Controle de Iluminação de Ambiente

Fabio Jubelli¹, Julio Grabowski¹, Luanderson Schipitoski¹, Murilo Silveira¹ e Thiago

Sprotte¹

1Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC), acadêmico do curso de Engenharia Elétrica

RESUMO

Este trabalho apresenta a construção do protótipo de controle de iluminação de um ambiente.

Ao longo do mesmo foram projetados, implementados e testados circuitos eletrônicos e de

controle. O processo de funcionamento do circuito é tratado como uma resposta a um evento.

A alimentação é a parte onde todo circuito é energizado. O controle é a etapa intermediária,

que interpreta e processa o evento, definindo uma ação a ser tomada. Por fim, representada

pelo acionamento, a saída corresponde à resposta ao evento de acordo com a ação definida. O

sistema é alimentado através de uma placa fotovoltaica. Para o controle de acesso de pessoas,

utilizam-se circuitos combinacionais: portas lógicas e flip-flops. O processo de iluminação se

dá pelo acionamento de LEDs, auxiliado pelo reconhecimento do LDR, esta depende da

intensidade luminosa natural. Como resultado deste trabalho, obteve-se um determinado local,

onde a iluminação artificial depende da natural e presença de pessoas.

Palavras-Chave: Ambiente, Controle, Iluminação.

1. INTRODUÇÃO

Com o crescente desenvolvimento de tecnologias que visam a comodidade dos seres

humanos nos ambientes que esses frequentam, foram desenvolvidas peças chaves para essa

questão, que se estendem desde a sofisticação de robôs à aplicações para o âmbito residencial.

Tais aplicações oferecem, além de conforto e segurança, a economia de custos àqueles que

utilizam da automação residencial (FORTI, 2001).

Com essa evolução tecnológica e os benefícios que ela proporciona, desenvolveu-se

um projeto de iluminação e controle de um ambiente, visando economia e conforto através da

união de áreas de engenharia de modo sustentável (concepção de engenharia e

sustentabilidade). Há a possibilidade de expansão para qualquer ambiente de uso humano, que

tenha iluminação artificial. De início, tem-se a parte de geração de energia elétrica com o

recurso solar (“energia limpa”). Utilizando a definição de eletricidade, em um primeiro

instante, uma placa solar carrega as baterias, as quais são responsáveis pela alimentação de

todos os dispositivos eletroeletrônicos. Posteriormente há a implementação de um dispositivo

eletroeletrônico (implementando os conhecimentos adquiridos na disciplina de eletrônica

digital I e II e circuitos elétricos) para o controle de entrada e saída de pessoas do escritório e

assim, controlar a disposição de luz artificial gerada (apenas com presença de pessoas).

Em paralelo a isso, tem-se a correlação linear (conceito adquirido na disciplina de

estatística) entre as grandezas de iluminância (LUX) e diferença de potencial elétrico (tensão)

dissipado pelo LDR. Baseados nessas grandezas elaborou-se o transdutor, que tem o propósito

de ser a base de um circuito capaz de identificar a intensidade luminosa de um ambiente

qualquer, e acender fontes artificiais de luz de acordo com níveis de iluminância pré-

determinados. Com esses recursos, pode-se chegar à “aniquilação” na fatura de energia.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Para a realização deste projeto foi necessário, primeiramente, fazer a análise de

componentes que melhor atendiam os requisitos e as especificações exigidas. Dentre todas as

ferramentas e componentes utilizados, os principais elementos podem ser observados a seguir:

2.1. Painel Fotovoltaico

Esse tipo de componente tem o sol como fonte de energia. Através de uma placa

solar e seus respectivos circuitos, há a geração de potência. O painel solar tem em seu

princípio de funcionamento, a conversão de energias, ou seja, com a incidência da luz do sol

na placa fotovoltaica, ocorre uma reação com o silício (um semicondutor, do qual é feito a

placa fotovoltaica) que gera um deslocamento de cargas, originando uma diferença de

potencial chamada de efeito fotovoltaico. Se as duas extremidades do "pedaço" de silício

forem conectadas por um fio, haverá uma circulação de elétrons. Esta é a base do

funcionamento das células fotovoltaicas. (CABRAL, 2001).

2.2. Light Dependent Resistor (LDR) – Resistor Dependente de Luz

Segundo BOYLESTAD (2004, p. 63), LDR “é um dispositivo semicondutor de dois

terminais cuja resistência é determinada pela intensidade da luz incidente em sua superfície”.

