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MONTAGEM46 Magnetometer Detecta até as menores variações Thomas Scarborough Figura 1. Esta figura, retirada de um osciloscópio, mostra o sinal gerado pelo circuito quando um ímã é deslocado nas proximidades do circuito (ver texto). O circuito descrito neste artigo é inacreditavelmente sensível a alterações no campo magnético. Pode funcionar como detector de terremotos, mas também pode ser usado como alarme em automóveis, ou como meio de prevenção contra roubo. A sua construção é muito simples e são usados apenas componentes comuns. Figura 2. O diagrama do circuito mostra o número de estágios de amplificação usados. Estes garantem que mesmo as mais pequenas variações do campo magnético são detectadas. O autor, que vive na Cidade do Cabo, na Áf ri ca do Sul , proj etou originalmente este circuito para detectar pequenos tremores de terra, que poderiam levar a terremotos mais violentos. Sabemos que os terremotos na Europa Ocidental são raros, mas este circuito também pode ser usado em outras aplicações. O circuito em questão é muito simples e utiliza um transformador de rede comum como sensor. É capaz de detectar pequenas variações na força do campo magnético. É tão sensível que pode detectar a passagem de um trem a uma distância de dois quilômetros. Antes de passarmos à descrição do princípio de funcionamento, vamos ver uma pequena lista de possíveis aplicações para o circuito: - Prevenção contra roubo: fixe um pequeno ímã ao seu computador portátil ou pasta, e o Magnetometer vai detectar imediatamente quando os mesmos são deslocados. - Alarme para automóvel: quando o veículo de desloca e muda o seu ângul o em rel ação ao campo Magnetometer.indd 46 1/11/08 4:40:24 PM 47 Magnetometer Detecta até as menores variações magnético terrestre é detectado por este circuito. - De t e c t o r d e v e í c u l o s : automóveis e trens podem ser detectados quando se aproximam de uma determi nada área em torno do ci rcui to devi do às vibrações que causam. - Alarme de vibração extremamente sensí vel : pequenas vi brações podem s er det ec t adas na proximidade do circuito, como por exemplo uma bola saltando num chão de madei ra a al gumas dezenas de metros de distância. - Sensor magnético: este circuito reage, como é óbvio, a objetos magnetizados que se encontrem próximos, como uma chave de fenda magnetizada a meio metro de distância, ou até mesmo a um antigo disquete de 3,5 polegadas. - Sistema para abertura de porta para gatos: fixe um pequeno ímã na coleira do gato e quando este se aproximar a porta para o gato será aberta automaticamente pelo circuito. Conceito Existem basicamente dois tipos de magnetometer: um que dá o valor ab- soluto da força do campo magnético e outro que apresenta as variações da força do campo magnético. Este cir- cuito detecta as variações no campo magnético. A Figura 1 mostra o sinal de saída do circuito num osciloscópio quando um alto-falante com um forte ímã é deslocado a uma distância de cerca de um metro do sensor (um antigo transformador de rede). O ímã é numa primeira fase inclinado para um dos lados (cerca de 0,5 s), depois para o outro lado (cerca de 2,5 s), e finalmente deslocado para a frente e para trás (cerca de 5 a 6,5 s) e girado sobre ele próprio lentamente. É interessante ver que é possível dizer a partir da forma de onda em que direção o campo magnético variou. Quando o circuito foi inicialmente pro- jetado, o autor quis criar um sistema de medida barato e que poderia fun- cionar autonomamente (sem ser ne- cessário estar ligado a um computa- dor ou registrador de dados). Isto re- sultou num circuito muito simples que usa apenas componentes comuns, in- cluindo um antigo transformador de rede como sensor, e um barra de LEDs como indicador. Existe também uma saída de disparo de alarme (trigger) que é ativada quando o final da escala da barra de LEDs é atingido. Circuito A parte mais importante do circuito é a bobina de detecção. No protótipo foi usado um antigo transformador de rede (230 V/12 V, 2 A), mas teorica- mente pode ser usado qualquer trans- formador ou bobina. O autor descobriu R5 100k R1 470k 3 4 1 IC2B 5 6 1 IC2C R6 100k R2 330k R7 100k 11 10 1 IC2D R3 220k C5 470n C4 470n C3 470n 16V C1 10u R4 4 7 k P2 