Que tal construir um interruptor que responda a um estalar de dedos, ou ainda a um "bater de palmas"? Apesar da ideia parecer não um tanto simplória para a grande maioria dos leitores, as aplicações de um circuito como o proposto neste artigo têm limites.
Nota: O artigo saiu numa Mecatrônica Fácil de 2007
A proposta
O circuito que propomos neste artigo permite ligar e desligar cargas através de sons que podem ser produzidos pelo estalar de dedos, pelo bater de palmas ou por outra fonte sonora. O Interruptor Sônico a ser demonstrado aqui, apresenta as seguintes características: • Captação do som feita através de um microfone de eletreto;
• Dois modos de operação:
• Liga/Desliga através de um Flip-Flop (um estalo liga, outro desliga);
• Liga através de um Timer (um estalo liga e o desligamento só ocorre ao final da contagem do tempo).
• Tempo para o Timer configurável através de um potenciômetro;
• LEDs indicativos no painel para as várias operações:
• Flip-Flop Ligado;
• Timer Ligado;
• Timer Desligado;
• Relé Ligado.
• Saída para carga configurável (chave de acionamento) em modo NA (Contatos Normalmente Abertos) ou NF (Contatos Normalmente Fechados).
O circuito foi concebido apenas com circuitos digitais discretos sem o uso de microcontroladores, permitindo assim que o leitor no estágio inicial em seus estudos de Eletrônica possa montar e usufruir deste projeto. Apesar da simplicidade, acreditamos que mesmo os leitores que se encontram em um nível mais avançado também poderão se interessar pelo circuito proposto, após a sua devida análise.
Aplicações
As aplicações possíveis para este tipo de circuito são muitas. Ele pode ser utilizado para ligar e desligar cargas como eletrodomésticos, equipamentos eletrônicos, etc. O fato do circuito possuir dois modos para ligar a carga (Flip-Flop e Timer) aumenta ainda mais a sua capacidade de uso.
Um exemplo de aplicação que pode ser citado é o seu emprego na segurança de uma casa ou mesmo fábrica onde exista, por exemplo, um cão de guarda. A ideia é aplicar o circuito no apoio ao nosso "guarda" fazendo o controle da iluminação externa do local, tornando-o mais seguro.
Atualmente, o modo de garantir um local seguro à noite tem sido manter o maior número de lâmpadas acesas, protegendo o local com o máximo possível de iluminação. Esta atitude é equivocada. O custo de energia elétrica para o usuário é grande e não é possível, por exemplo, simular nada e nem mesmo "assustar" um possível larápio através do "elemento surpresa".
Imagine o local com apenas alguns pontos iluminados (pontos estratégicos). Com isto o usuário passa a economizar energia elétrica. Agora pense na seguinte situação: O "gatuno" encosta na cerca ou mesmo muro e é surpreendido pelo nosso "amigo" que, à noite, está sempre alerta. Seus latidos vão disparar o sistema que farão com que as demais lâmpadas se acendam imediatamente simulando a presença de pessoas "em alerta" no recinto, assustando o "gatuno", que não terá outra alternativa senão sair o mais rápido possível do "cenário".
O leitor deve estar se perguntando: "E se eu não tiver um cachorro, quem ou o que vai disparar o Interruptor Sônico?". Neste caso o circuito proposto pode ser utilizado em conjunto com um sistema de alarme. Basta instalar o mesmo próximo a sirene para que o disparo seja realizado. Caso o sistema de alarme dispare, uma ou mais lâmpadas podem ser acesas iluminando o local e expondo o possível "intruso". Veja a figura 1.
Note que o Interruptor Sônico não é um sistema de alarme. Nossa dica foi apenas para que o leitor possa compreender sua versatilidade. Ele pode ser utilizado em muitas coisas. Com uma boa dose de criatividade o leitor irá descobrir muitas outras aplicações para o circuito proposto.
O circuito
O circuito do Interruptor Sônico pode ser visto na figura 2. Como o leitor pode reparar, usamos apenas componentes discretos. Para uma melhor compreensão, vamos dividir o circuito em seis blocos: Bloco Gerador de Clock, Bloco para Adequação/Seleção do Sinal, Bloco Flip-Flop - Memória, Bloco Timer, Bloco de Potência e Bloco da Fonte.
