Este é um dos circuitos integrados da família CMOS que se destaca pela sua gama de utilidades servindo, por este motivo, para uma infinidade de projetos. Neste artigo explicamos o que é o 4093 e o que ele pode fazer em termos de versatilidade de projetos.

Na verdade, o circuito integrado 4093 é tão versátil que publicamos nos Estados Unidos um livro inteiro sobre ele.

O livro chamado CMOS Projects and Experiments – using the 4093 foi um dos nossos maiores sucessos, tanto que já estamos preparando uma versão em português, na época em que republicamos este artigo (2014).

O circuito integrado 4093 que pode apresentar diversos sufixos, dependendo do fabricante pertence a família CMOS de circuitos lógicos digitais (veja no site diversos artigos sobre o assunto).

O 4093 é formado por 4 portas disparadoras (Schmitt Triggers) que podem ser usadas da forma independente.

O circuito integrado 4093 pode ser alimentado com tensões de 3 a 15 V consumindo uma corrente típica de 0,5 mA com alimentação de 10 V.

Na figura 1 temos o invólucro DIL deste componente com a sua pinagem.

 

   Figura1 – pinagem do 4093
Figura1 – pinagem do 4093

 

Para entendermos como funciona o 4093 será interessante analisar como funciona um disparador NAND.

 

Os disparadores NAND

Como todo circuito lógico digital, o 4093 trabalha com apenas dois níveis de sinais que ele interpreta como 0 ou 1, ou LO e HI (baixo e alto).

É claro que existem aplicações em que podemos fazê-lo trabalhar em níveis intermediários, o que veremos mais adiante.

Assim, na função lógica convencional NAND (não E) representada na figura 2, o sinal que aparece na saída depende dos sinais aplicados à entrada e todos só podem ser 0 ou 1.

 

   Figura 2 – A função NAND
Figura 2 – A função NAND

 

O nível zero (0) é representado pela tensão de 0 V ou terra do circuito, enquanto o nível um (1) é representado pela tensão positiva da alimentação ou +Vcc.

Em função desses níveis teremos na sida também 0m ou 1, ou seja, 0 V ou +Vcc conforme a combinação de níveis aplicados à entrada.

Para isso temos a tabela mostrada na figura 3, com 4 possibilidades.

 

   Figura 3 – A tabela verdade da porta NAND de duas entradas
Figura 3 – A tabela verdade da porta NAND de duas entradas

 

Observe então que, para três combinações de sinais na entrada teremos nível 1 na saída, ou seja Vcc, e apenas uma em que as entradas são ambas 1 (+Vcc) em que a saída vai a zero.

Numa porta convencional, os valores de tensão de entrada aplicados ao circuito devem ter limites bem estabelecidos e a transição de um nível para outro na saída se faz de uma forma mais ou menos lenta.

Assim, supondo que no circuito da figura 4, a entrada B esteja no nível de 0 V, vamos gradualmente aumentando a tensão.

 

   Figura 4 – Verificando o comportamento de uma porta NAND
Figura 4 – Verificando o comportamento de uma porta NAND

 

Chega então um instante em que o circuito deixa de reconhecer esta tensão de entrada como nível baixo e passa a reconhecê-la como nível alto.

Neste momento, a saída passa por uma transição indo do nível alto para o nível baixo, ou seja, indo de +Vcc para 0 V.

Numa porta convencional este processo é lento e de certo modo indefinido, mas se o circuito tiver uma configuração especial, com forte realimentação interna, ele poderá fazer a transição em pontos definidos e de uma forma muito rápida com a curva mostrada na figura 5.

 

      Figura 5 – A característica do 4093
Figura 5 – A característica do 4093

 

Segundo vemos por esta curva, à medida que aumentamos a tensão na entrada, nada ocorre até ser atingido o ponto Vp quando o componente passa a reconhecer essa tensão como 1, e não mais zero, ocorrendo uma transição na saída.

Por outro lado, estando a tensão de entrada no nivel 1 (+Vcc) e começando a cair lentamente, também temos um ponto em que o componente deixa de reconhecê-la como 1, e passa a vê-la como 0, e nova transição ocorre na saída.

Esta tensão, denominada Vn, é diferente de Vp, o que nos leva a uma gráfico em que a “subida”é diferente da “descida”.

Essa diferença resulta no que denominamos uma característica de “histerese” e que é um ponto de destaque neste circuito, difereciando-o dos demais.

A frequência máxima de operação depende da tensão de alimentação.

