Aula 12 Pisca Pisca Controlado por Luz

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EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  12	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   1/5	
  
Introdução	
  teórica	
  aula	
  12:	
  
Pisca-­‐Pisca	
  Controlado	
  por	
  Luz	
  	
  
IC555	
  O	
   IC555	
   é	
   um	
   circuito	
   integrado	
   (chip)	
   utilizado	
   em	
   uma	
   variedade	
   de	
  aplicações	
  como	
  temporizador	
  ou	
  multivibrador.	
  O	
  CI	
  foi	
  projetado	
  por	
  Hans	
  
R.	
   Camenzind	
   (na	
   fotografia)	
   em	
   1970	
   e	
   comercializado	
   em	
   1971	
   pela	
  Signetics	
   (mais	
   tarde	
   adquirida	
   pela	
   Philips).	
   Os	
   nomes	
   comerciais	
   eram	
  SE555	
  e	
  NE555,	
  e	
  foi	
  apelidado	
  de	
  "The	
  IC	
  Time	
  Machine"	
  ("Chip	
  da	
  Máquina	
  do	
   Tempo").	
   Este	
   componente	
   continua	
   em	
   pleno	
   uso,	
   graças	
   a	
   sua	
  simplicidade	
  de	
  uso,	
  baixo	
  preço	
  e	
  boa	
  estabilidade.	
  Ainda	
  hoje	
  a	
  empresa	
  sul-­‐coreana	
  Samsung	
  Electronics	
   fabrica	
  acima	
  de	
  1	
  bilhão	
  de	
  unidades	
  por	
  ano	
  (2003).	
  	
  O	
   temporizador	
   555	
   é	
   um	
   dos	
   mais	
   populares	
   e	
   versáteis	
   circuitos	
   integrados	
   já	
   produzidos.	
   É	
  composto	
  por	
  23	
  transistores,	
  2	
  diodos	
  e	
  16	
  resistores	
  num	
  chip	
  de	
  silício	
  em	
  um	
  encapsulamento	
  duplo	
   em	
   linha	
   (DIP)	
   de	
   8	
   pinos.	
   Da	
   mesma	
   família	
   de	
   temporizadores	
   temos	
   ainda	
   o	
   CI	
   556,	
  composto	
  de	
  dois	
   temporizadores	
  555	
  combinados	
  em	
  um	
  encapsulamento	
  DIP	
  de	
  14	
  pinos.	
  O	
  CI	
  558	
  é	
  um	
  encapsulamento	
  DIP	
  de	
  16	
  pinos	
  que	
  combina	
  quatro	
  temporizadores	
  555.	
  Também	
  estão	
  disponíveis	
   versões	
   de	
   potência	
   ultra	
   baixa	
   como	
   o	
   CI	
   7555,	
   que	
   utiliza	
   um	
   número	
   menor	
   de	
  componentes	
  externos	
  e	
  tem	
  menor	
  consumo	
  de	
  energia.	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Figura	
  1:	
  Diagrama	
  de	
  pinos	
  do	
  IC555.	
  	
  	
  O	
  555	
  tem	
  três	
  modos	
  de	
  operação:	
  	
   •	
  Modo	
   monoestável:	
   nesta	
   configuração,	
   o	
   CI	
   555	
   funciona	
   como	
   um	
   disparador	
   (ver	
  figura	
   2.a).	
   Suas	
   aplicações	
   incluem	
   temporizadores,	
   detector	
   de	
   pulso,	
   chaves	
   imunes	
   a	
  ruído,	
  interruptores	
  de	
  toque,	
  etc.	
  A	
  equação	
  para	
  determinar	
  o	
  tempo	
  em	
  que	
  a	
  saída	
  está	
  em	
  alto	
  𝑇 = 1.1𝑅𝐶.	
  	
