Luz noturna automática com relé

Luz noturna automática com relé

Luz Noturna Automática com Relé

Eletrônica Analógica

Professor: Luis Daniel Aluna: Josyane da Silva Sampaio

Introdução3
Objetivo4
Escolha de projeto4
Funcionamento do circuito5
Amplificador Operacional 7417
Transistor BC337-358
Cálculos de funcionamento9
Simulação1
Protoboard13
Lista final de componentes14
Informações adicionais15
Esquemático16
PCB18

Introdução

Em uma fotocélula, a resistência medida entre seus terminais varia de acordo com a quantidade de luz que incide sobre sua área fotossensível, razão pela qual é fácil obter um sinal de corrente de tensão através dela. O amplificador utilizado no circuito é um comparador de tensão, onde na entrada não inversora foi conectado a fotocélula e na entrada inversora foi conectado o potenciômetro.

Enquanto a fotocélula receber uma quantidade de luz suficiente, a tensão que entra no pino 3 do amplificador operacional será baixa comparada com a que entra no pino 2. Nestas condições, a saída do operacional permanecerá baixa. Quando a luz diminui, faz com que a tensão da fotocélula aumente, chegando a ser comparável ou maior à que se apresenta no pino 2 do amplificador, onde a sua saída passa a um nível alto que faz com que ative o relé de saída. Desta forma o potenciômetro é que permite ajustar o nível ou limiar de disparo no qual se ativa o relé.

A saída do amplificador operacional conecta-se à base do transistor (NPN) através do resistores. Quando este recebe um sinal alto em sua base, maior que 0,7V, no caso o valor da tensão de Vbe, põe um nível baixo em seu coletor, de tal forma que a bobina do relé se polariza e forma coreta e seus contatos COM (comum) e NA (Normalmente aberto) se unem, permanecendo assim até que a saída do operacional caia novamente a um nível baixo, neste caso voltam-se a unir os contatos COM (comum) e NF (Normalmente fechado).

Este circuito, ainda que simples, tem múltiplas aplicações, entre elas encontram-se o acendimento de uma lâmpada exterior quando chega a noite que também pode-se utilizar como contador de objetos, os quais passariam diante da fotocélula, fazendo com que o relé produza um sinal útil para outro circuito ou sistema de controle. Todo o conjunto é alimentado com uma fonte de 12Vcc.

A fonte foi feita com um transformador de 18V, e com um regulador de tensão o LM7812, para regular a tensão necessária de 12V.

Objetivo

Obter um circuito que ativa ou desativa um relé dependendo da quantidade de luz que existe no ambiente. Pode ser utilizado para acender uma lâmpada externa a noite.

Escolha de projeto

O projeto escolhido foi o de uma Fotocélula Eletrônica, projeto este encontrado na revista Saber Eletrônica. Segue uma imagem do esquema eletrônico do projeto:

Após testes no protoboard, algumas adaptações tiveram quer ser feitas. Primeiro, a alimentação do Amplificador Operacional foi modificada para +12 e -12Vcc, e não 9Vcc como está no projeto original. Como o 741 é um comparador, o potenciômetro foi para a entrada inversora, e na entrada não inversora coloquei uma resistência de 3.3k, pois o LDR varia entre 2,3K e 12,3K. Em série com o LDR coloquei uma mínima resistência de 22R, só para aumentar um pouco a carga do LDR. Na base do transistor 337 foi colocado duas resistências em paralelo, uma de 10K e outra de 1K. O capacitor de 0,1uF foi utilizado entre a entrada inversora e a entrada não inversora e funciona como filtro passa alta, que atua em alta frequência, evitando assim que o amplificador oscile. O capacitor eletrolítico de 47uF é utilizado a fim de evitar a sensibilidade da saída do amplificador. Em seguida veremos os cálculos para melhor compreensão dos valores adotados.

Funcionamento do circuito

Um LDR terá sua resistência alterada conforme a incidência de luz sobre ele. O amplificador operacional é alimentado com o terra na sua entrada inversora, com o uso do potenciômetro podemos regular a sensibilidade do LDR, porém quando o valor de carga do potenciômetro aumenta a um certo valor onde a tensão na entrada inversora chega a ser maior que a tensão na entrada não inversora que se da pelo divisor de tensão entre a carga do LDR em série com 22R e a carga da resistência de 3.3k, aplica uma tensão negativa na sua saída. Nesta situação o transistor permanece em corte. Com a variação do potenciômetro, diminuindo sua carga, até que a tensão na entrada inversora seja menor que a da entrada não inversora do amplificador operacional, a saída do amplificador terá uma tensão então positiva. A tensão VBE e a corrente de base do transistor são suficientes para fazer o transistor saturar, ligando o relé e acionando a lâmpada. O diodo em anti-paralelo com o relé é denominado de diodo de roda livre. Ele irá prevenir a queima do transistor devido ao pico de tensão em sentido contrário que ocorre quando a bobina do relé é desligada. O capacitor na saída é para evitar que o amplificador não oscile. E o capacitor cerâmico nas entradas do amplificador é um filtro passa alta, para altas frequências. Segue uma imagem do circuito, já com as devidas adaptações:

Amplificador Operacional 741

O amplificador operacional escolhido para o circuito foi o 741. Neste circuito não será necessário o uso de realimentação, pois ele irá apenas trabalhar como uma chave liga-desliga. Segue abaixo uma imagem do componente:

Este CI possui oito pinos, conforme segue:

O divisor de tensão do LDR e da carga de 3.3k será conectado à entrada nãoinversora do 741 (pino 3), e o potenciômetro será conectado à entrada não-inversora (pino 2). A tensão na saída será:

Vout = G*(ENI-EI) Onde: G= ganho ENI= Entrada não inversora

EI= Entrada inversora

Como não há realimentação, o ganho será altíssimo (aproximadamente 100.0). Se houver uma pequena diferença de tensão na entrada não inversora (ou seja, se a tensão na entrada não inversora for maior que a da entrada inversora), o amplificador operacional irá saturar, e a tensão de saída será praticamente a tensão de alimentação quando este estiver saturado.

