Mais de meio século atrás, o engenheiro suíço Hans Rudolf Camenzind (1934–2012) desenvolveu um circuito integrado universal, o temporizador 555. O temporizador 555 é feito em um corpo DIP8 e contém dois comparadores analógicos, um disparador RS assíncrono, um divisor de tensão resistivo e vários outros elementos.
Nota: Shustov é nosso colaborador diretamente da Rússia. Veja mais sobre sua biografia no link: https://www.newtoncbraga.com.br/?view=article&id=22255:michael-a-shustov-per008&catid=2 . Veja também nossos livros sobre o 555 em: https://www.newtoncbraga.com.br/livros-tecnicos.html
O chip 555 é o mais utilizado no mundo. Ele é usado para criar temporizadores, geradores, dispositivos de regulação de largura de pulso, moduladores, dispositivos de limiar, relés de tempo, em conversores de tensão, sistemas de regulação automática, etc.
Junto com as vantagens inegáveis do microcircuito 555, também surgiram várias de suas desvantagens, como a probabilidade de fluxo de grandes correntes descontroladas, uma pequena faixa de tensões operacionais e a impossibilidade de ajustar a largura dos pulsos de saída sem alterar a geração frequência.
Em 2021, o autor propôs o projeto do chip 222, cujo objetivo principal é gerar um sinal modulado por largura de pulso com controle de frequência independente [2–5].
Tal chip não é produzido industrialmente, embora seja fácil montar seu layout usando dois comparadores e cinco resistores. Ao contrário do chip 555, o chip 222 contém metade das peças – apenas dois comparadores e 5 resistores, desempenhando quase todas as mesmas funções que seu antecessor [1–5].
Nota: encontramos o 555 à venda pela internet.
A modulação de largura de pulso é frequentemente usada para regular a potência de dispositivos elétricos de iluminação e aquecimento com perda mínima de eletricidade. Este método de regulação é radicalmente diferente do analógico, onde uma grande parte da energia é desperdiçada.
O princípio da formação de sinais de largura de pulso é simples, Figura 1. O sinal do gerador de pulsos triangulares é enviado para a entrada de inversão do comparador CI1; a entrada não inversora do comparador recebe a tensão de comparação removida do potenciômetro Radj. No momento em que a tensão na entrada invertida do comparador exceder a tensão na entrada de comparação, o comparador será comutado, a força do sinal da unidade lógica aparecerá em sua saída.
Mais detalhadamente, o processo de ajustar a largura da saída alterando a tensão de comparação Uadj ao usar o sinal de entrada dente de serra é mostrado na Figura 2. De acordo com o aumento do nível de tensão de comparação Uadj, a largura do sinal de saída retangular na saída do comparador aumenta. Desta forma, o Fator de enchimento de pulso na saída do dispositivo pode ser ajustado de 0 a 100%.
A Figura 3 mostra um padrão típico de um gerador de impulsos retangulares e dente de serra com base no comparador CI1. Vamos considerar o esquema com mais detalhes. Para simplificar, vamos usar a aproximação da igualdade de todas as resistências dos elementos resistivos do circuito: R1 = R2 = R3 = R4. Na entrada não inversora do comparador, a tensão constante é mantida em dois níveis, dependendo do estado ligado ou desligado do comparador. A partir da saída do comparador CI1, o resistor R é conectado à entrada invertida. O capacitor de ajuste de frequência C está conectado à mesma entrada.
O dispositivo funciona da seguinte forma. No momento inicial, a tensão na entrada não inversora do comparador é de 0,6 da tensão de alimentação E. A saída do comparador mantém uma tensão de alto nível (tensão 0,8E). O capacitor C é carregado através do resistor R, A tensão aumenta exponencialmente. Quando a tensão do condensador atingir a tensão na entrada não inversora, o comparador será trocado. A tensão de saída do comparador será reduzida a zero e o capacitor C será descarregado através do resistor R até o valor da tensão do segundo limiar de comutação (0,33E). Depois disso, o comparador é comutado novamente, e o processo de carga/descarga do capacitor e comutação do dispositivo (processo de geração de pulso) continuará indefinidamente. A saída do comparador Usaida2 produz pulsos retangulares com uma amplitude de 0,8E.
O circuito de comutação equivalente dos resistores do gerador ao alternar o comparador é mostrado na Figura 4. A Figura explica por que a entrada não inversora do comparador, quando é comutada, gera uma tensão de comparação igual a 0,33 e 0,6 da tensão de alimentação. Dentro dos limites apropriados, a amplitude do sinal triangular recebido na saída do gerador Usaida1, Figura 3, também muda.
