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Interruptor automático controlado pela luz (ART4060)

Este circuito permite que a carga (uma lâmpada, um ventilador, etc.) a ele conectada seja ativada tão logo a luminosidade existente no local onde estiver instalado o seu sensor alcance uma certa penumbra. A carga permanecerá ativada até o instante em que a luminosidade do ambiente se tornar relativamente intensa e aí o circuito desligará a carga a ele "pendurada".

 

Nota: este artigo foi publicado original num livro do autor de 1982. Como o 555 é um componente ainda atual, podemos dizer que o projeto pode ser montado com facilidade em nossos dias e não perdeu sua utilidade.
Para baixar o livro "O Superversátil CI 555" do autor - clique aqui.

 

Inúmeras são as aplicações para este dispositivo que, mesmo simples, presta relevantes serviços, entre os quais podemos citar:

— comandar automaticamente as lâmpadas dos corredores de um prédio de apartamentos: tão logo anoiteça, as mesmas serão ligadas, e assim que os primeiros raios do Astro-Rei se fizerem presentes, o dispositivo as desligará, dispensando, desta forma, a presença do porteiro ou zelador do prédio;

— a mesma ideia, porém com outra finalidade, é fazer com que o dispositivo venha a ligar (e desligar) a(s) lâmpada(s) da entrada das casas de veraneio ou de campo, com a intenção, entre outras, de fazer crer aos "curiosos" que há alguém morando constantemente naquela residência. Isto se traduz em uma proteção da casa contra as eventuais investidas dos "amigos do alheio" podendo, inclusive, ser empregado com esta mesma finalidade em apartamentos, quando seus locatários saírem nas férias;

— o dispositivo também poderá ser utilizado como um sistema de proteção ao manipulador de máquinas "pesadas" e que tragam periculosidade, tais como serras elétricas, prensas elétricas, furadeiras de grande porte, etc.: tão logo o manipulador da máquina, por distração ou descuido, colocar a mão na faixa perigosa, o dispositivo o alertará, através de um aviso sonoro e/ou luminoso, do perigo que está correndo ao colocar a mão naquela zona de perigo iminente;

— o circuito pode ser utilizado como um sistema de aviso, alertando, por exemplo, ao médico que um de seus pacientes entrou no consultório médico e está à sua espera;

— poderá ser utilizado como diletantismo, assim como o de fazer tocar uma campainha tão logo o "grande mágico" passe a mão, não menos mágica, em cima de um objeto.

É claro que cada leitor encontrará as suas próprias aplicações para o dispositivo em questão; acima foram mencionadas algumas, porém não todas as aplicações para este circuito. Isto visou apresentar ao leitor uma pequena parte das inúmeras aplicações práticas possíveis de serem obtidas, porquanto o Autor idealizou o circuito visando um objetivo totalmente diverso dos mencionados, ou seja, o dispositivo estar sendo usado para comandar as lâmpadas de sinalização (faroletes ou lanternas) do automóvel do Autor: quando anoitece, ou mesmo escurece, as mencionadas lâmpadas se acendem (desde que a chave de ignição esteja operada), o mesmo ocorrendo quando o veículo passa no interior de um túnel e a sua saída, ou quando o dia está claro, as mesmas são desligadas sem que o motorista faça qualquer movimento ou esforço físico ou... mental!

 

O CIRCUITO

O diagrama esquemático do nosso interruptor automático pode ser visto na Fig. 1. Pelos conceitos teóricos sobre o integrado 555, expostos no segundo capítulo desta obra, verificamos que o C.I. está operando como um monoestável porque os pinos 6 e 7 estão interligados, e porque a entrada-disparo (pino 2) não está interligada à entrada sensor de nível — pino 6. Como é do nosso conhecimento, os mono estáveis se caracterizam, como sua própria designação sugere, em dispositivos de um único estado estável ou permanente ou, ainda, fixo: quando estes circuitos, devido a um pulso de disparo ou partida ('start'), comutam do seu estado estável para o outro seu estado, permanecem neste último por determinado período de tempo, que dependerá das características de uma malha de temporização normalmente do tipo RC (resistor-capacitor), retornando a seguir ao seu estado de repouso — estado estável — assim permanecendo até que se verifique outro estímulo de disparo, quando o ciclo se repetirá.