   •	
  Modo	
  astável:	
  o	
  CI	
  555	
  opera	
  como	
  um	
  oscilador	
  (ver	
  figura	
  2.b)).	
  Os	
  usos	
  incluem	
  pisca-­‐pisca	
  de	
  LED,	
   geradores	
  de	
  pulso,	
   relógios,	
   geradores	
  de	
   tom,	
   alarmes	
  de	
   segurança,	
   etc.	
  Onde	
   o	
   capacitor	
   C	
   e	
   os	
   dois	
   resistores	
   R1	
   e	
   R2	
   determinam	
   a	
   frequência	
   de	
   operação:	
  𝑓 = 1/0.693(𝑅! + 2𝑅!)𝐶.	
  O	
  tempo	
  de	
  carga	
  é	
  baseado	
  na	
  soma	
  de	
  R1	
  e	
  R2	
  e	
  descarga	
  em	
  R2	
  𝑡!"#$" = 0.693(𝑅! + 𝑅!)𝐶,	
  𝑡!"#$%&'% = 0.693𝑅!𝐶.	
  O	
  ciclo	
  de	
  trabalho	
  é	
  determinado	
  por	
  R1	
  e	
  R2	
  ,	
  𝐷 = (𝑅! + 𝑅!)/(𝑅! + 2𝑅!).	
  	
   •	
  Modo	
  biestável:	
  o	
  CI	
  555	
  pode	
  operar	
  como	
  um	
  flip-­‐flop,	
  se	
  o	
  pino	
  DIS	
  não	
  for	
  conectado	
  e	
  se	
  não	
  for	
  utilizado	
  capacitor.	
  As	
  aplicações	
  incluem	
  interruptores	
  imunes	
  a	
  ruído,	
  etc.	
  	
  Curiosidade:	
  o	
  nome	
  "555"	
  foi	
  adotado	
  em	
  alusão	
  ao	
  fato	
  de	
  que	
  existe	
  uma	
  rede	
  interna	
  (divisor	
  de	
  tensão)	
   de	
   três	
   resistores	
   de	
   5kΩ	
   que	
   servem	
   de	
   referência	
   de	
   tensão	
   para	
   os	
   comparadores	
   do	
  circuito	
  integrado.	
  	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  12	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   2/5	
  
A	
  tabela	
  1	
  mostra	
  a	
  descrição	
  dos	
  pinos	
  do	
  IC555.	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Figura	
  2:	
  a)	
  Configuração	
  monostavel	
  e,	
  b)	
  configuração	
  estável.	
  	
  
Tabela	
  1	
  
Pino	
   Nome	
   Aplicação	
  1	
   GND	
   Terra	
  ou	
  massa	
  (ground).	
  2	
   TRIG	
   Gatilho	
   (trigger)	
   -­‐	
   Um	
   valor	
   de	
   tensão	
   baixo	
   (<	
   1/3	
   Vcc)	
   neste	
  terminal	
  ativa	
  o	
  biestável	
  interno	
  e	
  a	
  saída.	
  3	
   OUT	
   Durante	
  um	
  intervalo	
  de	
  tempo,	
  a	
  saída	
  (out)	
  permanece	
  em	
  +VCC.	
  4	
   RESET	
   Um	
  intervalo	
  de	
  temporização	
  pode	
  ser	
  interrompido	
  pela	
  aplicação	
  de	
  um	
  pulso	
  de	
  reset.	
  5	
   CV	
   Tensão	
   de	
   controle	
   (control	
   voltage)	
   -­‐	
   Permite	
   acesso	
   ao	
   divisor	
  interno	
  de	
  tensão	
  (2/3	
  VCC).	
  6	
   THRES	
   Limiar	
   (threshold)	
   -­‐	
   Um	
   valor	
   de	
   tensão	
   alto	
   (>	
   2/3	
   Vcc)	
   neste	
  terminal	
  desactiva	
  o	
  biestável	
  interno	
  e	
  a	
  saída.	
  7	
   DISCH	
   Descarga	
   (discharge)	
   -­‐	
   A	
   sua	
   função	
   é	
   descarregar	
   o	
   capacitor	
  conectado	
  a	
  este	
  terminal.	
  8	
   V+,	
  VCC	
   A	
  tensão	
  (voltage)	
  positiva	
  da	
  fonte,	
  que	
  deve	
  estar	
  entre	
  +5	
  e	
  +15V.	
  	
