Circuitos integrados 4: temporizador sonoro com 555 acionando um relé

Este experimento é baseado no anterior.

Material adicional:

  • Relé de 5V, dois polos, duas posições
  • Diodo de propósito geral (1N4148 ou equivalente)
  • Cigarra de 5V
  • Resistor de 100 Ω (ou 220 Ω se fonte de 12V)

Finalmente o LED pode ser substituído por qualquer outro circuito. No exemplo abaixo, substituímos o LED por um relé de duas chaves e duas posições.

Um relé é uma chave acionada por um eletroímã e está descrito na referência no final da apostila. Ele tem oito terminais e deve ser posicionado no meio do protoboard, como os circuitos integrados. Internamente ele possui a seguinte estrutura:

Os pinos 1 e 2 são os terminais do eletroímã. O relé contém duas chaves, representadas pelos pinos 3-5-7 e 4-6-8. Os pinos 3-5 e 4-6 estão inicialmente conectados. Ao ligar o eletroímã (aplicando uma tensão de 4 a 10V nos terminais), os pinos 5 e 6 são desligados e a conexão muda para 3-7 e 4-8.

No circuito abaixo, o relé L foi colocado no lugar do LED. São usados os terminais conectados da primeira chave (3-5-7) para manter um LED aceso enquanto OUT estiver em nível lógico BAIXO (e consequentemente o relé estiver desligado). A segunda chave (4-6-8) conecta uma cigarra (buzzer) aos terminais inicialmente desconectados (4-8), que será ligada durante o período em que OUT mudar para nível lógico ALTO (e o eletroímã do relé estiver acionado).

O diodo D é importante pois indutores em geral (relés, motores, transformadores) armazenam corrente que podem fluir no sentido contrário ao ligar o circuito. Esse pulso de corrente pode ter um valor muito elevado e queimar um componente. O diodo só permite a passagem de corrente em um sentido. Colocando-o da forma mostrada no circuito, impede-se que essa corrente reversa flua, protegendo o circuito. Diodos de proteção devem sempre ser usados ao incluir relés, transformadores, motores e outros indutores no circuito.

A ilustração abaixo mostra uma possível montagem com o protoboard. Observe que a cigarra também tem uma polaridade. A cigarra distribuída no kit tem valor nominal de 5V e pode ser usada com tensões entre 3 e 8V e corrente de 30mA, por isto incluímos um resistor para reduzir a tensão e a corrente que passa por ele.

Circuitos integrados 3: temporizador acionado por som

Este experimento é baseado no anterior.

Material adicional:

  • Mini-microfone de eletreto
  • Resistor de 3,3k Ω
  • Capacitor de 1µF

O pulso que dispara o temporizador acontece quando o pino 2 (disparador) estiver em nível lógico BAIXO (tensão zero, ou negativa). O acionamento também pode ser causado por um sensor, como um LDR (luz), um termistor (temperatura), ou qualquer outro dispositivo ou circuito que abaixe a tensão no pino 2 até um valor próximo de zero.

No exemplo abaixo, substituímos o botão por um circuito que amplifica o sinal recebido por um microfone de eletreto. O resistor de 10k mantém ALTO (positivo) o nível lógico do pino 2, mas quando som é captado pelo microfone, um sinal é enviado através do capacitor e o transistor satura, comportando-se como uma chave fechada entre os seus terminais C e E, conectando a entrada do pino 2 ao negativo (nível lógico baixo), desta forma disparando o temporizador.

Observe que o microfone tem uma polaridade definida. (Pode ser necessário soldar terminais no microfone incluído no kit, se eles já não estiverem soldados, ou se forem muito pequenos. Veja o tutorial no final da apostila.)

Experimente gritar ou bater palmas perto do microfone. O som deve acionar o temporizador e fazer o LED acender por alguns segundos.

