Maxwell Bohr Instrumentação Eletrônica Ltda. Rua Porto Alegre, 212 Londrina PR Brasil KDE50. Kit Didático de Eletrônica

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1 Maxwell Bohr Instrumentação Eletrônica Ltda. Rua Porto Alegre, 212 Londrina PR Brasil KDE50 Kit Didático de Eletrônica UTILIZAÇÃO DO KIT Ago / 2011

2 Sumário 1 Considerações Iniciais Utilizando a Placa do KDE Realização dos Circuitos Descrição Básica dos Componentes Resistor Resistor Fixo Potenciômetro Sensor Resistivo LDR NTC PTC Diodo LED Capacitor Chave Chave Sem Retensão de Pulso Relé Transistor NPN PNP Fototransistor Buzzer Buzzer Contínuo Buzzer Intermitente Acionando um LED Circuito RC Acendimento de um LED com um Capacitor Sentido da Corrente Transistor NPN em Operação Transistor PNP em Operação Acendimento com um Toque Fotorresistor, LDR Fototransistor Buzzer Funcionamento do Relé Circuito Monoestável Circuito Astável LM Amplificador Operacional Inversor...30

3 15.2 Amplificador Operacional Não Inversor Sensor de Toque LM Comparador de Tensão de 2 Níveis...35

4 Considerações Iniciais 1 Considerações Iniciais 1.1 Utilizando a Placa do KDE50 Os componentes presente na placa do KDE50 estão distribuídos em grupos, facilitando a visualização dos mesmos e, consequentemente, a montagem dos circuitos a serem testados. A figura 1.1 destaca e numera estes grupos. Figura 1.1: 1- Chaves. 2- Resistores. 3- Capacitores. 4- Fusível. 5- Potenciômetro para ajuste de tensão. 6Conector para fonte de alimentação. 7- Chave Liga-Desliga. 8- Conector USB. 9- Conectores de alimentação. 10Entradas analógicas para coleta de dados. 11- LEDs. 12- Conectores para uso geral. 13- Relé. 14- Buzzers. 15Transistores. 16- Diodos. 17- Sensores de temperatura e luminosidade. 18- Potenciômetros. 1.2 Realização dos Circuitos Serão apresentadas algumas observações referentes aos exemplos de circuitos que podem 3

5 Considerações Iniciais ser implementados utilizando o KDE50 e que estão presente neste manual. Preste bastante atenção durante realização da montagem dos circuitos, às especificações e restrições. Circuitos que possuem capacitores eletrolíticos, diodos, transistores, buzzers e relés por exemplo, devem receber um cuidado especial, pois esses componentes são mais suscetíveis a problemas. Quando é apresentada uma proposta de circuito, está demonstrada com duas figuras, a primeira é um esquemático do circuito, e a outra é a montagem na placa do KDE50. No esquemático, observe que linhas que se cruzam porém não possuem um ponto de cruzamento, não possuem conexão elétrica entre elas, exemplo figura Quando é mostrada a montagem na placa, os nós comuns estão com a mesma cor, ou seja, pontos em comum no circuito apresentam a mesma coloração, para facilitar a visualização do circuito. Antes de apresentarmos os circuitos a serem implementados, será apresentado cada um dos componentes que estão presentes na placa do KDE50, bem como uma explicação de cada um deles. 4

6 Descrição Básica dos Componentes 2 Descrição Básica dos Componentes 2.1 Resistor O resistor é um dos componentes mais básicos de eletrônica. Sua principal função é controlar o fluxo de corrente elétrica no circuito, porém pode ser utilizado de muitas outras formas. O KDE50 possui dois tipos de resistor, o fixo e o variável, onde no variável temos dois outros tipos. o potenciômetro e o sensor resistivo. A figura 2.1 indica detalhadamente a posição de cada um deles Resistor Fixo Funciona com uma resistência fixa que pode ser medida por um ohmímetro, ou através da leitura dos símbolos de cores que são impressos no corpo dos resistores Potenciômetro O potenciômetro é um resistor de valor variável que possui três pinos e entre dois deles, geralmente os das extremidades, existe um resistor de valor fixo e bem definido. O material resistivo fica totalmente exposto e existe um contato metálico móvel que se desloca sobre a superfície do resistor. Esse contato está ligado ao outro pino do componente, geralmente o pino central. Assim temos um valor de resistência fixo para os pinos que estão ligados nos extremos do material condutor e a resistência formada entre uma das extremidades e o terminal móvel possui um valor variável, de zero ao valor da resistência fixa. Portanto, surgem duas resistências variáveis, terminal móvel com extremidade 1 e terminal móvel com extremidade Sensor Resistivo Os sensores resistivos são um exemplo de resistores que variam seu valor em função de parâmetros físicos e/ou químicos LDR O LDR, light dependent resistor, é um sensor de luminosidade que diminui sua resistência com o aumento da luminosidade NTC O termistor NTC, negative temperature coefficient, é um sensor de temperatura que diminui sua resistência com o aumento da temperatura PTC O termistor PTC, positive temperature coefficient, também é um sensor de temperatura, mas funciona de maneira contrária ao NTC, ele aumenta sua resistência com o aumento da temperatura. 5

