Temporização de precisão com o 4020 (ART134)
Autor: Nilson Bávaro | Publicado: 2017-01-22T17:45:00-02:00



Os
 circuitos integrados de temporização como o 555 não atendem às  
aplicações mais críticas que exigem longos intervalos de tempo ou  
temporização precisa. Para esses casos, em que tempos de mais de uma  
hora são necessários, circuitos especiais devem ser projetados, quer  
seja com base na freqüência de referência da rede de energia como dos  
sinais gerados por osciladores controlados a cristal. Nesse artigo  
descrevemos alguns circuitos de temporização precisa que se baseiam no  
divisor de freqüência CMOS 4020.







Para
 gerar temporizações longas, circuitos integrados baseados em  constante
 de tempo RC, como o 555 não oferecem a precisão exigida por  aplicações
 mais críticas como as encontradas na industria.

Os
 circuitos desse tipo dependem de fugas dos capacitores, precisão  dos 
componentes usados e em temporizações acima de 1 hora não oferecem  
segurança alguma de funcionamento.

Para
 temporizações longas e com precisão a melhor tecnologia é a que  faz 
uso de bases de tempo precisa como a rede de energia e divisores de  
freqüência com circuitos digitais, conforme mostra a figura 1.

Clique na imagem para ampliar 




Por
 exemplo, para obter uma temporização de 1 hora (3 600 segundos)  
simplesmente utilizamos um oscilador preciso de 1 Hz e um divisor de  
freqüência por 3 600. No final do circuito obtemos um pulso a cada 3 600
  de entrada, ou seja, um pulso por hora, que pode ser utilizado para  
disparar a aplicação desejada.





Obtendo os Circuitos 

Com
 componentes comuns não temos grandes dificuldades em obter  osciladores
 de 1 Hz controlados a cristal e nem de obter essa freqüência  a partir 
dos 60 Hz da rede de energia.

Começamos por um circuito que permite obter 1 Hz a partir dos 60 Hz da rede de energia.

Na
 figura 2 temos então uma etapa que transforma o sinal senoidal de  60 
zHz obtido no secundário de um pequeno transformador, num sinal  
retangular compatível com a tecnologia CMOS.



Esse sinal é aplicado num divisor por 6 e depois num divisor por 10, obtendo-se dessa forma, um sinal de 60 Hz.

O
 ciclo ativo do sinal obtido não é de 50%, mas isso não é tão  
importante na aplicação, pois ele será usado apenas para excitar os  
blocos seguintes de contagem que farão as temporizações mais longas.

Podemos
 ir além, para o caso de não precisarmos de uma definição de 1  segundo 
na temporização e fazer nova divisão por 10, conforme mostra a  figura 
3.



Nesse
 caso, temos um pulso a cada 10 segundos, o que nos leva à  
possibilidade de projetar um temporizador com passos de 10 segundos.

Veja
 que a contagem feita com o circuito integrado 4017 pode ser  programada
 para qualquer valor entre 2 e 10, o que significa que podemos  criar 
diferentes passos de temporização num circuito, conforme mostra a  
figura 4.



Por exemplo, se quisermos passos de 35 segundos, bastará fazer a divisão por 5 e por 7.

Num
 CI ligamos a quinta saída ao reset e noutro a sétima saída ao  reset. 
Com isso, temos a produção de 1 pulso de saída a cada 35 de  entrada.

É
 claro que esses tempos são pequenos, e se quisermos tempos muitos  
longos os circuitos integrados desses blocos de entrada não se aplicam.

Para temporizações longas temos a possibilidade de contar com o circuito integrado 4020.





Os circuitos integrados 4020

Os
 circuitos integrados CMOS 4020, 4040 e 4060 são formados por  
contadores binários com diversos estágios, destinados justamente a fazer
  a divisão de freqüência de sinais lógicos que sejam aplicados a sua  
entrada ou ainda a contagem de pulsos.

Analisemos cada um separadamente, antes de darmos as aplicações em temporização.



a)4020

O circuito integrado 4020 é formado por um contador de binário de 14 estágios com a pinagem mostrada na figura 5.



