Instituto Federal Sul Rio-GrandenseCurso de EletrônicaDisciplina: Eletrônica Geral IIProfessor: Sylvio Coelho

Relatório de ProjetoTomada com Controle Remoto IR

Nomes: Gustavo Fernandes, Luis EslabãoTurma: 4AMi

Pelotas, 14 de Dezembro de 2010

Introdução:

O projeto desenvolvido este semestre consiste em uma tomada com controle remoto infravermelho. A idéia do projeto surgiu da curiosidade de como funcionam as transmissões remotas de dados e da possibilidade de comandar eletrodomésticos à distância. Ao pesquisar na internet percebeu-se que não era algo tão complexo, porém nenhum dos circuitos encontrados funcionou. Portanto tivemos que projetá-lo com base em datasheets e ajuda de colegas e professores. Todas as fontes foram devidamente citadas no diário de projeto.

A tomada com controle remoto desenvolvida tem como principal função diminuir o consumo de energia elétrica, à distância, de aparelhos que não possuem standby. Com um consumo de 0,022 Kw.h (fixos) pode definir qualquer aparelho cuja corrente não ultrapasse 5 A como ligado ou desligado. Suas aplicações vão desde a automação residencial, comando de eletrodomésticos à automação industrial*, comando de máquinas e motores.

O protótipo é formado por dois elementos: Controle (emissor) e Base (receptor).O controle é o dispositivo que envia um feixe infravermelho modulado na faixa de recepção da Base. Ao receber este feixe a Base inverte o seu estado de funcionamento, ligando ou desligando o aparelho conectado à sua saída.

* O relé e os fios condutores devem ser substituídos em função da corrente e tensão de trabalho.

Desenvolvimento:

1-Controle.

O controle consiste em um multivibrador astável modulado em freqüência em relação à Base e um led infravermelho que transforma esta freqüência em onda luminosa O multivibrador foi projetado com base no temporizador CI 555. Ao ligar um capacitor de 100nF do pino 2 a massa, curto circuitar os pinos 2 e 6, ligar um resistor de 6k8 do pino 6 ao pino 7 e deste um resistor de 0,82k ao VCC obtêm-se uma onda quadrada de aproximadamente 1Khz, uma tensão de pico igual a 1/3VCC e uma simetria quase que perfeita em relação ao tamanho dos pulso de nível lógico alto e nível lógico baixo. Desta forma obtêm-se uma onda praticamente idêntica a da freqüência de corte do PLL (Phase Loop Locker) usado na Base. O pino 3 do CI 555 é a saída do circuito.Nele é conectado o circuito emissor de pulsos infravermelhos que consiste em um resistor de 0,15k, que limita a corrente de forma que os pulsos sejam reconhecidos e um led infravermelho que tem a função de transformar em radiação infravermelha os pulsos de corrente que recebe.A freqüência utilizada foi obtida experimentalmente com base na distancia de transmissão.

Abaixo têm-se o diagrama esquemático do circuito emissor, desenhado no simulador de circuitos Multisim da National Instruments:

Uma pilha de 12 V (especial para controles) esta sendo usada para a alimentação do circuito e uma chave de pressão para comandar quando o circuito emitirá o sinal.Para passar o circuito para a placa foi necessário utilizar o programa Eagle, que auxilia no desenho de trilhas estreitas. A placa em que o circuito foi impresso era de 5x5cm, porém para adaptar-se a caixa utilizada como controle a placa foi moldada de forma que ocupasse apenas 3x4cm.Desse modo têm-se proteção para o circuito e suporte para a bateria e chave de pressão.

2-Base:

A Base é constituída por dois circuitos:Receptor e Fonte.

O circuito receptor é responsável por captar, amplificar, filtrar e utilizar o pulso emitido pelo Controle. A fonte tem como funções alimentar o circuito com o menor gasto financeiro, ocupar o mínimo de espaço possível e possibilitar a ligação direta na rede de energia.

2.1 Receptor: O receptor é constituído de um circuito fotossensível, um amplificador, um reconhecedor de tom (PLL), um multivibrador monoestável, um multivibrador biestável, um transistor como chave e um relé.

2.1.1 Circuito Fotossensível: O circuito fotossensível tem como finalidade captar variações de intensidade luminosa bem como perturbações do meio, como é o caso da onda emitida pelo Controle. É constituída por um fototransistor (til78), sua corrente de emissor é proporcional à intensidade luminosa; um resistor de 10k, além de limitar a corrente no ramo do fototransistor sua queda de tensão é proporcional ao sinal recebido e um capacitor cerâmico de 22nF, que se comporta como um filtro passa altas tendo uma resistência muito alta para sinais cuja freqüência sejam abaixo da freqüência de corte. Não foi estabelecida uma freqüência de corte, mas apenas um circuito que rejeitasse os sinais de interferência mais comuns.

