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CENTRO UNIVERSITÁRIO FACULDADE DE TECNOLOGIA ELETRÔNICA APLICADA CIRCUITO 555 OPERANDO EM MODO ASTÁVEL DE 5Hz Maicon de Oliveira Massigna PROFESSOR: RASIA, Geison Luís Trabalho apresentado como parte dos requisitos para obtenção da aprovação na disciplina de Eletrônica Aplicada do curso de Engenharia Elétrica. Caxias do Sul – RS, julho de 2020. 1 INTRODUÇÃO O multivibrador astável, cuja principal utilização é justamente na geração de uma sequência de pulsos retangulares. Este sistema é largamente empregado em circuitos digitais como, relógios, calculadoras entre outros, o que demonstra a importância do estudo de seu funcionamento e do conhecimento de suas características. O multivibrador astável não tem estado estável. Ao contrário, tem dois estados quase-instáveis e permanece em cada um por intervalos de tempos, T1 e T2, predeterminados. Portanto, após T1 segundos em um dos estados instáveis, o astável comuta para o outro estado e nele permanece por T2 segundos, após volta ao estado anterior e assim por diante. Desta forma, o multivibrador astável oscila com um período T = T1 + T2 ou na frequência f = 1/T e pode ser usado para gerar pulsos periódicos. Neste modo, o circuito integrado 555 funciona como um oscilador gerando na saída out uma sequência contínua de pulsos alternados em uma frequência determinada pelos dois resistores (R1 e R2) e capacitor (C), e pode ser usado para várias aplicações, por exemplo, piscar leds, produzir tons em um alto-falante, controlar a intensidade de leds e velocidade de um motor. Pode-se usar um potenciômetro no lugar de R2 para variar a frequência dos pulsos gerados. O mesmo capacitor é usado para acionar os pinos 6 (THR) e 2 (TRIG). Quando o capacitor carrega via R1 e R2 e atinge 2/3 de Vcc, THR (6) dispara e encerra o ciclo, iniciando a descarga via R2 e DIS (pino 7), e fazendo o pino 3(OUT) = nível lógico baixo. Quando a carga do capacitor cai abaixo de 1/3 de Vcc, TRIG é acionado e OUT passa a ter nível alto, fechando a chave DIS e permitindo o reinício da carga do capacitor. 1 – ELETRÔNICA Quando estudamos eletrônica, é comum ouvirmos sobre Tensão, Corrente, Potência, Resistência e unidades de medida como Volts, Amperes, Watts e Ohms. Entender esses conceitos é fundamental para começar a aprender sobre eletrônica. A seguir, um breve resumo, do que elas são e para que são usadas, e como se relacionam entre si. 1.1 – TENSÃO ELÉTRICA Para que aparelhos eletrônicos possam funcionar, é necessário que em seu circuito eletrônico tenha o que se chama de tensão elétrica. Afinal o termo eletrônico vem de utilizar energia potencial elétrica para funcionar. Diz-se que um material conduz eletricidade se ele contiver a incrível característica de possuir o que se chama de elétrons livres. O termo elétrons livres, quer dizer que esses, podem se mover livremente durante todo o condutor desde que seja fornecida a eles energia potencial elétrica. Além disso, quando esses materiais são carregados, os elétrons irão se distribuir durante todo o material não se concentrando apenas em uma dada região. Um exemplo desse tipo de material chamado condutor são os metais como cobre, ouro, prata, alumínio, cobre, entre outros. Como visto, para que haja movimento de elétrons dentro de um material condutor, é necessário fornecer aos elétrons energia potencial elétrica. A força que irá movimentar os elétrons pode ser denominada diferença de potencial (ddp), força eletromotriz ou ainda tensão elétrica. Para que haja uma movimentação de elétrons, o condutor deve ser ligado ao gerador. A tensão gerada a partir da variação do potencial elétrico dos dois polos começando do polo negativo irá “empurrar” os elétrons dentro do condutor e assim haverá certo fluxo de elétrons no. 1.2 CORRENTE ELÉTRICA Um condutor metálico, que tem a característica de ter elétrons livres, quando é conectado a um polo positivo, e em sua outra extremidade a um polo negativo, esses elétrons inicialmente livres e desordenados iniciam um movimento ordenado e em um sentido - a corrente elétrica. A unidade padrão no SI para medida de intensidade de corrente é o ampère (A). A corrente elétrica é também chamada informalmente de amperagem. Embora seja um termo válido na linguagem coloquial, a maioria dos engenheiros eletricistas repudia o seu uso por confundir a grandeza física (corrente eléctrica) com a unidade que a medirá (ampère). 