Multivibrador astável (3)

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS
Graduação em Engenharia Eletrônica e de Telecomunicação
Álison Bissoli Dias de Oliveira
Lucas Henrique de Carvalho
SEGUNDO PROJETO DE LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA I
Multivibrador Astável
	
Belo Horizonte
2017
Álison Bissoli Dias de Oliveira
Lucas Henrique de Carvalho
SEGUNDO PROJETO DE LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA I:
Multivibrador Astável
Projeto apresentado à Graduação em Engenharia Elétrica da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, como requisito para obtenção de créditos na disciplina Laboratório de Eletrônica I.
Orientador: José Alberone Menezes de Paiva
Belo Horizonte
2017
INDICE DE FIGURAS
Figura 1 - Circuito	2
Figura 2 - Formas de onda	3
Figura 3 - Circuito dividido por estados	4
Figura 4 - Simulação do circuito	8
Figura 5 - Simulação das formas de onda	9
Figura 6 - Montagem do protoboard	10
Figura 7 - Montagem - Testes	11
Figura 8 - Montagem - forma de onda	11
Figura 9 - Teste com gerador de sinal: 20 Hz	13
Figura 10 - Teste com gerador de sinal: 100 Hz	14
Figura 11 -Teste com gerador de sinal: 20 Hz	16
Figura 12 - Teste com gerador de sinal: 100 Hz	16
Figura 13 - Testes: formas de onda das saídas do multivibrador	17
Figura 14 - Tempo total do periodo	18
Figura 15 - Tempo do periodo 1	19
Figura 16 - Tempo do período 2	19
 
INDICE DE TABELAS
Tabela 1 - Valores calculados x Valores comerciais	8
Tabela 2 - Materiais Utilizados	10
INTRODUÇÃO
 	