7 Descrição Básica dos Componentes Figura 2.1: 1 - Resistores fixos. 2 - LDR. 3 - NTC. 4 - PTC. 5 - Fototransistor. 6 - Potenciômetro angular. 7 Potenciômetro linear. 2.2 Diodo Os diodos são componentes que controlam o sentido da corrente elétrica, sendo que permitem a passagem de corrente quando estão alimentados com a polaridade correta, chamada também de polarização direta, e não permitem quando estão polarizados reversamente, ou seja, com polaridade invertida. Podemos identificar o lado positivo e negativo de um diodo por uma marca no lado negativo, por onde a corrente deve sair. A figura 2.2 indica o lado negativo do diodo. Figura 2.2: Diodo. Idealmente quando o diodo conduz ele não apresenta resistência há corrente e, consequentemente, não há queda de tensão sobre ele. Porém, devido à características construtivas, o diodo apresenta uma pequena resistência, que depende destas características, fazendo com que haja uma pequena queda de tensão que pode ser entre 0,5 V e 0,7 V em diodos de silício ou de 0,2 V a 0,3 V em diodos de germânio LED Geralmente os diodos são construídos a partir de materiais semicondutores, tais como o Silício e o Germânio, porém podemos construir diodos de outros materiais, dando ao diodo características únicas. Esse é o caso do diodo emissor de luz, LED, ligh-emitting diode, ele possui 6

8 Descrição Básica dos Componentes as mesmas propriedades dos diodos comuns, mas os materiais que o formam tem a característica de emitir luz ao conduzir corrente elétrica. O lado negativo de um LED é designado como um chanfrado em seu corpo, a figura 2.3 é uma vista superior do LED e indica o lado negativo. Figura 2.3: Vista superior de um LED. 2.3 Capacitor Os capacitores são componentes capazes de armazenar energia elétrica. A constituição do capacitor se dá por duas placas condutoras posicionadas em paralelo. Eles podem ser construídos de vários materiais, como a cerâmica e o poliéster. A figura 2.4 mostra a localização dos diodos e dos diferentes tipos de capacitores. Figura 2.4: 1 - Capacitores de cerâmica. 2 - Capacitores de poliéster. 3 - Capacitores eletrolíticos. 4 - LEDs. 5 Diodos IN Chave Existem diversos tipos de chaves utilizadas em circuitos eletrônicos, chaves sem retensão de pulso, chaves com retensão ou trava, relé, entre outras. O KDE50 possui cinco chaves sem retensão de pulso normalmente abertas e um relé Chave Sem Retensão de Pulso É uma chave mecânica que possui dois tipos, NA, normalmente aberta, e NF, normalmente fechada. A chave NA, fecha o circuito ao ser acionada, já a chave NF abre o circuito ao ser 7

9 Descrição Básica dos Componentes acionada Relé O relé é uma chave acionada eletromagneticamente, o funcionamento dele se dá pela presença de uma bobina que quando energizada faz mover os contatos presentes no relé. A principal característica do relé é a isolação do circuito acionador da chave e o circuito chaveado. Quando ele é acionado permite a passagem de corrente em um circuito onde estão presentes cargas de alta tensão e/ou alta corrente. Assim, a partir de um circuito de baixa tensão e corrente, pode-se controlar um circuito de alta tensão e/ou corrente. 2.5 Transistor O transistor tem três terminais chamados de base, coletor e emissor, e possuem dois tipos de fabricação, o NPN e o PNP, sendo produzidos a partir dos mesmos materiais utilizados na produção dos diodos. Ele possui três modos de operação, corte, saturação e ativo. No corte não há passagem de corrente entre o coletor e emissor, na saturação a corrente passa livremente, na ativa ele funciona como um amplificador, onde um sinal na base é amplificado e segue para o emissor. Esses modos de operação dependem da configuração do circuito e do tipo de fabricação do transistor. A figura 2.5 mostra um transistor e a indicação da base (B), do coletor (C) e do emissor (E). Figura 2.5: Foto de um transistor NPN Em um transistor NPN, uma corrente que entra na base é amplificada, através do transistor, para o emissor. De modo geral, o transistor estará ligado quando a tensão na base for maior que a tensão no terminal de emissor, permitindo a passagem de corrente entre o coletor e o emissor PNP No transistor PNP, uma corrente que entra no emissor sai para a base, assim, o transistor estará ligado quando a tensão na base for menor que a tensão no terminal de emissor, permitindo a passagem de corrente entre o coletor e o emissor Fototransistor Há também sensores que tem o funcionamento como em um transistor, esse é o caso do fototransistor que é um transistor NPN com o encapsulamento transparente, onde a luz incide sobre a base. Os elétrons gerados pelos fótons da luz incidente na base, formam uma corrente elétrica, que é amplificada pelo ganho do transistor, e vai para o emissor. Então o fototransistor conduz conforme a incidência da luz sobre ele. 8

