módulo 4 - CTA Eletrônica

ATENÇÃO:
O material a seguir é parte de uma das aulas da apostila
de MÓDULO 4 que por sua vez, faz parte do CURSO
de ELETROELETRÔNICA ANALÓGICA -DIGITAL
que vai do MÓDULO 1 ao 4.
A partir da amostra da aula, terá uma idéia de onde o
treinamento de eletroeletrônica poderá lhe levar.
Você poderá adquirir o arquivo digital da apostila
completa (16 aulas), ou ainda na forma impressa que
será enviada por por correio. Entre na nova loja
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Além de ter a apostila e estuda-la, torne-se aluno e
assim poderá tirar dúvidas de cada uma das questões
dos blocos atrelados a cada uma das aulas da apostila,
receber as respostas por e-mail, fazer parte do
ranking de módulos e após a conclusão do módulo
com prova final, participar do ranking geral e poder
ser chamado por empresas do ramo de eletroeletrônica.
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APOSTILA
MÓDULO - 4
AULA
14
ELETRÔNICA DIGITAL - 5
ANÁLISE DO KIT M4-02 RELÓGIO DIGITAL
Diagramação em blocos com interligações
Análise detalhada dos integrados: CD4040
CD4029 - CD4053 - CD4511 - CD4011 - 4077
Análise complementar do diagrama elétrico
completo - com alarme e chaveamento
Introdução
Encerramos na aula anterior, os dispositivos utilizados em eletrônica digital, crendo que o aluno conseguiu
desenvolver habilidades específicas na área de técnicas digitais, com portas lógicas, multivibradores,
registradores de deslocamento e paralelo, multiplexadores, demultiplexadores, conversores digitalanalógico e analógico-digital. Fica claro que os exercícios nos blocos puderam levantar uma série de
dúvidas que foram sanadas durante as quatro aulas de técnicas digitais.
Nesta quinta aula, fechamos o assunto com a explanação detalhada do contador e relógio digital, onde
primeiramente, veremos seu diagrama simplificado, passando pelos detalhes de cada um dos integrados
utilizados e após a explanação detalhada utilizando o esquema elétrico completo.
Como é uma montagem altamente complexa e delicada, a possibilidade de não funcionamento, seja por
soldas frias ou componentes posicionados erradamente, possibilitarão ao aluno adentrar o mundo da
análise de defeitos em áreas digitais. Caso funcione perfeitamente, os blocos da sequência, exigirão
análise prática do circuito e medição de tensões, para uma série de respostas.
A DIAGRAMAÇÃO RESUMIDA DO CONTADOR
Podemos ver na página seguinte (figura 1), o
diagrama de ligações elétricas simplificadas,
permitindo ao aluno uma melhor assimilação do
funcionamento do circuito.
TRANSFORMADOR – RETIFICADOR E
FILTRAGEM: Vemos que o equipamento deve
trabalhar ligado à rede elétrica, necessitando
portanto de um transformador de 9V+9V de
secundário, gerando uma tensão contínua de cerca
de +10 à 11Vdc.
Antes da retificação e filtragem, uma amostra da
variação senoidal do secundário do transformador
(60Hz) será utilizado para a gerara a onda quadrada
de clock inicial para funcionamento do relógio. Vejam
que a rede elétrica possui uma precisão em
frequência muito boa, o que pode ser constatado
pelos antigos rádio relógios, que mantinham uma
precisão no horário por meses.
Deste bloco inicial, temos a geração da tensão de
alimentação para todo o circuito de +5V, feito através
de um integrado regulador U26. Podemos ver
também a saída do sinal senoidal que segue para os
circuitos digitais.
CIRCUITO GERADOR DE CLOCK PRINCIPAL:
apesar de utilizarmos a rede elétrica como referência
para nosso relógio, podemos dizer que sua
contagem é alterada (número do dígito) em um por
ELETRÔNICA
minuto. Assim, se dividirmos os 60Hz por 1/60,
teremos o valor da divisão total em 3600, ou seja, a
frequência da rede deve ser dividida por este valor
até que a variação ocorra exatamente em uma por
minuto.
