Circuitos ÚTILES 13. Interruptor crepuscular

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ÍNDICE

1. Para qué sirve un interruptor crepuscular
2. Este vídeo es una colaboración entre youtubers
3. Esquema y funcionamiento
4. Lista de componentes
5. Hacer el PCB
6. Colocar invento en belén
7. El vídeo
8. Mi colección de vídeos en Youtube




1. Para qué sirve un interruptor crepuscular

Casi todos, cuando éramos niños, creíamos que el encendido y apagado del alumbrado público corría a cargo de algún diligente operario que cada día, a la hora exacta, accionaba el botón correspondiente. Bueno, esto es cierto en tiempos pasados, donde existía la figura del "farolero" que tenía precisamente esa misión.

Desde hace bastante tiempo, el encendido y apagado del alumbrado público se hace por medios automáticos: Con un interruptor crepuscular.

El interruptor crepuscular es un circuito electrónico que tiene un sensor capaz de medir la luz en el ambiente. Cuando la luz decae por debajo de un valor umbral prefijado, el circuito activa la alimentación eléctrica para las farolas o luminarias y éstas se encienden. Y así permanecen toda la noche. Cuando llega el amanecer, la creciente luz, al superar nuevamente ese umbral, desactiva la alimentación apagando las luces.

Fig 1. Circuito terminado del interruptor crepuscular.

Un buen diseño de este circuito debe evitar el apagado momentáneo de las luces en plena noche a causa de iluminaciones súbitas y repentinas que le hacen "creer" al sensor de luz que es de día: Relámpagos, fuegos artificiales, flashes de cámaras de fotos... lo veremos más adelante.

Un interruptor crepuscular es un circuito sencillo y económico. Si deseas iluminar durante la noche tu terraza, jardín, camino privado, etc, este circuito te será muy útil.




2. Este vídeo es una colaboración entre youtubers

Lo digo en el vídeo, y también lo comento aquí en el blog: Este proyecto (Interruptor crepuscular) es una colaboración entre varios youtubers, a iniciativa de Gastón, el titular del canal de youtube "Proyectos LED". 

Quedamos en que cada youtuber haría un vídeo (cada uno con su temática), pero orientado a un motivo navideño. Esa es la razón de porqué emplearé este interruptor crepuscular en una maqueta, concretamente un Belén. El consumo será mínimo ya que sólo se van a encender 4 diodos LED en serie, lo que implica el manejo de una tensión continua de tan sólo 12 voltios (3 volt. para cada LED) y con una intensidad que apenas llegará a los 50 mA.

Pero nada impide que este mismo circuito, sin modificaciones, pueda ser empleado en una aplicación más "real" como las descritas anteriormente: Un patio, un jardín, una senda particular con farolas...

Este circuito tiene capacidad para gestionar luces hasta una potencia máxima de casi 5 Kw si usamos un relé de cuatro contactos con capacidad de 10 Amp en cada contacto (2400w), lo que nos permitirá poner en cada contacto unos 1.200w (la mitad del máximo de 2400w por motivos de no sobrecargar al relé), por ejemplo 12 bombillas de 100w cada una. Si usamos los cuatro contactos serían 48 bombillas de 100w cada una.

Si ponemos un relé de más potencia, o varios relés en paralelo podemos gestionar 10Kw o incluso más.

Ah! Los enlaces a los otros vídeos de esta colaboración navideña, así como los canales de YT respectivos los tenéis en la descripción de este vídeo.




3. Funcionamiento y Esquema

El componente principal sin lugar a dudas es la resistencia LDR, (por sus iniciales en inglés: Light Dependent Resistor). También se usa el nombre de fotorresistencia. Es una resistencia cuyo valor depende de la luz que incide sobre ella. En condiciones de oscuridad total su resistencia es muy elevada, del orden de megaohmios. A medida que la luz hace acto de presencia su resistencia va disminuyendo, hasta llegar a valores muy bajos (unos pocos ohmios) cuando la intensidad luminosa es muy alta. Es decir, una relación inversa:

A más luz -> Menos resistencia

Este hecho se puede aprovechar para incluir la LDR en un circuito y gestionar de forma automatizada un evento tal como encender/apagar luces.

Fig 2. Fotorresistencia o LDR

Una LDR típica tiene una apariencia como la de la figura 2 (está en un protoboard).

Tienen dos terminales, sin polaridad (no importa cómo conectes sus terminales), y en su fabricación se utilizan materiales fotosensibles basados en compuestos de cadmio.

La parte donde debe incidir la luz es la que tiene el dibujo en forma de S






En el siguiente esquema vemos un circuito operacional, el IC1 que es un 741. Tiene dos entradas: La 2 (inversora, marcada con  un  signo "-") y la entrada 3 (entrada no inversora, marcada con un signo "+")

El circuito 741 hace una operación matemática de resta con las dos tensiones suministradas a sus pines 3 y 2. 

