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Alarme para grandes áreas (ART385)

Sistemas de alarme que servem perfeitamente para dar cobertura a pequenas propriedades como casas, apartamentos ou mesmo estabelecimentos comerciais, podem não ser interessantes ou não ter o mesmo desempenho na cobertura de propriedades maiores. Assim, sítios, fazendas, instalações industriais podem exigir circuitos específicos que tenham o desempenho esperado e que economizem principalmente na instalação. O projeto que descrevemos neste artigo pode ser bastante interessante para o leitor que deseja proteger uma grande área.

Um dos problemas enfrentados pelos que desejam um alarme que proteja uma grande área é a quantidade de fio necessária à interligação dos sensores nos diversos pontos em que eles são necessários e a vulnerabilidade que a presença desses fios representa para o sistema.

O sistema que descrevemos se caracteriza por permitir a separação dos sensores do sistema central de até algumas centenas de metros, além de exigir o emprego de conexões de baixo custo, o que barateia sua implantação consideravelmente.

Evidentemente, além das características indicadas, um sistema para proteção de grandes áreas deve ter outras vantagens específicas. Para o projeto que apresentamos, elas são as seguintes:

a) O circuito, além de poder cobrir grandes distâncias, com a separação de centenas de metros entre os sensores e a central de acionamento, também é temporizado.

b) O sistema utiliza um único fio de ligação entre a central e os sensores, o que significa uma considerável economia na instalação.

c) Como o fio muito longo pode ser facilmente localizado, existe um sistema de proteção em caso de corte, com o disparo do alarme, caso isso ocorra.

d) A alimentação prevê o uso de uma bateria que fica em recarga permanente e que entra em ação caso a energia seja cortada.

e) O número de pontos protegidos e portanto de sensores é ilimitado.

f) Um sistema de temporização evita que o alarme se mantenha disparado permanentemente, desligando-o depois de certo tempo, evitando assim que vizinhos sejam incomodados em caso de disparo acidental. Um toque de alguns minutos é mais do que suficiente para chamar a atenção de vizinhos, de um caseiro ou vigia, não sendo necessário deixar o sistema fazer barulho até o final da carga da bateria.

g) A operação do circuito sensor é feita em regime de baixa corrente e baixa tensão, o que significa segurança tanto para a instalação como em eventual toque acidental de sensores ou dos fios de conexão.

 

Mas, para o montador interessado em projetos desse tipo deve-se ressaltar a facilidade de obtenção de componentes e da própria montagem. O único ajuste que existe é o do ponto de disparo, de modo a se evitar a influência de transientes ou descargas estáticas que os fios longos se tornam sensíveis, funcionando como "antenas".

 

COMO FUNCIONA

Para entender melhor o princípio de funcionamento de nosso alarme vamos utilizar o diagrama de blocos da figura 1 como referência.

 

Diagrama de blocos do alarme.
Diagrama de blocos do alarme.

 

Começamos pelo primeiro bloco que consiste no sistema de sensores e no circuito de disparo. Este circuito tem na sua entrada um conjunto de sensores do tipo NF (normalmente fechado) que são ligados em série, e que, portanto interligam por meio de fio único os pontos a serem protegidos.

Os sensores admitem as mais diversas soluções como, por exemplo, pequenos elos de fio fino, interruptores do tipo reed switch acionados por pequenos imãs, micro-switches e até soluções caseiras feitas com interruptores de pressão que se mantém ativados até que um peso que os pressione seja retirado, conforme mostra a figura 2.

 

O interruptor abre quando o objeto é retirado.
O interruptor abre quando o objeto é retirado.

 

Conforme indicamos na introdução, a quantidade de sensores utilizada é ilimitada. O circuito dos sensores tem uma extremidade ligada à base de um transistor (Q1) e a outra extremidade ligada ao terra do circuito.

Como os sensores devem ficar longe do circuito e pretendemos usar apenas um fio de conexão, o que se faz é ligar o terra do circuito, que é um terra virtual, a um terra real que é uma barra de metal enterrada no solo, conforme mostra a figura 3.

 

Aproveitando a terra como segundo condutor (retorno).
Aproveitando a terra como segundo condutor (retorno).

 

Desta forma, com a utilização de uma segunda barra de terra no final da série de sensores, eliminamos a necessidade do condutor de retorno, já que ele passa a ser o próprio solo.

Evidentemente, este circuito, tanto pelo seu comprimento, como pela presença de tensões induzidas no fio e no solo pode apresentar tendências a um disparo errático. Usamos então um ajuste para o ponto de condução do transistor, feito por meio do trimpot P1 de modo que o sistema seja levado a um ponto seguro de disparo.