A ilustração abaixo mostra uma montagem possível usando o protoboard:

O capacitor de 1µF usado na base do transistor serve para que o componente de tensão contínua que alimenta o microfone não passe para o transistor. O capacitor não deixa passar corrente contínua, mas apenas transições e pulsos. Interessa amplificar o sinal recebido pelo microfone, mas ele sempre vem sobreposto à tensão do microfone, que produziria corrente para o transistor ligar mesmo não havendo som algum vindo do microfone. Usando o capacitor, apenas o sinal gerado pelo microfone passa para a base do transistor. Esse tipo de circuito é usado em muitas situações onde é preciso amplificar sinais e eliminar a componente contínua:

Circuitos integrados 2: 555 em modo monoestável

O circuito monoestável encerra o ciclo automaticamente algum tempo depois do disparo. Funciona como um temporizador ou cronômetro. A duração desse ciclo é determinada pelos valores do resistor R e do capacitor C.

Neste circuito, o pino 4 (Reset) é mantido inativo, sempre ligado diretamente em Vcc (8). Os pinos 6 (Threshold) e 7 (Descarga) são ligados um ao outro (e têm sempre o mesmo valor).

O pino 2 (disparador) inicialmente também é ligado ao positivo, mas quando conectado ao negativo, ele dispara e inicia um novo ciclo (fazendo o pino 3 ter valor ALTO).

O fim do ciclo acontece automaticamente depois de um determinado tempo provocado pela carga do capacitor, que está ligado aos pinos 6 e 7. O valor de R é calculado para controlar o tempo de carga do capacitor C. Quando a carga do capacitor atingir 2/3 da tensão de referência (6V = 2/3 de 9V), o pino 6 dispara, causando o fim do ciclo (faz o pino 3 ter nível lógico BAIXO, ou seja, 0V). Na sequência, o pino 7 descarrega o capacitor.

A fórmula (aproximada) para calcular o tempo (em segundos) em que a saída OUT permanecerá ligada é:

T = 1.1 x R x C

Experimento 18 – Temporizador

Material necessário:

  • Fonte de 9 ou 12V, ou bateria de 9V
  • Protoboard, fios e jumpers
  • Capacitor eletrolítico de 220µF
  • Resistor de 33k Ω
  • Resistor de 10k Ω
  • Resistor de 470 Ω (ou 560 Ω, se fonte de 12V)
  • LED
  • Capacitor cerâmico de 10nF
  • Chave táctil tipo push-button
  • Circuito integrado 555

O circuito abaixo acende um LED por aproximadamente 8 segundos depois que o botão é apertado.

A duração foi calculada usando a fórmula acima: 33000 x 0,00022 x 1,1 = 7,26s. Altere os valores de R e C para obter tempos diferentes.

A ilustração abaixo mostra como o circuito poderia ser montado em um protoboard:

Duas alterações desse circuito serão mostradas nos posts seguintes.

Circuitos integrados 1: introdução ao 555 – modo biestável

Circuitos integrados são componentes eletrônicos que contém circuitos inteiros, formados por dezenas, centenas, milhares, milhões e até bilhões de transistores. Circuitos integrados também são chamados de chips. Geralmente eles têm uma aplicação bem definida e diversos terminais usados como entradas e saídas e para configuração. Circuitos eletrônicos que usam circuitos integrados são geralmente mais compactos e mais simples do que os que dependem de transistores e diodos individuais. Em geral, uma mesma funcionalidade é mais fácil de implementar, ou fica mais robusta ou mais segura usando um circuito integrado em vez de transistores individuais.

Nesta sequência de posts apresentaremos alguns circuitos integrados baratos e populares. Não se preocupe se não entender completamente o funcionamento deles. É possível construir circuitos e até mesmo fazer alterações nos circuitos sem entender todos os detalhes. Monte os experimentos e depois, se desejar, leia as explicações do seu funcionamento.

O circuito integrado 555

O circuito integrado 555 é um componente muito versátil. Basicamente funciona como um temporizador, que pode ser configurado em um circuito simples contendo um capacitor e alguns resistores. O chip está contido em uma embalagem de plástico de oito pinos, alinhados em paralelo (padrão DIP – Dual-In-Line). Dois pinos são usados para alimentá-lo com uma tensão entre 3 e 15V (GND: negativo, e Vcc: positivo). Os outros pinos são usados como entrada e saída.

