Luzes Sequenciais (ART2757)

Este projeto é de 1978, mas é ainda atual, principalmente pelo fato de ter uma finalidade didática com a aplicação de circuitos integrados TTL. O circuito excita lâmpadas incandescentes com boa potência e chegou a ser vendido na forma de kit na época de sua publicação.

Para os que não sabem, começamos nosso artigo explicando o que é um conjunto ou jogo de luzes sequenciais. Trata-se de um circuito que faz lâmpadas enfileiradas acenderem em sequência, ou seja, uma depois da outra sempre no mesmo sentido, dando a impressão para quem olha que a "luz" emitida corre de uma para outra numa velocidade que dependerá cio ajuste do aparelho (figura 1).

Figura 1 – O efeito sequencial

No nosso circuito teremos uma sequência de 4 lâmpadas, ou 4 saídas que serão acionadas em sequência de modo que de cada conjunto de 4 lâmpadas teremos em cada instante apenas uma acesa. A sequência de acendimentos é dada na figura 2.

Figura 2 – Sequência de acendimento

Como o circuito pode ser estendido, podemos ter diversos conjuntos de 4 lâmpadas, de modo que teremos quando em funcionamento, diversas lâmpadas “correndo".

O circuito que controla a velocidade com que as lâmpadas correm permitirá um ajuste de tal modo que o ciclo completo vá desde 4 ou 5 segundos até uma velocidade maior de 0,1 ou 0,2 segundos por ciclo.

Mesmo usando alguns circuitos integra- dos, a montagem deste sistema de luzes sequenciais não oferecerá maiores dificuldades ao técnico ou hobista experiente.

Todos os componentes são comuns no nosso mercado e seu custo bastante acessível.

Com o circuito de controle montado numa caixa de boa aparência e a fieira de lâmpadas instalada de modo a permitir o seu fácil transporte (para o caso de bailes) o leitor poderá levar para onde quiser seu sistema, instalando-o com facilidade em pouco tempo.

COMO FUNCIONA

O problema básico para termos um sistema de luzes sequenciais é de se fazer um circuito que produza sinais de saída em sequência capazes de acender as lâmpadas, em velocidade que possa ser controlada e de maneira ordenada. Os sistemas mecânicos podem fazer isso com facilidade segundos ilustra a figura 3.

Figura 3 – Sistema sequencial mecânico

Um cilindro cheio de contactos colocados em progressão gira em velocidade constante. Os contactos fixos ligam então as lâmpadas externas de maneira progressiva obtendo-se os resultados desejados.

Para o caso da eletrônica, fazer com que os mesmos efeitos sejam obtidos sem o uso de sistemas mecânicos ou peças móveis exige certo cuidado. Para melhor entender como podemos fazer isso no caso de nosso projeto prático, ele será dividido em três setores:

a) O circuito que fornece a base de tempo, ou seja, que determina a velocidade com que é feita a troca das lâmpadas acesas.

b) O circuito "sequenciador" que em cada pulso solta um sinal de excitação numa saída diferente, na sequência desejada.

c) O circuito excitador que aciona as lâmpadas

O diagrama de blocos para nossa análise é dado na figura 4.

Figura 4 – Diagrama de blocos

O primeiro circuito deve simplesmente gerar pulsos de excitação em velocidade que possa ser controlada, determinando estes pulsos o tempo que cada lâmpada da sequência permanecerá acesa.

Trata-se simplesmente de um oscilador que deve caracterizar-se por duas coisas: ter uma faixa de frequências bastante ampla, capaz de varrer desde as pequenas velocidades até as grandes velocidades, e ainda ter uma saída compatível com as características de entrada do circuito seguinte.

No caso, optamos pelo versátil CI 555 o qual permite relações de frequências de 1:100 ou mais, sem a necessidade de chaves comutadoras. Com isso, um único potenciômetro permite uma faixa ampla de velocidades possíveis. Por outro lado, a saída deste circuito é perfeitamente compatível com a entrada da etapa seguinte que usa integrados TTL (figura 5).

Figura 5 – Oscilador 555

O segundo circuito é formado primeiramente por 2 flip-flops TTL, o 7474 que é capaz de "contar até 4", fornecendo uma saída em binário.

