CI 555

CIRCUITO INTEGRADO 555

     O circuito integrado 555 foi lançado no mercado por volta de 1973 e de lá para cá seu campo de aplicação foi expandido de maneira assustadora.

     Normalmente o CI 555 se apresenta na forma DIL (Dual In Line : duplo em linha) de 8 pinos ou na forma circular, como é mostrado na figura 1. A identificação dos pinos é feita a partir da marca (meio circulo) e no sentido anti-horário.

Figura 1 - Pinagem do CI 555.

     Internamente, o CI 555 é constituído por três resistências de mesmo valor ôhmico (5KΩ), dois comparadores de tensão, um flip-flop RS, um amplificador inversor e um transistor que é comandado, através da base , pela saída Q do flip-flop.

     Na figura 2 é apresentada a estrutura interna, em diagrama de blocos, do CI 555.

Figura 2 - Estrutura interna, em diagrama de blocos do CI 555.

     Pelo divisor de tensão, podemos notar que a tensão aplicada ao comparador superior é 2/3 de Vcc e a tensão aplicada ao segundo comparador é 1/3 de Vcc, tornando-se ,assim, a tensão de referência para cada um dos comparadores.

     O comparador superior é sensível a tensões superiores a 2/3 de Vcc aplicadas a sua entrada (não inversora) pino 6.

     O comparador inferior é sensível a tensões inferiores a 1/3 de Vcc aplicadas a sua entrada( inversora) pino 2.

     Os comparadores fornecem sinais de disparo ao flip-flop, quando a condição pertinente de cada um for atingida.

     O circuito em repouso, a saída Q assume valor próximo da alimentação e esta tensão faz com que o transistor sature, aterrando o pino 7. O nível alto (high) da saída Q também é aplicado ao amplificador inversor , cuja finalidade é aumentar o poder de manipulação da corrente de saída ( pino 3) ,consequentemente a saída apresenta nível baixo.

     Quando aplicamos ao pino 2 uma tensão inferior a 1/3 de Vcc, iremos atuar o comparador inferior que irá setar o circuito: levar a saída (pino 3) para nível 1. A saída permanecerá em nível 1 mesmo que a tensão no pino 2 volte a ficar superior a 1/3 de Vcc.

     O nível lógico de saída mudará de alto para baixo , quando o primeiro comparador for atuado, pois este é responsável pelo reset do circuito. Isto acontece quando o pino 6 tiver uma tensão superior a 2/3 de Vcc.

     Outra forma de levar a saída para zero é através do pino 4 (pino de reset) que atua com nível zero e tem prioridade sobre os demais.

     O CI 555 opera com uma faixa ampla de tensão : 5Vcc a 15Vcc, tornando este CI compatível com a família TTL e com a família CMOS.

1. CONFIGURAÇÃO MONOESTÁVEL COM O CI 555

Figura 3 - Configuração monoestável com o CI 555

     No pino 2 foi colocado um resistor para garantir uma tensão maior do que 1/3 de Vcc, com isto o circuito encontra-se resetado, levando o transistor a saturação, impedindo a carga do capacitor e a saída permanece em nível zero. O circuito permanecerá nesta situação até o momento em que acionamos a chave, jogando, portanto , nível zero no pino 2 e o comparador inferior irá realizar o set do circuito: levará a saída para nível lógico alto.

     O transistor entrará em corte, liberando a carga do capacitor através dos resistores. Quando o capacitor atingir uma tensão superior a 2/3 de Vcc, o comparador superior realiza o reset do circuito (saída para nível lógico baixo). Ao mesmo tempo o transistor vai a saturação, fazendo que ocorra a descarga do capacitor.

O período de temporização deste circuito pode ser calculado através da seguinte expressão:

T=R.C. ln ( Vcc - Vi )

(Vcc - Vp)

Onde:

Vcc: tensão de alimentação do circuito.

Vi: tensão inicial do capacitor.

Vp: tensão de disparo do comparador.

2. CONFIGURAÇÃO ASTÁVEL COM O CI 555

Figura 4 - Configuração astável com o CI 555.

     No instante inicial a tensão no capacitor é zero e isto faz o comparador, responsável pelo set, atuar. Desta forma, a saída assume nível alto e o transistor interno vai ao corte, liberando a carga do capacitor, ligado ao pino 6 e 2, através dos resistores R1 e R2.