Pinos de circuitos integrados DIP são contados a partir de uma marca que indica o pino 1: um chanfro ou um ponto. O pino 1 está localizado à esquerda da marca, e a contagem prossegue crescente pelo lado esquerdo, e volta pelo lado direito, de forma que o primeiro e último pinos se localizam na frente do componente, em lados opostos.

O diagrama abaixo descreve os pinos do circuito integrado 555. Os pinos vermelhos (1 e 8) são para alimentação do componente. Os verdes (2, 4, 5 e 6) são entradas, e os azuis (3 e 7) são saídas.

O 555, e muitos outros circuitos integrados que funcionam com lógica digital, reconhece na entrada e produz na saída valores fixos de tensão que são identificados como níveis lógicos. A saída do 555 ou é zero (nível lógico BAIXO) ou Vcc (nível lógico ALTO), que normalmente é uma tensão maior que zero (tipicamente a mesma tensão usada para alimentá-lo). Os pinos de entrada (em verde) são controlados aplicando neles valores de tensão relativas à tensão de entrada (1/3 e 2/3 dessa tensão), para produzir os valores de tensão 0V (nível lógico baixo) ou Vcc (alto) nas saídas.

A tabela abaixo descreve em detalhes o funcionamento de cada pino.

Pino Nome Função
1 GND 0V. Ligue no polo NEGATIVO da bateria.
2 TRIG Disparador. Um intervalo de temporização inicia quando a entrada neste pino cai abaixo de ½ do valor em CTRL (1/3 de VCC, se CTRL não estiver sendo usado). Isto faz o valor em OUT ser ALTO. O valor ALTO em OUT será mantido enquanto este pino estiver com tensão baixa.
3 OUT Saída. O valor de saída, que pode ser nível lógico ALTO (até 1.7 V abaixo de +VCC) ou BAIXO (igual a GND).
4 RESET Reset. Reinicia o intervalo se ligado em GND. Um novo intervalo só inicia novamente se RESET tiver uma tensão de no mínimo 0,7V.
5 CTRL Tensão de controle. Permite estabelecer a tensão de referência usada para disparar e limitar o temporizador. Normalmente este pino não é usado (e deve ser conectado ao GND através de um capacitor de 10nF), e neste caso a tensão de referência será sempre de 2/3 de VCC.
6 THR Limite. Quando o nível de tensão aqui for maior que em CTRL (2/3 de VCC), o valor em OUT será reduzido para zero, terminando o ciclo.
7 DIS Chave de descarga. O pino é ligado temporariamente à GND entre cada intervalo de temporização. Um capacitor conectado aqui será descarregado entre intervalos. O início de novo ciclo fecha a chave que só abre novamente quando o próximo intervalo terminar (quando a tensão em OUT tiver nível lógico BAIXO).
8 VCC Fonte de tensão entre +3 e +15V para alimentar o componente. Ligue este pino no polo POSITIVO da bateria.

Os controles (entradas) disponíveis são 4: CTRL(5), RESET(4), TRIG(2) e THR(6). A entrada RESET (pino 4) tem precedência sobre TRIG(pino 2), e TRIG(pino 2) tem precedência sobre THR(pino 6). Isto significa que se RESET estiver acionado (ligado no negativo), os valores de TRIG e THR são ignorados, e se RESET estiver inativo (ligado no positivo), e TRIG for acionado (ligado no negativo), o valor de THR é ignorado. THR só é considerado se RESET e TRIG estiverem ambos inativos (ligados no positivo). A entrada CTRL estabelece a referência usada por TRIG e THR. Em circuitos simples, CTRL é ligada a GND através de um capacitor de 10nF (para eliminar interferências), fazendo com que a referência seja considerada igual à tensão de entrada (Vcc).

As saídas são duas: OUT(3) e DIS(7). OUT (pino 3) é usado em praticamente todas as aplicações. DIS (pino 7)é ligada ao GND (negativo) todas as vezes que um ciclo termina, e geralmente usada para descarregar um capacitor ligado neste pino.

Tudo isto será mais fácil de entender se fizermos alguns circuitos. A seguir estão três circuitos essenciais com 555. Em todos eles, o pino VCC(8) liga-se ao positivo, o pino GND(1) ao negativo, e o pino CTRL(5) ao negativo através de um capacitor de 10nF. A saída é sempre conectada ao pino OUT(3), e os outros pinos variam conforme o modo usado.

