Muitos experimentos interessantes podem ser realizados usando este controle de toque simples para pequenos motores DC. Inicie seu robô ou abra uma janela com um simples toque de seus dedos. Experimentos científicos também podem ser feitos quando uma pessoa ou animal liga um motor usando este controle, e jogos simples para testar as habilidades de seus amigos podem ser construídos usando um motor controlado por toque.
Motores que requerem correntes de até 3 amperes e com tensões entre 3 e 15 volts podem ser controlados por este circuito. Isso significa que quase todos os motores CC pequenos podem ser controlados por este circuito.
Objetivos
• Construa um circuito que possa controlar motores com o toque de seus dedos.
• Mostre como a resistência da pele é suficiente para acionar um circuito.
• Crie rotinas automáticas usando um motor controlado por toque.
• Ensine o conceito de circuito fechado para explicar como funciona o projeto.
Como funciona
O circuito básico usa uma versão monoestável do circuito integrado (IC) 555 para acionar um motor durante um intervalo de temporizador programado. Ao tocar um sensor, a corrente que flui pela pele é suficiente para acionar o circuito e um motor ativando e mantendo o modo de operação durante um intervalo cronometrado determinado por uma rede RC. A rede cronometrada pode ser programada para intervalos que variam de alguns milissegundos a vários minutos.
Como o objetivo é aumentar a sensibilidade do circuito, um transistor é adicionado para fornecer a tensão de disparo ao IC a partir do sensor de toque. Desta forma, correntes tão baixas quanto alguns microampères podem acionar o circuito para ligar o motor, conforme mostrado na Figura 1. A corrente necessária para acionar o circuito vem de um sensor que o controlador deve tocar.
A resistência da pele de uma pessoa depende de vários fatores, incluindo umidade, espessura e quantidade de sal (devido à transpiração). Outro fator que determina a viabilidade da corrente é a trajetória da corrente, conforme mostrado na Figura 2.
A corrente precisa de um caminho fechado para atuar no circuito. Isso significa que eliminar vazamentos de corrente pelas sapatas ou por uma conexão ao terra é importante para aumentar a sensibilidade do circuito.
Quando a pessoa toca o sensor, a corrente que flui pela pele, corpo e terra determina o funcionamento do circuito. Em geral, como essa corrente não envolve mais do que alguns microampères, não é suficiente para causar qualquer sensação de choque ou perigo à pessoa. Apenas um breve toque no sensor é suficiente para acionar o circuito que ativa e mantém o estado ligado no intervalo de tempo programado.
Embora nenhum choque seja causado ao tocar neste sensor, ainda é importante considerar a possibilidade de choque ao trabalhar com eletrônicos. Para estar absolutamente seguro, você deve tomar o seguinte cuidado.
Cuidado! Não alimente o circuito de fontes de alimentação sem transformador ou fontes diretamente conectadas à linha de alimentação CA! Eles não estão isolados do perigo de causar um grave perigo de incêndio.
Uma vez acionado, o circuito permanece ligado devido à configuração do 555 IC no modo monoestável. Neste modo, quando a entrada (pino 2) é aterrada por um instante, a saída do circuito (pino 3) vai para o nível lógico alto. Isso significa que uma tensão próxima à tensão da fonte de alimentação pode ser fornecida por este pino.
A saída permanece no estado ligado por um intervalo de tempo determinado pelo capacitor C2, e o valor da resistência é ajustado por P1 e R4. Considerando R (o valor da resistência ajustada), o intervalo de tempo em que a saída permanece ligada pode ser calculado pela seguinte fórmula:
t = 1,1 X R X C
Onde:
t = o intervalo de tempo em segundos
R = a resistência em ohms (R4 + P1)
C = a capacitância em farads (C2)
A saída do 555 IC pode fornecer cerca de 200 mA, mas não é recomendado acoplá-la diretamente a cargas de alta potência, como um motor, devido à possibilidade de instabilidades.
Portanto, um estágio de driver, usando um transistor (Q2), é adicionado. Com este estágio de driver, pequenos motores com drenos de corrente de até 500 mA podem ser acionados. Se você quiser mais corrente, use um TIP31 ou até mesmo um transistor de potência Darlington. O transistor deve ser conectado a um dissipador de calor.
Como construir
O diagrama esquemático completo para o motor controlado por toque na versão básica é mostrado na Figura 3. O circuito pode ser montado em uma placa de circuito impresso (PCB) ou, para fins experimentais, em uma placa sem solda. O circuito pode ser alimentado por células ou uma unidade de energia conectada à linha de energia CA, mas certifique-se de reler o anterior Cuidado!