     Quando a tensão no capacitor atingir um valor superior a 2/3 de Vcc, leva o comparador superior a resetar o circuito. A saída, portanto, assume nível lógico baixo e o transistor interno satura, permitindo a descarga do capacitor através do resistor R2.

   Quando a tensão do capacitor ficar inferior a 1/3 de Vcc, o comparador inferior volta a ser acionado, levando a saída novamente para nível alto e cortando o transistor interno, possibilitando o capacitor começar a carregar novamente.
     O nível lógico alto na saída é o tempo que o capacitor leva para ir de 1/3de Vcc até 2/3de Vcc.

     O nível lógico baixo é dado pelo tempo de descarga do capacitor de 2/3 de Vcc até 1/3 de Vcc.

3. PINAGEM DO CI 555

PINO 1: TERRA
Pino terra ou comum é o ponto negativo da alimentação do dispositivo.

PINO 2: DISPARO OU TRIGGER.

Este pino é a entrada do comparador inferior e é usado para levar a saída para nível lógico alto. O disparo deste comparador ocorre quando a tensão neste pino se torna inferior a 1/3 de Vcc ou inferior a metade da tensão aplicada ao pino 5.

A faixa de tensão que pode ser aplicada à entrada de disparo está entre Vcc e terra. Uma corrente da ordem de 500nA flui deste terminal para o circuito externo.

PINO 3 : SAÍDA

A saída do CI 555 é capaz de fornecer ou absorver até 200mA.

PINO 4: RESET

É uma entrada baixa ativa (atua com nível baixo) utilizada para levar a saída para nível baixo, independente das informações vindas dos comparadores. Este pino tem prioridade em relação aos demais.

A duração do sinal de atuação do reset deve ser de no mínimo 0,5s.

Quando não utilizado, recomenda-se ligar este pino ao Vcc para evitar o reset falso.

PINO 5: CONTROLE

Permite acesso direto ao divisor de tensão, possibilitando a alteração da tensão de referência dos comparadores. Pode ser usado para modular o sinal de saída do CI.

Quando não utilizado, recomenda-se utilizar um capacitor de 10nF deste pino para o terra, evitando que o divisor capte ruído.

PINO 6: THRESHOLD

Entrada do comparador superior, permite levar a saída para nível lógico baixo.

O comparador superior atua com tensão superior a 2/3 de Vcc ou através da tensão aplicada ao pino 5.

PINO 7: DESCARGA

Propicia a descarga do capacitor, quando o transistor interno está na saturação. Quando a saída (pino 3) está alta, o transistor interno está em corte e permite a carga do capacitor externo. Quando a saída está baixa, o transistor está saturado e possibilita a descarga do capacitor.

PINO 8: +Vcc

É o terminal positivo de alimentação de alimentação do CI. A faixa admissível de tensão neste pino é de 5Vcc a 15Vcc. Este CI aumenta a sua capacidade de tensão e corrente na saída com o aumento da tensão de alimentação.

4. LIMITE DE FREQUÊNCIA

     O limite superior da frequência de operação do CI 555 na configuração astável é de 100KHz, devido aos tempos de armazenagens internos do CI. O limite inferior de frequência depende da faixa limite da rede RC.

O 555 tem três modos de operação:
Modo monoestável: nesta configuração, o CI 555 funciona como um disparador. Suas aplicações incluem temporizadores, detector de pulso, chaves imunes a ruído, interruptores de toque, etc.

Modo astável: o CI 555 opera como um oscilador. Os usos incluem pisca-pisca de LED, geradores de pulso, relógios, geradores de tom, alarmes de segurança, etc. 

Modo biestável: o CI 555 pode operar como um flip-flop, se o pino DIS não for conectado e se não for utilizado capacitor. As aplicações incluem interruptores imunes a ruído, etc.

Fonte

Amplificadores Operacionais

Amplificadores Operacionais

            O amplificador operacional ou simplesmente Amp-OP, foi introduzido na década de 40, inicialmente com objetivo de realizar operações matemáticas, necessárias à computação analógica. Em aproximadamente cinco décadas, o Amp-OP sofreu inúmeras melhorias, ganhando assim, posição de destaque entre os componentes eletrônicos. Este grande sucesso deve-se à grande variedade de circuitos, executando as mais variadas funções, com um único circuito integrado e poucos componentes externos. Hoje, o mercado disponibiliza milhares de amplificadores operacionais de baixo custo, altamente confiáveis e o mais importante, praticamente pronto para o uso. 

