Um circuito eletrônico experimental que converte luz em som é o que levamos aos leitores neste artigo. As variações da intensidade da luz incidente num elemento sensível são transformadas em sons de frequências correspondentes. Experimentalmente este aparelho pode ser usado para demonstrar o funcionamento dos sensores de luz ou então na detecção de variações de intensidade luminosa ou na localização de fontes emissoras.
O que propomos neste artigo é uma montagem experimental dirigida a estudantes, principiantes e hobistas, pois sua faixa de aplicações práticas é relativamente limitada. Trata-se de um aparelho que converte luz em som, e este som depende em sua frequência da intensidade luminosa da fonte.
Propomos duas configurações. Uma delas tem uma ação positiva no funcionamento do circuito, ou seja, ao aumento da intensidade da luz incidente corresponde um aumento da frequência do som produzido.
A outra versão funciona de modo oposto pois ao aumentar a intensidade da luz incidente no elemento sensível a frequência diminui.
Nos dois casos, existem ajustes de sensibilidade e ponto de funcionamento.
Estes ajustes podem fazer com que a faixa de resposta à luz do aparelho seja limitada a certos valores.(figura 1)
A simplicidade do circuito e o baixo custo dos componentes usados são um convite aos montadores novatos e estudantes.
A alimentação do circuito pode ser feita com tensões de 6 ou 9 V e sua instalação tanto pode ser feita numa base de madeira como numa pequena caixa de qualquer material.
COMO FUNCIONA
Na figura 2 temos o circuito básico de um oscilador de relaxação com transistor unijunção que é o coração de nosso conversor.
Neste circuito o transistor unijunção funciona como uma "chave" que liga quando a tensão em seu emissor atinge um certo valor, normalmente situado entre 0,5 e 0,7 da tensão de alimentação.
No emissor do transistor temos a ligação de um resistor (R) e de um capacitor (C) formando portanto um “circuito de tempo".
Partindo de uma situação inicial em que ligamos a corrente, o que acontece é que o capacitor inicialmente descarregado começa a se carregar via resistor.
Gradativamente a tensão entre as armaduras do capacitor e consequentemente no emissor do transistor vai subindo, conforme mostra o gráfico da figura 3.
Entretanto, esta subida não é indefinida. No momento em que a tensão de disparo do transistor unijunção é atingida, este componente “liga" passando a apresentar uma resistência muito baixa entre as armaduras do capacitor. A consequência disso é a descarga do capacitor, representada pela queda de tensão no gráfico.
Um pulso de corrente circula então pelo transistor e pelo resistor de carga.
Com a descarga do capacitor, o transistor desliga, e um novo ciclo se inicia.
Havendo uma alimentação constante no circuito ele ficará oscilando produzindo pulsos numa razão que depende de valor do capacitor e do resistor.
Esta frequência pode ser calculada aproximadamente pela fórmula:
f = 1/(R x C)
Onde f é a frequência em hertz (Hz), R é a resistência em ohms (SZ) e C é a frequência em Farads (F).
Lembramos que1 uF equivale à 0,000 001 F ou 10-6 F.
Veja o leitor que, podemos variar R para alterar a frequência das oscilações.
Assim, para R podemos utilizar um potenciômetro caso em que ele controlará a frequência do circuito.
No nosso caso, o R será representado por um dispositivo cuja resistência depende da quantidade de luz que incide numa superfície sensível. Este dispositivo é um LDR.
A resistência do LDR é alta no escuro, chegando normalmente a 1 ou mais megohms (milhões de ohms). No claro, como por exemplo, exposto à luz direta do sol, sua resistência cai para algumas dezenas ou centenas de ohms.
O LDR ligado em série com o capacitor na primeira versão, faz com que a frequência do oscilador seja maior no claro e menor no escuro.
Podemos entretanto usar uma configuração um pouco diferente que é mostrada na figura 4.
Nesta configuração o R é um resistor mesmo (potenciômetro e resistor) que determinam basicamente a frequência do circuito.