Isso ocorre, pois, uma vez que há o aumento da iluminância do ambiente, o estado de energia

dos elétrons e átomos da superfície da célula fotocondutora aumentam. Provocando,

sucessivamente, o crescimento de portadores livres, ocasionando na diminuição da resistência.

2.3. Conversor Buck

De acordo com BOYLESTAD et al. (2013), o conversor Buck, também chamado de

step down, é um conversor abaixador de tensão, onde o valor de saída é sempre menor do que

o de entrada. Na configuração fundamental, tem-se um transistor constantemente chaveado

que “entrega” pulsos a um circuito formado por um indutor e um capacitor, possibilitando a

obtenção de uma tensão contínua de saída. Controlando o ciclo ativo do sinal chaveado pelo

transistor, é possível regular a tensão de saída.

2.4. Amplificador Operacional (AMPOP)

AMPOPs são amplificadores diferencias com ganho muito alto, impedância de

entrada alta e impedância de saída baixa. Suas principais aplicações, como o próprio nome

diz, são realizar operações matemáticas (integração, diferenciação, soma,

multiplicação/amplificação, etc.), quando operando na região linear (região ativa). Na região

de saturação, este dispositivo pode ser utilizado como comparador, gerador de onda quadrada,

dente de serra, filtros, osciladores, etc. Possui três modos de entrada: entrada inversora,

entrada não inversora e entrada diferencial, quando as entradas (inversora e não inversora) são

utilizadas simultaneamente. (PERTENCE, 2014)

3. CONTROLE DE ILUMINAÇÃO DE AMBIENTE

O projeto trata do controle de um ambiente, responsável por computar a quantidade

líquida de pessoas numa determinada dependência, a fim de disponibilizar diferentes níveis de

“iluminação automática”. Para o monitoramento da quantidade de pessoas, foram utilizados

dois sensores, que são responsáveis por incrementar e decrementar o valor do contador. Além

disso, dependendo da ordem de acionamento, é possível identificar se a pessoa está entrando

ou saindo do ambiente. Todo o circuito é alimentado através de uma placa fotovoltaica.

3.1. Alimentação

Para simular o efeito do sol (na placa fotovoltaica), foram empregadas duas

lâmpadas incandescentes de 40 W, que fazem com que a placa gere em torno de 38V e uma

corrente de cerca de 2,5A (medida). Devido à alimentação dos circuitos serem em 5V,

existiu a necessidade de um circuito redutor de tensão. Atendendo às necessidades, foi

indagado que a opção mais conveniente seria um conversor Buck (step-down), que traz a

opção de regulagem da tensão e da corrente de saída. O Step-down encontrado

comercialmente tem um range de entrada de 5,0V a 40,0V e suporta uma corrente de saída

de até 9A, o que possibilita que se tenha a tensão e corrente desejada na saída, mesmo tendo

uma variação de luminosidade incidente na placa fotovoltaica. Os ajustes desses

dispositivos são feitos de acordo com a carga acoplada à saída. Para “pré-regular” o

circuito, foi simulada uma determinada carga na saída e utilizados dois multímetros (um

para medir a corrente e o outro para medir a tensão). Dessa forma, previne-se a debilitação

dos componentes eletrônicos e da vida útil da bateria.

Para ter a possibilidade do funcionamento do circuito na ausência solar, foi optado

pelo uso de uma bateria de chumbo de 6,4 V, com capacidade de carga de 4,5Ah. Essa

bateria é carregada através do conversor step-down, que foi regulado em aproximadamente

6,4V e 2A, fazendo assim com que se tenha uma carga segura da bateria.

3.2. Controle do Número de Pessoas

A obtenção de dados foi realizada através de dois pares de sensores infravermelhos

(emissor e receptor) instalados paralelamente, conforme figura 1. No estado de

funcionamento sem interrupção, o sinal de saída IR é em nível alto e, ao passar uma pessoa

pelos sensores, o sinal infravermelho emitido pelo emissor é interrompido e,

consequentemente, não recebido pelo outro, resultando em um sinal de saída IR em nível

baixo. Esses dados de sinal são interligados a uma lógica combinacional por meio de portas

lógicas com o intuito de servirem como controladores da lógica sequencial.

Figura 1 - Circuito Emissor/Receptor. Fonte: http://www.baudaeletronica.com.br. Acesso em 14/06/17

Vale ressaltar que os valores de resistência instalados em série aos sensores

influenciam diretamente em seu desempenho. Desse modo, foram utilizados resistores de

18kΩ em série aos LEDs receptores e resistores de 1kΩ em série aos emissores para

garantir bons valores de sensibilidade e velocidade de resposta dos sensores.

