na figura 17 temos a pinagem e o invólucro dos componentes desta série.
O que diferencia basicamente os diversos componentes desta série é a corrente que deve ser aplicada ao LED emissor para o disparo dada pela seguinte tabela.
Corrente no LED:
| Corrente no LED para o disparo | |
| Símbolo | |
| Min | |
| Tip | |
| Max | |
| Unidade | |
| MOC3009 | |
| IFT | |
| - | |
| 15 | |
| 30 | |
| mA | |
| MOC3010 | |
| IFT | |
| - | |
| 8 | |
| 15 | |
| mA | |
| MOC3011 | |
| IFT | |
| - | |
| 5 | |
| 10 | |
| mA | |
| MOC3012 | |
| IFT | |
| - | |
| 3 | |
| 5 | |
| mA |
Outras caracteristicas:
LED de entrada (máximos):
| Característica | |
| Símbolo | |
| Valor | |
| Unidade | |
| Tensão inversa | |
| VR | |
| 3 | |
| V | |
| Corrente direta | |
| IF | |
| 60 | |
| mA | |
| Potência de dissipação | |
| PD | |
| 100 | |
| mW |
Driver de Saída (maximos)
| Característica | |
| Símbolo | |
| Valor | |
| Unidade | |
| Tensão no terminal de saída no estado off | |
| VRRM | |
| 400 | |
| V | |
| Corrente de pico (repetitiva) | |
| ITSM | |
| 1 | |
| A | |
| Potência de dissipacão | |
| PD | |
| 300 | |
| mW |
Dispositivo total (máximos):
| Característica | |
| Símbolo | |
| Valor | |
| Unidade | |
| Tensão de isolação | |
| Viso | |
| 7500 | |
| V | |
| Potência de dissipacão | |
| PD | |
| 330 | |
| mW |
Chaves Ópticas
As chaves ópticas têm o mesmo princípio de funcionamento dos acopladores: são formadas por um LED emissor (tanto visível como infravermelho) e um sensor que normalmente é um fototransistor.
A diferença está no fato de que existe uma fenda que permite interromper com um objeto a luz que é emitida pelo LED e que incide no sensor, conforme mostra a figura 18.
O formato com fenda das opto-switches como também são chamadas permite que elas sejam usadas no controle de diversos tipos de dispositivos.
Na figura 19 temos algumas aplicações para estas chaves ópticas:
Em (a) mostramos como uma chave deste tipo pode ser usada para detectar o fim de curso de uma peça móvel numa máquina industrial.
Em (b) temos um exemplo em que a passagem de uma fenda numa peça giratória permite produzir um pulso de controle para determinar o instante de acionamento de outra parte da máquina ou mesmo contar o número de revoluções desta parte móvel.
A mesma figura em (c) mostra uma roda dentada que passa pelo acoplador de modo que para cada dente é produzido um pulso elétrico que pode ser utilizado com as mais diversas finalidades, como por exemplo , controle de velocidade ou medida de rotação.
Na figura 20 temos uma outra aplicação em que uma chave óptica é usada para detectar a inserção de um cartão numa máquina e assim ativar algum tipo de dispositivo de leitura.
Finalmente, na figura 21 temos uma aplicação interessante em que um conjunto de acopladores é usado para ler um código num cartão o qual é determinado pelas fendas na sua parte lateral.
Somente se a combinação de fendas corresponder ao código é que o circuito de ativação será acionado. Pode-se usar o mesmo sistema para identificar o cartão inserido numa máquina e assim liberar ou não algum tipo de acesso ou de informação.
Conforme o leitor pode perceber as chaves ópticas são usadas de uma forma um pouco diferente do que os acopladores.
Elas não visam propriamente o isolamento de dois circuitos na transferência de sinais ou no controle, mas são usadas como elementos acionados pela presença de algum tipo de objeto na sua fenda.
Por este motivo, as chaves que podem ser encontradas no mercado já possuem invólucros com formatos que permitem este tipo de aplicação.
Na figura 22 temos os invólucros típicos que possibilitam sua montagem de diversas maneiras.
Um tipo de chave que deve ser considerada em algumas aplicações é a refletiva que não tem a fenda, mas os elementos emissor e sensor montados lado a lado, conforme mostra a figura 23.
Neste tipo de chave o receptor (sensor) recebe a luz quando na frente da chave passa algum tipo de objeto que pode refletir a radiação emitida pelo sensor.
Na prática existem circuitos para todas as aplicações.
Selecionamos alguns circuitos práticos de manuais de fabricantes destas chaves e que podem ser de utilidade para o leitor que faz projetos, principalmente visando aplicações industriais.
Alguns dos projetos que descrevemos não são para as chaves prontas, mas permitem que o próprio projetista elabore uma chave com componentes discretos, quando a separação entre o sensor e o emissor deve ser maior do que a disponível nos componentes padronizados.