            O amplificador Operacional (AmpOp) é um circuito integrado utilizado num grande número de aplicações, entre as quais se destaca:

• Controle de processos

• Amplificação

• Regulação de sistemas

• Operações lineares e não lineares

• Filtragem

A figura seguinte representa o seu símbolo:

Figura 1 - Simbologia de um amplificador operacional

            O AmpOp é um dispositivo composto por duas entradas (entrada não inversora (+), entrada inversora (-) e uma saída.

            O AmpOp é constituído internamente por uma cascata de amplificadores com transistores.

            A saída do AmpOp é uma tensão proporcional à diferença de tensão entre as suas entradas não inversora e inversora.

V0 = AvVi

V0 = Av (V+ - V-)

            Quando aplicamos o sinal na entrada não inversora (+), ele é amplificado e aparece na saída com a mesma fase do sinal de entrada. Por outro lado, quando aplicamos um sinal na entrada inversora (-), ele surge na saída com a fase invertida. Tudo isso é representado na figura 2.

Figura 2

 Teoricamente, um amplificador operacional tem as seguintes características:

• Impedância de entrada infinita
• Impedância de saída nula
• Ganho infinito
• Faixa passante infinita.

Configurações básicas

            O Amp-OP isoladamente executa poucas funções. Os elementos externos como resistores, capacitores e diodos é que determinarão o comportamento do circuito. Basicamente, podemos afirmar que quase todos os circuitos derivam de uma de suas configurações básicas.

Sem realimentação: Nessa configuração o Amp-OP utilizado sem nenhum componente externo, ou seja, o ganho é estipulado pelo fabricante. Assim, a saída do operacional tende a saturar em valores inferiores a +VCC e −VCC.

Algumas aplicações:

• Comparadores
• Detectores de nível
• Detectores de passagem por zero

Realimentação positiva: É como a realimentação negativa, porém parte do sinal de saída retorna à entrada não inversora. Esta configuração apresenta alguns inconvenientes, pois esse tipo de realimentação conduz o circuito à instabilidade.

Algumas aplicações:

• Comparadores com histerese
• Multivibradores
• Osciladores

Realimentação negativa: Em um sistema realimentado, a saída é amostrada e parte dela é enviada de volta para a entrada inversora. O sinal de retorno é combinado com a entrada original e o resultado é uma relação saída / entrada definida e estável.

Algumas aplicações:

• Inversores, não inversores e buffers
• Somadores e subtratores
• Integradores e diferenciadores
• Filtros ativos
• Conversores V/I e I/V
• Retificadores de precisão
• Ceifadores, limitadores e grampeadores
• Etc...

Amplificador inversor

            Uma das configurações mais utilizadas do AmpOp é o chamado amplificador inversor. É constituído por um AmpOp e duas resistências ligados como se mostra na figura.

            A saída é uma réplica amplificada da entrada (ganho R2 /R1), mas com a fase invertida.

            V0 = -R2/R1 Vs

Amplificador não inversor

            Na configuração não inversora, a fase do sinal de saída é a mesma do sinal de entrada. O ganho é determinado pela resistência de realimentação (R2). O circuito básico de um amplificador neste tipo de aplicação é mostrado na figura abaixo:

Ganho:
   
Onde:         G é o ganho
                   R1 e R2 são resistências em (Ohm)

Amplificador Operacional 

            Esse tipo de circuito integrado é assim chamado por poder efetuar operações aritméticas com sinais, tais como:

• Soma
• Subtração
• Multiplicação
• Integração
• Diferenciação

Amplificador Operacional Somador

Logo, se os valores de resistência dos resistores forem diferentes, o calculo da tensão de saída será dada pela seguinte formula:

V0 = -R (V1/R1 + V2/R2 + V3/R3)

Porém, se o valor dos resistores forem iguais (R1=R2=R3=R0), o calculo da tensão de saída será dada por:

V0 = -R/R0 (V1 + V2 + V3)

Amplificador Operacional Subtrator

 A tensão de saída é dada por:

Vs = G x (Ve2 – Ve1)

Amplificador Operacional Integrador

            O funcionamento do amplificador integrador é integrar circuitos que simulam os operadores matemáticos que integram e derivam. Além disso, são usadas para modificar formas de onda, gerando pulsos, ondas quadradas, ondas triangulares e etc.

