Existem momentos na pesquisa científica em que um total de energia envolvida num fenômeno, ou o tempo total de incidência da luz solar num local, precisa ser computado. No entanto, esta operação pode ser dificuldade se estes eventos não ocorrerem de maneira contínua como, por exemplo, a insolação, que pode ser interrompida pela passagem de nuvens. A solução imediata é a cronometragem com monitoria permanente, mas isso exige um automatismo que, dependendo da aplicação, pode ser sofisticado. Neste artigo damos algumas idéias baseadas na monitoração da isolação, mas que podem ser adaptadas.
A quantidade de energia solar que incide numa certa área depende não só da intensidade da luz como também do tempo durante o qual a luz é incidente.
Num caso em que esta intensidade é variável; como sugere a figura 1, a quantidade de energia pode ser calculada integrando-se a curva de variação no intervalo considerado.
Trata-se, pois, da área compreendida entre a curva, as verticais que limitam os tempos e o eixo dos tempos.
Numa pesquisa em agricultura ou biologia pode ser interessante conhecer precisamente a quantidade de energia solar que incide num local durante um certo tempo em que seja realizada alguma experimentação ou observação.
Acionando um cronômetro nos momentos em que a luz do sol incidir de maneira total num local, um dispositivo automático pode totalizar o tempo de iluminação, fornecendo um dado preciso ao pesquisador que não precisa estar presente o dia todo no local para acionamento ou cronometragem manual (figura 2).
Neste artigo falamos de algumas técnicas que permitem totalizar eventos, somando os tempos em que determinadas condições num sensor são satisfeitas ou então, de uma maneira mais avançada, fornecendo até uma totalização por integração.
Para o caso de uma grandeza que varie com o tempo, podemos totalizar o fenômeno de tal forma a obter uma indicação do valor da área sob a curva, conforme mostra a figura 3.
Isso pode ser conseguido através de um conversor analógico-digital acoplado a um circuito registrador, cujo princípio de funcionamento analisamos em pormenores mais adiante.
Se você está ligado a alguma área de pesquisa e precisa, eventualmente, colher dados a partir de sensores, da maneira indicada, este artigo certamente lhe será valioso.
Levado ao laboratório de eletrônica, ele poderá servir de base para o desenvolvimento de equipamentos bastante eficientes no seu trabalho.
MONITOR DE INSOLAÇÃO
A aplicação básica proposta é justamente na obtenção de um tempo total em que um sensor é iluminado diretamente pela luz solar.
Este sensor deve cortar a contagem de tempo durante os intervalos em que tivermos a interrupção da luz pela passagem de nuvens e também ao anoitecer, a partir do instante em que a intensidade de luz cair abaixo de determinado mínimo no crepúsculo.
Este dispositivo pode ser ligado a um cronômetro comum, que dará o tampo total contado a qualquer instante, ou a um digital convencional, em que a base de tempo é obtida da própria rede de alimentação.
Na figura 4 temos a curva de variação da intensidade de luz no sensor e o resultado totalizado pelo circuito.
Para acionamento do contador de tempo podemos usar um circuito simples, com base num LDR, mostrado na figura 5.
Enquanto houver incidência de luz no LDR, o transistor permanece certado, com o relé desatracado.
O circuito contador de tempo será ligado entre os contatos normalmente fechados (A e C).
Com o corte de luz no LDR, o transistor é polarizado no sentido de fazer circular uma corrente pela bobina do relé a qual provoca sua comutação.
O circuito controlado pelos terminais A e C é desligado.
Em P1 podemos ajustar o nível mínimo de luz em que o relé ainda se mantém desenergizado.
O motivo pelo qual optamos pelo acionamento do relé nos intervalos em que não incide luz e não ao contrário pode ser facilmente explicado.
Supondo que durante um ciclo de observação, durante um dia, tenhamos um tempo maior de sol do que de sombra, o relé, que é o dispositivo que consome mais energia, fica menos tempo ativado.
