Lávate las manos, ahorra agua y evita el Covid-19 con este circuito dispensador automático de agua basado en el 555

Lávate las manos, ahorra agua y evita el Covid-19 con este circuito dispensador automático de agua basado en el 555

Introducción

Siempre ha sido importante lavarse las manos tan seguido como sea posible para evitar cualquier cantidad de enfermedades. Y a partir del año 2019 la situación se tornó delicada debido al virus Covid-19. Los entendidos en el tema han recomendado que para disminuir la probabilidad de contagio nos lavemos las manos siempre que volvamos de la calle o después de estar en contacto con alguna posible fuente del virus.

Un peligro de lavarnos las manos, ya sea en nuestro baño o en algún lugar público, es que las llaves, utensilios y accesorios podrían estar contaminados, con bacterias o con virus, por las muchas personas que lo utilizaron antes que nosotros.

Y aunque existe gente muy pulcra que desinfecta los baños frecuentemente, es imposible estarlo haciendo después de cada persona que lo haya utilizado.

El circuito que te presentaré a continuación evitará que cada vez que tú o los integrantes de tu familia usen los servicios sanitarios toquen las llaves de agua, disminuyendo la posibilidad de contagiarse si alguien llevó el virus a dichos servicios.

Lo mejor de todo es que el circuito es muy simple, compacto, barato y fácil de construir; está basado en el rebote de luz infrarroja, un comparador analógico y el famoso 555 en modo monoestable.

Un plus del circuito es que también nos ayudará a ahorrar agua, y mucha.

¿De qué trata?

El circuito emite luz infrarroja, y cuando acercamos una de nuestras manos la luz rebota hacia un detector. La salida de este detector entra a un comparador analógico, el cual se encarga de disparar la siguiente etapa. Este comparador también permite graduar la distancia de detección en el rango de algunos centímetros. La etapa que dispara el comparador es el circuito 555 en modo monoestable, o generador de pulso simple. Una vez que el monoestable se dispara, éste activará una válvula solenoide (a través de un transistor MOSFET) por algunos segundos. Esta válvula es la encargada de dejar pasar, o bloquear, el agua. El tiempo de activación también es graduable en el rango de unos pocos segundos.

Jugando con los valores de diferentes componentes podrás obtener rangos mayores o menores para la distancia de detección y el tiempo de activación.

Circuito

Circuito completo. Da click en la imagen y luego aplica el zoom para que la veas en tamaño real.

Etapa de transmisión y detección de la luz infrarroja (IR)

El transmisor es un LED IR que está emitiendo luz infrarroja de manera continua, mientras que el receptor es un foto-transistor, también en el espectro de los infrarrojos. El flujo de corriente en el foto-transistor es proporcional a la incidencia (rebote para nuestro caso) de la luz IR del LED emisor. 

Fototransistor (Q1) y fotodiodo (D2), respectivamente.

Nuestras manos no actúan como espejo, al contrario, absorberán mucha de la luz IR del transmisor, por lo que la porción de luz reflejada por nuestra mano será mínima, y por tanto, la corriente en el foto-transistor será pequeña. Por eso necesitamos otro transistor, común y corriente, que amplifique esa pequeña corriente a niveles que puedan ser utilizados por el comparador de la siguiente etapa. Este transistor también es muy común, el BC547, y cualquier equivalente funcionará. Lo importante es que sea del tipo TBJ (Transistor Bipolar de Juntura) de baja potencia (y no un transistor FET, Field Effect Transistor, como el 2N7000).

La corriente amplificada por el BC547 es convertida a tensión por la resistencia R4, ya que el comparador utiliza tensiones y no corrientes: a más fotones rebotados, mayor tensión en R4.

Comparador

El comparador es otro chip muy común, el LM311. Cuando la tensión en el pin 3 (-) es menor que la tensión en el pin 2(+) la señal de salida en el pin 7 se mantiene en bajo. Cuando la tensión del pin 3 supera a la tensión del pin 2, entonces la señal de salida en el pin 7 cambia a alto, y se mantendrá así mientras dicha condición perdure.

