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CB11 - Leds piscam alternadamente com ajuste de frequência (multivibrador astável com CI555)

Angelo Luis Ferreira | 17/09/2022 Acessos: 3.642

Objetivo

Criar um circuito para fazer com que dois leds pisquem alternadamente em uma frequência determinada pelo CI555. Para este projeto, utilizaremos o CI 555 no modo astável, ou seja, operando como um oscilador. A duração entre a alternância  sucessiva dos leds pode ser ajustada por intermédio de um potenciômetro, como mostraremos neste tutorial.

Observações:

a) Este circuito liga e desliga um led ou qualquer outro dispositivo eletrônico em intervalos regulares de tempo com a utilização do CI 555 atuando como oscilador de baixa frequência. Veja CB01 - Led pisca com CI 555 (Multivibrador astável - oscilador de baixa frequência).

b) Ao adicionarmos mais um led no circuito, montado com a polaridade invertida, vamos fazer com que os intervalos sucessivos de tempo entre os dois leds sejam equivalentes, ou seja, enquanto um led estiver ligado o outro estará desligado, e vice e versa.

c) Você poderá criar um oscilador de baixa potência utilizando dois transistores também. Veja CB02 - Leds piscam alternadamente (multivibrador astável com 2 transistores).

d) Ao adicionarmos um potenciômetro, atuando como um reostato, podemos controlar manualmente a frequência em que os leds piscam.

Definições

Circuito Integrado 555: o CI 555 é temporizador, oscilador e gerador de pulso, que pode ser usado em qualquer projeto que necessite dessas características. Portanto, o CI 555 é basicamente um oscilador/temporizador com três modos básicos de operação:

• Modo astável (oscilador): neste modo o CI alterna sua saída entre alto e baixo em uma determinada frequência - leia CB01 - Led pisca com CI 555 (Multivibrador astável - oscilador de baixa frequência);
• Modo biestável (flip-flop): Atua como um flip-flop, ao receber um sinal de disparo sua saída vai para alto nível até receber um sinal de reset - leia CB04 - Push button liga / desliga com CI 555 (multivibrador biestável com 1 botão).
• Modo monoestável (timer): neste modo, após receber um disparo (um pulso de sinal) o CI mantém sua saída em alto nível por um determinado tempo e depois volta para baixo nível até que receba um novo disparo - leia CB05 - Timer com CI 555 (Multivibrador monestável)

Modo 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)

Referências

CB01 - Led pisca com CI 555 (Multivibrador astável - oscilador de baixa frequência).

Aplicação

Para fins didáticos e projetos eletrônicos e elétricos para sinalização com luz e motores com rotações cíclicas (ex. limpadores de para-brisa de automóveis).

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	2		1 LED vermelho e 1 LED verde hhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh Você poderá utilizar também LEDs de qualquer outra cor ou LEDs difusos de 3 ou 5mm nas cores que desejar.
Resistor	Resistor	3		2 Resistores de 150Ω (leds vermelho e verde)     1 Resistor de 1KΩ (CI555) O valores para os resistores para os leds são para um circuito com uma fonte de 5V.
Capacitor eletrolítico	Capacitor eletrolítico	1		1 Capacitor eletrolítico de 100μF a 220μF (10V ou maior) Utilizando capacitores menores, os leds piscarão em uma frequência maior. Utilizando capacitores maiores, os leds piscarão em uma frequência menor.
Potenciômetro	Potenciômetro linear 100K	1		Você poderá utilizar valores entre 1K a 50K
Fonte ajustável para protoboard	Fonte ajustável ou Bateria 9V	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

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

Obs.1: Neste projeto você poderá utilizar uma fonte de 5V 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: 150Ω para fonte de 5V | 270Ω para fonte de 9V | 470Ω para fonte de 12V - Veja a tabela: Tabela prática de utilização de leds 3mm e 5mm.

