Este circuito possibilita as mais diversas modalidades de som: desde a imitação da sirene de polícia até o ruído característico de uma motocicleta. O som emitido tem sua frequência variando entre dois limites previamente estabelecidos pelo usuário, com o que são obtidos efeitos sonoros bastante interessantes, os quais poderão ser utilizados para animar bailes ou em situações em que se requer avisos sonoros de alerta e de grande impacto.
Aquilino R. Leal
Nota: Artigo da Revista Saber Eletrônica de setembro de 1981.
O circuito que iremos apresentar, ainda que de concepção relativamente simples, reúne algumas características deveras interessantes, tornando o seu campo de aplicação praticamente ilimitado.
Dentre as principais características citaremos as seguintes:
a - O dispositivo pode ser acionado tanto por um interruptor de contato momentâneo, como por toque (versão sofisticada), quando então, passará a emitir sons cuja frequência irá aumentando gradativamente até um limite previamente instituto pelo usuário. Tão logo deixe de ser feito o contato de acionamento, a frequência dos sons irá decrescendo lentamente até que, por fim, cessem tais sons.
b - Quando em repouso, isto é, sem qualquer som em seu alto-falante, o consumo do dispositivo é menor que 100 nA, quando alimentado com 10 volts e na sua versão mais sofisticada; por este motivo, o circuito poderá ficar constantemente ligado sem que haja elevado consumo e, em consequência, é dispensável qualquer espécie de chave liga-desliga. Mesmo em funcionamento, o consumo do circuito é reduzido: no nosso protótipo verificamos que à frequência dos 10 kHz (pior caso) o consumo não atingiu a marca dos 70 mA quando utilizamos uma fonte de alimentação de 10 volts; contudo, esse valor fica reduzido a uns 15 a 20 mA para sinais de frequência em torno de 3kHz, que é o caso onde se verificam os melhores efeitos sonoros.
c - A tensão de alimentação poderá situar-se entre 5 a 16 volts sem que para isso haja necessidade de qualquer modificação no circuito - é claro que quanto maior for o valor dessa tensão, maior será o volume sonoro desenvolvido no alto-falante e, é óbvio, maior será o consumo do dispositivo. Aqui cabe uma observação; devido à simplicidade do circuito, o valor da tensão de alimentação tem influência direta na frequência dos sons: quanto maior é a tensão tão mais agudo se tornará o sinal de saída, isto é, a frequência é, até certos limites, proporcional ao valor da tensão de alimentação.
d- Os componentes utilizados são de uso corriqueiro e facilmente encontráveis à venda no comércio especializado, não trazendo, por esse motivo, dores de cabeça àqueles que quiserem montar a 'caixa de surpresas sonoras"! O único item a se considerar é o alto-falante do qual depende a qualidade do som emitido bem como os limites da frequência dos sons gerados pelo dispositivo.
Pelo exposto acima temos uma ideia do vastíssimo campo de aplicações práticas em que a nossa 'saída de efeitos sonoros pode participar. Dentre essas inúmeras aplicações citaremos as seguintes:
- em casas ou apartamentos residenciais, como campainha eletrônica personalizada;
- em sistemas de segurança de qualquer espécie;
- em dispositivos de proteção de residências ou casas comerciais;
- para animar bailes "a la discotheque";
- em consultórios médicos para avisar ao médico que algum paciente se encontra à sua espera;
- em brinquedos como, por exemplo, carros elétricos, trens, etc.;
- como gerador de efeitos sonoros;
- em garagens, avisando aos transeuntes que algum veículo vai sair (ou entrar) na mesma;
- em servomecanismos;
- como brinquedo para crianças na faixa de 2 a 12 anos;
- como detector de umidade, principalmente para vasos de plantas ornamentais;
- como alerta de ré para automóveis,
- ou mesmo como simples diletantismo em eletrônica.
Certamente o leitor já descobriu mais outra dezena de aplicações para este aparelho, sendo bem provável que aqui tenha encontrado a solução para as suas especiais pretensões; se isto for verdade, mãos à obra! E...em menos de meia hora você terá montado a 'caixinha de surpresas"!
