Las frecuencias que se eligen para la realización de equipos generadores y receptores de ultrasonidos están ubicadas por encima de los 20kHz (20.000 ciclos por segundo). La gama de frecuencias empleada va desde 35kHz hasta 45kHz, ya que es ésta la elegida por los fabricantes de transductores, que son los elementos encargados de realizar la “traducción” necesaria fundamental para efectuar la emisión y la recepción de las señales. En el sistema que presentamos en este artículo, trabajamos con una frecuencia de 40 kHz; si bien no hay ningún inconveniente en operar con frecuencias diferentes, si se emplean los transductores apropiados. Por tal motivo, antes de armar el radar, es necesario que consulte en su localidad sobre la existencia de pares Tx – Rx de ultrasonido, con el objeto de saber a la frecuencia que operan la base de funcionamiento de estos elementos es el principio piezoeléctrico que presentan los cristales de cuarzo y algunos tipos especiales de cerámicas.

Un comando por ultrasonidos, está normalmente compuesto por dos equipos. Uno será el generador y emisor de un haz de ultrasonidos, que será recogido por el receptor, con un nivel de señal pequeño, por lo cual será necesario amplificar esas señales captadas con el objeto de conseguir el suficiente nivel para excitar un sistema de disparo (de una alarma, por ejemplo), luego de realizar la correspondiente transformación a niveles de continua.

De esta forma, el receptor se comportará como un interruptor que comandará un circuito exterior a través de un conector apropiado.

En la figura 1 se presenta el diagrama en bloques que describe el funcionamiento del equipo transmisor.

En él se observa que existe un oscilador encargado de generar la señal de 40kHz necesaria para establecer el enlace, dicha señal es amplificada convenientemente y luego enviada hacia el transductor que dará origen a la onda de ultrasonido.

En la figura 2 se muestra el diagrama en bloques de un receptor, el cual consiste básicamente en un amplificador que aumenta el nivel de la señal captada por el transductor y un convertidor de dicha señal a niveles de continua, capaces de provocar el accionamiento de un relé encargado de poner en marcha un equipo auxiliar que dependerá del uso que le demos a nuestro dispositivo.

El dispositivo que proponemos emplea al transmistor y al receptor de ultrasonidos en la misma placa de modo que, al estar ubicada en una posición estratégica el receptor captará la señal emitida por el transmisor y aquellas que surjan de “rebotes” de la señal transmitida en paredes y otros objetos. Colocando transductores apareados y de buena calidad, es posible captar señales reflejadas que han rebotado a más de 30 metros del transmisor, con lo cual es posible “cubrir” un área circular de más de 2800 metros cuadrados.

Para explicar el funcionamiento del circuito que proponemos en este artículo, debemos decir que posee tres etapas distintas, que detallamos a continuación:

Etapa transmisora
Etapa receptora
Etapa reaseguro o histéresis

El principio de funcionamiento se basa en el efecto Doppler, que básicamente consiste en que una frecuencia acústica sufre una variación proporcional a su velocidad de desplazamiento.

Este fenómeno no sólo se produce en las frecuencias acústicas, sino también en la de ultrasonido y RF.

El efecto Doppler se puede observar cuando se tiene la sensación de que el “silbido” de la máquina de un tren en movimiento, emite una frecuencia más aguda al aproximarse y más baja a medida que el tren se aleja, aunque en realidad la sirena posee siempre la misma frecuencia.

En el caso de nuestro proyecto, es la persona extraña la que, al moverse, provoca este efecto Doppler.

Cuando el transductor transmisor emite una frecuencia de 40.000Hz, parte de esta señal llega directamente al transductor receptor, a la que se le superpone la onda reflejada, que llega desde las paredes, y otros objetos existentes en la habitación.

Esta última, al llegar con retraso respecto de la onda directa, tiene una frecuencia ligeramente distinta, que se mezcla con la onda directa produciendo un batido de señales.

Suponiendo que la frecuencia de la señal reflejada sea de 39.970Hz, al mezclarse con los 40.000Hz, por diferencia se obtiene:

40.000 – 39.970 = 30Hz.

Cuando se produce un movimiento de objetos, por ejemplo, cuando ingresa una persona, las ondas reflejadas rebotan en su cuerpo y, en consecuencia, se reduce la distancia que recorren y aumenta la frecuencia, que puede llegar a 39.980, por ejemplo, al mezclarse con los 40.000Hz, se obtiene una diferencia de:

40.000 – 39.980 = 20Hz

Se puede apreciar que hubo una variación de 20Hz, con respecto a la frecuencia original y de 10Hz cuando se produjo un movimiento.

En general, la variación de frecuencia de la onda reflejada puede variar entre 5Hz y 50Hz, dependiendo de la distancia a la que se encuentre el objeto en movimiento y justamente deberemos “detectar esta variación” para producir el disparo de un sistema de alerta.

Para la construcción de la etapa transmisora de nuestro proyecto, nos basamos en el circuito de la figura 3 (que es parte del esquema completo).