10k P3 100k 9 8 1 IC2E R9 100k C9 470n 16V C7 100u LED8 12 LED7 13 LED10 10 LED9 11 LED6 14 LED3 17 LED2 18 LED5 15 LED4 16 V + 3 D I V L O 4 LED1 1 V - 2 IN 5 REFADJ 8 M D S E L 9 DIVHI 6 REFOUT 7 IC4 LM3914N D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 R13 4 7 k R12 1 0 k R10 4 7 k 16V C15 100u C12 470n R11 100k D11 1N4148 16V C14 100u 13 12 1 IC2F C8 100n 2 3 6 7 4 5 IC1 LM380N 1 2 1 IC2A P1 1M 16V C2 1u 16V C6 100u 5 6 7 IC3B 16V C13 100u R8 10R 12 13 14 IC3D 1 2 3 IC5 78L12 C11 100n 40V C10 100u +12V +12V +12V 3 2 1 IC3A S1 10 9 8 IC3C P4 100k 4 11 IC3 14 7 IC2 DISPARO RESET SENSIBILIDADE CENTRO C16 100n C17 100n IC2=4069U IC3=TL074 050276- 11 Figura 2. O diagrama do circuito mostra o número de estágios de amplificação usados. Estes garantem que mesmo as mais pequenas variações do campo magnético são detectadas. Magnetometer.indd 47 1/11/08 4:40:30 PM MONTAGEM 48 que o modelo usado funcionou muito bem e que forneceu ao circuito uma boa sensibilidade. O primário e o se- cundário do transformador foram liga- dos em série e em fase, de modo a au- mentar a sensibilidade do circuito. A bobina está ligada à entrada de um ampop do tipo LM380 (Figura 2). Este ampop é na verdade um amplificador de potência que pode fornecer cerca de 2,5 W, mas que se ajusta muito bem a este circuito uma vez que possui um ganho fixo (50 vezes) e a tensão de sa- dares (IC2.A, IC2.B, IC2.C, IC2.E), com filtros passivos RC passa-baixas entre os mesmos (R5/C3, R6/C4, R7/C5). Isto garante um elevado ganho para o sinal de saída do LM380. Todos os andares de filtragem (outros dois mais adiante no circuito) reduzem o nível de sinal para frequências acima de aproximada- mente 20 Hz, para eliminar principal- mente as interferências provocadas pela rede elétrica. Em seguida, IC2.D acrescenta mais um pouco de ganho ao sinal, onde a com- ponente DC para a entrada da porta é fornecida pelo divisor resistivo R4/P2/ P3. Depois, um outro filtro (R9/C9) filtra de novo o sinal, que é depois aplicado a um rectificador de meia onda através de IC3.A (D11/C13), que fornece uma tensão DC à entrada do circuito indica- dor com LEDs. Deste modo é imple- mentada uma função de amostragem e retenção que apresenta e retém o maior valor medido no indicador a LEDs. Pressionando o interruptor S1 a barra indicadora de LEDs fica limpa. Se o leitor não precisar desta função, pode substituir o diodo D11 por uma ponte de ligação em fio e omitir o condensa- dor C13 e o interruptor S1. Deste modo todas as alterações são apresentadas na barra de LEDs. O sinal retificado é depois aplicado à entrada de um LM3914 através de um circuito (IC3.B) e um último filtro RC (R11/C12). O Circuito integrado LM3914 contém toda a eletrônica ne- cessária para controlar uma barra com 10 LEDs (D1 a D10). A tensão de referência na entrada do LM3914 foi ajustada de modo que o nível de sinal é indicado em relação ao LED D5. O LED D10 está continuamente acesso para indicar que o circuito se encontra ligado; se não for necessária esta indicação este LED pode ser omitido. O ampop IC3.C disponibiliza uma saída de disparo que gera um pulso com o nível lógico alto quando o LED correspondente ao maior nível de sinal acende (D1). O potenciômetro P4 é usado para ajustar o nível de disparo. A tensão de alimentação do circuito é fornecida por um regulador de 12 V, dado que qualquer pequena ondulação na linha de alimentação seria desastrosa para os pequenos sinais que estamos lidando. A alimentação ída fica automaticamente situada a meio da tensão de alimentação, sem precisar, para isso, de qualquer resis- tência na entrada do mesmo. O sinal de baixa-frequência é depois amplificado por duas portas lógicas 4069UB. Um inversor CMOS pode ser usado para funcionar como um ampli- ficador bastando, para isso, adicionar uma resistência entre a entrada e a sa- ída. Neste caso foram usados quatro inversores em sequência para imple- mentar um amplificador de quatro an- R6 R2 050276-1 P3 D10 + S1 R8 R7 R3 C5 C7 R4 R5 ÌC2 (C) Elektor C16 + C1 P2 + C13 + ÌC3 R9 C9 D11 P4 R10 C17 C15 + R11 R12 C12 R13 ÌC4 D1 D2 D3 D4 D5 D7 D6 D8 D9 C8 C14 Ì C 5 - ÌC1 C11 C6 P1 + + C10 C4 C2 + + R1 C3 Figura 3. A placa de circuito impresso simplifica a construção do circuito. LISTA DE COMPONENTES Resistores: R1= 470 kΩ R2= 330 kΩ R3= 220 kΩ R4;R10;R13= 47 kΩ R5;R6;R7;R9;R11= 100 kΩ R8= 10 Ω R12= 10 kΩ P1= ajustável de 1 MΩ P2= ajustável de 10 kΩ P3;P4= ajustável multivolta de 100 kΩ Capacitores: C1= 10 µF/16 V, radial C2= 1 µF/16 V, radial C3;C4;C5;C9;C12= 470 nF C6;C7;C10;C13;C14;C15= 100 µF/16 V, radial C8;C11;C16;C17= 100 nF Semicondutores: D1a D4;D6a D10= LED vermelho de 3 mm D5= LED verde de 3 mm D11= 1N4148 IC1= LM380N-8 IC2= 4069UB (versão unbuffered) IC3= TL072CN IC4= LM3914N IC5= 78L12 Diversos: S1= Interruptor de pressão L1= Bobina de detecção (por exemplo, um antigo transformador de rede 230 V/12 V, 2 A) PCI (Refª 050276-1), disponível na Guimocircuito (www.guimocircuito.com) Magnetometer.indd 48 1/11/08 4:40:31 PM 49 pode ser obtida a partir de qualquer adaptador de rede que tenha uma tensão de saída entre 15 V e 20 V DC (capaz de fornecer uma corrente de 50 mA). Construção e ajuste Com a placa de circuito impresso apresentada na Figura 3 não deverá ser muito difícil construir o circuito. Certifique-se que tem o circuito in- tegrado LM380 com o encapsula- mento de 8 pinos, uma vez que a placa foi desenhada para esta ver- são. Tenha em mente que deve-se usar a versão sem buffer para o IC2 (4069UB), caso contrário o circuito não vai funcionar. Utilize suportes para todos os circuitos integrados para facilitar a construção do circui- to e detectar com mais facilidade e v e n t u a i s f a l h a s . Todas as resistências devem ser montadas verticalmente. O inter- ruptor de reset é ligado à placa atra- vés de dois fios. O circuito pode ser montado numa caixa adequada com aberturas para os LEDs, interruptor de reset e conector de alimentação. Um antigo transformador que tenha em casa funciona perfeitamente bem como bobina de detecção. Deve-se li- gar todos os enrolamentos em série e em fase, caso contrário a sensibilidade do circuito é reduzida. O transformador é ligado à placa por dois pequenos fios. Assim que todos os componentes es- tejam soldados na placa podemos en- tão ligar o adaptador de rede e come- çar a efetuar os ajustes. Primeiro, ajus- te o controle de sensibilidade (P1) para a posição intermédia, assim como P2. Agora, rode o cursor de P3 até que o LED verde central (D5) da barra de LEDs acenda. Durante o funcionamen- t o n o r m a l , o p o t e n - ciômetro P2 pode ser usado para ajus- tar o display (pode usar um potenciô- metro comum para isto) como e quando necessário. Especialmente, quando a sensibilidade estiver ajusta- da para um valor alto vai verificar que o ponto central pode variar. Quando a sensibilidade é baixa é possível obter um ajuste muito estável, com peque- nos desvios. O ajuste final é o nível de disparo, ajus- tado através do potenciômetro P4. Este ajuste não é crítico, e deve ser ajustado para que IC3.C comute quan- do o LED D1 acende e voltar a comutar para o valor anterior quando o LED D1 se apaga novamente. Aplicações No início do artigo apresentamos uma série de possíveis aplicações para este circuito. A maioria dessas aplicações é muito simples de implementar e não é necessário fornecer grandes instruções para isso. É importante que o leitor efetue alguns testes com o circuito para perceber como funciona em termos de sensibilidade, e como o mesmo reage, assim como identificar o melhor ajuste para P1. Durante os teste, deve evitar a presença de materiais metálicos próximo do detector, pois estes podem interferir com o funcionamento do circuito. Pode implementar um simples sismó- grafo pendurando um ímã de um alto- falante ao teto usando um pedaço lon- go de fio, colocando-o sobre o transfor- mador. O potenciômetro P1 deve então ser ajustado de modo que a barra de LEDs permaneça apagada. Para fazer um detector de vibração que consiga detectar a passagem de veículos deve fixar um ímã na extremidade de uma régua. A outra extremidade da régua deve ser fixada a uma superfície gran- de e o transformador colocado nova- mente debaixo do íman. Ficará sim- plesmente pasmado pela distância que se conseguem detectar vibrações com este pequeno circuito! (050276-1) Artigo original: Magnetometer – May 2007 Figura 4. Para a construção do protótipo no laboratório usamos um antigo transformador com os enrolamentos ligados em série. Magnetometer.indd 49 1/11/08 4:40:34 PM