Anemômetro de LEDs (ART2538)

Quem precisa medir a velocidade do vento? Ao contrário do que muitos leitores possam pensar, existe muita gente que precisa saber qual é a força do vento. São os velejadores, os navegadores em geral,os que possuem moinhos de vento e bombas de água movidas pelo vento em seus sítios e fazendas, e muitos outros. Para estes que precisam saber qual é a “força” do vento em qualquer instante é que levamos o projeto do anemômetro de LEDs, de simples montagem, instalação e leitura.

Para os que não sabem, um anemômetro é um aparelho que permite medir a velocidade do vento. Instalado em aeroportos ou fazendas, este aparelho dá uma indicação precisa da velocidade do vento, coisa muito importante nestes casos.

Nos aeroportos, saber a velocidade e a direção do vento são importantes na determinação da pista que deve ser usada (figura 1).

 

Figura 1 – O anemômetro nos aeroportos
Figura 1 – O anemômetro nos aeroportos | Clique na imagem para ampliar |

 

 

Nas fazendas e sítios o anemômetro permite saber qual é o melhor momento para usar a força do vento no bombeamento de água ou em um moinho.

Para os velejadores, a força do vento é também muito importante, assim como o conhecimento de sua direção.

Se o leitor está envolvido em qualquer um destes casos, por que não dispor de um anemômetro simples de montar e que pode ser facilmente instalado no telhado de sua casa, ou ainda em uma torre?

Este anemômetro possui uma escala luminosa de LEDs, a qual lhe dá uma ideia imediata da velocidade do vento em qualquer instante.

Importante nesta montagem é que todo material usado é de fácil obtenção, inclusive o sensor de vento que é improvisado com um motor comum de toca-discos.

 

O CIRCUITO

Como sempre, para facilitar ao máximo a compreensão do princípio de funcionamento de nossos aparelhos, faremos sua divisão em blocos, cada qual tendo uma função diferente.

Para o anemômetro, teremos três blocos funcionais mais um da fonte de alimentação, mostrados na figura 2.

 

Figura 2 – Diagrama de blocos do aparelho
Figura 2 – Diagrama de blocos do aparelho

 

 

Começaremos pelo final, ou seja, pelo último bloco que é o display de LEDs.

Os LEDs, como a maioria dos leitores já sabe, são "lâmpadas de estado sólido", ou seja, dispositivos semicondutores de comportamento análogo ao dos díodos, que acendem quando uma tensão faz circular uma corrente no sentido direto.

Os LEDs comuns precisam de uma tensão de aproximadamente 1,6 V e operam com correntes de até 50 mA.

Para fazer com que os LEDs acendam em sequência num “display", é preciso um circuito especial, que é mostrado na figura 3.

 

Figura 3 – Circuito de acionamento dos LEDs.
Figura 3 – Circuito de acionamento dos LEDs.

 

 

Cada LED é excitado por um transistor que funciona como uma “chave" que liga quando a tensão entre sua base e seu emissor atinge um valor de aproximadamente 0,6 V.

A base de cada transistor é ligada a um divisor de tensão que possui 6 diodos comuns de silício, cuja tensão no sentido direto, ao conduzir a corrente, também é de aproximadamente 0,6 V.

Este divisor de tensão permite um “escalonamento" no acendimento dos LEDs, ou seja, no disparo dos transistores que os acende.

Assim, quando a tensão na entrada do divisor é suficiente para disparar o primeiro transistor acendendo o primeiro LED, o primeiro díodo atua como um bloqueio para acender o segundo LED.

A tensão deve ser então um pouco maior para acender o segundo LED. I

Igualmente, já teremos de aplicar uma tensão maior ainda para vencer a oposição de três díodos e assim por diante.

Podemos fazer um gráfico simplificado para mostrar como os diodos atuam como “degraus" para o acendimento dos LEDs (figura 3).

O disparo dos LEDs em sequência, conforme a velocidade do vento, é feito pelo segundo bloco.

Este bloco de “tradução" converte a tensão do transdutor, que depende da velocidade do vento, num sinal para o disparo dos LEDs.

Temos então, como mostra a figura 4, um transformador, um diodo, um trimpot, um transistor e um capacitor.