10 Descrição Básica dos Componentes O encapsulamento desse transistor é semelhante a um diodo transparente, onde o pino do lado chanfrado do transistor é o seu coletor, e o outro o emissor. Na placa do KDE50 ele está junto com os outros sensores, está identificado como o número 5 da figura Buzzer Um buzzer é um auto-falante que necessita de um oscilador para emitir sons, porém alguns já possuem osciladores em seu interior, emitindo o som ao serem alimentados Buzzer Contínuo É um buzzer, com um oscilador interno, que produz um som contínuo Buzzer Intermitente É um buzzer, com um oscilador interno, que produz um som com interrupções, ou seja vários bips. A figura 2.6 destaca a posição das chaves, transistores e buzzers na placa do KDE50. Figura 2.6: 1 - Chaves sem retenção de pulso normalmente abertas. 2 - Relé. 3 - Buzzer intermitente. 4 Transistor NPN. 5 - Transistor PNP. 6 - Buzzer contínuo. Nas sessões a seguir serão mostrados exemplos de circuitos que podem ser implementados utilizando o KDE50. Não se limite apenas aos circuitos apresentados aqui, utilize a imaginação e o conhecimento para realizar seus próprios circuitos. 9

11 Acionando um LED 3 Acionando um LED Este exemplo descreverá um circuito para o acendimento de um LED ao se pressionar uma chave NA. Para sua implementação deve-se ter em mente que o LED suporta um certo limite de corrente, que não deve ser ultrapassado pois isto pode danificá-lo. Nos LEDs presentes no KDE50 essa corrente é de aproximadamente 25 ma. Para limitar esta corrente de acionamento deve-se inserir um resistor em série com o LED, sendo que através de um cálculo simples obtêm-se a resistência necessária. V máx=v R V D, com V máx igual á tensão máxima fornecida pelo KDE50 (15 V), V R a tensão no resistor e V D a tensão de operação do LED (2 V). 15=R min. i Dmáx 2, com Rmin sendo o mínimo valor do resistor a ser escolhido e i Dmáx a corrente máxima no LED. Rmin = 15 2 =520 Ω. 0,025 Assim, para acionar o LED, devemos escolher um resistor de valor maior que 520 Ω, um valor totalmente seguro é de 1 kω. Atente também à polarização do LED durante a montagem do circuito, que pode ser visto na figura 3.1 e sua montagem na figura 3.2. Figura 3.1: Circuito esquemático para acionamento de um LED. Figura 3.2: Montagem do circuito de acionamento de um LED. 10

12 Acionando um LED Esse resistor de segurança deve sempre ser empregado em série com o LED a fim de protegê-lo, porém pode-se mudar seu valor de resistência, para outros valores que estejam acima do valor determinado pelo cálculo. Com valores de resistência mais baixos, que permitem maior fluxo de corrente, a luminosidade do LED será maior, já com uma resistência mais elevada, que diminui o fluxo de corrente, a luminosidade diminui. Um experimento interessante para observar isto é colocar um potenciômetro em série com o resistor de 1 kω, como as resistências se somam pode-se controlar a intensidade do LED aumentando ou diminuindo o valor do potenciômetro. 11

13 Circuito RC 4 Circuito RC Capacitores são capazes de armazenar energia elétrica, sendo amplamente utilizados em circuitos eletrônicos. Nesse exemplo vamos analisar o descarregamento e o carregamento do capacitor. No caso de um capacitor eletrolítico devemos ter cuidado com a polarização dos seus terminais, pois se conectado de forma errada ele pode até explodir, sendo assim, antes de energizar o circuito, verifique atentamente se a polarização está correta. O circuito que iremos montar consiste de um resistor em paralelo com o capacitor, como mostrado no circuito da figura 4.1, com o exemplo de montagem na ilustração da figura 4.2. Figura 4.1: Circuito para teste de descargado capacitor. Figura 4.2: Montagem do teste de descarga do capacitor. Este circuito é utilizado para verificar a curva de descarga do capacitor, figura 4.3, que pode ser visualizada através do software de aquisição de dados que acompanha o KDE50, conectando o terminal positivo do capacitor em uma das entradas analógicas do equipamento. Ao acionar a chave do circuito, a fonte de tensão alimenta o capacitor e o resistor, resultando no pico de tensão mostrado na figura 4.3, ao soltar a chave, o resistor fica em série com o capacitor que começa a descarregar sua energia através deste, resultando na curva de descarga. Outro circuito interessante para ser analisado é o circuito mostrado na figura 4.4, com um resistor e um capacitor em série e sua montagem na figura 4.5. Com este circuito podemos observar a curva de carga do capacitor, figura 4.6, onde, ao acionar a chave, a tensão sobre o capacitor 12

