Como é de conhecimento geral de quem lida com eletrônica, um V.U. “bargraph” (gráfico em barras, em Inglês) nada mais é do que um comparador de tensão, linear para determinadas aplicações (como em um termômetro escalonado por LEDs, por exemplo), ou logarítmico, como o utilizado para monitoração, em dB, da variação de amplitude de áudio, em equipamentos de som. Neste artigo, Nelson Sedenho Júnior ensina a montar um excelente Bargraph com componentes comuns.
Para se projetar um comparador de tensão, há muitas opções, principalmente quando utilizamos amplificadores operacionais fabricados para esta função, como o baratíssimo LM339, que conta com quatro comparadores internos, com as entradas inversoras e não inversoras “livres” em seus pinos externos (de modo a que o projetista possa “programá-las”, independentemente, para comparar a(s) tensão(ões) que quiser), e os LM3914 (de comparação linear, com 10 saídas, cada qual corresponde à 10% da tensão de referência, sem tal possibilidade de alteração) e 3915 (idêntico ao anterior, porém projetado para áudio, com comparação logarítmica), cujos custos são algo elevados; também temos os µAA170 e 180, porém são caros e de difícil obtenção, por serem obsoletos, além de requisitarem um compressor logarítmico-linear em sua entrada (caso o projeto se destine a monitorar variações de sinais de áudio) e possuírem o inconveniente de suas saídas serem matriciais, ou seja, não independentes entre si (isto sem mencionar que, há 15 anos, eu cheguei a montar um V.U. com o µAA180, baseado em um projeto de uma edição da revista “Nova Eletrônica”: funcionou muito bem, mas o CI apresentava o problema – creio que inerente – de não anular, por completo, a tensão sobre os LEDs quando da ausência de sinal, o que os levava a ter um pequeno - porém considerável -brilho, nesta condição; nada mais inconveniente: um bargraph que fica “um pouco aceso”, mesmo sem monitorar sinal algum, na entrada!).
O projeto ora apresentado não utiliza tais CIs comparadores, mas, sim, transistores de uso geral e diodos zener, o que lhe confere alta precisão e confiabilidade, além de montagem simples (ideal para os novatos) e com componentes baratos e de fácil aquisição. Além disto, traz, também, as seguintes vantagens:
- Embora projetado, inicialmente, para ter uma resposta aproximadamente logarítmica (ideal para áudio), devido à relação das tensões dos diodos zener de referência, também pode ser utilizado, com pequenas alterações, para monitorar sinais lineares, como será mostrado, após;
- Possuir uma constante de tempo RC bem próxima daquela necessária ao acompanhamento das muitas variações possíveis de áudio, de modo a “acompanhar”, com ótima precisão, o ritmo dos sons aplicados à entrada; tal constante RC também evita que LED(s) fique(m) aceso(s) quando da ausência do áudio, devido ao fato do resistor descarregar, rápida e convenientemente, o capacitor eletrolítico, com o qual está ligado, em paralelo;
- Justamente por ser logarítmico, seu circuito “prioriza” medir os sinais de pequena amplitude, em detrimento daqueles de maior; assim, não ocorre o inconveniente, muito comum em projetos mal dimensionados de bargraphs, de os LEDs acenderem todos ao mesmo tempo, quando há um pico de amplitude (volume) de áudio, e permanecerem apagados, nas passagens de menores níveis de som. Um modo prático de se comprová-lo é ligar, à entrada do V.U., um toca-discos de vinil, com a cápsula já devidamente pré ou amplificada: dependendo do volume do equipamento, os “tecos” existentes entre uma e outra faixa, ou aqueles existentes logo após a borda do disco, antes da primeira faixa, farão o primeiro (ou, também, o segundo) LED(s) acender(em), ou o primeiro acender totalmente e o segundo piscar, e, no entanto, quando o áudio apresentar um volume considerável, haverá uma certa “dificuldade” para que se acenda(m) o(s) último(s) LED(s);
