Como converter tensões em frequências? Este tipo de problema pode aparecer em inúmeros tipos de projetos que envolvem a utilização de circuitos digitais, na medida de grandezas como tensões, correntes, temperaturas, intensidade de luz ou som etc. As variações de tensões produzidas por transdutores apropriados podem ser usadas para excitar circuitos lógicos digitais. O circuito que propomos pode ser de grande utilidade aos leitores.
A ideia básica deste artigo é levar aos leitores interessados na conversão de tensões em frequências, um projeto que possa ser de utilidade prática, operando na faixa de 3 a 30 kHz e com tensões de entrada na faixa de 0 a 10 V.
Conforme ilustra a figura 1, as variações de uma tensão de entrada serão convertidas em frequências de uma forma quase que linear.
A forma de onda obtida na saída do circuito é descrita como pulsos de boa intensidade que podem servir para excitar etapas lógicas de diversos tipos, como por exemplo circuitos integrados TTL ou CMOS.
A alimentação do circuito ficará entre 6 e 15 V com pequenas variações na faixa de frequências.
O princípio de funcionamento
Para entender como funciona o nosso conversor, partamos do oscilador de relaxação básico usando transistor unijunção, que é mostrado na figura 2.
Este circuito funciona da seguinte maneira:
Partindo da condição inicial em que o circuito se encontra desligado, entre as bases do transistor unijunção (B1 e B2) manifesta-se uma resistência ôhmica pura da ordem de 10 k ohms (varia tipicamente entre 5 k ohms e 12 ohms para o 2N2646).
A resistência manifestada entre o emissor e a base BI nestas condições de não condução é praticamente infinita.
Quando a alimentação do circuito é estabelecida, o capacitor C começa a carregar-se através do resistor R, até o instante em que no emissor manifesta-se uma tensão de 0,6 a 0,7 V maior do que a tensão existente no ponto da junção, da ordem de 0,4 a 0,7 vezes a tensão de alimentação (Vcc), conforme mostra a figura 3.
Neste momento, o transistor comuta e a resistência praticamente infinita entre o emissor e a base B1 se reduz a um valor muito baixo, da ordem de algumas dezenas de ohms,
Por esta baixa resistência o capacitor pode descarregar-se quase que totalmente, quando então o transistor volta à sua situação inicial de "desligado".
Um pulso de duração que depende da constante de tempo de descarga do capacitor pela resistência de emissor/base 1 é produzido, e um novo ciclo de funcionamento se inicia.
Temos então duas formas de onda disponíveis neste circuito, as quais são mostradas na figura 4.
A frequência de operação deste tipo de oscilador praticamente independe da tensão de alimentação e pode ser dada pela fórmula:
f = 1/R .C
Se tomarmos C fixo, 1/C = k (constante) e colocarmos a frequência como função de R, teremos:
f = f (R)
f = 1/R k
A frequência de operação está na razão inversa da resistência do circuito de tempo.
O circuito conversor
Partindo desta condição, percebemos que, se pudermos fazer a resistência R variar em função da tensão de entrada, teremos chegado a um conversor analógico-digital.
O circuito proposto é então mostrado na figura 5.
O transistor unijunção é do tipo 2N2646 e para Q1 usamos um PNP de uso geral de bom ganho, como o BC558, ou equivalente.
A configuração obtida é denominada "conversor analógico-digital de tensão tipo série" por motivos facilmente perceptíveis pelo diagrama.
O transistor PNP funciona neste caso como um resistor variável, um resistor cujo valor dependerá da tensão que polariza sua base.
Na condição de ausência de polarização de base, a resistência entre o coletor e o emissor do transistor é praticamente infinita (dependendo apenas de eventuais fugas), o que significa que não haveria a produção de sinal, em condições normais, se este componente estivesse sozinho no circuito, pois não haveria carga de C1. Para evitar este limite inferior nulo de frequência é que existe o resistor R 5.
Fixando em f0 o limite inferior da frequência do conversor, e sendo C o capacitor de tempo, podemos calcular R 5 pela seguinte fórmula aproximada:
f0 = 1/ (R5 . C)
R5 = 1 (C . f0)
onde: R5 em ohms
C em farads
f0 em hertz
Na condição de polarização de base, em que o transistor conduz plenamente, podemos considerar a resistência entre seu coletor e o emissor praticamente nula. Nestas condições, temos a resistência mínima que é dada por R 1 e que nos leva à frequência máxima (f1).
Fixando C novamente, podemos calcular R1 em função de f1:
f1 = 1/(R1 . C)
R1 = 1/(C. f1)
Com os valores dados no circuito prático, a frequência ficará entre 15 Hz, aproximadamente, e 3,6 kHz.
Lembramos que o capacitor Cl pode ter valores na faixa de 0,01 µF até 10 µF, o que permite modificar facilmente os limites sugeridos no circuito.
Mas, ainda temos um componente importante a ser analisado neste projeto. O resistor R 4 deve ser dimensionado de acordo com a variação da tensão de entrada. Ele dependerá do ganho do transistor, sendo escolhido de tal maneira que leve o transistor à plena condução com a máxima tensão de entrada.
Para uma tensão de até 10 V ele terá seu valor em torno de 220 k ohms, e para tensões até 50 V seu valor estará em torno de 1 M ohm.
Na figura 6 mostramos a maneira de se acrescentar um controle de sensibilidade a este circuito de modo a ajustar a variação de frequência de acordo com a faixa de tensões de entrada.
É usado um resistor e um potenciômetro de 10 k ohms linear.
Montagem
Uma pequena placa de circuito impresso pode ser usada como base para este projeto, sendo a mesma dada na figura 7.
Observe a posição dos transistores e a polaridade de Cl se for usado um eletrolítico. Todos os resistores são de 1/8 ou 1/4 W com 10% de tolerância.