Dependendo da ordem de acionamento dos sensores (SW1 e SW2) é possível definir

o sentido do fluxo de pessoas: entrada ou saída. A partir disso, foi utilizado um contador

para reconhecer a quantidade de pessoas no ambiente. Os principais circuitos integrados

que possibilitaram o funcionamento do circuito geral foram: 7476 (Flip Flop’s JK) e 74191

(contador binário). Para visualização da quantidade instantânea de pessoas, utilizou-se um

display de 7 segmentos em conjunto com um CI decodificador com anodo comum (7447).

Figura 2 - Circuito de Controle do Número de Pessoas. Fonte: Elaborada pelos Autores.

Com o intuito de “resetar” os Flip Flop’s, foram implementados botões em ambos os

sentidos, ou seja, para simular que uma pessoa teria que pressionar um botão para abrir a

porta, seja na entrada ou saída do ambiente.

3.3. Controle de Iluminação

O protótipo desenvolvido é iluminado por 36 diodos emissores de luz (LED),

organizados em 2 conjuntos. Cada conjunto contém 18 LED’s distribuídos em formato

matricial de 3 linhas e 6 colunas. Esses dois conjuntos foram posicionados em torno de um

LDR, e divididos nos subgrupos: 1, 2 e 3. De acordo com os dados fornecidos pelo LDR, os

12 LED’s que estão inseridos em cada subgrupo, acendem ou apagam. Assim, como mostrado

na Figura 5.

Com o objetivo de se obter valores de tensão em função da iluminação, medida em

LUX, de um ambiente aleatório, foi projetado um circuito capaz de fazer essa conversão. Para

a elaboração do transdutor, foram utilizados resistores, sendo o mais importante deles o LDR.

Figura 3 - Divisor de Tensão. Fonte: Elaborada pelos Autores.

Uma vez que o circuito elétrico foi projetado, buscou-se uma relação funcional entre

a variável independente (luminosidade) e a variável dependente (tensão), como é definido o

conceito de correlação por LARSON e FARBER (2016, p.438). Dessa forma, com auxílio de

um multímetro digital MINIPA ET-1002 e um luxímetro digital ICEL LD-510, foram

mensurados 40 diversos valores de tensão e luminosidade, aplicados a um gráfico. Então é

possível concluir, subjetivamente, que existe uma correlação linear entre as variáveis.

Calculando o coeficiente de correlação linear (r=-0,748), há evidência suficiente, ao nível de

significância de 1%, para concluir que há uma correlação linear negativa entre a luminosidade

(Lux) e a tensão (Volts).

Dessa forma, pode-se determinar a equação da reta que melhor modela os dados, essa

reta é chamada reta de regressão, como afirmam LARSON e FARBER (2016, p.454), a

equação de regressão linear encontrada foi y = −0,0016x + 2,4062, porém o nível de

resíduo encontrado nessa reta de regressão, ou seja, a diferença entre o valor encontrado em y

e o valor previsto em y, é maior do que em uma regressão não linear (logarítmica). Por essa

razão, a equação que melhor define a relação entre as duas variáveis é y = −0,579ln(x) +

4,9129.

Figura 4 - Queda de tensão do LDR x LUX e reta de regressão logarítmica. Fonte: Elaborada pelos Autores.

Após o encontro definitivo de uma correlação linear entre a queda de tensão do

LDR e a iluminância no ambiente, fez-se necessário estabelecer níveis de iluminância em que

os grupos de LED’s deveriam ser acionados. Dessa forma, optou-se por quatro classificações

de acordo com a intensidade luminosa, e nível de tensão dissipado pelo LDR no circuito já

apresentado, conforme na tabela 1:

Tabela 1 - Níveis de intensidade luminosa. Fonte: Elaborada pelos Autores.

Com o intuito de identificar qual o nível de iluminância presente no ambiente, de

acordo com a tabela 1, foi utilizou-se o AMPOP como comparador. Na configuração

“comparador” e operando na região linear, o AMPOP “aceita” como entrada tensões lineares

e fornece na saída sinal digital, fazendo a comparação para indicar quando uma das suas

entradas é maior ou menor que a outra, segundo TIEDE et al. (2016, p.3).

Logo, o valor de tensão dissipado pelo LDR é comparado com o valor de tensão

limitante superior de cada nível de intensidade luminosa. Tais valores de tensão foram obtidos

através da aplicação do conceito de divisor de tensão. O resultado dessa comparação, foi um

sinal digital.