Bloco gerador de clock - circuito de disparo
Este bloco é composto dos Cls 1 e 2, além dos resistores R1 a R9, dos capacitores C1 e C2 e do diodo D1. A função básica de CI1 é amplificar o sinal vindo do microfone. Esta amplificação tem um ganho baixo para evitar que o circuito mude seu "estado" erroneamente (disparo errático) devido a ruídos. Cl2 opera como um comparador. Sempre que o sinal na entrada negativa de Cl2 for menor que 3 V (valor inserido através do divisor resistivo R6 e R7 na entrada positiva de Cl2) teremos na saída de Cl2 também zero volts. O resistor R5 garante uma tensão maior que 3 V na entrada negativa. Apenas quando um sinal for detectado é que a entrada negativa poderá ser levada a zero Volts.
Bloco para adequação/ seleção do sinal
O bloco é composto pelas portas lógicas A e B do circuito integrado Cl3 (CD4093), aplicadas na saída do circuito gerador de clock, além da chave S1, e tem como principal função adequar o sinal vindo do bloco anterior, para a sua utilização pelos próximos blocos. As portas lógicas citadas são do tipo Schmitt Trigger.
Como o bloco anterior é formado por amplificadores operacionais, o sinal em sua saída pode ser considerado analógico (com rampas na subida e descida do sinal), pois a saída do circuito é feita por um comparador onde a velocidade de transição entre Vcc e GND, e vice-versa, não é rápida.
Sabemos que toda porta lógica tem tempos de transição bem definidos. Quando um sinal aplicado à entrada de uma porta lógica tem tempos de transição menores que os valores mínimos permitidos (cada família lógica tem seus próprios valores), verifica-se em sua saída algumas oscilações à medida que o sinal de entrada passa pelo intervalo de "indeterminação".
Uma porta lógica do tipo Schmitt Trigger é projetada para aceitar sinais cuja transição é lenta e fornecer uma saída livre de qualquer tipo de oscilação. Esta saída geralmente é muito rápida, com tempos de transição em torno de 10 ns, e é independente das características do sinal de entrada. Analisando a figura 3, o leitor poderá entender melhor o que foi dito com a comparação dos comportamentos de uma porta inversora comum e uma inversora com entrada Schmitt Trigger.
A chave S1 permite selecionar em qual bloco (Flip-Flop ou Timer) o sinal do bloco de geração de clock será inserido, e também em qual saída (bloco Flip-Flop ou Timer) o transistor Q, e consequentemente o relé R1_, será conectado (Bloco de potência).
Bloco Flip-Flop
O bloco Flip-Flop é formado pelo C13 (CD4013), um duplo flip-flop tipo "D", além dos resistores R10 e R11 do capacitor C3 e do diodo LED1. A tabela-verdade para este flip-flop pode ser vista na tabela 1.
Observando-se a tabela 1, é fácil compreender como o Cl3 trabalha. Um flip-flop tipo "D" transporta o nível lógico presente em sua entrada para a sua saída não barrada. A sua saída barrada terá sempre nível lógico contrário ao apresentado na saída não barrada.
Um outro detalhe sobre o bloco Flip-Flop diz respeito a sua "memória inicial". Perceba que o pino de RESET (R) do Cl recebe um pulso quando o circuito é ligado, através de C3. O pino RESET quando ativado, permite "zerar" a saída não barrada do flip-flop inserindo nível lógico "0" na mesma. Assim, todas as saídas não barradas de CI3 permanecem no nível lógico "0", até que seja recebido um pulso de clock. Desta forma quando o circuito for ligado, fica garantido que a saída "Q" de CI3 estará desativada (nível lógico "0").
Porém quando a saída não barrada assume nível lógico "0", a saída barrada assume nível lógico "1" (contrário). A saída barrada do flip-flop está ligada à sua entrada "D". Assim, em um próximo clock será este o nível lógico levado da entrada "D" para a saída "Q". Agora a saída não barrada tem nível lógico "1" e a saída barrada nível lógico "O". Com outro pulso recebido, o estado será novamente trocado e assim por diante.