- Si el resultado de la resta es positivo, la salida en el pin 6 será "nivel alto", la de alimentación (en este caso unos 12v). 

-  Si el resultado es negativo, la salida 6 será nivel bajo (cero voltios o unos pocos milivoltios).

Según sea alta o baja la salida en el pin 6, se activará o no el transistor T1 ya que la salida del pin 6 del 741 se aplica a la base de dicho transistor a través de R4. Cuando el transistor conduce, se activa el relé, los contactos conmutan y las luces se encienden. Cuando el transistor no conduce, el relé pasa a reposo y los contactos del relé se separan dejando de funcionar las luces.

Veamos dos casos:

Supongamos que es de día. La LDR recibe luz, su resistencia será baja, así que la tensión en el pin 2 del IC1 será mas bien alta (más que la de la entrada del pin 3). El resultado de restar la tensión de los pines 3 y 2 será negativo,  así que la salida 6 de IC1 tendrá nivel bajo. La base de T1 no tiene polarización suficiente para hacerlo entrar en conducción y la bobina del relé RL1 no se excita. Las luces permanecen apagadas.

Ahora pongámonos en el caso de que llega la noche. La luz cada vez es menor, la resistencia de LDR va aumentando consecuentemente, y también decrecerá la tensión en el pin 2 de IC1 hasta que llega un momento en que ambas son iguales. A partir de aquí, si la luz sigue decayendo, la tensión en el pin 2 será menor que la del 3, y entonces la resta será positiva, el IC1 tendrá nivel alto en su salida pin 6. El transistor T1 conduce, excita a la bobina del relé y los contactos de dicho relé conmutan... dando servicio a la iluminación conectada a sus contactos.

Fig 3. Esquema del interruptor crepuscular

La alimentación del circuito es a 12v, en la parte más izquierda del esquema. Puede hacerse una sencilla fuente con trafo + puente de diodos + 2 condensadores de filtro y todo ello montado en el mismo PCB aunque en el esquema no aparece. También podemos usar un alimentador comercial con salida de 12 V continua, opción esta última que voy a elegir, por seguridad.

La alimentación del IC1 es en los pines 7 (positivo) y 4 (negativo).

R2 es un potenciómetro ajustable cuya finalidad es ajustar a qué nivel de iluminación se produce el encendido/apagado de las luces. Lo más normal es que el circuito no funcione la primera vez que lo usemos por estar R2 desajustado. Para ajustarlo, conectar todo y reproducir unas condiciones de luz correspondientes al momento en que deseemos que las luces se enciendan. Ajustar R2 hasta que veamos que las luces se apagan (si estaban encendidas) o viceversa. Ese será el nivel de luz en que sucederá la conmutación.

C2 cumple la importante función de evitar que los relámpagos o fuegos artificiales apaguen el alumbrado durante un instante (lo que dura el relámpago). Cuando la salida pin 6 de IC1 cae momentáneamente a cero por un flash de relámpago, el condensador C2 permite a T1 seguir trabajando durante un segundo gracias a la carga que almacena, y un segundo es tiempo más que suficiente para cubrir la duración total de un relámpago. De este modo evitamos que el alumbrado se desvanezca cada vez que hay un relámpago, lo que no solo es molesto, también supone stress para la instalación.

Fig 4. Transistor BC337

El transistor BC337 es capaz de suministrar hasta 800 mA de forma continua, por lo que puede excitar no uno sino varios relés en paralelo, pues cada bobina consume unos 100 mA o menos.

Es raro necesitar poner varios relés, ya que con uno solo se puede gestionar bastante potencia. Pero en caso de que vayamos a controlar una instalación realmente grande, esa posibilidad existe.







El diodo D1 en paralelo con la bobina del relé evita que la fuerza contraelectromotriz de la bobina del relé destruya el transistor T1. Siempre hay que tener presente que cada vez que se envía corriente (o se deja de enviar corriente) a la bobina del relé, ésta devuelve un breve pero potente pulso de tensión que destruirá a T1, y esto es una certeza.

La protección consiste en que D1 será el que absorba ese pico de tensión y no T1. El diodo D1 Puede ser de cualquier tipo de propósito general, por ejemplo 1N4007, 1N4148, BY127...

Los contactos del relé serán alimentados con la tensión oportuna para hacer funcionar al alumbrado. En mi caso serán 12v continua para hacer trabajar 4 diodos LED en serie. Como cada uno necesita 3v, pues 3v x 4 diodos = 12v.