555 em modo biestável

 (Wikimedia)

O circuito biestável é um alternador de estado. É uma espécie de memória que guarda um estado (ligado/ALTO ou desligado/BAIXO). O estado é uma tensão, portanto o estado ligado pode ser usado para acender um LED, e o estado desligado funciona para apagá-lo. Esta tensão irá aparecer na saída OUT (pino 3). O disparador do alternador é TRIG (pino 2), que liga o circuito. Para reinicializar o processo e voltar ao estado anterior, aciona-se o RESET (pino 4) que reinicializa o processo.

Neste circuito o pino 7 (DIS) não é usado e o pino 6 (THR) é ligado ao negativo. Somente os pinos 2 (disparador) e 4 (reset) controlam o circuito. Os dois devem iniciar em estado ligado, ou ALTO (conectados ao positivo).

Para iniciar o ciclo (começa com nível ALTO em OUT), o pino 2 precisa ser ligado temporariamente ao negativo.

Para terminar o ciclo (causar nível BAIXO em OUT), o pino 4 é ligado temporariamente ao negativo. A ligação pode ser feita com chaves, botões, sensores, transistores, etc.

Uma técnica para manter os níveis lógicos em estado ALTO é construir um divisor de tensão (entre os polos positivo e negativo da bateria, com o pino ligado no meio e um resistor ligado ao positivo que garanta uma tensão alta o suficiente no pino para mantê-lo desligado (maior que 1/3 de Vcc). Essa técnica é chamada de resistor de pull-up já que ela puxa para o ALTO o estado do pino. O estado do pino só mudará quando a tensão cair abaixo do valor mínimo. Isto será provocado pelo sensor, chave, capacitor ou componente que deverá conectar o pino ao negativo, quando sua resistência cair a ponto de fazer a tensão sobre ele cair abaixo do limite de 1/3 de Vcc.

Lembre-se: os pinos de entrada 2 e 4 do 555 são disparados com nível lógico BAIXO (negativo, ou menos de 1/3 de VCC), e são inativos com nível lógico ALTO (positivo, mais e 2/3 de VCC). O pino 6 (THR) dispara com 2/3 ou mais de VCC.

O experimento a seguir ilustra esse comportamento usando a lógica inversa (resistor de pull-down): um sensor para disparar o pino 2 quando estiver escuro. Um botão é usado para reiniciar o ciclo.

Experimento 17 – Disparador acionado por pouca luz

Material necessário:

  • Fonte de 9 ou 12V, ou bateria de 9V
  • Protoboard, fios e jumpers
  • LDR de 5 ou 7mm
  • Potenciômetro de 50k/100k ou resistor de 22k Ω, 33k Ω, 47k Ω ou 100k Ω (de acordo com a sensibilidade desejada para o LDR)
  • Resistor de 10k Ω
  • Resistor de 470 Ω
  • LED
  • Capacitor cerâmico de 10nF
  • Chave táctil tipo push-button
  • Circuito integrado 555

Monte o circuito acima e experimente em um lugar onde você possa variar a iluminação. Quando a luz estiver acesa, a resistência do LDR será baixa (menor que a resistência do potenciômetro que liga o pino 2 ao negativo), portanto o pino 2 (TRIG) terá tensão bem maior que 3V (1/3 de 9V) e não opera.

Quando a luz for apagada, a resistência no LDR ficará muito alta (bem maior que os 10k ohms que ligam o pino 2 ao negativo), fazendo cair a tensão no resistor para menos de 3V, que dispara o temporizador mudando o nível do pino 3 (OUT) para nível lógico ALTO (9V), e fazendo o LED acender. Depois que a luz for acesa, o LED continuará aceso e só apagará se houver um reset (apertando o botão, que ligará o pino RESET ao polo negativo, ou seja, tensão 0V).

O LED neste circuito representa uma carga. Pode ser substituído por outro circuito ou dispositivo. Por exemplo, pode ser substituído por um relé (chave elétrica), para acionar qualquer coisa (um alarme, um motor, etc.)