1.7.2 Corrente alternada Corrente alternada (CA ou AC), é uma corrente elétrica cujo sentido varia no tempo, ao contrário da corrente contínua cujo sentido permanece constante ao longo do tempo. A forma de onda usual em um circuito de potência CA é senoidal por ser a forma de transmissão de energia mais eficiente. Entretanto, em certas aplicações, diferentes formas de ondas são utilizadas, tais como triangular ou ondas quadradas. Enquanto a fonte de corrente contínua é constituída pelos polos positivo e negativo, a de corrente alternada é composta por fases e, muitas vezes, pelo fio neutro. A corrente alternada surgiu quando Nikola Tesla foi contratado por J. Westinghouse para construir uma linha de transmissão entre Niágara e Buffalo, em NY. Thomas Edison fez o possível para desacreditar Tesla, mas o sistema polifásico de Tesla foi adotado. A Corrente Alternada é a forma mais eficiente de se transmitir uma corrente elétrica por longas distâncias. Nela, os elétrons invertem o seu sentido várias vezes por segundo. A Corrente Alternada foi adotada para transmissão de energia elétrica a longas distâncias devido à facilidade relativa que apresenta para ter o valor de sua tensão alterada por intermédio de transformadores. Além disso as perdas em Corrente Alternada são bem menores que em CC, no entanto, as primeiras experiências e transmissões foram feitas com Corrente Contínua. Abaixo podemos ver um exemplo de onda senoidal, onde sua corrente é alternada, onde o ponto mais alto da onda determina a tensão máxima do campo. Figura 1 Corrente alternada Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Simple_sine_wave.svg 1.7.2 Corrente contínua Corrente contínua (CC ou DC) é o fluxo ordenado de cargas elétricas no mesmo sentido. Esse tipo de corrente é gerado por baterias de automóveis ou de motos (6, 12 ou 24V), pequenas baterias (geralmente de 9V), pilhas (1,2V e 1,5V), dínamos, células e fontes de alimentação de várias tecnologias, que retificam a corrente alternada para produzir corrente contínua. Na figura abaixo temos um exemplo de onda de uma corrente contínua: Figura 2 - Corrente contínua Fonte: https://www.google.com.br/url%2Feletrodinamica1. 1.3 FONTES DE ALIMENTAÇÃO A fonte de alimentação CC é um dos mais importantes circuitos da Eletrônica, uma vez que ela é a responsável pela conversão da tensão alternada VCA, disponível na rede elétrica, em uma tensão contínua VCC regulada, adequada para o funcionamento correto dos demais circuitos eletrônicos de um sistema. A tensão fornecida pela concessionária de energia elétrica é alternada ao passo que os dispositivos eletrônicos operam com tensão contínua. Então é necessário retificá-la e isto é feito através dos circuitos retificadores que convertem corrente alternada em corrente contínua. Temos os retificadores monofásicos para uso em aparelhos eletrônicos de um modo geral e os retificadores polifásicos para uso em circuitos industriais de alta potência. 1.4 RESISTÊNCIAELÉTRICA A resistência elétrica, dada sob a grandeza Ω (Ohm) nada mais é que a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica. Vários fatores podem colaborar para que haja essa resistência. No caso da eletricidade em si, diâmetro, comprimento, temperatura e tipo de material em que é feito o condutor, ajudam a interferir nesse fator. Nocaso, a resistência pode também ser usada a favor. 