 

Figura 4 – O bloco sensor
Figura 4 – O bloco sensor

 

O transistor tem sua base ligada ao circuito de entrada e o emissor à série de diodos.

Quanto mais intenso for o sinal na sua base, maior será a tensão aplicada aos diodos e, portanto, maior número de LEDs acenderá.

O trimpot permite fazer um ajuste do ponto de funcionamento.

O capacitor tem uma função importante. Sem ele o circuito torna-se de ação muito rápida, fazendo com que os LEDs variem de luminosidade, seguindo as variações rápidas de velocidade do vento.

Para “amortecer" isso, é usado o capacitor que "aplaina" a resposta do circuito.

O primeiro bloco, analisado a seguir, é o que tem o transdutor.

Este transdutor nada mais é do que um motor de corrente contínua de toca-discos de 6, 9 ou 12 V.

Conforme mostra a figura 5, este motor tem em seu eixo uma hélice ou então um sistema de ”canecas", de tal forma que o vento os faça girar numa velocidade tanto maior quanto seja sua força.

 

Figura 5 – O captador de vento
Figura 5 – O captador de vento

 

 

Pois bem, estes pequenos motores, quando forçados a girar por qualquer mecanismo externo, funcionam como “dínamos”, produzindo uma tensão que será tanto maior quanto maior for sua velocidade.

É justamente esta tensão que será aplicada ao circuito de entrada do anemômetro para acionar os LEDs em sequência.

O transformador “casa" as características do motor com o circuito, de modo a termos uma resposta de acordo com os ventos comumente notados na prática.

Este motor com o sistema de hélice ou canecas, evidentemente, será colocado em local que possa receber diretamente o vento.

A energia para o acendimento dos LEDs e para o transistor excitador não vem do motor, pois ele não tem força suficiente para fornecê-la.

Para esta finalidade temos o quarto bloco que é da fonte de alimentação.

Esta fonte, através de um transformador, reduz a tensão da rede para 12 V e retifica-se com a ajuda de dois diodos (retificação em onda completa). Após a retificação temos a filtragem com um capacitor eletrolítico de alto valor.

Temos então uma tensão da ordem de 15 à 18 V, mais do que suficiente para a finalidade desejada.

Obs.: existe a possibilidade de se usar 8 ou 9 pilhas grandes na alimentação deste aparelho, mas como o consumo de energia é algo elevado, este deve ser dotado de um interruptor de pressão que será utilizado para ligar o aparelho por alguns instantes, somente no momento de se fazer a leitura.

 

MATERIAL

O material eletrônico para esta montagem não oferece dificuldades de obtenção.

O material “mecânico" também pode ser improvisado com facilidade.

Começamos por indicar o material mecânico: o motor pode ser de qualquer tipo de corrente contínua de toca-discos de 6, 9 ou 12 V. Até mesmo motores de brinquedos que funcionem com pilhas de 3, 4, 5 ou 6 V podem ser experimentados.

No eixo deste motor deve ser fixada uma hélice de aeromodelo, conforme mostra a figura 6, ou então um sistema rotativo de canecas, conforme mostra a mesma figura.

 

Figura 6 – Hélices o pás fixadas ao motor
Figura 6 – Hélices o pás fixadas ao motor

 

 

No sistema com hélice temos uma dificuldade: a hélice deve ficar voltada sempre para a direção do vento, o que exige a elaboração de um sistema móvel. No caso das canecas isso não acontece, pois o motor gira qualquer que seja a direção do vento, desde que em seu plano. (figura 7)

 

Figura 7 – Sistema que acompanha o vento
Figura 7 – Sistema que acompanha o vento

 

 

Estas canecas podem ser confeccionadas com pedaços de plástico ou mesmo metal leve, nas medidas mostradas no desenho.

Como o sistema vai ficar ao ar livre, é conveniente proteger o motor contra a chuva, que pode afetar seu funcionamento como dínamo.

O fio de ligação do motor ao aparelho propriamente dito pode ter até 10 metros de comprimento e deve ser bem isolado.

Com relação ao material eletrônico não há dificuldade para sua obtenção.