- Na base de cada transistor que aciona cada um dos seis LEDs, há um importante resistor de 10 k? à terra, justamente para levá-lo ao nível zero (corte) quando da ausência de sinal de áudio, ou para que níveis intermediários aos dados pelas tensões de ruptura dos zeners de referência, não venham a ficar na intermitência corte/saturação, o que faria, indevidamente, os LEDs apresentarem brilhos “trêmulos”, “crepitantes”, como os de uma vela acesa. Assim, quando houver níveis intermediários, no máximo só ocorrerá uma pequena diminuição de brilho do LED seguinte, porém de modo “elegante” e preciso, até que a sua tensão zener de referência (acoplada à base do transistor que o aciona, polarizado como chave, em emissor comum) seja totalmente ultrapassada, e o acenda completamente;
- Do modo como foi projetado, com os canais independentes entre si, o V.U. em questão só propicia o acendimento de um LED após o(s) anterior(es) estiver(em) completamente aceso(s); assim, evita-se o inconveniente efeito “pisca-pisca” que muitos projetos apresentam;
- Possibilidade de se alterarem os valores das tensões de referência, pela simples substituição dos diodos zener (e/ou de sinal) por outros, com as tensões de ruptura adequadas à necessidade do montador;
- Possibilidade de se montarem mais canais (LEDs), bastando-se reproduzir os existentes e se utilizar(em) zener(s) de tensão(ões) maior(es), em relação ao último (12 V), ou mesmo o acréscimo de diodo(s) de sinal, também ligado(s) em série com um outro zener de 12 V, caso seja reproduzido o último canal (cuja tensão de referência será 12,7 V, se for acrescido, no exemplo dado, um diodo de sinal em antissérie com o referido zener);
- Baixíssimo consumo de energia na condição de espera (LEDs apagados), pois, deste modo, o único componente a drenar corrente é o CI de entrada (amplificador operacional 741) que, como sabemos, consome poucos mA da fonte de alimentação (a qual, inclusive, pode ser a do próprio amplificador no qual este V.U. for instalado);
- Ajuste da sensibilidade de entrada, através de um potenciômetro, ou trimpot (caso seja feito somente ajuste interno); aliás, devido ao alto ganho (23 vezes, ou 27 dB) e à alta impedância de entrada do operacional pré-amplificador de áudio, este V.U. pode, inclusive, ser diretamente acoplado às saídas de aparelhos de média amplitude, como tape-decks, CD e DVD players, mesas de som (saída auxiliar), receivers ou amplificadores (“REC out”, ou jack de fones de ouvido), prés RIAA de toca-discos, saídas multimídia de computadores, etc., que o levarão à máxima excitação (último LED aceso), sem carregá-los nem lhes “roubar” energia de áudio. Enfim, não há necessidade alguma de se ligar o circuito à(s) saída(s) de alto-falantes de amplificadores de potência (exceto, é claro, se o mesmo for utilizado em sistemas de som automotivos que não disponham de saídas de pré-amplificador).
O PROJETO
Conforme mostrado no diagrama esquemático do aparelho, pela figura 1, o sinal de áudio da fonte de programa inicialmente é “dosado” por um resistor variável (trimpot ou potenciômetro – este último, preferivelmente logarítmico), o qual atua como divisor de tensão, aplicando-o à entrada não inversora do amplificador de entrada, o já conhecido 741. É claro que, para áudio, há CIs melhores, mais rápidos (com maior “slew rate”), como o TL061, 071 ou 081, para esta função; inclusive, como a pinagem destes três é idêntica à do 741, qualquer um deles pode, perfeitamente, ser utilizado neste aparelho; porém, como ele se destina ao simples acionamento de LEDs, sem que o áudio amplificado pelo CI seja conectado a um pré ou amplificador externo – e, daí, a alto-falante(s) -, a utilização de um operacional a FETs, a meu ver, é um desperdício, e o 741, no projeto, se mostrou muito eficiente. Como a fonte que alimenta o aparelho é