P1 pode ser um potenciômetro trimmer, um controle externo ou um potenciômetro log ou linear. O sensor de toque pode ser construído em dois métodos de acordo com o uso final proposto para o projeto.
No caso mais simples, o sensor é formado por duas pequenas placas de metal separadas por uma distância de 1 ou 2 milímetros, conforme mostrado na Figura 4 (a). As placas devem ser tocadas ao mesmo tempo para produzir uma corrente na pele da pessoa.
Na segunda versão, mostrada na Figura.4 (b), apenas um sensor é utilizado, pois a corrente flui pelo corpo da pessoa. Nesse caso, o circuito deve ter uma conexão de aterramento para oferecer um caminho para a corrente. A conexão de aterramento pode ser feita usando qualquer objeto de metal em contato com o solo, como uma janela ou porta de metal.
A Figura 5 mostra uma fonte de alimentação simples adequada para controlar motores e nominal de 6 ou 12 volts e com correntes de até 1 ampere.
O transformador tem uma bobina primária classificada para 117 VAC ou, de acordo com a linha de alimentação CA de sua localização, uma bobina secundária classificada para 7,5 volts (6 volts de saída) ou 12 volts (saída) e correntes de até 1 ampere, de acordo com o motor.
Testando e usando
Ligue o circuito e ajuste o controle de tempo P1 para a resistência mínima (intervalo de tempo menor). Se o motor ligou quando você energizou o circuito, ele irá parar em alguns segundos.
Em seguida, toque no sensor. O motor dará partida e funcionará por alguns segundos, de acordo com o valor de C2. Se você estiver usando um capacitor grande, o tempo decorrido antes de parar pode continuar por mais de alguns segundos, portanto, aguarde. Se o circuito funcionar conforme o esperado, você pode instalá-lo no aplicativo que deseja.
Lista de peças - motor básico controlado por toque
IC-1 555 IC temporizador
Q1 BC558 ou equivalente (qualquer transistor de uso geral positivo-negativo-positivo [PNP])
Q2 BD 135 transistor PNP de média potência
D1 1N4148 ou 1N914 diodo de silício de uso geral
R1 2,2 MΩ X resistor de 1/8 watts (vermelho, vermelho, verde)
R2 100 kΩ X resistor de 1/8 watts (marrom, preto, amarelo)
R3, R5 resistor de 10 kΩ x 1/8 watts (marrom, preto, laranja)
R4 22 kΩ X resistor de 1/8 watt (vermelho, vermelho, laranja)
R6 1 kΩ x resistor de 1/8 watts (marrom, +6 a 12V preto vermelho)
P1 1 MΩ potenciômetro trimmer ou potenciômetro comum
C1 1 µF eletrolítico ou outro capacitor
C2 0,1 a 1.000 µF eletrolítico ou outro capacitor
C3 100 µF x 16 volts Capacitor eletrolítico
M Qualquer motor DC com 3 a 15 volts (até 500 mA)
X1 Sensores de toque (ver texto)
PCB ou placa sem solda, dissipador de calor para Q2, fios, fonte de alimentação, etc.
Explorando o circuito
Você pode usar um motor controlado por toque para projetar muitos dispositivos automáticos interessantes para sua casa ou para seus robôs e dispositivos mecatrônicos.
Janela Automática
Uma caixa de engrenagens e o motor controlado por toque podem ser usados para abrir e fechar uma janela ou tela, conforme mostrado na Figura 6. Uma chave deve ser adicionada no final da rotina da janela para reinicializar o circuito ou para inverter a direção do motor.
Robô ou carro controlado por toque
Outra aplicação interessante para o controle de toque é iniciar um pequeno robô que funcionará por um intervalo de tempo ajustado por P1. Um carro de corrida como o descrito no Projeto 1 pode ser usado. Depois de instalar o sensor em um carro, um toque no sensor ligará o motor por um intervalo de tempo específico. Em uma competição, ajuste todos os carros no mesmo intervalo de tempo. O vencedor pode ser aquele que conseguir cobrir a distância mais longa, conforme mostrado na Figura 7. Outros brinquedos podem ser controlados pelo toque usando o mesmo circuito.
Ventilador cronometrado
Um pequeno ventilador usando um motor DC pode ser ativado usando o controle de toque. Ele permanecerá ligado durante o intervalo de tempo definido por P1. Usando um capacitor de 1.000 RF e definindo P1 para a resistência máxima, cada toque ligará o ventilador por um intervalo de tempo de cerca de 15 minutos.
Máquina automática de secagem manual
A ideia básica desse dispositivo automático é criar um ventilador, acionado pelo toque, que sopra ar quente na direção de sua mão molhada, conforme mostrado na Figura 8.
