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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.
      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/R , e   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)

      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 ).


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,  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,     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.

Seja  C=1000  mF Þ     R=435/1000.10-6F = 435 kW

No  estado estável, TR1 cortado e TR2 saturado,  o circuito equivalente é mostrado na Figura 10






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


2.2.  Para o circuito, desenhar os gráficos de VCE1(t)  e VBE2(t)  indicando todos os valores de tempo e tensão. Considerar que a frequencia dos pulsos de disparo é de 200 Hz



Solução:  Calculemos primeiramente os tempos  envolvidos.

  Ti = 0,69.33.103 .0,1.10-6 = 2,27 ms            trec = 4.1.103.0,1.10-6 = 0,4 ms             Td = 1/200 = 5 ms

Os  gráficos são basicamente os da Figura 8, colocando todos os valores  de tempo e  tensão.




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 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

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   e identifique o circuito   da  Figura 13 e repita os itens 4.2 e 4.3.
Ti(Calc.)=0,69.R.C=_______________    Ti(med.)=_________________





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    e identifique o circuito da figura 14.



                                      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.
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