O mundo moderno está repleto de gadgets que ficam entusiasmados quando sentem humano movimento. Portas automáticas em elevadores e shoppings, alarmes contra roubo em casas e lojas, sistemas de iluminação automática, amenidades eletrônicas em banheiros são apenas alguns exemplos em que a presença ou ausência humana coloca o dispositivo em estado ativo ou passivo. Inteligente, certo? Agora, e se dissermos que por trás dessa resposta inteligente ao movimento há um dispositivo que nem chega a atingir a marca de 2 cm de tamanho. Conhecido como Piroelétrico ou Sensor infravermelho passivo (PIRem ambos os casos), este pequeno dispositivo eletrônico é o curioso caso deste Insight.
Todo objeto que tem temperatura acima do zero perfeito emite energia térmica (calor) na forma de radiação. Nós, Homo sapiens, irradiamos no comprimento de onda de 9 a 10 micrômetros durante todo o dia. O Sensores PIR são ajustados para detectar esse comprimento de onda IR que só emana quando um ser humano chega perto deles. O termo “piroeletricidade” significa: calor que gera eletricidade (aqui, um sinal elétrico de pequena amplitude). Como esses sensores não têm uma fonte infravermelha própria, eles também são chamados de passivos.
Como é que Sensor PIR responde seletivamente a IRs irradiados por humanos? Até que alcance esse sensor pode funcionar? O que há dentro desse sensor que o faz funcionar? Isso e respostas para mais perguntas neste Insight sobre sensores PIR. O que acrescenta mais charme a este Insight é que o sensor Panasonic de 10 m também é um dos menores sensores PIR disponíveis comercialmente até o momento.
Fig. 1: Imagem do sensor infravermelho de 10 mm da Panasonic
Matriz de lentes Fresnel
Fig. 2: Imagem do corpo externo do sensor
A imagem 02 mostra um sensor Panasonic 10m: a unidade do sensor PIR encerrada em uma câmara plástica. A câmara é translúcida, vestida com uma tampa semelhante a uma colméia e possui uma abertura na parte inferior da qual se projetam as pernas de imersão de solda do sensor.
Fig. 3: Imagem mostrando a Estrutura da Colmeia e Segmentos Curvos da Região Superior do Sensor
Ao observar de perto a região superior do sensor, a estrutura em forma de colmeia, segmentos curvos são vistos. Esses segmentos curvos são lentes de Fresnel que constituem uma matriz que aumenta a zona de detecção do sensor. A matriz de lentes de Fresnel é conhecida por capturar mais radiação infravermelha e focá-la em um ponto relativamente menor. A detecção é mais estável e a distância máxima para detecção também é aumentada. A lente de Fresnel foi criada para ser translúcida, de modo que possa capturar apenas radiação infravermelha sem obter radiações indesejadas do espectro visível de luz.
O número de lentes Fresnel pode variar no array e este sensor possui um total de 20 lentes.
Dentro de molduras plásticas
Fig. 4: Configuração interna do sensor PIR
Fig. 5: Forma e estrutura do sensor PIR
A tampa carregada com matriz Fresnel é colocada firmemente sobre a região de base da moldagem plástica. Não há, no entanto, nenhum mecanismo de trava para segurá-lo, o que torna curioso retirar o conjunto de lentes Fresnel do conjunto de plástico. Abaixo do conjunto de lentes Fresnel está o sensor PIR que está firmemente colocado nas molduras de plástico. A colocação do sensor é crucial, pois ele deve receber a quantidade máxima de radiação infravermelha proveniente do conjunto de lentes. Portanto, é colocado no centro das molduras onde a radiação máxima converge para cair.
Filtro IR e lata de metal TO5
Fig. 6: Filtro infravermelho do sensor
| Fig. 6: Filtro infravermelho de Se |
Na parte superior do sensor está o filtro infravermelho. Parecendo mais um vidro quadrado, este filtro seleciona o comprimento de onda desejado no qual o sensor deseja responder. Como este sensor foi projetado para detectar a presença humana, o comprimento de onda escolhido é de 8 micrômetros a 14 micrômetros, que é a faixa dentro da qual o corpo humano irradia raios eletromagnéticos.
Fig. 7: Especificações de projeto do sensor
O corpo do sensor é uma estrutura de lata de metal TO5. TO5 é um padrão baseado na indústria usado para empacotar vários módulos pequenos, como transistores, sensores, etc. O invólucro de metal TO5 previne o circuito interno de influências externas, como vibrações ou ruídos que podem perturbar o funcionamento normal do circuito.
Elemento sensor e chip
Fig. 8: PCB do Sensor PIR
Retirar a tampa do sensor mostra uma pequena PCB que hospeda o módulo de detecção, o amplificador e um circuito comparador. A Figura 09 mostra a parte superior da PCB onde é colocado o elemento sensor. Os elementos sensores são normalmente feitos de cerâmica ferroelétrica (contém chumbo) ou tantalita de lítio (sem chumbo). Para aumentar a potência de receptividade do sinal, vários elementos sensores são utilizados. O sensor é do tipo quádruplo e possui 4 elementos sensores conectados em uma matriz.
Os raios IR, após passarem pelo filtro, atingem esse elemento sensor que gera uma carga. A magnitude da carga produzida é diretamente proporcional à quantidade de raios que incidem sobre o elemento.
Fig. 9: Amplificador e comparador de PCB
Após a carga ser desenvolvida, ela é passada para o circuito amplificador, do qual é transmitida para o comparador. Mais embutidos neste PCB estão o amplificador e o comparador. Anteriormente, esses dois circuitos eram incluídos no circuito externo; no entanto, incluí-los no módulo sensor torna o circuito mais compacto. Como esses dois circuitos já são pré-definidos para o espectro de radiação IR, os resultados tendem a ser mais precisos e exatos.
Comparadores são usados naqueles módulos sensores que fornecem uma saída digital, como este aqui.
FET e Leads
Fig. 10: Placa de base e seus componentes
Fig. 11: Unidade do Processador e Resistores Incorporados
A placa base e a restante estrutura do sensor é um Transistor de Efeito de Campo, FET. Mesmo que a carga produzida seja amplificada, ela ainda consegue gerar tensões apenas da ordem de 1mV. Os FETs podem funcionar com tensão tão baixa e podem facilmente transmitir a tensão para a unidade do processador através da qual o sensor está conectado.
A imagem 10 detalha a placa base enquanto a imagem 11 mostra a unidade do processador com alguns resistores.
Fig. 12: Cabos de conexão multifuncionais do sensor PIR
Na parte inferior do sensor ficam, como seria de se esperar, os fios de conexão. Neste sensor, eles realizam multitarefas: permitindo que o sensor seja soldado, cuidando de pequenos requisitos de energia e enviando saída para a unidade de processamento.
A imagem 12 mostra detalhes do posicionamento dos cabos de conexão, organizados da mesma maneira que em um JFET. A função específica de cada eletrodo é mostrada na imagem.