Touch Switch
Temas cruzados
Outros experimentos envolvendo um motor controlado por um sensor podem ser realizados para ilustrar diversos assuntos do currículo do ensino fundamental e médio. A seguir está uma lista de sugestões.
Armadilhas
Animais pequenos podem acionar o circuito ao tocar o sensor e, em seguida, fechar a armadilha, conforme mostrado na Figura 9.
O circuito deve ser ajustado para operar o motor durante o intervalo de tempo necessário para fechar o purgador. Uma alternativa é incluir um interruptor no final do curso do purgador que desligará o motor.
Mixer
Um misturador experimental que pode ser usado para misturar substâncias de laboratório, sucos ou outras aplicações pode ser montado conforme mostrado na Figura 10.
Disco de Newton
Um dos experimentos mais tradicionais feitos ao estudar óptica é o disco de Newton. Por meio desse experimento, podemos mostrar que o resultado da combinação das cores fundamentais é o branco. A Figura 11 mostra como usar o motor controlado por toque para construir um disco de Newton.
É importante seguir exatamente as cores recomendadas para o disco. Se diferentes combinações de cores forem feitas, o resultado não será branco!
Carro de corrida mecatrônico
O carro de corrida mecatrônico descrito no Projeto 1 pode ser controlado por toque usando este circuito. Use este circuito e programe o cronômetro (por P1) para permitir tempo suficiente para o carro completar a distância programada para a competição.
Circuitos Adicionais
Muitas outras configurações eletrônicas podem ser usadas com seu sensor de toque. A seguir está uma pequena lista de algumas das configurações que você pode querer tentar.
Usando um retificador controlado por silício (SCR)
Esta versão do controle de motor de toque usa um retificador controlado por silício (SCR) como uma chave sensível colocada em série com o motor DC a ser controlado. SCRs como o TIC106 proposto neste circuito são muito sensíveis. Eles podem ser acionados por correntes tão baixas quanto algumas centenas de microampères.
Outra característica a ser considerada neste circuito é a operação auto travada de um SCR. Isso significa que, quando disparado, um SCR permanecerá no estado ligado mesmo que a tensão de disparo desapareça.
Alguns pequenos motores CC usam escovas para alternar as bobinas, invertendo assim o fluxo de corrente quando em operação. Essas escovas ligam e desligam em alta velocidade, fazendo com que o SCR desligue, desde que o sensor não seja tocado novamente.
Para travar o circuito, você pode adicionar um capacitor eletrolítico de 10 a 100 uF em paralelo com o motor, conforme mostrado na Figura 12.
Outros fatos importantes a serem considerados nesta versão incluem o seguinte. A conexão de aterramento (GND), que aumenta a sensibilidade à medida que a corrente flui em malha fechada, passa pelo corpo da pessoa que toca o sensor. Sem a conexão de aterramento, a corrente de disparo (a corrente produzida pelo objeto em contato com o sensor) é reduzida. À medida que a sensibilidade é reduzida, o objeto que toca o sensor deve ser grande o suficiente para produzir a quantidade de corrente necessária para acionar o circuito.
Considere também a queda de tensão em um SCR no estado ligado. Quando o SCR está ligado, ocorre uma queda de tensão de cerca de 2 volts. Isso significa que o motor CC recebe 2 volts a menos da fonte de alimentação. Em algumas aplicações, essa queda deve ser compensada adicionando 2 volts à saída da fonte de alimentação. O diagrama esquemático do motor controlado por toque usando um SCR é mostrado na Figura 13.
Qualquer motor DC classificado de 6 a 12 volts e com um dreno de corrente de até 1 ampere pode ser usado. Se motores classificados em mais de 6 volts forem usados, altere a alimentação para um que possa fornecer a tensão necessária para alimentar o motor. O circuito pode ser alojado em uma pequena caixa e o sensor pode ser colocado o mais longe do circuito quanto necessário. O sensor é uma placa de metal de 5 x 5 centímetros e o fio para conectá-lo ao circuito pode ter até 3 metros de comprimento.
Use células para alimentar o circuito. No entanto, se você escolher um tipo diferente de fonte de alimentação, evite fontes de alimentação sem transformador porque elas não são isoladas da linha de alimentação CA e podem causar graves riscos de choque.
Lista de peças - usando um SCR
SCR MCR106 ou SCR equivalente
D1 1N4148 diodo de silício de uso geral
Q1 BC548Transistor de silício de uso geral negativo-positivo-negativo (NPN)
R1 100.000 ohm, 1/4 watt, resistor de 5 por cento
R2 10.000 ohm, 1/4 watt, resistor de 5 por cento
S Sensor (ver texto)
GND Ligação à terra (ver texto) Barra de terminais, fonte de alimentação, caixa de plástico, fios, solda, etc.