 

Características:

Faixa de tensões de alimentação: 3 a 15 V

Frequência máxima: 5 MHz

Corrente de repouso: 0,5 mA

Corrente máxima de saída (drenando ou fornecendo) – 2,3 mA (tip)

Limiar positivo: 5,9 V (10 V)

Liminar negativo: 3,9 (10 V)

 

Aplicações:

Centenas de projetos utilizando o 4093 podem ser encontrados no site do autor, bastando digitar 4093 no “search” da homepage.

 

a) Circuito monoestável

Na figura 6 temos um circuito simples de monoestável com o 4093.

 

   Figura 6 – Monoestável 4093
Figura 6 – Monoestável 4093

 

Neste circuito uma das entradas é mantida positiva, mas podemos usar o 4093 como inversor unindo das duas entradas nesta configuração.

O pulso de entrada deve ser compatível CMOS e o tempo obtido é calculado pela fórmula junto ao diagrama.

O resistor R pode ter valores entre 50k e 1 M Ω tipicamente e o capacitor depende do tempo desejado podendo chegar a 1 000 µF.

 

b) Formador de sinais retangulares

O circuito mostrado na figura 7 gera um sinal retangular a partir de sinais de outras formas de onda.

Este circuito trabalha com o limiar Vp de um sinal de forma de onda qualquer, gerando pulsos nos pontos em que a entrada ultrapassa o valor de disparo.

O circuito é direto, mostrado na figura 7.

 


 

 

Para um sinal triangular de entrada, temos a forma de onda gerada mostrada na figura 8.

 

   Figura 8 – Entrada triangular
Figura 8 – Entrada triangular

 

 

O limite de operação deste circuito depende da tensão de alimentação ficando em alguns megahertz com 10 V.

 

c) Oscilador retangular

A configuração da figura 9, sem dúvida alguma, é a mais popular para o 4093, sendo encontrada numa infinidade de projetos.

 

   Figura 9 – Oscilador 4093
Figura 9 – Oscilador 4093

 

A frequência exata do sinal retangular gerado pode ser encontrada através da fórmula junto ao diagrama, mas podemos trabalhar com uma fórmula simplificada.

T = 0,7 x R x C

Esta fórmula ajuda nos projetos menos comprometidos, pois leva em conta a tolerância dos componentes usados.

 

d) Pulsador Sonoro

O circuito mostrado na figura 10 gera um sinal de áudio de boa potência num alto-falante de 10 cm pesado.

 

   Figura 10 – Pulsador sonoro
Figura 10 – Pulsador sonoro

 

Tanto a frequência do som como de repetição dos pulsos podem ser ajustadas nos trimpots.

A alimentação pode ser feita com tensões de 6 a 12 V e a corrente é da ordem de algumas centenas de miliampères.

 

e) Gerador de sinais

O circuito mostrado na figura 11 gera sinais numa ampla faixa de frequências, servindo como excelente injetor de sinas para testes e até mesmo como transmissor sem bobinas.

 

   Figura 11 – Gerador de sinais
Figura 11 – Gerador de sinais

 

A alimentação pode ser feita por pilhas, pois o consumo é muito baixo.

O sinal retangular gerado é rico em harmônicas, possibilitando o uso do aparelho em testes de circuitos de RF.

 

f) Intermitente luminoso

O circuito da figura 12 gera pulsos luminosos cuja frequência pode ser ajustada no trimpot.

 

   Figura 12 – Pulsador luminoso
Figura 12 – Pulsador luminoso

 

Nesta aplicação, mostramos uma pequena lâmpada incandescente como carga, mas podem ser utilizados LEDs de alta potência em série com resistores de valores apropriados.

A corrente máxima controlada com o transistor indicado pode ser de até 3 A, se o transistor for dotado de radiador de calor.

 

g) Ativação de relé

Na figura 13 mostramos como ativar um relé de modo intermitente utilizando um 4093.

 

   Figura 13 – Controle de relé
Figura 13 – Controle de relé

 

 

Com o transistor indicado, o relé pode ter correntes até 100 mA.

 

h) Clock CMOS

Na figura 14 temos o circuito final deste artigo, um clock para acionamento de lógica CMOS, por exemplo, sequencial 4017.

 

   Figura 14 – Clock CMOS
Figura 14 – Clock CMOS

 

 

A frequência máxima, que depende da tensão de alimentação pode chegar a 1 ou 2 MHz.

O sinal gerado é retangular e sua frequência pode ser fixa dependendo dos componentes (veja oscilador 4093) ou ajustada num trimpot, num sistema sequencial, por exemplo.

As outras portas do 4093 podem ser utilizadas em outros osciladores ou funções de buffer, como neste exemplo.

 


Opinião

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