 

Fig. 1 — Diagrama esquemático do interruptor crepuscular em sua versão mais simples
Fig. 1 — Diagrama esquemático do interruptor crepuscular em sua versão mais simples

 

 

O elemento sensor do nosso interruptor é um 'LDR' (em inglês 'Light Dependent Resistor', ou seja, um resistor de resistência variável com a luz ou foto resistor). Quando um LDR é fortemente iluminado, a resistência ôhmica entre seus terminais é de baixo valor — normalmente inferior a ; à medida que a luminosidade nele incidente vai decrescendo, a resistência ôhmica vai gradativamente aumentando, até tornar-se extremamente elevada (da ordem de megohms) em ambientes escuros. É justamente esta propriedade inerente aos LDR a aplicada ao circuito, como veremos a seguir.

Estando o 'LDR' iluminado — baixa resistência ôhmica — o divisor resistivo formado por ele próprio e por R2 e P1 (Fig. 1) nos garante um nível de tensão superior à terça parte da tensão de alimentação na entrada-disparo do integrado (pino 2); por esta razão, a saída do C.I. — pino 3 se situará em um nível de tensão próximo a zero volt. Este reduzido nível de tensão é incapaz de fazer com que o transistor 01, do tipo n-p-n, conduza, o qual, ao permanecer no corte, interromperá a alimentação do solenoide do relé R L1 e este estará desoperado; seu contato permanecerá na posição apresentada na Fig. 1; da mesma forma, o 'LED' não emitirá luz, por não receber polarização conveniente através da saída do integrado.

Contudo, se o LDR se encontrar em um ambiente escuro, ou de reduzida luminosidade, a sua resistência ôhmica aumentará a tal ponto que o potencial na entrada-disparo do C.I. se situará em um valor inferior à terça parte da tensão nominal de alimentação e, como foi explicado no segundo capítulo, a saída do integrado passa do nível baixo para o nível alto em tensão — valor próximo ao de alimentação. Pois bem, esta tensão de saída através do resistor R4, que é um limitador de corrente para o 'LED', fará com que o diodo eletroluminescente passe a emitir luz, informando ao usuário que a carga comandada pelo dispositivo certamente foi ativada, já que o nível do pino 3 do C.I. também é acoplado, através dos resistores R3 e R5, ao transistor Q1, fazendo-o conduzir fortemente. Consequentemente, o relé R L1 irá operar, provocando a comutação do seu único contato à outra posição, justamente a que irá levar a adequada alimentação à carga elétrica tal como uma campainha ou cigarra, um ventilador, lâmpada, etc. Nestas condições, o desativamento da carga só ocorrerá em um dos dois casos abaixo:

1° — o ciclo de temporização caracterizado pelos valores de R1 e C1 ainda não se esgotou e o 'LDR' está recebendo alta luminosidade: a carga será desativada após o encerramento do período de temporização estabelecido através da rede R1-Cl;

2°— o ciclo de temporização já se esgotou e o 'LDR' ainda continua a receber pouca luminosidade: a carga será desativada tão logo o 'LDR' se situe em um ambiente bastante claro — alta luminosidade.

Pelo exposto acima, concluímos que praticamente cabe ao 'LDR' a função de indiretamente desenergizar a carga, pois o período de temporização foi feito bem pequeno, de forma a acentuar ainda mais o efeito do 'LDR' no desativamento da carga. O potenciômetro P1 (Fig. 1) permite ajustar o ponto de disparo do circuito em função da luminosidade incidente no `LDR'; o elevado valor ôhmico deste potenciômetro (2,2 Mohms) possibilita encontrar-se um ponto de operação satisfatório em praticamente qualquer situação de variação de luminosidade — o resistor R2 tem por finalidade limitar a corrente que circulará pelo 'LDR' nas piores condições de funcionamento, ou seja, ambiente fortemente iluminado e resistência de P1 mínima.