Assim, o sinal senoidal é transformado em uma onda
quadrada pelo integrado U27A e após pela
amplificação (inversão) do transistor Q12, entrando
no integrado U28, que possui várias saídas com
várias divisões (detalhes do integrado mais adiante).
A combinação das saídas resultará em um valor de
3600 divisões (poderíamos ter mais), que é levada
como CLOCK ao integrado U14. Ao mesmo tempo
esta variação passa por uma malha de atraso e
também entra no Master Reset do integrado U28,
que começa novamente seu trabalho de contagem. A
frequência de referência será de 0,01666Hz ou seja,
haverá uma variação precisa de uma por minuto.
DECODIFICADOR BCD – REGISTRADOR
PARALELO: quando ligamos o circuito, as 4 saídas
do registrador paralelo U14 estarão com níveis de
saída em 0V (0 ou nível L). À medida que o clock
(0,0166Hz), vai variando na entrada de CLOCK,
haverá a mudança do pino LSB (bit menos
significativo) para nível alto ou “1”. Assim, teremos o
código na saída de 0001. Veja que o esquema está
mostrando apenas uma dessas saídas, que vai a um
chaveamento até chegar ao decodificador de 7
FONTES - AMPLIF. DE POTÊNCIA - VALVULAS - OPERACIONAIS - ELETRÔNICA DIGITAL
179
180
U27A
Q12
amostra
de 60Hz
quadrada
U24D
Q14
Q13
U19A
FONTES - AMPLIF. DE POTÊNCIA - VALVULAS - OPERACIONAIS - ELETRÔNICA DIGITAL
TRANSFORMADOR
RETIFICADOR
E FILTRAGEM
integrado U26
+5V
CIRCUITO DE
ALARME COM
RELÉ
Q5, Q6, Q7...
U25A
DEMAIS
ENTRADAS
DOS
CIRCUITOS
COINCIDÊNCIA
transistor
Q1
U24D
U19B U19C U19D
OS CIRCUITOS
ABAIXO DETECTAM
A COINCIDÊNCIA
ENTRE OS DADOS
PRESENTES NO
RELÓGIO E OS DADOS
MEMORIZADOS NO
ALARME
CLOCK GERAL DO RELÓGIO 1/60s
Q15
U28
MALHA DE
ATRASO
MR
U27B
U27C
amostra de 60Hz - senoidal
CLK
DIVISOR
DE
FREQUÊNCIA
O divisor deverá
dividir a frequência
da rede por 3600
para ter um clock
que mude a cada
minuto
transistores integrado
U26
Q8 à Q11
U18
U16
U15
CARGA A ACIONAR
LÂMPADA, SIRENE
OU OUTRO
DISPOSITIVO
CLK
REGISTRADOR
PARALELO
U17
REGISTRADOR
PARALELO
REGISTRADOR
PARALELO
REGISTRADOR
PARALELO
CLK
REGISTRADOR
PARALELO
C0
CLK
REGISTRADOR
PARALELO
CLK
REGISTRADOR
PARALELO
C0
CLK
REGISTRADOR
PARALELO
U14
U13
U12
U11
SW6
chave
hora
alarme
chaveamentos
chaveamentos
chaveamentos
chaveamentos
DECODIFICADOR
7
SEGMENTOS
U4
DECODIFICADOR
7
SEGMENTOS
U3
DECODIFICADOR
7
SEGMENTOS
U2
DECODIFICADOR
7
SEGMENTOS
U1
catodo
catodo
catodo
display 4
catodo
catodo
display 3
catodo
display 2
catodo
catodo
display 1
APOSTILA
MÓDULO - 4
ELETRÔNICA
APOSTILA
segmentos.
A medida que o CLOCK apresenta uma rampa
acendente, as saídas do integrado U14, que
inicialmente eram de “0000”, tornam-se agora “0001”
e após novo pulso de clock “0010” e assim por diante
até chegar ao número “1001” que representará o
número “9” decimal. No próximo CLOCK, através da
saída “C0” haverá o envio de um clock para o outro
integrado U13, que muda suas saídas de “0000”
(decimal 0) para “0001” (decimal 1). É claro que nesta
mudança do integrado U13, o integrado U14 volta ao
código inicial “0000”.