A partir do gerador de pulsos de dente de serra e Retangulares, Figura 3, vamos para o gerador de pulsos de largura, Figura 5. Para fazer isso, use o segundo comparador CI1.2, cuja entrada de inversão é conectada ao circuito RC de ajustes da frequência do gerador, e sua entrada de inversão é alimentada pela tensão Uadj ajustável pelo potenciômetro R5. Os elementos do divisor resistivo R4–R6 devem ser ajustados de modo que a tensão Uadj na entrada não inversora do CI1.2 possa ser regulada entre 0,33 e 0,6 da tensão de alimentação.
Note-se que o esquema apresentado tem as seguintes vantagens: a frequência de pulso do gerador pode ser controlada alterando os parâmetros da cadeia de frequência RC, e a largura de pulso de saída de forma retangular pode ser ajustada de forma independente e suave de 0 a 100%. Além disso, a frequência e a largura dos pulsos gerados não são afetadas pela mudança na tensão de alimentação. A Figura 6 mostra várias opções para a formação de uma tensão ajustável de comparação Uadj, variando de 0,33 a 0,6 da tensão de alimentação, usando potenciômetros de classificação padrão.
O dispositivo mostrado na Figura 5 pode ser representado como uma única unidade de chip chamado "Chip 222", Figura 7.
Os chips de diferentes fabricantes podem ser usados como comparadores de chips 222, por exemplo: BA2903SFVM-TR, HA17903GS, LM339J, LM393M, LMV339M, LT1721CS, LTC1441CS8, MAX907ESA+, MAX989EUA+, MC3302D, NCV2901DR2G, TLC372MP, uPC339C e muitos outros.
Deve-se notar que as propriedades de comparadores específicos determinam a faixa de tensão de alimentação e a faixa de frequência de uso dos modeladores de sinal de largura de pulso. Por exemplo, ao usar o microcircuito LM339 para criar o microcircuito comparador 222, os geradores de sinal de largura de pulso podem operar na faixa de tensão de alimentação de 2 a 36 V. O valor superior da frequência de geração dos dispositivos feitos no microcircuito 222 é determinado pelas propriedades de frequência dos comparadores nele incluídos e pode se estender a unidades de MHz.
A Figura 8 mostra um possível layout de pinos para o chip 222 em um pacote DIP6. Ao lado é mostrado um diagrama de circuito típico para este microcircuito. Conforme segue da Figura 8, um número mínimo de elementos externos é suficiente para o funcionamento do dispositivo. Este é um regulador de frequência de geração – potenciômetro R1 e capacitor C1, bem como um regulador de largura de pulso de saída – potenciômetro R2.
O esquema prático do dispositivo para a obtenção de sinais modulados por largura de pulso com ajuste independente da frequência e do fator de enchimento do pulso da saída é mostrado na Figura 9.
O dispositivo permite obter sinais retangulares com amplitude de +E em uma saída (saída de 4 chips) com um fator de preenchimento de pulso ajustável de 0 a 100% e pulsos retangulares com amplitude de +0,8E em outra saída (saída de 1 Chip).
Casos de uso na prática do chip 222 são apresentados nas publicações do autor (várias dezenas de dispositivos) [2–5].
BIBLIOGRAFIA:
[1] Camenzind H. Designing Analog Chips. Virtualbookworm.Com Publishing, Incorporated, 2005. 242 P.
[2] Shustov M.A. Chip 222 – alternative 555. PWM generator with independent frequency control. International Journal of Circuits and Electronics. 2021. V. 6. Pp. 23–31. Pub. Date: 06 September 2021. https://www.iaras.org/iaras/home/computer-science-communications/caijce/chip-222-alternative-555-pwm-generator-with-independent-frequency-control
[3] Shustov M.A. Single-button load switches on the chip 222. EDN. March 18, 2024. https://www.edn.com/single-button-load-switches-on-the-chip-222/
[4] Shustov M.A. Design de circuitos digitais desde o básico até a criação de dispositivos práticos. São Petersburgo. Ciência e Tecnologia, 2024. 560 P.
[5] Shustov M.A. Eletrônica de potência em fonte de alimentação e iluminação. Desde o básico até a criação de dispositivos práticos. São Petersburgo. Ciência e Tecnologia, 2024. 560 P.