Si por el contrario quieres usar corriente alterna de 240v/110v para iluminación "normal", debes tener en cuenta la intensidad máxima que soporta el relé. Si por ejemplo soporta 10A, tenemos que a 240v serán 2400w. No está mal. Sin embargo, no aconsejo irse al límite con el relé si se le va a hacer trabajar de forma continua como es nuestro caso (toda la noche). Mejor limitémonos a la mitad de su capacidad, en este caso serían 1200 w en lugar de 2400 w. Sigue estando muy bien, pues podemos gestionar 12 lámparas de 100 w.

Si nos quedamos cortos con 1200 w, recuerdo que hay relés de dos y cuatro contactos, y cada uno de esos contactos puede con 1200 w, así que con cuatro contactos podemos manipular hasta 4800 w (48 lámparas de 100 w).

¿Sigue siendo poca potencia? Por eso decía antes que los 800mA máximos de intensidad emisor-colector de T1 nos permite excitar como mínimo tres relés en paralelo. 

Si ponemos tres relés, la potencia máxima que podemos gestionar sería:

3 relés x 4 contactos cada uno x 1200 w cada contacto = ¡¡ 14.400 w !!

Cortos en potencia no creo que nos quedemos...




4. Lista de componentes

Siempre que me es posible procuro terminar los proyectos. quiero decir, no sólamente hacer el circuito, sino también darles un acabado, y esto incluye montarlos en una caja con todos los accesorios necesarios: Enchufes, entradas, salidas, potenciómetros  y controles, señalizaciones, sujeción de disipadores en caso de que los haya, etc.

Pero hay ocasiones (como en ésta) en que no resulta claro o útil montar el circuito en una caja dándole así un "acabado", pues su utilización es muy variable y las opciones muchas. Yo veo tres al menos:

1) Por ejemplo, para usarlo en una maqueta casi sería más útil y práctico dejar el circuito al aire ya que irá oculto en dicha maqueta y no necesitará protección contra la intemperie, y tampoco ofrece riesgo eléctrico al haber un transformador separador y funcionar con sólo 12 voltios. El interior del pesebre (caja de cartón) donde irá alojado el circuito no contiene ningún elemento susceptible de provocar cortocircuito.

2) Si por contra este interruptor crepuscular se va a utilizar para la típica aplicación de exteriores, se puede sopesar la opción de montarlo en una caja, a ser posible estanca, con toma de 220, salida de 220 conmutada del relé, y otra salida tipo jack para situar el sensor no en la caja, sino mediante un cable, en el exterior (que es donde debemos medir la luz), de esta forma, el circuito puede estar resguardado en el interior y la LDR en el exterior.

Quiero dejar claro que cuando hablo de 220/240v, también incluyo la tensión de 110/125v utilizada en muchos países.

3) Una tercera posibilidad sería hacer la caja hermética y a prueba de exteriores para situar ambas cosas (caja y LDR) en el exterior. En este caso podemos omitir la salida jack y el cable para la LDR y fijar dicha  LDR empotrada en la misma caja para tener un montaje completamente compacto.

Por esta razón la lista de componentes puede cambiar según cual de estas tres opciones prefiráis.  A continuación tenéis la lista para la primera opción, la más sencilla: Tanto el circuito como la LDR en interior, sin caja:

Fig 5. Componentes del interruptor crepuscular, desplegados

- 1 Circuito impreso virgen de una cara de 80mm 60mm

- R1 Resistencia 470K (amarillo, violeta, amarillo)
- R2 Potenciómetro lineal 10K
- R3 Resistencia 82K (gris, rojo, naranja)
- R4 Resistencia 82K (gris, rojo, naranja)
Las resistencias pueden ser de 1/4w

- LDR Cualquier tipo, una genérica

- C1 Condensador electrolítico 10µF / 16v 
- C2 Condensador electrolítico 470µF / 16v
- C3 Condensador electrolítico 100µF / 16v
Los tres electrolíticos también pueden ser de 25/50 voltios

- D1 Diodo rectificador de propósito general por ejemplo 1N4007
- T1 Transistor BC337 o cualquier NPN de tipo similar
- IC1 Circuito integrado 741 (µA741, LM741...)

- Opcional (Recomendado): Zócalo de 4+4 pines para IC1

- RL1 Relé con bobina de 12v y 1 contacto. El contacto puede ser de tres terminales (conmutador) o de dos terminales (interruptor). El relé usado en este montaje es de dos terminales, así que este relé tiene 4 terminales: Dos para la bobina y dos para el contacto.

- 3 Conectores PCB de dos vías:
Uno para alimentación de 12v, 
otro para la salida de corriente a los LEDs, 
y otro para la LDR.

