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Olá ! No tutorial de hoje projetaremos uma luz noturna automática com tempo de desligamento programado. Se você é uma das pessoas que acaba esquecendo de desligar a luz do quintal ou da varanda antes de dormir, assim como o autor deste post, e quer evitar broncas dos pais e ainda por cima contribuir com o uso consciente dos recursos disponíveis, então, você está no lugar certo ! Para isso, usamos o contador Johnson CD4017.

Este hardware é capaz de acionar uma ou mais lâmpadas após o anoitecer e ficando ativo por tempo pré-definido. Assim, mesmo que você acabe esquecendo de apagar a luz, ela irá desativar após X horas.

Logo, convido a todos os inventores e projetistas makers para desenvolver juntos essa tecnologia ! Mas, nada de preocupação, pois o circuito não tem nada de outro mundo 😆. Contaremos com ilustrações gif, fotos, esquemáticos e vídeo para que você saia daqui entusiasmado ! Então, vamos lá ?

Por onde começar ?

De início, necessitamos de um circuito que nos forneça uma base de tempo para nosso projeto. Sendo assim, recorreremos a um dos circuitos integrados mais conhecidos, ou até mesmo o mais conhecido, o LM555 ! Por sua vez, este pequeno circuito integrado de 8 terminais irá funcionar como um oscilador astável. Assim, teremos uma temporização precisa e confiável para esta aplicação.

Mas, para temporizações muito longas, sua utilização ficará restrita e teremos que ajustar o circuito. Então, usaremos de um recurso extra: adicionaremos um circuito contador de década johnson CD4017. Desta forma, poderemos utilizar o LM555 para menores espaços de tempo e com o 4017 poderemos multiplicar esse intervalo em várias vezes.

Lista de materiais

Conhecendo nossos amigos integrados

LM555

Este circuito integrado já acumula muitas histórias em sua carreira, sendo utilizado em diversas aplicações. Mas não é para menos, já que está na ativa desde a sua criação, em 1970.Em nossa montagem usamos o 555 no modo astável. Sendo assim, ele atuará como oscilador enquanto estiver ativo.

CD4017

Nosso amigo 4017 atua como um circuito contador. Ou seja, faz as contagem de pulsos recebido em seu terminal CLOCK (14) e muda o estado de suas saídas conforme esta contagem. Resumindo: suas saídas mudam para nível alto progressivamente e individualmente conforme a contagem de pulsos na porta 14 aumenta.

LM358

Este simpático e útil componente já nos foi apresentado em uma postagem anterior, na qual exerceu a mesma função: como comparador de tensão. Caso queira saber mais como funciona um, clique neste link. Nele, você encontrará trechos com algumas informações sobre esta funcionalidade.

Apresentando o circuito proposto

Feitas as devidas apresentações dos principais participantes do projeto, agora veremos como os mesmos trabalham entre si. Deste modo, para facilitar, disponho um esquema em blocos funcionais:

Figura mostrando o esquema de funcionalidades em forma de blocos.
Figura 1: Esquema de blocos funcionais do circuito.

É possível ver na figura 1 que o controle de luminosidade faz o chaveamento da alimentação dos outros dois circuitos. Sendo assim, o 555 e CD4017 somente são acionados após o anoitecer. O circuito integrado CD4017, por sua vez, é o responsável por acionar o relé pelo intervalo de tempo correto, com auxílio do 555.

Na figura 2, a seguir, você poderá ver o circuito eletrônico completo e circulado em vermelho estão os circuito correspondentes aos blocos funcionais da figura 1.

Ilustração do esquema eletrônico completo dividido es três blocos funcionais
Figura 2: Circuito completo demarcado em blocos funcionais.
  • 1: sensor de luminosidade
  • 2: clock
  • 3: contador de pulsos – também conhecido como divisor de pulsos ou prescaler

De início, parece um circuito muito carregado de conexões para os iniciantes, mas, partes dele serão explicadas individualmente no decorrer do texto. Então, vamos entender melhor os circuitos que o compõe.

Sensor de luminosidade

Ilustração mostrando o esquema eletrônico do detector de luminosidade.
Figura 3: Circuito responsável por detectar a transição entre dia e noite.
Funcionamento:

Com a diminuição da incidência de luz, o LDR apresenta uma maior resistência, que por sua vez, gera uma tensão crescente na porta inversora do comparador de tensão U1:A. Desta forma, após atingir uma tensão maior que a tensão na porta não-inversora, a saída do comparador irá para nível baixo. Além disso, o resistor R3 atua na realimentação negativa da porta não-inversora, criando uma histerese. Assim, são evitadas oscilações no limiar da transição do comparador. O amplificador operacional U1:B atua como bufer, fazendo o isolamento do circuito, afim de eliminar interferências no ajuste do mesmo. Logo após, um transistor pnp BC558 faz a ativação dos circuitos complementares quando sua base é polarizada.

Circuito de clock

Ilustração do circuito oscilador responsável por gerar a base de tempo do circuito principal
Figura 4: Circuito oscilador 555.

Este circuito, por sua vez, tem como função principal gerar a base de tempo para a contagem de tempo final.

