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Temporizador de bolso (ART397)

Existem ocasiões em que a determinação de um intervalo de tempo pequeno com um sinal auditivo no final é interessante. Podemos citar jogos de salão, gincanas escolares, competições esportivas e mesmo processos de laboratório. O timer ou temporizador de bolso que descrevemos é ideal para esta aplicação emitindo uma série de bips depois de terminado o tempo de programação que pode variar entre alguns segundos até mais de meia hora. Alimentado por pilhas ele cabe numa pequena caixa plástica de fácil transporte.

Se existem projetos que admitem uma infinidade de configurações, o temporizador certamente é um deles. Evidentemente, conforme o tipo de aplicação, este aparelho pode variar bastante, diferindo quanto ao tempo de acionamento, a tensão de alimentação e o tipo de sinal que fornecem no final da temporização.

No nosso caso, descrevemos um temporizador que apresenta características para um público específico e que portanto tem sua faixa própria de utilidades, determinadas pelas seguintes características:

a) Alimentação por meio de pilhas comuns e montagem compacta, facilitando seu transporte.

b) Faixa de temporização variando entre alguns segundos até perto de meia hora.

c) Consumo muito baixo de energia durante a temporização, o que significa enorme durabilidade para as pilhas.

d) Emissão de sinal sonoro agradável (bips) no final da temporização.

 

COMO FUNCIONA

A base do projeto é um circuito integrado 4093 que contém quatro portas disparadoras.

A saída de cada porta só pode apresentar duas tensões: 0 ou a tensão de alimentação. Se a tensão for 0V dizemos que está no nível baixo ou LO, e se estiver com a tensão de alimentação, diremos que está no nível alto ou HI.

Os níveis lógicos das saídas vão depender dos níveis das entradas.

Se a tensão de entrada estiver entre 0 V e uma fração de volt, as portas interpretam isso como nível baixo ou LO.

 

Faixas permitidas de operação de uma porta lógica.
Faixas permitidas de operação de uma porta lógica.

 

Se a tensão estiver numa faixa próxima à da tensão de alimentação, a porta interpreta isso como alto ou HI.

Observe que, pelo gráfico da figura 1, existe uma faixa intermediária proibida que o integrado não define uma interpretação. Se uma tensão de entrada estiver nesta faixa existe um ponto em que, para o 4093 ocorre uma comutação rápida da saída de HI para LO ou vice-versa.

 

Transição rápida na saída de um disparador.
Transição rápida na saída de um disparador.

 

Esta característica de transição rápida e portanto de comutação faz do 4093 um elemento ideal para agir sobre um circuito quando ocorre uma pequena variação da tensão de entrada. Dizemos que se trata de uma porta disparadora ou "Schmitt Trigger".

Se tomarmos uma das entradas e fixarmos seu nível lógico em alto (HI) ligando-a ao positivo da alimentação, passamos a ter um inversor, conforme mostra a figura 3.

 

Porta NAND disparadora ligada como inversor.
Porta NAND disparadora ligada como inversor.

 

Isso significa que o nível lógico da saída será sempre o oposto ao da entrada.

Usamos esta configuração para obter o bloco de temporização de nosso aparelho.

Na entrada livre (pino 2) ligamos então um capacitor, um resistor e um potenciômetro.

Partindo do instante em que a alimentação do aparelho é estabelecida, e que, portanto o capacitor está descarregado, sua carga começa via P1 e R1.

Nestas condições, a tensão na entrada da primeira porta (pino 2) é inicialmente alta, mas à medida que o capacitor se carrega a tensão vai diminuindo.

Quando a tensão chega ao ponto em que ocorre a comutação, a saída que estava no nível baixo, rapidamente vai ao nível alto.

O tempo de carga do capacitor vai depender do ajuste de P1 e do valor de R1 que é fixo.

Para um capacitor de 1 000 µF e com P1 de 2,2 M? na posição de máxima resistência conseguimos temporizações que ultrapassam meia hora.

Com a passagem da saída da porta (pino 3) ao nível alto temos a entrada em ação de dois novos blocos do aparelho.

Estes blocos são formados por CI-1b e CI-1c que funcionam como osciladores disparados.

Em cada o oscilador, o capacitor carrega-se e descarrega-se através dos resistores ligados em suas saídas, O ritmo de carga e descarga e portanto a frequência do sinal gerado depende dos valores destes componentes.

