Conheça o 4017 (ART062)

Este artigo não é novo, mas sua atualidade se manterá por muito tempo, o que jusitifica o fato dele ser um dos mais acessados desse site. De fato, o circuito integrado 4017 é um dos mais importantes da família CMOS pela quantidade de aplicações que ele encontra. Neste artigo analisamos de forma detalhada seu princípio de funcioamento e mostramos como usá´-lo de diversas formas. Um importante artigo que serve como aula, material de consulta ou mesmo apostila para cursos técnicos e de iniciação tecnológica. Enfim, um artigo que todo praticante da eletrônica deve ter.

Introdução
Um dos componentes mais usados em projetos de todos os tipos é o circuito integrado 4017. Este circuito integrado CMOS pode ser usado como seqüenciador, temporizador, e em sistemas de automação de pequeno porte além da codificação em controle remoto. Dada a quantidade de pedidos de leitores que desejam saber tudo sobre este componente, preparamos este interessante artigo que procura desvendar os principais segredos do 4017. Para obter a folha de dados (datasheet) do 4017 clique aqui.

Não é limite para o que pode ser feito com o circuito integrado 4017. Podemos fazê-lo contar até qualquer número entre 2 e 9 e cascateando diversos deles podemos ir além. Podemos usá-lo em temporização, codificação, para gerar formas de ondas, efeitos de luz e som e muito mais. Tudo isso justifica a freqüência com que o leitor encontra projetos que se baseiam neste circuito integrado. Usar o circuito 4017 é simples, e uma vez que o leitor domine esta técnica, poderá fazer seus próprios projetos usando este componente. Assim, nas linhas seguintes vamos mostrar como funciona o 4017 e como podemos usá-lo de diversas maneiras.

O Circuito Integrado 4017
O circuito integrado 4017 pertence a família lógica CMOS em que os componentes podem funcionar com tensões de 3 a 15 Volts e possuem características que permitem sua interligação direta e com outros componentes como o 555. No 4017 encontramos um contador/decodificador Johnson com uma entrada e 10 saídas, conforme mostra o diagrama de blocos da figura 1.

Figura 1 – Diagrama de blocos do circuito integrado 4017. Observe que ele possui uma entrada e dez saídas.

Conforme podemos ver, ele é formado por 5 etapas que podem fazer a divisão de um sinal retangular por valores entre 2 e 9. O 4017 é fornecido em invólucro DIL de 16 pinos com a disposição de terminais mostrada na figura 2.

Figura 2 – Invólucro e pinagem da versão DIL, que é a mais comum para aplicações práticas.

Na operação normal, os pinos 13 e 15 são aterrados e pulsos retangulares são aplicados ao pino de entrada (14). Conforme podemos ver então pelo diagrama de tempos mostrado na figura 3, partindo da condição em que a saída S0 se encontrada no nível alto, e as demais no nível baixo, ocorre o seguinte: a cada pulso aplicado, a saída que está no nível alto passa ao nível baixo e a seguinte passa ao nível alto.

Figura 3 – Diagrama de tempos do 4017. Observe os níveis lógicos das saídas.

O processo ocorre até se chegar à última saída. Com um novo pulso, essa saída vai ao nível baixo e a primeira vai ao nível alto, recomeçando o processo. Podemos ressetar a contagem do 4017 levando por um instante o pino 15 ao nível alto. Uma forma de se fazer com que o 4017 sempre parta do zero, com a primeira saída no nível alto é com um circuito de “reset ao ligar” conforme mostra a figura 4. Este circuito também é denominado POR (Power-On Reset).

Figura 4 – Circuito de “reset ao ligar” ou power-on reset (POR) para o 4017.

Os circuitos integrados 4017 podem ser cascateados de modo a se obter a divisão por 10,100, 1000, etc., conforme mostra a figura 5.

Figura 5 – “Cascateando” circuitos integrados 4017.

Mas, podemos programar o 4017 para fazer contagens menores que até 10. Para isso, basta ligar o pino imediatamente posterior ao número que desejamos contar à entrada de reset, conforme mostra a figura 6.

Figura 6 – Contando até n (n até 10)

Por exemplo, se desejarmos contar até 4, com a ativação de uma saída de 4 em seqüência, basta ligar a quinta saída ao pino de reset. Se desejarmos contar até n (n menor que 10) basta ligar o pino posterior a n no reset (15).

Características elétricas
As características elétricas são dadas pela seguinte tabela:
 

Conforme podemos ver, o tipo de saída usada neste circuito integrado permite que ele tenha a mesma capacidade de drenar ou fornecer correntes a uma carga. Como nas aplicações normais, a corrente máxima que ele pode fornecer é pequena é comum fazermos uso de etapas de potência para excitar cargas de maior consumo.

Na figura 7 temos alguns tipos de etapas que podem ser usadas com o 4017.

Figura 7 – Algumas etapas de potência para excitar cargas de correntes elevadas.

