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Eletrônica - REE IIICircuitos lógicos digitais - Teoria Circuitos de tempo com Cl

Circuitos de tempo com Cl - Teoria

Circuitos de tempo com Cl © SENAI-SP, 2004

Trabalho editorado pela Gerência de Educação da Diretoria Técnica do SENAI-SP, a partir dos conteúdos extraídos da apostila homônima, Circuitos lógicos digitais - Teoria, Capítulo XII,. São Paulo, 1991

(Reparador de Equipamentos Eletrônicos I).

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Circuitos de tempo com Cl - Teoria

Sumário

Apresentação 5 Circuitos de tempo com Cl7 Referência bibliográfica 25

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Apresentação

O objetivo que norteou a elaboração do material didático Circuitos de tempo com Cl foi o de apresentar, de uma forma organizada, clara e objetiva, os aspectos fundamentais da eletrônica.

Esperamos que esse manual sirva como instrumento de apoio ao estudo de uma matéria essencial para os que se iniciam ao campo da eletrônica.

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Circuitos de tempo com CI

Introdução

Você estudou até agora os blocos lógicos com entradas normais. Nesta unidade vamos demonstrar, com a utilização do disparador tipo Schmitt, o efeito da histerese nas entradas das portas lógicas.

Abordaremos também a aplicação dos circuitos integrados como temporizador ou controlador de tempo.

Como você já sabe, os circuitos integrados agrupam-se em famílias. Por isso, na construção de um circuito digital, é preciso levar em conta os parâmetros e as características dessas famílias para escolher o CI adequado ao circuito desejado.

Você deverá ter bem presente o que já aprendeu sobre: • Multivibrador monoestável

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Disparador tipo Schmitt Este disparador é chamado também de “Schmitt-trigger”. Trata-se de um circuito muito importante, podendo aparecer como parte integrante do circuito de entrada de qualquer porta lógica (NÃO, OU, e E).

É um circuito realimentado que muda de estado subitamente quando o sinal de entrada, na transição de 0 para 1, atinge um valor determinado (V+). Ou, quando na transição de 1 para 0, atinge o valor especificado (V-).

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O disparador tipo Schmitt é um circuito integrado disponível no mercado. A figura a seguir mostra o diagrama desse tipo de disparador montado a partir de componentes discretos.

Convenção:

Vin=tensão de entrada do circuito V+=valor de Vin para ligar V1 V-=valor de Vin para desligar V1 VRE=tensão sobre RE

Observação Os dois pontos de disparo são chamados de V+ (ponto de disparo superior) e V- (ponto de disparo inferior).

O circuito tipo Schmitt funciona da seguinte maneira:

• Se Vin for igual a 0 → V1 estará desligado e V2 ligado; • Com V2 ligado → VRE > 0;

• Se Vin for aumentado até o valor de VRE + VB1’ V1 entra em condução levando sua tenção de coletor a diminuir e a produzir o aumento de VRE; • Ocorre assim, a redução da corrente de base V2 que sai de saturação;

• A redução de IC2 leva VRE a cair, o que provoca aumento de tensão em IB1; • Desse modo, ambos os transistores ficam ativos e o circuito é realimentado até que

V1 esteja ligado e V2 desligado;

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• Nesse momento VRE é menor do que no estado inicial porque RL1 > RL2; consequentemente o ponto de disparo será mais baixo;

• Quando Vin cai abaixo de V-, o circuito retorna ao estado inicial.

A diferença existente entre os pontos de disparo (V + e V-) é chamada de histerese e contrubui para reduzir a possibilidade de mudança de estado na saída devido a presença de ruídos.

Observe no gráfico e na tabela a seguir exemplos de situações de histerese.

Situação Entrada Vin Saída

A figura abaixo mostra o símbolo do disparador tipo Schmitt.

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Observação Quando o disparador Schmitt aparece como parte integrante do circuito de entrada de uma porta lógica, acrescenta-se ao símbolo da porta o sinal da histerese.

Observe, através do diagrama e formas de onda a seguir, como o disparador tipo Schmitt pode ser usado.

1. Como interface do sistema TTL, condicionador de forma de onda.

2. Como oscilador de pequena potência C-MOS.

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3. Como gatilhamento ou disparo na borda de descida com C-MOS. 4. Como disparo na borda de subida com C-MOS.

Circuitos temporizadores

Multivibrador monoestável - Os multivibradores monoestáveis (em inglês: “one-shot or monostable multivibrator”) podem ser implementados com componentes discretos ou com circuitos integrados.

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Vamos recordar algumas características e funções do multivibrador monoestável contidas na unidade 74 de eletrônica básica.

O multivibrador monoestável ou temporizador possui um único estado estável. Esse multivibrador pode permanecer um tempo pre-estabelecido no estado instável, e, esgotado esse tempo, retornar automaticamente ao estado estável.