14 Circuito RC aumenta exponencialmente, até chegar à um nível estável. Figura 4.3: Descarregamento de um capacitor. Figura 4.4: Circuito para teste de carga do capacitor. 13

15 Circuito RC Figura 4.5: Montagem do teste de carga do capacitor. Figura 4.6: Curva de carga do capacitor. É importante observar que para resistores e capacitores com propriedades diferentes teremos um formato semelhante para esta curva, porém os tempos de carga e descarga serão diferentes. Isso mostra que o carregamento e o descarregamento de um capacitor dependem tanto de sua capacitância quanto da resistência do resistor associado a ele. As fórmulas que descrevem a carga de um capacitor são: 14

16 Circuito RC ( V c (t )=V cc. 1 exp ( t (R.C ) )) onde V c é a tensão no capacitor, V cc a tensão de alimentação do circuito, R e C os valores da resistência e da capacitância, respectivamente. O tempo t pode ser calculado da seguinte forma t=r. C. ln ( V cc (V cc V c ) ) As fórmulas que descrevem o descarregamento são: ( ( V c (t )=V cc. exp t ( R.C ) )) O tempo t é t=r. C. ln V cc Vc ( ) 15

17 Acendimento de um LED com um Capacitor 5 Acendimento de um LED com um Capacitor Neste exemplo será utilizado um capacitor para fornecer a energia para acender um LED, a figura 5.2 apresenta o circuito a ser montado e a figura 5.1 mostra a montagem do circuito na placa. Figura 5.1: Esquemático do circuito de acendimendo do LED com um capacitor. Figura 5.2: Montagem do circuito de acendimento de um LED com um Capacitor. Pressionando a chave, o LED acenderá e o capacitor irá carregar, ao soltar a chave, o LED permanece aceso até que o capacitor descarregue. Quanto maior o valor do capacitor, mais energia ele armazena e maior o seu tempo de descarga. Se o resistor em série com a fonte for aumentado, o capacitor demora mais tempo para carregar, fazendo o LED demorar mais tempo para acender totalmente. Aumentando a resistência em séria com o LED, demora mais tempo para apagá-lo, pois a corrente gerada no descarregamento do capacitor será menor para valores maiores da resistência. Pode-se também associar capacitores em série e em paralelo, porém eles reagem de forma inversa a do resistor, quando estão em paralelo, calcula-se como se fossem resistores em série, quando estão em série calcula-se como se fossem resistores em paralelo. Assim o valor da capacitância aumenta quando os capacitores são ligados em paralelo, e diminui quando os capacitores são ligados em série. 16

18 Sentido da Corrente 6 Sentido da Corrente Um diodo limita a passagem de corrente por um circuito, pois se polarizado diretamente ele a permite, de outra forma ele bloqueia a passagem de corrente. Para verificar esse funcionamento utilizaremos dois LEDs em paralelo, um invertido em relação ao outro. Podemos observar a disposição dos LEDs na figura 6.1 que mostra o esquemático do circuito. Na figura 6.2 está ilustrada a montagem na placa. Figura 6.1: Circuito para demonstrar o sentido da corrente. Figura 6.2: Montagem do circuito do semtido da corrente. A corrente elétrica flui do polo positivo, para o polo negativo. Pressionando a chave 1, a fonte de tensão fornece energia para o circuito e o LED 1 acende pois ele está polarizado diretamente. Passado um tempo, o capacitor carrega e o LED 1 apaga, pois a corrente não circula mais. Agora solte a chave 1 e pressione a chave 2, o LED 2 acende pois a corrente está percorrendo um sentido inverso, em relação à anterior. Quem está fornecendo energia nesse momento é o capacitor e o LED 2 permanecerá aceso até o capacitor descarregar totalmente. 17

19 Transistor NPN em Operação 7 Transistor NPN em Operação Um transistor NPN conduz quando em sua base há uma tensão maior que a do emissor, permitindo a passagem de corrente pelo coletor. Para observar esse comportamento monte o circuito descrito na figura 7.1. Figura 7.1: Circuito de operação de um transistor NPN. Figura 7.2: Montagem do cirucito do transistor NPN. A montagem na placa é conforme a figura 7.2. Ao acionar a chave, uma corrente percorre a base, permitindo que o transistor conduza, então a corrente circula do coletor para o emissor, e o Led acende. Um experimento interessante é colocar um capacitor em paralelo com a fonte de alimentação, assim, ao pressionar a chave, o capacitor carrega e ao soltar a chave, enquanto descarrega, ele fornece a corrente necessária para fazer o transistor conduzir. 18