Com a obtenção dos sinais digitais advindos do AMPOP, foi possível encontrar,

através de uma lógica combinacional, os estados booleanos dos níveis de iluminação já

citados, e assim, escolheu-se uma configuração de acionamento para os conjuntos de LEDs,

como mostrado na figura 6. Quando o nível de intensidade luminosa for: “Muito Escuro”,

todos os grupos de LED’s são acesos, quando for “Moderado”, apenas os grupos 2 e 3

acendem, se for “Iluminado”, só o grupo 3 acende, e por fim, se a intensidade luminosa for

“Muito Claro”, nenhum grupo é aceso.

Figura 5 - Disposição dos LED’s. Fonte: Elaborada pelos Autores.

No entanto, a corrente dos terminais de saída de alguns CIs, como 7408 (AND) e

7432 (OR) é insuficiente para ligar os grupos de LED’s. Devido a esse fato, foi necessário a

utilização de 3 transistores bipolares NPN BC548, operando como “chave”.

A configuração utilizada no transistor foi a de emissor-comum, na qual 12 LED’s

representam a carga a ser acionada pelo mesmo, assim, considerou-se, à partir do datasheet do

LED, que a corrente nominal de cada um é 20 mA, totalizando 240 mA na corrente de coletor

(Ic).

À partir de uma análise do datasheet do transistor BC548 (da marca FAIRCHILD), foi

possível descobrir que o valor do ganho (β) desse componente é 120. De acordo com

BOYLESTAD (2013, p.124), para um dispositivo com um β de 120, a corrente de coletor (Ic)

é 120 vezes o valor da corrente de base (Ib), logo a corrente da base dos transistores necessita

ser de no mínimo 2 mA.

Uma vez que as correntes do circuito já foram definidas, fez-se necessário descobrir

a tensão dos resistores utilizados para limitar as correntes do LED e de entrada na base do

transistor. Para obter o resistor comercial Rb = 1,8 KΩ e Rc = 4,7 Ω, utilizou-se a Lei de

Kirchhoff das Tensões e a Lei de Ohm.

Figura 6 - Transistor BC548 operando como “chave”. Fonte: Elaborada pelos Autores.

Após isso, o projeto de todo o circuito, foi “montado” em protoboard e testes

forram executados. Todavia, uma das dificuldades encontradas foi o “mal contato” de jumpers

e da própria protoboard. Para facilidade de manuseio e confiabilidade na ligação, os LED’s e

o LDR foram conectados em placa universal de fenolite.

3.4. Análise de Custo de uma placa solar na Região de Joinville

Ao longo da história, o homem utilizou diversas formas de energia, dentre as quais,

pode-se citar: a energia advinda de tração animal, carvão mineral, etc. Essa última, além de

fornecer uma densidade energética considerável, tem preocupado ambientalistas por sua

capacidade de contribuição na emissão de gases poluentes. Com o aumento da demanda e a

dependência por combustíveis fósseis, surge o interesse por soluções sustentáveis de geração

de energia, originárias de fontes limpas e renováveis (SACHS, 2005). Uma dessas fontes é a

solar fotovoltaica, pois não polui o ambiente e pode ser vista como uma fonte inesgotável de

energia (DUTRA et al., 2013). Tratando essa informação como pretexto, realizou-se uma

pesquisa de viabilidade econômica para a utilização de destas placas em uma residência na

região de Joinville.

Tendo em vista que, o desempenho da placa fotovoltaica está diretamente ligado com

o índice de radiação solar diária, foi obtida uma média mensal dessa grandeza, através da

análise de gráficos (TIBA, 2000), uma vez que não foram encontradas fontes confiáveis mais

recentes.

Figura 7 - Insolação Diária - Média Mensal em Joinville. Fonte: Atlas Solarimétrico do Brasil (2000)

Para referência, escolheu-se a placa fotovoltaica Bosch M240-3BB. A mesma utiliza

a tecnologia de silício monocristalino para a conversão de energia solar em energia elétrica. À

partir dos dados técnicos dessa placa e a média mensal de produção diária, foi possível

constatar que a mesma tem capacidade de produção de 19,6 KWh/mês.

Considerando que a média de consumo de uma residência brasileira é de 157

KWh/mês (Infomoney, 2010), seriam necessárias cerca de 10 placas fotovoltaicas para uma

autonomia na produção de energia elétrica, ou seja, a não necessidade de compra de energia

elétrica da concessionária por cerca de 25 anos, usando como base a perda anual de potência

das placas de 0,8% ao ano. Ao final do período (25 anos), o painel operará com 80% da sua

capacidade total inicial.