Os multivibradores monoestáveis podem ser do tipo regatilhável e não-regatilhável. Esses, por sua vez, podem ser comuns (regulares) ou Schmitt-trigger.

Há várias técnicas ou projetos de fabricação de circuitos integrados que implementam as funções do multivibrador monoestável.

Observe a seguir a estrutura básica do CI multivibrador monoestável.

Veja como o CI multivibrador monoestável funciona:

Se V1 estiver em corte e V2 saturado: • O capacitor C irá se carregar com uma tensão que se aproxima de VCC;

• Aplicando um pulso à base de V1, este pulso conduzirá e fará o capacitor C descarregar; isto vai provocar um pulso negativo na base de V2 que entrará em corte;

• Com V1 saturado e V2 em corte, o capacitor C se descarregará através de R;

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• Quando a tensão na base de V2 estiver suficientemente positiva esse transistor entrará em condução; V2 fará V1 entrar em corte, e o circuito voltará ao estado inicial.

O CI multivibrador monoestável é simbolizado por um retângulo; nesse retângulo estão especificadas por letras as funções lógicas.

Observe a figura abaixo.

Os circuitos de entrada e os de saída são circuitos lógicos.

O resistor de tempo é conectado no mesmo ponto do capacitor Rex/Cex e ao V+. Sem a conexão de Rex/Cex o circuito interno do multivibrador admite tempo somente em ns (nanossegundos) e ms (milissegundos).

Aplicando um pulso de disparo na entrada A, por exemplo, ↓, a saída Q irá assumir o valor 1 até transcorrer o tempo definido por T = 0,7 . R . C.

Veja abaixo as formas de ondas que mostram a atuação do CI.

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Em regra, o uso do multivibrador monoestável está relacionado com intervalo de tempo. Analisando o exemplo a seguir, vemos que: • Os pulsos são estreitos e há necessidade de pulsos mais largos;

• Os pulsos são largos e há necessidade de pulsos mais estreitos.

Portanto, cada monoestável tem particularidades específicas, uma vez que seus circuitos de entrada e de saída são circuitos lógicos.

Os multivibradores podem ser regatilháveis na subida e/ou na descida, com Schmitttrigger ou regular, com saídas com coletor aberto ou “toterm-pole”.

Em cada caso é preciso verificar os valores máximos e mínimos de R e C do CI fornecidos pelo fabricante.

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Multivibrador monoestável regatilhável (“retriggerable monoestable multivibrator”) Esse tipo de multivibrador ou temporizador tem a capacidade de manter a saída inalterada se durante seu período de tempo instável receber novo disparo.

Quando isso ocorre, ele reinicia internamente nova contagem do tempo instável preestabelecido.

O multivibrador monoestável regatilhável tanto pode ser o comum como o Schmitttigger. Ambos, por sua vez, podem ser disparados: na subida e na descida .

Geralmente o multivibrador monoestável regatilhável é composto de circuito de entrada, de tempo e de saída.

Os circuitos de entrada e de saída podem ser implementados como os circuitos de entrada e de saída das portas lógicas TTL, C-MOS ou dos comparadores de blocos funcionais.

O circuito de tempo controla o carregamento ou não do RC externo ou interno (Rex/Cex.).

Observação O símbolo do multivibrador monoestável regatilhável é semelhante ao do comum. O que diferencia um do outro é a especificação das características no manual do fabricante.

As formas de onda abaixo mostram como funciona o CI multivibrador monoestável regatilhável.

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• Aplicando um pulso de disparo na entrada A ↓, a saída Q assume o nível 1 até transcorrer o tempo determinado por R e C; • Esgotado o tempo determinado por R e C, Q retorna ao nível 0;

• Se durante o tempo determinado por R e C ocorrer um novo pulso de disparo, reinicia-se uma nova contagem, conforme o “intervalo do regatilhamento”, que pode ser visto na forma de onda.

Portanto, o multivibrador regatilhável é o único a possuir uma lógica que permite reiniciar nova contagem de tempo sem alterar o estado do circuito de saída.

Os multivibradores implementados com CIs e empregados em lógica digital têm em suas entradas e saídas os mesmos circuitos das portas lógicas TTL e C-MOS.

As entradas podem ser regular ou Schmitt-trigger e as saídas, totem-pole ou coletor aberto.

Circuito integrado temporizador 5 Este circuito é amplamente usado em diversos aparelhos ou dispositivos eletrônicos para controle de tempo.

O circuito intgrado temporizador 5 é um dispositivo monolítico que internamente possui um circuito de tempo.

Esse CI pode operar como multivibrador monoestável ou astável com tempos que vão de alguns microssegundos (µs) a horas; possui saída compatível com a família TTL.

Observe a figura a seguir os tipos de encapsulamentos e a estrutura interna do CI 5.

