Conheça o 4093 (ART2274)

Na abordagem de componentes eletrônicos comuns, da família CMOS e de outras, focalizamos, neste artigo, um dos membros mais versáteis e que pode ser de grande utilidade numa infinidade de projetos. Trata-se do integrado 4093, que consiste em quatro disparadores NAND num único invólucro. Com ele poderemos projetar chaves de toque, osciladores, conformadores de ondas e muitos outros circuitos de grande utilidade. Colecione estas informações, agregando-as às dos outros integrados já vistos da mesma família como o 4017, 4046 etc e forme seu utilíssimo manual de aplicações CMOS.

Obs. Este artigo é 1989. No site além de termos outros artigos sobre o 4093, temos uma infinidade de projetos com este componente.

O Circuito integrado 4093 é formado por quatro portas NAND do tipo Schmitt-trigger, ou seja, circuito dotado de característica de transição do nível baixo para o alto muito rápida (que será explicada mais adiante).

Este integrado é encontrado em invólucro DIL (Dual In Line) de14 pinos, com a identificação interna mostrada na figura 1.

 

Figura 1 – O 4093
Figura 1 – O 4093

 

A tensão de alimentação permitida está na faixa de 3 a 18 V e cada uma das portas, que possui duas entradas e uma saída, pode funcionar de maneira independente.

Para entender melhor as características deste circuito será interessante recordarmos o princípio de funcionamento dos disparadores Schmitt ou Schmitt-triggers.

A transição do nível alto para o nível baixo, e vice-versa, na saída de uma função lógica depende de variação do sinal de entrada, ou seja, de seu nível.

Para uma função NAND ideal deveríamos ter os mesmos pontos de transição do nível baixo para o alto, e do alto para o baixo, em função das tensões de entrada, conforme mostra a figura 2.

 

Figura 2 – A transição de uma porta
Figura 2 – A transição de uma porta

 

Atingindo o nível de transição, a subida da tensão de saída ou sua queda deveria ocorrer de maneira abrupta, com uma mudança de nível praticamente sem pontos intermediários.

Na prática, entretanto, a transição que ocorre nas portas lógicas não é tão rápida, o que pode trazer problemas de funcionamento.

Existem, pois, tensões de entrada proibidas, que podem causar o aparecimento de níveis de tensão na saída que não correspondam nem ao zero nem ao um lógico, ou seja, níveis proibidos (figura 3).

 

Figura 3 – Níveis proibidos
Figura 3 – Níveis proibidos

 

Com a utilização de circuitos que possuam forte realimentação interna, podemos tomar abrupta a transição de um circuito deste tipo e, além disso, dotá-lo de uma característica adicional, que é a histerese.

Estes circuitos, utilizados numa infinidade de aplicações, são os disparadores ou “triggers” de Schmitt.

No entanto, o que nos interessa nestes circuitos é sua histerese, que pode ser facilmente visualizada na figura 4.

 

  Figura 4 – A histerese
Figura 4 – A histerese

 

Pelo gráfico, em que temos a característica deste integrado, podemos ver que a transição do nível baixo para o nível alto ocorre com um nível de entrada diferente da que causa a transição do nível alto para o baixo.

No 4093 esta diferença é de 2,0 V com uma tensão de alimentação de 10 V, sem nenhum componente externo.

Para uma alimentação de 5,0 V, esta diferença é da ordem de 0,6 V.

Podemos dizer que a histerese caracteriza um caminho “de ida“ diferente do “de volta” para o sinal.

Mas, além da característica de uma comutação muito rápida, o que mais pode nos fornecer a histerese?

Como temos uma tensão de disparo menor do que a que o faz retornar à situação inicial, o trigger pode facilmente “travar” com sinais de entrada tão logo eles atinjam o valor necessário à comutação e, com isso, fornecer uma ação rápida que evita o chamado repique.

Quando acionamos um interruptor, o estabelecimento da corrente não se faz de maneira a termos uma transição firme ou pura do nível baixo para o alto, mas sim de forma a temos um intervalo de tempo, durante o estabelecimento do contato, em que a tensão varia segundo um padrão irregular, conforme mostra a figura 5.

 

Figura 5 – O repique
Figura 5 – O repique

 

Este padrão resulta no chamado repique, ou seja, na interpretação do circuito que está à frente não de um fechamento simples, mas sim de uma seqüência de pulsos.

Se o sistema for usado para acionar um contador, por exemplo, um interruptor do tipo tecla, o que teremos será a interpretação não de um pulso, mas de diversos.

Com a ligação de um disparador, logo que o primeiro pulso do repique atingir o nível necessário à sua comutação, ele tem sua saída passando para outro nível e “travando“, independentemente das variações de tensão que possam ocorrer na entrada.

A histerese ainda possibilita a elaboração de circuitos osciladores, pois existe realmente um “ganho" na diferença de níveis em que ocorre a transição de ida e de volta.

 

O 4093

Antes de passarmos diretamente às aplicações do 4093 será interessante vermos suas principais características.

