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Radar Eletrostático (ART2941)

Um sensível detector que acusa o movimento mínimo das pessoas que passam pelas suas proximidades a partir de suas cargas elétricas que acusa a presença da eletricidade nos corpos e que até pode servir para verificar a carga elétrica do ar na aproximação de uma tempestade. Um aparelho muito sensível, e fácil de montar, que pode ser usado recreativamente no laboratório de pesquisa ou ainda na previsão do tempo.

Observação atual: esta montagem é bem didática e atual, pois todos os componentes são ainda comuns. Na edição original de 1983 o nome usado foi “Radar Eletroscópio”, pois na realidade o circuito é de um sensível eletroscópio, mas mudamos para se adaptar melhor à outras finalidades que o aparelho possui.

 

Cargas elétricas se manifestam de muitas maneiras. Na natureza temos a sua manifestação nas nuvens, com a produção das faíscas de altíssimas tensões que são os raios.

Dizem certos pesquisadores que a simples presença de cargas em excesso no ar ou em nuvens próximas podem ter influências sobre as pessoas, causando-lhes mal estares ou dores de cabeça. E o que ocorre com certas pessoas que podem sentir a aproximação de uma tempestade pelas dores em suas juntas ou ferimentos profundos devido a atuação das cargas elétricas nos nervos destes locais.

Outra manifestação de cargas pode ocorrer quando esfregamos certos objetos uns nos outros e estes adquirem eletricidade que tanto pode ser positiva como negativa (figura 1).

 


 

 

 

Este tipo de eletrização é amplamente ensinado nos cursos de ciências tendo, por exemplo, tradicional 0 do pente ou caneta que atrai pequenos pedaços de papel.

As próprias pessoas podem adquirir grandes cargas elétricas se usarem sapatos isolantes ou ainda se caminharem por tapetes de material sintético, conforme mostra a figura 2.

 


 

 

A aproximação de uma pessoa ”carregada" de uma torneira ou fechadura de porta pode produzir descargas bastante desagradáveis pelo choque consequente que chega a alguns milhares de volts!

Um aparelho capaz de acusar, à distância, cargas elétricas, pode ter muitas utilidades relacionadas com os fenômenos descritos. E este aparelho justamente que descrevemos neste artigo.

Podemos com um radar-eletrostático acusar a aproximação de nuvens carregadas de eletricidade que, sem dúvida, são o indicativo de tempestades.

No laboratório este aparelho serve em demonstrações interessantes, acusando a presença de cargas elétricas em objetos.

Finalmente na aplicação recreativa, podemos usar este aparelho como um verdadeiro “radar" detectando a aproximação ou passagem de pessoas, pela carga de seu corpo. (figura 3)

 


 

 

O nosso protótipo pode acusar a passagem ou movimentação de uma pessoa, pela carga de seu corpo, a uma distância de até 2 metros.

Para ”reforçar" a atuação do aparelho, basta fazer a pessoa caminhar por um tapete antes de passar diante do radar para que a carga adquirida seja capaz de atuar sobre seu sensível circuito.

O aparelho usa um transistor de efeito de campo e um circuito integrado, sendo alimentado por uma bateria de 9 V que, pelo baixo consumo, durará uma eternidade.

 

COMO FUNCIONA

O componente básico de nosso radar-eletrostático é um transistor de efeito de campo., um componente que, pelo seu princípio de funcionamento, é extremamente sensível a cargas elétricas estáticas, ou seja, cargas elétricas acumuladas em corpos.

Seu símbolo e estrutura são mostrados na figura 4, por onde procuraremos explicar seu funcionamento.

 


 

 

Conforme o leitor pode ver, entre os dois extremos do bloco de material semicondutor existe um estreitamento ou “canal" onde está ligado o terceiro eletrodo que é a comporta ou “gate".

A quantidade de corrente ou intensidade que pode circular entre os dois extremos depende da largura do canal, a qual pode ser variada em presença de carga elétrica na comporta.

Se aplicarmos uma certa tensão na comporta, ela pode alargar ou estreitar o canal, conforme sua polaridade e assim controlar o fluxo de corrente.

Se então ligarmos o transistor de efeito de campo (TEC ou FET) da maneira/indicada na figura 5, a tensão que aparecerá no ponto D dependerá da influência da carga elétrica na comporta.

 


 

 

Justamente nesta comporta ligamos um elemento captador ou antena, capaz de ser influído pelas cargas elétricas que queremos detectar.

Quanto maior for a carga colocada nas proximidades do elemento sensor, maior será a influência na tensão que aparece no ponto D.