O bom funcionamento do circuito depende da luminosidade do ambiente. Os LDRs de 5mm e 7mm podem ter sensibilidades diferentes à luz. Normalmente o de 7mm é mais sensível e o LED só acenderá com uma escuridão maior (neste caso, precisará de um resistor menor). O desenho no protoboard abaixo usa um resistor de 47k no lugar do potenciômetro (substitua por um potenciômetro de 50k ou 100k para ajustar a sensibilidade se necessário, ou experimente diferentes resistores entre 10 e 100k).

Transistores 6: bipolares de junção PNP

O transistor PNP funciona com polaridade inversa ao NPN. Este é um circuito oscilador clássico usando um transistor PNP e NPN. Ele gera som cuja frequência varia com a luz.

Experimento 16 (extra) – Oscilador sonoro com transistor PNP

Material necessário:

  • Transistor NPN de propósito geral (BC 549 ou equivalente)
  • Transistor PNP de propósito geral (BC 559 ou equivalente)
  • Capacitor de 1nF
  • Resistor de 1k Ω
  • Resistor de 3,3M Ω
  • Resistor de 47 Ω
  • LDR
  • Alto-falante
  • Fios, jumpers e protoboard
  • Fonte de 9V

Você pode substituir o LDR por outros sensores (ex: de umidade ou temperatura). Pode também variar a frequência alterando resistores e capacitores (mas este circuito não é tão flexível quanto os outros). A ilustração abaixo mostra uma possível implementação com protoboard:

Transistores 5: oscilador sonoro e “theremin”

Se aumentarmos a frequência de oscilação os LEDs piscarão mais rápido até um ponto onde não será mais possível perceber a variação. Mas em frequências mais altas poderá ser possível ouvir o resultado.

No experimento a seguir fazemos uma adaptação do circuito anterior. A estrutura básica é a mesma, mas foram alterados valores dos capacitores e resistores para que a oscilação ocorra em uma frequência maior e audível.

Experimento 15 – Oscilador sonoro ou sirene

Usando resistores de 100k e capacitores de 10nF, o circuito oscilará em uma frequência próxima de 1500 ciclos por segundo. Nessa frequência, não será possível ver os LEDs piscarem, mas podemos ouvir a oscilação. Para isto, acrescentamos um estágio amplificador na saída de um dos transistores, ligado a um alto-falante.

Material necessário:

  • Alto-falante de 8 Ω
  • 2 resistores de 100k Ω
  • 2 resistores de 680 Ω
  • 1 resistor de 47k Ω
  • 1 resistor de 33k Ω
  • 1 resistor de 47 Ω
  • 2 capacitores de 10nF
  • 1 capacitor eletrolítico de 10 µF
  • 3 transistores BC 549 ou equivalente
  • Protoboard, fios e jumpers

O circuito está ilustrado abaixo. O módulo amplificador é um circuito separado, que recebe o sinal do oscilador através do capacitor de 10µF, e o amplifica, ativando o alto-falante. O resultado, ao ligar o circuito, deve ser um apito agudo.

A ilustração abaixo mostra uma possível implementação do circuito usando o protoboard.

Alteração 15.1 – Um “theremin” sensível a luz

Um theremin é um sintetizador de som que produz tonalidades e timbres diferentes a partir de interferência de sensores externos, geralmente magnéticos. Podemos criar um theremin simples para variar a frequência com a luz incluindo um LDR no oscilador sonoro.

Material adicional:

  • 1 LDR (sensor resistivo de luz)

Escolha um dos lados do circuito e coloque um LDR em série com um resistor de 100k. Isto vai aumentar a resistência e consequentemente o tempo de descarga de um dos capacitores, diminuindo a frequência e fazendo o som ficar mais grave. Mas quando houver luz no LDR, a sua resistência irá cair fazendo com que a frequência fique próxima à do circuito anterior, e o som mais agudo.

Transistores 4: osciladores

Um oscilador é um circuito que automaticamente alterna seu estado. É possível usar transistores para construir um oscilador realimentando a sua entrada com o sinal produzido na saída. Osciladores permitem gerar sinais de corrente alternada, produzindo ondas em vários formatos, permitindo a construção de sirenes e pisca-piscas. Também são usados em circuitos transmissores e receptores de sinais de rádio e muitas outras aplicações.

