O que é um Photo Tachometer?
O Photo Tachometer, ou Tacômetro Óptico, é um dispositivo utilizado para medir a velocidade de rotação de objetos, especialmente em aplicações onde o contato físico direto não é viável — como no caso de hélices de aviões, moinhos de vento ou rodas d’água.
Diferente de tacômetros tradicionais que utilizam sensores magnéticos ou contato físico direto com o eixo do motor, o tacômetro óptico realiza essa medição a partir da detecção da luz refletida ou interrompida por partes rotativas do objeto monitorado. Essa abordagem é particularmente útil em ambientes abertos, onde o acesso físico ao objeto pode ser perigoso ou difícil.
Neste artigo, exploraremos uma implementação inteligente e de baixo custo de um Photo Tachometer que usa a luz ambiente como fonte de iluminação, tornando o circuito mais simples e mais seguro para medições à distância. O segredo dessa solução está no uso de um fototransistor acoplado a um amplificador logarítmico com ganho elevado, o que permite lidar com grandes variações na intensidade de luz e ainda assim produzir sinais digitais confiáveis para um microcontrolador.
Nos próximos subcapítulos, vamos detalhar os componentes do circuito, a teoria por trás do funcionamento logarítmico, e as fórmulas usadas para extrair a leitura de RPM (rotações por minuto). Também discutiremos as vantagens dessa abordagem em comparação a métodos convencionais.
Componentes do Circuito e Princípio de Funcionamento
O circuito apresentado por Stephen Woodward utiliza uma abordagem engenhosa para extrair informações de rotação a partir da luz ambiente, sem a necessidade de fontes de iluminação ativas como LEDs infravermelhos. Isso o torna ideal para aplicações ao ar livre ou em locais onde a simplicidade e segurança são essenciais.
1. Fototransistor (Q1)
O fototransistor é o coração do sensor óptico. Ele funciona como um componente que conduz corrente proporcionalmente à intensidade da luz incidente. Neste projeto, Q1 é posicionado com um escudo de luz simples, que ajuda a focar a luz refletida pelas pás do rotor, evitando interferências externas.
Conforme a luz incidente varia — por exemplo, quando uma pá passa à frente do sensor — o fototransistor gera uma pequena corrente chamada fotocorrente.
2. Transistores Q2 e Q3
Estes dois transistores formam um estágio de conversão logarítmica, operando como um detector de contraste. O sinal de saída do fototransistor Q1 é aplicado entre as bases de Q2 e Q3, resultando em uma variação de tensão proporcional ao logaritmo da intensidade de luz detectada.
Essa abordagem tem a vantagem de permitir a detecção de pequenas variações de luz mesmo em ambientes com intensidades muito diferentes, o que seria um desafio para circuitos lineares convencionais. A sensibilidade do sistema é tal que se obtém uma variação de aproximadamente 500 µV pico a pico (pp) para cada 1% de mudança na intensidade de luz.
3. Amplificador A1
Após a conversão logarítmica, o sinal é enviado para um amplificador operacional A1, configurado com alto ganho (cerca de 80 dB) e acoplamento em corrente alternada (AC). Este amplificador converte os pequenos sinais analógicos de entrada em uma onda quadrada de 5V pico a pico, que pode ser lida diretamente por um pino digital de microcontrolador (DIO).
O acoplamento AC ajuda a rejeitar o componente DC da iluminação ambiente constante, focando apenas nas variações rápidas de luz causadas pela rotação do objeto.
4. Interface com Microcontrolador
A saída do amplificador A1 é conectada diretamente a um pino digital de um microcontrolador. Este pino pode ser programado para contar pulsos com base na transição de bordas (subidas ou descidas) da onda quadrada, permitindo ao sistema registrar o número de eventos ópticos (como a passagem de cada pá de uma hélice).
Fórmulas Matemáticas Envolvidas no Funcionamento
A chave para o sucesso deste projeto está na conversão logarítmica da intensidade de luz em sinal elétrico, o que garante estabilidade de funcionamento mesmo com grandes variações de luminosidade ambiente. A equação central que descreve essa conversão é: \[V \approx 0{,}12 \cdot \log\left(\frac{I_{Q1}}{I_0}\right)\]
Onde:
- V é a tensão diferencial gerada entre os transistores Q2 e Q3.