Circuitos Práticos
Para os circuitos que usam foto-transistores sugerimos o emprego de tipos comuns como os da série TIL da Texas Instruments que inclusive podem ser encontrados em versões Darlington de alto ganho.
a) Chave Óptica para 10 mm
Nosso primeiro circuito, sugerido pela Texas Instruments permite a elaboração de um opto-relé com uma fenda de acionamento de 10 mm usando uma lâmpada comum como emissor e um foto-transistor como receptor. Este circuito é mostrado na figura 24.
Este circuito não possui ajustes e evidentemente deve ser cuidado para que apenas a luz do sensor incida no foto-transistor, o que pode ser conseguido com recursos ópticos simples.
O relé tem uma bobina de 50 ohms, mas tipos mais sensíveis conforme a tensão usada podem ser empregados.
b) Chave Óptica para 15 mm
Um circuito mais sensível que o anterior, também sugerido pela Texas Instruments é mostrado na figura 25.
Neste circuito o emissor que é uma lâmpada de 3 W para 12 V (250 mA) pode ficar até 15 mm longe do sensor. Transistores equivalentes aos indicados podem ser experimentados.
O relé deve ter uma bobina de pelo menos 50 ohms. Neste circuito, o resistor de 47 k ohms na base do primeiro transistor determina a sensibilidade ao disparo podendo eventualmente ser substituído por um trimpot de ajuste (100 k ohms em série com um resistor 10 k ohms, por exemplo)
c) Chave Óptica Disparadora (Schmitt) para 15 mm
Uma chave com características de disparo rápido pode ser obtida com a configuração mostrada na figura 26.
Este circuito também é sugerido pela Texas Instruments e faz uso de um relé sensível com uma resistência de bobina de pelo menos 50 ohms.
A separação máxima entre o sensor e a lâmpada é de 15 mm. O sistema deve ser dotado de recursos ópticos para evitar a influência da luz ambiente no sensor.
d) Chave Óptica para 30 mm
O circuito mostrado na figura 27 é de uma chave óptica em que o sensor e o emissor podem ficar separados por uma distância de até 30 mm.
Neste caso o emissor é uma lâmpada de 250 mA e como carga é usado um relé sensível com uma resistência de bobina de pelo menos 50 ohms.
O foto-transistor pode ser substituído por equivalentes.
e) Interface Reconhecedora de Direção
Uma aplicação importante das chaves ópticas na indústria é aquela em que além de se detectar a passagem de um objeto em movimento é preciso também enviar ao circuito de controle a informação sobre o sentido de seu movimento.
Isso ocorre, por exemplo, no controle do movimento de fita ou da rotação de um volante em que é preciso saber se a fita se move para esquerda ou direita ou se o volante gira num ou noutro sentido, conforme mostra a figura 28.
Um circuito que tem esta capacidade e que pode ser usado em muitos projetos de controle de máquinas é mostrado na figura 29.
Este circuito tem uma saída compatível com lógica TTL e pode servir de base para contadores de objetos e dispositivos de controle com a opção de sentido de movimento.
A passagem num sentido produz numa das saídas um pulso negativo (transição de 1 para 0) e no sentido oposto o mesmo tipo de transição na outra saída do circuito.
O circuito é baseado no funcionamento de flip-flops que memorizam o disparo de um dos sensores e habilitam o seguinte de modo a se obter uma indicação do sentido.
Usando as mesmas funções CMOS o leitor pode facilmente adaptar este circuito para operar com esta tecnologia.
f) Contador Dependente da Direção
Um outro circuito que pode ser de grande utilidade na contagem de objetos que passam diante de chaves ópticas ou de sensores, com aplicações industriais ilimitadas é o mostrado na figura 30.
Este circuito aciona diretamente um contador do qual mostramos apenas uma etapa (unidades) mas que pode ser expandido indefinidamente conforme a aplicação.
O circuito é sugerido pela Texas Instruments em seu manual de optoeletrônica e emprega circuitos integrados de tecnologia TTL. No entanto, como no caso anterior ele pode ser conertido facilmente para empregar as mesmas funções em tecnologia CMOS inclusive o contador.
Na verdade, este contador pode ser facilmente implementado também empregando-se microprocessadores como o PIC ou COP8. Até mesmo as funções lógicas podem ser implementadas com estes circuitos.
Uma das aplicações para este circuito é a medida do comprimento de uma fita que tenha marcas de contagem e que passa diante dos sensores.
Com adaptações, utilizando-se um contador programável o circuito pode ser adaptado para ir até um determinado ponto de uma fita.
g) Controle Digital de Rotação
O circuito mostrado na figura 31 é uma outra aplicação bastante interessante de chaves ópticas no controle de máquina. O que este circuito faz é criar um ponto de ajuste para a velocidade de passagem dos objetos que devem ser contados, o que é diferente das aplicações puramente digitais.
Desta forma, o circuito conta os objetos apenas quando eles passam diante dos sensores numa determinada frequência. Quando a frequência muda, eles são ignorados.
A velocidade de contagem é dada por um oscilador que determina o “clock” da contagem.
Trata-se de um circuito ideal para uma linha de montagem, pois ele pode determinar o ritmo da produção ao mesmo tempo que conta os produtos.