- 4 LEDs de alto brillo



5. Hacer el PCB

También en esta ocasión recurriré al método del rotulador por ser un circuito sencillo. Obraré como de costumbre:

1) Diseño grosero en papel de las pistas y componentes no a escala
2) Diseño en papel "a limpio" ya a escala, en décimas de pulgada
3) Cortar y limpiar un trozo de PCB de tamaño adecuado
4) Marcamos los taladros en PCB con un punzón
5) Dibujamos pads y pistas con rotulador
6) Sometemos el PCB al atacado químico.
7) Limpiamos PCB
8) Terminamos de hacer los taladros
9) Comprobamos continuidad de las pistas
10) Serigrafía casera, opcional. Si queremos hacerla, ahora es el momento
11) Soldar los componentes en el PCB

Las siguientes fotos corresponden a algunas de las fases en la fabricación de este PCB:

Fig 6. Diseño "grosero"

Diseño "grosero"
Dibujo no a escala, para situar los componentes y resolver cruces de pistas. Para evitar el cruce de pistas está el recurso de dar un rodeo o mejor aún, pasar la pista por debajo de algún componente. Ejemplos:

R3 sirve de puente para una pista. También IC1 se sirve de sí mismo para permitir el paso de la pista que va a su pin 3.

Fig 7. Diseño a escala, real

Diseño a escala en papel cuadriculado. Para dibujar el circuito a tamaño real, teniendo en cuenta las dimensiones de los componentes. Si es necesario, pondremos sobre el papel los componentes para medir cuantos cuadros hay de distancia entre sus terminales (Tuve que hacerlo con el potenciómetro R2 y el relé).

No olvidar los márgenes de al menos 5 mm en cada costado.

Fig 8. Marcando los pads con un punzón

Marcar los PADs
Pegamos, bien centrado, el diseño al PCB previamente limpiado con alcohol. No olvidar voltear el diseño para evitar el efecto espejo.

Con un punzón vamos marcando la posición de cada pad. El pequeño relieve que se crea en el cobre nos ayudará a la hora de dibujar los PADs con el rotulador: Actuarán de guía.

Fig 9. Pistas ya hechas con el rotulador  permanente

Rotular el PCB
Con un  rotulador  permanente, primero dibujamos los PADs, después trazamos las pistas. 

Si hay un error, podemos borrarlo con alcohol y un bastoncito de algodón.

Se recomienda hacer al menos dos pasadas de rotulador dejando un minuto entre pasada y pasada.

Fig 10. Circuito después de ser tratado con ácidos

Atacado con ácido
Una vez que estamos SEGUROS que el diseño está libre de errores y no hemos olvidado nada, preparamos los productos químicos para someter el PCB al atacado, el cual hará desaparecer el cobre que no está protegido por el rotulador.

Fig 11. Comprobando continuidad en las pistas

Comprobar continuidad de las pistas
Dependiendo de nuestro esmero (y la suerte) las pistas pueden presentar discontinuidades casi invisibles. Es importante asegurarse que todas las pistas están OK, con el multímetro seleccionado en "continuidad".

Estañar las pistas es un medio de subsanar este defecto además de darles mayor conductividad y protección al paso del tiempo.

Fig 12. Serigrafía casera con rotulador permanente

Serigrafía (opcional)
Con un rotulador permanente fino, podemos marcar la posición de los componentes. Ayuda mucho en el montaje y, sobretodo, más tarde si tuviéramos que hacer alguna reparación.

Fig 13. Circuito con los componentes ya soldados

Insertar los componentes en el PCB y soldarlos. 
Prestaremos atención a aquéllos componentes que deben ir en una posición determinada, tal es el caso de los tres condensadores, diodo D1, transistor T1, circuito integrado, potenciómetro ajustable R2 y el relé.








Para ver este proceso de fabricación del PCB con más detalle, te recomiendo eches un vistazo al Tutorial de electrónica básica capítulo 15. Allí se hace una PCB explicando detenidamente cada una de las 11 etapas anteriores.



6. Colocar invento en belén

Fig 14. Belén con la instalación. El interruptor crepuscular está oculto en el pesebre. Por su techo, a la derecha asoma la LDR. También se pueden ver las cuatro farolas hechas con pajillas y cucharillas de plástico con un LED cada una.

Para colocar el invento en la maqueta (Belén) haremos llegar 12v a algún punto dentro de esa maqueta desde un alimentador 220v/12v. Uno de 4 w de potencia (0.3 Amp) es más que suficiente.

Conectamos los cuatro LED en serie a la salida del relé, al conector correspondiente. Conectamos los cables de la LDR en el conector del circuito y la posicionamos de modo que reciba luz del ambiente. Y, finalmente, conectamos el alimentador de 12 voltios al conector del circuito.


Es posible que necesitemos volver a ajustar R2 para que el encendido/apagado se realice en un nivel de luz a nuestro gusto. 

Fig 15. Belén con la iluminación artificial funcionando gracias al interruptor crepuscular

7. El vídeo

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9. Toda mi colección de vídeos de Youtube

En Youtube, una "lista de reproducción" es una colección de vídeos, normalmente de una misma temática. A continuación tienes mis listas de reproducción:

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