O leitor deve ter percebido que a saída troca de nível a cada pulso de clock, e assim o que temos é uma "memória" para o último estado lógico. Desta forma é possível manter o último comando dado (liga ou desliga) presente no Bloco de Potência.
O resistor Rx é opcional e só deve ser inserido no circuito caso o leitor observe alguma flutuação no flip-flop quando a chave S1 é colocada na posição F.F.
Bloco timer
Este bloco é composto pelo CI4 (LMC555 - Versão CMOS), os resistores R13 a R16, os capacitores C4 e C5, o potenciômetro P1 e os diodos LED2 e LED3. CI4 foi configurado no modo monoestável. Quando o Cl receber um pulso com nível lógico "O", vindo do gerador de clock ele disparará a sua saída (nível lógico "1") durante um período de tempo "T", que pode ser calculado conforme demonstrado na tabela 2.
O LED2 serve para informar visualmente que o timer está desativado e o LED3 informa que o timer está ligado (contagem de tempo em andamento). Os resistores R15 e R16 são limitadores de corrente para LED2 e LED3, respectivamente.
Bloco de potência
Este bloco é o mais simples de se compreender. O transistor Q1 trabalha no corte ou saturação dependendo do nível lógico presente na saída não barrada de Cl3A, (flip-flop), ou ainda na saída de CI4 (timer), dependendo da posição da chave S1.
Quando o nível lógico aplicado à base do transistor for igual a "Vcc", o mesmo será levado à saturação, permitindo a circulação de corrente através de seu coletor/emissor. Neste momento a bobina do relé RL1 será ligada e o relé é então ativado. O diodo D2 protege a junção coletor/emissor do transistor contracorrentes reversas que possam ocorrer durante o desligamento da bobina do relé. O diodo LED4 é utilizado para indicar relé "Ligado". O resistor R18 limita a corrente que circulará pelo LED4.
Bloco fonte de alimentação
A fonte do circuito também é bem simples. Trata-se de uma fonte linear com regulador série. A figura 4 ilustra o diagrama de blocos de nossa fonte.
O transformador T1 reduz a tensão da rede para uma tensão de trabalho mais adequada (12 V+12 V). A ponte retificadora da fonte é formada pelos diodos D3 e D4 que fazem a retificação em onda completa.
A filtragem é feita pelo capacitor C6 que ajuda na eliminação da corrente pulsante contínua resultante da retificação. Seu valor deve estar entre 1000 µF e 4700 µF. Em nosso protótipo utilizamos um capacitor de 2200 µF com tensão de trabalho de 25 V.
A regulagem da fonte é do tipo série e é realizada pelo resistor R19, o diodo zener D5 e o transistor Q2. Juntos estes componentes formam um regulador de série de 6 VDC. O diodo D5, polarizado pelo resistor R19, mantém constante a tensão na base de Q2 em 6,8 V. Para conduzir, o transistor Q2 precisa de uma tensão de base de aproximadamente 0,6 V maior que a tensão de emissor (queda de tensão base/emissor). Assim, com um diodo de 6,8 V garantimos uma tensão no emissor de 6 VDC, tensão adequada para o funcionamento do circuito.
O capacitor C7 ajuda na filtragem do ripple restante da etapa de filtragem. Seu valor deve estar entre 47 µF e 470 µF, com uma tensão de trabalho de 16 V. O LED5, juntamente com seu resistor limitador de corrente R20 tem aplicação visual informando que a fonte está operando normalmente e, consequentemente, se o circuito está ou não ligado.
É importante salientar que neste tipo de fonte é necessário garantir que a tensão DC na entrada do regulador série seja pelo menos 2 V maior que a tensão desejada na saída.
A montagem
Na figura 5 apresentamos nossa sugestão para o layout do circuito impresso. Esse desenho foi usado em nosso protótipo. O leitor também poderá utilizar outros métodos para a montagem do circuito como uma placa padrão, por exemplo. A escolha é livre.
Comece por montar os jumpers presentes no circuito. Eles podem ser feitos com pequenos pedaços de fios rijos, por exemplo, e preferencialmente encapados. Solde posteriormente os resistores e capacitores.
Tenha cuidado para não trocar os resistores. Utilize a lista de materiais se tiver dúvidas na identificação dos mesmos (código de cores).
