A diferença entre essa fonte e a maioria das outras reside basicamente no circuito digital que a faz funcionar. Não existem chaves ou potenciômetros, basta um leve toque dos dedos do operador para ligar, desligar ou selecionar a tensão de trabalho mais adequada, entre O e 15V. O valor selecionado é automaticamente mostrado em um display de leds.
Nota: Artigo publicado na Revista Saber Eletrônica 193 de 1988.
O circuito aqui sugerido é interessante sob dois aspectos: é um exemplo prático das técnicas digitais e, ao mesmo tempo, uma fonte de razoável precisão, baixo ruído e capacidade de corrente de 1,5A para qualquer tensão de saída. Tudo isso a um custo não muito alto, acessível a todos que se propuserem a realizar a montagem do circuito.
A ideia básica do sistema é simples, como você pode observar pelo diagrama de blocos da figura 1. São usados dois circuitos osciladores habilitados pelo toque dos dedos do operador. O primeiro dos osciladores (oscilador A) gera pulsos de clock que servem para incrementar dois conjuntos de contadores, e o segundo oscilador (oscilador B) produz pulsos de clock que são levados a estes mesmos conjuntos de contadores, só que desta vez com a função de decrementá-los.
O conjunto A é formado por dois contadores do tipo BCD (binário codificado em decimal) e, através de dois decodificadores, para 7 segmentos, controla um display de leds de tal maneira que este display sempre estará indicando um valor decimal entre 0 e 15: exatamente o valor de tensão que será encontrado na saída da fonte naquele momento.
Já o conjunto B é formado por um único contador, só que desta vez do tipo binário puro. O valor binário na saída deste contador é que irá gerar a tensão na saída da fonte.
Observe pelo mesmo diagrama de blocos que os sinais na saída do contador são aplicados às entradas de seleção de um multiplexador analógico que, por sua vez, seleciona um dos 16 valores de tensão existentes na saída de uma rede de resistores, com a função de divisores de tensão. Este valor de tensão será então levado a um circuito do tipo amplificador operacional, que controla a tensão na saída da fonte.
O funcionamento desse processo todo deverá ficar mais claro após a interpretação de cada um dos blocos do circuito, bem como dos elementos que permitiram a realização de cada bloco.
OS OSCILADORES
Para os osciladores usamos as portas NOR do integrado CMOS 4001. Na figura 2 temos a pinagem do integrado e a configuração básica dos osciladores.
Devido às elevadíssimas impedâncias de entrada dos gates usados, que são do tipo CMOS, é possível fazer com que a habilitação do flip-flop se dê pelo simples toque de um dedo sobre um sensor ligado à sua entrada. O sensor no caso pode ser até um simples pedaço de fio com uma das extremidades ligada ao gate CMOS e a outra ponta desconectada à espera dos dedos do operador.
Para isso basta que seja ligado um resistor de valor muito alto entre o pino de habilitação e o positivo da alimentação. Nessa situação o circuito estará desabilitado, mas bastará um leve encostar dos dedos para habilitá-lo, iniciando a produção dos pulsos de clock. Isso ocorre porque a pessoa que coloca o dedo no sensor funciona como uma "antena", que capta o zumbido de 60Hz presente em qualquer local onde exista fiação elétrica.
OS CONTADORES
São usados dois tipos de contadores. O primeiro tipo é o que apresenta o valor da contagem em BCD. Esse tipo é representado pelo Cl 40192, que é um contador CMOS de década, conta para cima e para baixo (up/down) e é resetável.
O outro tipo de contador é o que apresenta a contagem em binário puro. Para este caso foi adotado o Cl 40193, um contador CMOS de pinagem idêntica ao do Cl 40192 (figura 3), que também conta "para cima" e "para baixo", só que em binário.
Vejamos a função de cada um dos pinos dos dois circuitos integrados:
Pinos 3, 2, 6 e 7 - saídas em binário ou decimal (Q1, Q2, Q3 e Q4). No 40193 as saídas obedecem à sequência binária e no 40192 à sequência decimal.
Pino 5 - entrada clock-up; incrementa o contador a cada impulso de clock variando de O para 1.
Pino 4 - entrada clock-down; decrementa o contador a cada impulso clock variando de 0 para 1.
Pinos 15, 1, 10 e 9 - entradas paralelas (A, B, C e D). Permitem introduzir dados binários dentro do contador, alterando a contagem a qualquer instante.
Pino 11 - entrada load; a nível 0 introduz no contador o valor presente naquele instante nas entradas paralelas.
Pino 12 - saída carry out ("vai 1"). Vai a nível 0 toda vez que o contador atingir sua contagem máxima progressiva. No 40192 o pino carry vai a 0 na contagem "1001" (ou 9) e no 40193 o pino carry vai a 0 na contagem "1111" (15 decimal). Pino 13 - saída borrow. Vai a nível O toda vez que o contador atingir sua contagem máxima regressiva. No 40192 e 40193 as respectivas saídas vão a 0 na contagem "0000".