- \(I_{Q1}\) é a corrente gerada pelo fototransistor Q1, conhecida como fotocorrente.
- \(I_0\) é uma corrente de referência muito pequena, da ordem de 10 fA (femtoampères).
- A constante 0,120{,}12 representa o ganho aproximado em volts por década (década = fator 10 de variação na corrente).
Essa fórmula é uma função logarítmica, o que significa que pequenas variações na luz (e portanto em \((I_{Q1})\) produzem variações proporcionais na tensão de saída, mas de forma compressiva — ou seja, grandes variações de luz são “comprimidas” em uma faixa menor de tensão. Isso é o que permite ao circuito lidar com luz intensa ou fraca com a mesma eficiência.
Faixa Dinâmica
Graças à natureza logarítmica da equação acima, o circuito é capaz de operar sobre uma ampla faixa dinâmica de corrente, desde nanoampères até miliampères. Isso cobre várias ordens de magnitude, o que é ideal para aplicações com luz natural, onde a intensidade pode variar drasticamente entre sombra, sol direto ou ambientes com reflexo.
Cálculo de RPM (Rotações por Minuto)
Uma vez que o microcontrolador esteja recebendo os pulsos digitais da saída do amplificador, o cálculo da velocidade de rotação (em RPM) é feito de forma simples. Suponha que:
- NN seja o número de pulsos detectados em um intervalo de tempo TT (em segundos).
- FF seja o número de marcas ópticas no objeto rotativo (por exemplo, número de pás de uma hélice).
A fórmula para o cálculo da rotação por minuto é: \[\text{RPM} = \frac{60 \cdot N}{T \cdot F}\]
Esta equação converte a contagem de pulsos por segundo (frequência) em rotações por minuto, levando em consideração quantas marcas o objeto tem por rotação completa.
Aplicações Práticas e Vantagens do Projeto
Este Photo Tachometer é uma solução simples, eficiente e segura para medição de velocidade de rotação, especialmente em contextos onde não é viável o contato direto com o objeto em movimento. Por isso, ele se encaixa perfeitamente em uma variedade de cenários práticos:
Aplicações Reais
- Monitoramento de turbinas eólicas: Ideal para ambientes externos, o sensor pode ser instalado à distância e utilizar a luz natural do ambiente para detectar a passagem das pás da turbina.
- Medição em hélices de aviões: A leitura pode ser feita à distância e com segurança, mesmo em movimento rápido, desde que o sensor esteja bem alinhado com o padrão óptico das hélices.
- Sistemas hidráulicos e rodas d’água: Em moinhos e sistemas de irrigação, onde a rotação de grandes rodas pode ser medida com sensores não invasivos.
- Ensino e projetos de baixo custo: A simplicidade do circuito o torna perfeito para demonstrações em laboratórios didáticos ou projetos educacionais.
Vantagens do Projeto
- Uso de luz ambiente: Elimina a necessidade de fontes de luz adicionais (como LEDs emissores), reduzindo o consumo de energia e a complexidade do circuito.
- Alta imunidade a variações de luz: A conversão logarítmica permite que o sistema funcione corretamente em uma ampla faixa de iluminação, desde condições sombreadas até exposição solar direta.
- Circuito compacto e de baixo custo: A utilização de componentes discretos, sem necessidade de microcontroladores sofisticados ou sensores especiais, facilita a implementação em sistemas embarcados.
- Saída digital compatível com microcontroladores: A forma de onda quadrada gerada na saída do amplificador pode ser lida diretamente por pinos digitais, permitindo fácil integração com plataformas como Arduino, ESP32 ou STM32.
- Segurança: O princípio de detecção sem contato e a possibilidade de operar a distâncias seguras são ideais para ambientes com risco mecânico ou elétrico.
Artigo Baseado em: https://www.edn.com/photo-tachometer-sensor-accommodates-ambient-light/
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