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Metamorfose Digital (ART529)

O circuito que descrevemos transforma um LED num "camaleão eletrônico", mudando de cor suavemente. Na verdade, usando um LED bicolor e com a alimentação dos seus dois setores com níveis de tensão que mudam constantemente, temos a impresão de que o conjunto muda de cor. Com um sistema digital em que temos uma combinação de mais de 16 mil níveis de tensão diferentes nos dois LEDs, a transição das cores pode criar efeitos muito interessantes. O circuito pode ser usado em sinalização e com a tranposição para um sistema de luzes de potência para aplicações em multimídia ou ainda em efeitos especiais ou mesmo em dispositivos ópticos de uso industrial.

Certo dia, o prof. Léo (Luiz Ferraz Netto - www.feiradeciências.com.br), nos telefonou consultando-nos sobre um artigo que encontrou numa revista antiga que descrevia a montagem de uma "Metamorfose Eletrônica".

Seu autor, Antonio Cesar da Silva de Fortaleza-CE, sugeria um circuito simples com dois transistores que faziam a transição de cores com um LED bicolor.

O prof. Léo, entretanto, se mostrou insatisfeito com o projeto, pois o efeito era só de "ida".

Ou seja, a cor passava de um LED para outro e não voltava ao original, pois dependia da carga de um capacitor, conforme podemos ver pelo circuito da figura 1.

 

Esquema elétrico de único caminho.
Esquema elétrico de único caminho.

 

Neste artigo, com a carga do capacitor, o transistor passa lentamente do corte à saturação.

Nestas condições, enquanto Q1 faz aumentar o brilho do LED ligado ao seu emissor, Q2 coloca em curto o LED ligado ao coletor.

De modo a obter um efeito cíclico, na verdade, interminável mas com variações imprevisíveis de cor dadas pelas combinações de intensidades da luz emitida por um LED verde e um LED vermelho, no mesmo invólucro (LED bicolor), imaginamos uma nova versão do circuito, com base em tecnologia digital.

Este é justamente o projeto que apresentamos neste artigo e que pode ser usado de muitas formas, inclusive adaptado para acionar lâmpadas de alta potência com efeitos interessantes.

Imaginem uma vitrine com um fundo que muda de cor de modo imprevisível, mas suavemente e que nunca tem a mesma tonalidade! Imaginem isso no stand da sua empresa anunciando o lançamento daquele produto importante!

 

Características:

* Tensão de alimentação: 6 a 9 V

* Consumo: 10 mA (tip)

* Tempo de transição pra o ciclo completo: 1 minuto a vários dias!

* Combinações possíveis: 2 elevado a 14 ou 16 384.

* Número de circuitos integrados: 2

 

COMO FUNCIONA

O brilho de um LED depende da intensidade da corrente circulante que basicamente ‚ limitada por um resistor que ligamos em série.

Se tivermos um contador de impulsos que forneça níveis de tensão fixos em sua asída, podemos fazer com que cada saía corresponda a uma intensidade do brilho de um LED, ligando resistores de valores diferentes.

O que fazemos então é usar um circuito integrado CMOS 4020 que consiste num contador de 14 estágios com 12 saídas, nas quais ligamos resistores escalonados que alimentam os dois setores de um LED bicolor.

Desta forma, à medida que as saías vão sendo ativadas durante uma contagem de pulsos, a corrente passa por resistores de valores diferentes resultando assim em intensidades de brilho desiguais para as cores do LED bicolor.

Veja, entretanto, que o contador é igital, ou seja, suas saídas são ativadas de forma combinada.

Assim, com os pulsos, temos um instante em que a corrente passa por um resistor (por exemplo R3) e no pulso seguinte por outro (R5), mas em seguida, pelos dois ao mesmo tempo!

Isso significa que não temos apenas 6 níveis de corrente em cada LED que corresponde às 6 saídas usadas em cada metade, mas sim 2 elevado a potência 6 para o primeiro setor, ou seja, para controlar apenas metade do LED bicolor que corresponde a uma das cores.

O mesmo ocorre com a outra metade, de modo que, no total, temos 2 elevado ao expoente 12 combinações.

O circuito integrado 4020, na verdade faz uma contagem de pulsos equivalente a 2 elevado ao expoente 14, mas para as contagens 2 e 4 não temos saídas acessíveis, fato que não prejudica o efeito desejado.

Com tantas combinações possíveis, mesmo oscilando numa freqüência de clock (sincronismo) relativamente alta, o número de combinações faz com que as transições sejam algo suaves.

Se a mudança for feita numa freqüência de 1 Hz, ou seja, 1 pulso por segundo, o ciclo completo das alterações de cores vai demorar 18 384 segundos, o que corresponde a 5 horas e 10 minutos!

Com o ajuste de P1 e a escolha de valores apropriados para C1 podemos ter tempos menores ou maiores para o ciclo de funcionamento, conforme a aplicação desejada para o aparelho.

O potenciômetro P1 juntamente com C1 determinam a frequência do clock, ou seja, o circuito de sincronismo com base num 555 que tem por finalidade gerar os pulsos de contagem para o 4020.