Em paralelo com o capacitor é ligado o LDR que passa a formar um divisor de tensão com o resistor R. Este divisor altera o ponto de funcionamento do circuito e, portanto, sua frequência
O que ocorre neste caso é o funcionamento “ao contrário" que já explicamos.
Com a diminuição da resistência do LDR cai a tensão no capacitor e consequentemente diminui a frequência
Temos então que, quando a intensidade de luz aumenta, a frequência diminui. Conforme o ajuste do potenciômetro, podemos inibir o funcionamento do oscilador com determinadas intensidades de luz, de modo que não seja atingido o ponto de disparo do transistor unijunção.
Como o sinal obtido na saída do transistor unijunção é fraco, é preciso utilizar uma etapa adicional de amplificação.
Esta etapa utiliza um transistor de potência o qual excita diretamente um alto-falante, conforme mostra a figura 5.
Se o leitor não estiver satisfeito com a potência sonora desta etapa experimental pode utilizar uma outra que faz uso de dois transistores e é mostrada na figura 6.
Esta etapa pode inclusive ser alimentada com tensões maiores, ou seja até 12 V, mas o transistor de potência deve ser montado num bom dissipador de calor.
OS COMPONENTES
Todos os componentes podem ser encontrados com facilidade nas casas especializadas. Começamos com a base de montagem que serve de “chassi" e que pode ser uma tábua de 20 x 30 cm, onde todos os componentes são fixados com parafusos para madeira ou comuns.
É claro que o leitor pode utilizar uma caixa para instalar todo o conjunto, mas se o aparelho for montado com finalidade didática será mais interessante deixar todas suas partes expostas para análises e explicações.
O transistor unijunção é do tipo 2N2646. Outros tipos podem ser experimentados, mas este sem dúvida é o mais comum.
O transistor de potência básico é o BD135. Seus equivalentes mais próximos são os BD137 e BD139. Podem também ser usados NPNs de potência como os TIP29, TIP31, AC187 mas estes possuem disposição de terminais que não coincide com a dos originais.
O LDR é comum, redondo de qualquer tipo. Pode ser aproveitado o LDR de televisores abandonados que possuam controle automático de luminosidade e que ficam no seu painel frontal.
Os demais componentes tais como resistores, capacitores, alto-falantes são todos comuns.
MONTAGEM
Para a soldagem dos componentes deve ser usado um ferro de pequena potência e ponta fina (máximo 30 W). Como ferramentas adicionais sugerimos a utilização de um alicate de corte lateral, um alicate de ponta fina e chaves de fenda.
Os circuitos completos das duas versões (ação positiva e ação negativa) são mostrados na figura 7.
As montagens das duas versões em ponte de terminais são dadas na figura 8.
É claro que nas versões em ponte, os componentes maiores devem ser fixados na base de montagem Estes elementos que devem ser fixados são:
Ponte de terminais
Alto-falante
Suporte das pilhas
Potenciômetro P1
LDR
Os principais cuidados que devem ser tomados na montagem são os seguintes:
a) Solde em primeiro lugar os transistores observando sua posição. A posição do transistor unijunção é dada pelo pequeno ressalto em seu invólucro. Veja o desenho na ponte de terminais. Para o outro transistor a posição é dada pela parte metálica do invólucro que deve ficar voltada para baixo.
b) Na soldagem do capacitor eletrolítico deve ser observada sua posição pois este componente é polarizado. O outro capacitor não tem polaridade. Na verdade, este outro capacitor pode ter valores entre 33 nF e 100 nF, dependendo deste a tonalidade dos sons obtidos. Com capacitores menores os sons produzidos serão mais agudos.
c) Os resistores não têm polaridade certa para ligação, mas seus valores devem ser observados. Os valores são dados pelos três primeiros anéis coloridos. Solde-os rapidamente pois eles são sensíveis ao calor.
d) As interligações na ponte de terminais são feitas com dois pedaços de fio encapado. A primeira vai entre o extremo da esquerda de R2 e o terminal do meio de Q2. A segunda vai entre a junção de Q1 com R3 e o terminal da direita de Q2.
