Chaves digitais sequenciais podem ser usadas em automatismos industriais, sistemas de segurança e em muitas outras aplicações importantes. As chaves que descrevemos ativam relés que podem ser acoplados a sistemas de controle externo utilizando 12 V de alimentação. Os dois circuitos práticos são bastante versáteis podendo ser modificados de modo a ampliar sua gama de utilização.
Descrevemos neste artigo duas chaves digitais que operam de modos diferentes, apesar de serem ambas baseadas em circuitos integrados digitais CMOS.
A primeira é uma chave digital sequencial que ativará um único relé, somente se as quatro chaves programadas forem pressionadas numa determinada sequência.
Esta configuração pode ser usada em sistemas de segurança ou como chave de código em alarmes. No caso mais simples temos um sistema de segurança para carro em que o dispositivo de ignição só será liberado se um determinado código for digitado num teclado, conforme mostra a figura 1.
Outras aplicações incluem o acesso a lugares reservados numa empresa em que a fechadura só será liberada se um código de quatro dígitos for teclado.
O segundo circuito consiste num sistema de chaves de prioridade com 3 relés, ativados por interruptores de pressão.
Este circuito opera de tal forma que somente um relé poderá ser ativado de cada vez. O pressionamento de um dos interruptores provoca o acionamento do relé correspondente, e ao mesmo tempo inibe o acionamento de qualquer dos outros dois relés do mesmo circuito.
Dentre as aplicações industriais temos a impossibilidade de se acionar uma determinada máquina caso outra estiver ainda em ação realizando uma operação.
Outra aplicação, para os que gostam de montar seus próprias sistemas de som, é na seleção por simples toque dos canais de entrada de um amplificador, numa espécie de chave seleta por toque.
Podemos usar também o mesmo circuito em testes e aulas onde cada competidor fica com um interruptor na mão e a um sinal, apenas aquele que apertou primeiro fará com que uma lâmpada indicadora acenda, ou ainda algum tipo de dispositivo seja acionado.
Este circuito, em sua versão básica, usa três relés, mas pode-se fazer sua ampliação, pois existem portas disponíveis nos integrados e que podem ser usadas para esta finalidade.
CIRCUITO 1
CHAVE SEQUENCIAL
Este circuito ativará um relé somente quando as quatro chaves (S1 a S4) forem pressionadas em sequência.
Se o circuito for usado em sistemas de segurança com acionamento a partir de um teclado, as teclas não usadas no código podem ser conectadas a um alarme.
O CIRCUITO
A base deste projeto é o circuito integrado 4013, que é formado por dois flip-flops do tipo D. São usados dois destes integrados, o que nos leva a um conjunto de 4 flip-flops que são ligados em série.
Todas as entradas "Clear" são unidas e ligadas à terra através de um resistor de 1 M# e ao positivo da alimentação através de um capacitor de 220 nF. A finalidade desta ligação é garantir que, ao ligarmos o circuito à alimentação todos os os flip-flops sejam ressetados e partam da mesma situação inicial, com suas saídas no nível 1 (HI), veja a figura 2.
Dependendo da aplicação, o resistor pode ser reduzido para 10 k# e o capacitor para 47 nF de modo a se obter um reset mais rápido.
Com o nível inicial de saída alto em todos os flip-flops, o relé atraca inibindo, por exemplo, a partida de um carro ou ainda mantendo desligada uma carga.
Para obtermos a desativação do relé e consequentemente a desinibição do sistema de ignição de um carro, ou ainda o desligamento de uma carga ligada aos contactos NF (normalmente fechados) do relé, precisamos levar a saída do quarto flip-flop da sequência (pino 1 de CI2) ao nível baixo (LO).
Para isso, temos de ativar sequencialmente as chaves S1 a S4, pois a cada pressionamento, habilitaremos o flip-flop seguinte de modo a obter a transferência de dados (pressionamento da chave) que levará sua saída ao nível 0 (baixo).
Veja que não adianta pressionar uma chave sem que a anterior tenha sido pressionada antes, pois o flip-flop não estará habilitado para mudar de estado sua saída. Isso torna obrigatório observar a sequência programada.
Observamos também que é possível inverter o funcionamento ativando o relé no final da sequência, bastando para isso fazer o acionamento do relé por um transistor PNP. Neste caso, o emissor do transistor vai ao positivo e o coletor ao relé.
MONTAGEM
O diagrama completo do primeiro circuito é dado na figura 3.
Na figura 4 é fornecida uma sugestão de placa de circuito impresso para esta montagem.
Sugerimos que antes de fazer a placa o leitor tenha em mãos todos os componentes, pois podem ocorrer variações de dimensões, principalmente no caso dos capacitores e do próprio relé, que admite equivalentes.
Na montagem é interessante usar soquetes para os circuitos integrados e, dependendo do tipo, também para o relé.
O diodo em paralelo com o relé serve de proteção do transistor evitando que os transientes gerados na comutação de uma carga fortemente indutiva como é sua bobina, causem problemas. Qualquer diodo de uso geral, de silício, pode ser usado nesta função.
Os interruptores de acionamento (S1 a S4) podem ser do tipo de pressão NA (normalmente abertos) ou, ainda, podem ser de um teclado onde as teclas que não fazem parte da programação seriam ligadas entre o positivo da alimentação e o Reset dos integrados (pinos 8 e 6) de modo a zerar o circuito em caso de erro.
