Iluminação automática de emergência inteligente (ART392)

Sistemas que acionam uma lâmpada comum de baixa tensão ou uma lâmpada fluorescente quando o fornecimento de energia elétrica convencional é interrompido podem ser montados com certa facilidade e nós mesmos já descrevemos diversos destes projetos. No entanto, um sistema mais complexo e mais inteligente pode ser interessante em certas aplicações: acender o sistema de iluminação somente quando estiver escuro é um caso. O circuito que descrevemos faz justamente isso, pois além do sistema que mantém a bateria em carga constante, do inversor para lâmpada fluorescente ele conta também com um sensor que só ativa o inversor se o ambiente estiver escuro.

Não pode ser considerado muito inteligente um sistema de iluminação de emergência que aciona lâmpadas em caso do corte de energia durante o dia, quando o local em que ele está instalado se encontra iluminado pela luz natural.

No entanto, isto é o que a maioria dos sistemas de iluminação faz, devendo ser ativados somente durante à noite e com isso correndo-se o risco de um esquecimento que pode acontecer justamente no dia em que faltar energia...

O sistema de iluminação de emergência que descrevemos procura contornar este problema com um sensor que detecta se o ambiente está iluminado por luz natural no momento do corte ou então se é noite e por isso o local precisa de iluminação de qualquer maneira no caso de um corte da energia.

Alguns recursos adicionais poderão ser acrescentados como por exemplo uma entrada lógica que pode ser ligada a um interruptor de luz duplo que vai acionar o circuito somente se o local em que ele for instalado estiver previamente com a luz acesa (indicando a presença de pessoas) caso a energia seja cortada.

Acionamento "inteligente" do sistema para ambientes especiais.

O circuito, se bem que simples, é bastante eficiente no sentido de que mantém a bateria em carga constante, rearma automaticamente quando a energia volta e utiliza um inversor de bom rendimento para alimentar a lâmpada fluorescente o que significa uma autonomia de várias horas para uma bateria comum de carro.

Algumas alterações na etapa de saída do inversor permitem usar lâmpadas de baixa tensão de 12V para uma autonomia maior ou mais economia ou mesmo um conjunto de pilhas recarregáveis de Nicad.

CARACTERÍSTICAS

* Tensão de entrada: 110/220 VCA

* Tensão do sistema de iluminação de emergência: 12 V

* Autonomia: 4 a 6 horas (depende da bateria e das lâmpadas)

* Corrente de carga da bateria: 200 mA (tip)

* Consumo do aparelho: 10W (tip)

COMO FUNCIONA

Na figura 2 damos um diagrama de blocos do aparelho através do qual ficará mais fácil analisarmos seu princípio de funcionamento.

Diagrama de blocos do aparelho.

O primeiro bloco representa a fonte de alimentação que reduz a tensão da rede de energia de 110V ou 220V para 12+12V através de um transformador comum com uma corrente de secundário de 300 mA ou pouco mais.

Esta fonte fornece duas tensões contínuas que são obtidas pela retificação dos diodos D1 e D2.

Estas duas tensões são usadas nos dois blocos seguintes do aparelho.

A primeira tensão, da ordem de 12 V é usada para manter em excitação um relé comutador que vai atuar sobre o circuito no momento do corte de energia. A segunda tensão, da ordem de 24 V serve para manter a bateria em carga constante, enquanto houver energia disponível na rede de energia.

A corrente de carga da bateria é determinada basicamente pelo resistor R1 que pode ter seu valor alterado em função do seu tipo. Uma bateria que exija uma carga menor pode exigir um resistor de maior valor como, por exemplo, 220 ? ou mesmo 330 ?.

Quando a energia da rede é cortada, o relé deixa de receber alimentação e comuta. Nestas condições a bateria que recebia alimentação do setor de carga, passa a fornecer alimentação de 12 V ao bloco seguinte que é o inversor.

O inversor tem como oscilador uma porta das 4 disponíveis no circuito integrado 4093 e cuja frequência é determinada por R3 e C3. Estes componentes poderão, eventualmente, ser alterado em função das características do transformador no sentido de se obter maior rendimento.

Este oscilador, entretanto, é do tipo gatilhado e o circuito de gatilhamento é formado por um trimpot de ajuste, um resistor (R2) e um sensor de luz que consiste num LDR comum.

Quando o pino 1 do circuito integrado se encontra no nível baixo, o oscilador é inibido e sua saída se mantém no nível alto.

Quando o pino 1 do circuito integrado vai ao nível alto, o oscilador entra em funcionamento e na sua saída aparece um sinal retangular cuja frequência estará entre 200 e 2 000 Hz.

Formas de onda no circuito sem energia na rede.

Ora, o nível lógico do pino 1 é determinado pelo grau de iluminação do LDR. Assim, quando o LDR se encontra iluminado, o oscilador se mantém inibido, o que quer dizer que o inversor não funciona com luz.

Por outro lado, se o LDR estiver no escuro, sua alta resistência faz com que a tensão no pino 1 se eleve, o que será interpretado como nível alto liberando o oscilador do inversor caso ocorra um corte de energia e ele seja alimentado.

O ajuste da sensibilidade do sensor (LDR) será feito pelo trimpot P1 e esse LDR será posicionado de acordo com o comportamento desejado para o aparelho.

O sinal do oscilador, que pode ou não funcionar com o corte de energia, conforme vimos, é amplificado digitalmente pelas outras três portas que funcionam como buffers-inversores.

Estas portas também garantem que em caso de alimentação do inversor com a presença de luz a base do transistor do bloco seguinte fique no nível baixo, mantendo-o no corte e, portanto sem consumo de energia.

O sinal retangular das portas no caso em que o oscilador entre em ação, é aplicado a base de um transistor de potência que tem como carga em seu coletor um transformador elevador de tensão.

