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Eletrônica Basica 2
Aula 03: Multivibrador monoestavel
1 Monoestavel com transistores
É um circuito que apresenta um estado estável e um estado instável. Para mudar do estado estável para o estado instável é necessário aplicar um pulso de disparo. A volta para o estado estável é feita sem que seja necessário aplicar pulso, após um intervalo de tempo Ti. A Figura 1 mostra o circuito básico de um monoestável com transistores.
Quando o circuito é ligado a primeira vez, vai para o estado estável, isto é, TR1 corta e TR2 satura, ficando nessa situação indefinidamente até que seja aplicado um pulso de disparo positivo na base de TR1 (poderia ser um pulso negativo na base de TR2 ),
Figura 1 - Multivibrador Monoestável
Vamos supor que o circuito esteja ligado a um tempo suficientemente longo de forma que podemos considerar C totalmente carregado. Seja t = 0 o instante de aplicação do 1º pulso de disparo.
A Figura 2 mostra o circuito num instante um pouco antes de aplicar o 1º pulso (instante t=0-).
VCE1(0-)= VCC IC2(0-)=VCC/RC2 VC(0-)= -VCC IB2 ( 0- ) =VCC/R
Figura 2 - Multivibrador monoestavel , instante t = 0-
Após a aplicação do pulso (instante t=0+), TR1 satura e TR2 corta . Observe que é necessário que primeiro TR1 sature, pois nesse caso o coletor de TR1 fica com 0 V permitindo que a tensão no capacitor seja aplicada inversamente à base de TR2, o que o mantém cortado mesmo que o pulso seja retirado. A Figura 3 mostra o circuito equivalente após a aplicação do pulso ( t=0+).
Figura 3 - Multivibrador Monoestável , instante t = 0+
IC1(0+)=VCC/RC1 + VR(t)/R , e como VR(0+) = 2.VCC logo IC1(0+)=VCC/RC1 + 2.VCC/R, VBE2(0+)=VC(0+)= -VCC Atenção pois a maxima tensão reversa entre Base e Emissor costuma ser da ordem de -12 V.
IB1(0+)=VCC/(RB+RC2) VCE2(0+)=RB.VCC/(RB+RC2) Divisor de tensão)
Observe na Figura 3, que no instante logo após a transição (0+) a corrente de coletor de TR1 tem duas componentes: a primeira, VCC/RC2 é constante com o tempo, enquanto a segunda componente é transitória (variável com o tempo) tendo pico igual a 2.VCC/R.
A partir desse instante (0+), a tensão no capacitor (VC) que é igual à tensão VBE2, tenderá exponencialmente para VCC com constante de tempo t=R.C. A Figura 4 mostra o gráfico de VC( t ) = VBE2( t ).
A partir desse instante (0+), a tensão no capacitor (VC) que é igual à tensão VBE2, tenderá exponencialmente para VCC com constante de tempo t=R.C. A Figura 4 mostra o gráfico de VC( t ) = VBE2( t ).
Figura 4 - Gráfico da tensão no capacitor ( VC ) em função do tempo
Passado um tempo Ti (duração do estado instável) após a aplicação do pulso, a tensão no capacitor (portanto na base de TR2) começa a ficar positiva e TR2 volta a conduzir, saturando em seguida. Com o potencial da base de TR1 em 0 V (pois TR2 estando saturado VCE1= 0) este cortará em seguida. De acordo com o gráfico das Figura 4, para t =Ti, VBE2(Ti)=0.7V=0, substituindo essa condição na equação da curva resulta:
0=VCC –2.VCC.e-Ti /R.C daí obtem-se:
Ti = 0,69.R.C que é a duração do estado instavel, tempo que TR1 fica saturado (TR2 cortado)
A Figura 5 mostra o circuito um pouco antes de voltar ao estado estável (t=Ti-).
t = Ti-
Figura 5 - Multivibrador monoestável, instante t = Ti-
Os valores de correntes e tensões antes de voltar ao estado estavel são:
VC(Ti-) = 0.7V=0V, IRc1(Ti-)=VCC/RC1 IR(Ti-) = VCC/R VR(Ti-) = VCC+
IC1(Ti-) = VCC/RC1 + VCC/R
A Figura 6 mostra o circuito logo após a transição (t = Ti+). Observe que apesar do circuito ter voltado ao estado estável, as condições não são as mesmas de antes da aplicação do 1º pulso, portanto não é possível aplicar outro pulso ainda pois o capacitor não está totalmente carregado. Somente após C estar com a mesma tensão inicial, VC = - VCC, será possível aplicar novo pulso de disparo, caso contrário a duração do pulso será menor do que 0,69.R.C
T = Ti+
Figura 6 - Recuperação do circuito - Multivibrador Monoestável, instante t = Ti+
VC(Ti+) = 0 IB2(Ti+) = VCC/R + VCC/RC1
Sendo que a última componente é transitória (o pico vale VCC/RC1), apos um tempo (apos a carga do capacitor) ela se anula.
A Figura 7 mostra o comportamento da tensão no coletor de TR1 quando o mesmo muda de saturado para cortado. A subida exponencial se deve à carga de C através de RC1.A recuperação total ocorrerá após um tempo trec= 4.RC1.C (tempo de recuperação). O circuito esta pronto para receber novo pulso de disparo.
Figura 7 - Multivibrador monoestavel, gráfico de VCE1(t).