Com
 14 etapas, cada uma fazendo a divisão do sinal por 2, chegamos a  214 
&nbsp;= 16 384, o que quer dizer que, em princípio podemos usar esse CI  para
 fazer a divisão de freqüência de um sinal por qualquer sinal que  seja 
potência de 2 até 16 384, conforme a tabela I:



Saída &nbsp;&nbsp;Divisão

Q1 &nbsp; &nbsp; &nbsp;2

Q4 &nbsp; &nbsp; &nbsp;16

Q5 &nbsp; &nbsp; &nbsp;32

Q6 &nbsp; &nbsp; &nbsp;64

Q7 &nbsp; &nbsp; &nbsp;128

Q8 &nbsp; &nbsp; &nbsp;256

Q9 &nbsp; &nbsp; &nbsp;512

Q10 &nbsp; &nbsp;1024

Q11 &nbsp; &nbsp;2048

Q12 &nbsp; &nbsp;4096

Q13 &nbsp; &nbsp;8192

Q14 &nbsp; &nbsp;16384



Veja que não existem saídas para as divisões por 4 e 8 (Q2 e Q3).

Como
 qualquer componente da família CMOS o 4020 pode ser alimentado  com 
tensões de 3 a 15 V e a freqüência máxima de operação depende da  tensão
 de alimentação, conforme s seguinte tabela, em que também damos  as 
correntes máximas que podem ser obtidas nas saídas:

 Freqüência máxima de operação 5 V10 V15 V 41012 MHzMHzMHz 
 Corrente drenada/fornecida 5 V10 V15 V 0,882,258,8 mAmAmA 
 

Na operação normal o Reset é aterrado. Para zerar o circuito ele deve ser levado ao nível alto por um instante.

O circuito avança uma unidade na contagem na transição negativa do pulso de entrada.

Nas saídas, partindo de todas com o nível 0, os níveis vão passando a 1 conforme a contagem binária dos pulsos.





Usando o 4020

Evidentemente,
 a forma mais simples de se usar o 4020 numa  temporização longa é ligar
 diretamente um circuito de excitação de relé  na saída correspondente.

Assim,
 na figura 6, temos um temporizador que aciona um relé por um  certo 
intervalo de tempo a cada 4096 segundos, ligando-o a base do  transistor
 a Q12.



No
 entanto, 4096 não é um valor comum nas exigências dos projetos que  
podem precisar de tempos "inteiros" como 1 minuto, 10 minutos, meia  
hora, uma hora ou duas horas (e mesmo mais).

Como obter esses valores em segundos (60, 600, 1800, 3600 ou 7200) a partir das saídas do 4020?

A
 solução para esse problema está na utilização de uma porta  adicional 
CMOS que pode combinar os valores das saídas binárias do 4020  de modo a
 obter valores diversos de tempos de acordo com a entrada.

O circuito integrado recomendado mais comum para essa aplicação é o 4012.

Conforme mostra a figura 7, este CI consiste em duas portas NAND de 4 entradas



Combinando
 essas entradas com uma porta ou NAND como o 4001, podemos  facilmente 
trabalhar com 8 saídas do 4020 de modo a obter contagens bem  próximas 
de valores inteiros como desejamos.

Na figura 8 damos uma idéia de como obter uma função lógica de 8 entradas que poderá ser usada nas temporizações.



Para entender como esse circuito funciona, vamos partir da tabela verdade de uma das portas do 4012.



Tabela II:

 A B C D S 
 0 0 0 0 0 
 0 0 0 1 0 
 0 0 1 0 0 
 0 0 1 1 0 
 0 1 0 0 0 
 0 1 0 1 0 
 0 1 1 0 0 
 0 1 1 1 0 
 1 0 0 0 0 
 1 0 0 1 0 
 1 0 1 0 0 
 1 0 1 1 0 
 1 1 0 0 0 
 1 1 0 1 0 
 1 1 1 1 1 
 

Conforme podemos ver pela tabela, obtemos o nível alto na saída somente quando todas as entradas estiverem no nível alto.

Levando
 isso ao 4020 e inicialmente trabalhando com apenas 4 saídas,  vamos 
supor que desejamos uma temporização 336 segundos de forma  precisa.

336 segundos pode ser decomposto em fatores que sejam potência de 2, a partir da tabela I da seguinte forma:



336 = 256 + 64 + 16 + 2



Ora, pela tabela:

256 = Q8

64 = Q6

16 = Q4

2 = Q1



Basta
 então ligar as entradas de uma das portas do 4012 às saídas Q1,  Q4, Q6
 e Q8 para se obter a temporização a partir de uma entrada de 1  Hz.