O sistema poderá ser instalado numa caixa, conforme sugere a figura 8.

 

   Figura 8 – Caixa para montagem
Figura 8 – Caixa para montagem

 

 

Os LEDs recomendados são os vermelhos, de baixo custo. Nada impede que os leitores usam LEDs de outras cores como, por exemplo, verdes para as baixas velocidades, amarelos para as médias e vermelhos para as elevadas.

Os transistores são de uso geral, NPN de silício. Os tipos mais comuns que atendem estas características são os BC548, BC547, BC238 e BC237.

Os diodos são de dois tipos. De D1 à D7 são usados diodos de uso geral de baixas correntes, como os 1N4148, que são comuns, ou os 1N914, que também podem ser encontrados com facilidade. Entretanto, praticamente qualquer diodo de silício funcionará nestas funções.

Os diodos D8 e D9 são retificadores, cuja única exigência é suportar uma corrente de pelo menos 500 mA. Recomendamos os 1N4002 ou 1N4004 que, mesmo estando “super especificados", têm a vantagem de poderem ser encontrados com muita facilidade.

O trimpot é comum, podendo ser de 4M7, como o pedido, ou até mesmo de 2M2 ou 2M7.

Os resistores de R1 à R8 são de 1/8 W. Os resistores de R9 à R14, por trabalharem com correntes maiores, precisam ser de ¼ ou mesmo de ½ W.

C1 e C2 são capacitores eletrolíticos, cuja tensão de trabalho deve ser de pelo menos 16 V para o primeiro e 25 V para o segundo. Os valores não são críticos. Pode-se inclusive alterar o valor de C1 segundo a resposta desejada.

T1 é um transformador de saída para transistores, cuja impedância de primário deve estar entre 500 e 1000 ohms. O leitor deve fazer experiências com este componente no sentido de utilizar o que dê melhores resultados.

Este componente está na dependência direta das características do motor usado como transdutor.

Para T2 não existe problema algum. Trata-se de um transformador, cujo primário esteja de acordo com a sua rede de energia, ou seja, 110 V ou 220 V, e que tenha um secundário de 12 V com tomada central e pelo menos 500 mA de capacidade de corrente.

Os demais componentes, tais como a chave geral S1, os fios, solda, ponte de terminais, etc., nem precisam ser comentados.

 

MONTAGEM

Na figura 9 temos o circuito completo do anemômetro, com os componentes dados pelos seus símbolos e com os valores originalmente experimentados pelo autor na montagem do protótipo.

 

   Figura 9 – Diagrama completo
Figura 9 – Diagrama completo

 

Na figura 10 temos a nossa sugestão de placa de circuito impresso, onde são montados todos os componentes, exceto o transformador (T2) e o sensor (motor).

 

Figura 10 – Placa para a montagem
Figura 10 – Placa para a montagem

 

 

Ao realizar a montagem, o leitor deve ter em mente os seguintes cuidados:

a) Ao soldar os transistores, em primeiro lugar, observe bem sua posição, vendo nos desenhos correspondentes a posição de sua parte ›achatada. Seja rápido na sua soldagem, pois estes componentes são sensíveis ao calor.

b) Ao soldar os LEDs veja bem a posição do seu lado achatado (catodo), pois se houver inversão eles não acenderão. Veja que, após a soldagem, os LEDs são dobrados para fora da placa. Seja rápido na soldagem destes componentes, pois eles também são sensíveis ao calor.

c) Solde os diodos, observando sempre a sua posição que é dada em função do anel em seu corpo. Seja bem rápido ao soldar estes diodos, pois eles são delicados, sofrendo alterações de características ou danos com o excesso de calor.

d) Os próximos componentes que o leitor poderá soldar são os resistores. Veja bem os seus valores e a posição correspondente, conferido as cores de seus anéis segundo a lista de material.

e) Para soldar C1 e C2 não há segredo algum. Dobre seus terminais segundo sua posição, cortando-os se forem muito longos. É importante apenas observar a polaridade destes componentes, ou seja, a posição do polo positivo e do pó!o negativo.

f) Para soldar o trimpot em posição de funcionamento, será preciso ajustar sua posição para que seus terminais se encaixem nos furos correspondentes.

g) O transformador T1, por ser de pequenas dimensões, pode ser preso pelos seus próprios terminais. Veja sua posição, já que de um lado temos dois fios e do outro temos 3 fios. Acompanhe a figura em caso de dúvidas.

h) Solde finalmente o transformador T2. Este componente deverá ser fixado diretamente na caixa.

