Farola automática

¿Qué hace?

Es una farola que se enciende automáticamente de noche y se apaga durante el día. Mediante una placa de circuito impreso, que diseñamos y fabricamos íntegramente en el taller, se controla el encendido de una bombilla de 60W y 230 V c.a.
Aquí tienes el tutorial para imprimir de cómo fabricarla:

Listado de componentes

1. Placa de Control a 9 V
   • Placa Circuito Impreso fotosensible de una cara (o, si no podemos a fabricar una placa de circuito impreso en el taller, bastará con una Placa de baquelita perforada)
   • Diodo 1N4001 o similar
   • Relé 5 V de 2 circuitos (finder 30.22.7.005.0010)
   • Zócalo 16 pin redondos para "pinchar" el relé
   • R1, R variable o Potenciómetro ajuste vertical 10KΩ (PT10)
   • R2, R3, R4, resistencias 10KΩ, 0,25W
   • R5 resistencia 3.3KΩ, 0,25W
   • T1 Transistor NPN BD135
   • Disipador de calor para el T1 (Pletina de aluminio perforada)+Tuerca +Tornillo
   • Amplificador operacional OPAM 741
   • Zócalo 8 pin redondos, para "pinchar" el OPAM
   • Conector para pila de 9V
   • Sensor de luz LDR
   • Cables finos
   • Tornillos M4 25 mm o similar + tuercas M4 + arandelas x 4 para fijar la placa a la base del proyecto.
   • Interruptor
   • LED (indicador de encendido/apagado)
   • Resistencia aprox. 400 Ω, 0,25 W para protección de LED
2. Componentes a 230 V c.a.
   • Portalámparas
   • Bombilla de 25-60 W, 230V c.a.
   • Tira de 12 Clemas de conexión eléctricas
   • Cable paralelo de 0,75 mm2 o superior x 1m de longitud
   • Clavija macho para conexión a red eléctrica
3. Estructura
   • Madera contrachapada, aglomerada o plástico (PVC expandido)
   • Perfiles de aluminio perforados (opcional)

Esquema eléctrico

En el esquema eléctrico del circuito están coloreados los bloques de funcionamiento que explicaremos más adelante.

Puedes observar la cara de componentes de la placa de circuito impreso con etiquetas identificativas. Faltan algunos componentes, como la LDR, el interruptor, LED, bombilla, etc. que NO se montan en la placa.

Cómo funciona la placa de control?

Funcionamiento de un Divisor de Tensión

Es un montaje muy usado en electrónica, para obtener voltajes menores que los que proporciona una pila. Consiste normalmente en dos resistencias en serie, una conectada al positivo y otra al negativo de la pila. En el punto medio entre ellas la tensión es:

Vsalida = Vpila.R2 /(R1+R2)

En el ejemplo de al lado:
Vpila = 3V
R1=10Ω
R2= 2Ω
Vsalida= 3x2/(10+2)=6/12=0,5 V

Funcionamiento de un opam comparador.

El amplificador operacional (opam) es un circuito integrado que incorpora dentro un amplificador diferencial. Tiene una gran impedancia en sus 2 puertas de entrada (unos 2 MΩ), por lo que virtualmente NO consume corriente por sus entradas y una baja impedancia en su salida (75 Ω). En nuestro montaje funciona comparando dos tensiones que aplicamos a sus dos entradas, la llamada inversora(e-) y la no inversora (e+).
El OPAM pone en su puerta de salida una tensión alta o baja según cuál de las dos tensiones aplicadas a sus entradas sea mayor.