As barras usadas como terra influem bastante neste ajuste, podendo ser usadas barras de cobre ou alumínio do tipo usado em instalações domésticas com comprimentos entre 50 cm e 2 metros.

Com a abertura dos contactos ou do circuito em cada sensor, o transistor é polarizado por P2 e R1 passando imediatamente à saturação e fazendo com que C1 seja momentaneamente curto-circuitado à terra. O capacitor que tinha seus dois terminais no mesmo potencial, tem agora um no potencial positivo da fonte e outro aterrado, o que o leva à carga e também ao disparo do bloco seguinte que é o temporizador e acionador de saída.

Este bloco tem por base um circuito integrado 555 na configuração monoestável, ou seja, como timer ou temporizador.

O pino 2 deste integrado é mantido a um potencial positivo por R3, o que inibe o disparo, isso até o momento em que Q1 conduz e faz com que o capacitor leve o pino 2 momentaneamente a um potencial perto de zero volt. Isso faz com que a saída do monoestável (pino 3), inicialmente no nível baixo, passe para o nível alto, e assim permaneça por um intervalo de tempo determinado por R4 a C2.

A constante de tempo desse circuito é dada de forma aproximada por:

t = 1,1 x R4 x C2

 

Com um resistor de 1 M ? e um capacitor de 1 000 µF, considerando-se as tolerâncias desses componentes, obtemos um tempo aproximado de 1 000 segundos, ou pouco mais de 16 minutos. Este será o tempo que o alarme permanecerá tocando. O tempo indicado pode ser aumentado, mas não deve ultrapassar meia hora, em vista das fugas que normalmente existem nos capacitores. Não recomendamos a utilização de capacitores maiores que 2 200 µF e nem de resistores de mais de 2,2 M ? para que o circuito não se torne instável.

O resistor R5 e o capacitor C4 têm por função impedir que o circuito dispare quando a alimentação é estabelecida. Caso isso ocorra, por algum problema local de componentes, pode-se acrescentar uma chave em paralelo com C4 e que será mantida ligada quando a alimentação for estabelecida. Somente depois de ligado o circuito é que esta chave deve ser aberta para ativar o alarme.

Outra função desta chave seria inibir o alarme em caso de necessidade, e sua conexão é feita conforme mostra a figura 4.

 

A chave deve ser aberta para ativar o alarme depois de ligada a alimentação.
A chave deve ser aberta para ativar o alarme depois de ligada a alimentação.

 

A saída deste bloco está ligada a outro circuito integrado 555 que funciona na configuração astável. A frequência deste oscilador é determinada por R6, R7 e C6 produzindo um trem de pulsos que vão servir para determinar a intermitência do toque do alarme.

Na saída deste circuito temos um transistor que aciona o relé, abrindo e fechando seus contatos numa velocidade que justamente é determinada pelo astável.

O relé é o dispositivo de saída do alarme, podendo ser conectado a qualquer dispositivo de aviso externo, como por exemplo uma cigarra, uma buzina ou uma sirene.

No decorrer do artigo vamos sugerir um circuito de sirene bastante potente que pode ser usado neste alarme.

A alimentação do circuito vem da bateria que se mantém em carga constante pelo bloco correspondente. A bateria usada pode ser de moto, de carro, ou para uma sirene menos potente um conjunto de pilhas recarregáveis de Nicad grandes.

A bateria vai ser mantida em carga constante por uma fonte comum que tem por base um transformador cujo primário é ligado à rede local. A corrente do secundário é retificada, filtrada e depois tem sua intensidade reduzida por meio de um resistor limitador. O valor deste resistor determina a corrente de carga da bateria.

É claro que existe a possibilidade de se eliminar a bateria, caso em que pode ser usada uma fonte comum regulada de 12 V como a mostrada na figura 5.

 

Fonte de alimentação que substitui a bateria e a fonte de recarga.
Fonte de alimentação que substitui a bateria e a fonte de recarga.

 

Esta fonte, entretanto tem por limitação a corrente do transformador e dos diodos retificadores, não podendo acionar uma sirene que exija mais de 1 ampère de corrente.

 

MONTAGEM

A figura 6 mostra o diagrama do bloco principal do alarme, ou seja, o circuito sem o carregador, a sirene e o sistema de sensores.

 

Diagrama do alarme sem fonte e o carregador.
Diagrama do alarme sem fonte e o carregador.

 

Os componentes principais ficam numa placa de circuito impresso que tem seu padrão mostrado na figura 7.

 

Placa de circuito impresso do alarme.
Placa de circuito impresso do alarme.

 

Para os circuitos integrados garante-se maior segurança na soldagem e substituição se forem usados soquetes DIL de 8 pinos. O relé usado é o G1RC2 que tem contactos para 10 ampères, mas equivalentes podem ser usados com eventuais alterações na disposição dos terminais na placa de circuito impresso.