A tensão de saída é calculada pela seguinte formula:

Amplificador Operacional Diferenciador

            Um diferenciador é um circuito que realiza a operação matemática da diferenciação. Ele produz uma tensão de saída proporcional à tensão de entrada. As aplicações mais comuns de um diferenciador são a detecção das bordas dianteiras e posterior de um pulso retangular, ou a produção de uma saída retangular a partir de uma entrada rampa. A realimentação negativa se faz por um elemento resistivo, enquanto o elemento capacitivo aparece em serie com o terminal da entrada inversora e o sinal de entrada.

V0 = -RC(dVi/dt)

Bibliografia

http://www.sabereletronica.com.br

http://www.peb.ufrj.br

http://www2.feg.unesp.br

http://www.clubedaeletronica.com.br

http://www.mspc.eng.br

Conversores Digital/Analógico e Analógico/Digital

CONVERSORES D/A OU A/D

          Conversores de sinais analógicos para sinais digitais ou de sinais digitais para sinais analógicos

            Um DAC (em língua inglesa Digital-to-Analog Converter), e em português Conversor digital-analógico, é um circuito eletrônico que tem por finalidade transformar uma grandeza digital (código binário) para uma grandeza analógica (uma tensão ou uma corrente elétrica) e vice-versa. Em muitos casos, há grandezas analógicas que precisam ser convertidas em digitais, como, por exemplo, a saída de tensão de um sensor de temperatura de um termômetro digital. Em outros casos, a operação inversa é usada.

            Um sinal na forma digital, para ser processado por um bloco funcional analógico, deve ser previamente convertido (ou reconvertido) para a forma analógica equivalente. Este processo reverso é efetuado por um conversor digital/analógico.

Figura 1 - Computador "conversando" com o ambiente externo

 1. Conversores D/A

1.1 Conversor D/A de resistores com pesos ponderados

            É o mais simples dos conversores D/A. Construído a partir de um circuito básico de resistores em paralelo controlado por corrente, onde a corrente é somada num ponto em comum, passando por um resistor de carga, criando assim uma saída analógica. Os valores dos resistores são distribuídos ponderadamente, de forma a obter pesos de acordo com a numeração binária.

            A numeração binário codificado decimal (BCD) usa quatro bits para representar números decimais de 0 a 9. O bit menos significativo (LSB) é expresso como (valor do bit x 2⁰), o próximo bit como (valor do bit x 2¹), o terceiro como (valor do bit x 2²), e o bit mais significativo (MSB) como (valor do bit x2³). Assim o peso de cada coluna da direita para a esquerda é 1, 2, 4 e 8.

Figura 2 - Conversor D/A usando resistores com pesos ponderados

            Nesta linha de raciocínio, num circuito conversor D/A que recebe um número BCD a ser convertido em analógico, o LSB deverá ser apresentado para um resistor de entrada com o maior valor de resistência do circuito, o segundo com a metade do LSB, o terceiro com um quarto do LSB e o MSB com um oitavo do LSB. A saída é então a soma das quatro voltagens atenuadas. O maior valor de resistência refere-se ao LSB já que ele causa o menor fluxo de corrente resultante.

            O resistor de carga (RL) que é utilizado para criar a voltagem de saída (Va) é uma diferença de potencial (ddp) intermediária, calculada entre o ponto onde as correntes são somadas (Va) e o terra.

            A relação entre o valor de resistência de RL e de Req (resistência equivalente) deve ser tal que RL esteja entre o valor médio e o menor valor de Req (1KR < RL > 500R). Isto deve-se ao fato de que a ddp sobre RL não deve ser nem muito maior nem muito menor que a ddp sobre Req.