LM311 simplificado.

Siguiendo con nuestro circuito, la tensión de salida del BC547 se conecta a la entrada (-) del comparador. La entrada (+) se conecta a una tensión variable, la cual es la que establece el umbral de disparo. Cuando la tensión del BC547 supera dicho umbral la salida del comparador pasa a nivel alto, y se mantendrá así mientras nuestra mano esté frente al LED IR. Esta salida se conecta, a su vez, al pin 2 (Trigger, TR) del 555 que, repito, está en modo monoestable.

Las resistencias R5, R6 y RV1 establecen una ventana para la distancia de detección. Los valores no son críticos y podrás adaptarlos a tus necesidades; inclusive podrías hacer que R5 sea de 0 (cero) Ohms, sin que el funcionamiento se vea seriamente afectado. 

Con los valores dados el rango de detección está entre 2cm (RV1 girado totalmente a la izquierda) y 8cm (RV1 girado totalmente a la derecha).

img del osciloscopio

555 en modo monoestable ( o de pulso simple, one-shot)

El pulso positivo* recibido en el pin 2 del 555 (Trigger, TR) desactiva al transistor interno al 555 conectado en el pin 7 (Discharge, DIS) permitiendo que el capacitor C6 comience a cargarse. Al mismo tiempo el pulso positivo hace que el pin 3 (Q), que es la salida del 555, pase a nivel alto.

* Un pulso positivo es cuando la tensión pasa de un valor igual o menor a 1/3 de VCC (4V en nuestro circuito de 12V) a un valor mayor o igual de 2/3 de VCC (8V en nuestro circuito).

555 en configuración monoestable.

C6 también está conectado al pin 6 (Threshold, THR) el cual detecta cuando la tensión en el capacitor alcanzó 2/3 de VCC. Cuando esto sucede la señal en el pin 3 vuelve a bajo y el transistor interno del pin 7 se activa para descargar al capacitor. 

La ecuación para calcular el tiempo que la señal en el pin 3 se mantendrá activa (en alto) es: 

t = 1.1*(R7+RV2)*C6

Las resistencias están en Ohms, la capacitancia en Faradios, y el tiempo en segundos. R7 es fijo para tener un tiempo mínimo de activación.

C6R7RV2Tiempo [s]
47uF22K0K (CCW: extremo izquierdo)1.13
47uF22K100K (CW: extremo derecho)6.13

Como habrás notado, estos valores no son críticos y podrás adecuarlos a tus necesidades.

TIP: Para tiempos muy largos mantén un valor más o menos bajo para C6 y aumenta lo más que puedas R7 y RV2 (un valor seguro para R7 es una décima parte de RV2).

Etapa de potencia

La válvula solenoide que utilicé para este circuito tiene un consumo de corriente de 500mA a 12VDC, pero el pin 3 del 555 no es capaz de entregarla, por lo requerimos de un circuito de potencia.

Electroválvula de 12VDC y 500mA.

Aquí tenemos dos opciones: usar un relevador, o usar un transistor MOSFET. Me decanté por la segunda con el IRF540 (o equivalente). 

IRF540.

Un MOSFET, para esta aplicación, tiene varias ventajas sobre un relevador:

  • Es menos voluminoso, lo cual significa usar un gabinete más pequeño,
  • Es más barato,
  • No genera calor,
  • Y la más importante: al ser un componente electrónico no tiene partes mecánicas, por lo cual su duración será mucho mayor.

NOTA: Si usas este circuito con electroválvulas que exijan más corriente, entonces deberás considerar agregar al MOSFET un disipador de calor; y en casos extremos quizás debas cambiarlo por un relevador (por ejemplo, si la electroválvula tiene bobinado de 127VAC, o si la electroválvula usa un motor como elemento actuador).