simples, não simétrica, faz-se necessária a polarização desta entrada não inversora do operacional, com tensão igual à metade da de alimentação; para tal, foram utilizados dois resistores de 5k6, em série, em cujo nó foi ligada a referida entrada do CI (pino 3). Porém, nesta condição de funcionamento, com fonte simples, os operacionais ficam sensíveis ao “ripple” da fonte de alimentação (justamente pelo fato de a tensão média não ser nula, como ocorreria com fonte simétrica): se tal ocorresse, no nosso projeto, o(s) primeiro(s) LED(s) dele já acenderiam com o próprio ronco induzido por ela; para tal, o 741 recebe uma excelente filtragem de tensão contínua, através de um dois filtros “L” ligados em cascatacompostos por dois resistores de 10 ? e dois capacitores eletrolíticos de 1000 µF por 16 V (além do desacoplamento, feito pelo cerâmico de 100 nF: sugere-se que este seja desenhado, no “layout” da placa de circuito impresso, de modo a ficar próximo do pino 7 do operacional). Esta filtragem tanto alimenta o “+B” do operacional (pino 7), quanto o divisor resistivo de tensão conectado à sua entrada não inversora (pino 3). O ganho do amplificador operacional é dado pela relação entre o resistor existente entre a entrada inversora e a saída do CI (22 k?), e o conectado entre esta e o capacitor de 4,7 µF, à terra (1 k?); deste modo, o ganho de tensão do CI é 1+(22 k?/1 k?), ou seja, 23 vezes, ou, aproximadamente, 27 dB, já que G = 20 log (tensão de saída/tensão de entrada) = 20 log 23. Nota: o capacitor eletrolítico de 4,7 µF é necessário, devido também ao fato de a fonte que alimenta o operacional não ser simétrica: como, para áudio (tensão alternada), o capacitor é um curto-circuito e, para tensão contínua, é praticamente uma resistência infinita, acoplado entre o resistor de ganho “de baixo” e a terra, tal capacitor “fecha” a malha de ganho do CI, sem no entanto curto-circuitar a sua tensão de polarização (metade da que alimenta o pino 7 - cerca de 11 V, devido à queda dada pelo filtro -, ou seja, cerca de 5,5 V); se a fonte do operacional fosse simétrica, tal capacitor seria desnecessário, assim como o resistor de 5k6 que conecta a entrada não inversora do CI ao ao duplo filtro “L” do “+B” do V.U., e este próprio filtro.
Após a amplificação dada pelo CI, o sinal é entregue, via capacitor de isolamento, a um retificador-dobrador, composto por dois diodos de sinal 1N914 (ou equivalentes, como 1N4148, ou 4151), os quais acoplam ao integrador RC apenas o semiciclo positivo do sinal de áudio advindo do 741, a partir dos 600 a 700 mV característicos dos semicondutores de silício. Caso o montador queira que o V.U. seja mais sensível, a ponto de monitorar sinais a partir de 200 mV (cerca de 8,7 mV acoplados à entrada não inversora do 741), basta utilizar dois diodos de germânio para esta função, como os 1N60, 1N34, ou OA90, por exemplo. No integrador RC, o sinal pulsante (semiciclo positivo), de amplitude, fase e frequência aleatórios (característicos dos sinais de áudio), passa pela filtragem dada pelo capacitor de 4,7 µF, o qual é descarregado pelo resistor de 22 k?, em paralelo; deste modo, a constante de tempo do referido integrador é de, aproximadamente, 103 milissegundos. No protótipo, tal tempo se mostrou ótimo, tanto para “acompanhar” o ritmo dos sons (principalmente os mais graves), como para se obter o rápido apagamento dos LEDs quando da ausência de sinal de áudio (uma boa maneira de se testar isto, por exemplo, é acionando-se o “pause” de um CD player acoplado à sua entrada, durante a reprodução de uma música ou fala). No entanto, caso o montador queira deixá-lo “mais rápido”, basta diminuir R ou C; para torná-lo “mais lento”, basta aumentar um dos dois (lembrando-se, sempre, que o tempo de resposta do V.U. é igual, aproximadamente, ao produto da capacitância, em farad, pela resistência, em ohm).