Cuando la tensión que recibe por la entrada inversora Ve- es menor que la que recibe por la entrada no inversora Ve+, la salida del transistor Vsalida se satura a +Vcc, esto es la tensión positiva de alimentación de la pila, 9V . En caso que Ve->>Ve+ la Vsalida cae a la menor tensión posible, 0V.
En el ejemplo de al lado tenemos:
Ve- =3V y Ve+=4V, por lo que Ve+ es la mayor de las dos. Entonces la Vsalida se satura a la máxima tensión que puede, unos 9V, que es más que suficiente para que el diodo LED amarillo luzca como se ve.
Si aplicáramos más de 4 V a la entrada inversora, Ve- ahora ganaría a Ve+ y la Vsalida caería al mínimo que pudiese, unos 2V, tensión insuficiente para que luciese el LED.
En un circuito real, la salida de un OPAM no alcanza jamás ni 9V ni 0v, sino que se queda a dos voltios de estos valores, esto es, 7V y 0V.

Funcionamiento de un Transistor como interruptor

Los transistores son componentes discretos semiconductores, constituídos por cristales de Si dopados con elementos tipo P (Al,Ga) o tipo N (P, As). En nuestro montaje el transitor funciona como un interruptor, esto es, impide o permite el paso de corriente eléctrica entre dos de sus terminales (el colector y el emisor) en función del voltaje aplicado en un tercer terminal de control llamado base.
Para resumir, cuando la base recibe 0,6V o más el transistor se activa y funciona como un interruptor cerrado (deja pasar corriente entre sus patillas Colector y Emisor), en cambio, si recibe <0,6V por su base, el transistor pasa a estado de corte y trabaja como un interruptor abierto.



En la figura a) la base recibe 3V, mucho más de los 0,6V que necesita para activar al transistor, que funciona como un interruptor cerrado dejando pasar corriente en sentido vertical y permitiendo que luzca la bombilla.
En cambio en b) la base recibe 0,5V, menos del valor umbral de 0,6V, por lo que el transistor NO se activa y permanece en estado de Corte, funciona como un interruptor abierto, por lo que la bombilla NO luce.

Funcionamiento del circuito general

Hay un divisor de tensión formado por dos R de 10 KΩ, que envía a la puerta inversora del comparador 4,5 V constantemente. En la puerta no inversora se aplica la tensión de otro divisor de tensión formado por una R variable y una LDR (Resistencia dependiente de la luz).
La LDR varía su valor de resistencia inversamente con la intensidad de luz, esto es, a mayor luminosidad muestra menor resistencia óhmica. Así, este divisor de tensión enviará a la puerta no inversora del comparador una tensión variable dependiendo de si la LDR recibe mucha luz o permanece a oscuras.
Cuando es de noche, la tensión que recibe la entrada no inversora es mayor de los 4,5 V que recibe la otra entrada, y en consecuencia, la puerta de salida se satura voltaje alto (aprox. 7V), que llegará a la base del transistor, que entrará en estado activo, dejando pasar corriente entre su colector y emisor, excitándose la bobina del relé, que conmutará sus contactos en el circuito de potencia, donde se encenderá la bombilla de 60W.
Cuando es de día, la tensión en la entrada no inversora es menor de 4.5 V, el comparador pone la menor tensión que puede a su salida, unos 2 V, y a la base del transistor le llegan menos de 0,6 V, por lo que el transistor permanece en corte, la bobina del relé no recibe corriente y permanece relajada, no se conmutan los contactos que gobierna en el circuito de potencia y la bombilla permanece apagada.
Truco: Ajustando el valor de la R variable (con un destornillador) podemos cambiar el umbral de luminosidad que dispara el automatismo.

Galería de Fotos y Vídeos

Placa de Circuito Impreso (opcional)

Podemos diseñar el circuito eléctrico sobre una placa de circuito impreso (PCI). Son placas que por una cara tienen las pistas de cobre con las conexiones eléctricas entre los componentes.
Usamos la aplicación freeware Eagle, para a partir del esquema eléctrico del circuito obtener una placa de circuito impreso. No es intención de este tutorial explicar cómo funciona la aplicación Eagle, pero por si te animas, te dejo capturas del esquema eléctrico de partida y de la PCI obtenida.