El bajo calentamiento del IRF540 es gracias a que la resistencia interna entre sus terminales D (Drain) y G (Gate), conocida como R(DSon), es de apenas 0.044 Ohms. Si hacemos cuentas:

P=RI^2
P=(0.044Ohms)(500mA)^2
P=11mW ó 0.011W

Este bajísimo valor de potencia, sumado al encapsulado TO-220 del transistor, lo convirtieron en la opción perfecta para esta aplicación.

Por cierto, también nota que usé un diodo en inversa (o en inglés, freewheel diode) para que devuelva la fuerza contra-electromotriz generada por el colapso del campo magnético del bobinado de la electroválvula cuando la tensión es retirada. (Todas las bobinas generan una fuerza contra-electromotriz cuando se les retira la alimentación, por eso también los relevadores siempre incluyen un diodo en esta configuración.)

Sin este diodo la fuerza contra-electromotriz (que es de alto valor y corta duración) trataría de pasar por el MOSFET, posíblemente dañándolo en el mediano plazo.

Normalmente yo uso al 1N4007 para este propósito, pero uno de señal, como el 1N4147, también podría funcionar.

Prototipos

El primer prototipo de este circuito me quedó así:

En esta primera versión coloqué el transmisor y receptor en la cara posterior debido al gabinete que utilizaría para relizar las primeras pruebas. Así mismo, para las resistencias variables de control de la distancia y el tiempo utilicé un par de trimpots, ya que estos son muy baratos y en México se consiguen con mucha facilidad.

Sin embargo, para la versión final hice 3 cambios, dos precisamente en los componentes mencionados:

  • Coloqué el transmisor y receptor en la cara de componentes.
  • Utilicé los clásicos potenciómetros azules que vemos en las tarjetitas chinas. La idea es que entusiastas de la electrónica de otros países también puedan construirlo, y además dichas resistencias tampoco son tan difíciles de conseguir en nuestro país. Si tu diseñas el PCB entonces podrás emplear el tipo de potenciómetro que más te convenga.
  • Cambié conector de alimentación, le puse uno de tornillo porque pienso que resulta más cómodo.

Una vez dicho eso la visión del artista es más o menos así:

Prototipo. Sus dimensiones son de 60mmx50mm. Todos los componentes son de fácil consecución.

Tips de montaje

Es importante que el diodo D2 y el fototransistor Q1 estén ligeramente inclinados el uno hacia el otro. El ángulo exacto no es crítico.

También es muy importante que D2 esté por encima de Q1 para evitar que este último capte luz infarroja cuando no hay ningún objeto frente a él.

Consejo de montaje de D2 y Q1.

Si en tu gabinete no tuvieras espacio para las diferentes alturas, entonces podrías poner una pequeña barrera de luz entre ambos componentes, por ejemplo, un pedazo de cartón negro o un pedazo de tarjeta PVC (de las del tipo tarjeta de crédito).

¿Qué sigue?

Podrías armar este circuito en una tarjeta de prototipos (protoboard) o realizar tu propio circuito impreso y comenzar a ahorrar agua cada vez que alguien en tu casa se lave las manos.

También podrías utilizar a este circuito en lo que en México le llamamos la “tarja” (ahí donde se lavan los trastes en la cocina, también conocido como “lavadero”), o para riego semiautomático, o como temporizador de uso general (utilizando como disparador poner un objeto frente a Q2), ¡o donde se te ocurra!


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Fco. Javier Rodríguez
Escrito por:

Fco. Javier Rodríguez

Soy Ingeniero Electrónico con 20+ años de experiencia en el diseño y desarrollo de productos electrónicos de consumo y a medida, y 12+ años como profesor. Egresado de la UNAM, también tengo el grado de Maestro en Ingeniería por la misma universidad. Mi perfil completo lo puede encontrar en: https://www.linkedin.com/in/fjrg76-dot-com/

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