Pino 16 - positivo da alimentação (VCC).
Pino 14 - entrada de reset. Quando recebe nível 1 reseta (zera) todos os estágios.
Pino 8 - terra (VSS).
OS DECODIFICADORES
São usados na montagem dois decodificadores para 7 segmentos do tipo CD 4511. Na figura 4 damos a pinagem desse componente.
Vejamos a função de cada pino:
Pinos 6, 2, 1, 7 - entradas em BCD (A, B, C e D).
Pinos 13, 12, 11, 10, 9, 15 e 14 - saídas para display de leds de 7 segmentos.
Pino 3 - lamp test; testa todos os segmentos quando em nível 0.
Pino 5 - latch enable. Armazena no registro interno do 4511 o último valor presente nas entradas A, B, C e D quando em nível 1.
Pino 4 — blanking input. Apaga totalmente o display quando em nível 0.
Pino 16 — positivo da alimentação (VCC)
Pino 8 — terra (VSS).
CIRCUITO MULTIPLEXADOR
Trata-se de um circuito multiplexador analógico de 16 canais da família CMOS e de código 4067, denominado pelo CMOS DATA BOOK como 1-OF-16 SWITCH (uma chave de 1 para 16). Seu diagrama de bloco e pinagem estão na figura 5.
Descrição dos pinos:
Pinos 10, 11, 14 e 13 — entradas de seleção. O valor binário presente nessas entradas é que irá determinar qual dos pinos de IO0 a IO15 estará conectado à linha IN/OUT.
Pinos 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 23, 22, 21, 20, 19, 18, 17 e 16 — pinos de entrada ou saída para sinais analógicos ou digitais.
Pino 1 — linha IN/OUT. Pode servir tanto para entrada como para saída.
Pino 15 — entrada enable. Se EN = 1, todas as chaves (pinos IO0 a IO15) estão abertas ou desconectadas. Se EN = 0, o canal selecionado pelas entradas A, B, C e D é conectado ao pino 1
Pino 12 — quando o 4067 está sendo utilizado para o chaveamento de sinais analógicos, que podem variar para valores negativos, este pino deve ser conectado a 5V. Caso contrário pode ser ligado ao terra.
Pino 24 — positivo da alimentação (VCC).
Na verdade, o 4067 pode ser utilizado tanto como um multiplexador de 16 linhas para 1 como um demultiplexador de 1 linha.
Um multiplexador pode ser comparado a uma chave de 1 polo por diversas posições, com a vantagem de permitir uma comutação instantânea, isenta de ruídos e a uma velocidade controlada.
O multiplexador usado nessa montagem é do tipo analógico. Trata-se, portanto, de um dispositivo que, sob o controle de um circuito digital, permite a seleção de qualquer sinal um, entre vários, de diversas amplitudes e com formas de onda de qualquer complexidade. Além disso é do tipo bidirecional, ou seja, os sinais podem entrar ou sair de um mesmo pino comum.
O funcionamento do Cl 4067 é muito simples: considere as entradas A, B, C e D. Seus sinais selecionam qualquer entrada (IO0 a IO15) em direção à saída (pino 1). Para tanto colocamos em A, B, C e D o valor binário correspondente à entrada que desejamos. selecionar. Por exemplo, se selecionarmos a entrada 9 em direção a saída IN/OUT (pino 1), deveremos colocar o número binário 1001 nas entradas A, B, C e D respectivamente. A seleção das entradas não obedece nenhuma referência lógica, podendo ser feita arbitrariamente.
Uma vez que o circuito é bidirecional, note que a saída IN/OUT (pino 1) poderia ser uma entrada, ao mesmo tempo que as entradas de IO0 a IO15 poderiam ser usadas como saídas.
A entrada de ENABLE inibi o circuito ao receber um nível 1. Quando isto ocorre o circuito integrado fica totalmente desabilitado. Por essa razão as entradas (ou saídas) de 0 a 15 ficarão desconectadas do ponto IN/OUT, não transportando nenhum sinal de um lado para o outro, bem como ignorando as entradas de seleção.
Quando habilitado, a resistência 0 N de cada chave é de aproximadamente 200 Ω, e o atraso de propagação é de 200ns para VCC = 10V.
FUNCIONAMENTO DA PARTE ANALÓGICA
Até agora vimos como funciona a parte de controle, seleção e amostragem, sob o aspecto dos circuitos integrados digitais, que constituem o circuito e são por isso mesmo a única novidade deste projeto, já que a parte da fonte propriamente dita é das mais simples e muito divulgada.
Existem muitas fontes por aí, inclusive no comércio, que se utilizam de uma chave rotativa para fornecer valores escalonados de tensão. Pois bem, ligados a estas chaves rotativas existem sempre divisores de tensão.