O CIRCUITO E FUNCIONAMENTO
Na figura 1 temos o diagrama esquemático do nosso circuito em sua versão mais simples: apenas um par de transistores como elementos ativos e mais meia dúzia de componentes passivos, são os responsáveis pelas proezas anteriormente citadas!
Para facilitar a explanação do funcionamento do circuito, iremos ignorar o conjunto R3-C1 e suporemos que o interruptor de contato momentâneo K1 se encontre pressionado; assim procedendo obteremos o circuito equivalente mostrado na figura 2 onde também iremos supor ser de 10 volts a tensão de alimentação - bateria B1.
Pois bem, tão logo o circuito é alimentado, o capacitor C2 (figura 2) dá início ao processo de carga através do resistor R2 e bobina do alto-falante FTE 1 e, enquanto ele se carrega, o transistor permanece cortado (não conduzindo). Porque Q1 se encontra cortado, o potencial de seu coletor é praticamente o da fonte no caso 10 volts; com isso o transistor de potência Q2 se vê impossibilitado de conduzir já que ele é do tipo PNP.
Alguns momentos após a aplicação da alimentação, o capacitor C2 terá se carregado o suficiente para que a base do transistor Q1 (figura 2) apresente um potencial da ordem de 0,6 volts com o que esse transistor passará a conduzir provocando, por sua vez, a condução de Q2 que desenvolve um potencial em seu coletor praticamente igual ao da tensão de alimentação, ficando o alto-falante submetido a tal potencial.
Esse potencial do coletor de Q2 é transmitido instantaneamente à base de Q1 via capacitor C2, forçando, ainda mais, a condução desse transistor. Acontece que o capacitor em questão irá carregando-se exponencialmente graças à junção base-coletor de Q1 e resistor R4; com isso o potencial da base de Q1 irá decrescendo e, em consequência, o potencial de seu coletor irá crescendo (menor grau de condução por parte deste transistor); mesmo assim, Q2 permanecerá saturado. Em dado momento o capacitor C2 se encontrará parcialmente carregado, e a partir, desse instante ele tentará abaixar o potencial da base de Q1, chegando o momento em que Q1 deixará de conduzir, implicando na não condução de Q2. A retirada do potencial de 10 volts do coletor de Q2 provoca a descarga de C2 que passará a carregar-se, agora com polaridade invertida em relação à precedente, através de R2; disto tudo resulta um pulso negativo na base de Q1 que o obriga a manter-se cortado assim como o transistor Q2.
Instantes depois o capacitor apresentará um potencial, em relação a terra, superior a 0,6 V, justamente no terminal que vai ter à base de Ql. Atingida esta condição Q1 e Q2 saturam e o ciclo se repetirá conforme o exposto acima.
Vemos que o alto-falante ora recebe alimentação, ora não, caracterizando as mencionadas oscilações do circuito que, neste caso, as mais rápidas possíveis, isto é, de maior valor de frequência.
Como vimos, a carga do capacitor C2, no sentido da base de Q1 para o coletor de Q2, é quem determina o período durante o qual o alto-falante permanecerá "mudo" (Q1 e Q2 cortados); é claro que se diminuirmos o valor resistivo de R2 o capacitor irá tardar mais para carregar-se, implicando em sinais mais espaçados temporalmente (menor frequência). Torna-se então óbvio demais, dizer que ao variar o valor resistivo de R2, iremos variar a frequência das oscilações; isto equivale dizer que ao variar a polarização da base de Q1 iremos variar o valor da frequência das oscilações: se esta polarização "subir" a frequência aumentará, e vice-versa - aqui podemos constatar o quão sensível é o circuito no que tange a variação da tensão de alimentação, que irão repercutir na polarização de base do transistor Q1.
De volta ao circuito da figura 1 podemos verificar que, sob as condições apresentadas, não existem oscilações, isto porque o transistor Q1 não está recebendo polarização positiva em sua base a qual, além disso, se encontra aterrada por intermédio do resistor R4 - sob estas condições o consumo do circuito é inferior a 100 nA (1 nA = 0,000001 mA), e isto se deve às correntes de fuga dos transistores.