A tabela a seguir fornece as principais características do 4093.

 


 

 

Na figura 6 temos um circuito equivalente interno de cada porta, mostrando que a porta NAND é, na verdade, ligada à dois inversores.

 

Figura 6 – Circuito interno de uma porta
Figura 6 – Circuito interno de uma porta

 

 

Passamos, então, às aplicações práticas.

A primeira possibilidade e a mais simples, consiste na utilização da porta NAND como inversora, conforme mostra a figura 7.

 

Figura 7 – Aplicação direta
Figura 7 – Aplicação direta

 

 

A tabela verdade, dada junto ao diagrama, mostra o funcionamento, mas devemos levar em conta a existência da histerese.

Nas aplicações que se seguem podemos aproveitar o 4093 na sua própria função de disparador NAND ou então, ligando juntas suas duas entradas, podemos transformá-lo num disparador Inversor.

Uma outra maneira de se obter um disparador consiste em se ligar uma das entradas ao positivo da alimentação, conforme mostrado na figura 8.

 

Figura 8 – Modos de uso como inversor
Figura 8 – Modos de uso como inversor

 

 

a) Conversão de sinais

Esta é uma aplicação muito útil em circuitos digitais.

Podemos transformar sinais de diversas formas de onda em sinais retangulares através de um Schmitt-trigger, conforme mostra a figura 9.

 

Figura 9 – Conversão de sinais
Figura 9 – Conversão de sinais

 

 

Nesta figura temos um circuito básico para tornar retangulares sinais senoidais.

Os resistores R1 e R2 devem ser dimensionados para polarizar a entrada da porta na metade da tensão de alimentação, ou seja, devem ter os mesmos valores.

Podemos aperfeiçoar este circuito com a utilização de um ajuste de polarização.

Com este ajuste podemos levar a tensão exatamente no ponto médio da transição, com o que obtemos um ciclo ativo de 50°/o para o sinal de saída (figura 10).

 

Figura 10 – Ajuste de polarização
Figura 10 – Ajuste de polarização

 

 

b) Retardamento de sinais

Uma outra aplicação interessante para as portas NAND disparadoras ou Inversores disparadores consiste em circuitos de retardo de pulsos ou formas de onda.

Podemos retardar a borda positiva ou transição positiva; podemos retardar a borda negativa ou transição negativa e, finalmente, podemos fazer os dois retardos.

Na figura 11 temos um primeiro circuito que serve para retardar a transição positiva.

 

   Figura 11 – Retardo para a transição positiva
Figura 11 – Retardo para a transição positiva

 

O tempo td + de retardamento da borda positiva depende dos valores de R e de C, conforme a seguinte fórmula:

 


 

 

 

onde Vp é a tensão de limiar positivo, de -2,6 V para uma alimentação de 5 V e de 5,2 V para uma alimentação de 10 V.

Na figura 12 temos uma maneira de se fazer o retardamento da borda negativa ou da transição negativa.

 

   Figura 12 – Retardo para a borda negativa
Figura 12 – Retardo para a borda negativa

 

O tempo td- de retardamento também depende de R e de C e é dado pela

fórmula:

td- = RC ln (Vdd/Vn)

onde Vn é a tensão de limiar negativo, de 2,0 V para uma alimentação de 5,0 V e de 3,5 V para uma alimentação de 10 V.

Para obter uma transição tanto na fronte negativa como na positiva do sinal de entrada, podemos usar o circuito da figura 13.

 

Figura 13 – Retardo nas duas transições
Figura 13 – Retardo nas duas transições

 

Os dois tempos dependem dos elementos das duas redes de retardo, e são dados por:

 


 

 

onde Vp é a tensão de Iimiar positivo, e

td- = C1 R1 1n Vdd/Vn

onde Vn é a tensão de Iimiar negativo.

 

c) Detecção de transições

Podemos obter uma rápida transição da saída com a transição do sinal de entrada através do 4093.

Na saída teremos, então, pulsos de duração definida.

Detectores deste tipo podem ser de grande utilidade na entrada de frequencímetros, tacômetros etc., pois convertem sinais de ciclos ativos irregulares em um trem -de pulsos de duração definida.

Na figura 14 temos um primeiro circuito que detecta a fronte ou transição positiva, fornecendo um pulso negativo em sua saída, cuja duração depende de R e de C.

 

Figura 14 – Detector de transição
Figura 14 – Detector de transição

 

Na figura 15 temos dois circuitos anti-repiques, baseados nesta configuração.

 

Figura 15 – Circuito anti-repique
Figura 15 – Circuito anti-repique

 

 

O primeiro circuito utiliza uma chave normalmente aberta e fornece na saída um pulso de duração determinada.

O resistor e o capacitor devem ser dimensionados de tal forma a fornecerem uma constante de tempo pelo menos 3 vezes maior que o tempo de repique do interruptor utilizado.

O segundo circuito emprega uma chave NF (Normalmente Fechada).

Na figura 16 temos uma versão mais elaborada de um interruptor sem repique, tendo por base uma das portas do 4093.

