No nosso Curso de Eletrônica – Eletrônica Analógica estudamos de que modo funcionam os circuitos de tempo RC e como calculá-los. Naquela oportunidade, anunciamos a enorme utilidade prática de tais circuitos que aparecem numa infinidade de projetos. Alguns projetos podem ser elaborados com facilidade e mostram bem a utilidade de tais circuitos. Focalizaremos então dois tipos básicos de circuitos que se baseiam na constante de tempo RC, os osciladores de relaxação e os timers ou temporizadores.
Osciladores da Relaxação
Um oscilador pode ser definido como um circuito que produz um sinal de forma de onda e frequências definidas.
Para obtermos as oscilações, podemos aproveitar as propriedades elétricas de diversos dispositivos como, por exemplo, a amplificação de transistores e válvulas, ou então a resistência negativa de uma lâmpada neon, SCR ou mesmo transistor unijunção.
O que é resistência negativa?
Se tomarmos a curva característica de uma lâmpada neon, conforme mostra figura 1, vemos que sua resistência é constante numa ampla faixa de tensões, no sentido de que, à medida que a tensão aumenta a corrente também aumenta, porém numa taxa muito pequena.
No entanto, existe um ponto em que ocorre a ionização, e com esta ionização uma alteração tanto na tensão manifestada entre os terminais desta lâmpada como na corrente circulante.
A tensão cai, e a corrente aumenta, o que significa uma “resistência negativa".
Um transistor unijunção manifesta o mesmo comportamento, na tensão em que ocorre seu disparo, conforme mostra a figura 2.
Quando a tensão no emissor (E) do transistor atinge um certo valor, a resistência manifestada, que até então era muito alta, se reduz repentinamente a um valor mínimo.
A utilização como componente básico num oscilador de lâmpadas neon ou transistores unijunção é muito interessante.
Um resistor e um capacitor formam a rede de tempo. Quando o circuito é ligado, o capacitor carrega-se através do resistor até o ponto em que atinge o disparo do elemento de resistência negativa (lâmpada neon ou transistor unijunção).
Neste momento, a resistência baixa se manifesta e provoca a descarga do capacitor.
Com a descarga, o elemento volta à condição de alta resistência e um novo ciclo se inicia. (figura 3)
Neste ciclo de carga e descarga temos então uma forma de onda como mostra a figura 4.
A subida corresponde a uma função exponencial dada pela carga do capacitor, segundo estudamos nas lições teóricas.
A descarga, igualmente, corresponde a uma curva exponencial, mas de declividade maior, já que a resistência manifestada nesta parte do ciclo também é menor.
Com o conhecimento da capacitância e das resistências envolvidas podemos calcular os dois ciclos (carga e descarga),e com isso a frequência do oscilador.
A seguir, damos alguns projetos simples que permitem entender melhor como funcionam os osciladores de relaxação.
O nome pode ser explicado pelo próprio princípio de funcionamento: depois de uma carga "tensa", quando ocorre o disparo, o circuito descarrega relaxando-se assim.
1.Pisca-Pisca Neon
Esta é montagem mais simples de um oscilador de relaxação.
Na figura 5 temos o circuito completo cujo funcionamento pode ser explicado da seguinte maneira:
O diodo D1 e o resistor R1, juntamente com C1, constituem a fonte de alimentação que permite obter da rede local de 110 V uma tensão contínua da ordem de 150 volts.
Este valor, conforme devem recordar os leitores, corresponde ao valor de pico da tensão que, retificada, carrega o capacitor (em 220 V teremos aproximadamente 300 V).
Esta tensão é aplicada no oscilador propriamente dito que tem a sua rede RC formada por R2/P1 e por C2.
C2 carrega-se então exponencialmente através de R2/P1, até ser atingida a tensão de disparo da lâmpada neon.
Veja que ela está ligada em paralelo com o capacitor. Para as lâmpadas neon comuns esta tensão está em torno de 80 volts.
Quando ocorre o disparo, a lâmpada “acende" descarregando o capacitor num "flash" de luz.
A descarga do capacitor não chega a ser total, pois abaixo de 60 V, aproximadamente, o gás deixa de› conduzir a corrente no interior da lâmpada e ela apaga.
Obtemos uma curva, como mostra a figura 6, e um novo ciclo recomeça.
A frequência das piscadas, ou seja, do ciclo de carga e descarga, pode ser ajustada no potenciômetro.
Cálculos: podemos estabelecer algumas fórmulas para descrever o funcionamento deste circuito.
Assim, com certa aproximação, podemos calcular a frequência de operação deste oscilador com a fórmula:
f = 1/1,1 x R x C
Veja que, com um capacitor de 1 uF (10-6F) e um potenciômetro ajustado no máximo, 4M7 (4,7 x 106), obtemos:
F = 1/1,1 x 10-6 x 4,7 x106
f = 1/5,17
f = 0,19 Hz
Na figura 7 temos a realização prática da montagem numa ponte de terminais.
O capacitor C1 deve ser eletrolítico para pelo menos 350 V, e C2 deve ser de poliéster para 100 V ou mais.
2. Oscilador de Relaxação com Unijunção
Uma versão de oscilador com unijunção pode ser montada conforme o diagrama da figura 8.
Neste circuito, o funcionamento éo0 seguinte: o capacitor C1 carrega-se através de R1/P1 até ser atingida a tensão de disparo do transistor unijunção (variando entre 0,4 e 0,7 da tensão de alimentação).
Com o disparo reduz a resistência entre o emissor e base B1 do transistor unijunção ocorrendo a descarga do capacitor via R3.
A descarga vai até o ponto em que o transistor "desliga” com a elevação da resistência entre 0 emissor e B1 e um novo ciclo de carga se inicia.
