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Disciplina: Experimental de Eletrônica Analógica I – Prof. Dr. Sérgio Ricardo de Jesus Oliveira
DESENVOLVIMENTO DE UM TECLADO MUSICAL COM 2 OITAVAS (14
TECLAS)
Garcia. Maria Vitória, Buiati. Rodrigo Nascimento e Silva. João Vitor
Faculdade de Engenharia Elétrica - UFU, Uberlândia, Brasil
e-mail: maria.garcia1@ufu.br
Resumo: A partir do oscilador transistorizado,
capacitor, resistor e fonte, foi projetado um circuito
eletrônico analógico na intenção de atingir frequências
específicas que se assemelham na frequência de notas
musicais e assim, reproduzir um um teclado musical de
14 notas, o princípio básico da reprodução da
frequência se deu por chaveamento(através do
acionamento do botão) de resistências distintas e
portanto, a reprodução da nota musical, na qual tinha
como saída do circuito um alto falante para saída do
som.
Palavras-chave: frequência, oscilador transistorizado,
capacitor, transistor, teclado musical.
Introdução
A música é uma forma de arte, uma prática
cultural conhecida desde o período pré-histórico. É
constituída pela combinação de vários sons e ritmos,
seguindo uma pré-organização ao longo do tempo.
O teclado musical por sua vez é um
instrumento de teclas temperado, capazes de executar
melodias e notas, formando uma harmonia. Composto
por um conjunto de teclas adjacentes, que quando
pressionadas produzem sons em determinadas
frequências originando diferentes notas musicais,
atualmente é incorporado aos mais diversos estilos
musicais existentes.
Tabela 1: Notas musicas e suas frequências
características.
Dessa forma o presente projeto tem como
objetivo criar um dispositivo com oscilador
transistorizado capaz de reproduzir várias notas
musicais a partir da transformação de um sinal contínuo
aplicado na entrada do circuito através de uma fonte
externa, em um sinal com Modulação por Largura de
Pulso (PWM), para uma abordagem didática do ensino
de eletrônica analógica.
Teclado Musical
Para o desenvolvimento do projeto foi
selecionado um oscilador do tipo astavel, composto por
um circuito eletrônico que tem dois estados que nos
permite controlar o tempo gasto em cada estado, ou
seja, sua modulação e frequência pela carga ou descarga
de um capacitor através de um resistor.
Figura 1: Desenho do circuito utilizado.
Seu funcionamento se baseia no processo de
alternância nos estados dos transistores em estado de
corte e saturação. Inicialmente, ao acionar o circuito, o
transistor que estiver com maior condução entra em
estado de saturação, e devido ao elo de realimentação
mútua entre eles, o outro transistor é colocado na
condição de corte. Um capacitor é colocado em cada um
dos elos de realimentação, e a presença dos mesmos
causa uma rotação de fase na realimentação para os dois
transistores. Enquanto um dos transistores se encontra
saturado, o capacitor que está conectado à sua base,
através de uma corrente elétrica que percorre o elo de
realimentação passando pelo resistor de coletor do
transistor que se encontra em estado de corte. Em
simultâneo, o capacitor ligado à base do transistor em
corte permanece inerte neste primeiro momento, pois
ainda não recebeu carga vinda de corrente elétrica.
Quando o capacitor em processo de carga está próximo
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de completar este processo, a realimentação positiva
diminui, restando apenas o resistor ligado a base a
polarizar este transistor, reduzindo drasticamente a sua
corrente de coletor, fazendo com que neste momento, o
outro transistor que estava em corte, entre numa
condição que favorece a condução de corrente elétrica
neste transistor. A partir deste momento, uma corrente
começa a circular pelo coletor do transistor que se
encontrava em corte, o que reduz os níveis de
condutividade do transistor previamente saturado. Neste
momento, este transistor que entrou em estado de
condução, atinge rapidamente o estado de saturação, o
que leva o outro transistor a atingir o estado de corte.
Em decorrência desta inversão de estados dos
transistores, o capacitor que antes se encontrava
carregado, é forçado a descarregar através do resistor
ligado à base do transistor em corte e através do
transistor em saturação. Com isso, o capacitor que até
então encontrava-se inerte no circuito, começa agora o
processo de carga, via transistor saturado e resistor de
coletor do transistor em corte. Repetidamente, este ciclo
se repetirá enquanto o circuito se manter alimentado.
Dessa forma, a modulação dos pulsos gerados
foram realizadas pela adição de switches em série com
resistores de base variados de acordo com a frequência
desejada, possibilitando que o circuito atinja as notas
musicais desejadas.
Materiais e métodos
Para a montagem do projeto em questão, foram
utilizados os respectivos materiais:
- 01 - Fonte de alimentação 3,3V.
- 02 - Transistores NPN BC547C .
- 02 - Resistores de Coletor de 1K.
- 01 - Resistor fixo de Base de 8,2K.
- 14 - Resistores variáveis para modulação da
frequência.
- 14 - Botões para acionamento do oscilador.
- 02 - Capacitores cerâmicos de 130 nF.
