Laboratório de Instrumentação Eletrônica

Interruptor Eletrônico por

Palmas

Alunos: Danilo Peres Nobre

Raphael Fidelis Bernardes

Sistemas Dinâmicos e Estáticos

Um sistema representa o conjunto de componentes interconectados, que

apresentam certas relações de causa e efeito e que atuam como um todo, com um

determinado objetivo.

O sistema estático é aquele em que as propriedades descritivas do sistema não variam

com o tempo, podendo variar espacialmente. Já no sistema dinâmico tais propriedades variam

no tempo, podendo também variar espacialmente. Na física matemática e na matemática, o

conceito de sistema dinâmico nasce da exigência de se construir um modelo geral de todos os

sistemas que evoluem segundo uma regra que liga o estado presente aos estados passados.

Exemplo de sistema dinâmico: a mesma viga carregada dinamicamente, ou seja, com

cargas que mudam com o tempo, pois os deslocamentos de seus pontos variam também com o

tempo.

Exemplo de sistema estático: viga carregada estaticamente, isto é, com cargas

constantes, pois os deslocamentos de seus pontos variam espacialmente, mas não com o

tempo.

Interruptor Eletrônico

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.

Captação do som e filtragem: para captar o som utilizamos um microfone de eletreto. 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. No caso do

microfone de eletreto, o som entra no microfone através de uma abertura na parte de cima do

mesmo e movimenta a folha fina de mylar carregada permanentemente (eletreto) em relação à

armadura fixa. Esse movimento altera a indução elétrica na armadura fixa deste capacitor, que

está conectada no terminal "gate" do transistor interno. Este transistor, um FET amplifica o

sinal e o entrega em seu dreno. O microfone possui polaridade e necessita de uma fonta de

alimentação. Sabendo disso, ele pode ser simulado como uma chave normalmente aberta, que

fecha quando recebe um estímulo sonoro.

Figura 1 - Captação do Som

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.

Amplificação do sinal: como o sinal na saída do microfone possui baixas amplitudes, é

necessária uma amplificação.

Figura 2 - Amplificação do Sinal

Espera-se que a saída do amplificador esteja em torno de 4V a 5V. Para garantir um

disparo sem interferência no trigger do nosso temporizador, conectamos um filtro de 680 nF e

uma resistência de pullup de 10k ohm.

Figura 3 – Filtro

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 . Nesse caso, a tensão de alimentação

será de 5V, já que a alimentação do circuito é de 5V. 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 8 ms e escolhemos arbitrariamente um

capacitor de 680 nF, temos que R deve ser igual a 10,7k ohm. 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. Em sua saída, conectamos mais um filtro de altas freqüência, o

capacitor de 100 nF, e também implementamos um pulldown (resistor de 10k ohm ), buscando

evitar que clocks indesejados apareçam no flip-flop.

Figura 4 – Temporizador

Figura 5 - Filtro de altas freqüências

Acionamento: Utilizamos o CI 4013B que consiste em um flip flop tipo D. Foi ligado na

configuração TOGGLE, onde a saída comuta de estado à cada borda de subida do clock. O clock

é dado pela saída do temporizador.

Figura 6 – Acionamento

Liga-se uma resistência em série com o LED e com o microfone para limitar a corrente

que passa por eles.

Limitações

As limitações às quais o circuito está sujeito dizem respeito às limitações de seus

próprios componentes.

O microfone é unidirecional, ou seja, o som deve incidir diretamente sobre sua parte

superior. Além do mais, a distância e a freqüência do som possuem grande influência. No caso

da freqüência, a limitação foi imposta pelo projeto, para filtrar freqüências que não sejam a do

bater de palmas ou estalar de dedos.

Para os componentes passivos (capacitores e resistores), pode-se considerar que não há

limitações, uma vez que as tensões e correntes utilizadas estão na faixa de operação desses

componentes.

