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CB08 - Sequencial de leds com ajuste de velocidade

Angelo Luis Ferreira | 19/11/2019 Acessos: 7.720

Objetivo

Criar um circuito para gerar um sequencial de leds controlado por um potenciômetro ou por um sensor de luminosidade. Este tutorial é derivado do projeto CB03 - Sequencial de leds com CI 4017 onde utilizamos um oscilador (multivibrador astável) com saída para o circuito integrado CD4017, porém com velocidade ajustável. No projeto utilizamos o CI 555 operando como um oscilador e o CI 4017 operando como um sequenciador. Para o controle de velocidade da sequência dos leds podemos utilizar um potenciômetro ou um sensor de luminosidade LDR.

Definições

Multivibrador Astável: Quando o CI 555 opera como um oscilador. Modo aplicável à projetos de pisca-pisca de Leds, geradores de pulso, PWM, geradores de tom, alarmes de segurança, etc. Para saber mais leia: CI 555- Modo Astável (Oscilador) e CB01 - Led pisca com CI 555.

Circuito integrado CD4017: O CI 4017 é um contador de década (conta até 10), ou seja, pode ser utilizado como um sequenciador de 0 a 9. Com ele podemos criar circuitos para qualquer componente ser ativado de forma sequencial. No caso de precisarmos criar uma sequência maior que 10, podemos utilizar mais de um CI 4017. Este circuito integrado CMOS pode ser usado como sequenciador, temporizador, e em sistemas de automação de pequeno porte além da codificação em controle remoto.

Circuito integrado CI 555: O CI 555, ou simplesmente "555", é um circuito integrado (CI) amplamente utilizado em eletrônica. Ele foi projetado para realizar diversas funções, sendo mais conhecido como um temporizador ou oscilador. O 555 é versátil e pode ser configurado em diferentes modos de operação, tornando-o uma escolha popular para uma variedade de aplicações.

O CI 555 é amplamente utilizado em projetos eletrônicos educacionais, hobby e até mesmo em projetos industriais devido à sua confiabilidade, simplicidade e versatilidade. Ele é um dos circuitos integrados mais conhecidos e utilizados na eletrônica.

Aplicação

Para fins didáticos e projetos eletrônicos que envolvam sistemas sequenciais com controle de velocidade.

Componentes necessários

Referência	Componente	Quantidade	Imagem	Observação
Protoboard	Protoboard 830 pontos	1		No mínimo utilizar protoboard com 830 pontos
Jumpers	Kit cabos ligação macho / macho	1
Led Difuso 5mm	LEDs 5mm	10		10 LEDs azuis ou de outra cor qualquer hhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh Você poderá utilizar também LEDs de qualquer outra cor ou LEDs difusos de 3 ou 5mm nas cores que desejar.
Resistor	Resistor	12		1 Resistores de 100Ω - (leds e CI555 - Ra) 1 Resistores de 2KΩ - 1/4W (CI555 - Rb) Os valores dos resistores para os leds foram definidos para um circuito com uma fonte de 5V.  Entretanto, para fontes maiores que 5V siga a tabela Tabela de resistores para LEDs de acordo com a fonte de alimentação.
Circuito integrado 555	CI 555	1		(datasheet)
Circuito integrado 4017	CD4017BE	1		(datasheet)
Capacitor eletrolítico	Capacitor eletrolítico 3.3μF (10V)	1		1 Capacitor eletrolítico de 3.3μF (10V) Utilizando capacitores menores, o led piscará em uma frequência maior.
Potenciômetro	Potenciômetro linear 10K	1		Você poderá experimentar valores diferentes do potenciômetro, entre 10K a 100K
Sensor de luz LDR	Sensor LDR 5mm	1		(opcional) (datasheet)
Fonte ajustável para protoboard	Fonte ajustável	1		Se você não tiver uma fonte ajustável, utilize pilhas ou bateria como fonte de energia (este projeto pode ser utilizado para tensões entre 5V a 12V)

Esquema elétrico

Montagem do Circuito - Simulação do projeto

Conecte os componentes no Protoboard como mostra a figura abaixo. Verifique cuidadosamente os cabos de ligação antes de ligar na fonte de energia.

Obs.1: Neste projeto você poderá utilizar uma fonte de 3V a 12V, desde que utilize resistores para os leds adequados para cada tensão. O capacitor também deverá ser substituído para tensões acima de 10V.

Obs2.: Para os Leds utilize: 100Ω para fonte de 5V | 270Ω para fonte de 9V | 470Ω para fonte de 12V - Veja a tabela: Tabela de resistores para LEDs de acordo com a fonte de alimentação.

Obs3.: Utilizamos no nosso projeto os componentes: RA = 100Ω e RB = 2KΩ e C1 = 3.3μF (10V). Estes valores poderão ser alterados da forma que desejar, fazendo com que os leds pisquem com maior ou menor frequência. Entretanto, recomendamos que utilize os componentes com valores próximos aos apresentados.

Atenção:

1. Lembre-se que o LED tem polaridade: O terminal maior tem polaridade positiva e o lado do chanfro tem polaridade negativa.

