Se bem que relógios digitais compactos com todos os componentes colocados num único circuito integrado possam ser comprados a preço bastante baixo, a montagem de um relógio digital completo com circuitos integrados de funções não dedicadas de séries normais TTL ou CMOS é fundamental para o aprendizado em escolas técnicas. Mesmo os hobistas mais apaixonados preferem a montagem peça por peça de um circuito deste tipo do que contar com um chip único pronto que "não tem graça nenhuma" em se usar ou apenas se ter o trabalho de instalar numa caixa. Foi pensando nestes leitores que publicamos um circuito tradicional de relógio, desenvolvido originalmente por Alexandre Braga e publicado anteriormente nesta revista e que não apresenta novidades técnicas, mas que pode ser de muito interesse para nossos leitores que estudam, que montam ou que simplesmente gostam da eletrônica digital na sua forma mais pura.
Descrevemos a montagem de um relógio digital de 24 horas com circuitos integrados CMOS de fácil obtenção e que, como os relógios de cabeceira comerciais, é sincronizado pela rede de energia o que lhe garante excelente precisão e estabilidade de funcionamento.
Como já salientamos, não temos todos os componentes num único chip, mas sim espalhados por 11 circuitos integrados convencionais, o que é muito importante para que os leitores que pretendem entender como ele funciona tenham uma visão em setores muito mais bem definida. Enfim, mesmo sendo projeto já publicado, com um tratamento mais atual do texto obtemos uma montagem ideal para ser incluída nos currículos dos cursos técnicos de eletrônica.
A pequena placa de circuito impresso que aloja todos os componentes permite a instalação do relógio numa caixa de reduzidas dimensões. Na verdade, os leitores mais habilidosos poderão colocar toda sua arte na elaboração de envoltórios para este relógio com os formatos que bem entenderem!
Outra possibilidade interessante que pode ser aproveitada para os leitores é a utilização de uma interface de potência para alimentar displays externos de sete segmentos feitos com lâmpadas comuns ou mesmo grandes conjuntos de LEDs levando o circuito a funcionar como um relógio de parede.
Outro ponto importante do projeto que deve ser ressaltado, levando-se em conta sua finalidade didática, e graças ao uso de muitos circuitos integrados é a possibilidade de se analisar o circuito etapa por etapa em caso de falhas.
COMO FUNCIONA
Na figura 1 temos o diagrama de blocos deste relógio digital de 24 horas.
Diagrama do relógio digital
Na entrada do circuito temos um transformador que, além de isolar o circuito da rede local têm duas outras finalidades importantes: fornecer a baixa tensão que depois de retificada, filtrada e estabilizada alimenta os circuitos eletrônicos, também é responsável pelos pulsos que sincronizam o seu funcionamento.
A retificação é filtragem é feita da forma convencional com 4 diodos 1N4002, 1N4007 ou equivalentes e um capacitor eletrolítico. A estabilização para se obter os 5 volts de alimentação é feita por um circuito integrado 7805.
Para se obter a sincronização usamos inicialmente um circuito que modifica o formato da tensão senoidal do transformador de modo a se obter pulsos na frequência de 60 Hz, mais apropriados para a excitação de um divisor por 3 600.
A mudança do formato da tensão da rede é feita por duas portas AND 4081. Observamos na entrada destas portas a rede RC formada por R1 e C3 que tem por finalidade amortecer eventuais pulsos de transientes que poderiam causar a produção de sinais erráticos no relógio. Num local ruidoso, pulsos que eventualmente passem por este circuito serão contados a mais e o relógio tende a adiantar. Se isso ocorrer em sua localidade, basta aumentar o valor de C3.
A divisão por 3 600 de modo a se obter um pulso por segundo na rede de 60 Hz é feita pelos circuitos integrados 4040 e por mais 3 portas do circuito integrado 4081.
O 4040 consiste num divisor formado por uma sequência de flip-flops em série. Se ativarmos o circuito "pulando" alguns desses flip-flops podemos acelerar a produção de pulsos e com isso aumentar a frequência de saída o que faz o relógio "andar rápido".
Este recurso é usado pelas chaves S1 e S2 que aceleram então o circuito permitindo assim que ele seja ajustado. O ajuste pode ser rápido ou lento, conforme a divisão de frequência seja alterada para se obter maior ou menor frequência na saída.
Os sinais deste circuito são levados tanto ao circuito indicador que consiste em dois LEDs que piscam indicando que o relógio está funcionando e ao mesmo tempo servem para separar horas dos minutos como também ao circuito contador.
O bloco contador é formado por 4 circuitos integrados 4029 que são programados para fazer a divisão dos pulsos de forma diferente.
Assim, o primeiro circuito 4029 (CI-1) faz a divisão por 10 já que ele é responsável pelas unidades de minutos, enquanto que o segundo circuito 4029 faz a divisão por 6 dando as dezenas de minutos. Isso significa que na saída do segundo 4029 (CI-3) através da porta CI-11 temos um pulso a cada exatamente 60 minutos, pulso esse que enviado ao terceiro e quarto contadores 4029 (CI-5 e CI-7) responsável pelas horas.
Este terceiro e quarto contadores estão programados para fazer a divisão por 24 de modo a termos um pulso de reset no circuito a cada 24 horas quando todos os blocos são zerados.
Para alimentar os displays são usados latches decodificadores e drivers para displays de 7 segmentos de anodo comum do tipo 4511.
Estes circuitos integrados alimentam diretamente displays do tipo LED com a utilização de resistores limitadores de corrente de 220 ?.
Observe que pelo fato de que CI-7 só conta até 2 e que CI-3 só conta até 6, no primeiro caso só usamos duas linhas de dados entre CI-7 e CI-8 enquanto que usamos apenas 3 linhas de dados entre CI-3 e CI-4.