Em (a) temos a excitação no nível alto com um transistor NPN para cargas até 100 mA. Para a excitação no nível baixo, temos o circuito com transistor PNP mostrado em (b). Desejando excitar cargas de maior potência temos em (c) uma versão que faz uso de um transistor Darlington NPN. Esta versão é excitada com a saída no nível alto. Para excitar cargas no nível baixo, temos o uso de um Darlington PNP, conforme mostrado em (d). Em (e) temos a possibilidade de se usar um par complementar de transistores comuns para excitar cargas com altas correntes no nível alto. A configuração equivalente para excitar no nível baixo é mostrada na figura (f). Também podemos excitar SCRs (g) e Power MOSFETs conforme mostrado na mesma figura em (h).
Para excitar a entrada de um 4017 também temos várias possibilidades mostradas na figura 8.

Figura 8 – Gerando pulsos para excitar o circuito integrado 4017. A frequência máxima depende do componente utilizado e deve ser menor do que a máxima admitida pelo 4017.

A primeira faz uso do conhecido circuito integrado 555 que é totalmente compatível com o 4017, conforme podemos observar. A segunda faz uso de um oscilador ou outro circuito de porta com o circuito integrado 4093. Outras funções CMOS podem ser usadas com a mesma finalidade. Ao excitar um 4017, entretanto devemos ter em mente que o sinal deve ser perfeitamente retangular livre de repique (oscilações) que podem falsear a contagem.

Aplicações:
Damos, a seguir, alguns circuitos práticos com base no 4017.

a)Seqüencial de 10 LEDs
Na figura 9 temos um circuito seqüencial que aciona 10 LEDs numa velocidade que pode ser ajustada no potenciômetro P1 e que depende basicamente do capacitor C1.

Figura 9 – Sequencial de 10 LEDs. Podemos usar menos LEDs usando a técnica de contagem até n da figura 6.

O resistor comum ao catodo de todos os LEDs tem por finalidade limitar a corrente no circuito. Para acionamento de cargas de potência podemos interfacear com transistores ou mesmo SCRs, como mostra a figura 10.

Figura 10 – Excitando transistores de média potência ou SCRs.

Observe que no caso dos SCRs eles possuem um terra comum ao circuito de alta e baixa freqüência. Isso é absolutamente necessário ao
disparo. Uma possibilidade a ser considerada para excitar cargas de boa potência com transistores é a utilização de Darlingtons. No caso do TIP121 , que substituiria o BD135 podemos aumentar o resistor de base de 1 k apara 4k7.

b)Seqüencial de 4 LEDs
Para acionamento de 4 LEDs num sistema seqüencial temos o circuito da figura 11.

Figura 11 – Sequencial de 4 LEDs usando a técnica da contagem até n da figura 6.

Também podemos acionar cargas de maior potência com transistores e SCRs como na versão anterior. Uma variação interessante para os dois circuitos consiste em se fazer um “sorteador” de números. Na figura 12 mostramos como habilitar o 555 de modo que ele gere um trem de pulsos e assim, no final do processo, apenas um LED fique aceso.

Figura 12 – Circuito que gera um trem de pulsos aleatório. Ideal para aplicações em jogos.

c)Apagamento Seqüencial
Um outro circuito interessante que pode ser elaborado com base num 4017 é o que faz o apagamento seqüencial de LEDs e que é mostrado na figura 13.

Figura 13 – Circuito de apagamento sequencial, ou um de quatro apagado.

              
d)Caixa de Música
A figura 14 mostra um circuito de uma caixa de música eletrônica em que 10 notas musicais são executadas seqüencialmente pelo 4017 quando o 555 é habilitado.

Figura 14 – Caixa de música de 10 notas. Cada uma ajustada no trimpot correspondente.

A programação das notas é feita nos trimpots junto às saídas do 4017. A nota central vai depender do capacitor do oscilador com dois transistores, o qual pode ser alterado numa ampla faixa de valores.
A velocidade com que as notas são executadas é ajustada no trimpot do 555.

e)Controle Lógico Programável (CLP)
A automação de pequenos dispositivos pode ser realizada com base num 4017 com o circuito da figura 15.

Figura 15 – Um CLP (Controlador Lógico Programável) ou PLC (Programmed Logic Controllet) usando o 4017.

Neste circuito, quando uma saída vai ao nível alto, se houver um diodo ligado nesta saída, na matriz de controle, ele ativa a saída correspondente. Combinando diodos podemos fazer com que as saídas sejam levadas à níveis de acionamento seqüencial diferentes, controlando assim um sistema de automação externo. A seqüência e o que vai ser acionado depende apenas da imaginação do leitor”abrir uma porta, acender uma luz por um tempo um pouco maior, no final do processo tocar uma campainha e depois fechar novamente a porta é um exemplo de aplicação que pode ser feita com a matriz de programação mostrada na figura 16.

Figura 16 – Simulador de presença com 4017.

A duração total do ciclo vai depender apenas do ajuste de P1 no oscilador com o 555 que é responsável pela temporização.

f)Sintetizador de forma de onda
Terminamos nossa série de circuitos práticos com um sintetizador de forma de onda que pode ser usado em instrumentos musicais e em geradores de efeitos. A freqüência do sinal de saída do circuito da figura 17 é a freqüência do oscilador com o 555 dividida por 10.

Figura 17 – Sintetizador de forma de onda.

O filtro RC de saída aplaina o sinal de modo a se obter uma forma de onda suave.

Conclusão
As aplicações que vimos para o 4017 são apenas algumas das milhares que já publicamos e vimos em outras publicações.  Partindo das características desse componente não há limite para que o leitor pode fazer.