Para prover os valores de tensão de 0 a 15V, com intervalos de 1V fornecidos na saída da nossa fonte, foi usado um divisor de tensão formado pelo conjunto de resistência R1 a R15 (figura 6).
O princípio de funcionamento de um divisor de tensão é dos mais elementares e faz parte dos conceitos iniciais de qualquer estudante de eletrônica. Existem 15 resistores ligados em série, de modo que a resistência total do circuito será dada pela soma de todas as resistências, ou RTOT = 15 x R1, já que todas são do mesmo valor. Com todos os resistores sendo de 1k temos: RTOT = 15k.
Calculamos a corrente que circula pelo circuito, dividindo a tensão de alimentação de 12V pela resistência total igual a 15k, obtendo-se 0,8mA. A queda de tensão sobre cada resistor será dada pela corrente que circula por todos os resistores (0,8mA) multiplicada pelo valor de um resistor, obtendo-se 0,8 volts.
Dessa forma, na saída do multiplexador que está ligado a estes resistores, obteremos variações consecutivas de 0,8V, começando em 0 e indo até 12V, o que corresponde ao 162 estágio do multiplexador.
Portanto, o conjunto de resistores produz 15 valores de tensão, de tal modo que cada valor seja amplificado por um operacional, que controla a tensão de saída e transforma a tensão máxima dessa parte do circuito, que é de 12 volts, em 16V ou um pouco mais; o mesmo ocorre com as outras tensões.
Assim, quando selecionarmos a tensão máxima, teremos na saída do multiplexador uma tensão de 12V e na saída da fonte cerca de 17V.
Observe que os dois transistores que fornecem a corrente à carga produzem juntos uma queda de tensão de 1,2V e que, uma carga que puxe uma corrente superior a 1,5A, também tenderá fazer cair a tensão na saída naquele instante.
Apesar de todos esses inconvenientes, o que foi observado é que justamente naqueles valores de tensão que são mais usados na prática, ou seja, nos valores de 3, 6, 9, 12 e 15V, é que a fonte apresenta mais precisão, sobretudo em circuitos que demandem uma grande quantidade de corrente, desde que não superior a 1,5A.
A tensão de 5V, muito utilizada em circuitos TTL, deverá ser ajustada tendo em vista que as tensões com valores intermediários não apresentam uma precisão tão grande como a requerida principalmente por circuitos do tipo TTL-LS.
O principal propósito deste artigo, e do circuito aqui apresentado, é de demonstrar a interação entre circuitos digitais e analógicos, de tal modo que a seleção e amostragem de valores analógicos sejam feitos de maneira totalmente digital e, com isso, circuitos mecânicos que apresentem pouca durabilidade tais como as chaves rotativas, e menos elegância como os instrumentos de ponteiros, sejam substituídos por sensores de toque e displays a leds.
Para terminar essa explanação sobre o funcionamento da fonte, veja o diagrama completo do circuito, no qual você poderá observar que a configuração do circuito de retificação, filtragem e regulação da fonte, bem como do circuito de proteção contra curtos-circuitos, não apresenta nenhum mistério. Foram usados para a filtragem dois capacitores de 2200 µF, que poderão ser substituídos por um único capacitor de 4700 µF com uma tensão de trabalho de, no mínimo, 40V. O transformador é de 18V x 2A, e os diodos devem suportar até 3A. O transistor de potência deverá ser montado em dissipador térmico. O resistor de 0,22 ohms poderá ser substituído por 4 resistores de 1 ohm em paralelo, em caso de dificuldade em sua obtenção. Este resistor de 0,22 ohms é que irá limitar a corrente de saída, provocando o desligamento do circuito quando a corrente ultrapassar o limite. O valor deste resistor deverá ser calculado de modo a limitar a corrente á valores aceitáveis para os circuitos alimentados pela fonte, em caso de curto. A fórmula usada é a seguinte:
R = 0,7 V / Imax
Quando a corrente ultrapassar lmáx, o transistor Q3 conduz, fazendo diminuir a corrente e a tensão na base de 01. Com isso imediatamente existe um abaixamento da tensão de saída e, consequentemente, da corrente. Quando a situação de excesso de corrente se normalizar, o transistor 03 entrará em corte e assim os transistores Q1 e Q2 voltarão a conduzir normalmente, restabelecendo a tensão de saída.
MONTAGEM
A montagem poderá ser feita em uma placa de circuito impresso de face dupla, de preferência, e o circuito acondicionado em uma caixa do tipo "Patola" modelo PB 208 ou PB 209, que possuem dimensões de 178 x 178 x 82mm. O transistor 2N3055 deverá ser parafusado do lado externo da caixa, na parte traseira, junto com o seu dissipador térmico. O transformador vai do lado de dentro, também parafusado na parede da caixa. Um pequeno dissipador térmico deverá ser ligado ao regulador de tensão.
