Fotocélula con 555.

Hola gente, después de una pausa obligada debida a mi trabajo, retomo las publicaciones de Inventable proponiéndoles una nueva versión perfeccionada de la fotocélula que he publicado tiempo atrás y que en este caso usa el mítico circuito integrado 555.
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El 555 fue inventado por Hans R. Camenzind para la Signetics a principio de los años 70 y fue el circuito integrado más popular y famoso en la historia de la electrónica a tal punto que se han hecho miles de proyectos basados en él.

Aunque si el 555 se usa generalmente como oscilador (multivibrador astable) o como temporizador (multivibrador monoestable), en este proyecto lo usaremos simplemente como interruptor controlado por la luz y por lo tanto sin temporizaciones. 
Para esto aprovecharemos el flip flop y los comparadores internos que tiene el integrado. En la figura siguiente podemos ver una diagrama a bloques del integrado. Respecto al interruptor con transistores que he publicado tiempo atrás, este montaje posee mejores características técnicas como por ejemplo una acción de conmutación más precisa y una mayor histéresis. Además, usa menos componentes.

Diagrama interno del circuito inetgrado 555.

Como hemos visto en el otro proyecto, la histéresis consiste en el hecho que el relé se activa cuando la luz que incide sobre la fotocélula baja de un cierto nivel pero para poder desactivar el relé es necesario que haya más luz respecto a cuando este se activó. Es decir, existen dos umbrales distintos, uno para que el relé se active, el otro para que se desactive. El diseño siguiente explica el concepto en modo gráfico.

Explicación gráfica de la histéresis en nuestro circuito.

La histéresis sirve para evitar que en el crepúsculo o en los días de tormenta, el circuito se encienda y se apague continuamente por encontrase entre la luz y la obscuridad (pasando continuamente por la zona del umbral). En la industria, todos los dispositivos electrónicos de autoregulación tienen un sistema histéresis.
En la figura siguiente he simplificado el circuito interno del 555 eliminando las partes que no sirven para esta aplicación y agregando la fotocélula de tipo LDR (Light Dependent Resistor). Podemos observar que una de las patas del LDR está conectada a masa (negativo) y la otra a una resistencia variable de regulación (preset o trimmer), esta última conectada a positivo. El LDR y el preset así conectados crean un divisor resistivo. El punto intermedio del divisor resistivo se encuentra indicado en la figura con la letra "A".

Diagrama simplificado del 555 con la fotocélula.

En la obscuridad, el valor de resistencia del LDR será muy elevado y por lo tanto, mucho mayor que el del preset, por lo tanto la tensión en "A" será más bien positiva. Por el contrario, cuando tengamos mucha luz, la resistencia del LDR disminuirá llevando la tensión del punto "A" casi a masa. Los dos comparadores internos del 555 "miden" la tensión del punto "A" y activan el relé solo si la tensión es de 2/3 de la alimentación (8V en el caso de alimentación con 12V) y desactiva el relé si la tensión en A es menor de 1/3 de la alimentación (4V en el caso de alimentación con 12V). En situaciones de penumbra, las tensiones intermedias en "A" (entre 4V y 8V), gracias a la histéresis del circuito no producen cambios en el estado del relé.

Circuito de la fotocélula con el integrado 555.

La resistencia de ajuste (preset) nos permite de regular el umbral de activación del circuito. La resistencia en serie con el preset sirve solamente para evitar un exceso de corriente en el caso que el trimmer se encuentre al mínimo y la célula fotoeléctrica reciba mucha luz. Al inicio del artículo muestro la distribución de los componentes en la plaqueta y un ejemplo de conexión a una lámpara de 220V (o 110V). Para los que desean conectar el circuito a una tira de leds, es necesario usar los contactos auxiliares que se encuentran cerca de las salidas del relé como se puede ver en la figura.

Conexión de la fotocélula a una luz de 110V o 220V.

Elenco de materiales
  • 1 resistencia de 1K 1/4W
  • 1 resistencia de 1,8K 1/4W
  • 1 trimmer de 500K
  • 1 LDR (célula fotoeléctrica)
  • 1 diodo 1N4007 (cualquier diodo rectificador de 1A)
  • 1 circuito integrado 555 (NE555, CA555, SE555, NA555)
  • 1 led 3mm amarillo
  • 1 relé 12V doble
  • 3 conectores con borneras de 2 vías
  • 1 conector con borneras de 3 vías
  • 1 circuito impreso

En las figuras podemos ver el diseño del circuito impreso y las vistas pictóricas. El relé que yo he usado es doble y para aumentar la capacidad de corriente de este he conectado los contactos en paralelo. Los contactos de salida son tres porque los relés poseen también una salida "normalmente conectada" (NC) que podemos usar si nuestro circuito debiera trabajar al contrario.

Conexión de la fotocélula a una tira de leds de 12V.

Pueden observar que la célula fotoeléctrica se puede soldar directamente en el circuito impreso o, a través de borneras, montar externamente como he hecho yo en el prototipo.
En el circuito impreso encontraran un espacio para montar una resistencia entre la pata 7 y la pata 6 del integrado y cuyo valor no se encuentra indicado. Esta resistencia es opcional y sirve solo en el caso sea necesario reducir la amplitud de la histéresis del circuito. Para esto, pueden probar con distintos valores entre 4,7K y 100K en base a la necesidad.

Circuito impreso de la célula fotoeléctrica con el 555.

El circuito puede ser usado también como barrera fotoeléctrica. Para ello basta simplemente iluminar nuestra célula fotoeléctrica con un rayo de luz creado por nosotros (leds, lamparillas, linternas, laser, etc.) que se encuentre del otro lado del pasaje que queramos controlar. Cuando una persona, animal u objeto pasa a través de esta "barrera", el rayo de luz será interrumpido y por lo tanto se activará el relé. Les aconsejo de agregar un tubo obscuro de pocos centímetros a la célula fotoeléctrica para evitar interferencias luminosas.

Como de costumbre, les pongo para descargar el circuito impreso modificable en formato KiCad y también el PDF de alta resolución.
Hasta la próxima!!

Gabriel (inventable)

FOTOCÉLULA CON 555
5 JULIO 2016 INVENTABLE 24 COMENTARIOS



Circuito impreso (PDF) (120)
Circuito impreso en formato fuente y modificable (KiCad) (98)

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ORIGEN DEL PROYECTO:  http://www.inventable.eu/2016/07/05/fotocelula-con-555/#more-1600
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