  • Etapa de carga do capacitor: Em um primeiro momento, o capacitor se carrega através do resistor R7. No entanto, o resistor R6 não atua na etapa de carga por conta do diodo que lhe causa um curto momentâneo. Nessa etapa, a saída 3 permanece em nível alto.
  • Descarga do capacitor: Após a carga do capacitor, o mesmo é descarregado através de R6. Nesse intervalo de tempo, a saída se mantém em nível baixo. Então, logo após isto o ciclo é reiniciado.

 

Circuito contador

Ilustração demonstrando o circuito responsável por ativar o relé
Figura 5: Circuito responsável pela etapa de relé.

Este é o circuito que finalmente fará a “comunicação” com o relé, ativando-0 pelo tempo correto. Mas, para compreender como isso acontece, devemos entender algumas coisas básicas:

A porta escolhida para receber nosso sinal de clock foi a porta CLOCK INHIBIT (13). Sendo assim, para que o CD4017 atue como contador, a porta CLOCK (14) deverá estar em nível alto. Note que a porta 14 é levada a nível alto através do transistor BC558.

Deste modo, enquanto a porta Q9 do CD4017 se encontrar em nível baixo, o transistor estará levando a porta 14 a nível alto. Logo, a contagem de pulsos estará ocorrendo, ou seja, a temporização estará acontecendo. Nesse intervalo de tempo, o relé estará acionado, ativando a luz noturna.

No momento em que a contagem prosseguir e a porta Q9 for levada a nível alto, o transistor deixará de conduzir e a porta 14 assumirá nível baixo devido ao resistor de pull down, encerando a contagem de tempo. Tão logo, o relé é desativado.

Circuito parcial em funcionamento

Para que você visualize melhor o que ocorre, veja a ilustração a seguir.

Imagem gif mostrando o contador Johnson CD4017 controlando a ativação do relé.
Gif 1: Contador Johnson CD4017 atuando na ativação do relé.

Observe que o estado das saídas do CD4017 se altera quando o sinal de entrada vai de nível alto para nível baixo (quando o led na entrada apaga). Caso a porta 13 (CLOCK) fosse selecionada para receber a frequência de clock, a porta 14 (CLOCK INHIBIT) deveria estar em nível baixo e a transição nas saídas ocorreria na mudança de nível baixo para nível alto na entrada.

Após o relé ter sido desativado, o mesmo somente poderá ser reativado após a reinicialização do CD4017. Sendo assim, somente após passado o período do dia e, novamente anoitecido, o relé poderá ser ativado novamente.

Agora, vamos entender como é feita a reinicialização do contador CD4017.

Reset do CD4017

Como foi descrito na explicação da figura 1, os circuitos 555 e 4017 são desligados durante o dia e religados somente com a chegada da noite. O reset do 4017 ocorre no momento em que o mesmo é ligado. Então, veja mais uma ilustração.

Ilustração do circuito usado para resetar o CD4017
Figura 6: Circuito “Power on Reset” associado ao contador CD4017.

Veja que ao conectar o capacitor à alimentação, o mesmo funciona como um curto-circuito por um breve intervalo de tempo, levando o terminal 15 a 0V. Em seguida, a tensão retorna ao valor de Vcc. Esse comportamento da tensão no terminal 15 é ilustrado no gráfico ao lado. Assim, o circuito é resetado e a contém de pulsos de clock é reiniciada.

Como ajustar os valores de tempo do circuito ?

Esta é uma boa pergunta. Por sua vez, a resposta também é simples.

Note no Gif 1 que 9 leds são ativados antes que o relé desarme. Logo, o circuito irá multiplicar o clock em 9 vezes antes de desativar a sua carga. Logo, divida o intervalo de tempo que você necessita por 9. Em seguida, determine a quantidade de segundos desse intervalo de tempo. Feito isto, Calcule o valor do capacitor e dos resistores necessários para esta temporização usando a equação:

T = 0,693 * 2 * R * C (equação 1)

Os resistores R6 e R7 na figura 4 devem ser iguais, para que o duty cycle seja aproximadamente 50%.

Para exemplificar, vamos supor que desejamos deixar nossa lâmpada noturna acesa por 5 horas. Logo, teremos 5 horas * 60 (minutos/h)  = 300 minutos. Sendo assim, precisaremos temporizar apenas 1/9 disso usando o 555. Então, 300 minutos / 9 = 33,3 minutos. Em seguida, converteremos para segundos:

33,3 minutos * 60 (segundos/min) = 2000 segundos.

Escolhendo um capacitor de 1000uF, necessitamos calcular apenas R da equação 1:

R = 2000 segundos/(0,693*2*0,001Farad) =  1400k (aproximado).

Resultados

A seguir, confira a montagem do projeto na protoboard. Caso você possua técnicas especiais para obter um resultado final mais bonito na montagem, conte o segredo nos comentários ! (rsrs)

Arquivos para download

Como de costume, disponibilizo os arquivos do Proteus para que você possa montar sua PCB.

Botton Copper Top Silk

Top Silk

Lista_de_materiais

Sua montagem final deverá ter este aspecto:

Figura ilustrando a aparência final da placa PCB depois de pronta.
Figura 7: Aspecto final da PCB pronta.

Para uma montagem mais segura, utilize uma caixa para colocar sua PCB dentro, assim como esta. Afinal, não devemos esquecer da segurança quando trabalhamos com a ativação de uma carga de alta tensão.

Então, gostaram da postagem de hoje ? Deixe sua avaliação !

 

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