Os capacitores eletrolíticos C1 e C2 devem ter a tensão mínima de trabalho indicada na lista de material.
O relé usado deve estar de acordo com a intensidade da corrente da carga que vai ser controlada. Na placa de circuito impresso demos a disposição de terminais para os relés DIL de 2 A, Metaltex, da série MCH ou equivalente, mas se outro tipo for usado, deverá ser feita alteração do desenho.
No sistema de imobilização de um veículo, os contactos do relé podem ser usados para conectar entre a bobina e a terra (platinado) um capacitor de 47 µF x 100 V, o que impedirá o funcionamento do sistema de ignição.
LISTA DE MATERIAL - Circuito 1
Semicondutores:
CI1, CI2 - 4013 - circuitos integrados CMOS (Flip-flops tipo D)
Q1 - BC548 ou equivalente - transistor NPN de uso geral
D1 - 1N4148 ou equivalente - diodo de silício de uso geral
Resistores: (1/8 W, 5%)
R1 - 1 M ohms
R2 - 470 k ohms
R3, R4, R5, R6 - 100 k ohms
R7 - 22 k ohms
Capacitores:
C1 - 22 µF/12 V - eletrolítico
C2 - 100 µF/12 V - eletrolítico
C3 - 220 nF - cerâmico ou poliéster
Diversos:
K1 - Relé de 12 V x 50 mA - Metaltex ou equivalente - ver texto
S1, S2, S3, S4 - Interruptores de pressão NA - ver texto
Placa de circuito impresso, soquetes para os circuitos integrados, caixa para montagem, fonte de alimentação, fios, solda, etc.
CIRCUITO 2
CHAVE SEQUENCIAL DE PRIORIDADE
Este circuito possibilita o acionamento de um único relé quando a chave correspondente for pressionada, inibindo o acionamento dos demais.
Para acionamento sequencial deveremos atuar na seguinte ordem sobre os interruptores do diagrama: S1, S4, S2, S4, S3, S4, S1, etc.
Podemos usar este circuito para o controle de mecanismos industriais que só admitam o funcionamento individual. Outra aplicação é em sistemas de iluminação de teatros onde o circuito pode controlar spots a partir de TRIACs.
O circuito é alimentado por uma tensão de 12 V, que pode vir de uma fonte com pelo menos 500 mA. Esta fonte deve ser estabilizada para maior segurança de operação.
COMO FUNCIONA
São usadas 6 portas NOR de 2 circuitos integrados 4001, ligadas duas a duas de modo a formarem flip-flops do tipo RS, como é mostrado na figura 5.
Quando a chave Reset é pressionada (S4), todos os flip-flops passam as saídas ligadas às bases dos transistores ao nível baixo (LO), de modo que todos os relés permanecem desenergizados. Esta é a situação inicial de funcionamento a que deve ser levado o circuito logo depois de ligado.
Quando qualquer um dos interruptores de pressão de S1 a S3 é pressionado, o flip-flop correspondente mudará de estado, levando sua saída ao nível alto, e com isso o relé correspondente terá sua bobina energizada.
Uma matriz de diodos atua no sentido de inibir a ativação dos outros relés ao mesmo tempo. Isso é conseguido porque ao ser ativado um relé, a matriz de diodos faz com que a tensão de base dos demais transistores caia praticamente a zero, desviando assim um eventual nível alto que lhes seja aplicado, para a terra.
MONTAGEM
Na figura 6 temos o diagrama completo deste aparelho.
Na figura 7 temos a nossa sugestão de placa de circuito impresso.
Esta placa foi feita em função de relés Metaltex da série MCH, que se adaptam a um soquete DIL de 14 pinos. Se outro tipo de relé for usado, deverá ser feita alteração no desenho da placa.
Os circuitos integrados devem ser instalados preferivelmente em soquetes DIL, de acordo com a pinagem. Os diodos podem ser de qualquer tipo de uso geral como os 1N4148, 1N914, etc.
As chaves de acionamento são interruptores de pressão do tipo normalmente aberto (NA), podendo até ser montadas em um teclado dependendo da aplicação.
A fonte deve fornecer uma corrente de pelo menos 500 mA com 12 V regulados. Na figura 8 temos uma sugestão de fonte de alimentação que serve para os dois projetos que apresentamos.
O circuito integrado regulador de tensão da fonte 7812 deve ser dotado de um pequeno radiador de calor. O transformador tem secundário de 12 ou 15 V, com corrente de 500 mA ou mais. O enrolamento primário deve ser de acordo com a tensão da rede de energia local.
Observamos não ser conveniente instalar os interruptores de acionamento muito longe do aparelho, dada a possibilidade de introduzirem ruído, o que causará o funcionamento errático das chaves. Neste caso será conveniente usar fio blindado.
LISTA DE MATERIAL - Circuito 2
Semicondutores:
CI1, CI2 - 4001 - circuitos integrados CMOS
D1 a D12 - 1N4148 ou equivalentes - diodos de silício de uso geral - ver texto
Q1, Q2, Q3 - BC548 ou equivalentes - transistores NPN de uso geral
Resistores:
R1, R2, R3, R7 - 150 k ohms
R4, R5, R6 - 10 k ohms
Diversos:
K1, K2, K3 - Relés de 12 V x 50 mA - Metaltex ou equivalente - ver texto
Placa de circuito impresso, material para fonte de alimentação, soquetes para os circuitos integrados, fios, caixa para montagem, etc.