Este trabalho acadêmico tem por finalidade o desenvolvimento de um circuito multivibrador astável, viabilizado por dois transistores e dois capacitores, leds e resistores.
Trata-se de circuito eletrônico de dois estados instáveis, sendo portanto um oscilador. O tempo gasto em cada estado é controlado pela carga ou descarga do capacitor correspondente ao estado através do resistor.
Um dos objetivos deste trabalho é conduzir ao entendimento da aplicação do transistor nos estados de corte e saturação.
O estudo do circuito será continuado pela montagem do circuito em protoboard.
A frequência esperada é de 1 Hz e duty cicle de 40%.
RESUMO TEÓRICO
	A figura a seguir, mostra um circuito de multivibrador astável a transistores.
Figura 1 - Circuito
Este é um circuito multivibrador astável, não possui estado estável. A velocidade da mudança do estado depende dos valores dos componentes usados, e gera um sinal retangular.
Com a configuração da Figura 1, usando transistores, os capacitores proporcionam uma realimentação que leva o circuito à oscilação.
Figura 2 – Módulos
Note que o circuito pode ser modulado em duas partes simétricas se traçarmos uma divisão vertical na imagem no ponto indicado de Vcc, e que uma vez separados vemos que são dois circuitos similares, somente disparizados pela dimensão de seus componentes, que além de mesma alimentação Vcc e referencial terra, temos por comum o fato de uma parte ter seu capacitor alimentado pelo mesmo ponto indicado como Vo do circuito par.
A frequência é determinada por um capacitor e um resistor, ou seja, por uma constante de tempo RC. Dizemos que este tipo de oscilador é do tipo RC.
Considere o lado esquerdo como 1 e direito como 2, tomando por base da divisão a Figura 2. Quando a alimentação é estabelecida, um dos transistores conduz mais do que outro e inicialmente podemos ter, por exemplo, T1 saturado, e T2 cortado. Com T1 saturado o capacitor C1 carrega-se via R1 de modo que a tensão no capacitor sobe gradualmente até o ponto em que, estando carregado, o transistor T2 é polarizado no sentido de conduzir. Quando isso ocorre, T2 tem um dos seus terminais aterrado e descarrega-se. Nestas condições T1 vai ao corte e T2 satura. Agora é a vez de C2 carregar-se até que ocorra novamente uma comutação dos transistores e um novo ciclo de funcionamento.
As formas de onda geradas neste circuito são mostradas na figura 2, observando-se o ciclo de carga e descarga dos capacitores. 
Figura 3 - Formas de onda
Podemos observar que os sinais são retangulares, a comutação entre os transistores é rápida e portanto a tensão em seus coletores sobe e desce muito rapidamente. 
ESPECIFICAÇÕES CONSTRUTIVAS
Ao realizar os cálculos o circuito foi dividido em duas partes idênticas, porém uma delas deverá ter duty cycle = 40% e a outra duty cycle = 60%, sendo estas as estado 1 e 2 respectivamente, conforme indicado na figura 4..
Figura 4 - Circuito dividido por estados
É premissa para dimensionar os componentes, especificar os LEDs e transistores, conhecer a tensão de entrada assim como a frequência e do duty cycle desejado.
Para realizar o calculo dos componentes devemos determinar o valor da tensão de entrada, frequência e do duty cycle que desejamos que o circuito trabalhe e também especificar os LEDs e transistores que deveram ser usados no projeto para que assim possamos determinar o valor dos resistores e capacitores que deverão ser usados para alcançarmos o valor da frequência e duty cycle escolhidos.
Os valores indicados pelo requerente do projeto é:
Duty Cycle = 40% para o estado 1 e 60% para o estado 2.
Vcc = 5V;
Frequência = 1Hz;
Cálculos realizados conforme orientação disponibilizada pelo orientador em arquivo “Procedimentos para projeto de um multivibrador astável usando transistores.” Neste texto os valores especificados para os transistores e LED são:
-
- Transistor da família BC5XX, neste caso escolhido por nós o BC548;
- LED de uso geral de 5 mm de diâmetro, cor verde, vermelho ou amarelo.
Das especificações técnicas do transistor e do LED presentes nos anexos 1 e 2, respectivamente, temos que:
Para o transistor:
Vcesat = 0,2V. Hfemin = 110. Vbesat = 0,7V.
Para o LED:
VF = 2,0 V. IF = 20 mA
De posse destas informações podemos calcular todos os parâmetros que necessitam a fim de dimensionar o multivibrador astável.
Memorial de Cálculo – Estado 1
Da Figura 1 temos que Ic = IF. Através da analise do transistor nos estados de corte e saturação temos que:
Sendo a potência dissipada pelo resistor Rc:
Porém para calcular o valor de Rb precisamos de Ibsat, cujo valor poderá ser obtido através:
Através deste valor podemos obter Rb, cujo valor é
Sendo a potência dissipada pelo resistor Rb:
Como f = 1Hz
Temos que:
Como
Sendo Du = duty cycle, temos que:
No nosso caso
Da equação 
Podemos definir C1 como
Logo, já utilizando o valor comercial, obtido na Tabela 1, de Rb temos:
Sendo que a tensão do capacitor deverá ser maior que a tensão Vcc, logo deverá ser 10V.
Memorial de Cálculo – Estado 2
Como será usado o mesmo transistor comercial e LED os valores de Rc Pc, Rb e Pb serão iguais aos obtidos no estado 1, logo deveremos calcular somente o valor de C2 a partir de um novo valor para Du.
Sendo Du = duty cycle, temos que:
No estado 2
Da equação 
Podemos definir C2 como
Logo, já utilizando o valor comercial, obtido na Tabela 1, de Rb temos:
Sendo que a tensão do capacitor deverá ser maior que a tensão Vcc, logo deverá ser 10V.
 Valores Comerciais
Na Tabela 1 há uma comparação entre os valores que obtivemos na memoria de calculo e os valores comerciais em ambos os estados.
	Equipamentos utilizados na multivibrador astável – Valores Calculados x Valores Comerciais
	Componente
	Valor Calculado
	Valor Comercial
	Quantidade
	Rc
	Rc = 140 Ω
	Rc = 150 Ω
	2
	
	Pc = 56 mW
	Pc = 250 mW
	
	Rb
	Rb = 4730,47 Ω
	Rb = 4700 Ω
	2
	
	Pb = 3,91 mW
	Pb = 125 mW
	
	Transistor
	BC548
	BC548
	2
	LED
	5 mm
	5 mm
	2
	Capacitor estado 1
	91,19 µF
	100 µF
	1
	
