Experimentos de ciências com o 4093 (ART725)

Publicamos um livro inteiro sobre este, que é um dos mais versáteis de todos os circuitos integradosda linha CMOS. Suas quatro portas NAND disparadoras podem ser usadas de forma independente como osciladores, amplificadores digitais, monoestáveis ou ainda comparadores de tensão. Os projetos que descrevemos a seguir usam este circuito integrado proporcionando recursos para interessantes experimentos científicos para aulas de ciências, física, química e mesmo biologia. Nesta atualização de 2012 damos algumas atualizações importantes e sugestões.

O circuito integrado CMOS 4093 é formado por 4 portas NAND disparadoras num invólucro DIL de 14 pinos, com a pinagem mostrada na figura 1.

Pinagem do 4093

Cada uma das portas pode ser usada de forma independente, alimentada com tensões de 3 a 15 V e quando configuradas como oscilador operar em freqüências de até 7 MHz (10 V).

Os sinais de saída deste circuito correspondem a dois níveis lógicos: baixo (0 V) e alto (tensão de alimentação). A corrente fornecida/drenada é de 2,25 mA com alimentação de 10 V o que significa a possibilidade de excitarmos diretamente pequenos transdutores, LEDs ou etapas de potência com transistores.

Os projetos que descrevemos a seguir podem ser usados em demonstrações em sala de aula, para implementação de projetos de pesquisa ou como simples curiosidade para os que desejam aprender mais sobre eletrônica e circuitos.

Oscilador Controlado Pela Chama de um Fósforo

O oscilador mostrado na figura 2 tem sua freqüência controlada pela condutividade da chama de um fósforo, vela ou outro objeto que pegue fogo.

Oscilador controlado pela chama de um fósforo.

Com este circuito podemos demonstrar que a chama, que corresponde ao quarto estado da matéria (plasma) é condutora de eletricidade. Isso leva à possibilidade de usar circuitos como este como detectores de incêndio, chama piloto de sistemas de aquecimento e em outras aplicações onde fogo precise ser detectado.

No circuito, o capacitor C1 determina a freqüência do oscilador juntamente com Rx que é a resistência apresentada pela chama. Os valores são calculados de modo que a elevadíssima resistência, da ordem de várias dezenas de meg? de uma chama seja suficiente para gerar um tom de áudio.

O sinal gerado é amplificado digitalmente pela segunda porta do circuito e depois aplicado a um transdutor piezoelétrico que o reproduz. Deve ser usado obrigatoriamente esse tipo de transdutor ou então uma etapa amplificadora para alto-falante como mostra a figura 3.

Etapa amplificadora

O circuito pode ser alimentado por tensões de 6 a 9 V provenientes de pilha ou bateria. Na versão com tradutor o consumo é muito baixo.

A figura 4 mostra a placa de circuito impresso para a montagem desse circuito.

Sugestão da placa de circuito impresso.

Outra possibilidade, com finalidade mais didática é fazer a montagem numa matriz de contactos, conforme mostra a figura 5.

Sugestão de montagem em matriz de contatos.

O sensor de chama para formar Rx consiste em dois fios descascados, conforme mostra a mesma figura. A chama deve envolver os dois fios separados ao mesmo tempo para que a corrente passe através dela.

Para usar, ligue o circuito e acenda um fósforo colocando sua chama no sensor. Deve ser produzido um som no transdutor.

Bio-oscilador

A atividade biológica pode ser monitorada pelas variações de resistência que ocorrem quando dois eletrodos são usados para a sua monitoração. Com o circuito mostrado na figura 6, pequenas variações da resistência de um espécime podem ser detectadas pelas modificações da freqüência do som emitido pelo transdutor.

Bio -oscilador.

Podemos usar este circuito no laboratório de biologia ou ainda como um detector de mentiras experimental. Lembramos que, sob tensão, ao responder perguntas incriminadoras, a resistência da pele de uma pessoa muda e com isso o tom do som emitido. Para esta aplicação o sensor consiste em chapinhas de metal na qual o interrogado apóia os dedos.

A montagem do circuito pode ser feita numa matriz de contactos, conforme mostra a figura 7.

Sugestão de montagem em matriz de contatos.

A freqüência do som emitido vai depender do valor do capacitor. Valores entre 100 pF e 100 nF podem ser experimentados, conforme o tipo de experiência que está sendo realizada.