Atenção:

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

1.1. Portanto, faça a conexão do Arduino no terminal positivo do led (anodo) e o GND no terminal negativo (catodo).

1.2. Para evitar danos ao led é necessário a inclusão de um resistor no circuito. Como o resistor é um limitador da corrente elétrica, ele poderá estar conectado ao anodo (terminal maior) ou ao catodo (terminal menor) do led, tanto faz.

1.3. Observe que para os leds piscarem alternadamente, a montagem dos mesmos deverá ter polaridades invertidas:

Obs.: Caso mantenha a montagem com a mesma polaridade de conexão com a saída do CI555 (Pino3), os dois leds piscaram simultaneamente na mesma freqência.

2. 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.

2.1. No projeto, o terminal menor do capacitor (negativo) deverá estar conectado ao GND.

3. 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.

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

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

5. Para fazer com que o CI 555 trabalhe no modo astável como um oscilador de baixa frequência, podemos utilizar o circuito padrão abaixo:

5.1. É importante destacar que, dependendo dos componentes externos utilizados, R1, R2 e C1, teremos valores diferentes para a frequência e o tempo que um led, por exemplo, permanece ligado e apagado. Para saber como calcular esses valores e dimensionar seu circuito assista o vídeo: Como calcular tempos e frequência CI 555 ou leia CB01 - Led pisca com CI 555 (multivibrador astável - oscilador) . Você também pode utilizar a calculadora Calculador CI 555 modo Astável. Portanto:

5.1.1. Os componentes resistores R1e R2, juntamente com o capacitor C1 controlam a taxa de intermitência do circuito: a frequência e  tempo que um led ou outro componente eletrônico permanece ligado e desligado.

5.1.1.1 . Aumentando o valor do Capacitor C1 aumentará o tempo total do ciclo e portanto, reduziremos a sua frequência.

5.1.1.2. Aumentando R1 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).

5.1.1.2. Aumentando R2 aumentará o tempo de carga (valor lógico alto - led ligado), o tempo de descarga (valor lógico baixo - led desligado), e diminuirá o ciclo de trabalho (duty cicle) até em um mínimo de 50%.

6. O potenciômetro deverá ser montado como um reostato, de forma que utilizaremos apenas 2 terminais do componente:

6.1. Veja abaixo como devemos montar o potenciômetro no nosso projeto:

6.2. Observe que quando utilizamos o potenciômetro como um reostato, fazemos com que o componente atue como um resistor variável. Ao girar o eixo do potenciômetro para a direita, aumentamos a sua resistência e ao girar o eixo para a esquerda diminuímos a sua resistência. No nosso projeto, o potenciômetro utilizado é de 10K e irá variar, portanto, entre 0 e 10Kohms.

6.3. No projeto, utilize qualquer potenciômetro linear entre 1K e 50K.

7. Neste projeto você poderá utilizar fontes de energia de 5V 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

Atenção: Não esqueça de alterar o resistor que vai conectado ao led: 150Ω para fonte de 5V | 330Ω para fonte de 9V | 470Ω para fonte de 12V (utilize capacitores com mais de 12V)

7.1. A montagem abaixo foi realizada em um protoboard com 830 pontos:

7.2. Observe que utilizamos no nosso exemplo uma fonte ajustável com 5V e resistores de 150Ω para o led.

Vídeo

Como o circuito astável trabalha

Como vimos em outros projetos com o CI555 no modo astável, aprendemos 3 conceitos fundamentais para entender o nosso projeto:

1. Se o pino de disparo (Pino2 do CI 555) detectar qualquer tensão inferior a 1/3 da tensão de alimentação, ele liga a saída (Pino3 do CI555).

2. Se o pino Threshold (Pino6 do CI555) detectar qualquer tensão maior que 2/3 da tensão de alimentação, ele desliga a saída (Pino3 do CI55).