	V = 10V
	V = 10V
	
	Capacitor estado 2
	212,77 µF
	220 µF
	1
	
	V = 10V
	V = 10V
	
Tabela 1 - Valores calculados x Valores comerciais
SIMULAÇÃO
A simulação foi realizada no programa Multisim 11.0. Sendo que os valores e componentes utilizados na simulação foram os valores comerciais para aproximar o máximo possível doresultado real. Foi medida a forma de onda na saída Vo1 e Vo2.
O circuito montado pode ser visto na Figura 4, e as formas de onda na Figura 5. Sendo que a forma de onda inicial é um estado transitório devido ao descarregamento dos capacitores no inicio da simulação.
Figura 4 - Simulação do circuito
Figura 5 - Simulação das formas de onda
Utilizando o osciloscópio do Multisim medimos o tempo gasto para formar cada forma de onda, sendo a forma de onda laranja o estado 2, e a azul o estado 1. Sendo assim obtivemos que 
T1 = 265,842 ms
T2 = 525,502 ms
Através de uma regra de três podemos obter a o valor de Du de cada forma de onda.
O erro obtido foi de 12% sendo este devido aos valores utilizados serem os valores comerciais que possui um erro em relação ao valor real, e ao programa aproximar o máximo possível os valores de simulação dos valores comerciais, possuindo também um erro em relação aos valores comerciais.
LISTAS DE MATERIAIS UTILIZADOS 
Na Tabela 2 foi descrito todos os materiais que utilizamos ao confeccionar este projeto
	Materiais utilizados para confecção da fonte
	Descrição
	Quantidade
	Protoboard
	1
	Capacitor 220 µF
	1
	Capacitor 100 µF
	1
	Resistor 150Ω
	2
	Resistor 4700Ω
	2
	Transistor BC548
	2
	LED 5 mm
	2
	Cabos
	diversos
Tabela 2 - Materiais Utilizados
MONTAGEM
A montagem da placa de circuito impresso foi realizada no laboratório de projetos da PUC Minas – unidade Coração Eucarístico, sob supervisão dos monitores do laboratório. Logo após a montagem realizamos um pequeno teste a fim de conferir senão havia curto-circuito e se a frequência se encontrava próxima da esperada, conforme podemos ver nas figuras abaixo. A frequência ficou 1,235 porém essa variação ocorre devido aos arredondamentos para obter valores comerciais e erros de medição.
Figura 6 - Montagem do protoboard
Figura 7 - Montagem - Testes
Figura 8 - Montagem - forma de onda
TESTES
A realização dos testes foi feita primeiro em cada estado e depois nos dois estados juntos.
 Estado 1 
1) Aplicar ao circuito a tensão de alimentação de 5V aos terminais de VCC e terra. (Nota importante: esta ligação deve ser mantida durante todo o teste.)
2) Ligar o canal 2 do osciloscópio ao terminal de VO e terra; usar a escala de 20 mV; chave AC-DC posicionada em DC.
3) Medir a tensão de VO para terra e anotar o seu valor . Observar que esta medida corresponde ao VCE do transistor. VO = 78 mV
4) Justificar o valor encontrado.
Como o capacitor está em curto circuito a corrente vai toda para a base assim a valor de Vo em relação ao terra que é o valor em cima do Vce do transistor sera o valor de Vcesat
5) Ainda com o osciloscópio ligado em VO, mudar a escala para 5V/div. Aplicar alternadamente e sucessivamente em VS, a tensão zero (encostar no terra) e em seguida a tensão de 5 Volts (encostar no VCC )
6) Verificar o LED e a tensão em VO e explicar o que está ocorrendo.
Ao ligar no terra o capacitor descarrega e o LED apaga alguns segundos até o capacitor começar a carregar novamente, ao ligar no Vcc ele carrega rapidamente podendo repetir o processo no mesmo instante. A tensão Vo eleva rapidamente ao ligar no terra e cai rapidamente ao ligar no Vcc
7) Aplicar agora em VS a saída do gerador de sinais na posição TTL e frequência aproximada de 20 Hz . Ligar também a este ponto o canal 1 do osciloscópio. As escalas de ambos os canais deverão estar em 5 V.
8) Observar o que está acontecendo com o LED e explicar.
Ao aplicar uma onda quadrada no capacitor, o capacitor carrega e descarrega a cada período ocorrendo corte e saturação no transistor a cada período. Logo a saída Vo do transistor varia opostamente a tensão aplicada no capacitor ocorrendo assim um inversor. Desta forma o LED oscila.
9) Observar os canais 1 e 2 do osciloscópio . Desenhar as formas de onda encontradas, mostrando os valores das amplitudes e frequências envolvidas e explicar o que está acontecendo