A partir deste ponto, o sinal pode ser acoplado aos seis comparadores de tensão transistorizados, através dos resistores de 68 k? existentes; este valor foi obtido experimentalmente para, ao mesmo tempo, garantir a excitação total de cada canal (LED) do V.U., levando cada LED ao brilho máximo, e não se sobrecarregar o integrador RC do circuito, sob pena de, neste caso, o último LED (ou os dois últimos) acender(em) de modo oposto à variação de amplitude (ou seja, tender(em) a apagar, ou perder brilho, em vez de acender(em), ou brilhar(em) mais intensamente, com o aumento de volume, principalmente com os sons mais graves; tal problema ocorre com a utilização de resistores menores, como 10 k?, acoplados entre o integrador e a base de cada um dos transistores em coletor comum, nos canais dos LEDs). Assim, levando-se em conta que a base de um transistor é bem sensível a pequenas correntes para que o componente chegue à saturação, e que o integrador terá como carga seis (ou mais) canais acionadores de LEDs, os quais são ligados em paralelo entre si, o uso de resistores menores que 68 k? não é nada indicado; aliás, como cada canal se constitui de um transistor seguidor de emissor que, por sua vez, acopla tensão contínua ao seu respectivo comparador de tensão, e que somente este último, em emissor comum, é que acionará o seu LED, a utilização de valores até maiores, como 100 k?, também é tolerada, sem perda alguma no brilho dos LEDs (para estes, quando for montar o circuito, dê preferência aos tipos “opacos”, pois, além de mais “discretos”, não ofuscam tanto a visão, quanto os de alto brilho!).
Cada transistor seguidor de emissor aciona um comparador de tensão (com exceção do primeiro canal, que é acoplado diretamente), a diodo zener, que atua como “barreira” a que cada transistor acionador de LED chegue à saturação. Assim, após o primeiro LED (cujo transistor utilizado como chave, em emissor comum, não possui zener conectado à base), o segundo só acende quando a amplitude do áudio for igual ou maior do que 2,7 V (devido ao zener de 2V7 por meio watt), o terceiro com 4,7 V, o quarto com 6,8 V, o quinto com 9,1 V, e, finalmente, o sexto com 12 V (nota: estes limiares de tensão não levam em conta os 0,6 a 0,7 V característicos das junções base-emissor de cada um dos seis transistores em coletor comum, existentes no circuito; tal só foi levado em consideração para o cálculo dos decibéis monitorados por estes canais de LEDs, conforme veremos abaixo). Conforme dito anteriormente, para evitar que os transistores “driver” fiquem sob uma inconveniente transição de acionar ou não os LEDs, dando a má impressão visual de estarem “trêmulos”, foram adicionados resistores de 10 k? conectados entre as suas bases e a terra, para lhes garantir o corte quando as tensões zener de entrada não forem superadas; isto também garante que um LED só acenda quando o(s) anterior(es) esteja(m) totalmente aceso(s), e, também, que se apague totalmente, quando a amplitude do áudio for menor do que a da sua respectiva tensão zener de referência. Pelo fato de os canais acionadores dos LEDs serem independentes entre si, o circuito também não possui o inconveniente de provocar queda de brilho (ou mesmo apagamento) no(s) LED(s) anterior(es), quando o(s) posterior(es) é (são) aceso(s), defeito muito comum em projetos de bargraph que utilizam transistores. Quanto às cores destes LEDs, ficam a critério do montador; como sugestão, pode-se fazer a seguinte sequência: LEDs 1 a 4: verdes (indicam os sinais de amplitude negativa, até –2 dB), LED 5: amarelo (amplitude de 0 dB, acima da qual podem ocorrer distorções), e LED 6, vermelho (+2 dB, amplitude a partir da qual podem ocorrer distorções e/ou haver danos ao equipamento e/ou seu(s) alto-falantes); no protótipo, foram utilizados LEDs redondos, de 3 mm; porém, podem ser empregados de quaisquer cores, tipos e diâmetros, sem problemas (é claro que, para se obter o efeito visual de barra móvel, característico dos bargraphs, estes LEDs devem do mesmo formato e diâmetro, e ficar enfileirados, lado a lado, com igual distância entre si e mesma altura em relação à placa de circuito impresso na qual forem soldados).