Os resistores são todos de 1/8W, mas na sua falta podem ser usados resistores maiores. Os capacitores eletrolíticos têm as tensões mínimas de trabalho especificadas na lista de material.

Para os demais capacitores tipos cerâmicos, poliéster ou styroflex podem ser usados sem problemas. Para D1 pode ser usado qualquer diodo de uso geral como 1N4148, 1N914, etc.

P1 tanto podem ser um trimpot como um potenciômetro.

Para a conexão dos eletrodos de terra (T) e sensores remotos (X) use uma barra de terminais com parafusos. O mesmo é válido para a conexão externa do sistema de aviso, que são os fios que vão aos contactos do relé. Veja que os fios devem ir aos contactos comuns (C) e NA (normalmente aberto).

O diagrama da fonte de alimentação que mantém a bateria em carga constante é mostrado na figura 8.

 

Fonte para manter o acumulador (bateria) em carga permanente.
Fonte para manter o acumulador (bateria) em carga permanente.

 

Como esta fonte usa poucos componentes, não é necessário usar placa de circuito impresso, e a disposição real pode ser a mostrada na figura 9.

 

Aspecto da fonte para recarga que não precisa ser montada em placa de circuito impresso.
Aspecto da fonte para recarga que não precisa ser montada em placa de circuito impresso.

 

O transformador tem enrolamento primário conforme a rede de energia e seu secundário é de 12+12 V com corrente a partir de 300 mA. Os diodos usados na retificação podem ser os 1N4002 ou equivalentes de maior tensão como os 1N4004, etc.

O capacitor eletrolítico de filtro deve ter valor mínimo de 1 000 µF e tensão de trabalho de pelo menos 25 V. Um LED indicador em série com um resistor de 1,5 k? pode ser acrescentado em paralelo com o capacitor para indicar a operação do aparelho.

O resistor limitador de corrente deve ser de fio e seu valor depende do tipo de bateria usada no sistema, havendo as seguintes possibilidades:

 

* Acumulador ou bateria de carro de 12V - 56 ? x 5W

* Acumulador ou bateria de moto de 12V - 100 ? x 2W

* 8 pilhas grandes de Nicad - 220 ? x 1W

 

O aparelho, incluindo a bateria, deve ser fechado numa caixa que ficará instalada na residência ou na casa do caseiro em local apropriado. O local deve ser acessível e ventilado (caso das baterias) pois durante a carga permanente elas produzem gases tóxicos.

Um sistema de aviso sonoro de boa potência é dado na figura 10.

 

Diagrama de uma potente sirene para o alarme.
Diagrama de uma potente sirene para o alarme.

 

Esta potente sirene de 12 V pode ter o tweeter instalado do lado de fora da residência. Os resistores R1 e R2 determinam o timbre do som produzido podendo ser alterados.

A disposição dos componentes desta sirene, que pode ser alimentada com tensões entre 6 e 15V, é mostrada na figura 11.

 

Placa de circuito impressa da sirene.
Placa de circuito impressa da sirene.

 

Na falta do transistor de efeito de campo de potência pode ser usado um Darlington NPN com um rendimento levemente menor. Nos dois casos, esse transistor deve ser montado num bom radiador de calor.

 

INSTALAÇÃO E USO

As barras de conexão à terra devem ser enterradas em local que não possa ser visto por um eventual intruso, se bem que, com sua retirada ou corte o que vai ocorre é justamente o disparo do alarme.

Na figura 12 mostramos como devem ser interligados os diversos blocos que formam este alarme.

 

Instalação básica do alarme.
Instalação básica do alarme.

 

O fio de conexão dos sensores remotos até a central de alarme pode ter até 1 km de comprimento e deve ser encapado. Não é preciso usar fio grosso, se bem que, dependendo das circunstâncias isso possa ser necessário para lhe garantir certa resistência como, por exemplo, o pouso de pássaros se ficar em postes.

Como este fio é percorrido por uma corrente muito tênue e a tensão não supera os 12 V, não existe qualquer perigo de choque. No entanto, dependendo do modo como será feita a instalação sempre existe o risco deles encostarem num fio da rede de energia, o que deve ser evitado a qualquer custo, principalmente se os postes dessa rede forem aproveitados na fiação do alarme.

Os sensores são mostrados na figura 13.

 

A instalação dos sensores.
A instalação dos sensores.

 

Os do tipo de fio fino podem ser enlaçados em portas, janelas e outras passagens que não devam ser violadas durante o período de vigilância. Entretanto, estes sensores só são indicados para casos em que a entrada deva ser evitada por longos períodos pois são bastante incômodos se for preciso armá-los e desarmá-los todos os dias.

