Como funciona o 4011 (ART1682)

Este circuito integrado da família CMOS tem uma infinidade de aplicações práticas, além das convencionais. Conhecendo um pouco de suas características, estas aplicações podem ser exploradas com facilidade. Conheça mais este componente através deste artigo.

Veja no nosso Curso de Eletrônica Digital mais sobre esta importante família de circuitos integrados digitais que é a Família CMOS.

Um dos componentes mais importantes desta família é 4011 que consiste em quatro portas NAND que podem ser utilizadas de modo independente, conforme mostra seu invólucro e pinagem na figura 1.

Figura 1 – O 4011

As portas são implementadas com transistores de efeito de campo CMOS, apresentando uma elevadíssima resistência de entrada, o que consiste numa característica muito importante para muitos projetos.

Sua saída pode fornecer uma corrente de alguns miliampères, o que é suficiente para excitar diretamente LEDs, ou etapas de amplificação com transistores ou outros componentes.

Para entender como ele funciona, vamos partir inicialmente de uma configuração em que unimos os terminais de entrada de uma das portas, conforme mostra a figura 2.

Figura 2 – Ligando como inversor

Esta é a maneira mais simples de usar o 4011, ligando na sua saída um LED indicador.

Quando a entrada do circuito está positiva, o inversor do 4011 inverte a saída e ela vai o nível baixo, ou seja, 0 V.

Com isso, o LED ligado em sua saída permanece apagado, conforme mostra a mesma figura.

Se, por outro lado, conforme mostra a figura 3, ligarmos a entrada ao nível baixo (0 V), a saída vai ao nível alto e o LED acende.

Figura 3 – O LED aceso com a entrada no nível baixo

Podemos associar a este comportamento do 4011 como inversor uma tabela verdade, mostrada na figura 4.

Figura 4 – Tabela verdade como inversor

Aplicações como Inversor

Nesta configuração, é possível utilizar o circuito integrado 4011 em algumas aplicações interessante que veremos a seguir.

Uma delas, mostrada na figura 5, é como um oscilador que pode gerar sinais retangulares cuja frequência depende do capacitor e pode ser ajustada no potenciômetro.

Figura 5 – oscilador com o 4011

Este circuito pode gerar sinais até alguns megahertz, dependendo a alimentação que pode ser feita com tensões de 3 a 15 V.

Na figura 6 temos a montagem do circuito numa matriz de contactos, para efeito de estudo.

Figura 6 – oscilador montado em matriz de contatos

Podemos usar este circuito na prática para obter um excelente injetor de sinais com a configuração mostrada na figura 7.

Figura 7 – Injetor de sinais CMOS

O sinal retangular é rico em harmônicas, podendo ser utilizado até mesmo em circuitos de RF como rádios AM e FM.

Na figura 8 temos uma placa de circuito impresso para este injetor.

Figura 8 – Placa para o injetor

Na figura 9 temos um outro circuito interessante utilizando duas das quatro portas NAND do 4011.

Trata-se de um temporizador muito simples cuja temporização depende do valor do resistor e do capacitor, podendo chegar a mais de 1 hora.

Figura 9 – Temporizador com o 4011

Quando ligamos o circuito, o capacitor começa a se carregar e com isso, a tensão no nível zero nos seus terminais começa a subir.

Isso significa que inicialmente a entrada do primeiro CI é zero e, portanto, na sua saída (pino 3) o nível é 1.

O nível 1 é aplicado à entrada da segunda porta e com isso a saída está no nível baixo, mantendo o LED apagado.

Quando a carga do capacitor atinge um ponto em que a entrada da primeira porta reconhece como 1, todos os níveis se invertem e o LED acende.

A Porta NAND

Na função original, as portas NAND do 4011 operam com as entradas separadas.

Assim, o nível de saída dependerá da entrada, conforme a tabela verdade mostrada na figura 10.

Figura 10 – A função NAND

Temos então diversas possibilidades de aplicações lógicas, algumas dadas a seguir.

Uma delas é a mostrada na figura 11 em que estudamos o funcionamento da porta NAND segundo a tabela verdade analisada.

Figura 11 – Circuito para estudar a porta NAND

Neste circuito, com as chaves abertas, os níveis aplicados às entradas da porta são baixos (0).

Com as chaves fechadas os níveis são altos.

O LED indicará quando na saída temos um nível alto ou baixo.

Uma aplicação um pouco mais sofisticada para o 4011 é mostrada na figura 12.

Figura 12 – Timer com oscilador

Trata-se da combinação de um timer com um oscilador que aciona um LED fazendo-o piscar.

Neste circuito, quando fechamos S1 o capacitor começa a se carregar e enquanto o nível de tensão é interpretado como baixo pelo conjunto formado pelas três portas seguintes, que é um oscilador, permanece inibido.

Quando o nível de carga do capacitor passa a ser interpretado como 1, o oscilador entra em funcionamento e o LED passa piscar.

Alterando o capacitor, podemos fazer o oscilador gerar sinais na faixa de áudio e eles podem ser amplificados com um circuito como o mostrado na figura 13.

Figura 13 - Etapa de áudio

Para acionar um relé a partir dos níveis lógicos do 4011, podemos usar o circuito da figura14.

Figura 14 – Acionando um relé

Neste circuito relés de correntes até 100 mA podem ser acionados com o BC548 e até 500 mA com o BD135.

Veja que a tensão que alimenta o relé pode ser diferente da tensão que alimenta o 4011.

Conclusão

Estes são apenas alguns dos circuitos possíveis para uma aplicação do 4011.

No site e em nossos livros, o leitor encontrará centenas de aplicações práticas para este circuito integrado, bastando digitar 4011 na busca.