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.

Introdução 8 – Piezoeletricidade

A célula piezoelétrica pode ser usada como sensor de impacto e deformação, dentro de um circuito elétrico, ou como para geração de energia elétrica.

Experimente ligar um LED entre os terminais da célula piezoelétrica e bater rapidamente no centro dela. Isto causa uma mini-deformação na cerâmica que gera energia suficiente para acender o LED com um pulso. Células piezoelétricas são usadas como sensores para construir instrumentos musicais sensíveis à velocidade e intensidade do toque. Também são usadas em sapatos para acender LEDs com o impacto, detectar quando alguém bate em uma porta, e até mesmo instalados debaixo do chão em locais de grande movimento para gerar e acumular eletricidade.

Experimento 10 – Gerador piezoelétrico

Este experimento demonstra a carga de um capacitor e o uso de uma célula piezoelétrica que gera energia através de movimento (deformação e impacto).

Material necessário:

  • Célula piezoelétrica (pode ser necessário soldar terminais na placa e sensor; ou prender os fios usando mini-pegadores de roupa – não use garras jacaré pois a célula é frágil)
  • Capacitor de 100 µF
  • 4 diodos de propósito geral (1N4148 ou equivalente)
  • Protoboard, fios e jumpers
  • Voltímetro

A célula piezoelétrica gera energia alternada: produz corrente em um sentido quando contrai e no sentido inverso quando expande. Como o LED é polarizado, ele só acende em um desses pulsos. A ponte com quatro diodos inverte os pulsos negativos permitindo aproveitar todo o ciclo (o LED acende duas vezes mais). O capacitor acumula carga, permitindo que o LED fique aceso sem pulsar, (mas no início ele vai demorar para acumular tensão suficiente para acender o LED). Esse tipo de circuito é chamado de retificador, e é usado também em fontes que são ligadas em tensão alternada para gerar tensão contínua (como a fonte de 9V usada nos experimentos).

O capacitor é opcional. Sem usar um capacitor, o LED brilha imediatamente, a cada impulso de compressão ou expansão gerado pela deformação do sensor (batendo no sensor com o dedo, por exemplo, ou apertando-o).

Usando um capacitor, é preciso primeiro acumular carga suficiente para que haja tensão suficiente para acender o LED. Pode ser necessário espremer muitas vezes o sensor para que o capacitor atinja a tensão mínima para acender o LED. Quanto maior o capacitor, mais tempo levará para acumular a carga (e para descarregar depois). Cada impulso gera um pouco de carga. Assim que o LED acumular a carga mínima ele irá acender, mas também irá descarregar o capacitor mais rapidamente.

Tire o LED do circuito e coloque um voltímetro entre os terminais do capacitor, na posição de 20V. A cada impulso você verá que alguns milivolts se acumularem no capacitor. Quando houver aproximadamente 2 volts, coloque um LED vermelho que ele acenderá por alguns segundos. Você também pode deixar o LED no circuito enquanto acumula carga. Enquanto não houver tensão direta suficiente para acendê-lo, o consumo de corrente será baixo, e a carga subirá mais rapidamente.

Um LED rosa acenderá quando a tensão chegar a 2,5V aproximadamente. Na foto abaixo a luz começa a aparecer com 2,38V:

Depois de aceso, o LED rapidamente consome a corrente, diminuindo a tensão no capacitor, mas não totalmente. Mais alguns toques e ela sobe de novo. Portanto, se a fonte de pulsos for contínua (ex: se os sensores estiverem instalados em um sapato e a pessoa estiver andando, saltando ou dançando), o capacitor manterá uma luz constante no LED. Você pode usar um resistor em série com o LED, que irá atrasar um pouco a descarga, mas também irá fazer com que ele demore mais a acender.

Se você usar várias células fotoelétricas retificadas em paralelo, o capacitor carregará mais rápido, e o LED brilhará mais forte. Uma possível aplicação é instalar duas ou mais células piezoelétricas em sapatos para iluminar roupas e acessórios usados para correr ou dançar. O impacto no chão gera energia, que se acumula, e pode ser usado para acender LEDs distribuídos pelas roupas.

Você também pode preferir usar o circuito sem o capacitor, que acende o LED mais rapidamente e gera pulsos curtos (mas intensos) de energia apenas na hora do impacto.

Este link contém a demonstração de um sapato gerando energia piezoelétrica para acender LEDs: https://www.youtube.com/watch?v=lDBhMCFZfv0

Introdução 7 – Capacitores

Capacitores são componentes que acumulam carga elétrica. Em circuitos onde flui corrente contínua, um capacitor age como um circuito aberto, impedindo a passagem de corrente, mas durante transições (ex: quando o circuito é ligado ou desligado) ou quando flui corrente alternada, o capacitor age como um condutor, deixando passar a corrente.

Em um esquema, um capacitor é representado por duas placas separadas. Alguns capacitores têm polaridade e precisam ser usados no circuito respeitando essa polaridade (o + ligado ao positivo e o – ligado ao negativo).

