El circuito avisa con sonido y con luz cuando la concentración de alcohol etílico en el aliento supera un umbral tolerable, y de forma opcional activa un relé. Lo publicó Open Electronics como proyecto para armar.
Cuando se dice "alcohotest", lo primero que viene a la mente son los controles policiales en carretera para detectar y multar a quienes manejan bajo la influencia del alcohol. En esos casos se usa un equipo con boquilla intercambiable (por razones obvias de higiene) donde la persona sopla y el aliento llega a la superficie sensible de un sensor de alcohol etílico. El proyecto ofrece algo parecido, no para jugar a ser policía, sino porque siempre puede servir comprobar, al pararse de la mesa y antes de tomar el auto, que no se está arriesgando una infracción.
Igual que los alcohotest comerciales pensados para ese uso, permite estimar la alcoholemia (la cantidad de alcohol en la sangre) a partir del soplo dirigido contra el sensor. El sensor es un MQ-3, que detecta vapores de alcohol y también varios tipos de gases e hidrocarburos, aunque el compuesto al que más responde es el alcohol, seguido de la bencina.
El sensor MQ-3
Lo fabrica Hanwei Electronics (www.hwsensor.com) y se basa en la conocida estructura de película de óxido metálico, usada hace años para detectar gases. El elemento sensible es una capa de óxido que calienta un filamento alimentado por dos pines propios (marcados H, de heater) hasta su temperatura óptima de trabajo. El filamento tiene una resistencia en frío de unos 33 ohm, es de una aleación de níquel y cromo y no tiene polaridad, aunque conviene alimentarlo con corriente continua.
La película metálica va sobre un soporte cerámico tubular de alúmina (Al2O3), un material aislante. Es de dióxido de estaño (SnO2) y, al calentarse, se vuelve permeable a los átomos de los gases a los que es sensible. El contacto con el alcohol etílico y la reacción de óxido-reducción resultante cambian la conductividad de la película, que en condiciones normales es muy baja. Para ser precisos, la resistencia va de unos cientos de ohm hasta 20 kohm para concentraciones de alcohol entre 10 y 0,05 mg/L, que es el rango que mide el sensor (a mayor concentración, menor resistencia). El fabricante define como Ro la resistencia de referencia a una concentración de 0,4 mg/L. La reacción que provoca el alcohol, con el oxígeno del aire, libera electrones que aumentan la conductividad del elemento sensible y bajan su resistencia.
Para detectar la variación de resistencia, la película forma parte de un divisor resistivo alimentado a 5 V, con una resistencia de carga (la que va a tierra) que suele ser de 20 kohm. En este circuito ronda los 1,2 kohm porque el diseño lo requiere. A medida que sube la concentración de alcohol en el aire que pasa por la rejilla protectora del MQ-3, baja la resistencia del elemento sensible y sube el voltaje en la resistencia de carga. Para mostrar cómo se comporta la delgada película de dióxido de estaño, la figura 2 grafica en escala logarítmica su respuesta a distintos gases y al alcohol etílico.
Las curvas corresponden a 20 °C de temperatura ambiente, 65% de humedad relativa y cerca de 21% de oxígeno. En el gráfico, Ro es la resistencia del sensor a 0,4 mg/L de alcohol etílico en aire limpio y seco, y Rs es la resistencia que toma el elemento a una concentración dada del compuesto. A 0,4 mg/L, Rs es igual a Ro y la razón vale 1. A 10 mg/L, Rs cae a cerca de un décimo de Ro. La razón Rs/Ro define la sensibilidad del MQ-3. El gráfico también deja ver que el sensor responde a otros aerosoles y gases, porque así se comporta la película de dióxido de estaño, aunque en este caso lo que importa es el alcohol (la razón varía unas 20 veces en todo el rango de medición).
Esquema eléctrico
El alcohotest usa la configuración descrita, con la resistencia del elemento sensible en serie con otra con la que forma un divisor. Para seguir el esquema, la figura 3 muestra el pinout y las conexiones internas del MQ-3.
El divisor del sensor y el temporizador 555
Como el sensor es analógico, entre las resistencias en serie R3 y R5 aparece un voltaje que varía según la curva de la figura 2 en función de la concentración de alcohol. R5 es un trimmer, así que permite ajustar la amplitud de ese voltaje, o sea la relación entre la diferencia de potencial en el pin 2 del integrado U1 y la tensión de alimentación del filamento, que es de 5 V continuos. Siguiendo las indicaciones del fabricante, en serie con el filamento calefactor va una resistencia que limita su corriente y la potencia que disipa, dentro de valores seguros que garantizan la respuesta correcta al alcohol y una vida útil larga.