Existem várias formas de construir um oscilador. Todos envolvem realimentação de sinais, e não são muito simples de entender, mas são circuitos fundamentais na eletrônica, produzem resultados interessantes e portanto vale a pena construir alguns.

Experimento 14 – Pisca-pisca alternado com LEDs

Usando capacitores e podemos acionar automaticamente a corrente na base dos transistores a partir da carga do capacitor. Combinando dois circuitos desse tipo fazemos um circuito oscilador que é chamado de gangorra, ou “multivibrador astável”. É formado por dois circuitos amplificadores simétricos. A entrada (base) de um é realimentada pela saída (coletor) do outro.

Neste experimento usaremos uma combinação de capacitores e resistores para produzir uma frequência que permite que os LEDs pisquem de forma alternada.

Material necessário:

  • Bateria de 9V, fonte de 9V (ou de 12V)
  • 2 resistores de 220 Ω (use 330 Ω, se fonte for de 12V)
  • 2 LEDs
  • 2 resistores de 330k Ω
  • 2 capacitores eletrolíticos de 3,3 µF
  • 2 transistores NPN de propósito geral (BC 549 ou equivalente)
  • Protoboard, fios e jumpers

Monte o circuito abaixo prestando atenção nas conexões:

A ilustração abaixo mostra uma montagem possível que pode ser feita no protoboard:

Você pode variar os valores dos resistores da base (não use menos que 1k Ω) e dos capacitores para obter tempos e carga e descarga diferentes.

Não se limite ao protoboard! Tente montar o circuito usando o esquema. A fotografia ao lado mostra o mesmo circuito oscilador explorado neste experimento construído usando fita de cobre sobre uma folha de papel.

O tempo que cada LED fica aceso pode ser calculado usando a fórmula

0,7 x R x C

Onde R e C são o resistor e o capacitor ligados a base do transistor. No nosso exemplo os tempos são iguais, com resistor de 330k e capacitor de 3,3uF, então cada pulso dura:

0,7 x 330000 x 0,0000033 = 0,8s

Veja também as calculadoras online para esse tipo de circuito no final da apostila.

Alteração 14.1 – Acoplador ótico

Experimente posicionar a saída de um dos LEDs diretamente na lente do fototransistor do circuito do experimento anterior, como mostrado na fotografia abaixo.

Isto vai acionar o fototransistor sempre que o LED acender, fazendo com que o LED, que é controlado pelo do circuito do fototransistor, apague e acenda no mesmo ritmo que os LEDs do oscilador astável. Os dois circuitos agora estão sincronizados. O LED e o foto-transistor funcionam nesta configuração como um acoplador ótico.

Transistores 3: fototransistor

O fototransistor é um transistor especial cuja base é ativada por luz. Se não houver luz o transistor desliga. Se houver luz diretamente aplicada na lente, ele liga e deixa passar corrente entre E e C. O fototransistor é acionável por luz visível e também por luz infravermelha. Fototransistores são frequentemente usados em controles remotos.

Experimento 13 – Fototransistor que desliga a carga ao ser ativado

Este circuito tem um comportamento similar ao circuito com LDR. É mais simples e mais sensível, mas o foto-transistor requer que a luz seja aplicada diretamente na sua lente.

Material necessário:

  • Fonte de 9V (ou 12V)
  • Fototransistor TIL 78 (tem a mesma embalagem que um LED – veja referência no final desta apostila para detalhes).
  • Resistor de 1k Ω
  • LED
  • Protoboard, fios/jumpers

A embalagem do fototransistor é transparente e igual à de um LED. A perna mais longa é o emissor (E) e a mais curta é o coletor (C). No circuito abaixo o emissor (perna mais longa) deve ser conectada ao negativo e ao catodo (perna mais curta) do LED.

Quando o transistor liga, ele faz um curto-circuito nos terminais do LED, apagando-o. Se não houver luz no fototransistor, ele se comporta como um circuito aberto, e toda a corrente irá fluir pelo LED. Para apagar o LED, aplique luz diretamente sobre a lente do fototransistor (ex: use um outro LED ou uma lanterna de celular). Teste também apontando um LED infravermelho (não foi incluído no kit) que emite luz invisível.