Figura 9 - Teste com gerador de sinal: 20 Hz
Sendo canal 1 = Vs, e canal 2 = Vo.
10) Aumentar a frequência do gerador de sinais para 100 Hz e explicar o que ocorreu.
Figura 10 - Teste com gerador de sinal: 100 Hz
Sendo canal 1 = Vs, e canal 2 = Vo.
A frequência maior ocorre o mesmo efeito, porém é tão rápido que não é visível no LED.
11) Desligar o gerador de sinais de VS deixando a alimentação VCC ligada e o canal 2 do osciloscópio ligado em VO .
 Estado 2
1) Aplicar ao circuito a tensão de alimentação de 5V aos terminais de VCC e terra. (Nota importante: esta ligação deve ser mantida durante todo o teste.)
2) Ligar o canal 2 do osciloscópio ao terminal de VO e terra; usar a escala de 20 mV; chave AC-DC posicionada em DC.
3) Medir a tensão de VO para terra e anotar o seu valor . Observar que esta medida corresponde ao VCE do transistor. VO = 77,4 mV
4) Justificar o valor encontrado.
Como o capacitor está em curto circuito a corrente vai toda para a base assim a valor de Vo em relação ao terra que é o valor em cima do Vce do transistor sera o valor de Vcesat
5) Ainda com o osciloscópio ligado em VO, mudar a escala para 5V/div. Aplicar alternadamente e sucessivamente em VS, a tensão zero (encostar no terra) e em seguida a tensão de 5 Volts (encostar no VCC )
6) Verificar o LED e a tensão em VO e explicar o que está ocorrendo.
Ao ligar no terra o capacitor descarrega e o LED apaga alguns segundos até o capacitor começar a carregar novamente, ao ligar no Vcc ele carrega rapidamente podendo repetir o processo no mesmo instante. A tensão Vo eleva rapidamente ao ligar no terra e cai rapidamente ao ligar no Vcc
7) Aplicar agora em VS a saída do gerador de sinais na posição TTL e frequência aproximada de 20 Hz . Ligar também a este ponto o canal 1 do osciloscópio. As escalas de ambos os canais deverão estar em 5 V.
8) Observar o que está acontecendo com o LED e explicar.
Ao aplicar uma onda quadrada no capacitor, o capacitor carrega e descarrega a cada período ocorrendo corte e saturação no transistor a cada período. Logo a saída Vo do transistor varia opostamente a tensão aplicada no capacitor ocorrendo assim um inversor. Desta forma o LED oscila.
9) Observar os canais 1 e 2 do osciloscópio . Desenhar as formas de onda encontradas, mostrando os valores das amplitudes e frequências envolvidas e explicar o que está acontecendo
Figura 11 -Teste com gerador de sinal: 20 Hz
Sendo canal 1 = Vs, e canal 2 = Vo.
10) Aumentar a frequência do gerador de sinais para 100 Hz e explicar o que ocorreu.
Figura 12 - Teste com gerador de sinal: 100 Hz
Sendo canal 1 = Vs, e canal 2 = Vo.
A frequência maior ocorre o mesmo efeito, porém é tão rápido que não é visível no LED.
11) Desligar o gerador de sinais de VS deixando a alimentação VCC ligada e o canal 2 do osciloscópio ligado em VO .
 Circuito completo
12) Fazer a interligação de seu circuito com o de seu colega (também alimentado com VCC e terra ) da seguinte forma: Vo de seu circuito em VS do seu colega e VS de seu circuito com VO de seu colega . Observar que os dois canais do osciloscópio estão ligados na junção de VO com VS dos dois circuitos.
13) O circuito resultante é o mostrado na Figura 1
14) Desenhar as formas de onda que aparecem nos dois canais do osciloscópio, indicando as amplitudes , frequências e fases.
Figura 13 - Testes: formas de onda das saídas do multivibrador
Sendo canal 1 = Vo1 e canal 2 = Vo2
Valor de Vo1= 1,84V, e Vo2 = 2,6V
Frequência em ambos canais = 1,23 Hz
CONCLUSAO
O circuito funcionou conforme previsto. A frequência que determinamos no inicio do projeto foi de 1 Hz, após a montagem e testes notamos que a frequência variou para 1,23 Hz. Por causa da diferença entre valores calculados e comerciais e também porque o Vce como vimos nos testes é diferente do Vce presente no datasheet do transistor.
Em relação ao duty cycle ao realizar os testes encontramos, conforme as figuras abaixo os valores para o período de
Ttotal=806ms
T1=280 ms
T2 = 530 ms
Logo o valor de Du1 será
E o valor de Du2 será
Também ocorreu uma pequena margem de erro do proposto inicialmente pelos mesmos motivos da frequência.
Figura 14 - Tempo total do periodo
Figura 15 - Tempo do periodo 1
Figura 16 - Tempo do período 2
.
ANEXOS