Na verdade, trata-se de um transformador comum de alimentação que opera invertido, ou seja, usamos como entrada o enrolamento de baixa tensão e como saída o de alta tensão de 220 V onde ligamos a lâmpada fluorescente.

Desta forma, os sinais de aproximadamente 12 V de amplitude amplificados pelo transistor e jogados no transformador aparece com picos de mais de 200V na lâmpada fluorescente o que é suficiente para acendê-la com bom rendimento.

É interessante observar que, neste ponto do circuito, havendo uma tensão de pico maior do que a da própria rede de energia, até mesmo lâmpadas fracas que já não podem ser usadas de modo normal acenderão bem neste circuito e poderão ser usadas por um bom tempo ainda.

Neste ponto do circuito temos algumas possibilidades de introduzir variações.

Uma delas consiste no uso de um FET de potência em lugar do transistor bipolar comum, com melhor rendimento na conversão de energia.

Os FETs de potência tem menor resistência entre dreno e fonte quando conduzem do que um transistor bipolar entre o coletor e o emissor e por isso podem aplicar maior potência à carga que é o transformador.

A utilização do FET de potência, como o IRF630 é simples e é mostrada na figura 4.

Usando um FET de potência

Outra possibilidade consiste no uso de lâmpadas comuns de 12 V em lugar de uma fluorescente. Neste caso, não precisamos de oscilador controlado e as portas funcionam como simples comutador, com a alteração mostrada na figura 5.

Alterações para usar lâmpadas comuns de 12 V.

O número de lâmpadas alimentadas neste caso, depende de sua corrente. Um limite de aproximadamente 2 ampères é o indicado para o TIP31 o que significa 10 lâmpadas de 200 mA ou 4 lâmpadas de 500 mA.

Montadas em pequenos refletores essas lâmpadas de lanterna podem concentrar bastante luz nos pontos mais críticos.

MONTAGEM

Na figura 6 temos o diagrama completo da versão básica do sistema de iluminação de emergência.

Diagrama completo do sistema de iluminação de emergência.

A placa de circuito impresso para realização desta montagem é mostrada na figura 7.

Placa de circuito impresso do sistema.

O transformador T1, que fica fora da placa e é fixado na caixa, tem enrolamento primário de 110V ou 220V, conforme a rede de energia local e secundário de 12+12V com uma corrente na faixa de 300 mA a 1 ampère.

A bateria, que também fica fora da caixa determinará basicamente o seu tamanho.

Uma possibilidade de variação de menor espaço ocupado consiste em se utilizar 6 pilhas de Nicad grandes. A lâmpada fluorescente deverá ser um pouco menor, entre 2 e 10 watts, servindo o aparelho para ambientes menores, como por exemplo ambientes domésticos. Neste caso, o resistor R1 deve ser aumentado para 470 ? x 2 watts, para manter uma corrente de carga menor.

Os diodos admitem equivalentes e o capacitor C1 deve ter uma tensão de trabalho de pelo menos 25 V. O capacitor C2 é de 16 V e C3 tanto pode ser poliéster como cerâmico.

O resistor R1 é de fio com a dissipação mínima indicada enquanto que os demais resistores são de 1/8W com 5% ou mais de tolerância.

Para o circuito integrado será interessante usar um soquete o que garante maior segurança à montagem.

O transformador T2 tem enrolamento primário de 110/220 V ou só 220 V, e secundário de 6+6V com corrente na faixa de 300 a 500 mA.

O transistor Q1 admite equivalentes como, por exemplo, o TIP41C e até mesmo um FET de potência conforme indicação dada no texto. No entanto, em qualquer caso, este componente deve ser dotado de um radiador de calor com as dimensões aproximadas indicadas na placa, pois ele tende a aquecer quando em funcionamento.

O LDR pode ser de qualquer tipo redondo comum e pode ficar longe do aparelho, conectado por meio de um cabo que não precisa ser necessariamente blindado. Somente nos casos em que o comprimento for muito grande e ocorrer captação de ruídos que gerem o disparo aleatório do oscilador na falta de energia com o sensor claro é que pode ser necessário usar fio blindado.

A lâmpada fluorescente pode ser de qualquer tipo ou forma com potências na faixa de 5 a 15 watts, inclusive aquelas que já estejam enfraquecidas e que não funcionem na rede de energia em aplicações normais de iluminação, por motivos que já explicamos anteriormente.

Na figura 8 damos uma idéia de como o aparelho deve ser instalado em condições normais de uso.

O sensor não deve receber iluminação da fluorescente X1.

Se a lâmpada fluorescente vai ficar longe do inversor, os fios devem ser bem isolados, pois a alta tensão que a alimenta pode causar choques bastante desagradáveis.

PROVA E USO

Para provar, o procedimento é simples: depois de colocar a bateria no circuito verificando se está carregada, conecte o aparelho à rede de energia e conecte a lâmpada fluorescente em seu suporte.

Inicialmente o relé deve estar atracado, a lâmpada fluorescente apagada e a lâmpada neon acesa.

Desligando a alimentação do aparelho da rede de energia, o relé deve desarmar e se P1 estiver na posição de máxima resistência com o LDR coberto, o inversor deve entrar em funcionamento, acendendo a lâmpada fluorescente.

Descubra o LDR deixando incidir luz ambiente neste sensor e ajuste P1 de modo a deixá-lo no limiar do acionamento do inversor.

Comprovado o funcionamento e feito este ajuste preliminar, instale o aparelho. Coloque o LDR num tubinho se desejar um acionamento mais seletivo, de modo que a própria lâmpada acionada não realimente o circuito e faça novo ajuste de P1 de acordo com as condições que desejar para o disparo.