O LED pode ser substituído por outro circuito, que será desligado quando o fototransistor receber luz. Neste circuito, você pode também substituir o LED por uma cigarra (buzzer).

Como você alteraria este circuito para que ele tenha o comportamento inverso, e acenda o LED (ou acione a cigarra) somente quando houver luz?

Transistores 2: chaveamento eletrônico

O ganho alto do transistor significa que pequenas variações da corrente na base causam grande variação na corrente entre o coletor e emissor. Portanto, usando um divisor de tensão na base, podemos controlar a direção da corrente que irá fluir na base variando os valores dos resistores. Uma corrente negativa aplicada à base de um transistor NPN causa o seu desligamento (funciona como uma chave aberta). Já uma corrente positiva de determinado valor permite a passagem de corrente, e um pouco mais já levam o transistor à saturação, fazendo-o comportar-se como uma chave fechada, deixando passar a corrente máxima entre coletor e emissor.

O experimento abaixo mostra esse comportamento usando um resistor variável (sensível à luz) que muda a direção da corrente na base ligando e desligando o transistor com a variação da luminosidade.

Experimento 12 – Luz de emergência com transistor

Este circuito fará um LED acender quando o ambiente estiver escuro, e apagar quando estiver claro.

Material necessário:

  • Bateria ou fonte de 9V (ou fonte de 12V)
  • LED
  • Transistor NPN de propósito geral (BC549 ou equivalente)
  • Resistor de 220 Ω (ou 330 Ω, se a fonte for de 12V)
  • Resistor de 47k Ω, 100k Ω ou potenciômetro de 100k Ω + resistor de 10k Ω (valor vai depender da sensibilidade do LDR e luminosidade da sala)
  • LDR de 7mm (pode-se usar o de 5mm, mas será preciso ajustar a sensibilidade)
  • Protoboard, fios e jumpers

Pode ser necessário ajustar o resistor R1, dependendo da sensibilidade do LDR e da luz do ambiente. Com a mesma quantidade de luz, o LDR de 7mm terá uma resistência maior que o de 5mm, então se for usado o de 5mm, pode ser necessário uma resistência maior (ex: 100k Ω) para que o circuito funcione igual. No desenho do protoboard está sendo usado um resistor de 100k Ω:

Uma outra alternativa é substituir R1 por um resistor de 10k Ω em série com um potenciômetro de 100k, para permitir o ajuste fino dependendo das condições de luz do ambiente.

Transistores 1: introdução

Transistores são os componentes eletrônicos de estado sólido responsáveis pela revolução eletrônica no século 20. Eles substituíram as válvulas (tríodos) que antes eram usadas em rádios e TVs para amplificar sinais, e permitiram a miniaturização que possibilitaram as viagens espaciais e computadores.

O transistor foi inventado em 1948 por John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley, que receberam o prêmio Nobel de física em 1956 pelo invento.

Assim como os diodos e LEDs, transistores são feitos de junções de materiais semicondutores. Os primeiros transistores eram feitos de ligas de germânio (Ge). Os transistores modernos são feitos principalmente de Silício (Si), que é um dos minerais mais abundantes na natureza. Os modelos mais populares consistem de duas junções de três ligas de Silício, que tem suas propriedades físico-químicas alteradas através da adição de impurezas (outros semicondutores).

Hoje existem vários diferentes tipos de transistores. Os modelos mais antigos ainda são usados e são geralmente comercializados em embalagens plásticas ou metálicas de três terminais. Chegam a custar em torno de 10 centavos. Mas nos equipamentos eletrônicos modernos, como smartphones e computadores, transistores existem aos bilhões dentro dos chips ou circuitos integrados. Consomem pouquíssima corrente e são minúsculos (da ordem de milésimos de milímetro).

Utilizaremos nestes experimentos os transistores bipolares de junção do tipo NPN. Eles são antigos, mas são baratos, fáceis de encontrar e mais robustos que os transistores de efeito de campo (MOSFETs), mais modernos e que consomem muito pouca energia. Mas o kit também inclui MOSFETS, usados em alguns experimentos com Arduino, e transistores bipolares de junção PNP (que têm polaridade inversa).