Com a variação do CLOCK que continua entrando no
U14, novamente haverá a variação do código de
saída de “0000” à “1001” (contagem de 0 à 9 em
decimal) até que o próximo código gera a volta à
“0000” na saída de U14 e agora a alteração para o
código “0010 (equivalente ao decimal 2). Assim, o
integrado U14 é o responsável pela casa da unidade
enquanto que o integrado U13 é o responsável pela
cada das dezenas.
Aqui temos um problema a enfrentar, pois o integrado
U13 não poderá contar de 0 à 9 ou “0000” à “ 1001”
para poder enviar CLOCK ao integrado seguinte
(U12), pois ele está habilitado a trabalhar com
minutos, podendo chegar no máximo até 60 minutos,
para que a casa da dezena e unidade sejam zeradas.
Assim, as saídas do integrado U13, deverão ser
monitoradas para detectar o número 6 enviando os
níveis altos para zerar o integrado U13.
Considerando que o número decimal 6, corresponde
ao binário “0110”, deveremos pegar os pinos para
levar a um circuito de coincidência que se incumbirá
de gerar o CLOCK para o integrado U12. Para o
circuito detector de coincidência, utilizaremos o
integrado U26 e um dos transistores inversores (Q8 à
Q11).
Podemos afirmar que o integrado U12 será o
responsável pela representação da unidade das
horas, ou seja, de 0 à 9. Isto significa que o integrado
poderá trabalhar com seu ciclo completo, ou seja,
variação de “0000” à “1001”, enviando um CLOCK
para o integrado seguinte U11, através de sua saída
“C0”.
DECODIFICADOR DE 7 SEGMENTOS: podemos
ver que os códigos gerados pelos integrados U11 e
U14, passarão por integrados chaveadores (no
resumo são chaves normais) chegando até os
integrados U1 ao U4. Estes integrados interpretarão
este código binário, transformando-os em códigos
para acionar os displays de 7 segmentos. Como
exemplo, podemos dizer que o código “0000”, deverá
excitar os segmentos “a-b-c-d-e-f”. Já o código
“0001”, deverá excitar os segmentos “b-c”, e assim
por diante.
CONTAGEM DE 24 HORAS OU 12 HORAS AM/PM:
em muitos países a contagem de horas é feita em 24
horas em uma sequência, antes de zerar. Em outros,
a contagem muda no meio dia ou 12:00 onde uma
indicação no relógio nos diz se é AM (Ante Meridiem
ELETRÔNICA
MÓDULO - 4
ou antes do meio-dia) e PM (Post Meridiem ou após o
meio-dia).
Quando se faz a opção por AM/PM a contagem é feita
até 12 e isso significa que o integrado U12 deverá
enviar um CLOCK via “C0” para o integrado U11,
quando mudar de 9 para zero. Quando mudar para
zero, vai ainda mudar para 1 (decimal) e na próxima
mudança para 2, deverá zerar todos os dígitos de
todos os integrados.
Caso a opção seja contagem em 24 horas, deverá
haver uma conexão no número decimal 4 (0100), no
integrado U12 que na coincidência com o número
decimal “3 (0011)” do integrado U11, criará o
zeramento de todos os números.
AJUSTE DE MINUTOS E HORA NO MODO
RÁPIDO: Sabemos que o CLOCK de 0,01666Hz,
que entra no integrado U14, faz a alteração dos
minutos de minuto em minuto. Caso queiramos
mudar tanto os minutos como as horas de forma
rápida, deveremos pressionar as chaves de
“minutos” ou “horas”. Caso pressionamento das
chaves haverá a mudança respectiva de minuto em
minuto ou de hora em hora. Veremos detalhes disso
na análise do esquema principal.