O resultado é que, se o sistema for alimentado por pilhas, sua durabilidade será maior.
Durante a noite ele pode ser desligado manualmente e ligado pouco antes do amanhecer.
A alimentação pode ser feita com tensão de 6 ou 12 V.
Com 12 V pode ser usada bateria de carro, com muito maior autonomia.
Os contatos do relé podem ser usados para controlar um cronômetro ou simplesmente um totalizador de impulsos.
Conhecendo a duração dos impulsos, podemos calcular o tempo total.
Um contador que pode ser usado para esta finalidade é mostrado na figura 6.
Ele pode contar até 999 impulsos.
Se tivermos a utilização de um “clock”, em que cada impulso ocorra com intervalo de 10 segundos, poderemos controlar até 9990 segundos, e se utilizarmos 4 dígitos é possível termos um intervalo controlável de mais de um dia.
Na figura 7 temos a pinagem dos integrados usados.
Os. displays são de catodo comum.
Uma fonte de alimentação de 6 ou 12 V pode ser obtida a partir da rede local, segundo circuito mostrado na figura 8.
Usaremos um transformador com secundário de 9 + 9 V ou 12 +12 V, se a tensão desejada na saída for de 6 V, quando então o integrado regulador será o 7806.
Para urna saída de 12 V, o transformador deve ser de 12 + 12 ou 15 + 15 V e o integrado o 7812.
O secundário do transformador deve ter pelo menos 500 mA de corrente nos dois casos.
Para obter de maneira bem precisa um impulso a cada segundo, ou então um impulso a cada 10 segundos podemos usar a rede de alimentação de 60 Hz como base.
Para isso temos o circuito da figura 9.
O sinal de 60 Hz é retirado do secundário do transformador da fonte (que também pode ser a da figura 8).
Este sinal passa por um disparador NAND, obtendo-se desta forma um sinal retangular compatível CMOS com a freqüência de 60 Hz.
Este sinal é aplicado à entrada de um 4017, ligado como divisor por 6.
Na saída deste integrado obtemos uma freqüência de 10 Hz ou 10 impulsos por segundo.
Aplicando este sinal na entrada de um segundo 4017, que funciona como divisor por 10, temos na saída (pino 12) um sinal retangular cuja freqüência é de 1Hz, ou seja, um impulso por segundo.
Se este valor não for suficiente para a aplicação desejada, podemos repetir esta etapa e assim obter uma freqüência de O01Hz ou 1 impulso a cada 10 segundos.
Este sinal é levado a um driver com um transistor BCS48 que ativa um relé.
O ritmo de fechamento dos contatos deste rele, dependendo da configuração, será de uma vez por segundo ou uma vez a cada 10 segundos.
Este sinal pode, então, ser levado ao contador, mas passando pelos contatos do circuito sensor, conforme mostra a figura 10.
Desta forma, nos intervalos em que o LDR permanece iluminado (iluminação máxima), os impulsos passam em seu ritmo normal, sendo totalizados pelo contador.
Quando a luz é interrompida, o relé muda de estado no sensor, de modo que os impulsos produzidos pela base de tempo não passam, não sendo, pois totalizados.
Observe que este circuito é do tipo “sim ou não”, pois temos o controle dos impulsos produzidos que passam ou não passam.
Se for usado um cronômetro manual ou de acionamento por um simples interruptor do tipo em que pressionando temos o início da contagem e pressionando novamente temos a parada, um circuito especial de ativação deve ser usado.
A finalidade deste circuito é produzir um pulso de comando para início ou fim da contagem quando ocorrer uma transição de nível de luz no sensor.
Como temos dois tipos de transição que devem ser traduzidas em um único tipo, precisamos de um circuito especial que é o mostrado na figura 11.
Conforme observamos pelo diagrama, são usados dois inversores que aplicam seus sinais numa porta Exclusive-OR ou OU-exclusivo que, por sua vez, controla um relé.