A Figura 8 mostra as principais formas de onda no circuito. A 1ª forma de onda são os pulsos de disparo de período Td . A 2ª forma de onda a tensão no coletor de TR1, em seguida tensão no coletor de TR2, tensão na base de TR2, tensão no capacitor e por ultimo a corrente de base de TR2.
1.2 Formas de Onda
A Figura 8 mostra as principais formas de onda do circuito. De cima para baixo, pulsos de disparo diferenciados, VCE1, VCE2, VBE2, VC e IB2.
Figura 8 - Formas de onda monoestavel com transistores
Observe a forma de onda da corrente de base de 2 quando o mesmo vai de cortado para saturado. A corrente tem duas componentes, uma de regime permanente cujo valor é VCC/R e outra transitória cujo pico vale VCC/RC1.
Notar também que a tensão no coletor de TR2 quando o mesmo está cortado não é igual a VCC, visto que existe uma corrente circulando por RC2 com Q2 cortado, mas é proximo Vcc, pois RB é muito maior que RC2.
2 Exercícios Resolvidos
2.1 Projetar um temporizador que acione uma lâmpada de 110 V durante 5 min. Dados: VCC=12 V transistores iguais com bmin=100 Relé 12V/30 mA.
Solução: O circuito usado é mostrado na Figura 9, os componentes a serem calculados são RB1, RC2 , R e C. Observar que o disparo é efetuado forçando a saturação de TR1 atraves da chave colocada entre coletor e emissor de TR1. Poderia ser, forçando o corte de TR2 (abrindo a base de TR2)
Figura 9 - Circuito para exercicio 2.1
Fonte: Multisim V. 14
Ti=5min.=300 s=0,69.R.C logo R.C=435s uma equação e duas incógnitas. Obrigatoriamente é necessario adotar valor para uma delas. Por motivos de ordem prática adotamos valor para C, pois é mais fácil ajustar o valor de R depois.
Figura 10 - Monoestavel do exercicio 1 no estado estavel
Fonte: Multisim V. 14
IB2 = 12V/435 k = 0,027 mA = 27,5 mA
Para que TR2 IC2< bmin.IB2 ou IC2<100.0,027mA = 2,75 mA
Logo RC2>12V/2,75mA = 4,4 k
Adotando RC2=4k7
No estado instável, TR1 saturado e TR2 cortado o circuito equivalente é o da figura 11.
Figura 11 - Monoestavel do exercicio 1 no estado instavel
Fonte: Multisim V. 14
Para que TR1 sature, no pior caso (na transição): IC1=30 mA + 2.12V/435 k@30 mA logo IB1>30mA/100= 0,3 mA e como a resistência que limita IB1 é RB + RC2 RB+4k7 <12V/0,3mA = 40 k e RB < 35k3.
Adotando RB = 33 k
3 Exercícios Propostos
3.1 Projetar um temporizador que possa ligar uma lâmpada de 110 V de 1 min. A 10 min.. Dados: Relé 12V/20mA transistores iguais com bmin= 100 VCC=12 V
3.2 Dado o circuito pede-se desenhar os gráficos VCE1(t), VCE2(t) e VBE2(t), indicando todos os valores de tempo e tensão.
3.3 Um monoestável tem Ti = 5 ms. Pulsos de freqüência fd = 500 Hz são aplicados na entrada de disparo. Desenhar o gráfico da tensão no coletor de TR2. Qual a relação entre a freqüência dos pulsos de entrada e os pulsos obtidos no coletor de TR2 ? Dar uma aplicação para o circuito.
4 Experiência: Monoestavel como Temporizador
4.1 Abra o arquivo ExpEN2_06 Multivibrador monoestavel como temporizador (Multisim 14) e identifique o circuito da Figura 12. Iniicie a simulação e meça a duração do estado instavel.
Figura 12 - Moestavel como temporizador disparo forçando o corte de TR2
Fonte: Multisim V. 14
Arquivo Multisim Live - Moestavel como temporizador - Carga LEDs
4.2. Calcule a duração do estado instável por:
Ti(Ca.)=0,69.R.C=_______________
4.3. Inicie a simulação e meça a duração do estado instável e anote
Ti(med.)=_________________
Obs: Usar o osciloscopio para efetuar as medidas.
4.4 Abra o arquivo ExpEN2_07 Multivibrador monoestavel como temporizador com rele (Multisim 14) e identifique o circuito da Figura 13 e repita os itens 4.2 e 4.3.
Ti(Calc.)=0,69.R.C=_______________ Ti(med.)=_________________
Arquivo Multisim Live - Moestavel como temporizador - Carga Relé
Figura 13 - Moestavel como temporizador com rele disparo forçando a saturação de TR1
Fonte: Multisim V. 14
4.5. Conclusões:
5 Experiência: Monoestavel Disparado por Pulsos
5.1. Abra o arquivo ExpEN2_08 Multivibrador monoestavel disparado por pulsos (Multisim 14)e identifique o circuito da figura 14.
Arquivo Multisim Live
Figura 14 - Monoestavel disparado por pulsos ( a ) circuito ( b ) formas de onda de VCE1 e pulsos de disparo
Fonte: Multisim V.14
5.2 Meça os tempos Ti, periodo T da onda quadrada de disparo.
Ti(Calc.)=______________ Ti(Med.)=_________ T(Disp.)=_________
5.3 Escreva as suas conclusões.