O diodo D1 (Fig. 1) escoa o campo desenvolvido na bobina do relé quando da sua desativação, protegendo o transistor Q1 contra este tipo de transientes que poderiam danificá-lo.

No que concerne à alimentação, o único que se requer é que ela seja compatível com a tensão nominal de operação do relé R L1; como foi utilizado no protótipo um relé para 12 volts C.C., o valor da tensão de alimentação também terá de ser de 12 volts C.C.; porém, nada impede que seja utilizada uma tensão contínua entre 6 volts e 15 volts com, evidentemente, a correta substituição do relé especificado por um outro destinado a operar com a tensão escolhida. De qualquer forma, a Fig. 2 mostra o esquema elétrico de uma fonte para aproximadamente 12 volts C.C., a partir da tensão alternada da rede elétrica domiciliar, que poderá ser empregada para alimentar o circuito da Fig. 1. Também nada impede que sejam associadas várias pilhas até formar a tensão almejada — 12 volts.

 

Fig.-2 — Fonte de alimentação de 12 volts para alimentar o circuito do interruptor.
Fig.-2 — Fonte de alimentação de 12 volts para alimentar o circuito do interruptor.

 

 

Como o circuito foi especificamente desenvolvido para comandar os faroletes do carro do Autor, é fornecido, através da Fig. 3, o diagrama esquemático do interruptor eletrônico para esta aplicação, assim como a sua conexão aos diversos pontos da rede elétrica do automóvel, a qual aparece desenhada em linhas mais grossas nesta figura — esta configuração é a usual na maioria, senão em todos os veículos de procedência nacional. As únicas diferenças deste circuito em relação ao apresentado na Fig. 1 é a presença do conjunto C2-Q2-D2-R6 e do capacitor C3; este último desacopla a entrada-controle do C.I., a fim de melhorar a imunidade do integrado ao ruído. O conjunto C2-Q2-D2-R6 se constitui em um circuito cuja finalidade é estabilizar em aproximadamente 12 volts a tensão de alimentação para o restante do circuito, sendo eliminadas, portanto, as sobre tensões que ocorrem quando o dínamo estiver funcionando e carregando a bateria do veículo. Realiza, ainda, uma filtragem dos espúrios provenientes da comutação de cargas indutivas como, por exemplo, o motor de arranque do carro. O fusível F1 protege a instalação elétrica do carro caso algum acidente, como um curto-circuito, venha ocorrer com o nosso dispositivo. Finalmente, a chave liga-desliga CH1, optativa, tem por finalidade desligar o circuito quando não houver interesse em sua utilização.

 


 

 

Basicamente o funcionamento do circuito é o mesmo que o descrito anteriormente; no entanto, vale a pena observar que o interruptor só recebe alimentação quando a chave de ignição estiver "ligada". Isto significa que à noite, ao "desligarmos" o carro, os faroletes com certeza também serão desligados.

Em repouso, o circuito consome cerca de 20 mA, o que é desprezível para a bateria do veículo, ainda mais se levarmos em conta que o circuito só funcionará quando a chave de ignição estiver operada e nesta situação a bateria do veículo, no mínimo, estará sendo carregada através do dínamo. Quando o relé comuta, o circuito passa a consumir cerca de 110 mA — estes valores foram obtidos em laboratório ao aplicar-se 15 volts C.C. entre os pontos A e D (Fig. 3), obtendo-se um valor de 11,8 volts entre o ponto E e terra.

Para veículos de 6 volts (veículos mais antigos), o circuito torna-se mais simples, pois não é utilizado o conjunto Q2-D2-R6 devido às características elétricas do integrado; a Fig. V-4 mostra o circuito para esta versão; os valores dos componentes são os mesmos que os do circuito anterior, exceto o relé R L1: ele deve ser para 6 volts C.C. cujos contatos sejam capazes suportar uma corrente da ordem de 6 A ou mais — recomendamos o relé RU 110006 da 'Schrack'.

