Sequencial com sensor infravermelho - Circuitos Digitais

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Adalberto Carvalho Câmara, Anelise Barbosa de Oliveira, 
Bruno Henrique Braz, Elvis Aparecido Souza, 
Eudes Aparecido Rola, Gabriel Frederico Zuanazzi, 
Lucas Ronald Costa, Marcelo Jose Paris, 
Nelson Junior Torres, Paulo Henrique Loss 
Rhaissa Virginia Francisco, Ronaldo Barce Antunes 
William Gimenez 
 
 
 
 
 
 
SEQUENCIAL COM SENSOR 
INFRAVERMELHO 
 
 
 
 
Relatório apresentado como parte da avaliação da 
disciplina de Circuitos Digitais II, do curso de 
Engenharia Elétrica, UNEMAT, campus de Sinop, 
ministrado pelo docente Lucas Rocha Bariani. 
 
 
 
 
 
Sinop, MT 
Dezembro, 2016. 
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1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 
 
Um dos componentes mais usados em projetos de todos os tipos é o circuito 
integrado 4017. Este circuito integrado CMOS pode ser usado como sequenciador, 
temporizador, e em sistemas de automação de pequeno porte além da codificação em 
controle remoto. Não é limite para o que pode ser feito com o circuito integrado 4017. 
Podemos fazê-lo contar até qualquer número entre 2 e 9 e cascateando diversos deles 
podemos ir além. Podemos usá-lo em temporização, codificação, para gerar formas de 
ondas, efeitos de luz e som e muito mais. Tudo isso justifica a frequência com que o 
encontramos projetos que se baseiam neste circuito integrado. Usar o circuito 4017 é 
simples, e uma vez que o leitor domine esta técnica, poderá fazer seus próprios projetos 
usando este componente. Assim, nas linhas seguintes vamos mostrar como funciona o 
4017 e como podemos usá-lo de diversas maneiras. 
O Circuito Integrado 4017 
O circuito integrado 4017 pertence à família lógica CMOS em que os 
componentes podem funcionar com tensões de 3 a 15 Volts e possuem características que 
permitem sua interligação direta e com outros componentes como o 555. No 4017 
encontramos um contador/decodificador Johnson com uma entrada e 10 saídas, conforme 
mostra o diagrama de blocos da figura 1. 
Figura 1 – Diagrama de blocos do circuito integrado 4017. Observe que ele possui uma 
entrada e dez saídas. 
Conforme podemos ver, ele é formado por 5 etapas que podem fazer a divisão de 
um sinal retangular por valores entre 0 e 9. O 4017 é fornecido em invólucro DIL de 16 
pinos com a disposição de terminais mostrada na figura 2. 
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Figura 2 – Invólucro e pinagem da versão DIL, que é a mais comum para aplicações 
práticas. 
Na operação normal, os pinos 13 e 15 são aterrados e pulsos retangulares são 
aplicados ao pino de entrada (14). Conforme podemos ver então pelo diagrama de tempos 
mostrado na figura 3, partindo da condição em que a saída S0 se encontrada no nível alto, 
e as demais no nível baixo, ocorre o seguinte: a cada pulso aplicado, a saída que está no 
nível alto passa ao nível baixo e a seguinte passa ao nível alto. 
 
Figura 3 – À esquerda, diagrama esquemático combinacional de montagem do 4017. À 
direita, diagrama de tempo e saída do mesmo. 
 
O processo ocorre até se chegar à última saída. Com um novo pulso, essa saída 
vai ao nível baixo e a primeira vai ao nível alto, recomeçando o processo. Podemos resetar 
a contagem do 4017 levando por um instante o pino 15 ao nível alto. Uma forma de se 
fazer com que o 4017 sempre parta do zero, com a primeira saída no nível alto é com um 
circuito de “reset ao ligar” conforme mostra a figura 4. Este circuito também é 
denominado POR (Power-On Reset). 
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Figura 4 – Circuito de “reset ao ligar” ou power-on reset (POR) para o 4017. 
Os circuitos integrados 4017 podem ser cascateados de modo a se obter a divisão 
por 10,100, 1000, etc., conforme mostra a figura 5. 
Figura 5 – “Cascateando” circuitos integrados 4017 
Mas, podemos programar o 4017 para fazer contagens menores que até 10. Para 
isso, basta ligar o pino imediatamente posterior ao número que desejamos contar à entrada 
de reset, conforme mostra a figura 6. 
Figura 6 – Contando até n (n até 10) 
Por exemplo, se desejarmos contar até 4, com a ativação de uma saída de 4 em 
sequência, basta ligar a quinta saída ao pino de reset. Se desejarmos contar até n (n menor 
que 10) basta ligar o pino posterior a n no reset (15). 
 