20 Transistor PNP em Operação 8 Transistor PNP em Operação Semelhante ao exemplo anterior, agora utilizaremos um transistor PNP para estudar a seu funcionamento. O transistor PNP só permite a passagem de corrente do emissor para o coletor quando a tensão da base é menor que a do emissor. O circuito é como o da figura 8.1, e sua montagem é exemplificada na figura 8.2. Figura 8.1: Circuito de operação de um transistor PNP. Figura 8.2: Montagem do circuito do transistor PNP. Pressionando a chave 1, uma corrente irá chegar ao emissor e ser distribuída para a base, e a corrente da base amplificada para o coletor. Se retirarmos o resistor que está ligado na base, e ligarmos ela direto no terra, o LED não acende mais, pois não há a drenagem de corrente da base e o transistor estará desligado. 19

21 Acendimento com um Toque 9 Acendimento com um Toque Esse exemplo nos mostra como é frágil a percepção de corrente na base do transistor, o desenho do circuito é mostrado na figura 9.1, monte o circuito conforme a figura 9.2. Figura 9.1: Esquemático do circuito. Figura 9.2: Montagem do circuito de acendimento. Ao tocar na base do transistor o LED acende, pois uma pequena corrente, presente no corpo humano, já é suficiente para ele começar a conduzir. Há outros tipos de transistores que tocar já é o suficiente para levar o transistor à saturação, esses transistores são empregados em certos abajures, interruptores que são controlados pelo toque. 20

22 Fotorresistor, LDR 10 Fotorresistor, LDR O LDR tem a capacidade de identificar variações na luminosidade, ele varia sua resistência conforme a intensidade luminosa incidente sobre ele. Os valores de resistência variam conforme o fabricante, porém para se ter uma ideia, em uma grande intensidade de luz a resistência é próxima de 400 Ω e em uma pequena intensidade de luz a resistência chega até 10 MΩ. Esse exemplo baseia-se no funcionamento do transistor que além de uma corrente na base, necessita uma tensão mínima entre a base e o emissor de 0,7V. No exemplo, a tensão entre a base e o emissor do transistor será a mesma que a tensão no LDR. O circuito a ser montado pode ser analisado na figura 10.1 e sua montagem é conforme a figura Figura 10.1: Circuito para observar o comportamento do LDR. Figura 10.2: Montagem do circuito do LDR. Ao diminuir a intensidade de luz, o valor da resistência do LDR aumenta. Assim a tensão sobre ele, e consequentemente a tensão entre a base e o emissor aumentam também, permitindo a passagem de corrente do coletor para o emissor, acendendo o LED. Segundo o mesmo princípio podemos utilizar os outros dois sensores, o NTC e o PTC. 21

23 Fototransistor 11 Fototransistor Nesse exemplo o fototransistor é utilizado para detectar uma falta da incidência de luz, por exemplo na passagem de uma caixa em um sistema transmissor/receptor, onde o fototransistor está recebendo a luz de um LED. Para montar esse circuito, figura 11.1, a configuração Darlington, deverá ser usada. Essa configuração aumenta o ganho do circuito associando dois transistores, e multiplicando seus ganhos entre si. Essa configuração é necessária pois o ganho do fototransistor é muito pequeno e sua corrente de saída é muita baixa. Figura 11.1: Circuito com configuração Darlington Figura 11.2: Montagem do circuito do fototransistor. Conforme a montagem da figura Se a luz incidente sobre o fototransistor é suficiente, ele passa a conduzir uma corrente para seu emissor e para a base do transistor NPN1. O transistor NPN1 envia a corrente em sua base com o adicional de um ganho para seu emissor e a corrente flui pelo circuito, e o LED acende. Quando a incidência de luz é muito pequena, os dois transistores estão em corte e não há passagem de corrente no circuito, o LED fica apagado. 22

24 Buzzer 12 Buzzer Nesse exemplo um buzzer, contínuo ou intermitente, será desligado na ausência de luz. O circuito pode ser observado na figura 12.1 e montado conforme a figura Figura 12.1: Circuito com um buzzer. Figura 12.2: Montagem do circuito do buzzer. Quando a luz chega ao LDR, sua resistência é muito baixa, portanto a tensão sobre o resistor de 10 kω passa os 0,7 V necessários para o transistor entrar em operação, porém ao escurecer o ambiente do LDR, sua resistência aumenta tanto que a tensão sobre o resistor de 10 kω não chega aos 0,7 V. 23