2.1.2 Circuito Amplificador. O circuito amplificador tem como finalidade manter o sinal recebido em uma amplitude suficiente para ser reconhecido pelo PLL. Foi usado um AmpOp 741 na configuração Amplificador Inversor. Apesar de o circuito ser conectado à primeira etapa por um capacitor de filtro, o que caracteriza um diferenciador, a freqüência do sinal utilizado (1kHz) esta acima da freqüência de corte(154Hz). Dessa forma o circuito se comporta como amplificador inversor, daí a razão de utilizar resistores altos para o ganho. Os pinos relativos a tensão de offset ficaram desconectados na placa, a entrada não inversora foi conectada ao terra, foi usado um resistor de 220k junto ao capacitor e um resistor de 8M2 como resistor de realimentação.O ganho total dá em torno de 37.A alimentação foi feita por meio de uma fonte simples, a mesma utilizada no resto do circuito.A configuração Inversora foi utilizada pois apresentou maior estabilidade nos testes.

2.1.3 PLL Um circuito reconhecedor de tom PLL (Phase Loop Locker) tem a função de mudar o estado de sua saída quando recebe uma onda idêntica a da sua freqüência de trabalho. O PLL utilizado foi o CI 567. Este CI funciona da seguinte maneira: Dentro do 567 há um oscilador interno que gera uma onda quadrada controlada pelas ligações dos pinos 5 e 6.Esta onda é comparada com a do sinal aplicado a sua entrada (pino 3). Quando a freqüência da onda do sinal de entrada é igual a do oscilador interno sua saída (pino 8) que estava em nível lógico alto passa a estar em nível lógico baixo.Dando um pulso de nível baixo a cada seqüência de 14 pulsos de um sinal igual ao do seu oscilador interno.

Para o correto funcionamento do 567 neste caso, foi necessário ligar capacitores eletrolíticos de 1uF aos seus pinos 1 e 2(informação obtida no datasheet); O pino 3(entrada) foi ligado à saída do AmpOp, assim recebe o sinal já amplificado.O pino 4 vai ao VCC; O resistor de 220k é ligado entre os pinos 5 e 6 e o capacitor (4,7nF) entre o 6 e a massa com a finalidade de controlar a freqüência do oscilador interno; O pino 7 vai à massa; O pino 8 é saída porém para funcionar é necessário por um resistor de pull-up, ligado ao VCC. Desta forma quando o CI este inativo seu nível lógico permanece alto.

2.1.4 Multivibrador Monoestável O uso de um multivibrador monoestável foi necessário devido ao PLL mudar o estado de sua saída a cada 14 ciclos da freqüência de entrada.Com isso o 567 manda cerca de 70 pulsos de clock ao Flip-Flop a cada segundo. Estes 70 pulsos de clock fazem o flip flop mudar o seu estado várias vezes deixando o relé batendo e sem um estado de funcionamento definido.A função do monoestável é simplesmente manter o clock do Flip Flop em um nível lógico fixo, durante um tempo, independente das variações posteriores ao primeiro pulso.Desta forma só é possível obter uma nova subida de borda na saída do monoestável depois que passar o tempo para o qual foi programado. O multivibrador monoestável foi projetado com base no temporizador CI 555.A entrada do circuito (pino 2), ativa em nível lógico baixo, foi conectada ao pino 8 do CI 567 e ao VCC por um resistor (10k) de pull up. Os pinos 6 e 7 foram curto circuitados e conectados a um capacitor de 100uF à massa e um resistor de 10k ao VCC. Este circuito RC é quem comanda o tempo que a saída permanecerá em nível lógico alto após o pulso de entrada. Estes componentes foram calculados para o tempo de 1s. O pino 8 e o pino 4 foram conectados ao VCC e o pino 1 à massa. O pino 3 é a saída do circuito. Sempre que o 555 receber um pulso de nível lógico baixo do 567 levará sua saída ao nível lógico alto por um tempo de 1s. Nesta parte do circuito foi ligado um led indicador. Este tem a função de permanecer aceso enquanto a saída permanece em nível lógico alto, o qual foi ligado à massa por um resistor de 1k.

2.1.5 Multivibrador Biestável

Um multivibrador biestável foi usado devido a necessidade de manter um estado de funcionamento fixo, a menos que receba um estimulo para mudar.O principio de trabalho deste multivibrador é o mesmo de um flip flop T (toogle).Quando sua entrada esta em nível lógico alto a cada pulso de clock inverte o estado de sua saída. Para o projeto do Circuito Biestável foi usado o CI 4013, que possui dois flip flops D independentes. Utilizamos apenas um. No flip flop D a saída principal(Q) mudará para o nível lógico da entrada D a cada pulso de clock. Ligando D em (Q- ) a cada pulso de clock a saída principal inveterará seu estado de funcionamento. Desta forma o flip flop só mudará seu estado quando receber uma subida de borda, oriunda do 555 monostavel.Para o correto funcionamento do circuito foi necessário conectar um resistor de pull down no clock (pino 3). Foi necessário também aterrar os pinos 4, 6, 7 , respectivamente Preset, Clear e VSS(massa). A alimentação é feita pelo pino 14(VDD) e o pino 2 (Q- ) foi conectado ao pino 5( D).