 
 
 
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Características elétricas 
Conforme podemos ver, o tipo de saída usada neste circuito integrado permite que 
ele tenha a mesma capacidade de drenar ou fornecer correntes a uma carga. Como nas 
aplicações normais, a corrente máxima que ele pode fornecer é pequena é comum 
fazermos uso de etapas de potência para excitar cargas de maior consumo. 
Figura 7 – Algumas etapas de potência para excitar cargas de correntes elevadas nas 
saídas do CI4017. 
 Em (a) temos a excitação no nível alto com um transistor NPN para cargas até 100 
mA. Para a excitação no nível baixo, temos o circuito com transistor PNP mostrado em 
(b). Desejando excitar cargas de maior potência temos em (c) uma versão que faz uso de 
um transistor Darlington NPN. Esta versão é excitada com a saída no nível alto. Para 
excitar cargas no nível baixo, temos o uso de um Darlington PNP, conforme mostrado em 
(d). Em (e) temos a possibilidade de se usar um par complementar de transistores comuns 
para excitar cargas com altas correntes no nível alto. A configuração equivalente para 
excitar no nível baixo é mostrada na figura (f). Também podemos excitar SCRs (g) e 
Power MOSFETs conforme mostrado na mesma figura em (h). 
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Figura 8 – Gerando pulsos para excitar o circuito integrado 4017. A frequência máxima 
depende do componente utilizado e deve ser menor do que a máxima admitida pelo 
4017. 
A primeira faz uso do conhecido circuito integrado 555 que é totalmente 
compatível com o 4017, conforme podemos observar. A segunda faz uso de um oscilador 
ou outro circuito de porta com o circuito integrado 4093. Outras funções CMOS podem 
ser usadas com a mesma finalidade. Ao excitar um 4017, entretanto devemos ter em 
mente que o sinal deve ser perfeitamente retangular livre de repique (oscilações) que 
podem falsear a contagem. 
Aplicações: 
Damos, a seguir, circuito prático com base no 4017. 
Sequencial de 10 LEDs 
Na figura 9 temos um circuito sequencial que aciona 10 LEDs numa velocidade 
que pode ser ajustada no potenciômetro P1 e que depende basicamente do capacitor C1. 
 
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Figura 9 – Sequencial de 10 LEDs. Podemos usar menos LEDs usando a técnica de 
contagem até n da figura 6. 
O resistor comum ao catodo de todos os LEDs tem por finalidade limitar a corrente 
no circuito. Para acionamento de cargas de potência podemos interfacear com transistores 
ou mesmo SCRs, como mostra a figura 10. 
 
Figura 10 – Excitando transistores de média potência ou SCRs. 
Observe que no caso dos SCRs eles possuem um terra comum ao circuito de alta 
e baixa frequência. Isso é absolutamente necessário ao disparo. Uma possibilidade a ser 
considerada para excitar cargas de boa potência com transistores é a utilização de 
Darlingtons. No caso do TIP121, que substituiria o BD135 podemos aumentar o resistor 
de base de 1k apara 4k7. 
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Foto transistores 
São dispositivos feitos, normalmente, de silício semicondutor. Eles possuem duas 
junções semicondutoras, que tem a propriedade de variar a sua resistência elétrica em 
função da intensidade da luz nelas incidentes. Por isso são chamados de transistores (do 
inglês: transference resistor) fotoelétricos. 
São usados para acionar, dispositivos eletroeletrônicos como controles-remotos, 
alarmes, trancas elétricas, portas, circuitos eletrônicos de partida. 
O fototransistor é um dispositivo que funciona baseado no fenômeno da 
fotocondutividade.Ele pode, ao mesmo tempo, detectar a incidência de luz e fornecer um 
ganho dentro de um único componente. Como o transistor convencional, o fototransistor 
é uma combinação de dois diodos de junção, porém, associado ao efeito transistor aparece 
o efeito fotoelétrico. 
Um transistor comum apresenta três terminais, no entanto, um fototransistor em 
geral, possui apenas dois terminais acessíveis, o coletor e o emissor, sendo a base incluída 
apenas para eventual polarização ou controle elétrico. A base é que será sensível à luz. O 
símbolo de um fototransistor é semelhante ao de um transistor, sendo que a diferença são 
as setas apontando p/ a base, mostrando que a mesma é sensível à luz. 
 
