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Projetando Temporizadores (ART2015)

Os temporizadores (timers) são sempre procurados pelos leitores que necessitam de algum tipo de automação simples, determinada apenas por um intervalo de tempo. Como tais circuitos podem ter as mais diversas características, às vezes fica difícil acertar em cheio as necessidades de um leitor com apenas um projeto. Por este motivo, reunimos num único artigo diversos projetos de timers com características que podem inclusive ser combinadas, além de circuitos de acionamento que podem ser intercambiados entre os diversos projetos.

Ligar ou desligar alguma coisa depois de um certo intervalo de tempo. Nesta frase resumimos o que faz um timer. No entanto, pequenas sofisticações tais como o auto-desligamento, a monitoria da temporização e a reciclagem podem ser acrescentadas de modo a se obter mais de um timer.

A seguir, damos ao leitor todos os elementos para projetor seu próprio timer, partindo de um de nossos circuitos e acrescentando o acionamento que lhe for necessário e, eventualmente, uma das sofisticações indicadas.

Os timers descritos podem proporcionar temporizações de alguns segundos a diversas horas.

 

1 - CIRCUITOS DE ACIONAMENTO

O circuito acionado por um timer pode ter diversas características, e em sua função podemos elaborar configurações que proporcionem maior economia e desempenho.

Podemos acionar relés que controlem qualquer carga, independentemente das características, mas conforme o caso, podemos acionar diretamente a carga, economizando assim o relé, que é um componente caro.

Mesmo o relé também pode ser acionado de diversas formas. Os circuitos que damos a seguir podem ser usados como etapa final de qualquer; um dos timers que descreveremos mais adiante.

Para acionar diretamente uma carga de até 1 ou com tensão de alimentação de 6 a 12 V podemos usar um par de transistores na configuração Darlington.

O circuito usado que alimenta a carga quando na entrada E tivermos o nível alto, é mostrado na figura 1.

 

Figura 1 – Este circuito ativa a carga com nível alto na entrada
Figura 1 – Este circuito ativa a carga com nível alto na entrada

 

O transistor de potência deve ser montado num radiador de calor. Para correntes até 1 A um transistor de potência menor, como o BD135, BD137 ou BD139 pode ser usado.

Se a carga for indutiva, um diodo de proteção em paralelo deve ser acrescentado.

Para o caso de desejarmos alimentar uma carga quando o nível de saída do temporizador estiver baixo, temos a configuração com um par Darlington PNP mostrada na figura 2.

 

 Figura 2 – Acionamento no nível baixo
Figura 2 – Acionamento no nível baixo

 

Esta configuração tem as mesmas características da anterior, com o transistor de potência devendo ser montado em radiador de calor.

Para correntes até 1 A pode ser usado o BD136, BD138 ou BD140.

É claro que, com a disponibilidade de transistores de potência Darlington, como os da série TIP, esta configuração pode ser simplificada, como mostra o diagrama da figura 3.

 

Figura 3 – Usando um transistor Darlington
Figura 3 – Usando um transistor Darlington

 

Qualquer Darlington NPN substitui o circuito da figura 1, e também podemos ter a utilização de Darlingtons PNP para substituir o circuito da figura 2.

Um componente que já é bastante difundido no controle de correntes elevadas é o MOSFET de potência.

Apresentando uma resistência quando em saturação (Ras) inferior a 1 ohm (em alguns casos), ele pode controlar correntes muito elevadas com uma queda de tensão praticamente nula.

Na figura 4 temos um exemplo de circuito com o IRF630 (9 A) ou equivalente.

 

   Figura 4 – Circuito com MOSFET de potência
Figura 4 – Circuito com MOSFET de potência

 

Por segurança, sugerimos não usar cargas maiores que 5 A neste circuito. O circuito opera de tal forma que a carga recebe a alimentação quando o nível do sinal de entrada for alto.

Para o acionamento simples de um relé com a saída do temporizador no nível alto, podemos usar o circuito da figura 5.

 

  Figura 5 – Circuito de acionamento de relé
Figura 5 – Circuito de acionamento de relé

 

O relé usado no esquema original da época deste artigo (1993) é o G1RC1, que já tem equivalentes mais modernos, para 6 V, ou GIRCZ, para 12 V, conforme a alimentação.