Os símbolos abaixo são usados para capacitores:

A capacidade de carga de um capacitor é medida em farads, em homenagem ao cientista inglês Michael Faraday. Em geral usamos bilionésimos ou milionésimos de farad em nossos circuitos, às vezes ainda menos que isto. Portanto os capacitores que usaremos são representados em microfarads (µF) (1/1000000), nanofarads (nF) (1/109) e picofarads (pF) (1/1012).

Os capacitores eletrolíticos são polarizados, e têm valores maiores. A identificação deles é impressa na embalagem. Já os capacitores de menor valor, cerâmicos e de poliéster, têm um código para representar o valor baseado em pF. O código é semelhante ao dos resistores, mas sem as cores. São três dígitos. Os dois primeiros representam dígitos do valor, e o terceiro o número de zeros. Por exemplo:

  • 103 = 1, 0, 000 = 10000pF = 10kpF = 10nF
  • 474 = 4, 7, 0000 = 470000pF = 470kpF = 470nF
  • 225 = 2, 2, 00000 = 2200000pF = 2200kpF = 2200nF = 2,2 µF

Um capacitor acumula carga assim que recebe um pulso de corrente elétrica. Se um capacitor está ligado diretamente a uma fonte de tensão contínua, ele recebe sua carga quase instantaneamente, assim que a bateria for ligada no capacitor. A descarga, curto-circuitando os terminais do capacitor também é praticamente imediata.

Para limitar o tempo de carga ou descarga de um capacitor, usa-se um resistor. O valor do resistor multiplicado pelo valor da capacitância corresponde ao tempo em segundos que leva para um capacitor totalmente descarregado atingir 63% de sua carga. Cinco vezes esse tempo corresponde à carga total do capacitor.

Portanto, a constante de tempo para um circuito formado por um resistor R e um capacitor C é

t = RC

E o tempo de carga é:

5 x RC

Por exemplo, para um capacitor de 100 µF (0,0001 F) em série com um resistor de 10k ohms tem uma constante de tempo de:

t = 0,001 x 10000 = 1 segundo

E o capacitor levará

5 x 1 = 5 segundos

para carregar (ou descarregar) completamente.

Experimento – Carga e descarga de capacitores

Este experimento demonstra o efeito da carga e descarga em um capacitor.

Material necessário:

  • 1 capacitor eletrolítico de 100µF
  • Capacitores eletrolíticos de 1000µF, 470µF, 47µF e 10µF
  • 2 resistores de 10k Ω (marrom – preto – laranja)
  • Resistores de 1k (marrom – preto – vermelho) e 100k Ω (marrom – preto – amarelo)
  • Voltímetro
  • Bateria ou fonte de 9V
  • Duas chaves tácteis (botões de pressão)
  • Protoboard, jumpers e fios, garras jacaré

Monte o circuito abaixo.

Antes de iniciar, meça a tensão da bateria, para saber o valor máximo de tensão que poderá ser carregado pelo capacitor. Depois prenda o multímetro nos terminais do capacitor com garras jacaré, tendo o cuidado para não deixar que encostem uma na outra.

Apertando o botão B1 o circuito é fechado e a bateria começa a carregar através do resistor R1. Segure o botão por uns 5 segundos ou até que o multímetro indique a tensão da bateria. Agora solte o botão e perceba que a carga diminui muito lentamente (ela está vazando pelo voltímetro, que tem uma resistência muito alta).

Agora aperte o botão B2, que descarrega o capacitor através do resistor R2. Como os resistores são iguais, o tempo de carga e descarga é semelhante ao da carga. Experimente trocá-los por valores diferentes. Troque também o capacitor de 100µF por capacitores maiores (470 e 1000 µF) e menores (47 e 10µF), e observe o resultado.

Para carregar ou descarregar rapidamente conecte a chave correspondente diretamente ao positivo ou negativo (sem passar pelo resistor), ou use resistores de valores baixos (100 Ω).

Alteração – Usando a carga do capacitor para acender um LED

Material adicional:

  • Um LED de qualquer cor
  • Resistor de 470 Ω (amarelo – violeta – marrom)
  • Capacitor de 2200 µF

Experimente ligar um LED em paralelo com o capacitor de 1000µF e veja como ele se comporta durante os estágios de carga e descarga (lembre-se que o LED não pode ser ligado diretamente; ele sempre precisa ter um resistor em série para limitar a corrente.)

Veja uma possível solução no circuito abaixo:

Nesta configuração, o botão B2 quando apertado descarrega o capacitor imediatamente através do fio. Mas ele também irá descarregar um pouco mais lentamente através do LED e resistor de 470 Ω. Se você usar um resistor maior para limitar a corrente do LED (1k Ω) ele brilhará menos, mas ele também permanecerá aceso por mais tempo já que a resistência maior irá retardar a descarga do capacitor.

Experimente trocar o capacitor de 1000µF por um capacitor de 2200µF e troque o resistor R1 por uma ligação direta (para que a carga do capacitor seja imediata). Experimente colocar os dois capacitores de 1000µF e 2200µF em paralelo. O que acontece?