Para as aplicações em que o interruptor automático não seja utilizado em veículos, poderemos montar o circuito da Fig. 1, que é o mais simples de todos.

Poderemos fazer com que o circuito funcione ao "contrário", ou seja: ativar a carga somente quando o 'LDR' for iluminado; isto é conseguido através do outro contato, não utilizado, do relé. Poderemos ainda fazer com que uma carga permaneça ativada e outra desativada quando o 'LDR' estiver no escuro; tão logo ele seja iluminado, a situação das cargas se inverterá, isto é, a carga que estava operada irá desoperar, e a que estava desoperada será ativada — a Fig. 5 apresenta as conexões que devem ser realizadas no contato reversível do relé para comandar cargas elétricas, tais como lâmpadas, através da energia elétrica da rede domiciliar.

 

A MONTAGEM

A montagem do circuito não traz problemas e a distribuição dos componentes não é crítica; por isso, cada leitor poderá fazer a sua própria placa de fiação impressa de acordo com a versão escolhida dentre as três apresentadas. No entanto, daremos a descrição da montagem do protótipo experimental realizada pelo Autor para o circuito da Fig. 3, o qual é utilizado para aplicações em viaturas de 12 volts com negativo à massa.

 

Fig. 4 — Versão do circuito para veículos de 6 volts (negativo à massa). Observar que a única diferença deste para o circuito anterior (Fig. V-3) é a ausência do conjunto Q2-D2-R6.
Fig. 4 — Versão do circuito para veículos de 6 volts (negativo à massa). Observar que a única diferença deste para o circuito anterior (Fig. V-3) é a ausência do conjunto Q2-D2-R6.

 

 

 

Fig. 5 — Forma de comandar cargas C.A., tais como sirenas, lâmpadas, etc., a partir da tensão da rede domiciliar e através dos contatos do relé.
Fig. 5 — Forma de comandar cargas C.A., tais como sirenas, lâmpadas, etc., a partir da tensão da rede domiciliar e através dos contatos do relé.

 

 

Uma vez adquirida a placa padronizada do tipo semiacabada, de 1300 furos (10 cm x 10 cm), cortamo-la, por meio de uma serrinha ou cortador de fórmica, de maneira a termos 23 colunas com 33 furos cada uma, conforme é mostrado na Fig. 6; a seguir, interrompemos com o cortador algumas veias de cobre, tal como é mostrado nesta mesma figura — para facilitar o leitor, as colunas são identificadas por letras e as linhas por números. Assim sendo, as interrupções mencionadas ocorrem nos seguintes furos, assim codificados: D-19, E-8, E-15, H-9, H-16, N-9, N-17, 0-10, 0-17, P-17, P-24, 0-17, T-4, T-12, T-23, perfazendo um total de quinze interrupções. Observamos ainda que foram alargados quatro furos, os quais se destinam à fixação da placa impressa na faixa através de parafusos e porcas de 1/8" (aproximadamente 3,2 mm).

 

Fig. 6 — Interrupções a serem realizadas na plaqueta, do tipo semiacabada, para comportar os componentes do interruptor fotelétrico.
Fig. 6 — Interrupções a serem realizadas na plaqueta, do tipo semiacabada, para comportar os componentes do interruptor fotelétrico.

 

 

Fig. 7 — Distribuição dos componentes na plaqueta de circuito impresso semiacabada.
Fig. 7 — Distribuição dos componentes na plaqueta de circuito impresso semiacabada.

 

 

A distribuição dos componentes nesta placa pode ser apreciada na Fig. 7; o leitor observará a presença de várias conexões ('straps') entre alguns pontos; elas devem ser feitas com fio rígido encapado, constituindo-se na primeira fase da montagem. Desta forma, estarão interligados os seguintes furos da placa (Fig. V-7): T-1 a Q-1, T-8 a S-8, R-11 a N-11, R-20 a 0-20, Q-12 a F-11, Q-27 a P-27, P-15 a M-15, P-20 a 0-20, G-13 a D-13, F-26 a E-26 e E-25 a D-25, num total de 11 'straps'.