Transistores bipolares têm três terminais que se chamam base (B), emissor (E) e coletor (C). A base de um transistor bipolar funciona como uma torneira que controla o fluxo de corrente do coletor para o emissor, que geralmente é bem maior (100 vezes ou mais) que a corrente na base. Esse fator de amplificação é chamado de ganho do transistor (também chamada de beta – β ou hFE).

Existem duas formas básicas de usar um transistor. Como amplificador ou como chave.

Como amplificador ele é configurado para operar em uma faixa que amplia a corrente na base de maneira mais ou menos linear. Se usarmos a analogia da torneira, operando como amplificador ela nunca seria totalmente fechada ou aberta, mas operaria apenas controlando a intensidade do fluxo.

Como chave, o transistor trabalha em estados extremos, totalmente ligado (em saturação) ou desligado (em corte). A torneira ou está completamente aberta (corrente na base suficiente para saturar o transistor) ou completamente fechada (nenhuma corrente ou corrente negativa na base). Em resumo, o transistor se comporta exatamente como uma chave entre seus terminais C e E, que é aberta ou fechada pela corrente aplicada no terminal B. Quando o transistor está desligado (sem corrente na base), a tensão entre C e E é máxima, e a corrente é zero. Quando ele está saturado a tensão entre C e E é zero e a corrente entre C e E é máxima.

Além do uso como amplificador e chave, transistores também podem ser usados para construir osciladores (geradores de ondas e pulsos) amplificando ciclos de carga e descarga de circuitos RC (resistor-capacitor) e realimentando-o na sua entrada.

Transistores bipolares de junção NPN

O funcionamento que descrevemos acima para o transistor refere-se a transistores bipolares de junção NPN, que é apenas um dos tipos de transistores usados, mas é o único que iremos explorar nesta seção., O símbolo desse tipo de transistor está ilustrado abaixo. É preciso identificar os terminais na embalagem plástica do componente. Veja na referência no final desta apostila. Ela varia de acordo com o modelo (há muitos) e o fabricante.

B = base (controle, baixa corrente + ou -), C = coletor (+), E = emissor (-)

Experimento 11 – Transistores: circuito básico

Para demonstrar o funcionamento básico do transistor, monte o circuito abaixo.

Material necessário:

  • 1 transistor BC 549 (ou equivalente)
  • 1 resistor de 220 Ω (ou 330 Ω, se a fonte for de 12 V)
  • 1 LED
  • Protoboard
  • Fios e jumpers
  • Fonte de 9V (ou 12V)

Esta é a pinagem do transistor BC549:

Você fará a ligação da base com o terminal positivo segurando nas duas pontas dos fios. Como a sua resistência é muito alta, a corrente que irá fluir pela base será baixíssima.

Verifique todas as conexões e ligue a fonte de 9V por último. Os terminais separados não devem tocar em hipótese alguma. Mantenha-os separados no protoboard.

Ao fechar o circuito, uma pequena corrente (da ordem de microampères) irá circular pela base, abrindo (bastante) a “torneira” do transistor e permitindo a passagem de uma grande corrente entre C e E, suficiente para acender o LED. Não seria possível acender o LED com a corrente que passa na base apenas.

Na verdade, o circuito é tão sensível que o LED poderá acender até mesmo antes que você toque nos fios. Isto é considerado um ruído ou interferência. Normalmente usamos circuitos com um divisor de tensão na base (resistor de “pull-up” ou “pull-down”), para que se tenha maior controle sobre a corrente da base evitando interferências. Quando usamos o transistor como chave, entradas e saídas são representadas como um “nível lógico”, ou seja, ligado ou desligado. Valores intermediários e indefinidos são considerados ruído.

Se houver interferência, experimente conectar um resistor de 10M ou mais ligando a base ao negativo (isto é um “pull-down”). Isto garante um nível lógico definido na entrada (ou negativo, quando o circuito estiver aberto, já que a resistência do ar é superior ao do resistor, ou positivo, se uma resistência menor estiver ligando os fios.) Com o resistor de “pull-down”, o LED acenderá quando a resistência que liga a base ao positivo for maior que a resistência que a liga ao negativo.