A primeira porta responde à transição positiva do sinal de comando que vem do circuito sensor.
Quando o relé do sensor liga e a tensão nos contatos varia de 0 ao máximo (Vcc), este circuito produz um pulso que atuará sobre o relé, e este fechará seus contatos por 1 segundo aproximadamente.
Este é o comando de início de contagem do tampo.
Quando o relé do circuito sensor desliga, a tensão nos contatos variará de máximo (Vcc) para zero, entrando em ação o segundo inversor, que produz um pulso de comando: é a parada da contagem
Para a totalização de sinais que variam de intensidade podemos trabalhar com um circuito um pouco diferente.
A idéia básica é mostrada na figura 12.
Em lugar de usarmos um gerador de impulsos que tenha uma freqüência, trabalharemos com um conversor analógico-digital como, por exemplo, um VCO (oscilador controlador por tensão).
Neste caso, conforme mostra a figura 13, a freqüência do sinal de saída e, portanto, a velocidade dos pulsos dependerão do grau de iluminação do sensor.
O resultado será que o valor totalizado de impulsos, com o circuito excitando também um divisor, será numericamente correspondente à área do gráfico que representa a variação da grandeza monitorada como, por exemplo, a quantidade de luz que incide no LDR (figura 14).
Com um circuito bastante linear, como o mostrado na figura 13, os resultados obtidos terão excelente precisão e a totalização será totalmente automática.
Numa pesquisa sobre insolação, por exemplo, teremos o “retrato“ da quantidade média de luz que incide num determinado local com boa precisão.
Na figura 15 temos um gráfico em 14 que damos os diversos valores de capacitores e resistores, em função da freqüência do sinal que pode ser gerado.
A alimentação do circuito pode ser feita com tensões entre 3 e 15 V e os resistores R1 e R2 determinam os limites da faixa de tensão de operação em que o oscilador trabalhará.
O resistor R1 deve ser sempre usado, enquanto que R2 é opcional.
Uma característica importante deste circuito está no fato da freqüência poder variar numa proporção de 100/1 até 1000/1 com facilidade.
A faixa coberta pelo circuito depende da relação entre R2 e R1.
Por exemplo, se R2 é duas vezes maior que R1, e no circuito original a freqüência varia de 0 a 10 kHz, com a adição de R2 a faixa se desloca para valores entre 5 e 15 kHz.
TOTALIZADORES COMERCIAIS
O projeto de sistemas de controle e pesquisa com base no que vimos pode ser consideravelmente simplificado com a utilização de totalizadores e contadores de impulsos comerciais.
Para esta finalidade podemos tomar como base os totalizadores e contadores da diversas empresas, apresentados em diversas versões.
Dentro da categoria eletromecânica, temos como exemplo modelos de 7 dígitos com precisão que permite a indicação de 1/100 de hora.
Basicamente estes dispositivos consistem num motor de corrente alternada (que pode ser acionado facilmente pelos relés dos controladores descritos), que acionam um sistema de engrenagens redutoras para movimentação de tambores onde estão gravados os dígitos da contagem do tempo.
A utilização de motores sincronizados pela freqüência da rede de alimentação torna estes dispositivos bastante precisos para a totalização de horas.
Na categoria dos eletrônicos, temos modelos com circuitos integrados CMOS e mostrador de cristal líquido.
Estes dispositivos podem ser alimentados pela rede local mas também são apresentados em versão a quartzo, com bateria de lítio e autonomia de 8 anos, que permite sua utilização em pesquisa de campo onde a alimentação vem de bateria.
Estes dispositivos tanto podem ser acionados por tensão como pela ação de contatos secos, o que facilita muito sua aplicação nos projetos propostos.
Para totalização de eventos que não estejam ligados a tempo como, por exemplo, os obtidos através de um conversor analógico-digital lento, podemos usar contadores de impulso.
Um contador típico possui 8 dígitos em mostrador de cristal líquido com baixíssimo consumo.