1.5 EFEITO JOULE Joule foi o cientista que primeiramente percebeu de maneira quantitativa como funciona o calor produzido por um resistor. Este fato pode ser explicado como os elétrons da corrente colidem com os átomos e moléculas do condutor. Esse efeito caracteriza-se pela transformação da energia elétrica em calor (energia térmica). A colisão entre alguns elétrons que passam num condutor com os átomos deste é que provoca esse aumento da temperatura, dependendo do tipo do condutor. Por isso, materiais especialmente construídos para isso são usados em ferro de passar, chuveiro elétrico, lâmpada incandescente, aquecedores, entre outros eletrodomésticos. Quando uma corrente elétrica atravessa um material condutor, há produção de calor. Essa produção de calor é devida ao trabalho realizado para transportar as cargas através do material em determinado tempo. 1.6 RESISTORES Resistores são componentes que têm por finalidade oferecer uma oposição à passagem de corrente elétrica, através de seu material. A essa oposição damos o nome de resistência elétrica ou impedância, que possui como unidade o ohm. Causam uma queda de tensão em alguma parte de um circuito elétrico, porém jamais causam quedas de corrente elétrica, apesar de limitar a corrente. Isso significa que a corrente elétrica que entra em um terminal do resistor será exatamente a mesma que sai pelo outro terminal, porém há uma queda de tensão. Utilizando-se disso, é possível usar os resistores para controlar a corrente elétrica sobre os componentes desejados. Tabela 1 - Tabela de cores dos resistores Fonte: www.audioacustica.com.br 1.7 ASSOCIAÇÃO DE RESISTÔRES Em um circuito é possível organizar conjuntos de resistores interligados, chamada associação de resistores. O comportamento desta associação varia conforme a ligação entre os resistores, sendo seus possíveis tipos: em série, em paralelo e mista. 1.7.1 Associação em série Na associação em série todos os resistores são percorridos pela mesma corrente elétrica. Os resistores são ligados um em seguida do outro, existindo apenas um caminho para a corrente elétrica. Figura 3 - Associação em série Fonte: www.efeitojoule.com 1.7.2 Associação em paralelo A associação de resistores em paralelo é um conjunto de resistores ligados de maneira a todos receberem a mesma diferença de potencial (ddp). Nesta associação existem dois ou mais caminhos para a corrente elétrica, e desta maneira, os resistores não são percorridos pela corrente elétrica total do circuito. Observe a figura. Figura 4 - Associação em paralelo Fonte: www.efeitojoule.com 1.7.3 Associação mista Uma associação mista é composta quando associamos resistores em série e em paralelo no mesmo circuito. Observe na figura abaixo que os resistores R1 e R2 estão em série e os resistores R3 e R4 estão em paralelo: Figura 5 - Associação mista Fonte: www.efeitojoule.com 1.8 TRANSFORMADORES Transformadores são dispositivos usados para abaixar ou aumentar a tensão e a corrente elétricas. Os transformadores consistem em dois enrolamentos de fios, primário e secundário, envolvidos em um núcleo metálico. A passagem de uma corrente elétrica alternada no enrolamento primário induz à formação de uma corrente elétrica alternada no enrolamento secundário. A proporção entre as correntes primária e secundária depende da relação entre o número de voltas em cada um dos enrolamentos. Os transformadores são usados para abaixar ou aumentar as tensões e correntes elétricas em circuitos de consumo ou transmissão de energia elétrica. Se um transformador abaixa uma tensão elétrica, ele automaticamente aumenta a intensidade da corrente elétrica de saída e vice-versa, mantendo sempre constante a potência transmitida. 