Circuito sensor de som Introdução Para a prática proposta, buscando sempre auxílio no conhecimento de trabalhos anteriores e integrando um pouco com as necessidades e tecnologias atuais, devemos projetar um sistema de controle que consiste em um interruptor eletrônico, o qual deve ser capaz de ligar e desligar um circuito qualquer apenas com o Bater as Palmas da Mãos ou um Estalar de Dedos. Seu principio de funcionamento se baseia na utilização de um simples microfone, capaz de gerar um sinal muito intenso devido à alta freqüência e a intensidade do som propagado pelo Bater as Palmas ou Estalar os Dedos. Esse sinal deve ser interpretado por um circuito como um pulso de entrada que está ligado a um flip-flop, o qual será responsável por ligar ou desligar o interruptor do sistema. O desenvolvimento do projeto segue abaixo. Desenvolvimento Para apresentar o projeto, iremos dividir sua apresentação em partes: 1. Captação do som e filtragem Para captar o sinal sonoro, usaremos como entrada para o circuito um microfone de eletreto. Seu diagrama esquemático é mostrado abaixo: Figura 01: Entrada do circuito, com captação do som. O microfone capta a vibração do ar provocado pelo som, transformando essa vibração mecânica em impulsos elétricos, produzindo ondas de mesma freqüência do som que o gerou. Ele está ligado em série com o resistor de 10k ohm para limitar a corrente que passa pelo microfone. É necessário também observar a polaridade do microfone. 1
Em seguida, o sinal gerado passa por um filtro que elimina a componente contínua do sinal (devido à tensão dc de 5V) e atenua parte da freqüência da fala, já que somente é desejável que o circuito seja acionado por ruídos muito intensos. Dessa forma, um capacitor de 200 nf já é suficiente para filtrar a componente contínua. 2. Amplificação do sinal e pull-up O som produzido por palmas gera sinais elétricos de amplitudes muito baixas no microfone de eletreto. Esses sinais precisam ser amplificados e nesse projeto se decidiu por um ganho de 330. Figura 02: Estágios de amplificação Observe que o nosso amplificador é inversor, desta forma o sinal entra no terminal inversor do amplificador. Logo, para uma resistência de 330k ohm na realimentação, teremos aproximadamente um ganho de 330. Novamente, ao capturarmos o sinal no final do estagio de amplificação, teremos agora uma tensão de pico equivalente a cerca de 4V a 5 V. Essa tensão de saída do comparador vai ativar um temporizador, que será explicado a seguir. Para garantir um disparo sem interferencia no trigger do nosso temporizador, conectamos um filtro de 680 nf e uma resistência de pull-up de 10k ohm. Figura 03: Filtro 2
3. Temporização O circuito do temporizador foi montado com um LM 555 configurado como um monoestável, já utilizado em práticas anteriores. Seu funcionamento permite elevar a tensão em sua saída para o valor da alimentação e mantê-la assim por um determinado período sempre que um pulso surgir na sua entrada de disparo (trigger). Nesse caso, a tensão de alimentação será de 5V, já que a alimentação do circuito é de 5V. Na saída do 555 teremos um flip-flop que será responsável por gripar o circuito em níveis lógicos 1 e 0, possibilitando ligar ou desligar o LED. Na entrada do trigger do 555 foi conectada a saída do amplificador. Dessa forma, sempre que o microfone gerar um sinal elétrico capaz de disparar o 555, a saída permanecera por um período de tempo satisfatório ativada. Para que essa constante de tempo seja alcançada devemos calcular seus parâmetros de acordo com a fórmula apresentada abaixo: T = 1,1 CR Desejamos um tempo de aproximadamente 8ms e escolhemos arbitrariamente um capacitor de 680 nf, temos que R deve ser igual a 10,7kohm. Considerando esse valor, usaremos o valor comercial mais próximo e mais comum, que é 10k ohm. Logo, o novo valor para o tempo será de 7,48 ms. Figura 04: Circuito temporizador com CI LM555 Na saída do monoestável, conectamos mais um filtro de altas freqüência, o capacitor de 100 nf, e também implementamos um pull-down (resistor de 10k ohm ), buscando evitar que clocks indesejados apareçam no flip-flop. 3
Figura 05: Filtro 4. Acionamento Para alternar o estado do LED que será acionado pelas palmas usaremos um flip-flop tipo D, encapsulado no CI 4013. Esse flip-flop, com clock sensível a borda de subida, muda seu estado de saída para o mesmo estado que estiver na entrada D quando um pulso de clock for emitido ao circuito. Nesse projeto, o pulso de clock será a saída do temporizador 555. Para garantir que o circuito irá alternar seus estados a cada pulso de clock, ligaremos o flip-flop como flip-flop tipo T (toogle), onde conectamos a saída Q diretamente a entrada D. Assim, sempre que a saída Q estiver em 0, a saída Q vai estar em 1. Quando um pulso de clock chegar até o circuito, a saída Q muda para 1, a Q para 0 e quando um novo pulso chegar ao clock, a saída Q voltará para 0. O LED será conectado à saída Q desse flip-flop por meio de uma resistência de 470 ohm. A importância dessa resistência é a limitação da corrente que passa pelo LED. É importante ressaltar que o LED será ligado ao flip-flop, ou seja, a corrente por ele drenada será fornecida por esse dispositivo. Nesse caso não tem muito problema porque a corrente é baixa. Mas para a ligação de outros componentes que drenem uma corrente alta se faz necessário um circuito de acionamento um pouco mais completo, com transistor e até relé, para aplicações que envolvem sistemas de potência. Figura 06: Circuito de Acionamento Conclusão 4
Figura 07: Circuito de completo Lista dos componentes utilizados: A placa de circuito impresso utilizada no projeto pode ser de fenolite, baquelite ou fibra de vidro. Referência na placa Componente J1 Microfone de eletreto CI1 TL072 ou LM741 CI2 LM555 CI3 CD4013 C1 Capacitor 220ƞF C2, C4 Capacitor 680ƞF C3 Capacitor 22ƞF C5 Capacitor 100ƞF R1, R4, R5, R6 Resistor 10KΩ-1/8W R2 Resistor 1KΩ-1/8W R3 Resistor 330KΩ-1/8W R7 Resistor 470Ω-1/8W CN1 Borne KRE de 3 terminais CI1, CI2 Soquete de 8 terminais CI3 Soquete de 14 terminais D1 Led de 5mm Placa de circuito impresso de 5cm x 10cm Circuito opcional R7 Q1 Resistor 1KΩ-1/8W Transistor BC547 5
RE1 CN2 Relé 12V/10A Borne KRE de 2 terminais Será ainda necessário para a execução do projeto: Esponja de aço fina; Caneta de Retroprojetor de 2mm (preta); Régua de 20cm básica; Folha de carbono; Broca de 0,8mm para perfuração de placa. Circuito opcional: Esse projeto pode ser considerado um protótipo para uma aplicação mais útil. Uma delas, simples e que pode ser muito usada no dia-a-dia, é o acionamento da iluminação de um determinado ambiente por palmas ou um estalar de dedos. 6
Outras considerações: VDD = 5V a -15V Vss = -5V a -15V terra = 0V Os valores de capacitores não são críticos Pinagem do CI s ou diagrama de conexões dos circuitos integrados: Circuito integrado CD4013B Circuito integrado LM555 Circuito integrado TL072 Circuito integrado LM741 7