2. Para que o sequencial funcione acendendo um led por vez, é necessário que as saídas do CI 4017 estejam conectadas no terminal positivo (anodo) do led e o resistor conectado ao GND (negativo).

3. Da mesma forma que um led o capacitor eletrolítico também tem polaridade: O terminal maior tem polaridade positiva e o lado identificado com faixa tem polaridade negativa.

4. Observe que nesse projeto o potenciômetro foi montado como um reostato, onde utilizamos apenas 2 terminais do componente:

Obs.: Para saber mais sobre a diferença entre potenciômetro e reostato leia o tutorial: Potenciômetro ou reostato: qual a diferença?

4.1. Veja a montagem do nosso projeto abaixo:

4.2. As formas comuns de se ligar um potenciômetro como reostato são mostradas abaixo. Neste caso vamos tomar como exemplo um potenciômetro linear de 10K ohms.

Ponteciômetro 1: está com os terminais a e b ligados, neste caso ele varia sua resistência entre 0 ohm e 10 k ohms, nessa ligação quando você gira o eixo para a esquerda ele diminui a sua resistência e quando você gira para a direita aumenta a sua resistência.

Ponteciômetro 2: está com os terminais b e c ligados, neste caso ele varia sua resistência entre 0 ohm e 10 k ohms, nessa ligação quando você gira o eixo para a esquerda ele aumenta a sua resistência e quando você gira para a direita diminui a sua resistência.

Ponteciômetro 3: a resistência é fixa, no caso 10 k ohms. Mesmo se você girar o eixo para qualquer lado a resistência não varia.

Obs.: Um reostato serve para controlar o fluxo de corrente em um circuito através do controle da resistência elétrica. Para saber mais sobre potenciômetros, acesse o link: Potenciômetro de eixo gitatório 

5. Para montar o circuito integrado 555 é importante observar a(s) marcas(s) de referência para a identificação dos pinos de contato. Os pinos deverão ser identificados conforme mostra a imagem abaixo:

Observação: A montagem invertida do CI 555 pode causar danos irreversíveis ao componente.

6. O circuito integrado 555 é um temporizador, oscilador e gerador de pulso, que pode ser usado em qualquer projeto que necessite dessas características. Pode ser usado em um circuito pisca led, para a geração de notas músicais em diversas frequências, para posicionamento de servo dispositivos e diversas outras aplicações.

6.1. Abaixo segue o mapa dos pinos do componente eletrônico NE555. Para saber mais sobre CI 555 assista o vídeo: O versátil CI 555 - Teoria e aplicações!

6.2. Os pinos do CI 555 possuem as seguintes funções:

7. Para fazermos o circuito oscilar entre nível alto e nível baixo a uma determinada frequência vamos utilizar o CI 555 no modo Astável. Veja abaixo a ligação externa ao CI 555 para se obter a operação no modo astável:

7.1. É importante salientar que dependendo dos componentes externos utilizados, Ra, Rb e C, teremos valores diferentes para a frequência e o tempo que a lâmpada permanece ligada e apagada. Para saber como calcular esses valores e dimensionar seu circuito assista o vídeo: Como calcular tempos e frequência CI 555 ou leia Astável CI 555 (Cálculo) . Você também pode utilizar a calculadora Calculador CI 555 modo Astável. Portanto:

7.1.1. Aumentando o valor do Capacitor C aumentará o tempo total do ciclo e portanto, reduziremos a sua frequência.

7.1.2. Aumentando Ra aumentará o tempo de carga (valor lógico alto - tempo que o led fica ligado), sem que altere o tempo de descarga (valor lógico baixo - tempo que o led fica desligado). Portanto, para variarmos a velocidade do sequenciador basta variarmos os valores de Ra, ou seja, aumentando ou diminuindo apenas o tempo de carga.

7.1.3. Aumentando Rb aumentará o tempo de carga (valor lógico alto), o tempo de descarga (valor lógico baixo), e diminuirá o ciclo de trabalho (duty cicle) até em um mínimo de 50%.

8. Se desejar, você pode melhorar mais ainda o projeto reduzindo ruídos no circuito para obter uma onda perfeitamente quadrada na saída do CI (pino 3). Para isso, acrescente um capacitor de 1nF (0,01μF) no pino 5 do CI 555. Veja o esquema abaixo:

9. Para montar o circuito integrado CD4017 é importante observar a marca de referência para a identificação dos pinos de contato (a esquerda). Os pinos deverão ser identificados conforme mostra a imagem abaixo:

10. O circuito integrado CD4017 é contador de década (conta de 0 a 9) e deverá atuar neste projeto como um sequenciador. Assim, utilizando um oscilador astável a uma determinada frequência, a cada vez com que é enviado um sinal de nível alto (5V) no pino 14 (Clock) do CD4017, alternamos as saídas do do circuito integrado, criando o efeito sequencial. Abaixo, segue o mapa dos pinos do componente eletrônico:

11. Veja a seguir a tabela onde mostramos todas as conexões do pinos do CD4017.

12. Abaixo, veja a como disponibilizamos os leds no protoboard. É importante salientar que você poderá alterar a posição dos leds da forma que desejar. Entretanto a sequência gerada pelo CD 4017 será sempre a mesma.