1.9 DIODO Um diodo é definido como um componente eletrônico de dois terminais que apenas conduz corrente em uma direção (desde que seja operado dentro de um nível de tensão especificado). Um diodo ideal terá resistência zero em uma direção e resistência infinita na direção reversa. Eles são usados principalmente para evitar danos aos componentes, principalmente devido à força eletromotriz em circuitos geralmente polarizados. Em linguagem simples, um diodo é como uma válvula unidirecional que permite que a corrente elétrica flua em uma direção, mas geralmente não permite que ela flua na direção oposta. A direção da corrente elétrica no diodo pode ser invertida. No entanto, mesmo que seja, o fluxo ainda será um direcional. Um diodo contém dois eletrodos que agem da mesma maneira que os semicondutores. O positivo ou o tipo P é geralmente o ânodo e o negativo ou o tipo N é o cátodo. Em outras palavras, o cátodo é carregado negativamente em comparação com o ânodo. Se o cátodo for carregado com a mesma voltagem ou com uma voltagem muito semelhante ao ânodo, a corrente não fluirá. Na eletrônica, um diodo age de maneira semelhante para carregar as transportadoras. Diodos também podem ser comparados a válvulas de retenção ou interruptores. Se líquido ou água estivessem envolvidos em vez da corrente, seria essencialmente semelhante à água que flui a montante ou a jusante. Simplificando, um diodo tende a permitir fluxo de montante a jusante, mas não o contrário. Para alterar a direção do fluxo, o cátodo deve ser carregado com uma tensão maior que o ânodo. Isso é conhecido como tensão de avalanche, mas, apesar do nome, nem sempre é necessário um grande número de volts para mudar a direção. De fato, pode haver uma diferença de apenas alguns volts. Um diodo pode converter corrente elétrica de CA para CC ou de corrente alternada para corrente contínua. Isso é chamado de retificação, e os diodos retificadores são mais comumente usados em fontes de alimentação de baixa corrente. 1.10 REGULADOR DE TENSÃO INTEGRADO A série 78XX de reguladores de tensão lineares que são muito comuns no mundo da eletrônica. Estes reguladores de tensão servem para diminuir a tensão de entrada, onde está tensão de entrada pode ser variável dentro dos limites estabelecidos pelo componente, fornecendo uma tensão de saída menor e constante independente da variação da tensão de entrada, e o excesso de tensão que não será enviado a saída é dissipado pelo componente em forma de calor. Por exemplo se você tiver como fonte de alimentação uma bateria de 12V mas o seu circuito deve ser alimentado com apenas 5V você pode usar um regulador de tensão, no caso o LM7805, para diminuir a tensão de 12V para 5V. Para um correto funcionamento dos reguladores de tensão da série 78XX é necessário que a tensão de entrada seja pelo menos 2,5v maior que a tensão de saída do componente, 2,5V dará uma boa margem de segurança. Por exemplo se você estiver usando um regulador de tensão com saída de 5V você deverá aplicar na entrada deste regulador de tensão no mínimo 7,5V. Os reguladores de tensão da série 79XX fazem a mesma coisa que os da série 78XX, a diferença é que os reguladores da série 79XX são reguladores de tensão negativos, onde sua entrada recebe uma tensão negativa e sua saída fornece uma tensão negativa, enquanto que os da série 78XX são reguladores de tensão positivos, onde sua entrada recebe uma tensão positiva e sua saída fornece uma tensão positiva. Os reguladores de tensão da série 78XX possuem três terminais, são eles: entrada, GND e saída. Como mostrado abaixo. Figura 6 – reguladores de tensão http://www.comofazerascoisas.com.br 1.11 TRANSISTOR BIPOLAR O transistor é um dispositivo semicondutor de três camadas, muito utilizado na construção de chips eletrônicos para as mais variadas aplicações. Composto principalmente de silício ou germânio, o transistor é empregado em processos de amplificação e produção de sinais e em operações dechaveamento. Um transistor pode ser criado pela união de três materiais semicondutores obtidos pela adição de impurezas, alternando entre os do tipo P (que apresentam a polaridade positiva) e do tipo N (que apresentam a polaridade negativa). Desta forma são originados os dois tipos principais de transistores usados na eletrônica, que são o transistor PNP e o transistor NPN 1.12 CIRCUITO INTEGRADO 555 Um circuito integrado muito conhecido e utilizado para obter sinais de clock é o 555, sendo muito importante