2.1.6 Chaveamento do relé.

Devido as limitações da saída do flip flop em drenar corrente para o chaveamento do relé foi necessário utilizar um transistor NPN na configuração EC (emissor comum) como chave.O circuito foi projetado de forma que o transistor fique na região de Saturação quando receber um nível lógico alto em sua entrada (Base) e no Corte quando receber nível lógico baixo. Para a polarização do transistor utilizou-se um resistor de base de valor 2,2k e um resistor de emissor no valor de 51Ω com dupla função:erradicar as conseqüências das variações do βcc e limitar a corrente de coletor máxima para 40mA.Esta corrente é suficiente para ativar um relé de 5v. Entre o coletor e o VCC é ligado um relé de 5V, cuja corrente de funcionamento é acima de 40 mA. Quando uma corrente de valor próximo a este passa na bobina de um relé gera um campo magnético suficiente para fechar os contatos da chave NA(normalmente aberto). Em paralelo com o relé é ligado um diodo reversamente polarizado (freewheeling) que tem a função de proteger o transistor da corrente originada pela força contra-eletromotriz armazenada em cargas indutivas, neste caso o relé. O comum do relé é ligado à rede e o NA, à entrada para aparelhos externos.A outra entrada é ligada direto à rede.Desta forma quando o transistor estiver na saturação fluirá corrente no relé que fechará os contatos da chave NA e haverá uma diferença de potencial igual a da rede nos terminais de entrada para aparelhos externos.

Abaixo este representado o diagrama esquemático do receptor

Para a montagem do receptor também foi utilizado o programa Eagle que auxiliou em fazer trilhas finas para passar em baixo dos CI´s, além de diminuir o tamanho da placa.A parte do receptor foi montada em uma caixa patola 12x7x4 cm, junto à fonte sem transformador. Foi feito furos na caixa para o fio de entrada, orifícios para os led´s e suporte para entrada de aparelhos.

2.2 Fonte.

A fonte tem como finalidade alimentar o circuito receptor. A tensão de funcionamento de receptor é 6V e a corrente máxima exigida é 60mA. Desta forma o circuito poderia ser perfeitamente alimentado por pilhas. Porém a alimentação por estas apresenta algumas desvantagens como o espaço requerido e o curto tempo de vida útil das mesmas. Sem falar que somando todos os gastos com substituições de pilhas em um mês daria um valor maior do que simplesmente fazer e alimentar uma fonte. A fonte projetada não utiliza transformador. Utiliza a reatância de um capacitor de 1uF/400V para rebaixar a corrente; um par de diodos retificadores(1N4007) para transformar corrente alternada em unidirecional pulsante; e um par de diodos Zeners (15v/5W) para regular a tensão continua em aproximadamente +8V por semiciclo.Para regular a tensão em 6V foi utilizado um CI regulador 7806, com um capacitor de 470uF em paralelo na entrada(pino1), uma ligação à massa no pino 2 e a saída +Vcc no pino 3.Desta forma obtêm-se um fonte de baixo consumo 0,022kw.h e com tensão e corrente suficientes para alimentar o circuito(6V /73mA).

Para a montagem da fonte não foi necessário usar o programa Eagle, as trilhas foram desenhadas a mão com auxílio de uma régua. A fonte foi colocada na mesma caixa do receptor ligada à rede, em paralelo com os fios da carga.

OBS: A fonte do protótipo foi desenvolvida para uma tensão de trabalho de 220v/60Hz. Caso seja necessário utilizá-la em uma rede 50Hz não há problemas, a corrente não aumentará consideravelmente. Porém para trabalhar com uma tensão de 110v é necessária a troca do capacitor de 1uF/400v para 2,2uF/250v, assim a corrente fluirá normalmente no circuito.

Conclusão:

Ao projetar e montar o protótipo conseguimos alcançar o principal objetivo proposto: integrar os conteúdos das disciplinas do curso. O projeto exigiu conhecimentos adquiridos nos semestres já concluídos e conhecimentos não abordados no curso até agora. Desta forma desenvolvemos o senso de pesquisa e experimentação com elementos, que até então eram conhecidos teoricamente ou não conhecidos. Apesar de o circuito desenvolvido apresentar grandes aplicações práticas o mais importante adquirido neste projeto foi o conhecimento teórico e prático. Conseguimos “costurar a colcha”. O projeto foi dado como terminado quando apresentou as características da proposta inicial, porém sempre há algo que se possa melhorar.

Abaixo há uma tabela com as disciplinas envolvidas no projeto:

Multivibrador Astável ------------------------Propagação de Ondas Física IIICircuito Fotossensível Eletricidade IAmplificador Operacional Análise de Circuitos IIPLL ------------------------Multivibrador Monoestável ------------------------Multivibrador Biestável Eletrônica Digital IITransistor como Chave Eletrônica Geral IIRelé, filtro e queda capacitiva Eletricidade II e IIIFonte de Alimentação Eletrônica Geral I