 

   Figura 16 – Outro circuito anti-repique
Figura 16 – Outro circuito anti-repique

 

 

Quando pressionado, o interruptor leva imediatamente a saída ao nível alto.

Quando livre, existe ainda um intervalo de tempo, em função dos componentes, até que a saída volte ao nível baixo.

 

d) Ressetadores automáticos

Na figura 17 temos um circuito que possibilita a ressetagem de um sistema digital quando a alimentação é ligada.

 

 

   Figura 17 – Reset automático
Figura 17 – Reset automático

 

Com o estabelecimento da tensão de alimentação, a porta é levada por certo tempo (de carga do capacitor) ao nível baixo, mantendo assim a saída no nível alto até o instante da transição.

O pulso serve, então, para ressetar um sistema digital.

 

e) Chaves de toque

A presença de transistores de efeito de campo nas portas NAND deste integrado faz com que tenhamos à disposição uma enorme sensibilidade.

Com isso, sinais de correntes baixíssimas podem ser usados na comutação como, por exemplo, os que são fornecidos pelo simples toque dos dedos em sensores.

Na figura 18 temos um circuito em que o toque dos dedos nos sensores (duas tachinhas, por exemplo) faz com que a entrada seja momentaneamente levada a nível baixo e, na saída, tenhamos um pulso positivo ou um nível alto.

 

Figura 18 – Sensor de toque
Figura 18 – Sensor de toque

 

Com a simples troca de posição do sensor com R1 temos a operação inversa com, a saída indo ao nível baixo quando o sensor for tocado.

Na figura 19 temos a versão biestável do circuito, em que duas portas são ligadas como um flip-flop.

 

   Figura 19 – Biestável de toque
Figura 19 – Biestável de toque

 

Temos então, dois sensores para armar e rearmar a saída, ou seja, para levá-la ao nível alto e depois ao nível baixo (set e reset).

Para ativação de “cargas pesadas” um driver, com um transistor BCS48, pode ser feito facilmente, conforme mostra a figura 20.

 

   Figura 20 – Acionamento de cargas maiores
Figura 20 – Acionamento de cargas maiores

 

Podemos usar relés de 6 ou 12 V, conforme a alimentação do circuito.

 

f) Osciladores

Multivibradores astáveis podem ser facilmente elaborados em torno das portas do›4093.

Na figura 21 temos o circuito básico com as formas de onda obtidas.

 

   Figura 21 - Oscilador
Figura 21 - Oscilador

 

O funcionamento pode ser analisado da seguinte forma: antes da aplicação da tensão de alimentação, a entrada e a saída se encontram no potencial de terra e o capacitor (C) está descarregado.

Quando a alimentação é estabelecida, a saída vai ao nível alto e C começa a se carregar, através do resistor R, até que a tensão Vp (limiar positivo) é alcançada.

Quando isso ocorre a saída passa ao nível baixo e C passa a se descarregar, através de R, até que a tensão Vn (limiar negativo) seja atingido.

Neste momento, a saída passa ao nível alto e com o início da carga do capacitor, temos um novo ciclo sendo produzido.

Veja então que, enquanto a tensão de entrada se alterna entre Vp e Vn, a saída se alterna entre Vdd e 0 V.

Na entrada temos uma forma de onda próxima da dente-de-serra e na saída temos um sinal retangular puro.

Uma característica adicional importante para este oscilador é que ele entra em funcionamento sozinho, bastando que a alimentação seja estabelecida.

O período do oscilador é dado por:

T = T1 + T2

Onde:

 


 

 

Como normalmente T1 é diferente de T2, para se obter um sinal com ciclo ativo de 50%, ou seja, relação marca/espaço igual a um, é preciso utilizar uma configuração diferente.

Na figura 22 temos a maneira de se fazer isso com um diodo e um resistor adicionais.

 

Figura 22 – Alterando o ciclo ativo
Figura 22 – Alterando o ciclo ativo

 

Os resistores podem então ser dimensionados para se obter a forma de onda simétrica, ou então qualquer outra relação marca/espaço que seja necessária.

Finalmente, temos a possibilidade de gatilhar os pulsos com o circuito da figura 23.

 

   Figura 23 – Oscilador gatilhado
Figura 23 – Oscilador gatilhado

 

Com a entrada de controle indo ao nível alto, o circuito entra em oscilação da maneira já vista.

 

CONCLUSÃO

Evidentemente, todos os circuitos que vimos são básicos.

A partir deles, poderão ser elaborados muitos outros circuitos e aplicações tendo por base o 4093.

No site do autor (WWW.newtoncbraga.com.br) o leitor encontrará centenas de circuitos práticos baseados no 4093.

 

Referêncías:

CMOS Integrated Circuits 4- Databook RCA Solid State - I983.

CMOS Cookbook - Don Lancaster - Howard Sams - 1982.

COS/MOS Digital Integrated Circuits - RCA Solid State - 1972.-

CMOS Sourcebook – Newton C. Braga – Prompt Books – 2001 - USA

 

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