O amplificador operacional não tem capacidade fornecer corrente suficiente na saída para acionar o relé, então foi preciso utilizar um transistor, que fará o chaveamento do relé.

Transistor BC337-25

O transistor escolhido para o projeto foi o BC337-25. Ele irá permitir que haja corrente suficiente para o relé comutar. Este transistor é um NPN, com encapsulamento TO-92, permite uma tensão VCE máxima de 30V e uma corrente IC máxima de 500mA em operação contínua. Tem um β entre 160 e 400, uma queda de tensão VCE(sat) de 0,7V para uma corrente IC de 500 mA e IB de 50 mA, e uma queda de tensão VBE(on) de 1,2V para um VCE de 1,0V e IC de 500mA.

Cálculos de funcionamento

A carga do LDR varia de acordo com a luz, em luz ambiente (florescente) sua resistência tem o valor aproximado de 2,3k e totalmente na sombra sua resistência é aproximadamente de 12,3k.

Então foram feitos cálculos para dois tipos de ambientes. O ambiente claro (luz ambiente) e o ambiente escuro (sombra).

Entrada não inversora: Ambiente claro: Carga do LDR = 2,3k

Ambiente escuro: Carga LDR = 12,3 Pino 3: VENI= 12V*[(12,3k)/(12,3k+3,3k) VENI= 9,46V

Entrada inversora: O potenciômetro é de 50k.Utilizando o potenciômetro em 50%, temos 25K. VEI= 12V*[(25k)/(25k+25k)] VEI=6V

No ambiente claro, a tensão de saída do amplificador será: Vout=G*(ENI-EI) Vout = 100000(4,93V-6V) Vout = -107000

No ambiente escuro, a tensão de saída do amplificador será: Vout = G*(ENI-EI) Vout = 100000*(9,46V-6V) Vout = 346000

Como o amplificador é alimentado com no máximo 12V, ele manda 12V na saída. Sendo assim, o transistor vai polarizar e saturar, pois Vth>0.7V. Irá passar corrente pelo relé e este será acionado.

Calculo do transistor BC337

Ambiente claro: O transistor não polariza, pois a tensão da saída do amplificador é menor que a tensão Vbe.

Ambiente escuro: Vth= 12V*[(1k)/(1k+10k)] Vth= 1,09V Rth= (10k+1k)/(10kx1k) Rth= 1k

Corrente de base do transistor -Vth +Ib*Rth + Vbe = 0

Ib = 0,39mA ou Ib = 390uA

Corrente de coletor do transistor saturado ( operando como chave) Considerando a resistência do relé = 100R Rrl= resistência do relé Ic = (Vcc-Ie)/ Rrl Ic = (12V – 0V)/100 Ic = 0,12A ou Ic = 120mA Corrente do coletor do transistor com B = 300 Ic = B*Ib Ic = 300 * 0,39mA Ic = 117mA

Como a corrente de coletor com o valor de B=300 é aproximadamente a corrente de acionamento do relé, o relé irá acionar.

Simulação

Foi utilizado o programa Proteus 7.0 para fazer a simulação do circuito. O diodo escolhido foi o 1N4007. 1) Nesta primeira simulação o potenciômetro está a 62%, e o LDR está com um pouco de luz sobre ele. O relé permanece desligado, pois a tensão na entrada inversora é maior do que na não-inversora.

2) Já nesta segunda simulação, simulando um valor do LDR com o mesmo valor ( incidência de luz 40.1), porém com o potenciômetro com uma carga menor, agora com 61%. A tensão na entrada não inversora é maior que na entrada inversora. O relé liga e a lâmpada acende.

13 Simulação no Protoboard:

Lista Final de componentes

Fonte: 1 Fusível de 300mA 1 Transformador 1 LM7812 (regulador de tensão) 4 Diodos 1N4007 1 Capacitor eletrolítico 2200uF/25V 2 fios: fase e neutro

Luz noturna automática com relé: 1 Fusível de 300mA

1 Resistor de 22R 3 Resistores de 2.2k para conseguir a carga de 3.3k

1 Resistor de 10k 1 Resistor de 1k 1 Diodo 1N4007 1 Transistor BC337-25 1 LDR 1 Capacitor cerâmico 0.1uF 1 Capacitor eletrolítico 47uF Potenciômetro de 50k Relé de 6V 1 Luz incandescente 60W

Informações Adicionais

É um componente eletrônico que faz parte do grupo dos transdutores, os quais têm como função converter alguma variável física em um sinal elétrico ou vice-versa. As fotocélulas em particular, são um dispositivo semicondutor de dois terminais cuja resistência varia com a intensidade da luz que incide sobre eles. Quanto maior a quantidade de luz, menor é a resistência que apresenta. Entre os materiais mais usados para fabricar fotocélulas encontram-se o Sulfuro (corpo que resulta da combinação de enxofre com metal ou algum metalóide) de Cádmio (CdS) e o Selenuro (corpo resultante da combinação de selênio com um radical simples ou composto) de Cádmio (CdSe).

Esquemático Esquemático feito no Altium, do circuito LDR:

Esquemático feito no Altium da fonte: Esquemático feito no Eagle, do circuito LDR:

Esquemático feito no Eagle da fonte: PCB

PCB feito no Altium: PCB feito no Eagle:

Fotos

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