Tenha cautela na montagem dos componentes polarizados como os capacitores eletrolíticos, diodos, LEDs e os transistores. Os Cls também são polarizados e requerem o mesmo cuidado. É altamente recomendável o uso de suportes para todos os Cls.
Cl4 deve, necessariamente, ser versão CMOS. Não use versões comuns para esse CI, sob pena de mau funcionamento do circuito.
O uso de um pequeno radiador de calor para o transistor Q2 também é recomendável, principalmente porque o circuito será utilizado por longos períodos. Repare que este transistor deve ser montado de forma invertida no circuito, ou seja, com o seu lado metálico voltado para cima. Isso facilita na conexão do radiador de calor. Veja na figura 6 o detalhe da montagem do radiador de calor sobre o transistor Q2.
Para P1 é possível utilizar tanto um potenciômetro quanto um trimpot horizontal tipo mini. O uso de um potenciômetro permite a sua instalação externamente no gabinete e, portanto, a alteração do tempo a qualquer momento. A opção por um trimpot só deve ser feita caso o tempo de operação não vá ser alterado com uma certa constância, nessa situação o componente ficará interno no gabinete.
A ligação entre a placa e o microfone deve, necessariamente, ser feita com fio blindado (malha interna) para evitar a captação de ruídos. Veja a ligação do microfone ao fio na figura 7.
O transformador T, pode ter os terminais do secundário, soldados diretamente à placa ou ainda ligados à mesma através de um conector tipo "parafusável" como o utilizado em nosso protótipo. A escolha é livre. Sua tensão de secundário deve ser necessariamente 12 V+12 V (transformador com derivação central) e corrente de trabalho mínima de 500 mA.
A ligação do primário do transformador deve ser feita de acordo com o tipo a ser empregado pelo leitor. Basicamente, existem dois tipos: primário simples (um único enrolamento com derivação) ou ainda primário duplo (dois enrolamentos independentes). Dependendo do transformador em mãos, o leitor deverá optar por uma ligação conforme a figura 8.
O leitor deve ter notado que nesta figura foram inseridos alguns componentes a mais, que não estão presentes no circuito principal (mas presentes na lista de materiais). Temos nesta figura uma chave liga/desliga (S2), uma chave seletora de tensão para rede 110V/220V (S3) e um porta fusível (F1). O uso destes componentes é opcional e deixamos essa escolha livre. A simples ligação do rabicho ao primário do transformador, desde que feita de maneira correta, permitirá conectar o circuito à rede elétrica AC.
Importante:
A cor dos fios utilizada em nosso desenho é meramente ilustrativa. Cada fabricante utiliza um conjunto de cores para seus transformadores, não havendo uma padronização. É altamente recomendável que o leitor, ao adquirir o transformador, informe-se no balcão da loja sobre identificação do primário e secundário, assim como a forma de sua ligação (utilização das cores pelo fabricante) para posteriormente ligá-lo de maneira correta.
Para finalizar a montagem do módulo de controle o leitor poderá inserir o circuito em uma caixa plástica como as fornecidas pela empresa Patola (www.patola.com.br), ou ainda em uma outra qualquer montada com outros materiais como: madeira, ferro ou alumínio. Apenas lembrando que o ferro e alumínio são materiais condutores e, neste caso, a placa não poderá ser apoiada diretamente sobre o fundo da caixa sob o risco de curto-circuito com danos ao próprio circuito e rede elétrica. Se utilizar estes materiais na montagem da caixa, procure isolar tudo muito bem (placa, cabos e outros) para evitar danos.
Em nosso protótipo usamos uma caixa Patola modelo PB-209. Com esta caixa foi possível acomodar a placa de circuito impresso, o transformador e todos os outros componentes sem nenhum problema. A distribuição das partes utilizadas nesta montagem pode ser vista na figura 9.
Em nosso site o leitor poderá encontrar ainda o arquivo com os desenhos das etiquetas frontal e traseira de nosso protótipo. Estas, além de conferirem um ótimo acabamento também ajudarão na furação da caixa, caso o leitor opte por utilizar uma caixa igual a do nosso projeto. A figura 10 mostra a parte frontal e traseira de nosso protótipo já montado.