Este, ponto D é ligado a uma etapa de amplificação com um circuito integrado 741 , conforme o circuito da figura 6.

 


 

 

O amplificador operacional, conforme podemos ver, tem duas entradas (uma inversora e outra não inversora) e uma saída.

A tensão na saída será proporcional à diferença de tensão das entradas.

Assim, se ligarmos um potenciômetro de ajuste numa das entradas e o TEC na outra, podemos ajustar o circuito para dar uma saída nula (ou de um valor próximo) equilibrando as tensões.

Este ajuste é importante, pois nem sempre, nas condições ambientes, a carga do sensor é nula. Pode haver necessidade de equilibrá-la.

Além do ajuste de equilíbrio ou nulo existe um segundo controle no aparelho que regula sua sensibilidade. Este controle é formado por um potenciômetro que está ligado entre a saída e a entrada inversora, ou seja, controlando a realimentação negativa.

Na posição de mínima resistência temos um ganho unitário, ou seja, o amplificador operacional é um seguidor de tensão. Na posição de máxima resistência o ganho também é máximo, da ordem de 10 vezes.

O elemento indicador é um instrumento comum de bobina móvel, que pode ser um VU comum de baixo custo com corrente de fundo de escala de 200 µA.

A alimentação do circuito vem de uma única bateria de 9.

 

OS COMPONENTES

Todos os componentes usados neste aparelho são comuns, não oferecendo dificuldades de obtenção ao montador.

A caixa sugerida é mostrada na figura 7.

 


 

 

Na parte superior da caixa temos o jaque de ligação do sensor que depende da aplicação a ser dada ao aparelho.

Como eletroscópio de bancada será uma argola ou esfera de metal; como sensor de carga estática de nuvens será uma antena externa e como radar, a antena direcional. Todos os três sensores são mostrados na figura 8.

 


 

 

Os componentes eletrônicos devem ser os seguintes:

O transistor de efeito de campo sugerido é o MPF102 que é bastante comum, mas equivalentes próximos podem ser experimentados.

O circuito integrado é o 741 que aparece com denominações tais como LM741, µA741 ou 72741, em invólucro DIL de 8 pinos. O leitor pode usar um soquete.

O VU é do tipo comum encontrado em muitos aparelhos de som e que são vendidos nas casas de materiais eletrônicos a custo relativamente baixo. Os leitores que quiserem usar um instrumento maior como, por exemplo, um miliamperímetro de 0-1 mA, podem fazê-lo, bastando para isso reduzir o resistor R3 do circuito para 1k2.

Existe mesmo a possibilidade do leitor ligar o seu multímetro na escala mais baixa de tensão, caso em que o resistor R3 deve ser reduzido para 220 Ω.

Os resistores são todos de 1/8 ou ¼ W com 10% ou 20% de tolerância.

C1, que é optativo, tem valores situados entre 2,7 pF e 10 pF. Este capacitor, dependendo da aplicação a ser dada, não precisa ser usado.

O outro capacitor é cerâmico ou de poliéster e seu valor não é crítico.

Temos finalmente a bateria de 9V que deve ter conector e o interruptor geral, que no nosso caso foi conjugado a P2.

Os potenciômetros P1 e P2 são de valores comuns, podendo ser tanto lineares como logarítmicos.

A montagem poderá ser tanto feita em ponte de terminais como em placa. No segundo caso o leitor deve ter os recursos para sua elaboração.

 

MONTAGEM

A montagem em ponte é indicada para os menos experientes por não exigir recursos especiais, mas ocupa um pouco mais de espaço.

Já a montagem em placa exige o laboratório para sua execução e é mais compacta.

Na figura 9 temos o circuito completo do radar-eletroscópio, onde os componentes são representados pelos seus símbolos.

 


 

 

Na figura 10 temos a versão em ponte de terminais em que um recurso fora do comum é usado na conexão do circuito integrado CI-1.

 


 

 

São cortados pequenos pedaços de fio encapado de aproximadamente 2 em cada um, os quais são soldados nos terminais do integrado, ou de seu soquete, se o leitor o usar.

Na figura 11 temos a versão mais compacta em placa de circuito impresso, mostrada em tamanho natural.