Tipo T de oito pinosTipo V de oito pinos

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Circuitos internos do CI 5

Vamos analisar o funcionamento do CI 5 utilizado como multivibrador monoestável.

A figura abaixo mostra o esquema do CI, a forma de onda típica do 5 como monoestável.

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Observe também o gráfico da duração do pulso de saída em função da capacitância e equação para cálculo de tempo.

Pela análise do diagrama de blocos abaixo, demonstramos como funciona o CI 5:

• Se o circuito estiver em repouso, o pino 2 estará em nível 1 e a saída no pino 3 em nível 0;

• Se o flip-flop de controle estiver setado (posicionado), V1 estará saturado e o capacitor C descarregará através de V1; • Quando o pino 2 recebe um pulso negativo de disparo, o comparador inferior resseta ( reposiciona) o flip-flop de controle, a saída vai para 1, V1 entra em corte e o capacitor C pode começar a carregar através de Ra.

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• Quando a tensão do capacitor C atinge o limiar de disparo do comparador superior, o flip-flop de controle é setado (posicionado), a saída vai de novo para nível 0, V1 entra em saturação e o capacitor C é descarregado.

Observações • O circuito permanecerá assim até que o novo pulso negativo seja aplicado ao pino 2.

• O tempo em que a saída permanece em nível 1 dependendo do tempo que o capacitor C leva pata atingir a tensão de disparo do comparador superior.

• Como a carga do capacitor C é função do resistor Ra, temos aí a constante de tempo RC. Ou seja: T = 1,1 Ra . C

Convenção: T=período do ciclo Ra=valor do resistor C=valor do capacitor

Vimos que o CI 5 pode ser usado como multivibrador astável. Observe abaixo o esquema do circuito, a forma de onda típica e o gráfico de freqüência de oscilação e equações para cálculo de tempo.

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SENAI-SP - INTRANET20 tH = 0,693 (RB + RA)C tL = 0,693 (RB) C período tH + tL = 0,693 (RA + 2RB)C freqüência = C )2R R( ciclo de trabalho de saída =

LH t t + = BA2R R + ciclo de trabalho da forma de onda de saída = t t + =

BA2R R relação saída/entrada = HLt t =

Observação Sugerimos que você reveja no manual Eletrotécnica a unidade que trata do CI 5.

Parâmetros de famílias lógicas

Na unidade 5, Famílias lógicas, tratamos de alguns parâmetros e características dessas famílias. Vamos apresentar aqui outros parâmetros que se constituem também em características dos circuitos integrados.

Os parâmetros das famílias lógicas podem ser classificados quanto a correntes, tensões e características de chaveamento.

Correntes

• Corrente de entrada (IIN - “Input current”): é a corrente que fui para a entrada do componente numa certa especificação de entrada e de tensão de alimentação.

• Corrente quiescente de alimentação (IDD - “Quiescent power supply current”): é a corrente que flui para o terminal de tensão de alimentação numa certa especificação de entrada e de tensão de alimentação.

• Corrente de saída aberta em nível alto (IOZH - “Output off current high”): é a corrente de fuga drenada pela saída (quando aberta) de um dispositivo de três estados e especificada para uma tensão de saída em nível 1 e para uma dada especificação de tensão de alimentação.

• Corrente de saída aberta em nível baixo (IOZL - “Output off current low”): é a corrente de fuga que flui da saída (quando aberta) e especificada para uma tensão de saída em nível 0 e para uma dada especificação de tensão de alimentação.

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• Corrente quiescente de alimentação para nível 1 (IDDH - “Quiescent power supply current high”): é a corrente que flui para o terminal de tensão de alimentação para a especificação das entradas em nível 1 para uma dada tensão de alimentação.

• Corrente quiescente de alimentação para nível 0 (IDDL - “Quiescent power supply current low”): é a corrente que flui do terminal de tensão de alimentação para a especificação das entradas em nível 0 e para uma dada especificação de tensão de alimentação.

Tensões

• Tensão de grampeamento de entrada (VIK - “Input clamp voltage”): tensão de entrada numa região de resistência diferencial relativamente baixa que serve para limitar a tensão de excitação da entrada.

• Tensão limiar de transição negativa (VT - “Negative-going threshold voltage”): tensão limiar que a entrada interpreta como nível 0 no momento de sua transição de 1 para 0.

• Tensão limiar de transição positiva (VT+ - “Position-goig threshold voltage”): tensão limiar que a entrada interpreta como nível 1 no momento da sua transição de 0 para 1.

Características de chaveamento • Tempo de desabilitação de saída de três estados de nível 1 para alta impedância

(tpHZ - “3-stage output disable time, high to Z”): é o intervalo de tempo que decorre entre o desabilitador de saída atingir 50% do seu nível máximo de tensão (na transição de 0 para 1) e a tensão de saída atingir 90% do seu valor máximo.

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