AJUSTE DA HORA DO ALARME: os registradores
paralelos U15 à U18, são responsáveis por
memorizar a hora do alarme. Estes circuitos não
recebem CLOCK da rede e somente mudarão seus
códigos de saída, quando é pressionada a chave
SW6 (hora/alarme) juntamente com a chave minuto
ou hora, sendo que estas chaves acabam levando
pulsos de clock ao integrado U18 (minuto) ou ao
integrado U16 (hora).
Podemos destacar aqui que o integrado U18, de
acordo com o CLOCK manual, gerará o código
“0000” ao “1001”, gerando o clock para o integrado
seguinte U17, que variará do decimal 0 ao 6, ou seja,
do código binário “0000” ao “0101”. Quanto aos
integrados U16 e U15, entrará o CLOCK baseado na
chave de “hora” que alterará o código de “0000” à
“1011”. As contagens destes integrados, deverão
seguir a mesma lógica feita para U11 e U12.
CÓDIGO COINCIDÊNCIA: Podemos dizer que após
armazenado um determinado horário nos integrados
U15 à U18, eles permanecerão assim, sendo os
códigos levados à portas XNOR (mostramos um
resumo de U19A à U19B). Estes códigos também
serão levados aos integrados chaveadores para que
em caso de pressionar a chave SW6 (hora-alarme) a
informação do ajuste memorizado nos integrados
apareça no display. Estas mesmas portas XNOR,
também receberão os códigos equivalentes dos
integrados U11 à U14; quando houver a coincidência
de dados na comparação dos integrados U14 e U18,
U17 e U13, U16 e U12 e U15 e U11, haverá o
acionamento do circuito de alarme, que ligará um
relé, propiciando a ligação de uma carga, que pode
ser uma lâmpada, sirene ou qualquer dispositivo que
seja ligado à rede elétrica.
FONTES - AMPLIF. DE POTÊNCIA - VALVULAS - OPERACIONAIS - ELETRÔNICA DIGITAL
181
APOSTILA
MÓDULO - 4
ANÁLISE DOS INTEGRADOS UTILIZADOS NA MONTAGEM DO RELÓGIO
Descrição do CD4040
O CD4020BM/CD4020BC, CD4060BM/CD4060BC
possui 12 estágios de contadores binários,
permitindo realizar uma contagem até 8190
(utilizando todas as suas saídas). Um detalhe
importante é que ele realiza a contagem quando o
clock apresentar rampa negativa.
Na figura 2, podemos ver a diagramação básica da
divisão realizada por este contador, sendo que a
saída Q1, pode contar até 2; a saída Q2 até 4 e
assim por diante,
resultando na última
saída, Q12 uma
contagem de até 4096.
Quando levamos as
saídas à portas AND
(E), somente quando
todas estiverem em
nível alto é que ocorrerá
o acionamento de uma
determinada carga ou
clock geral. Há de se
destacar que apesar da
contagem ser feita até o
máximo que está
figura 2
indicado em cada pino,
o pino começará a contagem em nível baixo e no
meio da contagem passará para o nível alto. Assim,
quando a contagem é concluída, passa novamente
para nível baixo.
Como exemplo no circuito de nosso relógio, temos
que dividir o clock de entrada por 3600 para que
haja uma mudança a cada minuto e para isso valor
utilizar a saída com divisão maior do que
necessitamos que é o pino 1 (que divide por 4096);
como a variação para nível alto no pino se dará
quando a contagem estiver em 2048, utilizaremos
esta e outros pinos para chegar em 3600. Notem
que a contagem total do pino 15 é de 2048, mas este
pino vai para nível alto na contagem de 1024. Assim,
somando 2048 da contagem do pino 1 (metade),
mais 1024 da contagem do pino 15 (metade),
teremos que utilizar o pino 14 que contará até 512
(metade), resultando em uma somatória de 3584,
faltando somente 16 divisões para chegarmos ao
valor de 3600 divisões. Assim, escolhemos o pino 3
que fará a divisão por 32, mas irá para nível alto
quando contar até 16.
Assim, uma divisão de 3600 utilizará os níveis altos
combinados dos pinos 1, 15, 14 e 3 deste integrado.