O capacitor C1 pode ter valores entre 100 nF até uns 10 µF ou mais mais, devendo o leitor fazer experiências no sentido de obter o efeito que deseja em função da aplicação.

 

MONTAGEM

O diagrama completo do aparelho é mostrado na figura 2.

 

Diagrama completo do aparelho.
Diagrama completo do aparelho.

 

A disposição dos componentes numa placa de circuito impresso, incluindo os LEDs, é mostrada na figura 3.

 

 

Placa de circuito sugerida.
Placa de circuito sugerida.

 

Para maior segurança no manuseio e soldagem dos circuitos integrados, sugerimos a utilização de soquetes.

Os resistores podem ser de 1/8 W ou maiores.

O LED é do tipo bicolor, verde e vermelho, mas na sua falta podem ser usados dois LEDs comuns (um verde e outro vermelho, ou ainda de qualquer outra cor) que são montados juntos num tubinho, conforme mostra a figura 4.

 

A montagem dos LEDs
A montagem dos LEDs

 

Na verdade, existe a possibilidade de se utilizar 3 LEDs, caso em que teremos a conexão de saídas com grupos de 4 resistores, conforme mostra a figura 5 e com isso podem ser obtidos efeitos diferentes.

Em especial esta aplicação é interessante com os LEDs RGB que possibilitam a geração de milhares de cores naturais com aplicação em aulas de óptica ou efeitos especiais.

 

Sugestão para escalas de cores.
Sugestão para escalas de cores.

 

Os capacitores são eletrolíticos com tensão de trabalho de 12 V ou mais, mas se C1 for de valor inferior a 1 µF pode ser cerâmico ou de poliéster.

Os diodos admitem equivalentes como o 1N914 e P1 tanto pode ser um potenciômetro comum como um trimpot.

A alimentação pode ser feita de diversas formas: quatropilhas de qualquer tamanho, bateria de 9V ou uma fonte de 6 a 9 V com corrente a partir de 50 mA.

 

Natureza das Cores

Sir Isaac Newton provou que o branco é a mistura de todas as cores e que podemos gerar qualquer cor a partir de três cores básicas.

Este princípio é hoje usado nos televisores, monitores de vídeo, fotografia e industrias gráficas. Nos televisores e monitores as três cores básicas que permitem gerar todas as outras são o vermelho, verde e azul que nos levam a denominação RGB (Red - Green - Blue) para a triade de cores que encontramos nos conescópios.

Existem até LEDs RGB que podem ser usados para produzir luz de qualquer possível até o branco. Basta dosar a cor de cada um dos componentes deste LED para se obter a cor correspondente a partir do denominado diagrama de cores que é mostrado na figura A.

 

Espectro das cores
Espectro das cores

 

O circuito que descrevemos neste artigo, se acoplado a um LED RGB pode sintetizar aleatóriamente milhares de cores, servindo portanto não só como um equipamento decorativo mas também didático ou mesmo de laboratório para testes os mais diversos em equipamentos com sensores ópticos.

Podemos dizer que trata-se de uma versão eletrônica "de estado sólido" do disco de Newton.

 

 

PROVA E USO

Para provar o aparelho basta ligar a alimentação (observando a polaridade) e acionar S1.

Atuando-se sobre P1 de modo a termos mínima resistência, a frequência será mais alta e as transições de cores serão mais rápidas.

Verificado o funcionamento, bastar fazer o ajuste final de P1 de modo a se obter a velocidade de transição de cores desejada.

Na figura 6 temos uma sugestão de interface que permite adaptar o aparelho para operar com lâmpadas de até 1 ampere com alimentação de 12 V.

 

Utilizando um potenciômetro.
Utilizando um potenciômetro.

 

Neste caso, os transistores de potência devem ser dotados de radiadores de calor.

A fonte de alimentação também deve estar dimensionada para suportar o consumo das lâmpadas utilizadas.

 

Semicondutores:

CI-1 - 555 - circuito integrado, timer

CI-2 - 4020B - circuito integrado CMOS

LED1 - LED bicolor ou dois LEDs comuns de cores diferentes - ver texto

 

Resistores: (1/8W, 5%)

R1, R7, R13 - 10 k ? - marrom, preto, laranja

R2, R5, R11 - 2,2 k ? - vermelho, vermelho, vermelho

R4, R10 - 1 k ? - marrom, preto, vermelho

R6, R12 - 4,7 k ? - amarelo, violeta, vermelho

R8, R14 - 22 k ? - vermelho, vermelho, laranja

P1 - 1 M ? - potenciômetro ou trimpot

 

Capacitores:

C1 - 100 nF a 1 µF - ver texto

C2 - 100 µF/12 V - eletrolítico

 

Diversos:

S1 - Interruptor simples

B1 - 6 a 9 V - pilhas, bateria ou fonte

 

Placa de circuito impresso, suporte de pilhas ou conector de bateria, soquete para os circuitos integrados, caixa para montagem, fios, solda, botão para o potenciômetro, etc.

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N° do componente 

(Como usar este quadro de busca)

 

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