           

1.2 Conversor D/A com rede tipo R-2R

            Faz a conversão digital-analógica com a vantagem de utilizar apenas dois valores de resistores:

Levando em conta que A1 é o Bit mais significativo e o LSB o menos significativo. Supondo que A₁A₂A₃A₄ = 1000, teremos:

Calculando o resistor equivalente antes a entrada A₁ teremos:

Logo, podemos calcular a tensão de saída para outras entradas:

   

A1A2A3A4	Vs
0   1   0   0
0   0   1   0
0   0   0  1

Assim teremos:

1.3 Conversor D/A com amplificador operacional

            O circuito a seguir, é um exemplo de circuito para converter sinais digitais para sinais analógicos, e que para isso, utilizou-se um circuito com amplificador operacional somador-inversor.

            No circuito acima, temos R como o resistor com menor valor de resistência que corresponde ao Bit 3. Sendo assim, os resistores que sucedem aos seus respectivos Bit’s são maiores ao seu valor, portanto, o resistor que corresponde ao Bit 0 é 8 vezes maior que o resistor que corresponde ao Bit 3. O circuito tem como realimentação o R0, que definirá qual será o valor do ganho na tensão de saída (Vout). A seguir temos uma tabela que corresponde entre os códigos digitais de entrada e as tensões analógicas de saída quando o valor de entrada é igual a 5 V (Vi=5V). 

A saída analógica Vout é dada por:

2. Conversores A/D

2.1 Conversor A/D Paralelo ou “flash”

            O conversor A/D paralelo é, também, conhecido como “flash” ou simultâneo. A figura 3 mostra um exemplo de um conversor A/D paralelo de 3 bits, sendo que a voltagem de entrada analógica é comparada às voltagem fixas de referências para cada nível do código digital, do início até o fim da escala. Para uma resolução de N bits são necessários (2^N - 1) comparadores e igual quantidade de níveis de referência. A grande vantagem do conversor A/D paralelo é a grande rapidez na conversão, porque o sinal analógico de entrada é comparado diretamente e simultaneamente com cada nível de voltagem de referência em comparadores distintos.

Figura 3 - Conversor A/D tipo paralelo

            Os conversores tipo paralelo têm como circuito básico de entrada um pré-amplificador e um latch, que atuam juntos em uma configuração de circuito comparador. Na saída dos comparadores é necessária à colocação de um circuito de codificação que irá receber os sinais dos comparadores e codificar o sinal de saída em código binário. A maioria das aplicações dos conversores A/D paralelo são no processamento de sinais de alta frequência, como sinais de vídeo, por exemplo, que necessitam de taxa de conversão da ordem de 5 a 50 MHz.

            Como pode ser observado na figura 3, são necessários (2³ - 1) 7 comparadores com 7 níveis de referência (steps) de voltagem. Todas as entradas dos comparadores são conectadas entre si e recebem a voltagem analógica de entrada simultaneamente. Para um determinado valor de Vin, todos os comparadores cuja voltagem de referência estiver abaixo deste irão para o nível baixo e os demais comparadores cuja voltagem de referência estiver acima irão para o nível alto.

2.2 Conversor A/D tipo Contador

            Este tipo de conversor, também chamado de conversor “staircase” é bastante simples. A figura A,19.4 mostra na forma de diagrama de bloco a estrutura desse conversor. A saída de um contador binário de N bits (paralelos) alimenta um conversor D/A, cuja saída é incrementada e dirigida para a entrada de um comparador juntamente com o sinal analógico de entrada a ser digitalizado. Quando os dois sinais (saída do conversor D/A e sinal analógico de entrada) ficarem iguais, o sinal de saída do comparador pára os contadores binários, cujo valor nesse instante é colocado na saída do conversor A/D e corresponde ao valor digital equivalente ao nível de voltagem do sinal analógico e novamente e ciclo se repete. Esse tipo de conversor é considerado lento porque a cada ciclo de conversão a contagem deve ser repetida até alcançar o valor digital equivalente ao sinal de entrada, o que pode demorar vários ciclos de clock.