Ao pressionar-se o interruptor K1 (figura 1) a base de Q1 é polarizada e dá-se início as oscilações em baixa frequência pois o capacitor eletrolítico se encontra descarregado, 'absorvendo' parte da polarização destinada a Q1. À medida que C1 se carrega via R3 e R2, a frequência das oscilações vai aumentando gradativamente até que ele se encontre totalmente carregado quando, então, teremos a condição anteriormente analisada (circuito da figura 2), com as oscilações apresentando o maior valor em frequência.
Tão logo deixe de ser pressionado o interruptor K1 (figura 1), o capacitor irá descarregando-se através da junção base-emissor de Q1 e resistor R4 com o que diminui a polarização da base do transistor e como consequência a frequência do sinal irá decrescendo à medida que C2 se descarrega. Chegará o momento que a energia armazenada em C2 é insuficiente para manter Q1 ativo e com isso cessarão as oscilações.
Para os valores de R2, R3 e Cl recomendados na lista de material, em aproximadamente 4 segundos é atingido o máximo valor de frequência e uns 3 segundos após a liberação do interruptor Kl cessam as oscilações.
Do exposto podemos extrair algumas conclusões interessantes:
- na ausência de oscilações o consumo do circuito pode ser desprezado;
- a ativação do circuito implica em oscilações cuja frequência irá aumentando lentamente até atingir um máximo, em aproximadamente 4 segundos;
- ao liberar K 1 a frequência das oscilações irá decrescendo lentamente até que, por fim desapareçam, caso não mais seja ativado K1 - se isto ocorrer o valor da frequência irá crescer à partir do seu valor nominal no instante imediatamente anterior ao pressionar de K1.
O interruptor mecânico K1 pode ser substituído por uma chave eletrônica de forma a possibilitar a carga do capacitor Cl (figura 1) através de toques dados pelo simples encostar do dedo em um elemento sensível especialmente elaborado para essa finalidade.
A figura 3 mostra o circuito da nossa sirene em sua versão sofisticada, notamos que o interruptor eletrônico é constituído por um par de transistores (Q3 e Q4) e mais um par de resistores (R5 e R6) para prover a devida polarização a esses transistores.
Vejamos como funciona essa chave eletrônica já que o restante do circuito não sofreu qualquer modificação em relação à sua primeira versão (figura 1).
Os transistores Q3 e Q4 (figura 3) se apresentam na clássica configuração Darlington que oferece alto ganho e elevada impedância de entrada que neste caso é da mesma ordem que o valor ôhmico de R6 (1 0 MQ); aliás a presença de R6 garante que espúrios venham ativar inadequadamente a chave eletrônica. Ora, como a base de Q4 se encontra à potencial terra (graças a R6) ele não conduz e, por não conduzir provoca o corte de Q3 que se vê impossibilitado a prover a devida polarização à base do transistor Q1 assim como carregar o capacitor C2 para dar início às oscilações.
Contudo, se aos pontos A e B (figura 3) introduzirmos, mesmo um elevado valor de resistência elétrica, como, por exemplo, a apresentada pelo nosso dedo, faremos com que o transistor Q4 amplifique o potencial à sua base e com isso ter-se-á forte corrente de emissor a qual é aplicada à base de Q3 fazendo-o, praticamente, saturar e aí este último transistor se comporta como um interruptor mecânico. O resistor R5 tem por finalidade limitar a corrente de base protegendo Q4 contra eventuais curtos acidentais entre a base do transistor e a fonte de alimentação, curtos estes que danificariam irremediavelmente o semicondutor.
MONTAGEM
Para um circuito simples ... uma montagem simples! Não faremos exceção à regra! Para tal nos utilizarmos das conhecidas tiras de terminais as quais devem ser preferidas por todos os leitores que ainda não dominam a técnica da confecção dos denominados circuitos impressos em plaquetas de fenolite; os "veteranos", certamente, irão preferir este último tipo de montagem que oferece maior grau compactação.
A figura 4 identifica os terminais dos transistores utilizados tanto na versão simples como na versão sofisticada do circuito; assim procedendo fornecemos os elementos necessários para que os "veteranos" possam confeccionar o seu circuito impresso.
Temos na figura 5 o chapeado da montagem, em tiras de terminais, da versão mais simples da sirene, correspondendo ao diagrama esquemático da figura 1. Como de costume, recomendamos, aos leitores que tiverem pouca prática em montagens, o máximo cuidado para não inverter as "bolas", principalmente em se tratando dos semicondutores (transistores Q1 e Q2) assim como o capacitor eletrolítico C1 cuja polaridade tem que ser obedecida tal qual é mostrado pelo chapeado. Outro pormenor a ser levado em consideração é quanto à polaridade da fonte de alimentação B1 à qual nós iremos referir adiante.