Estes relés podem controlar cargas de até 10 A. Os contatos NF podem ser usados para desligar uma carga no final da temporização ou ligá-la, nos circuitos com desligamento automático.

A aplicação com transistor PNP também é possível, bastando usar o BC558, por exemplo.

Um SCR também pode ser usado para ativar uma carga, observando-se que este tipo de dispositivo permanece ligado mesmo depois que o sinal de disparo tenha desaparecido.

Na figura 6 temos o modo de fazer o disparo de um TIC106 com alimentação de 9 a 12 V.

 

   Figura 6 – Disparando um SCR
Figura 6 – Disparando um SCR

 

Observe que usando um relé de 6 V precisamos ter alimentação um pouco maior, pois nos SCRs em condução há uma queda de tensão de aproximadamente 2 V que precisa ser compensada.

Com os relés de 12 V esta queda não é tão importante, pois os relés conseguem fechar seus contatos com os 10 V disponíveis.

No entanto, o projetista deve estar atento para uma eventual necessidade de compensar esta queda, caso o relé tenha dificuldade em atracar.

Esta aplicação destina-se aos casos em que o timer produz um pulso de curta duração no final da temporização.

Para controlar cargas ligadas diretamente à rede de energia, sem o uso de relés, temos diversas possibilidades.

A primeira delas é um circuito simples de meia onda com o uso de um SCR do tipo TIC106B, se a rede for de 110 V, e TIC106D se a rede for de 220 V. O circuito é mostrado na figura 7.

 

Figura 7 – Controle de carga de alta tensão sem relé
Figura 7 – Controle de carga de alta tensão sem relé

 

O resistor de polarização de comporta (gare) pode ter valores entre 4,7 k ohms e 10 k ohms e o SCR deverá ser montado num radiador de calor.

O disparo ocorre quando o nível do sinal de entrada for alto.

Para termos um controle de onda completa, com corrente de até t2 A podemos usar uma ponte, conforme o circuito da figura 8.

 

Figura 8 – Controle de onda completa
Figura 8 – Controle de onda completa

 

Com o uso de diodos de maior corrente, como os 1N5407, podemos chegar aos 4 A, que é o limite do SCR.

Para um disparo com o sinal de entrada no nível baixo podemos usar o circuito da figura 9.

 

Figura 9 – Disparo de SCR no nível baixo
Figura 9 – Disparo de SCR no nível baixo

 

Observe que tanto no circuito anterior como neste temos um terra comum ao setor de alta tensão e ao setor de baixa tensão.

As características são as mesmas do circuito anterior.

Finalmente, temos um circuito de dispara com triac, que no caso pode controlar cargas de até 8 A. Com o TIC236 podemos chegar aos 12 A.

O circuito, mostrado na figura 10, exige que o triac seja montado num radiador de calor.

 

Figura 10 – Disparando um triac
Figura 10 – Disparando um triac

 

Neste circuito temos também um terra comum ao setor de alta e de baixa tensão.

 

2 - TIMERS

O primeiro circuito de timer que descrevemos é bastante simples, pois usa um transistor unijunção, e serve para ativar o circuito da figura 6 com SCR e relé, pois no final da temporização ele produz um pulso de curta duração. O circuito é mostrado na figura 11.

 

Figura 11 – Circuito com unijunção
Figura 11 – Circuito com unijunção

 

Para um capacitor de 1 000 uF e um potenciômetro de 1 M ohms podemos obter temporizações de até 16 minutos.

Não recomendamos a utilização de capacitores maiores, pois a eventual presença de fugas pode comprometer o funcionamento do circuito. No entanto, com um potenciômetro de 2,2 M ohms podemos chegar a pouco mais de meia hora de temporização máxima.

Uma maneira de usar um transistor unijunção no acionamento de um relé com trava é mostrado na figura 12.

 

Figura 12 – Usando um relé com trava
Figura 12 – Usando um relé com trava

 

Com a produção do pulso no intervalo desejado, o relé atraca e sua bobina é realimentada pelos próprios contatos.

O relé usado, entretanto, deve ser de contatos duplos, como o MCH2RC2 (ou equivalente mais moderno), que têm contatos de 2 A.

Um interessante timer para intervalos de tempo de alguns segundos até perto de meia hora é conseguido com um transistor comum e um SCR.