25 Funcionamento do Relé 13 Funcionamento do Relé O relé é utilizado para o acionamento de cargas de alta tensão a partir de circuitos de baixa tensão. Ele possui parâmetros necessários para o seu funcionamento, um deles é a corrente nominal de acionamento, no relé presente na placa do KDE50 é estimada em 60 ma. Outro parâmetro é a tensão nominal de funcionamento, essa é de 12 V no relé que temos em mãos. Nesse exemplo utilizaremos o transistor NPN, BC548, presente na placa, para obter a corrente de acionamento. Esse transistor possui um ganho de aproximadamente 100 vezes, ou seja, uma corrente que percorre a base tem um ganho de 100 vezes quando é levada para o emissor. Assim precisamos de uma corrente de 0,6 ma na base do transistor. Para respeitar a tensão nominal teremos que ajustar a Saída Alimentação para fornecer 12 V. Considerando a queda de tensão no transistor, deve-se encontrar o valor da resistência na base do transistor. V cc V tran =R.i, com V cc igual a tensão da fonte (12V), V tran a queda de tensão do transistor (0,7 V), R a resistência mínima e i a corrente na base do transistor (0,6 ma). Assim, 12 0,7=R 0,0006 R= 11,3 0,0006 R=18,833 k Ω Portanto, devemos usar um resistor na faixa 18,8kΩ, escolhemos o resistor de 10kΩ. Para a proteção do relé é necessário que um diodo seja posicionado em paralelo com a bobina e em sentido inverso ao da corrente que alimenta o componente, pois quando ele é desligado, é gerado em suas bobinas, por indução magnética, uma corrente inversa daquela que aciona o componente. Essa corrente pode danificar o componente, estando em paralelo com a bobina, o diodo consome essa corrente, protegendo o relé. O circuito é como mostrado na figura Na figura 13.2 temos a ilustração do circuito a ser montado. Figura 13.1: Circuito de acionamento do relé. 24

26 Funcionamento do Relé Figura 13.2: Montagem do circuito de acionamento do relé. Após a montagem o LED 1 deverá estar aceso, pois ele está ligado à chave NF do relé, e ela está ligada, através da chave comum do relé, na fonte de tensão. Ao pressionarmos a chave 1, alimentamos a base do transistor com uma corrente e essa é amplificada para o emissor, energizando a bobina do relé. Os contatos internos do relé mudam, fazendo com que a chave NA feche e a chave NF abra, fazendo com que o LED 1 apague e o LED 2 acenda. O capacitor que está em paralelo com a fonte fornece corrente para a base do transistor, até ser descarregado, assim o relé permanece acionado mesmo quando soltamos a chave. Retire esse capacitor e observe que a comutação torna-se instantânea. 25

27 Iremos utilizar um novo componente, que pode ser acoplado nos Conectores de Uso Geral que estão localizados na área 12 da figura 1.1. Esse componente é um circuito integrado, CI, muito utilizado em circuitos eletrônicos, seu nome é 555. O CI 555 recebe esse nome pois possui 3 resistores de 5kΩ em série no seu interior. Ele pode ser usado de várias formas, mas entre suas funções destacam-se a temporização de um evento e a oscilação em modo contínuo. O modo de trabalho do 555 quando está configurado para realizar a temporização de único evento, chama-se modo monoestável, o outro modo, onde o 555 trabalha em oscilação em modo contínuo, chama-se modo astável. A pinagem do 555, conforme a figura 14.1, respeita a configuração dos circuitos integrados que possuem, em um de seus lados, um pequeno corte ou um ponto que indica o lado do pino 1. A partir desse ponto, iniciamos a contagem dos pinos pela esquerda do componente e seguimos o sentido anti-horário fazendo a contagem numérica. No caso do 555, a fileira da esquerda possui os pinos 1, 2, 3 e 4, enquanto que a fileira da direita possui os pinos 8, 7, 6, e 5, sendo que o pino 5 fica logo ao lado do pino 4. Figura 14.1: Pinagem do CI 555. Os pinos 1 e 8 desse CI são os pinos de alimentação, por isso em todas as aplicações do CI eles estarão ligados à alimentação. Deve-se ficar atento com a tensão limite de alimentação, o 555 suporta tensões de alimentação maiores que 15 V, por isso podemos utilizar a máxima tensão de alimentação da placa do KDE50, porém há CIs que não suportam esse valor Circuito Monoestável Neste exemplo será apresentado o circuito monoestável com o 555, figura Observe a pinagem do CI 555 e os componentes utilizados, o funcionamento será discutido a seguir. Figura 14.2: Circuito monoastável. 26

28 555 Esse esquema de montagem ativa a saída do circuito por um determinado período de tempo, esse período depende diretamente dos componentes R1 e C1 presentes no circuito, seguindo a seguinte equação: T =1,1 R1 C1 Esse circuito é acionado por uma borda de descida, isso significa que o circuito detecta uma queda de tensão no pino 2. O pino deve ser alimentado com uma tensão positiva, e para acionar o circuito, essa tensão deve ir para um nível baixo (0 V). O capacitor C2 é utilizado para aumentar a imunidade do CI ao ruído, o valor utilizado deve ser na ordem de até 100nF. O circuito da figura 14.3, irá nos mostra melhor o funcionamento do 555 como monoestável e a figura 14.4 ilustra a montagem do circuito na placa. Figura 14.3: Circuito monoastável com um buzzer. Figura 14.4: Montagem do circuito monostável. O período T que o buzzer emitirá som pode ser calculado pela equação apresentada. Para esse circuito o período será: T =1, ,00001 T =3,63 s, 27