Feita esta parte, soldamos os resistores, porta-fusíveis, diodos e o soquete do integrado, obedecendo à polaridade dos componentes, tal como ilustra o chapeado; a seguir, soldamos o relé, os capacitores e transistores. Finalmente, "puxamos" os fios flexíveis — que irão ter aos componentes e pontos externos ao circuito.

Obs.: O par de fios que parte do contato do relé deve ser de bitola 20 AWG ou 18 AWG ou, ainda, menor, isto é, mais grosso.

Para encerrar a montagem basta colocar o integrado no soquete, observando a disposição do chanfro assinalada no chapeado (Fig. 7).

O 'LDR', no nosso caso, foi instalado no interior do cilindro retirado da bobina de papel das máquinas de calcular de escritório; o fundo deste cilindro foi totalmente vedado com o preparado 'Durepox', de tal forma que só houvesse incidência de luz no 'LDR' pela outra extremidade (abertura) que ficou totalmente desimpedida (Fig. 8).

 


 

 

Como o circuito foi instalado, conforme veremos adiante, no interior do porta-luvas do carro, e, portanto, invisível aos olhos dos "profanos", o mesmo não foi provido de caixa; contudo, os leitores que utilizarem o circuito com outra finalidade, ou que assim o desejarem, podem recorrer a uma das inúmeras caixas plásticas existentes à venda em qualquer supermercado ou, ainda, optar pela nossa conhecida saboneteira plástica. Aliás, as dimensões da placa de circuito impresso são tais que permitem empregar esta última opção — a Fig. 9 apresenta o croqui da fixação.

As informações dadas acima obviamente não são rígidas, e cada leitor poderá partir para uma outra distribuição de componentes na placa, inclusive incorporando a fonte de alimentação, quando for o caso.

 

 

Fig. 9 — Croqui da instalação do circuito no interior de uma caixa de dimensões reduzidas.
Fig. 9 — Croqui da instalação do circuito no interior de uma caixa de dimensões reduzidas.

 

 

INSTALAÇAO

Ainda que seja descrita a instalação do interruptor em viaturas, daqui poderão ser extraídas ideias que certamente irão facilitar qualquer outro tipo de instalação.

Uma vez verificada a montagem e comprovando-se que não existem erros, submeteremos o circuito a uma verificação de funcionamento semelhante à descrita a seguir: ligamos convenientemente os fios de alimentação a uma fonte de tensão ou mesmo à bateria do automóvel. (Cuidado para não inverter os fios de alimentação; se isto ocorrer, o circuito integrado estará irremediavelmente perdido!) Se o 'LED' e o relé operarem de forma contínua, giramos lentamente o cursor do potenciômetro P1 até que os mesmos sejam desativados. Diminuímos a luminosidade incidente no 'LDR' tampando adequadamente a extremidade livre do cilindro e então verificaremos que o 'LED' emitirá luz e ouviremos simultaneamente o clique característico da comutação do relé — nesta condição o circuito estará ligando a carga; tão logo o 'LDR' seja exposto à claridade, o relé desoperará e o 'LED' deixará de emitir luz, indicando o perfeito funcionamento do circuito em ambas as condições. Caso tenha sido detectada alguma anomalia, deveremos fazer uma revisão total na montagem, à procura das "bruxas" que provocaram o não funcionamento do circuito.

No caso do carro do Autor, um 'Chevette', foram feitos dois furos no painel plástico, à esquerda do motorista: um destina-se ao 'LED' e o outro para encaixar o cursor do potenciômetro; o "—" do circuito foi conectado a um parafuso auto-atarraxante que existe nas cercanias, enquanto o "+" foi diretamente ligado ao quarto fusível do quadro de fusíveis do veículo — este quadro de fusíveis está localizado na parte lateral do carro e à esquerda do motorista.