  
Detector	
  de	
  luz	
  Existem	
   varias	
   configurações	
   para	
   a	
   implementação	
   de	
   um	
   detector	
   de	
   luz,	
   no	
   roteiro	
   a	
   seguir	
   é	
  mostrado	
  o	
  esquema	
  que	
  usa	
  um	
  potenciômetro,	
  um	
  LDR	
  e	
  um	
  amplificador	
  operacional	
  (ver	
  figura	
  3).	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Figura	
  3:	
  Configuração	
  do	
  detector	
  de	
  luz.	
  •	
  Quando	
  LDR	
  encoberto	
  a	
  sua	
  resistência	
  RLDR>>,	
  desta	
  forma,	
  a	
  tensão	
  estabelecida	
  em	
  V+	
  é	
  maior	
  do	
  que	
  zero,	
  logo	
  V+>0	
  e	
  Vout>0.	
  •	
  Quando	
  LDR	
  é	
  iluminado	
  a	
  sua	
  resistência	
  RLDR<<,	
  desta	
  forma,	
  a	
  corrente	
  passa	
  pela	
  resistência	
  do	
  LDR,	
  logo	
  V+<0	
  e	
  Vout<0.	
  
a)	
   b)	
  
+Vcc
100Ω
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  12	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   3/5	
  
Roteiro	
  de	
  laboratório	
  aula	
  12:	
  
Pisca-­‐Pisca	
  Controladopor	
  Luz	
  	
  
Lista	
  de	
  material	
  
• Osciloscópio	
  e	
  multímetro	
  
• LDR,	
  resistores	
  de	
  1kΩ	
  (4	
  ou	
  mais)	
  e	
  potenciômetros	
  de	
  20kΩ	
  e	
  de	
  100kΩ	
  
• Capacitores	
  de	
  10nF	
  e	
  15µF	
  e	
  LEDs	
  (1	
  ou	
  mais)	
  
• Timer	
  555	
  e	
  amplificador	
  operacional	
  741	
  
• Transistor	
  NPN	
  (opcional)	
  
Introdução	
  O	
  diagrama	
  em	
  blocos	
  do	
  circuito	
  a	
  ser	
  montado	
  está	
  indicado	
  na	
  figura	
  abaixo.	
  	
  	
  	
  	
   	
  	
  O	
  gerador	
  de	
  onda	
  quadrada	
  (responsável	
  pelo	
  acender	
  e	
  apagar	
  do	
  LED)	
  será	
  implementado	
  pelo	
  circuito	
  integrado	
  555	
  (timer)	
  em	
  modo	
  de	
  multivibrador	
  astável.	
  
Roteiro	
  da	
  experiência	
  1) Gerador	
   de	
   onda	
   quadrada.	
  Monte	
  o	
   circuito	
   abaixo,	
  utilizando	
  +Vcc	
  =	
  15V,	
   	
  C1	
  =	
  15µF,	
  C2	
  =	
  10nF,	
  RA	
  =	
  1kΩ,	
  RL	
  =	
  1kΩ,	
  e	
  RB	
  =	
  potenciômetro	
  de	
  100kΩ.	
  Deixe	
  o	
  pino	
  4	
  em	
  aberto.	
  
	
  	
  a) Mostre	
   no	
   CH1	
   do	
   osciloscópio	
   a	
   tensão	
   de	
   saída	
   (medida	
   no	
   pino	
   3	
   do	
   555).	
   Ajuste	
   a	
  configuração	
  do	
  trigger	
  para	
  o	
  CH1	
  em	
  modo	
  normal.	
  b) Ajuste	
  o	
  potenciômetro	
  de	
  tal	
  forma	
  que	
  o	
  LED	
  pisque	
  com	
  200ms	
  de	
  período.	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
Detector	
  de	
  luz	
   Gerador	
  de	
  onda	
  quadrada	
   Acionamento	
  de	
  LED	
  
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  12	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   4/5	
  
2) Detector	
   de	
   luz.	
   Em	
   outra	
   parte	
   da	
   protoboard,	
   monte	
   o	
   circuito	
   abaixo,	
   utilizando	
   uma	
  alimentação	
  simétrica	
  VCC	
  =	
  ±15V.	
  	
  
	
  	
  a) Mostre	
   no	
   osciloscópio	
   a	
   tensão	
   de	
   entrada	
   (pino	
   3)	
   e	
   a	
   tensão	
   de	
   saída	
   (pino	
   6),	
   com	
   a	
  referência	
   ligada	
   ao	
   terra.	
  Observe	
   a	
   variação	
  de	
   ambas	
   as	
   tensões	
   à	
  medida	
  que	
  o	
  LDR	
  é	
  encoberto.	
  b) Ajuste	
  o	
  potenciômetro	
  de	
  tal	
  forma	
  que	
  a	
  tensão	
  de	
  saída	
  seja	
  alta	
  somente	
  quanto	
  o	
  LDR	
  é	
  totalmente	
  encoberto.	
  	