Complete a montagem com a ligação do motor. O leitor pode usar um jaque para a conexão deste componente remoto, facilitando assim a eventual retirada da caixa para reparos ou ajustes.

j) A ligação do interruptor geral e do cabo de alimentação não oferecem problemas.

Terminada a montagem, confira todas as ligações antes de fazer a prova de funcionamento.

 

PROVA E USO

Comece ligando o aparelho à rede de alimentação. Acione S1.

Se algum LED acender neste momento, verifique a possibilidade do transistor a que ele está ligado estar em curto. Isso pode ser feito com a sua substituição (será conveniente o leitor comprar alguns transistores a mais do que o exigido na lista para esta possibilidade).

A seguir, ligue do modo indicado na figura 11 o circuito de prova, com um simples potenciômetro de 10 k.

 

Figura 11 - testando
Figura 11 - testando

 

 

Girando o potenciômetro de um extremo a outro, os LEDs devem acender em sequência. Se algum LED não acender, veja se ele não está invertido ou queimado.

Se os LEDs pararem de acender em determinado ponto, não passando disso, veja a ligação do díodo correspondente que pode estar com problemas.

Verificado o funcionamento desta parte do circuito veremos o motor.

Ligando o transdutor (motor), com a mão giramos o seu eixo rapidamente, ou então forçamos seu movimento defronte a um ventilador.

Com o movimento do motor, os LEDs devem acender, tanto mais quanto mais forte for o vento. Ajuste o trimpot se nada acontecer.

Se ainda com o ajuste do trimpot os LEDs não acenderem, inverta os fios de ligação do motor.

Se os LEDs mesmo com um movimento lento do motor acenderem todos, é preciso reduzir sua potência. Para isso ligue, em série com o motor, conforme mostra a figura 12, um resistor, cujo valor deve ser determinado experimentalmente.

 

Figura 12 – Resistor limitador
Figura 12 – Resistor limitador

 

 

Este resistor terá valores entre 10 e 220 ohms.

Se mesmo à grande velocidade do motor, um ou dois LEDs somente acenderem, o leitor terá duas alternativas. Ou trocar o motor ou experimentar um transformador diferente para T1.

A tabela dada a seguir permite fazer a calibração da escala:

LED 1 - fraco - brisa

 

LED 2 - regular - vento fraco

 

LED 3 - regular - vento forte

 

LED 4 - forte - ventania

 

LED 5 - muito forte – tempestade

 

 

Q1 a Q7 - BC548 ou equivalentes - transistores NPN de silício para uso geral (BC237, BC238 ou BC547)

D1 a D7 - 1N4148 ou 1N914 - diodos de silício de uso geral

D8, D9 - 1N4002 ou IN4004 - diodos retificadores de silício

LED1 a LED6 - LEDs comuns, vermelhos

P1 - 4M7 - trimpot

C1 – 4.7 uF x 16 V - capacitor eletrolítico

C2 - 1000 uF x 25 V - capacitor eletrolítico

R1 - 1M x 1/8 W - resistor (marrom, preto, verde)

R2 – 56 R x 1/8 W -~ resistor (verde, azul, preto)

R3 a R8 - 1k2 x 1/8 W - resistores (marrom, vermelho, vermelho)

R9 a R14 ~ 680 R x ¼ W - resistores (azul, cinza, marrom)

T1 - transformador de saída para transistores com primário de 500 à 1000 ohms e secundário de 8 ohms

T2 - transformador de alimentação com primário segundo a rede local e secundário de 12 + 12 V x 500 mA

S1 - interruptor simples

M1 - motor de toca-discos de 6, 9 ou 12 V(ver texto)

Diversos: caixa e acessórios de montagem, placa de circuito impresso, cabo de alimentação, copos plásticos ou hélice de aero-mode10, etc.

 

 


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