Para os componentes ativos, às limitações estão relacionadas à freqüência de operação,

tensão de alimentação, tensão de entrada e saída (que pode levar à saturação do componente),

à temperatura de operação. A alimentação é feita com ± 5V, com fontes simétricas, de forma

que não foge à faixa de operação de nenhum dos componentes. O ganho fornecido ao sinal, o

mantém entre 4V e 5V, o que também não resulta em saturação de nenhum componente.

Sendo assim, a única limitação efetiva diz respeito ao poder de captação do microfone.

Modelo Matemático

Figura 7- Circuito Completo

Analisando a Figura 7, pode-se supor um modelo matemático baseado na teoria de

circuitos elétricos e eletrônica digital. Tratando o microfone como uma chave, verifica-se como

se comporta o circuito nas duas situações: chave aberta e chave fechada.

O circuito amplificador é um inversor. Seu ganho é simplesmente :

Pode-se pensar no circuito do temporizador também como uma chave. Sempre que o

trigger for ativado, sua saída será ou 0, ou 5V. Essa saída, representará o clock do flip-flop. A

tabela verdade de um flip-flop tipo D é:

D Q Qo

0 X 0

1 X 1

Ao ligar-se a saída barrada na entrada, a comutação entre estados é garantida. Assim, o

flip flop também pode ser modelado como uma chave, que abre ou fecha à cada pulso de clock.

O LED nada mais é do que um diodo emissor de luz. Ao vencer sua tensão de polarização

(2V), ele conduz e emite luz.

Pode-se deduzir portanto que o modelo matemático para o circuito apresentado, pode

ser descrito pela seguinte equação:

( ) ( 1)

( ) ( 1)

( )

( ) ( 1)

( ) ( 1)

0 ,

0 ,

2 ,

2 ,

t t

t t

t

t t

t t

in out

in out

outin out

in out

v se V v e V v

v se V v e V vV

v se V v e V v

v se V v e V

−

−

−

−

= 0 = 0

= 1 = 2 =

= 1 = 0

= 0 = v

2

Onde:

( )toutVrepresenta a tensão de saída atual do circuito

( )tinV representa a tensão de entrada atual do circuito

( 1)toutV− representa a tensão de saída do estado anterior ao atual do circuito

Portanto, como podemos perceber, o tensão de saída do circuito do acendedor de palmas será

de 2v caso o microfone seja ativado e o sinal de saída esteja previamente em nível lógico baixo,

acendendo assim o LED e de 0v caso o microfone seja ativado e o sinal de saída esteja previamente em

nível lógico alto, apagando o LED.

Simulações

Para verificação do funcionamento do circuito e para que se fossem possíveis testes e

ajustes prévios à compra de componentes e montagem do circuito em uma PCI (placa de

circuito impresso), foram realizadas algumas simulações computacionais utilizando-se o

software MULTISIM da Natonal Instruments© para tal finalidade.

As simulações estão em anexo a este relatório e o gráfico representando as saídas do

circuito estão dispostos a seguir:

Figura 8- Saídas do circuito

Nota-se portanto que, como já dito, o sinal de saída do circuito é representado por uma

onda de forma quadrada, visto que é justamente a comutação do sinal de ligado e desligado de

saída do FLIP-FLOP tipo D e que aciona ou não o LED.

Conclusões

Através deste relatório, apresentou-se o projeto de um interruptor eletrônico ativado

por palmasutilizado neste caso específico para acender ou apagar um LED.

Seu principio de funcionamento baseia-se na utilização de um microfone de eletreto

que é capaz de gerar um sinal 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.

Neste relatório apresentou-se o princípio de funcionamento do circuito passo a passo

do projeto, além da apresentação das suas limitações, do seu modelo matemático e das

simulações efetuadas.

Bibliografia

http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistemas_din%C3%A2micos – Sistemas dinâmicos

http://br.answers.yahoo.com/question/index?qid=20090223070131AAHwaIz – Sistemas

estáticos e sistemas dinâmicos?

http://www2.eletronica.org/projetos/interruptor-eletronico-controlado-por-som/ – Interruptor

Eletrônico Controlado por Som