Para cada pulso de entrada os flip-flops fornecem em suas saídas tensões que podem ser associadas a um número de 0 a 3. Por exemplo, partindo de uma situação inicial (0) em que nas saídas de cada flip-flop não temos tensão (0 e 0 portanto), no primeiro pulso, teremos uma mudança do primeiro que passará a 1.

Para o pulso seguinte, o primeiro volta ao 0 e o segundo passa a 1, e no terceiro pulso, os dois estarão com saída 1. O pulso seguinte leva o circuito a sua situação inicial de 0 e 0, ou seja, sem sinal na saída (figura 6).

Figura 6 – O 7474

Com 0 significando ausência de tensão de saída e com 1 significando a presença de tensão de saída podemos fazer a seguinte tabela para este circuito: pulso de entrada saída 1 saída 2

 

É claro que esta saída representa os números de 0 a 3 em binário devendo, portanto, haver uma decodificação dos mesmos de modo a termos 4 saídas, numeradas de 1 a 4, correspondendo um sinal presente em apenas uma delas para cada situação dos flip-flops. Esta decodificação é feita por um circuito integrado TTL, 7400 formado por 4 portas NAND conforme se segue:

Cada porta NAND que forma o 7400 possui duas entradas funcionando de maneira que, quando nas duas entradas não houver excitação (sinal 0) haverá a presença de um sinal na saída (1). Basta que uma das entradas de cada porta ou as duas entradas sejam excitadas para que na saída o sinal seja 0.

Podemos melhor expressar este comportamento de cada porta por meio de uma tabela:

 

Voltando agora aos flip-flops para podermos usa-los de modo a decodificar a informação em binário temos de levar em conta que, em cada flip-flop existem duas saídas: quando uma se encontra com um sinal 0 a outra obrigatoriamente se encontra no nível oposto (1) e vice-versa.

Isso será necessário levar em conta porque, para cada situação das 4 possíveis, em sequência, devemos ligar cada uma das 4 portas nas saídas dos flip-flops que estejam no nível 0.

Por exemplo, para disparar a primeira lâmpada, por meio da primeira porta, quando as saídas dos flip-flops são 0 e 0, podemos ligar as entradas das portas diretamente as saídas normais dos flip-flops.

No caso da segunda lâmpada que deve acender com a saída 1 e 0, não podemos manter as mesmas ligações. Devemos então ligar as entradas da porta correspondente a saída negativa do segundo flip-flop a uma entrada da porta e a outra saída normal do segundo flip-flop à entrada da porta, conforme mostra a figura 7.

Figura 7 – Ligação do decodificador

Em suma, devemos sempre pegar os níveis 0 dos flip-flops para as 4 situações para fazer a decodificação.

A tabela dada a seguir mostra a situação:

 

Isso significa que cada porta do integrado 7400 tem duas ligações ao circuito integrado 7474 formado por dois flip-flops e a maneira como essas portas são ligadas determina a sequência do acendimento das lâmpadas.

Temos então, de acordo com o pulso de entrada da base de tempo apenas uma saída de cada vez em cada porta, sendo estas usadas para excitar a etapa seguinte que é a etapa de potência (figura 8).

Figura 8 – Etapa de potência

A etapa seguinte, a última é a etapa de potência formada por um grupo de 4 transistores, os quais a partir do sinal de cada porta, de pequena intensidade permitem a obtenção de uma corrente suficiente para excitar um grupo de lâmpadas.

Na versão para pequenas lâmpadas de 5 V optamos pela utilização dos transistores BC557 que trabalha com 50% de folga, fornecendo uma corrente de até 250 mA. Veja, que, com essa corrente, utilizando lâmpadas do tipo 7121 i(Philips) que consomem apenas 50 mA, pode-se em cada transistor ligar 5 unidades, de modo que o sistema poderá funcionar com até 20 lâmpadas (figura 9).

Figura 9 – Acionando pequenas lâmpadas (ou LEDs)

Para a versão de alta potência, na saída de cada transistor, colocamos uma lâmpada para monitorar o sinal, e desta lâmpada tiramos o sinal para excitação de SCRs.

