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Para o Maker – Montagens simples para você começar e tomar gosto (ART4161)

Então você quer realmente ser um maker? Que tal começar com dois projetos simples em matriz de contatos de 170 pontos. Eles podem ser o ponto de partida para futuros projetos. Vamos no início de cada um dar uma pequena teoria que pode ser complementada em diversos artigos de nosso site.

ART1765S

Os projetos que vamos descrever usamos na formação de makers já há muitos anos no Colégio Mater Amabilis onde tínhamos uma disciplina eletiva de Introdução à Engenharia.

Os projetos desta disciplina estão sendo convertidos para um curso para download em nosso site e num livro especialmente montado para professores e instrutores de oficinas makers que queiram adotá-lo. Os projetos são estruturados de modo a atender os requisitos da BNCC e dos projetos STEM de ensino de tecnologia de outros países.

E, realmente para os que desejarem saber muito mais temos a sugerir os nossos livros Curso de Eletrônica – Eletrônica Básica e Curso de Eletrônica – Eletrônica Analógica que podem torna-lo realmente um maker avançado.

 

Figura 1 – Os livros indicados
Figura 1 – Os livros indicados

 

 

Material Básico:

O material básico, além da matriz de contatos consiste em componentes de uso comum, além de fios e suporte de pilhas, os quais podem ser adquiridos pela internet em diversas lojas que vendem pelo correio como a Curto-Circuito e o Baú da Eletrônica.

Junto com cada projeto daremos a relação do material usado, e em alguns casos, indicando equivalentes que podem ser obtidos de sucata, conforme outro artigo que escrevemos.

 

Projeto 1 (muito simples) - Acendendo um LED

Os LEDs

Os LEDs são dispositivos que convertem energia elétrica em luz. Eles consistem em pequenas pastilhas de material semicondutor que, ao serem percorridas por uma corrente elétrica emitem luz. A cor da luz depende das impurezas que existem no material semicondutor e não da cor de seu invólucro plástico.

Os LEDs são polarizados, ou seja, a corrente precisa circular num sentido certo para que acendam. Se forem invertidos, eles não acendem. Os LEDs podem ser encontrados em diversas cores e tamanhos. Na figura 2 temos alguns tipos de LEDs comuns.

 

   Figura 2 - LEDs comuns
Figura 2 - LEDs comuns

 

Os LEDs precisam de um resistor em série para poder fixar a corrente que passa através deles. Sem esse resistor a corrente pode se tornar excessiva e o LED queima. Os LEDs precisam ainda de pelo menos 1,8 V de tensão para funcionar, dependendo de sua cor.

Finalidade: aprender a utilizar a matriz com um circuito extremamente simples que faz acender um LED. Entender o conceito de circuito elétrico e como observar a polaridade dos componentes.

 

Explicação

 

Na figura 3 temos o circuito básico que montaremos para acender um LED usando a matriz de contatos de 170 pontos.

 

   Figura 3 – Circuito para acender um LED
Figura 3 – Circuito para acender um LED

 

 

Como estudamos, para acender um LED é preciso haver um percurso fechado para a corrente, ou seja, um circuito fechado. Também verificamos que o LED não pode ser ligado diretamente à pilha, pois a corrente seria excessiva e ele poderia queimar. Devemos então usar um resistor para limitar essa corrente. Assim, a corrente circula pelo LED passando pelo resistor indo do positivo da bateria para o negativo.

Veja que o LED é um componente polarizado, ou seja, existe um caminho certo para a corrente. Se ele for invertido o circuito não funciona e o LED não acende. A polaridade do LED é dada pelos seus terminais ou pelo seu lado chato, conforme mostra a figura 4.

 

   Figura 4 – A polaridade do LED
Figura 4 – A polaridade do LED

 

 

Neste circuito um resistor de 1 k ohms é ligado em série com o LED de modo a limitar a corrente. O valor do resistor depende do brilho que desejamos para o LED, havendo um cálculo para esta finalidade.

Se você está usando um LED de alto-brilho pode usar resistores menores que 1 k (desde que os tenha), mas, o valor mínimo recomendado é de 100 ohms. Se você tiver resistores com outros valores entre 220 ohms e 2k2 ohms, pode fazer experiências com eles, de modo a verificar como eles afetam o brilho do LED.

