O Capacitor – Temporizador com Circuito RC

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Como citar esse artigo: VERTULO, Rodrigo Cesar. O Capacitor – Temporizador com Circuito RC. Disponível em: <http://labdeeletronica.com.br/temporizador-circuitorc/>. Acessado em: 11/09/2024.

Finalmente chegou o momento de aplicarmos os conhecimentos adquiridos sobre a dedução da expressão da corrente, tensão e carga do Capacitor que apresentamos aqui no Laboratório de Eletrônica. Neste projeto utilizaremos um Circuito RC e alguns outros componentes para projetarmos e construirmos um Temporizador de retardo de 10 segundos. Um Temporizador de retardo é um circuito que após acionado leva algum tempo até que a carga seja efetivamente acionada. Neste projeto que desenvolveremos, faremos uso da característica do Capacitor de levar algum tempo até que seja totalmente carregado. Utilizaremos um circuito RC série como principal elemento de nosso projeto. Para que seja possível realizarmos este projeto também utilizaremos os conceitos aprendidos em outro post aqui do Laboratório de Eletrônica que trata sobre o uso do Amplificador Operacional como Comparador de Tensão.

A Figura 1 mostra o diagrama de blocos de nosso projeto. Nele podemos notar a existência de dois grandes blocos, sendo o primeiro responsável pela temporização do circuito e o segundo pelo acionamento da carga. A ideia do circuito é aplicarmos uma tensão Vcc no bloco temporizador que levará algum tempo até que seja capaz de ativar o bloco acionador da carga.

 

Figura 1 – Diagrama de Blocos do Circuito Temporizador.

O bloco temporizador é formado por um circuito RC série cujos valores do resistor e capacitor serão dimensionados de modo a fazer com que leve aproximadamente 10 segundos até que a tensão sobre o capacitor fique por volta de 4,45V. Para que possamos fazer este dimensionamento precisaremos utilizar a expressão da carga no capacitor que é definida por:

Vc = V x (1 – e^(-t/RC))

onde:

Vc = Tensão desejada no capacitor

V = Tensão de alimentação do circuito

e = Número de Euler (aproximadamente 2,72)

t = Tempo desejado para que o capacitor atinja a tensão Vc

R = Valor do resistor do circuito RC

C = Valor do capacitor do circuito RC

Para o nosso objetivo cada uma das variáveis acima serão definidas do seguinte modo:

Vc = 4,45V

V = 5V

e = 2,72

t = 10s

C = 470uF

R = ?

Note que não temos o valor do resistor, de modo que precisaremos encontrá-lo. Faremos isso utilizando a expressão da carga no capacitor, porém, isolando o valor de R. Trabalhando a expressão matematicamente podemos isolar R da seguinte forma:

R = -t/( C x LN( (-Vc/V) + 1))

e substituindo os valores das variáveis que já conhecemos chegamos a:

R = -10/( 470uF x LN( ( -4,45/5 ) + 1))

R = 9,64 kOhms (utilizaremos o valor comercial de 10 kOhms

Como já possuímos todos os valores dos componentes do circuito do bloco temporizador chegamos à configuração mostrada abaixo para o circuito RC.

Figura 2 – Circuito RC do bloco temporizador.

Tendo finalizado o projeto do bloco temporizador, iniciaremos o projeto do bloco acionador da carga. Este bloco será construído com um amplificador operacional LM741 configurado como comparador de tensão. A Figura 3 mostra sua configuração.

Figura 3 – Circuito do bloco acionador da carga.

A entrada do circuito da Figura 3 é o pino 3 (entrada não inversora) do amplificador operacional. Note que o pino 2 (entrada inversora) está ligado a uma fonte de tensão de 4,45V. Isto significa que enquanto a entrada não inversora possuir uma tensão menor do que 4,45V o amplificador operacional apresentará em sua saída -Vcc. Como no pino 4 do amplificador operacional (-Vcc) ligamos o terra, sua saída (pino 6) teria tensão nula se estivéssemos lidando com um amplificador ideal. Contudo, nosso componente (LM741) não é ideal e a sua saída terá em torno de 1,9V enquanto a entrada inversora for maior que a não inversora. Quando a entrada não inversora ultrapassar os 4,45V da entrada inversora, o pino 6 do amplificador operacional apresentará uma tensão próxima a Vcc que é de 5V. No caso do LM741 será algo em torno de 4,9V. Perceba que na saída do amplificador operacional foi necessário colocarmos um Diodo de silício (utilizamos um 1N4007). Sem este Diodo, mesmo que o amplificador operacional estivesse com -Vcc em sua saída (1,9V) o Led ficaria acesso, pois esta tensão é suficiente para acioná-lo. Ao colocarmos o Diodo causamos uma queda de tensão 0,7V, deste modo, com o amplificador em -Vcc a tensão aplicada no Led passa a ser de 1,2V, insuficiente para acendê-lo. Quando a saída do amplificador operacional passa para +Vcc (4,9V), o Diodo causa uma queda de tensão de 0,7V e os 4,2V restantes aplicados no Led passam a ser suficientes para ativá-lo com uma boa intensidade luminosa. O Resistor de 300 Ohms limita a corrente sobre o Led, de modo que a corrente sobre o mesmo fique em torno de 7mA.

Finalmente, nossa última tarefa será unir o bloco temporizador com o acionador da carga. A Figura 4 mostra como fazemos esta ligação.

Figura 4 – Temporizador com Circuito RC completo.

A figura acima mostra que para conectarmos o bloco temporizador com o acionador de carga basta ligarmos o terminal do capacitor C1 que esta ligado no resistor R1 no pino 3 (entrada não inversora) do amplificador operacional. No momento que o circuito é ligado à fonte V1 de 5V o capacitor começa a se carregar aumentando gradativamente a tensão aplicada no pino 3 do amplificador. Enquanto este valor de tensão for inferior a Vref que é de 4,45V o pino 6 do amplificador apresentará uma tensão de aproximadamente 1,9V e sobre o Led será aplicada uma tensão de 1,2V, insuficiente para acioná-lo. Quando o capacitor atinge uma tensão maior que os 4,45V de Vref a saída do amplificador operacional passa a ter uma tensão próxima a 4,9V e o Led passa a ter aplicado sobre ele uma tensão de 4,2V. Como o Resistor R2 utilizado junto com o Led é dr 300 Ohms, a corrente sobre o mesmo será de aproximadamente 7mA, suficiente para acioná-lo com uma boa luminosidade. O tempo que levará para que a nossa carga (Led) seja acionada será de aproximadamente 10 segundos.

Segue abaixo a lista de componentes utilizados para a montagem do circuito:

1 Capacitor de 470uF

1 Amplificador Operacional LM741

1 Resistor de 10 kOhms

1 Resistor de 300 Ohms

1 Diodo 1N4007

1 Led Vermelho

1 Bateria de 5V

1 Bateria de 4,45V (para conseguir uma tensão próxima de 4,45V faça um divisor de tensão utilizando um resistor de 1 kOhms e outro de 10 kOhms – aprenda sobre divisores de tensão aqui)

Veja a seguir um vídeo com o circuito montado e em operação.