A incidência de luz (fótons) provoca o surgimento de lacunas na vizinhança da 
junção base-coletor. Esta tensão conduzirá as lacunas para o emissor, enquanto os elétrons 
passam do emissor para a base. Isso provocará um aumento da corrente de base, o que 
por consequência implicará numa variação da corrente de coletor beta vezes maior 
(lembrando que, para Ib sendo acorrente da base e Ic a do coletor, temos a relação Ic = 
β.Ib, onde β é o ganho do transistor (fornecido pelo fabricante), sendo essa variação 
proporcional à intensidade da luz incidente. 
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Como a base está normalmente desconectada, a corrente que circula por ela 
dependerá apenas do fluxo luminoso incidente. Assim, na ausência de luz, a corrente de 
base será zero e o fototransistor estará cortado. 
O fototransistor possui diversas aplicações, sendo mais encontrado em aplicações 
on-off, onde a não linearidade do transistor não é um problema. Modernamente os 
fototransistores estão sendo utilizados em conjunto com diodos emissores de luz num 
único encapsulamento, que são chamados de acopladores ópticos ou Opto acopladores. 
Este componente é muito utilizado na isolação de estágios de corrente contínua e 
também corrente alternada nos equipamentos. Há muitos equipamentos que utilizam 
dispositivos ópticos para trocar informações entre eles. Principalmente aqueles que 
requerem um alto grau de isolação entre o transmissor e o receptor. 
Exemplos deste uso são as conexões de circuitos lógicos a circuitos de potência, e de 
transmissores a extensas linhas de transmissão. Um bom exemplo seria a utilização de 
chips TTL, que são alimentados com 5V, para o controle do disparo de um elemento (um 
GTO) para a alimentação de um pequeno motor, com 127V. a saída lógica em nível alto 
(5V), excitariam um LED, que emitiria luz que seria o foto-transistor, permitindo que este 
conduzisse corrente. O foto-transistor, com o coletor ligado a uma fonte e o emissor no 
Gate do GTO, forneceria a corrente necessária para que este começasse a conduzir e 
alimentasse o motor. 
Estes componentes são capazes de isolar com total segurança dois circuitos 
eletrônicos, mantendo uma comunicação ou controle entre ambos. O isolamento é 
garantido porque não há contato elétrico, somente um sinal luminoso. 
 
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2. OBJETIVOS 
Demonstrar de forma didática e experimental o funcionamento de um circuito 
integrado CI-4017, com sinal de clock modulado através de fototransistor e exemplificar 
aplicações deste projeto. 
3. MATERIAIS 
 
2 Soquetes duplo de pilha AA; 
4 Pilhas AA; 
Suporte de madeira; 
Bandeja plástica; 
10 LED’s amarelo; 
1 LED vermelho; 
1 LED verde; 
1 Circuito integrado MC14017BCP; 
1 Chave de toque (Push Button); 
1 Chave liga/desliga; 
2 Transistores BC547; 
1 Buzzer; 
1 Foto-transistor; 
1 LED infravermelho; 
2 Resistores 570 Ω; 
3 Resistores 10K Ω; 
1 Resistor 5K Ω; 
1 Resistor 330 Ω; 
Jumpers e fios; 
Matriz perfurada para circuito experimental. 
12 Parafusos. 
4 Bases de Feltro antirruído. 
 
 
 
 
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4. METODOLOGIA 
 
Esquemático de montagem: 
Figura 11 – Esquemático para montagem do projeto. 
 
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5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 
 
Ao ligar o experimento, o mesmo acende o Led D1, ao mesmo tempo, o Led 
infravermelho D0 também acende, fazendo com que o fototransistor FT1 sature, 
conduzindo corrente elétrica, acendendo então o Led D11, que é usado como indicador 
de nível alto. Na entrada 14 do CI4017, ao impedir que as ondas infravermelhas cheguem 
ao fototransistor, o mesmo entra em corte, impedindo assim a passagem de corrente 
elétrica, apagando então o Led D11 e acendendo imediatamente o Led D12 e acionando 
também o Buzzer. Esses sinais indicam nível baixo na entrada 14 do CI4017, como o 
CI4017 é acionado por borda de subida, novamente ao liberar a passagem das ondas 
infravermelhas, o fototransistor satura novamente, deixando passar corrente elétrica, 
fazendo então com que chegue sinal em nível alto na entrada 14 do CI4017, mudando 
então o estado de saída do mesmo, apagando então o Led D1 e acendendo o Led D2, e 
assim sucessivamente, até que o Led D10 acenda. Ao apagar o Led D10, o CI4017 recicla 
e volta novamente a acender o Led D1, esse processo pode ser interrompido ao pressionar 
o botão de Reset, onde, independentemente de qual for o Led que estiver acesso, ele 
sempre vai reciclar e voltar novamente a acender o Led D1. 
 
6. CONCLUSÃO 
 
Os objetivos desse projeto foram alcançados com êxito, demonstrando de forma 
prática e didática o funcionamento do sequencial CI4017, sensível a borda de subida, com 
o clock modulado por um fototransistor, e também a função de reset que sobrepõe o sinal 
de clock, reiniciando a sequência do CI. 
Pode-se pensar em diversas aplicações para esse projeto, principalmente no 
sentido da automação, como em uma linha de produção, onde quando a sequência de 
contagem atingir um valor determinado, alguma ação é tomada, desviando os produtos 
para empacotamento, por exemplo. 
 
 
 
 
 
 
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7. REFERÊNCIAS 
Funcionamento do 4017. Disponível em: 
<http://www.newtonbraga.com.br/index.php/como-funciona/645-conheca-o-4017-
art062>. Acessado em 18 de dezembro de 2016. 
 
Funcionamento do fototransistor. Disponível em: 
<http://www.manutencaoesuprimentos.com.br/conteudo/4558-como-funciona-
um-fototransistor/>. Acessado em 18 de dezembro de 2016. 
 
Foto do fototransistor. Disponível em: 
<http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef004/20061/Cesar/SENSORES-
Fototransistor.html>. Acessado em 18 de dezembro de 2016.