 

Montagem

Na figura 5 temos a montagem do circuito para acender o LED na matriz de contatos.

 

   Figura 5 – Acendendo um LED com a matriz de 170 pontos
Figura 5 – Acendendo um LED com a matriz de 170 pontos

 

 

Na montagem, observe a posição do LED e a polaridade dos fios do suporte de pilhas. O valor do resistor é dado pelas faixas coloridas. O resistor não é polarizado, o que significa que não tem lado certo para colocação na matriz.

Não se esqueça de colocar o fio que interliga o negativo (preto) da alimentação ao catodo do LED.

 

Utilizando:

Ligando os fios das pilhas na matriz, o LED deve acender. O brilho dependerá do valor do resistor usado. Caso isso não ocorra, verifique a posição do LED. Ele pode estar invertido.

 

 

Figura 6 – Foto da montagem, usando um LED vermelho
Figura 6 – Foto da montagem, usando um LED vermelho

 

 

Material Usado

LED – LED comum

R1 – 1 k ohms – resistor – marrom, preto, vermelho

B1 – 6 V – 4 pilhas pequenas

Diversos:

Matriz de contatos, suporte de pilhas, fios, solda, etc.

 

Questionário:

- Por que o LED não pode ser invertido no circuito

- Explique a função do resistor

- O que acontece com o brilho do LED se aumentarmos o valor do resistor?

- O que acontece com o brilho do LED se alimentarmos o circuito com apenas 1,5 V de uma única pilha?

 

 

Projeto 2 – Astável Pisca-Pisca – Dificuldade média

 

Teoria - O Multivibrador Astável

Um multivibrador astável é um circuito que não tem um estado estável, ficando constantemente mudando de estado, numa velocidade que depende justamente de circuitos de tempo RC. Na figura 7 temos a configuração básica de um multivibrador astável com dois transistores NPN.

Esta mesma configuração pode ser obtida com transistores PNP, válvulas e outros componentes ativos.

 

   Figura 7 – Um multivibrador astável
Figura 7 – Um multivibrador astável

 

Os dois transistores são ligados de tal forma que, a cada instante, quando um está no corte o outro estará obrigatoriamente saturado, ou seja, apenas um dos transistores pode conduzir de cada vez. Podemos comparar este circuito a uma gangorra que, quando um lado “sobe” o outro obrigatoriamente “desce”, conforme sugere a figura 8.

 

Figura 8 – Podemos comparar o funcionamento do astável a uma gangorra
Figura 8 – Podemos comparar o funcionamento do astável a uma gangorra

 

 

No multivibrador astável, conforme o nome sugere, a condução dos transistores não é uma situação estável, de modo que cada transistor só pode ficar por tempo limitado nesta condição. Isso faz com que os dois transistores do circuito fiquem constantemente trocando de estado, passando do corte para a saturação, e vice-versa, numa velocidade que depende dos componentes usados.

Tomando como base o circuito da figura 7, vejamos como ele funciona: ao estabelecermos a alimentação os dois transistores são polarizados de modo a irem à saturação pelos resistores de base. No entanto, devido à diferença de características, um deles conduz mais que o outro e logo satura. Com isso, o outro transistor é impedido de conduzir e permanece no corte.

Supondo que Q1 vá a saturação e Q2 volte para o corte, o capacitor C1 começa a se carregar através do resistor R1 até o instante em que alcança-se uma tensão suficiente para polarizar Q2 no sentido de fazê-lo conduzir. Quando isso ocorre o circuito comuta e Q1 passa ao corte enquanto que Q2 vai a saturação. Neste momento, é C2 que começa a se carregar através de R2 até que o transistor Q1 seja levado à condução. O circuito ficará trocando de estado por tempo indeterminado (enquanto houver alimentação), numa velocidade que dependerá dos valores dos capacitores e dos resistores usados.

Como a comutação dos transistores ocorre de forma muito rápida, o sinal produzido tem forma de onda retangular. Veja que podemos retirar o sinal do circuito tanto do coletor de Q1, como do coletor de Q2. No entanto, estes sinais estarão com níveis diferentes. Assim, nos instantes em que a tensão do coletor de Q1 estiver próxima do positivo da alimentação (corte), ou seja, tivermos um nível alto de tensão, no coletor de Q2, que estará em zero (saturação), teremos um nível baixo de tensão.