Teremos, portanto, 4 SCRs, cada um controlando um. grupo de lâmpadas (figura 10).

Figura 10 – Etapa de alta potência

Utilizando o SCR C106 ou MCR106 cuja corrente máxima é de 4A, podemos na rede de 1 10 V ter cerca de 2140 W por SCR e na rede de 220 V cerca de 880 W.

Se usarmos pequenas lâmpadas de 5 W (coloridas) isso significa que na rede de 110 V podemos alimentar 80 lâmpadas, por SCR ou 320 lâmpadas no conjunto, e na rede de 220 o dobro da quantidade!

Nós pessoalmente, recomendamos que se trabalhe com “folga" não se utilizando mais do que a metade da capacidade de cada SCR, o que acreditamos já ser mais do que suficiente para se obter os efeitos desejados.

No nosso circuito, como os integrados TTL funcionam com uma tensão de alimentação de 5 V, para sua operação devemos ter uma fonte que forneça esta tensão para os mesmos.

Com a utilização de lâmpadas de 6 V essa mesma fonte pode servir para sua alimentação, quando então as mesmas trabalharão também com um pouco de folga. Neste caso a fonte deve fornecer uma corrente de pelo menos 250 mA que será a corrente exigida no máximo pelo circuito.

Para o caso da excitação dos SCRs, quando então as lâmpadas de 6 V serão em número de apenas 4, ficando apenas uma acesa de cada vez, a fonte para os integrados deve ser separada, podendo ser menor (fornecendo apenas 60 mA). Veremos no texto como podemos substituir as lâmpadas usadas na monitoria por LEDs.

MONTAGEM

Para a parte do circuito formada por circuitos integrados, a montagem pode ser feita em placa de circuito impresso, ou então, como o circuito não é crítico até mesmo em ponte de terminais.

Os SCRs por outro lado, em vista da potência que devem fornecer, podem ser montados em ponte de terminais e dotados de dissipador de calor.

Na figura 11 temos o diagrama para a versão de lâmpadas de 6 V, a na figura 12 a etapa de potência que será usada com lâmpadas de 110 V ou 220 V conforme seja a sua rede.

Figura 11 – Versão para lâmpadas de 6 V

Figura 12 – Versão com SCRs

Para a utilização da versão da figura 12, as suas entradas são ligadas em cada lâmpadas do circuito a figura 11, nos pontos indicados, e então devemos deixar no circuito da figura 11 apenas uma lâmpada para cada transistor, ou então ligar LEDs indicadores conforme sugere a, mesma figura.

A placa de circuito impresso será utilizada na montagem dos circuitos integrados e dos transistores excitadores sendo esta fornecida na figura 13.

Figura 13 – placa de circuito impresso

Os SCRs deverão ser montados numa ponte de terminais dotados de dissipadores de calor, conforme sugere a figura 14.

Figura 14 – Montagem dos SCRs | Clique na imagem para ampliar |

Para a versão completa em ponte de terminais, dada na figura 15, para os circuitos integrados utilizamos suportes os quais por meio de fios rígidos são sustentados em posição de funcionamento.

Figura 15 – Versão completa em ponte (não recomendada atualmente) | Clique na imagem para ampliar |

Duas pontes de terminais paralelas permitem uma fácil ligação destes componentes.

A fonte de alimentação para a versão de lâmpadas de 6 V deve fornecer uma corrente da ordem de 500 mA, enquanto que para a versão para a rede de alimentação essa mesma fonte pode ser mais fraca fornecendo uma corrente de apenas 60 mA.

Na montagem, os principais cuidados que devem ser tomados são os seguintes:

a) Escolhida a versão (110 V, 220 V ou 6 V para as lâmpadas) arranje uma base de madeira para a montagem ou caixa.

b) Monte em primeiro lugar a fonte de alimentação para as etapas integradas, observando o máximo de cuidado em relação ao seu isolamento e a polaridade dos componentes usados. A entrada desta fonte deve ser protegida por um fusível de 1 A na versão de 6V e por um fusível de 5 A nas versões de 1 10 V e 220 V. A mesma chave que aciona esta fonte também será usada para ligar a alimentação da rede para as lâmpadas na versão de alta tensão.

c) Em seguida, monte o circuito sequencial, na versão em placa de circuito impresso ou em ponte de terminais. Para os dois casos observe cuidadosamente a posição dos integrados e confira duas vezes todas as ligações antes de instalar em definitivo a placa na base de montagem. Para o caso da placa de circuito impresso, esta pode ser mantida suspensa por meio de separadores, conforme mostra a figura 16.

