Apesar da documentação original da Freescale (www.frescale.com) sugerir a utilização deste projeto num capacete de mineiro, existem muitos outros casos em que o mesmo circuito pode ser empregado. Por exemplo, podemos citar os capacetes de operários que operam em locais escuros (tuneis, à noite, etc), ciclistas, exploradores de cavernas, etc. O circuito usa LEDs de alto brilho e um microcontrolador MC9S08QG4 para maximizar o aproveitamento da energia das baterias recarregáveis. Neste artigo procuramos resumir o projeto original da Freescale que pode ser acessado na íntegra no site da empresa. (2008)
As lâmpadas de mineiro, ou lanternas acopladas á capacetes comuns, empregam baterias do tipo chumbo-ácido e uma lâmpada incandescente como fonte de luz. O baixo rendimento das lâmpadas, que apresenta um consumo bastante alto, exige recargas em curtos intervalos de tempo além de existirem outras limitações que podem ser muito importantes em alguns casos.
Uma delas está na possibilidade do bulbo da lâmpada quebrar e a queima do filamento causar a explosão de gases que existam no ambiente de uma mina, o que é comum. Outra limitação está na pequena vida útil das baterias Chumbo-Ácido. Finalmente temos ainda o peso da unidade que, com a bateria é pesada e grande. Com a utilização de tecnologias modernas como o uso de circuitos PWM alimentando LEDs de alto brilho, todas estas limitações são contornadas.
Esta é justamente a finalidade do circuito proposto que faz uso de uma tecnologia muito mais moderna com base no microcontrolador MC8S08QG4CDTE que tem as seguintes características principais:
• Allimentação de 1,8 a 3,6 V consuindo apenas 500 uA por MHz de freqüência de operação.
• EEPROM flash de 4 a 8 k
• RAM de 512 bytes
• Oscilador on-chip
• Comunicação serial HC, SPI e SCI
• Timer/PWM de dois canais
• ADC de 8 canais com 10 bits
• Comparador analógico
Na figura 1 temos o diagrama de blocos do aparelho proposto.
Conforme podemos observar nesta aplicação utilizamos um PWM para um conversor buck que alimenta o LED de alto brilho. Outro PWM é utilizado como um conversor buck para carregar a bateria. O comparador analógico do microcontrolador é utilizado como feedback de corrente do LED e para fixar a intensidade da corrente neste componente. Um canal ADC é utilizado para sensoriar a corrente da bateria e outro ADC é usado para detectar a tensão da bateria.
O sistema completo é alimentado por uma bateria Li-Ion de 5000 mAH. A faixa de tensões em que o circuito pode operar vai de 3,6 V a 4,8 V. Quando o LED é ligado a corrente no sistema inteiro é da ordem de 300 mA. O microcontrolador propriamente dito consome apenas 1 mA quando rodando em 8 MHz. O dispositivo pode funcionar continuamente por mais de 11 horas com uma carga completa da bateria, aproximadamente na faixa de 5,5 V a 12 V. A carga completa da bateria demora aproximadamente 8 horas. O circuito possui ainda um LED de emergência para o caso do circuito principal falhar. Este LED será alimentado diretamente pela bateria tendo apenas um resistor limitador de corrente em série. Se uma fonte de alimentação externa for ligada ao circuito, a MCU operará diretamente a partir dela, em lugar de usar a bateria e o mesmo LDO interno regulará a tensão em 3,3 V. Para alimentar o LED utiliza-se uma configuração de conversor DC/DC tipo bock, operando com sinais PWM de modo a se obter maior rendimento. Informações sobre a arquitetura deste conversor são detalhadas na documentação original da Fresscale que pode ser acessada via Internet. Nela também são dados detalhes sobre o processo de carga da bateria, inclusive as curvas de corrente e tensão durante o processo. Na figura 2 temos então o diagrama completo do sistema.
Conforme podemos ver, além do microcontrolador temos um amplificador operacional LM358, um regulador de tensão HT7133 e semicondutores discretos como transistores, diodos e o LED branco de alta potência. Temos também resistores e capacitores de valores comuns.
Conclusão
A disponibilidade cada vez maior de microcontroladores de baixo custo os leva a praticamente qualquer tipo de aplicação, agregando inteligência, confiabilidade e baixo consumo. É o que vemos em nossos dias em que praticamente qualquer equipamento de uso comum é microcontrolado. O exemplo dado mostra que não existem limites para os locais em que a eletrônica pode ser inserida. Foram os tempos da Lâmpada de Segurança de Davy criada por Humphry Davy em 1815 e que não fazia os gases das minas explodir e da lanterna de carbureto dos exploradores de cavernas... Estamos no século 21: LED branco de alto brilho microcontrolado é a solução!
Curiosidade
A Lâmpada de Davy
Um dos maiores perigos para os mineiros do século XIX e anteriores era o chamado gás das minas ou “grisu” uma mistura de metano com oxigênio cuja ocorrência era muito frequente nas minas de carvão. Quando qualquer pequena faísca ocorria dentro de uma mina, ou havia a presença de uma chama, esta perigosa mistura explodia, matando os mineiros. Desta forma, era impossível para os mineiros da época usar qualquer tipo de lanterna, obrigando-os a trabalhar ás cegas ou com outras fontes de luz que não fossem chamas. Davy descobriu que colocando uma tela em torno da chama, a qual permitia a entrada apenas do oxigênio para alimentar a combustão, não havia a explosão e ela poderia ser utilizada dentro das minas. Atualmente, as minas são iluminadas com lâmpadas especiais em circuitos à prova de centelhas.