Dizemos que as saídas são complementares e as representamos por Q e Q. A barra sobre o Q indica a situação complementar. Se os capacitores e os resistores usados forem iguais, o tempo de condução e corte de cada transistor será o mesmo, e teremos então um sinal “quadrado”, ou seja, com tempos de nível alto e baixo iguais, conforme o leitor poderá na figura 9.

 

 

Figura 9 – O sinal quadrado
Figura 9 – O sinal quadrado

 

 

A frequência de um multivibrador astável será tanto maior quanto menores forem os capacitores usados. Na prática, com transistores comuns, o limite superior para a frequência de operação deste circuito está em torno de 5 MHz.

No entanto, com transistores muito rápidos, pode-se conseguir frequências que chegam aos 100 MHz. Os multivibradores astáveis são muito usados em circuitos lógicos que, conforme já explicamos, admitem dois níveis de tensão apenas. Eles funcionam como cadenciadores ou “clocks” (relógios), determinando o ritmo ou velocidade de sua operação.

 

Finalidade: aprender como funciona uma configuração de multivibrador astável com dois transistores e utilizá-la num pisca-pisca que aciona dois LEDs alternadamente.

 

Explicação

No nosso circuito, os transistores controlam a corrente nos LEDs, de modo que, quando cada transistor conduz o LED ligado ao seu coletor acende.Como os transistores conduzem alternadamente num multivibrador astável, dependendo dos capacitores, os LEDs também acendem alternadamente.

Troque os capacitores para verificar como influem na frequência das piscadas dos LEDs. Para os alunos dos cursos médio e técnico pode-se dar a fórmula para se calcular a frequência das piscadas e pedir que ela seja calculada para os valores dos componentes utilizados.

Também podem ser trocados os capacitores por outros valores não iguais no mesmo circuito, por exemplo 4,7 uF e 47 uF de modo a se obter um comportamento assimétrico para o circuito. Nesse comportamento, um dos LEDs fica aceso por mais tempo do que o outro.

Mais sobre a teoria de funcionamento deste circuito pode ser encontrado no livro Curso de Eletrônica – Eletrônica Analógica – Volume 2.

 

Montagem

Na figura 10 temos o diagrama completo do multivibrador astável.

 

  Figura 10 - Diagrama completo do multivibrador astável
Figura 10 - Diagrama completo do multivibrador astável

 

A montagem utilizando a matriz de contatos de 170 pinos é mostrada na figura 11.

 

Figura 11 - Montagem na matriz de contatos
Figura 11 - Montagem na matriz de contatos

 

Na montagem, observe cuidadosamente a posição dos transistores e dos LEDs. Os resistores têm seus valores dados pelas faixas coloridas, conforme lista de materiais. Na figura 12 temos a foto do protótipo montado pelo autor.

 

Figura 12 - Foto da montagem
Figura 12 - Foto da montagem

 

 

Procedimento:

Ligue os fios do suporte de pilhas à matriz de contatos, observando sua polaridade (cores). Os LEDs devem piscar imediatamente.

 

Sugestão

Altere os valores dos capacitores para verificar como eles alteram o comportamento do circuito.

 

Q1, Q2 – BC548 – transistores NPN

LED1, LED2 – LEDs comuns

R1, R4 – 1 k ohms – resistor – marrom, preto, vermelho

R2, R3- 100 k ohms – resistor – marrom, preto, amarelo

C1, C2 – 4,7 uF – capacitores eletrolíticos

B1 – 6 V – 4 pilhas

Diversos:

Matriz de contatos, suporte de pilhas, fios, etc.

 

Questionário

- O que acontece com as piscadas dos LEDs se aumentarmos os valores dos capacitores usados?

- É possível fazer com que um dos LEDs fique aceso por mais tempo que o outro? Como?

- Como podemos fazer este circuito usando transistores PNP?

 

 

Projeto 3 – Eletroscópio com o 4093 – Projeto intermediário

Eletricidade Estática

Os corpos podem acumular eletricidade. Quando há um desequilíbrio nas cargas e um corpo passa a ter elétrons em excesso, dizemos que ele está eletrizado negativamente.