Na figura 3, temos a diagramação interna do
integrado CD4040, onde vemos os diversos FlipFlop´s de onde conseguimos as divisões. Ainda
figura 3
figura 4
182
FONTES - AMPLIF. DE POTÊNCIA - VALVULAS - OPERACIONAIS - ELETRÔNICA DIGITAL
ELETRÔNICA
APOSTILA
MÓDULO - 4
figura 5
temos outro integrado divisor com a codificação
CD4020, que permite contar até 16.384, mas sem a
contagem por 4 e 8 (figura 4). Ainda outro integrado
com a mesma contagem de 16.384, mas com
divisões diferentes nos pinos de saída (figura 5).
De acordo com a quantidade de divisões poderá ser
escolhido o CD4040, CD4020 ou CD4060.
Temos na figura 6 todas as formas de onda, com
respectivas divisões do integrado.
Na figura 7, temos um projeto utilizando CD4063,
CD4040, CD4001, CD4069 e CD40110 sendo o
valor decimal das oito linhas de entrada é
apresentado em três displays de sete segmentos.
Apesar dos chips existirem para desempenhar essa
função para exposições individuais, nenhum inclui
a possibilidade de apresentar números maiores que
9. Ele opera utilizando dois contadores
sincronizados, que geram uma saída binária de 8
bits, e uma segunda que leva ao circuito do display.
A tela é atualizada somente quando o contador
binário está no mesmo valor da entrada, sendo que
o display mostrará o valor decimal da entrada. IC4 é
o contador binário, IC6 ao IC8 os acionadores dos
displays. IC5a e IC5b formam oum multivibrador
astável. Os integrados IC1 e IC2 são comparadores
de 4 bits, agrupados para formar um comparador de
8 bits. Resistores R1 a R8 abaixam a impedância
de entrada dos integrados IC1 e IC2 evitando
entrada de ruídos. Quando as entradas de
comparação são iguais, o pino 6 do IC2 vai a nível
alto, provocando funcionamento do monoestável
(IC3ab), que gera um pulso rápido. Isso bloqueia o
valor dos contadores de exibição (IC6 a IC8) para a
exibição. Quando o IC4 chega ao valor de 256, a
ligação entre os pinos 11 e 12 faz o resetamento
geral dele e também dos displays.
figura 6
ELETRÔNICA
FONTES - AMPLIF. DE POTÊNCIA - VALVULAS - OPERACIONAIS - ELETRÔNICA DIGITAL
183
APOSTILA
MÓDULO - 4
Descrição do CD2029
figura 10
BUFFERED OUTPUTS
O CD4029BC - CD4029BM é um contador
presettable UP/DOWN (conta para cima ou para
baixo) tanto no modo binário como em decimal,
dependendo do nível de tensão aplicada na entrada
década/binário.
Assim, de acordo com
figura 7
a entrada de CLOCK,
PRESET
será formado um
ENABLE
código binário,
variando de “0000” à
“1001”, referente ao
decimal “0” à “9”.
Quando a entrada
década/binário está
BINARY
em
nível lógico ''1'' o
DECADE
contador conta em
binário, caso contrário
figura 8
ele conta em decimal.
Podemos colocar as
entradas “J” ou jam em
níveis lógicos “1” ou
“0”, sendo que ao
resetar ou iniciar o
trabalho, o contador
apresentará em suas
saídas
os níveis
apresentados nas
entradas “J”.
Ele também poderá
contar para cima ou para baixo, de acordo com a
tensão colocada em seu pino 10 (em nível alto,
contará para cima e nível baixo, contará para
baixo).
Na figura 7, temos a indicação da pinagem utilizada
pelo integrado. Na figura 8, o diagrama de funções,
com as entradas e saídas. Na figura 9, o diagrama
elétrico interno do integrado, com a tabela de
algumas funções. Na figura 10, vemos como é
possível a interligação em cascata e finalmente na
figura 11, as formas de ondas detalhadas presentes
nos pinos.
figura 9
184
FONTES - AMPLIF. DE POTÊNCIA - VALVULAS - OPERACIONAIS - ELETRÔNICA DIGITAL
ELETRÔNICA