3. Sempre que o pino de saída (Pino 3 do CI555) no estado OFF (nível baixo), o Pino de Descarga (Pino7 do CI555) atua como terra (GND), ou seja, se conecta internamente a 0V e descarrega o capacitor conectado a este terminal pelo Pino2.

Funcionamento:

1. Imediatamente após a alimentação ser ligada, o capacitor (C1) estará no estado descarregado e a tensão no Pino2 será 0V.

2. Como esta tensão é inferior a 1/3 da tensão de alimentação, a saída (Pino3) é ligada por intermédio do Pino2 (gatilho). O led 1 (vermelho) é ativado e o led 2 (verde) é desativado.

3. Simultaneamente o Pino7 (descarga) se desconecta de 0V e o capacitor (C1) começa a carregar através dos resistores R1 e R2.

Obs.: Os resistores R1e R2, juntamente com o capacitor (C1) controlam, portanto, a taxa de intermitência do circuito: a frequência e tempo que um led ou outro componente eletrônico permanece ligado e desligado.

4. Imediatamente após a tensão no capacitor (C1) atingir 2/3 da tensão de alimentação, o Pino6 (threshold) detecta e desliga a saída (Pino3). O led 1 (vermelho) é desativado e o led 2 (verde) é ativado.

5. Simultaneamente, o Pino7 se reconecta internamente a 0V, o que resulta na descarga do capacitor (C1) através do resistor R2.

Experiência: Você pode observar praticamente esse carregamento e descarregamento do capacitor medindo a tensão nele usando um multímetro.

6. Novamente, quando a tensão no capacitor cair para abaixo de 1/3 da tensão de alimentação, o Pino2 (gatilho liga a  saída (pino3) e o ciclo se repete continuamente.

7. Portanto, a saída (Pino3) será uma onda quadrada alternada que faz com que o Led 1 LIGUE ou DESLIGUE instantaneamente, assim como o Led 2 de forma invertida.

Funcionamento do circuito com o potenciômetro (reostato):

Quando substituímos o resistor R2 por um potenciômetro funcionando como um reostato, e mantemos fixos o capacitor (C1) e o resistor R1, criamos um controle manual de frequência:

1. Aumentando a resistência de R2 pelo eixo do potenciômetro (reostato), aumentamos o tempo de alto nível (T₁) e o tempo de baixo nível (T₀) na mesma intensidade, gerando menor frequência no ciclo (até um mínimo de 50%).

2. Diminuindo a resistência de R2 pelo eixo potenciômetro (reostato), diminuímos o tempo de alto nível (T₁) e de baixo nível (T₀) da onda, reduzindo a sua frequência.

Obs.: Quando utilizamos um potenciômetro, atuando como um resistor variável (reostato) de 10kohms, por exemplo, obteremos valores de R2 entre 0 e 10kohms.

Alterando os demais componentes R1 e C1

Podemos também alterar os tempos do nosso oscilador, variando os valores de R1 e C1, da seguinte forma:

1. Aumentando o valor de C1, aumentará o tempo do ciclo e portanto, reduzindo a frequência.

2. Aumentando R1 aumentará tempo de nível alto (T₁), mas sem alterar o tempo de nível baixo (T₀).

Calculando tempos e frequência do circuito (dimensionamento)

Para calcular os tempos (led ligado e led desligado) e a frequência do ciclo, utilize a Calculadora de tempos e frequências CI 555 no modo astável.

A calculadora é bem útil também, quando precisamos dimensionar os componentes de um circuito eletrônico que necessita de um multivibradorr astável (oscilador) de baixa ou alta frequência.

Experiência

1. Altere os valores de C1 e R1 no circuito e compare com os cálculos realizados pela Calculadora de tempos e frequências CI 555 no modo astável. Para isso defina o valor de R2 como no máximo, ou seja, 10kohms se estiver usando um potenciômetro de 10K.

2. Inverta a montagem do led verde, passando o polo positivo conectado ao Pino3 do CI555, e o polo negativo conectado no GNT.

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