Por outro lado, quando um corpo manifesta uma falta de elétrons, dizemos que ele se encontra eletrizado positivamente. Podemos carregar os corpos pelo atrito, contato, ou aproximação (indução), removendo ou acrescentando elétrons. Quando atritamos um pente ou uma régua em nossa roupa, o objeto perde elétrons para nossa roupa ficando eletrizado positivamente.

Para detectar a presença de cargas elétricas, utilizamos instrumentos denominados eletroscópios.

 

Figura 13 – Um eletroscópio de folhas
Figura 13 – Um eletroscópio de folhas

 

 

Quando aproximamos um corpo carregado da argola (ou esfera de metal), as folhas finas de metal abrem. Nos eletroscópio de laboratório são usadas folhas de ouro pela sua maleabilidade.

Finalidade: aprender como uma porta sensível do CMOS 4093 pode mudar de estado com a aproximação de um corpo carregado eletricamente.

 

Explicação

As portas do circuito integrado 4093 são extremamente sensíveis podendo até operar com as pequenas cargas acumuladas nos corpos. Assim, basta esfregar um objeto como uma régua ou outro de plástico num tecido para que ele se carregue de eletricidade e aproximando de um fio ligado à entrada do 4093 termos tensão induzida o suficiente para que ele troque de estado.

Desta forma, um LED ligado na sua saída vai acender ou apagar conforme a polaridade da carga do corpo que aproximarmos do fio usado como antena. Este circuito funciona como um eletroscópio que é um instrumento usado para verificar se um corpo contém cargas elétricas. As cargas detectadas são cargas estáticas obtidas, por exemplo, quando atritamos dois isolantes.

 

Montagem

Na figura 14 temos o diagrama completo do eletroscópio

 

  Figura 14 – Diagrama do eletroscópio
Figura 14 – Diagrama do eletroscópio

 

A figura 15 mostra como fazer sua montagem na matriz de contatos.

 

   Figura 15 - Montagem na matriz de contatos
Figura 15 - Montagem na matriz de contatos

 

Ao realizar a montagem, é importante observar a posição do circuito integrado e ao encaixá-lo, fazê-lo com muito cuidado para que todos os pinos fiquem alinhados com os furos. Quando pressionarmos o circuito integrado todos os pinos devem encaixar sem esforço.

Observe a posição do LED e os valores dos resistores utilizados. O sensor consiste num pedaço de fio encapado de 10 a 15 cm de comprimento encaixado no furo correspondente da matriz de contatos. Na figura 16 temos a foto da montagem.

 

Figura 16 – Montagem do eletroscópio
Figura 16 – Montagem do eletroscópio

 

 

Procedimento

Esfregue na sua roupa uma caneta, régua ou pente e aproxime da antena sensora do eletroscópio, mas sem encostar. Movimentando o objeto eletrizado, o LED deve piscar indicando a presença de cargas. Faça a experiência com diversos objetos de materiais isolantes como tecidos, plásticos, vidro, etc.

 

Sugestão:

Adapte este circuito para disparar um oscilador sonoro em lugar de acender o LED, baseando-se nos osciladores disparados dos projetos anteriores.

 

CI-1 – 4093 – circuito integrado CMOS

LED – LED comum de qualquer cor

R1 – 1 k ohms – resistor – marrom, preto, vermelho

B1 - 6 V – 4 pilhas

Diversos:

Matriz de contatos de 170 pontos, fios, suporte de pilhas.

 

Questionário

- Por que não precisamos encostar o corpo carregado na antena para que o circuito detecte sua carga?

- O que eletrização por atrito?

- Por que o LED tanto pode acender quanto apagar na presença de cargas num corpo aproximado.

 

 

Puxa! Legal, mas não entendi nada

Se você fez uma dessas montagens e funcionou, mas você não entendeu, não se preocupe. Você está no caminho certo. Você já percebeu que pode ser um maker.

Este guia justamente vai lhe dar o caminho para que aos poucos você não apenas comece a entender o que faz, quando trabalhar com um projeto pronto, mas também adquirir conhecimentos para criar seus próprios projetos e assim se tornar o verdadeiro maker.

Continue lendo este livro, outros livros que temos sobre o assunto e nos acompanhando no site que você saberá sempre mais.

 

 

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