A escala logarítmica, assim como o ganho (27 dB) do 741, veio da fórmula seguinte: G= 20 log (tensão de saída/tensão de entrada); considerando-se a tensão de entrada como 0,7 V (limiar de condução do transistor seguidor de emissor do primeiro acionador de LED, por este não possuir diodo zener de referência), temos, para o LED 1, G = 20 log 0,7 = - 3 dB, aproximadamente; para o LED 2, a tensão será, portanto, 3,4 V (2,7 do zener, mais 0,7 do seguidor de emissor), ou G = 11 dB, aproximadamente; para o LED 3: 5,4 V, ou 15 dB, aproximadamente; LED 4: 7,5 V, ou 18 dB, aproximadamente; LED 5: 9,8 V, ou 20 dB; e, finalmente, para o LED 6: 12,7 V, ou 22 dB, aproximadamente. Como o “marco zero” é o quinto LED, de cor amarela, para o qual se arbitrou a amplitude matematicamente neutra como referência (0 dB), conclui-se, facilmente, que a escala ficará, aproximadamente, assim: -22 dB, -8 dB, -4 dB, -2dB, 0 dB e +2dB. Note-se, portanto, que há um grande intervalo entre o primeiro e o segundo canais, de cerca de 30 dB (daí haver, pelo primeiro e segundo canais, uma grande sensibilidade aos sons de pequena amplitude), o qual diminui para 4 dB entre este e o terceiro, e de apenas 2 dB entre este e os três seguintes; ou seja, o VU é bem sensível aos sinais de baixa amplitude, e oferece certa “resistência” a que se acendam os LEDs seguintes; porém, a partir do terceiro LED, como a escala fica aproximadamente linear, notará o montador que a passagem de um para o outro será mais “abrupta” (porém, sem o inconveniente de se acenderem, para o mesmo nível de sinal, dois ou mais LEDs, ao mesmo tempo). Enfim, o efeito visual deste V.U. é excelente, comparável àquele existente em equipamentos de áudio profissionais; só como observação, a escala assim produzida, aproximadamente logarítmica, se deve, justamente, ao fato de a nossa audição (e a dos outros animais que ouvem) também ser logarítmica, ou seja, nossos ouvidos são mais sensíveis a ruídos de baixa intensidade (como o de uma moeda caindo ao chão, ou o de um cochicho), em detrimento aos de maior (como o de um trovão, por exemplo): assim, se nossa audição fosse linear, seríamos menos (ou nada) sensíveis aos sons mais tênues e, em compensação, os mais intensos nos ensurdeceriam! No entanto, caso o montador queira um comparador linear (como no caso de um termômetro, tacógrafo ou barômetro, por exemplo) pode, perfeitamente, substituir os diodos zener por diodos comuns, de sinal (como o 1N4148), colocando-se, por exemplo, um deles a mais, entre um e outro canal (a partir daquele que aciona o segundo LED); neste caso, deve atentar ao fato de que, ao contrário dos zeners que devem ser polarizados reversamente, os de sinal devem ter polarização direta, ou seja, devem ficar invertidos em relação aos diodos zener mostrados no esquema, com os catodos voltados para as bases dos transistores seguidores de emissor, como mostra a figura 2.
Todos os transistores utilizados são NPN de uso geral, de baixa potência, como os BC546, 547, 548 ou 549 (é claro que os 12 devem ser do mesmo número, para que se evitem diferenças entre os canais dos LEDs). Os resistores são todos de 1/8 ou 1/4 de watt, com 5% de tolerância, e os capacitores devem ter, pelo menos, 16 V de tensão de isolamento, principalmente os que são conectados à fonte.
Caso o aparelho seja utilizado como voltímetro analógico, em uma fonte de alimentação variável, basta não montar o pré-amplificador com o 741, e acoplar a tensão a ser monitorada diretamente ao nó onde estão os seis resistores de 68 k?, sem se conectarem os diodos retificadores de sinal da entrada (1N914); quanto ao integrador RC (22 µF e 4,7 k?), seria interessante deixá-lo acoplado ao referido voltímetro, por descarregar qualquer tensão existente na saída da fonte a ser monitorada (principalmente quando a diminuímos) e, também, por amortecer picos de tensão, quando esta é aumentada, no referido gerador. Neste caso, apenas atente para que o capacitor eletrolítico de 22 µF tenha, no mínimo, uma tensão de isolamento 50% maior do que a máxima a ser aplicada na entrada deste comparador. Caso as tensões a serem monitoradas sejam diferentes das de ruptura dos zeners aqui selecionados, basta que estes sejam substituídos pelos de valores convenientes, sempre levando-se em conta que o LED de cada canal acenderá totalmente, quando o gerador medido lhe aplicar a sua respectiva tensão zener de referência acrescidos dos 0,7 V da junção base-emissor de cada transistor, em coletor comum (seguidor de emissor); assim, se quisermos, por exemplo, que o LED de um canal indique 6 V, deverá ser utilizado um zener de 5V6 que, somado à junção PN do transistor, o fará acender quando a fonte aplicar 6,3 V, ao circuito (um multímetro digital em muito auxiliaria o montador, para estes ajustes). Neste sentido, o circuito também pode ser utilizado, por exemplo, em oficinas de autoelétrica, alimentado diretamente pela bateria automotiva a ser testada, tendo diodos zener apropriados para medir seus níveis de tensão e, neste sentido, “avisar” quando o acumulador estiver enfraquecido, muito abaixo dos seus nominais 13,8 V, através de um LED vermelho. É claro que, neste caso, se o acumulador estiver muito descarregado, há a possibilidade de nem sequer conseguir alimentar este nosso voltímetro, daí ser necessário que o liguemos a uma fonte externa de 15 V, ligada à rede elétrica AC.