13. Neste projeto você poderá utilizar fontes de energia de 3V a 12V, como pilhas, baterias ou fontes ajustáveis para protoboard. Para instalar e utilizar uma fonte ajustável, assista o vídeo: Fonte Ajustável para Protoboard - Arduino

14. A montagem abaixo foi realizada em um protoboard com linhas de alimentação não contínuas, onde acrescentamos jampers para a ligação. Verifique se o seu protoboard possui linhas de alimentação contínuas ou separadas.

Atenção: Observe que utilizamos no nosso exemplo uma fonte ajustável com 5V e um resistor de 100Ω para os leds.

Dimensionamento do projeto

Para dimensionarmos os componentes do projeto utilizamos uma planilha de Excel com os seguintes dados:

Obs.: Você poderá baixar a planilha no link: Cálculo Oscilador com CI555

1 - Usando um potenciômetro linear de 10K

Metodologia:

1.1. Os cálculos foram realizados através das equações abaixo. Você também poderá utilizar a calculadora "Tempos e Frequências para CI555 no modo astável".

Obs.: Nas expressões abaixo, temos que: R1 = Ra, R2 = Rb e C1 = C.

1.2. Observe que no nosso projeto, onde utilizamos um potenciômetro de 10K atuando como um reostato, a resistência Ra irá variar de 100Ω a 10.100Ω (10K + 100Ω). Isto acontece porque ligamos o potenciômetro em série com o resistor Ra de 100Ω).

1.3. Assim, no nosso cálculo, quando girarmos o eixo do potenciômetro para a resistência zero, teremos um período igual a 9,4ms, ou seja, bem rápido. Isto significa que cada led se acenderá alternadamente num intervalo de 9,4ms. Portanto, a sequência de leds do nosso projeto terá a velocidade máxima.

1.4. Da mesma forma, ao girarmos o eixo do potenciômetro para a resistência máxima, teremos um período igual a 32,3ms. Assim, cada led se acenderá alternadamente a cada 32,3ms. ou seja, na velocidade mínima do nosso projeto.

1.5. Com base nos dados calculados da frequência, podemos dizer que os leds se alternarão 30,91 vezes por segundo na velocidade mais baixa e 106,43 vezes por segundo na velocidade mais alta.

1.6. Assim, utilizando nossa planilha poderemos redimensionar o projeto alterando simplesmente alterando os valores do potenciômetro e/ou dos valores de Ra, Rb e C.

2 - Usando um potenciômetro linear de 100K

Observações:

2.1. Na planilha acima utilizamos um potenciômetro de 100K sem alterarmos os valores de Ra, Rb e C.

2.2. Analogamente ao entendimento anterior, observamos que a velocidade do nosso projeto irá variar em uma faixa maior, ou seja, de 9,4ms até 238,56ms com a resistência máxima do potenciômetro.

2.3. Desta forma, os leds se alternarão 104,43 vezes por segundo na velocidade mais alta e 4,19 vezes por segundo na velocidade mais baixa.

Vídeo

Controlando o sequencial de leds com sensor de luz LDR

1. Na experiência a seguir vamos controlar a sequência de leds utilizando um sensor de luz LDR. Um sensor de luz nada mais é do que um resistor que varia com a luminosidade.

1.1. No gráfico abaixo podemos verificar que resistência diminui conforme a quantidade de luz incidente sobre o LDR aumenta.

1.2. Portanto quanto maior a luminosidade, menor a resistência. Veja abaixo algumas referências de iluminância em Lux:

1.3. Portanto, conforme o gráfico acima, podemos ter resistência variando de 0,1KΩ a 1MΩ. Utilizando a nossa planilha do excel podermo dimensionar a nossa experiência:

2. Para que o projeto funcione corretamente, vamos ligar o sensor LDR em série com o resistor Ra. Manteremos também os valores de Ra, Rb e C. Veja a montagem a seguir:

 3. Veja o vídeo da nossa experiência a seguir:

Experiências

1. Para entender todos os conceitos neste tutorial, experimente substituir os resistores Ra e Rb que ligam os pinos 6 e 7 do CI 555 e o capacitor C com valores maiores e menores que os utilizados no projeto. Verifique os tempos e frequência calculando através do link: Cálculo dos tempos e frequência do CI 555 com os resistores e capacitores que for utilizando ou baixando a planilha no Excel - Cálculo Oscilador com CI555. Desta forma, entenda como dimensionar o seu projeto para obter o sequencial de leds na frequência desejada, utilizando potenciômetros lineares de 10K a 100K.

2. Experimente também substituir os 10 leds por uma barra gráfica. Lembre-se que a saída de tensão (modo astável) está no pino 3 do CI 555. Para a montagem da barra gráfica, tome como base o Projeto 15a - Efeito interativo de iluminação sequencial com barra gráfica.

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