Uma idéia interessante é mostrada na figura 8, onde uma colônia de microorganismos, ao se desenvolver num copo com água, modifica sua condutividade elétrica e com isso a tonalidade do som emitido. À medida que a condutividade se torna maior (a resistência diminui) o som se torna mais agudo.

Experimento

A montagem deste circuito pode ser realizada numa matriz de contactos, já que se trata de circuito experimental. Os fios dos eletrodos não devem ser longos para que não sejam captados ruídos que instabilize o circuito.

O transdutor deve ser obrigatoriamente piezoelétrico de alta impedância ou então deve ser usada uma etapa transistorizada, como a mostrada no primeiro projeto, para excitar um pequeno alto-falante.

A alimentação pode ser feita com pilhas ou bateria e o consumo da unidade, para a versão com transdutor é muito baixo. A durabilidade das pilhas ou bateria se estenderá por meses.

Oscilador Controlado por Luz

O circuito mostrado na figura 9 pode ser usado para demonstrar como sensores foto-elétricos funcionam ou ainda de que modo as s cores de uma fonte excitam o circuito de forma diferente.

Oscilador controlado por luz

Outra aplicação interessante é como um comparador de tonalidade e ainda para demonstrar que luz invisível (infravermelho) pode ser sensoriada pelo LDR usado como sensor, mas não é percebida pelos nossos olhos.

O que temos um oscilador em que a freqüência depende tanto do valor do capacitor usado (que pode ficar entre 1 nF e 47 nF) como da resistência apresentada pelo LDR. A resistência apresentada pelo LDR é muito baixa quando ele é iluminado e, extremamente elevada no escuro.

Isso significa que o som produzido pelo oscilador vai ser tanto mais agudo quanto maior for a intensidade da luz que incidir no sensor LDR.

Experiências com diversas intensidades de luz, filtros e materiais translúcidos podem ser implementadas nos cursos de ciências, física, etc.

A montagem do circuito pode ser feita com base numa matriz de contactos conforme mostra a figura 10.

Montagem em matriz de contato.

O sensor é um LDR redondo comum de qualquer tipo. O valor de C1 deve ser obtido experimentalmente. Para trabalhar com maior intensidade de luz, usamos valores maiores.

Da mesma forma que nos projetos anteriores, se for usado um alto-falante ele deve ser conectado através de uma etapa amplificadora como a mostrada no primeiro projeto.

A alimentação do circuito pode ser feita com 4 pilhas pequenas ou bateria de 9 V.

Montando um Capacitor

Podemos montar um capacitor usando folhas de alumínio e um papel e usá-lo num circuito eletrônico para determinar a sua freqüência de funcionamento. Isso é conseguido utilizando-se o circuito mostrado na figura 11.

Circuito para teste de capacitor experimental.

O capacitor é "fabricado" enrolando-se duas folhas de papel alumínio juntamente com duas folhas de papel, conforme mostra a figura 12.

Enrolamento do capacitor.

A capacitância que o capacitor vai apresentar depende do tipo de papel usado e das dimensões das folhas de alumínio, estando na faixa de alguns nanofarads o que é suficiente para fazer com que o oscilador gere um sinal na faixa de áudio.

Esse sinal é amplificado e aplicado ao transdutor, de modo a haver reprodução de som. Podemos entretanto, ajustar o potenciômetro P1 para que a freqüência do sinal gerado fique ainda mais baixa e com isso faça o LED piscar.

O circuito pode ser montado numa matriz de contactos, com a disposição de componentes mostrada na figura 13.

Montagem em matriz de contato.

A alimentação vem de 4 pilhas pequenas ou de uma bateria de 9 V. Se for usado alto-falante, deve ser empregada uma etapa amplificadora com transistores, como a mostrada no primeiro projeto.

Podemos usar este circuito numa aula de física sobre capacitores, onde cada aluno deve construir seu próprio capacitor. Usando materiais diferentes como dielétrico como folhas de plástico, papel mais fino, etc pode-se mostrar de que modo a capacitância altera. Maiores capacitâncias fazem com que o som gerado seja mais agudo, ou as piscadas do LED mais rápidas.

Não use papel molhado ou úmido e tome cuidado para que não haja contacto entre as folhas de alumínio usadas como armaduras.

Ajuste o som produzido ou a freqüência das piscadas do LED no potenciômetro.

Outros artigos com o 4093, na verdade, muitos deles, podem ser encontrados no nosso site em seções como ARtigos, Banco de Circuitos e Circuitos Simulados.

* Como os capacitores armazenam energia (MEM171)