PROVA E USO DO APARELHO
Caso se queira comprovar o funcionamento do circuito, antes de conectá-lo à saída (auxiliar ou de fones de ouvido) de um equipamento de áudio, pode-se, simplesmente, acoplar à sua entrada, a própria fonte de 15 V que o alimentará, através de um divisor de tensão, conforme ilustra a figura 3: com o cursor trimpot todo voltado para a terra, nenhum LED acenderá; no entanto, à medida que o giramos, cuidadosamente, em direção ao resistor limitador (5k6), notaremos que, gradativamente, teremos o acendimento de cada um dos LEDs (nota: desligar o capacitor eletrolítico de 1 µF conectado à saída - pino 6 - do 741, para este teste!).
No entanto, caso se queira comprovar diretamente o funcionamento dele como monitor de amplitude de sinais de áudio, basta colocar o volume do aparelho monitorado no ponto em que desejamos que o último LED se acenda, e alterarmos a sensibilidade do V.U., pelo ajuste do trimpot (ou potenciômetro) de 10 k? de entrada do 741, até que tal ocorra.
Para a versão estéreo, como V.U. de áudio, duas unidades iguais devem ser montadas (com exceção, é claro, do filtro, constituído pelos dois resistores de 10 ? e os dois capacitores eletrolíticos de 1000 µF, pois ele será comum para alimentar os dois operacionais, um para o canal esquerdo, e o outro, para o direito; neste caso, também pode ser utilizado um operacional duplo, como o CA4558, o TL072 ou 082, ou o NE5532, em vez de dois 741, ou dois TL071, ou dois 081). Para a conexão de áudio com o(s) operacional(is) de entrada, utilize um jack ligado com cabo blindado (que também deverá ser utilizado entre o pré ou amplificador de áudio, e o plug macho a ser acoplado a este referido jack de entrada do V.U. bargraph, a fim de que seus LEDs não indiquem a indesejável presença de roncos ou zumbidos advindos da rede de 60 Hz).
Com relação à fonte de alimentação, poderá ser qualquer uma, que forneça 15 V, se possível estabilizados, com capacidade mínima de corrente de 0,5 A, para que trabalhe “com folga” com todos os LEDs acesos, devido ao fato de que, tipicamente, cada um drena de 10 a 20 mA (dependendo da cor e do tamanho), do gerador; assim, para a versão estéreo, considerando todos os 12 LEDs acesos, com o máximo brilho, teremos cerca de 120 a 240 mA por eles drenados; já o consumo do(s) amplificador(es) operacional(is) é ínfimo, de no máximo 10 mA. Deste modo, caso se queira aproveitar a própria fonte do aparelho ao qual este voltímetro será acoplado, deve ser levado o conta este seu consumo adicional; caso a tensão desta seja maior do que 15 V, e menor do que 35, pode-se inserir um CI regulador 7812 ou 7815 para alimentar o V.U., porém dotado de um bom dissipador de calor.
O montador perceberá a grande sensibilidade e precisão do projeto, além do seu muito bonito efeito visual de barra móvel, que acompanhará, com exatidão, as variações de amplitude do áudio (ou outra unidade física monitorada, convertida em tensão contínua), acendo LED por LED, justamente por possuir canais independentes de referência de tensão.