Os dois fios que partem do relé, os de maior diâmetro, foram diretamente conectados ao interruptor manual que se encontra na parte frontal do painel, também do lado esquerdo do motorista. Porque os faróis, tanto os "baixos" como os altos do veículo, só podem ser acionados quando as "lanternas" estão ligadas, optou-se pela solução de interromper o referido contato manual de acionamento das "lanternas", passando a ser esta a nova posição de repouso deste interruptor; desta forma, o motorista estará impossibilitado de ligar os faroletes do veículo, porém isto não traz graves consequências, pois a maioria dos carros está dotada do conhecido "alerta", justamente para atender os casos em que o motorista necessite chamar a atenção dos outros motoristas, mesmo que a "máquina" esteja desligada.

A instalação do 'LDR' requer certos cuidados: o local onde for instalado é de vital importância para o bom funcionamento do dispositivo. Para o 'Chevette', o conjunto cilindro-'LDR' foi disposto atrás do referido painel, de forma que a extremidade livre do cilindro aponta para os pedais de comando do carro; de qualquer forma, cada um em particular deverá escolher o local que proporcione melhores resultados.

O circuito propriamente dito foi "jogado" no interior do porta-luvas, sendo que a fiação foi devidamente "camuflada" atrás do painel. Uma sugestão é fazer um pequeno furo no porta-luvas com o intuito de passar a fiação do circuito; neste caso, tanto o 'LDR', 'LED' e potenciômetro terão de ser soldados aos respectivos fios após a passagem dos mesmos através do furo.

O cursor do potenciômetro foi cortado no tamanho, de forma a possibilitar a fixação do respectivo botão.

 

AJUSTES

Estando totalmente instalado o circuito, ligamos a chave de ignição do carro e giramos o cursor do potenciômetro até que o 'LED' emita luz; tão logo isto ocorra, giramos lentamente o cursor, em sentido contrário ao anterior, até que o 'LED' "desligue". Este procedimento deve ser feito à luz do dia.

A seguir, ainda de dia, fazemos passar o carro por um túnel: se o circuito acender as "lanternas" do veículo, não há necessidade de mais ajustes; em caso contrário, giramos, ainda com o veículo no interior do túnel, o cursor do potenciômetro, lentamente, até que o circuito opere — observaremos que à saída do túnel o dispositivo se encarregará de desligar os faroletes.

Não há necessidade de ajustar o dispositivo para a parte da noite, desde que tenhamos realizado o procedimento acima descrito; no entanto, pode ser que sejam necessários alguns ajustes posteriores, a fim de que o circuito opere corretamente em qualquer túnel ou sob qualquer condição de luminosidade.

 

Obs.: Toda vez que o 'LDR' for mudado de posição, certamente se fará necessário um novo ajuste.

Para outras aplicações do dispositivo, o ajuste do ponto de operação é semelhante ao descrito, porém é muito mais fácil e simples de ser realizado do que para este caso.

 

IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS DOS SEMICONDUTORES

A Fig. 10 abaixo identifica os lides dos semicondutores e componentes menos usuais solicitados na lista de material e utilizados na montagem do protótipo.

 

Fig. 10 — Identificação dos terminais dos semicondutores utilizados na montagem; inclusive os do 'LDR' e relé (um 'Schrack').
Fig. 10 — Identificação dos terminais dos semicondutores utilizados na montagem; inclusive os do 'LDR' e relé (um 'Schrack').

 

 

 

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Opinião

Mês de Muito Trabalho (OP197)

   Estamos em setembro de 2018 e continuamos com nosso trabalho, realizando palestras, viagens, escrevendo artigos, livros e muito mais. Em nossas duas últimas palestras, uma na Uninove e a outra na ETEC Albert Einstein, ambas de São Paulo, pudemos constatar de forma bastante acentuada um fato importante , que constantemente salientamos em nosso site desde seu início. 

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