 


 

 

 

O leitor deve preferivelmente seguir as seguintes indicações para ter certeza de êxito em sua montagem.

a) Comece soldando o circuito integrado. Observe sua posição, já que existe uma marca ou mera lua que identifica o pino 1 a partir do qual se faz a contagem em sentido anti-horário. Na versão em ponte o Cl é ligado por meio de pedaços de fio, enquanto que na versão em placa é soldado diretamente.

b) Solde agora o transistor de efeito de campo, observando sua posição que e dada em função da parte achatada. Seja rápido e cuidadoso ao fazer a soldagem deste componente.

c) Os próximos componentes a serem soldados são os resistores. Veja bem os valores destes que são dados pelas faixas coloridas. Dobre seus terminais e corte-os no comprimento apropriado tanto na versão em ponte como em placa.

d) Para soldar os capacitores, além dos valores a serem observados, os leitores devem ter cuidado com o excesso de calor que pode facilmente danificá-los.

e) Se sua versão for em ponte de terminais, faça as interligações entre os pontos que as exigem, usando pedaços de fio flexível. Essas ligações devem ser curtas.

f) Solde os componentes externos começando pela ligação dos potenciômetros P1 e P2. Obedeça a posição dos fios para que estes controles não atuem ao contrário. Use fios em comprimento apropriado, já que os potenciômetros devem ser fixados na caixa. Será conveniente cortar seus eixos para receber os botões, antes de fazer sua montagem na caixa.

g) Na ligação do VU, que também fica no painel da caixa, use pedaços de fios não muito longos. Não será preciso observar a polaridade. Se a deflexão for "ao contrário" basta inverter os fios depois.

h) Faça a ligação do interruptor S1 e do conector para a bateria de 9 V. Observe a polaridade do conector. O fio vermelho corresponde ao polo positivo e o preto ao negativo.

i) Complete com a ligação do jaque do sensor.

 

Terminada a montagem o leitor deve fixar a placa na caixa usando parafusos com separadores que são feitos com tubos de canetas esferográficas. As pontes serão parafusadas na caixa. Esta caixa não deve ser metálica.

Depois disso é só montar os sensores conforme as indicações no início do artigo.

 

PROVA E USO.

Confira toda a montagem e, se tudo estiver em ordem, coloque uma bateria de 9 V nova no aparelho.

Ligue o interruptor S1 (que pode ser conjugado a P1 ou independente) e ajuste o potenciômetro P2 para seu mínimo (mínimo ganho).

Depois, ajuste P1 até que o ponteiro do VU vá até metade da escala.

O sensor pode ser uma pequena argola de metal ou mesmo um pedaço de fio de uns 4 ou 5 cm descascado.

A seguir, vá aumentando o ganho do amplificador, girando lentamente para a direita o potenciômetro P2 e ao mesmo tempo retocando o ajuste de P1 de modo a manter o ponteiro do VU mais ou menos no meio da escala.

Chegará o ponto em que você não mais conseguirá o ajuste. Volte um pouco até obter a estabilização do ponteiro no meio da escala.

Agora, esfregue um pedaço de plástico, uma caneta ou ainda um pente num tecido de seda (lenço), numa blusa de lã ou mesmo na manga de sua camisa. Aproxime o objeto do sensor. A agulha do instrumento deve oscilar rapidamente indicando a carga do objeto. (figura 12)

 


 

 

Se o seu aparelho tiver realmente boa sensibilidade, já ao esfregar o pente ou caneta no tecido a uma distância de até 1 metro, a agulha já deve oscilar.

Caminhando diante do aparelho já com a antena sensora e tendo passado por um tapete, a agulha deve oscilar indicando sua presença e suas cargas.

Para usá-lo como sensor de tempestades uma pequena antena externa deve ser usada. A oscilação da agulha indica a carga elétrica das nuvens.

Ao usá-lo na detecção de qualquer tipo de carga, evite encostar o objeto carregado no sensor, pois o excesso de tensão pode causar a queima do transistor.

 

Cl-1 - 741 ou equivalente (LM741, µA741, etc.) - circuito integrado

Q1 - MPF102 - transistor de efeito de campo

M1 - VU-meter comum de 200 pA (ver texto).

P1, P2 – 100 k - potenciômetros (um deles com chave)

Cl - 2p7 - capacitor cerâmico

C2 - 100 nF - capacitor cerâmico ou de poliéster

R1 - 1k2 x 1/8 W - resistor (marrom, vermelho, vermelho)

R2 – 10 k x 1/8 W - resistor (marrom, preto, laranja)

R3 - 8k2 x 1/8 W - resistor (cinza, vermelho, vermelho)

S1 - interruptor simples (conjugado a P2)

B1 – 9 V - bateria

J1 - jaque banana

Diversos: sensores, placa de circuito impresso ou pontes de terminais, caixa para montagem, fios, solda, botões para os potenciômetros, parafusos e porcas, separadores, etc.

 

BUSCAR DATASHEET

 


N° do componente 

(Como usar este quadro de busca)

 

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