e) Para a ligação do potenciômetro P1 nas duas versões devem ser usados dois pedaços de fio de aproximadamente 10 cm cada um. O potenciômetro posteriormente pode ser fixado num “L" de metal na base de madeira.
f) Para o LDR são usados na ligação dois pedaços de fio de 20 à 30 cm de comprimento. Recomenda-se que os terminais de ligação e o próprio LDR sejam protegidos contra o manuseio excessivo que pode acabar por danifica-los. A montagem num pequeno tubo, conforme mostra a figura 9 é uma sugestão.
g) Para a ligação do alto-falante também podem ser usados dois pedaços de fio flexível de 15 a 20 cm de comprimento cada. O alto-falante pode ser fixado em duas pequenas dobradiças as quais serão parafusadas na base. O alto-falante é de 5 à 10 cm de diâmetro.
h) Completamos a montagem com a ligação do suporte das pilhas. Para este devemos observar a polaridade dos fios. O fio vermelho corresponde ao polo positivo que vai ligado ao coletor de 02 (terminal do meio) e o negativo que corresponde ao fio preto vai ao resistor R3. Veja o leitor que não usamos interruptor neste aparelho. Para desligar o conversor basta retirar as pilhas do suporte. O suporte de pilhas, conforme o tipo pode ser parafusado, colado ou preso por uma braçadeira na base de montagem
Terminada a montagem, o próximo passo consiste em experimentar o conversor.
PROVA E USO
Para provar o aparelho, em primeiro lugar coloque pilhas em boas condições no suporte, observando sua polaridade.
Já com as pilhas no suporte, dependendo da posição de P1 e da iluminação do LDR o aparelho emitirá sons.
O leitor deve então ajustar o potenciômetro para haver emissão de sons pelo alto-falante com a luz ambiente ou de uma lanterna incidente no LDR.
O ponto de funcionamento do conversor depende do tipo de demonstração desejada.
Algumas experiências interessantes podem ser feitas com este conversor.
1. Operação do LDR
Nesta experiência demonstra-se de que modo a resistência de um LDR varia com a quantidade de luz incidente.
O procedimento para esta experiência é o seguinte:
Com uma lanterna ilumine o LDR e em seguida vá afastando-se até notar uma variação da tonalidade do som. (figura 10)
Na versão da ação positiva, a tonalidade do som tende para o grave à medida que nos afastamos com a lanterna, indicando que o LDR aumenta de resistência.
Na versão de ação negativa, a tonalidade do som tende para o agudo à medida que nos afastamos, indicando também um aumento da resistência do LDR.
Conforme o ajuste do potenciômetro P1 podem ser obtidos nas duas versões pontos em que o som para completamente. Este ajuste depende também da iluminação ambiente.
2. Alarme experimental
Para esta configuração usamos uma lâmpada incandescente comum de 40 ou 60 W montada conforme mostra a figura 11.
Ajusta-se o potenciômetro P1 na segunda versão (ação negativa) para que tenhamos o limiar da oscilação, ou seja, colocamos o ajuste no ponto em que quase começa a haver som.
A passagem de uma pessoa entre a lâmpada e o LDR faz o circuito disparar emitindo som.
Lista de Material
Q1 - 2N2646 - transistor unijunção
Q2 - BD135 - transistor NPN de potência (ou equivalente)
LDR - Foto resistor LDR comum
PI – 100 k - potenciômetro comum linear ou log
FTE - alto-falante de 5 ou 10 cm x 8 ohms
R1 - 4k7 x 1/8 W - resistor (amarelo, violeta, Vermelho)
R2 – 470 R x 1/8 W - resistor (amarelo, violeta, marrom)
R3 – 100 R x 1/8 W - resistor (marrom, preto, marrom)
C1 – 100 nF ou 0,1uF - capacitor cerâmico ou de poliéster
C2 – 100 uF x 12 V - capacitor eletrolítico
Diversos: suporte para 4 ou 6 pilhas, ponte de terminais, base de montagem, fios, solda, etc.