La señal del sensor, el voltaje en la serie R3-R5, se aprovecha de una forma poco habitual. No la lee el conversor de un microcontrolador ni nada parecido. Va directo a la entrada de disparo de un temporizador 555 común, cuyos flip-flops internos hacen el trabajo. Para entender el papel del 555 hay que mirar por dentro, con ayuda del diagrama de bloques de la figura 4.
Los comparadores internos y el flip-flop
Dentro del 555 hay dos comparadores que comparten un divisor de resistencias en escalera. Ese divisor polariza la entrada inversora del amplificador operacional superior y la no inversora del inferior. Desde afuera se accede a la entrada no inversora del superior, que corresponde al pin 6 (THR, Threshold), y a la inversora del inferior, que corresponde al pin 2 (TRI, Trigger). Superior e inferior se refieren al potencial de referencia que recibe cada uno del divisor, así que el superior recibe el voltaje más alto.
El nodo entre la primera y la segunda resistencia del divisor (contando desde el positivo, el pin 8) sale por el pin 5 (CV, Control Voltage). Eso permite alterar los voltajes de referencia de los comparadores y controlar con un voltaje externo la frecuencia en modo astable (como en un VCO, un oscilador controlado por voltaje) o la duración del pulso en modo monoestable. Esta función no se usa en el alcohotest.
Lo que sí importa es lo que viene después. La salida del comparador superior maneja el RESET y la del inferior maneja el SET de un flip-flop tipo RS, un circuito lógico cuya salida directa (Q) pasa a nivel alto (cerca del potencial del pin 8) cuando SET está en alto. La salida hace exactamente lo contrario cuando se activa RESET, que al ponerse en nivel lógico alto reinicia el flip-flop y lleva Q a cero.
El flip-flop tiene una salida complementaria (/Q), siempre inversa a Q. En el 555 esa salida maneja la base de un transistor NPN en colector abierto, con el emisor a tierra y el colector en el pin DIS (Discharge, pin 7), que este circuito no usa. La salida directa Q llega al pin OUT (pin 3) a través de un buffer interno push-pull que entrega hasta 200 mA. La tierra de referencia del 555 es el pin 1, y el pin 4 es el reset del flip-flop, activo en bajo. Ese pin permite forzar un reinicio desde afuera con un nivel lógico bajo, pero aquí va fijo a nivel alto porque no se necesita.
Cómo se configura la alarma
En este diseño el pin 6 va al positivo, así que el comparador superior nunca conmuta, su salida queda siempre en alto y con ella el reset del flip-flop. Solo trabaja el comparador inferior, el del pin de disparo. Cada vez que el pin 2 baja a nivel lógico bajo, la salida del 555 (pin 3) sube a nivel alto.
Mientras la concentración de alcohol es baja y el voltaje en la cadena de resistencias queda bajo un tercio de la alimentación del 555, la salida se mantiene alta. Si la concentración sube lo suficiente para llevar el voltaje entre el pin 2 y tierra sobre un tercio de la alimentación, el comparador inferior baja su salida y el set del flip-flop vuelve a nivel bajo. En esa condición manda el reset y la salida directa del flip-flop baja. Eso alimenta el zumbador piezoeléctrico y el LED de prueba positiva LD2, polarizado a través de la resistencia limitadora R2.
El relé para usarlo como alarma de gas
El pin 3 del 555 también alimenta la bobina del relé RL1. Los autores lo incluyeron a propósito para que quien quiera pueda conectar el circuito a una central de alarma y detectar gases como el gas licuado y otros que el sensor capta, además de aerosoles de bencina y alcohol.
Para proteger el transistor de salida del 555 de las sobretensiones inversas que aparecen en la bobina al desenergizarse, va el diodo D1 conectado en antiparalelo. El relé es muy útil si el circuito se usa como detector y alarma de gas, pero hay que tener en cuenta que en ese caso el relé debe ser hermético, porque hasta la pequeña chispa que produce al conmutar la carga podría provocar una explosión. Del RL1 quedan disponibles solo los contactos C y NA (normalmente abierto), así que funciona como interruptor.