para projetos que envolvem eletrônica digital. Ele funciona como um timer e foi criado em 1970 pelo engenheiro Hans Camenzind. Mesmo após 50 anos de sua invenção, o circuito não sofreu grandes alterações ao longo do tempo. O objetivo desse artigo é mostrar como o 555 funciona, quais suas aplicações, seus modos de funcionamento e como dimensionar os resistores e capacitores para ele. O circuito integrado 555 é capaz de emitir pulsos em sua saída com uma frequência configurável. O componente possui 8 terminais, sendo 4 de cada lado, podendo ser usado para várias aplicações como temporizadores, osciladores e geradores de pulsos. O clock de saída do 555 é um sinal muito útil para trabalhar com sistemas digitais, sendo amplamente utilizado para controlar outros circuitos digitais. Normalmente, esse circuito integrado possuirá uma tensão de operação de 5 a 18 volts, com consumo de 10mA no estado alto e corrente de saída de no máximo 200mA. Normalmente, esse circuito integrado possuirá uma tensão de operação de 5 a 18 volts, com consumo de 10mA no estado alto e corrente de saída de no máximo 200mA. Assim como todo circuito integrado, a primeira coisa para se identificar os pinos do 555 é identificar onde fica a parte chanfrada da carcaça, ela indicará qual a posição correta para olhar para ver quais são os pinos. Nos diagramas, normalmente essa marcação fica virada para cima. Figura 7 – reguladores de tensão https://athoselectronics.com/555-circuito-integrado/ GND: É o famoso terra, deve estar sempre conectado ao terra (0v) da fonte de alimentação. Inverter a polaridade pode danificar o chip. TRIGGER: Significa gatilho, um valor de tensão menor que um terço da tensão de alimentação ativa o biestável interno e a saída. OUTPUT: Saída, emite um sinal com amplitude igual a tensão de alimentação do 555 e com frequência que depende de outros fatores do circuito. RESET: Interrompe e inicia novamente a operação. CONTROL VOLTAGE: Serve para controlar o comparador interno do chip que está ligado ao pino 6, podendo deixa-lo mais ou menos sensível. THRESHOLD: Um valor de tensão maior que dois terços da tensão de alimentação nesse pino desativa o biestável interno e a saída. DISCHARGE: Serve para descarregar um capacitor que deverá estar ligado a esse terminal. VCC: A tensão de alimentação do 555, que deverá ser entre 5V e 15V ou 18V, dependendo do fabricante. Consulte o datasheet do seu componente para ter certeza. 1.13 RELES DE INTERFACE O Rele Acoplador nada mais é que interruptor elétrico que executa a função de abrir e fechar um circuito eletromecânico ou eletrônico mantendo a isolação elétrica entre o comando e o circuito. O Rele Acoplador é capaz de controlar um circuito elétrico utilizando contatos normalmente aberto (NA) em que o contato permanece aberto quando o rele não está energizado ou contato normalmente fechado (NF) em que o contato permanece fechado quando o rele não está energizado. Em ambos os casos, a energização do Rele Acoplador permitirá uma condução de corrente elétrica pela bobina do rele que por sua vez mudará o estado dos seus contatos. Compreenda o seguinte, independente da tensão das bobinas desse relé, a tensão de comando pode ser independente da tensão da bobina, ou seja, por exemplo seu relé é 24vdc mas preciso que ele de condição a uma bobina de contator 220V, normalmente só você passar pela fase no comum que é o contato de “entrada” que por sim comutará e sim deixará a fase alimentar a bobina 220V. 1.14 MULTISIM 1.14.1 O QUE É A PLATAFORMA MULTISIM O Multisim é um ambiente de simulação SPICE padrão da indústria e software de projeto de circuitos para o ensino e pesquisa de eletrônica digital, analógica e de potência. Por ser gratuito e fácil de usar, encontramos nele uma oportunidade de ensino de Programação Embarcada, visto que a primeira barreira encontrada pelos alunos é a de não possuir os componentes e o microcontrolador em mãos. No canto esquerdo são encontrados os componentes, assim como circuitos