Figura 16 – Montagem da placa com separadores

No caso da versão em, pontes de terminais, estas podem ser fixadas na própria base de montagem. O potenciômetro que controla a velocidade do sequencial deve ser instalado em local acessível no painel do aparelho. Na versão de alta potência não e conveniente usar o interruptor do potenciômetro para o controle da alimentação, devendo de preferência ser usada uma chave separada.

d) Terminado o circuito sequencial, monte o circuito de potência se a sua versão for para a rede. No caso da versão de 6 V da placa ou saída do circuito sequencial já podem ser retiradas as ligações para as lâmpadas. No caso da versão para a rede, as ligações vão para a entrada do circuito excitador. Os SCRs deste circuito devem ser montados em dissipadores de calor, principalmente se o número de lâmpadas a ser usado for elevado. Observe cuidadosamente na ligação destes componentes a sua posição, e a posição do diodo ligado ao gate (g).

Os fios usados nas conexões de alta tensão, ou seja, entre o anodo e o catodo do SCR devem ser mais grossos que os normalmente usados nas outras ligações. Enquanto que em todo o circuito você pode usar cabinho fino para transistores, na ligação no SCR deve ser usado fio flexível 18 ou 22.

e) A parte final do projeto consiste em se instalar as ligações externas para as lâmpadas. Na figura 17 temos a maneira como as lâmpadas devem ser ligadas.

Figura 17 – Ligações das lâmpadas

Temos duas possibilidades: as lâmpadas podem ser fixadas em tábuas finas, ligadas Conforme mostra a mesma figura, ou formadas fileiras do tipo usado em árvores de Natal. Em qualquer caso lembramos que são necessários 5 fios condutores para este tipo de ligação.

O fio usado não deve ser excessivamente fino nem muito longo. O comprimento máximo para cada fileira está em torno de 20 metros. Acima deste valor, as lâmpadas tendem a enfraquecer.

f) Um fusível e um sistema indicador de funcionamento externo são importantes para completar a montagem. O sistema de monitoria pode ser formado por 4 lâmpadas pequenas de 6 V ou então 4 LEDs.

AJUSTE E USO

Completada a montagem, confira todas as ligações, verificando principalmente se não existem ligações mal feitas ou fios em curto. Observe os parafusos de fixação das pontes, se não fazem contacto com nenhum ponto do circuito.

Estando tudo em ordem, coloque um fusível no seu suporte, e sem ligar as lâmpadas externas, ligue o aparelho. As lâmpadas usadas na monitoria devem imediatamente piscar em sequência. Acione o potenciômetro verificando sua atuação na velocidade de acendimento das lâmpadas.

Se alguma lâmpada falhar, verifique as ligações no circuito, pois pode haver algum problema de mau contacto ou então ligações erradas.

Se a sequência estiver invertida, faça as correções que sejam necessárias, trocando os fios das lâmpadas.

Estando tudo em ordem, ligue na versão de 110 V ou 220 V uma lâmpada em cada saída, conforme mostra a figura 18.

Figura 18 – Circuito de teste

As lâmpadas devem então acender acompanhando o piscar das lâmpadas usadas na monitoria do sinal.

Você pode então preparar suas fileiras de lâmpadas, ou seu anúncio luminoso e ligá-lo ao sequenciador. Para a versão de 6 V você pode fazer o mesmo, lembrando sempre a limitação de corrente do aparelho.

Na versão de 110 V ou 220 V uma carga excessiva pode queimar os SCRs (e/ou fusível) e na versão de 6 V uma carga excessiva pode queimar os transistores.

Observação: para velocidades maiores ou menores, o capacitor C1 pode ter seu valor alterado.

Um efeito muito interessante pode ser obtido com duas sequências correndo em sentidos contrários.

Artigo publicado originalmente em 1978