29 555 pode-se alterar o período modificando os valores de R1 e C1 no circuito. Observe que o pino 2 recebe uma tensão positiva constante e quando acionamos a chave 1, a tensão no pino vai para 0 V, acionando o circuito e disparando o buzzer. Se a chave 1 ficar acionada por um tempo maior que o calculado, o buzzer ficará tocando até que se solte a chave Circuito Astável O CI 555 também pode trabalhar no modo astável, onde ele realiza uma oscilação de modo contínuo. Nesse modo, a saída do 555 vai ficar mudando de estado em uma frequência definida por dois resistores e um capacitor. Figura 14.5: Circuito astável. A frequência representa o número de oscilações que ocorrem por segundo, a unidade da frequência é o Hertz, Hz, que é representado em equações pela letra f. A frequência de oscilação da saída do 555, da figura 14.5 pode ser calculada por meio de uma equação que depende dos valores de R1, R2 e C1. f= 1,44 R1 2 R2 C1 Esse circuito não precisa ser disparado, após ligado ele funcionará indefinidamente até que a energia do circuito cesse. Para compreender o funcionamento do CI no modo astável, realize a montagem do circuito mostrado na figura 14.6, conforme a figura Figura 14.6: Circuito astável com LEDs. 28

30 555 Figura 14.7: Montagem do circuito astável. Pode-se calcular a frequência de oscilações segundo a equação apresentada anteriormente: f= 1, ,00001 f 4,91 Hz, para alterar o valor da frequência pode-se alterar os valores dos resistores e/ou do capacitor. 29

31 LM LM324 Outro CI que iremos utilizar é LM324, esse CI possui em seu interior quatro amplificadores operacionais, chamados de Amp-Op. O seu interior é ilustrado na figura Figura 15.1: Pinagem do CI LM324 Os pinos 4 e 11 desse CI são os pinos de alimentação do CI, por isso em todas as aplicações do CI eles estarão ligados à alimentação. O LM324 suporta tensões de alimentação maiores que 15 V, por isso podemos utilizar a máxima tensão de alimentação da placa do KDE50. Um Amp-Op é um amplificador de alto ganho, ou seja, um pequeno valor de tensão em sua entrada, aparecerá na saída com um valor alto. Porém, esse valor de saída é limitado pela tensão de alimentação do componente. Ele possui duas entradas, uma negativa, que se chama inversora e outra positiva, que se chama não-inversora. O Amp-Op compara essas duas tensões, realizando uma subtração entre a tensão presente na entrada não inversora e a tensão de entrada na inversora. A saída então é o valor dessa subtração multiplicada por um ganho, chamado de ganho de malha aberta. Observe que as denominações negativo e positivo das entradas, não tem correlação com a polarização, e sim a uma comparação entre essas duas entradas Amplificador Operacional Inversor Figura 15.2: Amplificador operacional inversor. Na figura 15.2 podemos observar o amplificador operacional inversor, nessa configuração VOUT que é a tensão de saída do circuito tem o sinal invertido com relação à tensão de entrada VIN. Além dessa inversão, referida inversão de fase, temos um ganho de tensão, ou seja, a tensão de saída é a tensão de entrada multiplicada por uma constante. No caso do amplificador operacional inversor, podemos calcular VOUT conforme a seguinte equação: VOUT = R2 VIN R1 Observe que se R2 for maior que R1, R2 > R1, o módulo do tensão de saída será maior que a tensão de entrada, se R2 for menor que R1, R2 < R1, o módulo da tensão de saída será menor que a tensão de entrada. 30

32 LM324 Observe o circuito da figura 15.3, e sua montagem na figura Figura 15.3: Circuito com um amplificador operacional inversor. Figura 15.4: Montagem do circuito inversor. Neste exemplo utilizamos R2 igual a 10 kω, e R1 igual a 1 kω, utilizando a equação, temos: VOUT = 10 k VIN 1k VOUT = 10 VIN Portanto o módulo da tensão de saída é 10 vezes maior que a tensão de entrada, e com fase invertida, até o limite de alimentação do CI. Por isso o LED acende com a saída ligada no seu lado negativo. Pode-se alterar os valores dos resistores para analisar os diferentes ganhos de tensão Amplificador Operacional Não Inversor Outra possível montagem com o Amp-Op, é o amplificador operacional não inversor, conforme mostra a figura

33 LM324 Figura 15.5: Amplificador operacional não inversor. Montando o circuito dessa forma, a tensão de saída, VOUT, terá o mesmo sinal que a tensão de entrada, VIN, isso equivale a dizer que a tensão de saída está em fase com a tensão de entrada. Além de estar em fase, temos um ganho de tensão, a tensão de saída pode ser calculada da seguinte forma: VOUT = R1+R2 R2 VIN = 1+ VIN R1 R1 ( ) ou ainda, ( VOUT = 1+ R2 VIN R1 ) A tensão de saída nunca será menor que a tensão de entrada, pois aparece o número 1 somando a divisão de R2 por R1, ou seja, mesmo que R2 < R1, somando o resultado da divisão a 1, esse número sempre será maior que 1. Para exemplificar, monte o circuito da figura 15.6, conforme a figura Figura 15.6: Circuito com um amplificador operacional não inversor. 32