  3) Juntando	
  as	
  partes.	
  a) Agora,	
  conecte	
  a	
  saída	
  do	
  ampop	
  no	
  pino	
  4	
  (RESET)	
  do	
  555,	
  através	
  de	
  um	
  resistor	
  de	
  1kΩ,	
  como	
   indicado	
   pelo	
   circuito	
   simplificado	
   abaixo	
   (as	
   demais	
   ligações	
   foram	
   omitidas	
   para	
  simplificar	
  o	
  diagrama).	
  
	
  	
  b) Observe	
  que	
  o	
  LED	
  pisca	
  quando	
  o	
  LDR	
  é	
  encoberto;	
  caso	
  contrário,	
  o	
  LED	
  apaga.	
  Para	
  testar	
  seu	
  circuito,	
  apague	
  a	
  luz	
  da	
  sala	
  e	
  observe	
  o	
  resultado.	
  c) (Opcional.)	
  Para	
  construir	
  um	
  pisca-­‐pisca	
  completo,	
  adicione	
  conecte	
  um	
  ou	
  mais	
  LEDs	
  no	
  coletor	
  de	
  um	
  transistor	
  adequado,	
  como	
  indicado	
  no	
  circuito	
  abaixo.	
  	
  
	
  	
  4) Antes	
   de	
   desmontar,	
   não	
   se	
   esqueça	
   de	
  mostrar	
   o	
   resultado	
   ao	
   professor.	
   E,	
   se	
   desejar	
  recordar	
  depois,	
  aproveite	
  para	
  fotografar	
  ou	
  filmar	
  o	
  seu	
  circuito	
  funcionando.	
  Parabéns!	
  
+Vcc
100Ω
EEL7011	
  –	
  Eletricidade	
  Básica	
  –	
  Aula	
  12	
   EEL/CTC/UFSC	
  
	
   5/5	
  
Aluno(a):	
  ______________________________________________________.	
   Turma:	
  ______________________	
  Matrícula:	
  _______________________	
  Data:	
  _____/_____/___________	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Nota:	
  ________________________	
  
	
  
Gerador	
  de	
  onda	
  quadrada	
  funcionando	
  (Questão	
  1.b):	
  ____	
  	
  	
  	
  
Detector	
  de	
  luz	
  funcionando	
  (Questão	
  2.b):	
  ____	
  	
  	
  	
  
Pisca-­‐pisca	
  controlado	
  por	
  luz	
  funcionando	
  (Questão	
  3.b):	
  ____	
  	
  	
  	
  
Pisca-­‐pisca	
  controlado	
  por	
  luz	
  funcionando	
  usando	
  	
  transistores	
  BJT	
  (Questão	
  3.c):	
  ____	
  	
  	
  	
  
	
  
Questão	
  de	
  preparação	
  	
  Leia	
  atentamente	
  o	
  roteiro	
  da	
  Aula	
  12.	
  Em	
  uma	
  folha	
  de	
  papel,	
  desenhe	
  um	
  esboço	
  de	
  como	
  você	
  pretende	
   montar	
   o	
   circuito	
   dessa	
   experiência	
   na	
   protoboard	
   mostrada	
   em	
   baixo,	
   incluindo	
   a	
  pinagem	
  dos	
  CIs.	
  Certifique-­‐se	
  de	
   representar	
   todos	
  os	
   fios	
  que	
   serão	
  utilizados.	
   Sua	
   “montagem”	
  deverá	
  estar	
  bem	
  organizada	
  e	
  fácil	
  de	
  entender,	
  fazendo	
  bom	
  uso	
  do	
  espaço	
  da	
  protoboard	
  e	
  sem	
  fios	
   excessivos.	
   Você	
   poderá	
   utilizar	
   esse	
   esboço	
   no	
   dia	
   da	
   aula.	
   (Obs:	
   esta	
   preparação	
   é	
  extremamente	
  útil	
  para	
  que	
  você	
  consiga	
  concluir	
  a	
  montagem	
  durante	
  o	
  tempo	
  da	
  aula.)