Os osciladores funcionam de tal forma que só entram em funcionamento quando os terminais de controle (pinos 5 e 8) estão no nível alto.

Assim, o primeiro oscilador (CI-1b) é um oscilador de áudio com frequência em torno de 1 kHz. O outro (CI-1c) é um oscilador lento com frequência na faixa de 0,5 a 2 Hz, sendo ele responsável pela intermitência dos sinais.

Os sinais destes dois osciladores são combinados na quarta porta do circuito integrado 4093.

Esta combinação resulta em bips intervalados, ou seja, o sinal do primeiro oscilador é interrompido de modo intermitente pelo segundo oscilador.

Os integrados CMOS não conseguem fornecer potência suficiente para excitar um alto-falante, mas podem excitar transdutores piezoelétricos ou ainda cápsulas de cristal. O uso destes transdutores facilita a obtenção de montagens compactas.

No entanto, na falta dos transdutores, o leitor pode usar um alto-falante agregando um transistor amplificador, conforme mostra a figura 4.

 

Etapa de saída para excitar um alto-falante.
Etapa de saída para excitar um alto-falante.

 

Uma característica interessante do circuito é que ele exige apenas 0,5 mA de corrente quanto em funcionamento, o que garante uma excelente durabilidade para as pilhas.

 

MONTAGEM

Na figura 5 damos o diagrama completo do temporizador.

 

Diagrama completo do temporizador.
Diagrama completo do temporizador.

 

A disposição dos componentes na placa de circuito impresso é mostrada na figura 6.

 

Placa de circuito impresso do temporizador.
Placa de circuito impresso do temporizador.

 

Sugerimos a utilização de soquete para o circuito integrado. Os resistores são de 1/8W ou maiores e P1 tanto pode ter 1 M ? como 2,2 M ? dependendo da faixa de temporização desejada.

Os capacitores C1 e C4 são eletrolíticos para 12V enquanto que C2 e C3 tanto podem ser de poliéster como cerâmicos. O valor de C1 depende da faixa de temporização. Com 100 µF obtemos tempos máximos de 3 minutos e com 1 000 µF este tempo prolonga-se até meia hora.

R2 e R3 também podem ser alterados de modo a modificar o tipo de som obtido no final da temporização.

Para a alimentação podem ser usadas 4 pilhas pequenas ou uma bateria de 9V.

X1 é um transdutor piezoelétrico comum. Qualquer tipo serve, e até mesmo uma cápsula de cristal de microfone pode ser experimentada.

Na figura 4 demos a opção de uso de um transistor para excitar um alto-falante de 2,5 cm ou maior, na falta do transdutor.

O conjunto pode ser alojado facilmente numa caixa plástica, conforme sugere a figura 7.

 

Sugestão de caixa para montagem.
Sugestão de caixa para montagem.

 

PROVA E USO

Ajuste P1 para a mínima temporização na prova. Ligue a alimentação. Depois do tempo previsto, o aparelho deve emitir o sinal de áudio (bips).

Altere os componentes indicados no texto, se necessário.

Comprovado o funcionamento o leitor pode fazer uma escala de tempos tomando como base um relógio com cronômetro. Observamos, entretanto que duas temporizações seguidas podem ter tempos diferentes em vista da carga retida no capacitor. Uma idéia para se contornar este problema é a ligação de um interruptor de pressão em paralelo com o capacitor C1. Pressionando este interruptor antes de cada temporização garante-se que ela parta de zero.

 

Semicondutores:

CI-1 - 4093B - circuito integrado CMOS


Resistores: (1/8W, 5%)

R1 - 10 k?

R2 - 47 k?

R3 - 2,2 M?

P1 - 1 M ou 2,2 M? - potenciômetro linear comum


Capacitores:

C1 - 100 a 1 000 µF/12V - eletrolítico - ver texto

C2 - 47 nF - poliéster ou cerâmico

C3 - 470 nF - poliéster ou cerâmico

C4 - 100 µF/12V - eletrolítico


Diversos:

X1 - Transdutor piezoelétrico

S1 - Interruptor simples

B1 - 6 ou 9V - 4 pilhas pequenas ou bateria

Placa de circuito impresso, suporte de pilhas ou conector de bateria, botão com escala para o potenciômetro, caixa plástica, fios, solda, etc.

 

 

 

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