Em um sistema fotovoltaico, a placa solar não trabalha de forma independente. Um

grande aliado é o inversor, que possibilita a interligação da energia produzida pelo painel com

a rede elétrica. Uma vez que a rede opera em corrente alternada (CA), e o módulo

fotovoltaico tem com saída uma corrente contínua (CC), o inversor atua na transformação da

forma de onda da tensão e corrente gerada pelos módulos fotovoltaicos de CC para CA

(PEREIRA et al.,2008).

Por esse motivo, fez-se indispensável o dimensionamento de um inversor para o

sistema e à partir de cálculos encontrou-se uma tensão total de 374 V e uma potência de 2,4

KW para os 10 painéis fotovoltaicos. Desta forma, pôde ser escolhido o inversor SMA

SUNNY BOY 3000TL, que tem capacidade de transformar 3200 W de potência DC, com

uma tensão máxima de 750 V, em 3000 W e tensão alternada de 220 V. Com todos os

componentes (do sistema fotovoltaico) dimensionados e considerando a instalação do sistema,

foi possível simular um custo de R$ 24.490,00.

Tabela 2 - Custo do Investimento na Placa Solar. Fonte: GOMES, 2013 e www.neosolar.com.br. Acesso em 06/06/17

E assim, com um custo total do sistema definido e levando em conta uma tarifa da

concessionária de 0,5289 R$/KWh foi possível estimar a economia de energia anual e o

tempo de aproximadamente 21 anos para se pagar o investimento (desconsiderando-se custos

de limpeza e manutenção). Dessa forma, a energia solar em Joinville é um investimento com

alto custo e a longo prazo, porém colaborativa com o meio ambiente.

Figura 8 - Saldo do Investimento na Placa Solar. Fonte: Elaborada pelos Autores.

4. CONCLUSÃO

Neste trabalho foi desenvolvido um protótipo de iluminação de ambiente com o

intuito de controlar a intensidade luminosa de acordo com a luz natural e a presença de

pessoas. Durante o desenvolvimento, foram empenhados esforços a fim de cumprir os

objetivos propostos. Com o resultado final obtido, verificou-se que estes objetivos foram

atingidos de forma satisfatória dentro das limitações do projeto, devido a fatores internos e

externos. Deste modo, pesquisando mídias digitais e impressas, algumas ideias puderam ser

aproveitadas e adaptadas às necessidades do protótipo que foi construído.

Por ser apenas um protótipo, o custo de fabricação de uma unidade torna-se baixo,

porém, para modelos comerciais, há a necessidade de desembolsar um valor considerável, que

será recuperado a longo prazo. Caso o protótipo seja transformado em um produto, os custos

de desenvolvimento poderiam ser reduzidos com produção em série, com alterações de

materiais e até mesmo de fornecedores e escala de produção. Esta diferença de custo em

relação aos modelos comerciais pode ser explicada pela variação da qualidade dos materiais

utilizados, variabilidade na forma de sensoriamento e na forma de controle, bem como pelo

valor de mercado e retorno do custo de desenvolvimento.

Os resultados obtidos comprovam que mesmo em curtos prazos para execução de

tarefas que exigem grande aplicação não só de conhecimento acadêmico, mas também de

novos conceitos, é possível obter bons resultados.

5. REFERÊNCIAS

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2004.

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CABRAL, V. T. Cláudia. Energia Fotovoltaica. Universidade Federal de Viçosa. Viçosa-MG,

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DUTRA, J. C. D. N.; BOFF, V. Â.; SILVEIRA, J. S. T.; ÁVILA, L. V. Uma Análise do

Panorama das Regiões Missões e Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul sob o Prisma da

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FORTI, José Cândido, AURESIDE, Principais Protocolos e Padrões Usados em Automação

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GOMES et al.Conceitos Iniciais para Dimensionamento de Sistema Fotovoltaico em

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LARSON, Ron; FARBER, Betsy. Estatística aplicada. São Paulo: Pearson Prentice Hall,

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NEOSOLAR. Inversor SMA Sunny Boy SB 3000TL-21.2017.Disponível em:<

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PEREIRA, O. L. S., Dimensionamento de Inversores para Sistemas Fotovoltaicos Conectados

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PERTENCE, Antônio. Amplificadores operacionais e filtros ativos. 8 ed. [S.L.]: Bookman,

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SACHS, I. Da civilização do petróleo a uma nova civilização verde. Estudos Avançados, São

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