Carregue o capacitor totalmente, depois desligue a bateria do circuito. Por quanto tempo o LED ainda permanece aceso?

Capacitores são bastante usados em circuitos eletrônicos, para acumular tensão, gerar pulsos, configurar temporizadores, retificar corrente alternada, proteger circuitos de sobretensão, isolar sinais, etc.

Simuladores e calculadoras

Esta animação simula a carga e descarga de capacitores. Você pode alterar os valores dos resistores e capacitores e observar o resultado na saída:

http://www.falstad.com/circuit/e-cap.html

Esta calculadora online permite estimar o tempo de carga e descarga de um capacitor:

https://www.digikey.com/en/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-time-constant

Introdução 6 – Potenciômetros e sensores resistivos

Nesta seção apresentaremos alguns componentes que possuem resistência que varia. A variação pode ser controlada manualmente (potenciômetros) ou devido à influência externa, de luz, calor, ou outros fatores (sensores resistivos: O LDR – Light Dependent Resistor, que varia com a luz, e o termistor, que varia com a temperatura.)

Potenciômetros

Potenciômetros são resistores variáveis. Têm três terminais. A resistência entre os dois terminais mais distantes é fixa, mas o terminal do meio desliza sobre a resistência interna, permitindo obter um valor variável entre cada terminal.

Um potenciômetro pode ser usado como um divisor de tensão variável. Se apenas o terminal do meio e um dos laterais for usado, o potenciômetro se comporta como um resistor variável. Pode ser utilizado para controlar volume, fazer dimmers, etc.

Símbolo de um potenciômetro:

Potenciômetros identificados com a letra B são lineares, ou seja, variam linearmente (em um potenciômetro de 100k, 20% é 20k, 40% é 40k). Existem também potenciômetros que variam de forma exponencial, que são identificados com a letra A (em um potenciômetro de 100k, um giro de 50% corresponde a 20k).

Usaremos potenciômetros no experimento a seguir para variar a corrente que passa em um LED, alterando o seu brilho.

Experimento 8 – Variando as cores de um LED RGB

O objetivo é acender um LED RGB (são três LEDs em uma única embalagem). Este experimento também pode ser feito com três LEDs separados.

Material:

  • 1 LED RGB de anodo comum (veja detalhes na referência no final da apostila)
  • Fonte de 9 (ou 12 V)
  • 2 resistores de 330 ohms e 1 resistor de 470 Ω (para fonte de 9V), ou 2 resistores de 470 Ω, e 1 resistor de 560 Ω (para fonte de 12V)
  • Três potenciômetros de 100k Ω (no kit não há três iguais – use um de 100k para o LED vermelho, 50k para o LED verde e 20k para o LED azul)
  • Protoboard
  • Fios ou jumpers

Monte o esquema abaixo:

O resistor em série com o potenciômetro é importante, pois quando o potenciômetro estiver no valor mínimo de resistência (zero ohms), deve ainda haver uma resistência limitando a corrente no LED.

A ilustração a seguir contém uma possível montagem do circuito em um protoboard.

LDR – sensor de luz

No kit há dois LDRs. Um de 7mm e outro de 5mm. O de 7mm é um pouco mais sensível. Estes LDRs apresentam baixa resistência em ambientes iluminados (tipicamente 50 a 100 ohms em uma sala iluminada, ou menos de 50 ohms em luz do sol direta), e alta resistência em ambientes escuros (tipicamente 100-500k em uma sombra, a 1M ohm em uma sala escura).

O LDR pode ser usado como um resistor variável usando os dois terminais, ou como um divisor de tensão, escolhendo um resistor fixo para ligar no positivo ou negativo (ilustrado acima).

Além do LDR, existem outros componentes no kit que reagem a luz. O foto-transistor TIL-78 tem a mesma embalagem que um LED translúcido, e reage à luz visível ou infravermelha aplicada diretamente à sua lente. Ele não altera a resistência, mas se comporta como uma chave liga-desliga. A célula fotovoltaica de silício gera até 0,5V de tensão quando recebe luz direta do sol.

Você pode substituir os potenciômetros usados no experimento anterior por LDRs, e perceber variação nos LEDs devido à luz ambiente.

Termistor – sensor de temperatura

O termistor incluído no kit reduz sua resistência com o aumento da temperatura. Ele apresenta uma resistência de 10k ohms em temperatura ambiente (25 graus Célsius). Veja na referência no final desta apostila para uma estimativa da resistência em várias outras temperaturas.

O termistor pode ser configurado da mesma forma que o LDR, como resistor variável, ou em um circuito divisor de tensão. Ele é mais eficiente para medir temperaturas elevadas. Com 100 graus ele tem aproximadamente 500 ohms de resistência. Pode ser usado para acionar circuitos que disparam uma ação quando a temperatura atinge um certo nível (ex: controlar a fervura de água).

Além do termistor, existe um outro componente incluído no kit que mede temperatura com mais precisão: o circuito integrado LM35. Ele tem três terminais e não varia resistência com a temperatura, mas a tensão entre os terminais. Ele será usado em experimentos mais adiante.