A versão mais sofisticada da sirene, diagrama esquemático da figura 3, também pode ser montada em uma tira de terminais como no caso anterior. A figura 6 mostra uma das possíveis configurações de montagem; como vemos não existe qualquer dificuldade: basta um pouco de paciência, capricho e, sobretudo, muita atenção!
Como fonte de alimentação para o circuito, o leitor poderá utilizar quatro pilhas convencionais (tamanho grande) de 1,5V interligadas em série conforme é mostrado no croqui da figura 7, perfazendo um total de 6 volts (no mercado existem suportes mecânicos especialmente elaborados para comportar até seis dessas pilhas).
Nos casos onde se fizer necessário um bom volume, recomendamos a utilidade de 6 ou mesmo 8 dessas pilhas a fim de prover uma tensão de alimentação da ordem de 10 a 14 volts para o dispositivo. Em situações onde o aparelho for constantemente solicitado, a melhor opção, pelo menos economicamente, consiste em montar uma fonte a partir da rede elétrica. Na figura 8 apresentamos um circuito de uma dessas fontes bem como a respectiva lista de material - esta fonte propicia um elevado volume no alto-falante do aparelho.
Em bem da verdade, deveremos preferir uma fonte de alimentação a partir da tensão da rede elétrica em lugar do banco de pilhas que, por seu desgaste natural, acaba por comprometer o bom funcionamento do aparelho devido à natural redução da tensão de alimentação.
Uma vez aplicada a tensão de alimentação em nossa montagem, verificaremos que o alto-falante continuará mudo, porém se pressionarmos K1 (figura 1 e 5) poderemos escutar um ruído característico que será tão agudo ou tão grave quanto, respectivamente, menor ou maior for a capacitância de C2. Na versão sofisticada (figura 3) bastará encostar o dedo nas extremidades livres desencapadas dos fios A e B assinalados na figura 6.
Havendo interesse em tornar o som mais grave teremos de ir dispondo de capacitores, da ordem 0,047 µF, em paralelo com o capacitor C2 de realimentação, até que encontremos o som procurado.
De forma análoga, para tornar o som mais agudo teremos de reduzir a capacitância de C2 pela sua substituição por outro capacitor cujo valor não deve ser muito menor que o original.
À guisa de informação esclarecemos que em nosso protótipo fizemos algumas experiências, com as quais conseguimos estabelecer dois limites para a capacitância do capacitor de poliéster C2: limite inferior: C2 = 0,05 µF → som fortemente agudo, parecendo um apito; limite superior: C2 = 0,47 µF →som fortemente grave, dando a sensação do motor de uma motocicleta. De qualquer forma, cabe ao leitor determinar, empiricamente, o valor da capacitância que lhe oferecer os melhores resultados. Os mais habilitados poderão utilizar-se de uma chave de um polo por onze posições a fim de introduzir no circuito as mais diversas capacitâncias (previamente selecionadas) a fim de propiciar, pelo menos, nada menos que onze diferentes efeitos sonoros com um mesmo aparelho! O croqui da figura 9 dá uma ideia geral de como proceder neste caso.
Na versão que denominamos sofisticada, há necessidade de construir o elemento sensor dos toques... "dedais". Podemos utilizar apenas as duas extremidades, desencapadas, dos fios A e B (figura 6) ou utilizar um pedaço das denominadas plaquetas semiacabadas tal qual é ilustrado, em tamanho real, na figura 10; notar que as 4 veias de cobre paralelas foram interligadas, entre si, duas as duas. Também nada impede que venha a ser utilizada uma maior quantidade de veias paralelas a fim de propiciar melhor contato, principalmente quando o dispositivo for utilizado como detector de umidade.
Maior sensibilidade aos toques pode ser obtida se for utilizado um qualquer dos sensores mostrados na figura 11; só que neste caso teremos de recorrer ao percloreto de ferro para poder corroer as partes cobreadas da plaqueta para circuito impresso que não são de interesse.