O circuito é mostrado na figura 13 e funciona da seguinte forma:

 

   Figura 13 – Timer de 30 minutos
Figura 13 – Timer de 30 minutos

 

Quando a alimentação é estabelecida, o capacitor começa a carregar-se lentamente através do potenciômetro de ajuste e de R1.

Nestas condições, com a subida da tensão no capacitor, chega o instante em que o transistor começa a conduzir e dispara o SCR.

Utilizando apenas transistores temos um simples timer para intervalos entre alguns segundos e perto de meia hora na figura 14.

 

  Figura 14 – Timer com transistores
Figura 14 – Timer com transistores

 

O principio de operação deste timer é baseado também na carga de um capacitor através de uma resistência variável que determina a temporização.

Mais uma versão com transistores é mostrada na figura 15, e tem basicamente as mesmas características da anterior.

 

Figura 15 – Timer com Darlington
Figura 15 – Timer com Darlington

 

No entanto, existem muitos i componentes de baixo custo que podem ser especificamente usados como temporizadores de maior eficiência.

O mais popular de todos estes componentes é, sem dúvida alguma, o circuito integrado 555.

Com códigos como SDA555, CA555, LM555 etc. ele também tem uma versão CMOS, de baixíssimo consumo e alta impedância em suas entradas, com a sigla TLC7555.

Os circuitos dados a seguir usam este componente como base.

A configuração básica do 555 como timer é a mostrada na figura 16.

 

   Figura 16 – Timer básico com o 555
Figura 16 – Timer básico com o 555

 

O resistor de temporização não pode ser menor que 1 k ohms e o capacitor menor que 470 pF.

 

Obs. No site temos artigos que ensinam a calcular a temporização do 555 monoestável e diversas aplicações práticas.

 

Quando levamos o pino 2 ao nível baixo, o pino 3 de saída do 555 vai ao nível alto por um tempo que é dado aproximadamente por:

T = 1,1 . R . C

A saída deste timer básico para até 1 hora pode então ser ligada no ponto E de qualquer dos circuitos ativadores que vimos, exceto o que usa um SCR em corrente contínua, pois com a volta do pino 3 ao nível baixo o SCR não desligaria.

Utilizando-se o TLC7555 o resistor de temporização pode chegar a 10 M ohms, o que estende a utilização do timer para até aproximadamente 160 minutos; além deste valor, as fugas do capacitor podem comprometer o funcionamento.

A obtenção de intervalos maiores de temporização pode ser conseguida tendo por base o 555 em outra configuração, que é a de astável, mostrada na figura 17.

 

   Figura 17 – 555 estável
Figura 17 – 555 estável

 

Nesta configuração o oscilador produz sinais retangulares com freqüência dada pela fórmula junto ao diagrama.

Os resistores têm valores mínimos de 1 k ohms e máximos da ordem de 2,2 M ohms.

O capacitor pode ter valores entre1 nF e 1 000 uF, tipicamente.

A saída deste circuito pode ser ligada na entrada E de qualquer dos acionadores que vimos, exceto o com SCR em circuito de corrente contínua, por motivos já explicados.

Os pulsos cadenciados do 555 tanto podem ser usados diretamente numa temporização cíclica como para um divisor de freqüência que possibilite a obtenção de intervalos maiores.

Uma primeira possibilidade de temporização longa tendo por base o astável 555 é mostrada na figura 18 e utiliza um 4017 como elemento adicional.

 

Figura 18 – Utilizando o 4017
Figura 18 – Utilizando o 4017

 

O 4017 funciona como um divisor por 10, de modo que, se o astável produzir um pulso a cada 5 minutos, por exemplo, teremos a saída do 4017 indo para o nível alto ao final de 10 pulsos, ou seja, 50 minutos.

Se pudermos ajustar a freqüência do astável de modo a produzir um pulso de 10 segundos a 5 minutos, a faixa varrida pelo temporizador será de 100 segundos a 50 minutos.

É preciso levar em conta, neste circuito, que a saída do 4017 que aciona o ativador externo é um divisor por 10.

Assim, o tempo que ela permanece no nível alto é 1/10 da temporização ajustada.

Este circuito pode acionar qualquer das etapas que vimos na parte inicial deste artigo.

Para divisão, por um valor maior, por exemplo, por 100, podemos usar dois 4017, como no circuito da figura 19.