Um outro detalhe sobre a montagem que não foi inserido no circuito elétrico, mas que pode ser visto em nosso protótipo diz respeito a chave seletora para o modo como a carga será utilizada, além da tomada para a carga.
A chave permite selecionar a ligação da carga nos contatos NA e NF do relé. Assim é possível, por exemplo, fazer com que a carga receba a tensão da rede AC constantemente (posição NF), mantendo-a ligada, e quando o relé for ativado, a carga será desligada (operação invertida). Na posição NA a carga só recebe a tensão da rede AC quando o relé for ativado (operação normal). Os detalhes para a ligação da chave de seleção estão na figura 11.
Lembramos que o uso desta chave no circuito é opcional. Nada impede que o leitor use uma tomada para a carga ligada diretamente à saída do relé (contatos NA, C e NF), tanto para o modo NA quanto para o modo NF. Para isso veja a figura 12.
Teste e uso
Antes de prosseguir com os testes, verifique toda a montagem. Cheque todas as ligações. Não tenha pressa nesta etapa. Quantos um dia não disseram: "eu tenho certeza que tudo está certo" e se arrependeram em seguida ao perceberem que seu projeto havia se danificado, simplesmente porque havia, sim, algo ligado errado.
Após tudo checado, verifique se a tensão selecionada na ligação do secundário do transformador (chave seletora de tensão da rede) está posicionada para a tensão de sua rede. Se durante a montagem o leitor optou pela proteção do circuito através de um fusível, o mesmo deverá estar presente. Ligue uma lâmpada com tensão adequada a sua rede elétrica na saída do Interruptor Sônico. Caso o leitor não tenha uma lâmpada em mãos, poderá usar seu multímetro devidamente configurado para ler tensões alternadas dentro da faixa de sua rede elétrica. Certifique-se de que a carga (lâmpada ou multímetro) esteja ligada adequadamente à saída do Interruptor Sônico (preferencialmente no modo NA para facilitar os testes).
Posicione a chave Si de maneira a selecionar o modo Flip-Flop (F.F). Estale os dedos (ou bata palmas apenas uma vez). O LED1 deverá acender indicando que a saída "Q" do Flip-Flop está em nível lógico "1". O LED4 também deverá acender indicando que o relé foi ativado. Estale novamente os dedos. O LED1 deverá apagar indicando que a saída "O" do Flip-Flop está agora em nível lógico "O". O LED4 também deverá apagar indicando relé desativado. Observe também o comportamento na carga.
Agora, posicione a chave S1 para seleção do modo Timer. Gire o potenciômetro de maneira a ter o menor tempo possível (próximo a 1 minuto). Estale os dedos. O LED2 deverá apagar e o LED3 deverá acender informando que o temporizador foi acionado. O LED4 informará "Relé Ativado". Aguarde o tempo selecionado. Ao final deste, o relé será desativado e o LED2 voltará a acender demonstrando que o temporizador está desligado.
Caso o leitor constate qualquer situação fora do que foi demonstrado, deverá rever todas as ligações. Refaça o passo-a-passo da montagem visualmente para conferir tudo. O circuito é funcional e não apresentou qualquer problema em nossos testes. Atualmente, o mesmo encontra-se em uso na casa do autor.
Conclusão
Com alguns componentes é possível criar circuitos muito interessantes. Para muitos, o circuito apresentado poderia ter sido idealizado com um microcontrolador. Porém, mais uma vez alertamos sobre o "perigo" do uso indiscriminado dos microcontroladores por parte daqueles que estão na fase de aprendizado em Eletrônica. Infelizmente, muitos leitores não estão percebendo o que estão perdendo.
O estudo da eletrônica básica assim como da digital é fundamental para uma formação sólida. Apesar da eletrônica moderna estar hoje quase toda focada no mundo dos microcontroladores e componentes programáveis, o correto interfaceamento destes com o mundo "exterior depende (e muito) dos conhecimentos absorvidos em eletrônica básica, tanto analógica quanto digital. Esperamos que o leitor compreenda a necessidade de conhecer a Eletrônica como um todo e possa absorver as informações passadas, podendo assim usá-las muito em breve. Boa montagem e até a próxima!