Evidentemente,
 para se garantir que a partida da temporização seja  feita a partir de 
000....000 é preciso agregar a rede mostrada na figura  9.



Esse circuito resseta a contagem quando a alimentação é ligada.

Observe,
 entretanto, que "demos sorte" de nosso exemplo, não  precisarmos contar
 com as saídas Q2 e Q3 de divisão por 4 e 8 e que  também só precisamos 
de 4 saídas combinadas para obter a temporização  necessária.

No
 primeiro caso, se precisarmos contar com as saídas de peso 4 e 8  
segundos, dependendo da aplicação, uma diferença desse valor na  
temporização pode ser tolerada e o valor final pode ser aproximado sem  
seu uso.

No segundo caso, podemos usar as duas portas existentes no 4012 e combiná-las na saída usando uma porta NAND.

Vamos dar um exemplo, em que as duas portas são usadas:

Precisamos
 de uma temporização de 1500 segundos (25 minutos) a ser  obtida a 
partir de um sinal de 1 Hz aplicada na entrada do circuito.

Quais devem ser as saídas do 4020 usadas nesse caso e como devemos usar o 4012 na sua combinação?

Os 1500 segundos podem ser decompostos em potências de 2, conforme a seguinte tabela que já leva em conta as saídas do 4012:



Potência de 2

Saída

1024

Q10

256

Q8

128

Q7

64

Q6

16

Q4

2

Q1



Vamos
 usar 4 entradas de uma das portas e mais uma da outra porta. No  
entanto, as entradas não usadas da segunda porta não devem ficar  
livres. Para manter a função desejada, ligamos ao positivo da  
alimentação (nível alto) as portas não usadas, conforme mostra a figura 
 10.



O
 resultado final é que, levando em consideração a função NAND a saída  
final do circuito irá ao nível baixo, a cada 1500 pulsos de entrada do  
temporizador. O circuito driver para acionamento de uma carga no nível  
baixo é o mostrado na figura 11.



Evidentemente,
 se os pulsos de entrada tiverem uma freqüência mais  baixa, 0,1 Hz ou 
um pulso a cada 10 segundos a temporização ficará  multiplicada por 10, 
ou seja, teremos um pulso a cada 15 000 segundos,  ou 250 minutos (6 
horas e 10 minutos)

Os
 circuitos integrados 4011 e 4012 podem ser alimentados com tensões  de 3
 a 12 V e em sua saída obtemos as mesmas correntes do 4020 o que  
possibilita o acionamento direto de diversas etapas de potência como as 
 mostradas na figura 12.



Observe
 entretanto que o ciclo ativo das configurações obtidas varia  bastante 
conforme o circuito. Assim, podemos dizer que, dependendo das  saídas 
usadas, os pulsos de disparo da carga podem variar entre alguns  
segundos até o máximo.

Por
 exemplo, se a saída menor usada for a Q6, podemos garantir que a  carga
 será ativada por um tempo equivalente a 64 ciclos do sinal de  entrada.

Isso deve ser considerado quando vamos controlar algum dispositivo externo diretamente pela saída CMOS obtida.

Se
 desejarmos ter independência no acionamento devemos optar por  
monoestáveis ou circuitos com trava que sejam acionados com o pulso  
obtido no final da temporização.

Um exemplo de circuito com trava é justamente o que faz uso de um SCR no controle da carga,





Conclusão

O
 leitor já deve ter percebido que basta combinar as saídas do 4020  com 
funções lógicas comuns e aplicar na sua entrada pulsos de  frequências 
exata para se obter temporizações precisas.

Evidentemente,
 o único obstáculo para termos tempos absolutamente  exatos em alguns 
aplicações é a ausência das divisões por 4 e 8 na saída  do 4020, mas 
certamente, dependendo da aplicação, isso pode ser  contornado.











Observação:

Existem dois outros circuitos integrados CMOS da mesma série do 4020 que também podem ser usados nas aplicações que descrevemos.

O&nbsp;primeiro
 deles é o 4040 que consiste num divisor contador de 12  estágios e que 
0portanto possui as duas saídas que faltam no 4020, se  bem que ele só 
alcance a divisão até 4096.

O outro é o 4060 que além dos 14 estágios divisores já possui um oscilador interno, se bem que seja do tipo RC.

Bibliografia: CMOS Sourcebook - Newton C. Braga - Prompt Publications