 

Figura 19 – Divisão por 100 com dois 4017
Figura 19 – Divisão por 100 com dois 4017

 

Para um oscilador que tenha então uma freqüência mínima que corresponda a um pulso a cada 5 minutos, teremos uma temporização final de 500 minutos, ou 8 horas e 20 minutos.

Novamente é preciso levar em conta que o tempo que a carga permanece ativada corresponde a 1/100 da temporização ou, no caso do máximo, a um ciclo do astável ou 5 minutos.

Um outro circuito integrado que pode ser usado em conjunto com o 555 para se obter longas temporizações é o 4020.

Este circuito integrado consiste num contador binário de 14 bits e que, portanto, pode ser usado como um divisor por 16384.

Na figura 20 temos um timer para tempos de até 200 minutos que faz uso de um 555 e do 4020.

 

Figura 20 – Temporizador com o 4020
Figura 20 – Temporizador com o 4020

 

Observe que a rede RC ligada ao pino 11 (reset) do 4020 garante que a contagem dos pulsos parta do zero na temporização.

Esta rede resseta a contagem quando a alimentação é estabelecida.

Usando um capacitor de 10 uF de boa precisão podemos multiplicar por 10 a temporização, chegando a 2 000 minutos ou 33 horas e 20 minutos!

Evidentemente, como a duração dos pulsos depende linearmente dos valores dos componentes, a precisão vai depender do cuidado com que o ajuste da escala do potenciômetro for feito.

A tolerância dos componentes, principalmente dos capacitores usados na temporização, também é importante.

Finalmente, temos também que levar em conta a carga residual do capacitor de temporização, que impede que em usos sucessivos do aparelho tenha-se uma carga nula ao ativar a unidade.

Combinado o 555 com o 4017 e o 4020 podemos obter uma temporização bastante longa, que chega a 40 horas.

O circuito para esta finalidade é mostrado na figura 21.

 

Figura 21 – Longa temporização com o 4017 e 4020
Figura 21 – Longa temporização com o 4017 e 4020

 

Com o uso de um capacitor de 10 uF podemos chegar a 400 horas, ou 16 dias e 16 horas!

Para a obtenção dos pulsos de contagem para os divisores com o 4017 e com o 4020 que vimos não precisamos usar obrigatoriamente o circuito integrado 555.

Uma possibilidade interessante é tomar como base para alguns projetos de timer o circuito CMOS 4093.

Um primeiro circuito simples de temporização para curtos intervalos, e que pode excitar qualquer dos sistemas que vimos na introdução, é mostrado na figura 22.

 

Figura 22 – Temporização como 4093
Figura 22 – Temporização como 4093

 

Neste circuito a saída se mantém no nível alto- por um intervalo dado pelo capacitor e pelos resistores em série.

Para manter a saída no nível baixo pelo intervalo desejado podemos usar o circuito da figura 23.

 

   Figura 23 - Mantendo a saída no nível baixo
Figura 23 - Mantendo a saída no nível baixo

 

Finalmente, para operação astável, excitando os divisores que vimos nos projetos anteriores, temos o circuito da figura 24.

 

   Figura 24 – 4093 astável
Figura 24 – 4093 astável

 

A temporização máxima que podemos obter sem problemas para o 4093 nos circuitos indicados é da ordem de meia hora, com um resistor de 2,2 M ohms e

 

3. DESLIGAMENTO AUTOMÁTICO

Um recurso importante em muitas aplicações para os timers é o desligamento automático.

Com este recurso, no final do intervalo programado não só a carga controlada deixa de ser alimentada como também o próprio circuito do timer, evitando assim um consumo desnecessário de energia.

Na figura 25 temos uma fonte de 12 V, que alimenta qualquer dos timers descritos, dotada de desligamento automático.

 

Figura 25 – Fonte dotada de desligamento automático
Figura 25 – Fonte dotada de desligamento automático

 

Quando o interruptor S1 é pressionado a fonte é alimentada e o relé energizado, de modo a manter a alimentação mesmo depois de S1 solto.

Veja que nesta função precisamos ter sempre as configurações em que o relé é energizado no intervalo programado desligando depois, e não o contrário.

 

CONCLUSÃO

Não podemos prever as variações em torno dos circuitos que demos, tal é a sua quantidade.

Com as sugestões que vimos, e algumas outras que o leitor pode encontrar nos artigos do site é possível reunir todos elementos que se necessita para projetar um timer que atenda as suas necessidades.

 

 

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