Figura 4 - Conversor A/D tipo contador

            Uma variação deste tipo de conversor utiliza um contador tipo “updown” nesse caso também chamado de conversor “tracking” ou conversor tipo servo. Isso diminui o tempo de conversão pela possibilidade do contador alcançar mais rapidamente o valor digital final. Os pontos críticos de precisão desse tipo de conversor são o comparador e o conversor D/A. O sinal analógico deve ser mantido constante durante todo tempo de convenção e, portanto, deve ser colocado um circuito S/H (“sample and hold”) na entrada do conversor. É possível obter alta resolução neste tipo de conversor (até 16 bits). Este conversor é adequado para o uso em aplicações onde é necessária uma boa resolução e uma taxa de conversão moderada. Por exemplo, um conversor com resolução de 14 bits e taxa de amostragem de 100kHz.

2.3 Conversor de Rampa Única

            Este tipo de conversor se enquadra em uma nova categoria que são os que utilizam integradores, sendo mais simples que outros tipos de conversores A/D pois não precisam de conversores D/A. Os voltímetros digitais, por exemplo, empregam circuitos deste tipo.

            Na figura 3 temos um diagrama de blocos que corresponde a um conversor deste tipo.

Figura 5 - Conversor A/D de rampa única

            O sinal analógico retido do circuito de amostragem e retenção controla, também, um interruptor que aciona um integrador. A tensão do integrador e a tensão amostrada são aplicadas, ao mesmo tempo, no comparador. No instante em que tudo isso ocorre, um contador entra em funcionamento, produzindo uma saída digital progressiva.

            O integrador está ligado a uma fonte de tensão de referência de tal forma que a tensão em sua saída sobe linearmente até se igualar à tensão amostrada. No instante em que isso acontece, para a contagem.

            A velocidade de subida da tensão na saída do integrador determina a taxa de conversão, juntamente com a contagem. Faz-se com que na faixa de operação do integrador, esta tensão suba linearmente, e a frequência do clock contada pelo contador corresponda digitalmente aos valores da grandeza a ser convertida.

            Por exemplo, se tivermos um contador de 8 bits (até 256), faz-se com que a tensão do integrador suba de um extremo a outro da escala de tensões analógicas de entrada em um tempo que corresponda a 256 ciclos de clock.

2.4 Conversores de Dupla Rampa

            Este tipo de conversor possui um desempenho melhor que o anterior. Nesse circuito, o sinal amostrado e o sinal de uma fonte de referência são chaveados pelo clock de controle e aplicados à entrada de um circuito integrador.

Figura 6 - Conversor A/D de dupla rampa

            A rampa gerada pelo sinal da entrada é negativa, enquanto que a rampa gerada pelo sinal de referência é positiva. Como as duas são chaveadas, a rampa final terá uma inclinação que dependerá das duas. Como uma é fixa, e a outra corresponde ao sinal de entrada, pode-se usar o sinal de saída para chavear o contador. A partir do contador, o funcionamento é como no tipo anterior.

2.5 Conversor de Aproximações Sucessivas

Figura 7 - Conversor A/D de Aproximações Sucessivas

            O sinal aplicado à entrada é retido pelo circuito de amostragem e retenção, colocado na entrada do comparador e ao mesmo tempo dispara o circuito de clock do setor de conversão digital.

            Ao iniciar a conversão, o registrador de aproximações sucessivas começa colocando em 1 o bit mais significativo (MSB) da saída, aplicando este sinal no conversor D/A.

            Se, com este procedimento, a tensão aplicada pelo conversor D/A à entrada de referência do comparador for maior que a de entrada, isso será um sinal de que o valor que este bit representa é maior que aquele que se deseja converter.

            O comparador informa isso ao registro de aproximações que, então, volta o MSB a zero e coloca o bit que o segue imediatamente em 1. Uma nova comparação é feita. Se agora o valor da tensão for menor que o de entrada, este bit é mantido, e testa-se o seguinte, colocando em 1. Se novamente o valor for ultrapassado, o comparador informa isso ao registro e o bit volta a zero passando o seguinte a 1, que é testado.

            Quando todos os bits forem testados, teremos na saída do registro um valor binário muito próximo do desejado, dependendo da resolução do circuito.

            Testando-se todos os bits dessa forma, a conversão se torna muito rápida, uma vez que não será preciso esperar a contagem até o final. Enquanto em um conversor de 8 bits pelo método de rampa em escala é preciso esperar a contagem até 256, neste conversor é necessário esperar que apenas 8 testes e comparações sejam feitos. O circuito equivalente é, portanto, 32 vezes mais rápido.

Bibliografia

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http://macao.communications.museum

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