Pelos valores dos componentes usados, o circuito opera na faixa de áudio-frequência. Assim, com a amplificação pelo transistor Q2 podemos ter um sinal suficientemente intenso para ser levado a um alto-falante.
O resultado é um som contínuo que pode ser usado em diversas aplicações.
Com um interruptor de pressão temos um sistema de chamada ou aviso. Se for usado um relé com sistema próprio de disparo, teremos um alarme.
Na figura 9 temos a montagem do circuito numa ponte de terminais.
Cálculos: a frequência deste oscilador depende de P1, R1 e C1, sendo dada
pela seguinte fórmula:
f = 1/R x C
Podemos ver que na posição de mínima resistência temos:
f=1/10 x103 x 33 x10-6
f=1/330 x10-6
f= 3,03 x10-3 x106
f = 3030 Hz
Na posição de máxima resistência temos:
f=1/110 x103 x 33 x10-9
f= 1/3300 x 10-6
f = 303 Hz
O nosso oscilador pode, então, cobrir a faixa de 303 Hz a 3 030 Hz ajustando- se simplesmente P1.
Uma característica importante deste circuito é sua pequena sensibilidade à variação da tensão de alimentação,
Assim, mesmo na alimentação com 9 ou 12 V, a frequência calculada variará muito pouco.
3. Timer
Uma outra aplicação importante dos circuitos RC é como base para temporizadores ou timers. (figura 10)
Este circuito funciona da seguinte maneira: quando ligamos a unidade na rede de 110 V, o capacitor C1 de 1 a 10 uF carrega-se com uma tensão de 150 volts aproximadamente.
Imediatamente, desligamos o aparelho da rede, iniciando-se a descarga lenta do capacitor através do resistor R1, de P1e da lâmpada neon que se mantém acesa durante o processo.
A lâmpada neon permanecerá acesa até o instante em que a tensão no capacitor atingir o ponto de manutenção, ou seja, aproximadamente 60 volts, quando então ela apaga.
Pela curva de descarga do capacitor podemos saber, aproximadamente, quanto tempo demora entre o instante em que desligamos a unidade da rede (partida) e o instante em que a lâmpada apaga.
Este tempo pode ser ajustado pela variação de P1, um potenciômetro que pode ser calibrado em termos de tempo.
A montagem em uma ponte de terminais é mostrada na figura 11.
O cálculo aproximado do tempo pode ser dado pela própria constante de tempo RC:
t = R x C
No caso de 10 uF e 4M7 temos:
t= 4,7 x106 x 10 x10-6
t= 47 segundos
Na prática obtemos menos, pois existem fugas naturais entre as armaduras dos eletrolíticos que aceleram a descarga.
4. Timer transistorizado
Ainda tendo por base uma rede RC, apresentamos um interessante circuito temporizador. (figura 12)
O funcionamento é o seguinte: quando apertamos S1, o capacitor C1 carrega-se com a tensão da bateria (6 V), passando em seguida a descarregar-se via R1, R2 e pelos circuitos de base dos transistores além de R3 e o LED..
A pequeníssima corrente de descarga é amplificada pelos transistores, de modo que, em R3 e no LED temos a soma da corrente de descarga do capacitor com as correntes de emissor dos transistores.
A velocidade de descarga não depende somente de R1, R2 e R3, além do LED. neste circuito. Os transistores estão ligados numa configuração chamada Darlington em que se obtém um enorme ganho de corrente e também uma elevação da impedância de entrada.
Assim, o fator de ampliação dos transistores, da ordem de 200 vezes, fica multiplicado por ele mesmo, obtendo-se um ganho de 40 000 vezes!
A impedância de entrada será dada por este número multiplicado por 330 ohms que é aproximadamente a resistência de carga do circuito.
Temos então uma resistência de 13,2 M ohms, aproximadamente, por onde se faz a descarga do capacitor. O resistor de 100 k pouco influi no circuito conforme será constatado pelo montador.
Com 2,2 uF e 13,2 M obtemos um tempo de descarga muito longo, que pode ser calculado aproximadamente pela fórmula:
T = R x C
T = 2,2 x10-6 x 13,2 x106
T = 29,04 segundos
Na prática podemos obter bem mais por dois motivos: o primeiro é porque o ganho do BC548, na realidade, varia entre 125 e 800, e se o leitor “pegar” dois de ganho alto (500, por exemplo), em lugar do fator 40 000 no cálculo da resistência, teremos 250 000.
O segundo fator é que o LED não apaga propriamente repentinamente, mas sim gradualmente, o que nos leva a um “mínimo" bem além do valor da constante de tempo.
Na figura 13 temos a montagem deste circuito experimental numa ponte de terminais.
Valores de capacitores maiores para C1 permitem obter longos intervalos de tempo. Experimente!
5. Timer integrado
O timer que damos no final é bem mais preciso que os demais, operando a partir de um integrado 555. (figura 14)
Seu funcionamento é o seguinte: quando pressionamos S2, o integrado dispara, ocorrendo a comutação que acende o LED.
O pino 3 do integrado passa a ter uma tensão positiva.
O tempo em que esta tensão permanece disponível no LED depende da constante de tempo dada por P1, R2 e o capacitor.
A fórmula para monoestável 555 é a seguinte:
T = 1,1 x R x C
Assim, para o nosso timer temos os seguintes limites:
a)Tempo mínimo:
T=1,1 x 10 x 103 x100 x10 -6
T=1100 x10-3
T = 1,1 segundo
b) Tempo máximo
T =1,1x106 x100 x10-6
T = 110 segundos
Valores para o capacitor acima de 1000 uF não são aconselháveis pois podem ocorrer fugas, que instabilizam o funcionamento.
Na figura 15 temos a sugestão de placa de circuito impresso para esta montagem.