Os leitores habilidosos podem acrescentar outros recursos a este circuito como, por exemplo, programar para que um alarme externo seja acionado sob determinadas condições ou ainda agregar um oscilador (a cristal, por exemplo) com um divisor adicional alimentado por bateria para se obter 1 Hz de modo que o relógio não pare em caso de falta de energia.
De modo a não se ter o rápido consumo de energia quando houver corte de energia, mas sem parar as etapas de contagem, a alimentação dos latches e dos displays seria cortada. O relógio permaneceria "apagado" durante o corte de energia, mas quando ela voltasse, ele acenderia na hora correta, pois não teria parado.
MONTAGEM
Na figura 2 temos o diagrama completo de nosso relógio digital.
A disposição dos componentes é feita em duas placas de circuito impresso que são mostradas na figura 3 e 4.
Placa de circuito impresso do relógio digital (Displays)
Placa de circuito impresso do relógio digital (controle)
Numa das placas fica o circuito propriamente dito enquanto que na outra ficam os displays, o que permite sua localização caixa da forma que o leitor entender ser melhor para seu caso.
Evidentemente, o principal cuidado que o leitor deve ter antes de fazer a placa de circuito impresso é com a obtenção dos displays. Eventualmente podem ser usados displays de tamanhos diferentes do original, desde que de catodo comum, mas o montador deve ter o cuidado de alterar antes o desenho da placa de acordo com os componentes que for usar para esta finalidade.
O transformador não é crítico, principalmente porque se trata de componente que fica fora da placa. Qualquer transformador de 6+6 Volts com corrente de 500 mA a 1 A pode ser usado.
Para as montagens didáticas será interessante gastar um pouco mais e montar todos os circuitos integrados em soquetes. Além de dar mais segurança no momento da solda, a eventual necessidade de troca em caso de ocorrer algum problema fica facilitada.
O circuito integrado estabilizador de tensão 7805 deve ser dotado de um radiador de calor.
Os resistores são todos de 1/8W o capacitor eletrolítico C1 deve ter uma tensão de trabalho de 12V ou mais. Os demais capacitores podem ser cerâmicos ou de poliéster e os diodos admitem equivalentes.
S1 e S2 são interruptores de pressão do tipo NA e serão ligados ao circuito por meio de fios de uns 20 cm de comprimento pois devem ficar em algum ponto da caixa para acerto.
AJUSTES E USO
Concluída a montagem, será importante verificar o funcionamento. Para isso, ligue o plugue à rede de energia. Quando isso for feito os LEDs devem começar a piscar e os displays devem acender.
Como a indicação inicial dos displays é aleatória será preciso fazer o acerto do relógio.
Para isso atua inicialmente sobre a chave de ajuste rápido até se aproximar da hora desejada. Passe então para o ajuste lento de modo que se possa chegar com precisão aos minutos.
Se algum segmento do display não acender, verifique se na saída correspondente do 4511 há tensão quando ele deveria acender. Se não houver tensão o problema pode estar no circuito integrado, mas se houver o problema pode estar no próprio display.
Se os LEDs não piscarem, devemos verificar o circuito de clock: com um frequencímetro devemos medir 60 Hz na entrada de CI-11 e saída de CI-11. Usando um multímetro devemos encontrar pulsos na saída do segundo CI-12 a razão de um por segundo. Se isso não ocorrer temos problemas com CI-11, CI-12 ou ainda com o CI-9.
Se os pulsos estiverem presentes até o pino 15 de CI-1 devemos verificar os contadores. Coloque S2 no ajuste rápido. Devemos medir pulsos com o multímetro na escala que permita ler 5 V no pino 7 de CI-1, no pino 14 de CI-3, no pino de saída de CI-11 junto à CI-5, e no pino 7 de CI-5. A ausência de pulsos que deve diminuir gradualmente de frequência quando vamos em direção à CI-7 indica problemas com estes integrados.
Se os pulsos estiverem presentes em todos mas algum display se negar a funcionar devemos verificar os circuitos integrados 4511.
Uma vez que o relógio esteja acertado é só fazer sua instalação definitiva em uma caixa e usá-lo. Caixas de boa aparência podem ser feitas com acrílico.
LISTA DE MATERIAL
Semicondutores:
CI-1, CI-3, CI-5, CI-7 - 4020 - circuitos integrados CMOS
CI-2, CI-4, CI-6, CI-8 - 4511 - circuitos integrados CMOS
CI-9 - 4040 - circuito integrado CMOS
CI-10 - 7805 - circuito integrado regulador de tensão
CI-11, CI-12 - 4081 - circuitos integrados CMOS
DS-1, DS-2, DS-3, DS-4 - MCD168K ou equivalentes - displays de 7 segmentos de catodo comum
Q1 - BC548 ou equivalente - transistor NPN de uso geral
LED1, LED2 - LEDs vermelhos comuns
D1, D2, D3 e D4 - 1N4004 ou 1N4007 - diodos de silício
D5, D6, D7, D8 e D9 - 1N4148 ou equivalentes - diodos de silício de uso geral
Capacitores:
C1 - 220 uF/12V - eletrolítico
C2 - 220 nF - cerâmico ou poliéster
C3 - 1 nF - cerâmico ou poliéster
Resistores: (1/8W, 5%)
R1, R2, R3 - 10 k ?
R4 - 100 ?
R5 à R32 - 220 ?
Diversos:
T1 - Transformador com primário de acordo com a rede de energia e secundário de 6+6V x 500 mA
S1, S2 - Interruptores de pressão NA
Placa de circuito impresso, caixa para montagem, cabo de força, soquetes para os integrados, fios, solda, etc.
Obs: Este projeto foi originalmente desenvolvido por Alexandre Braga.