É importante observar que tanto estes sensores como quaisquer outros deste alarme, uma vez disparados, não adianta refazer a ligação interrompida, pois o alarme não desliga até o ciclo de funcionamento ter sido completado.

Para os casos em que o desarme seja feito simplesmente desligando o circuito, e durante o dia, as passagens vigiadas possam ser usadas sem problemas, os sensores de imãs e reed-switches ou com micro-switches são os mais indicados.

Nos sensores do tipo reed-switch de acionamento magnético encontramos um bulbo de vidro com duas lâminas que são mantidas em contacto pela ação do campo magnético de um pequeno imã próximo. Se o pequeno imã for afastado, no caso da abertura da passagem o interruptor abre disparando o alarme. Normalmente fixa-se o bulbo e prende-se o imã na parte móvel da passagem.

Os micro-switches, por outro lado, são pequenas chaves que são acionadas pela ação sobre um pino ou alavanca. Esse pino ou alavanca deve ser acoplado à parte móvel da passagem a ser protegida de modo a abrir o circuito com a abertura da porta, porteira ou janela.

Feita a montagem do alarme, para a prova de funcionamento inicialmente interligue com um pedaço de fio os pontos A e T e coloque P1 na posição de máxima resistência. Como carga experimental para ajuste ligue uma lâmpada comum na saída do circuito.

Se, ao ligar a alimentação o alarme disparar, desligue e reajuste P1.

Uma vez obtida a condição de não disparo, faça a prova de disparo desligando por um momento o fio que interliga os pontos T e X. O alarme deve disparar e o tempo em que o relé vai ficar abrindo e fechando deve ser de acordo com os valores escolhidos para os componentes do monoestável e do astável. Troque os capacitores se quiser modificar o tempo ou a intermitência. Valores menores resultam em tempos menores e frequência mais altas.

Obtida a condição de funcionamento, instale o alarme e refaça os testes de funcionamento, ajustando P1 para a condição real de disparo. Depois disso é só usar o alarme. Deixe-o ligado apenas pelos períodos em que deve manter a proteção de sua propriedade e verifique periodicamente o eletrólito da bateria.

 

a) Bloco do Alarme:


Semicondutores:

CI-1, CI-2 - 555 - circuito integrado, timer

Q1, Q2 - BC548 ou equivalente - transistores NPN de uso geral

D1 - 1N4148 ou equivalente - diodo de uso geral


Resistores: (1/8W, 5%)

R1, R5 - 10 k ?

R2 - 22 k ?

R3, R6, R7 - 47 k ?

R4 - 470 k ? a 2,2 M ? (tempo de disparo - ver texto)

R8 - 1k ?

P1 - 1 M ? - trimpot


Capacitores:

C1 - 470 nF - poliéster ou cerâmico

C2 - 470 µF a 1 500 µF/ 16V - eletrolítico

C3 - 100 nF - cerâmico ou poliéster

C4 - 10 µF/16 - eletrolítico

C5 - 100 nF - poliéster ou cerâmico

C6 - 2,2 a 4,7 µF/16V - eletrolítico

C7 - 1 000 µF/16V - eletrolítico


Diversos:

K1 - G1RC2 - Relé Metaltex de 12V com contactos de 10A ou equivalente

Placa de circuito impresso, soquetes para os integrados, pontes de terminais com parafusos, caixa para montagem, fios, solda, etc.

 

 

b) Material para a Fonte de Alimentação


Semicondutores:

D1, D2, D3 - 1N4002 ou equivalentes - diodos de silício


Resistores:

R1 - Resistor de fio conforme a bateria - ver texto


Capacitores:

C1 - 1 000 µF/25V - eletrolítico


Diversos:

T1 - Transformador com primário de acordo com a rede de energia e secundário de 12+12V com pelo menos 300 mA

F1 - 1A - fusível

S1 - Interruptor simples

Ponte de terminais, cabo de força, bateria de 12V ou pilhas de Nicad (ver texto), fios, solda, etc.

 

 

c) Material para a Sirene:


Semicondutores:

CI-1 - 4093B - circuito integrado CMOS

Q1 - IRF630 ou equivalente - FET de potência (ver texto ou Darlington NPN de potência)


Resistores: (1/8W, 5%)

R1 - 1 M ?

R2 - 47 k ?

R3 - 33 k ?

R4 - 1 k ?


Capacitores:

C1 - 220 nF - poliéster ou cerâmico

C2 - 33 nF - poliéster ou cerâmico

C3 - 47 nF - poliéster ou cerâmico

C4 - 1 000 µF/16V - eletrolítico


Diversos:

FTE - Alto-falante comum ou tweeter de 4 ou 8 ? x 10 watts ou mais

Placa de circuito impresso, soquete para o circuito integrado, fios, solda, etc.

 

 

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