CMOS -Os ICs têm impedância de entrada muito alta. Essa grande sensibilidade é ideal para aplicações em uma chave de toque.
Usando o 4093
Muitos CIs CMOS comuns podem ser usados para implementar um switch de toque, e o 4093 em particular é um candidato perfeito para essa tarefa. A Figura 14 mostra como um gate do 4093 pode ser usado em uma chave de toque para acionar um motor CC através de um estágio de acionamento.
Neste circuito, o resistor R1 determina a sensibilidade de entrada. Os valores podem variar de 1 M ohms / (baixa sensibilidade) a 47 M ohms / (alta sensibilidade). Como nos outros circuitos, a fonte de alimentação não deve ser sem transformador. As outras três portas do 4093 são usadas para acionar o estágio de saída de energia, formado por um transistor NPN.
Lista de peças - usando o CI LI093
IC-1 4093 CMOS IC
D1 1N4148 diodo de silício de uso geral
Q1 BD135 ou TIP31 NPN transistor de potência de silício
R1 22 MΩ x resistor de 1/8 watts (vermelho, vermelho, azul)
R2 1 kΩ X resistor de 1/8 watts (marrom, preto, vermelho)
X1 Sensor de toque (como no projeto básico)
M 6 a 12 volts - Motor DC de, até 500 mA (BD135) ou até 2 amperes (TIP31)
PCB ou placa sem solda, dissipador de calor para o transistor, fonte de alimentação, fios, etc.
Usando o 4013
O 4013 CMOS IC é formado por dois flip-flops independentes do tipo D alimentados por fontes de 5 a 15 volts. No circuito mostrado na Figura 3.12.15, o 4013 é usado com um IC monoestável 555 para acionar um motor usando sensores ou um botão de pressão.
Tocar no sensor pela primeira vez ativa o motor e o mantém ligado até que o sensor seja tocado novamente. Quando tocado novamente, o motor desliga e permanece no estado desligado até que o sensor seja tocado novamente.
Usando o motor BD135, até 500 mA podem ser controlados com este circuito. É importante desacoplar o motor para evitar estados de instabilidade do circuito devido à troca rápida das escovas.
Lista de peças - usando um 4013
IC-1 4013 CMOS IC flip-flop
Q1 BD135 silício NPN transistor de média potência
Q2 BC548 transistor de silício NPN de uso geral
DI 1N4148 diodo de silício de uso geral
R1, R5 resistor de 100 kΩ x 1/8 watts (marrom, preto, amarelo)
R2 22 kΩ X resistor de 1/8 watt (vermelho, vermelho, laranja)
R3 47 kΩ X resistor de 1/8 watt (amarelo, violeta, laranja)
R4 27 kΩ x resistor de 1/8 watts (vermelho, violeta, laranja)
R6 1 K Ω x resistor de 1/8 watts (marrom, preto, vermelho)
C1 0,47 µF cerâmica ou capacitor de poliéster
C2, C3 0,1 µF cerâmica ou capacitor de poliéster
C4 1.000 µF X 15 volts Capacitor eletrolítico
X1 Sensor (ver projeto básico)
M1 Motor com 3 a 12 volts, até 500 mA
PCB ou placa sem solda, dissipador de calor para o transistor, fonte de alimentação, fios, etc.
A Tecnologia Hoje
Muitos tipos de sensores podem ser usados para iniciar um motor ou um processo automático. Por exemplo, em aeroportos, shoppings e prédios, você encontra sistemas automáticos que abrem e fecham portas comandadas por sinais de sensores.
Eles costumam usar sensores infravermelhos, sensores de toque ou sensores de peso. Elevadores são exemplos de dispositivos automáticos em que sensores de toque são usados; toque no botão e a mensagem é enviada para o elevador chegar ao seu andar. Muitos eletrodomésticos em sua casa também usam interruptores de toque. Todos esses dispositivos operam com base nos mesmos princípios aplicados neste projeto.
Explorando o Projeto
• Use este circuito para mostrar como uma pequena quantidade de corrente fluindo pelo seu corpo pode controlar um motor CC que requer uma grande quantidade de corrente.
• Anexe um objeto ao motor como um jogo, conforme mostrado na Figura 16. Coloque vários sensores em uma base de plástico e conecte alguns deles à entrada do circuito. Esconda os fios da vista dos jogadores. Imagine que cada placa com fio seja uma mina. O jogador deve tocar os sensores, mas evitar a explosão que ocorrerá se uma placa com fio for tocada. O jogador tenta passar pelo "campo minado" sem acionar o motor.