El integrado IC6 es un CD.4011, que contiene cuatro puertas NAND de dos entradas, mientras que IC1 es un contador síncrono binario doble.

La primera compuerta NAND (terminales 5, 6 y 4 del IC6), junto con los dos condensadores C18 y C17, la resistencia R25 y la impedancia J1, conforman un oscilador de onda cuadrada muy estable, capaz de generar una frecuencia de 320kHz.

Esto es así porque C17 y C18 (que a los fines del circuito resonante están en serie) junto con J1 poseen una frecuencia de resonancia de:

Luego, como en paralelo con C17 y C18 tenemos capacitores variables (Cv1 y Cv2) del tipo “tandem” plástico 20x20 de los usados en radios portátiles, los ajustamos para que la frecuencia final sea de 320kHz.

Cabe aclarar que si no consigue J1 de 180µH, puede reemplazarla por cualquier otro valor comercial (entre 10µH y 500µH) o construirla Ud. mismo (consulte las fórmulas de cálculo en www.webelectronica.com.ar con la clave: bobina) y luego calcular la capacidad que precisará por medio de la fórmula:

La señal de 320kHz se aplica a la pata 2 del integrado IC1 donde su frecuencia es dividida por 8, y se obtiene la salida en el terminal 5.

320.000 : 8 = 40.000Hz

De esta manera se obtiene una señal de frecuencia correcta para la excitación de transductores ultrasónicos convencionales. Si consigue otro par de transductores que operen en una frecuencia diferente (por ejemplo, 35kHz), se deberá modificar el valor de los capacitores C17 y C18 para que el primer oscilador trabaje a una frecuencia diferente (en nuestro nuevo caso sería 280kHz).

Note que no se construye un oscilador de 40kHz directamente porque el rendimiento de los transductores es máximo para esta frecuencia con un ancho de banda del orden del 5% de la frecuencia central, por lo cual, si tenemos en cuenta la tolerancia habitual de las resistencias y de los capacitores para realizar un oscilador que opere en 40kHz, es difícil que nos mantengamos dentro de la tolerancia.

Hemos comprobado que al trabajar con una frecuencia superior y luego hacer la correspondiente división, podemos operar con un mejor margen sin inconvenientes.

La señal de frecuencia igual a 40kHz presente en la pata 5 de IC1, se aplica a las entradas de otras dos NAND de IC6 que se utilizan como drivers amplificadores de corriente para excitar al transductor transmisor.

Note que a la cápsula transmisora, se aplican dos señales en oposición de fase que serán emitidas pero no podrán percibirse por oídos humanos.

En la figura 4 se puede ver un detalle de la placa de circuito impreso con los componentes correspondientes al transmisor.

La etapa receptora incluye un FET y cuatro amplificadores operacionales del tipo LF356 tal como se observa en el circuito de la figura 5.

La frecuencia ultrasónica generada por el transductor transmisor es captada por el receptor y amplificada por el FET Q1. Dicho transistor posee un circuito resonante a la frecuencia de trabajo (40kHz) fijada por J2 y C20. Aquí debemos hacer las mismas consideraciones que para el caso del transmisor, es decir, si tenemos dificultades en conseguir una inductancia de ese valor, podemos emplear otra y calcular el capacitor con la fórmula dada, pero teniendo en cuenta que ahora la frecuencia de sintonía es de 40kHz y no de 320kHz (ya que el receptor opera en esta frecuencia). La señal amplificada se rectifica con los dos diodos D1 y D2, por lo que en los extremos del condensador C3 hay una tensión continua que será bloqueada por el capacitor C4, para que no llegue a la pata 3 de CI3.

Si se mueve un objeto, las ondas recorrerán un trayecto distinto para alcanzar la cápsula receptora y, debido al efecto Doppler, la señal varía en amplitud y en frecuencia, tal como lo hemos explicado anteriormente.

De esta manera, durante el movimiento, Q1 amplificará una señal de frecuencia variable, con lo cual, dicha variación podrá “pasar” C4 y llegar hasta la entrada no inversora del operacional CI3.

Esta nueva señal que surge de la variación de frecuencias de la señal de ultrasonido captada, se amplifica en CI3 y CI4 que están proyectados para amplificar únicamente las frecuencias subsónicas, comprendidas entre 5 y 50Hz, aproximadamente, pero no las frecuencias
superiores.

Al limitar la banda de amplificación a frecuencias de hasta 50Hz, nos evitamos el disparo por truenos o el paso de vehículos.

Con P1 ajustamos la sensibilidad, ya que con él se modifica la ganancia del primer amplificador operacional.

La señal amplificada por CI3 y CI4 se transfiere, a través del condensador electrolítico C11, a los dos diodos D3 y D4 que entregan una tensión continua de carga a C12.

Este capacitor está conectado a la pata no inversora de C15 y, como la pata inversora de este mismo operacional recoge una tensión de referencia del potenciómetro P2, mientras la tensión en la entrada no inversora se mantenga por debajo de la tensión existente en la pata inversora, en la salida de dicho operacional se presenta un nivel lógico 0, que mantendrá cortado al transistor Q2 y el relé no será operado.