pré- montados. Logo ao lado a interface onde é realizada a programação, tanto em blocos como em texto, dos microcontroladores utilizados no projeto (inclusive mais de um simultaneamente). Para conferir o funcionamento do circuito, basta pressionar o botão “Run Simulation” ou no atalho do teclado com a combinação das teclas Ctrl+R. A ferramenta conta com a simulação de circuitos analógicos, digitais e de potência, com uma vasta gama de componentes (resistores, capacitores, indutores, chaves, botões, potenciômetros, circuitos integrados, protocolar, medição de grandezas, gerador de funções, etc.), Figura 8. Figura 8: simulador Multisim Fonte: autor 1.14.2 Principais características O objetivo ao usar o Multisim deve ser uma ferramenta de imersão no mundo do design eletrônico de maneira simples e atraente, uma vez que a interface de trabalho é simples e muito atraente inicialmente, embora, uma vez dominados os conceitos básicos, não haja ferramentas para alcançar projetos complexos. Suas vantagens são claras: é simples de usar, sua aparência é atraente e, com algumas horas de treinamento, podemos adquirir muita habilidade em seu uso. 2 CÁLCULO DO CIRCUITO ASTÁVEL 2.1 CIRCUITO Circuito oscilador para sinalizador de garagem: 2.1.1 – Escolha do capacitor e resistor O capacitor do tempo foi escolhido pelo método adotado pelo professor, passado em vídeo aula onde 1 nF < CT < 100 MF. Considerado 10% deste valor CT = 0,01 F obtemos um capacitor de 0,1 µF ou 100 nF. Foi escolhido o capacitor de 100 nF para esta aplicação dado o critério pré-estabelecido. O mesmo critério foi adotado seguindo instruções passadas em vídeo aula, onde temos 1 kΩ<(RA+2*RB)< 10MΩ. Seguindo critério e sugestão do professor foi escolhido o resistor de 4,7 kΩ. 2.1.2 Determinação Ton e Toff T = 1/f T = 1/5 T = 0,2 segundos Ton = 0,55*T Ton = 0,55*0,2 Ton = 0,11 segundos Toff = 0,45*T Toff = 0,45*0,2 Toff = 0,09 segundos 2.1.3 Cálculo de RA e RB RB = Toff / ln2 * CT RB = 1,3 MΩ [1M3Ω]. RA = [Ton / ln2 * CT] - RB - RA = 128,3 kΩ [200kΩ] 2.1.4 Escolha do TJB Considerando bobina do relé de interface com a mesma alimentação da fonte. I = E / W I = 12 / 400 I = 0,03A. Corrente de carga no coletor será a bobina do relé considerado IC = 30mA. Tensão entre coletor e base aberta Vceo = 12Vcc. PC = 0,3 * 0,03 PC = 0,009W Com estas características escolheu-se o TJB BC 337-25. Com Hfe analisado em dadasheet 160 a 400 de ganho. Hfe(médio) = Hfe (min.) +Hfe (máx.) / 2 Hfe(médio) = 280 2.1.5 Resistor da base Rbase = Hfe*(Vcc-0,7) / 10*IC Rbase = 280*(12-0,7) / 10*0,03 Rbase = 10,5kΩ [10kΩ] 2.1.6 Resistor do led Considerando led vermelho VF = 1,8. Rled = (Vcc-VF) / 0,015 Rled = (12-1,8) / 0,015 Rled = 680Ω PRled = (Vcc – VF)2 / Rled PRled = (12-1,8)2 / 680 PRled = 0,153W Resistor escolhido 680Ω / 0,33W 2.1.7 Simulação Circuito simulado utilizando plataforma Multisim, a baixo seguem imagens das simulações realizadas. Figura 9, nos mostra a tensão de saída do CI 555, a tensão e a corrente da base do transistor e a corrente no coletor, simulaçãoonde o led da saída está ligado junto com a lâmpada superior. Figura 9: início da simulação Fonte: autor Figura 10, mostra a troca de lâmpada na saída da garagem sinalizando atenção. Entretanto a troca é tão rápida que o software não acompanha o desempenho da do projeto, devido a isto só podemos analisar a troca de lâmpada no pisca pelo apagar das duas lâmpadas. Figura 10: início da simulação Fonte: autor Figura 11, o final da simulação onde resetamos o sistema acionando a botoeira B1, a saída do CI 555 para de enviar tensão e o led apagado comprova, que o reinicio foi feito com sucesso. Figura 10: início da simulação Fonte: autor 3 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Scherz P., Monk S. Practical Electronics for Inventors 3. Ed. Editora McGraw-Hill Gussow, M (1997). Eletricidade Básica. São Paulo: Pearson Makron Books Engineering Formulas Interactive: Conversions, Definitions, and Tables, Volume 1 por Frank Sims, (1999), p.101-102