34 LM324 Figura 15.7: Montagem do circuito não inversor. Observando os valores de R2 e R1 pode-se calcular o valor de VOUT conforme a equação, VOUT = 1 10 k VIN 1k VOUT = 1 10 VIN VOUT =11 VIN Portanto VOUT é 11 vezes maior que VIN, até o limite de alimentação do CI. Por isso o LED está acendendo com a tensão de saída ligada no seu lado positivo. Pode-se alterar os valores de R1 e R2 para encontrar outros valores de ganho de tensão Sensor de Toque Podemos utilizar o LM324 para implementar um sensor de toque, podemos analisar o circuito na figura 15.8, e sua montagem na figura Figura 15.8: Sensor de toque. 33

35 LM324 Figura 15.9: Montagem do circuito do sensor de toque. Para acender o LED basta tocar nos conectores da chave 1, pois a resistência do corpo já é suficiente para conduzir uma corrente e criar uma tensão sobre o resistor R4, e essa tensão é amplificada, segundo a equação do amplificador operacional não inversor, e vai para o LED. Com pequenas alterações pode-se implementar um sensor de luminosidade. Substitua o resistor R4 por um resistor de 47 kω, e a chave pelo LDR. Se a sala estiver iluminada, o LED ficará aceso, se interromper a luz que chega ao LDR, o LED apaga. 34

36 LM LM339 No experimento da sessão a seguir irá ser utilizado outro CI, chamado LM339 que é composto por 4 comparadores. A figura 16.1 mostra a pinagem do CI. Figura 16.1: Pinagem do CI LM339. Um comparador de tensão nada mais é do que um amplificador operacional de alto ganho, que realiza uma comparação entre uma tensão de entrada e uma tensão de referência. A saída estará em nível lógico alto, tensão igual á alimentação do CI, se a tensão de entrada for maior ou igual a tensão de referência, caso contrário estará em nível lógico baixo, 0 V. A principal diferença entre um Amp-Op e um comparador de tensão é que o Amp-Op quando compara duas tensões, sua saída tem uma resposta linear, ou seja, a saída vai aumentando gradualmente de acordo com o aumento da diferença entre as tensões. Já o comparador, sua resposta é quase que instantânea, ou seja, uma pequena diferença entre as tensões, já leva a saída do comparador ao valor máximo, não possuindo uma resposta linear. Por essa característica os comparadores são bastante usados em circuitos onde queremos implementar funções lógicas de potência Comparador de Tensão de 2 Níveis Para compreender o funcionamento do LM339, monte o circuito da figura 16.2, conforme ilustrado na figura Figura 16.2: Circuito comparador de tensão. 35

37 LM339 Figura 16.3: Montagem do circuito comparador. A tensão de referência é a tensão que permanece fixa. Para os comparadores podemos calcular essa tensão observando que os resistores em série formam um divisor de tensão. Um divisor de tensão é um circuito simples que nos fornece uma tensão nova a partir de uma tensão e uma associação de resistores. Analise o circuito da figura 16.4 que demonstra um divisor de tensão. Figura 16.4: Divisor de tensão. A corrente que passa por R1 e R2 é a mesma, e, segundo a Lei de Ohm V=R.i, vale: i= VCC R1 R2 A tensão Vout é a tensão sobre o resistor R2, calculado dessa forma: Vout =R2 i com i igual ao calculado anteriormente, temos: Vout =VCC R2 R1 R2 Voltando para a análise do circuito da figura 16.2, a tensão de referência dos dois comparadores estão ligadas na entrada não inversora. Vamos calcular a tensão de referência do 36

38 LM339 comparador Vref c1= Vref c1=14,74 V Isso significa que enquanto a tensão na entrada inversora for menor que esse valor, o comparador está em nível lógico alto, e o LED 1 apagado. Quando a tensão na entrada inversora for maior que esse valor a saída do comparador 1 irá para o nível lógico baixo, polarizando o LED 1 diretamente. A tensão de referência no comparador 2 é calculado da seguinte forma: 470 Vref c2= Vref c2=12,15 V A análise é da mesma forma que o comparador anterior. O LED 2 só irá acender quando o a tensão na entrada inversora for maior que a tensão de referência. Portanto, quando alterarmos o valor do potenciômetro, chegaremos a um valor que irá ser maior que a tensão de referência do comparador 2, pois ele tem uma tensão de referência menor, e o LED 2 irá acender. Continuando a alterar o valor do potenciômetro no mesmo sentido, a tensão se tornará maior que a tensão de referência do comparador 1, e o LED 1 acenderá. 37