Cuando la tensión positiva en la pata no inversora supera la existente en la entrada inversora, como consecuencia de la detección de un movimiento, en la salida de este operacional se produce un nivel lógico “1”, que polariza a la base del transistor Q2, excitando el relé.

En la figura 6 se puede ver un detalle del receptor de la placa de circuito impreso.

En el circuito eléctrico completo de nuestro sensor, que aparece en la figura 7, se observa un tercer bloque formado por CI2 y sus componentes asociados. Para explicar su función, digamos que cada vez que se enciende el dispositivo, hasta que C13 no se haya “cargado” totalmente, se produce un paso de tensión positiva a través del Terminal negativo de CI2, por lo que al Terminal no inversor llega una tensión positiva que en el instante inicial es de 12V y luego va decreciendo, conforme a la carga de C13.

Como en la pata inversora hay 4,5V de tensión, fijada por el divisor resistivo formado por R18, P2 y R20, en la salida de dicho operacional se produce un nivel lógico 1 que, aplicado en la pata de reset 7 de IC1, bloquea la etapa divisora del CSD4520 y al transductor transmisor no le llegará la señal de 40kHz. Ese nivel lógico 1, se aplica también a la pata no inversora de CI5, modificando el nivel de umbral que previamente hemos fijado por medio del trimmer P2.

Con esto, la salida de CI5 se mantiene “forzada” en un nivel lógico bajo, lo que impide que el transistor Q2 conduzca y active el relé.

Transcurridos estos 15 segundos, cuando C13 se haya cargado totalmente, en la pata 6 de CI2 tendremos un “0” lógico; que se aplica al reset del divisor, y se produce la emisión de señal. Por otra parte, D9 no conduce, y en la pata 2 de CI estará nuevamente presente la tensión fijada por P2.

Cuando el relé se activa, automáticamente se presenta, en el colector del transistor Q2, un nivel lógico 0, es decir que este terminal queda eléctricamente conectado “a masa”.

Este nivel hará disminuir la tensión presente en la pata 2 de CI2, debido a la presencia de R17. Esto también obliga a que disminuya la tensión en pata 2 de CI5, con lo cual deberá descargarse C12, dado que la tensión entre entradas de un operacional, es siempre mínima.

En la práctica, C12 tiene que descargarse totalmente, por lo que cualquier pequeño movimiento realizado por la persona extraña que ha penetrado en la habitación, impediría que este condensador “descendiera” por debajo de este nuevo umbral.

El led L1, que se enciende cada vez que opera el relé, sirve como verificación del funcionamiento del dispositivo.

El contacto del relé podrá accionar un sistema de alarma, un control de procesos, etc.

Para alimentar este circuito se requiere una tensión de 12V.

En condiciones pasivas, el circuito consume menos de 20mA y, con el relé excitado, 50mA.

El circuito impreso propuesto, con la ubicación serigráfica de los componentes, se muestra en la figura 8.

Una vez construido el circuito impreso, se puede realizar el montaje del dispositivo, sin que esto exija cuidados especiales.

Lo primero que debe hacer es verificar la frecuencia de salida del transmisor y para esto precisa un frecuencímetro. Coloque el instrumento en la pata 5 de CI1 y ajuste Cv para obtener una lectura de 80kHz.

Para realizar el ajuste se debe operar sobre los potenciómetros P1 y P2.

En primer lugar se dejan los resistores variables en la mitad de su recorrido y se aplica la tensión de alimentación.

Para mayor seguridad, luego de 30 segundos, nos movemos cerca del radar y veremos cómo se enciende el led y se conecta el relé.

A diferencia de los sensores pirométricos, el radar por ultrasonido, detecta movimientos en cualquier sector de la habitación en la que se encuentren los transductores (ya sea por delante o por detrás), por lo tanto, cuanto más grande sea el ambiente, mayor deberá ser la sensibilidad, para lo cual se debe ajustar P1, para que tenga una resistencia más baja. Esto se consigue corriendo el cursor de P1 en sentido horario.

Por otra parte, el umbral de disparo no deberá ser muy alto, para lo cual se deberá realizar el ajuste correspondiente sobre P2.

Cuando se debe cubrir una distancia superior a los 5 metros desde el lugar donde se coloquen los transductores, es aconsejable ajustar P1 para tener máxima sensibilidad y P2 a un tercio de su recorrido (umbral bajo), luego debemos movernos por la habitación y comprobar que al dar unos pasos se encienda el led. Si esto no ocurre, reducimos aún más la tensión de umbral y si la sensibilidad es excesiva, damos una tensión de umbral mayor.

Ajustamos P1 solamente si la habitación es chica (menos de 4 metros de distancia a los sensores).

Cabe aclarar que, colocando los transductores en lugares estratégicos y con el dispositivo perfectamente ajustado, con este dispositivo se pueden cubrir superficies de más de 2.500 m2.