- 01 - Transistor BC337-25 para ganho de
corrente
- 01 - Caixa de PLA impressa em 3D
O cálculo das frequências das notas musicais
foram realizados a partir de uma equação, já
pré-estabelecida para o oscilador do tipo astável, no
qual, depende dos valores das resistências e capacitores
de base para chegar no valor de frequência para aquela
combinação.
(1)𝑓 = 10,69*(𝑅1*𝐶1+𝑅2*𝐶2)
Como os valores de capacitância e resistência
do R2 já haviam sido definidos e as frequências
desejadas já eram conhecidas, a equação foi colocada
em função da frequência e à partir disso por possível
chegar nos respectivos valores de R1:
Tabela 2: Nota musical, frequência característica e
resistor calculado.
Oitava Nota
Musical
Frequênci
a (Hz)
Resistor
( )Ω
Quatro Dó 261,63 31 K
Quatro Ré 293,66 28 K
Quatro Mi 329,63 26 K
Quatro Fá 349,23 22 K
Quatro Sol 391,99 20 K
Quatro Lá 440,00 17 K
Quatro Si 485,80 14 K
Cinco Dó 523,25 12 K
Cinco Ré 587,33 10 K
Cinco Mi 659,26 8,2 K
Cinco Fá 698,46 7,8 K
Cinco Sol 783,99 5,5 K
Cinco Lá 880,00 3,9 K
Cinco Si 971,60 3,3 K
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Esquemático e PCB
Após à realização dos testes práticos em
protoboard e validado o devido funcionamento do
circuito, foi desenvolvido o esquematico do projeto
com o auxílio do software de simulação EasyEDA de
fácil acesso e com versão grátis disponível para
download. E consecutivamente a partir do esquemático
foi possível desenvolver a placa de circuito impresso de
acordo com os componentes definidos para o projeto.
Figura 2: Esquemático projetado do circuito utilizado.
Figura 3: Esquemático PCB projetada.
Figura 4: Esquemático PCB em 3D.
A placa de circuito impresso foi desenvolvida
com dimensões de 8x4 cm, contando com 2 layers e
uma malha de terra na layer inferior, a mesma foi
corroída em placa de fenolite de dupla face.
Além disso, foi desenvolvido, com o apoio do
software Fusion 360, uma caixa para comportar a PCB e
os botões simulando as teclas do teclado musical.
Figura 5: Esquemático caixa em 3D.
Resultados e Discussão
Durante o processo de montagem da placa
impressa, foi identificado que a mesma foi corroída de
forma espelhada, invertendo as trilhas de conexões da
layer superior ocasionando uma infuncionalidade do
circuito.
Figura 6: Layer inferior da placa impressa.
Figura 7: Layer superior da placa impressa.
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Dessa forma, a partir do esquemático criado o
circuito foi refeito da forma correta em cima de uma
placa de fenolite ilhada.
Figura 8: Placa ilhada com os componentes soldados.
Em testes práticos, com a placa já finalizada e
utilizando um auto falante comum de 4 Ohms,
verificamos ainda que o circuito não estava conseguindo
fornecer a corrente necessária para o alto falante. Como
solução, foi adicionadoum transistor BC337-25, na
saída do sinal para dar um ganho de corrente no circuito
suficiente para acionar o auto falante de forma
satisfatória.
Figura 9: Projeto montado e alto falante externo para
reprodução do som.
Conclusão
Com isso, após os testes finais, foi possível
obter um sinal de saída significativamente audível
graças ao ganho de corrente promovido pelo transistor
BC337-25 e com frequências próximas às das notas
musicais, apesar de leves desvios por conta da
aproximação dos resistores para valores comerciais
possíveis de serem adquiridos.
No quesito de aparência, o projeto se mostrou
satisfatório, apenas distoando um pouco da aparência
comum de um teclado comum. Por fim, no tópico de
funcionamento, o projeto apresentou bons resultados,
principalmente na qualidade do som emitido pelas notas
e pela distinção das mesmas ao mudar o botão a ser
pressionado.
Agradecimentos
Agradecemos primeiramente pela oportunidade e
todo o conhecimento adquirido ao longo do semestre
cursando a disciplina. Ao docente Prof. Dr. Sérgio
Ricardo de Jesus Oliveira e ao técnico do laboratório
Claudemir José Alves por toda disponibilidade e suporte
na execução do trabalho. Ao laboratório de Eletrônica
Analógica e ao laboratório BioLab ambos situados no
Bloco 1E, na Universidade Federal de Uberlândia,
campus Santa Mônica, por ter as ferramentas
necessárias para o desenvolvimento do projeto.
Referências
[1] CRUZ, , Eduardo Cesar Alves; CHOUERI JÚNIOR,
Salomão. Eletrônica analógica básica. 2. ed. São
Paulo: Erica, 2015. Livros. (1 recurso online). ISBN
9788536518466.
[2] FRANCO, Sergio. Projetos de Circuitos
Analógicos. [Digite o Local da Editora]: Grupo A,
2016. 9788580555530. E-book.
[3] MALVINO, Albert; BATES, David. Eletrônica, v.
1. 8. ed. Porto Alegre: AMGH, 2016. Livros. (1
recurso online). ISBN 9788580555776.