Construa um Sequenciador de LED com Timer 555 e Contador 4017 – Divisão de Frequência e Debounce

PEÇAS E MATERIAIS

• 4017 contador/decador década (Radio Shack catálogo # 276-2417)
• CI Timer 555 (Radio Shack catálogo # 276-1723)
• Barra de LED bargraph de dez segmentos (Radio Shack catálogo # 276-081)
• Uma chave SPST
• Uma bateria de 6 volts
• Resistor de 10 kΩ
• Resistor de 1 MΩ
• Capacitor de 0,1 µF (Radio Shack catálogo # 272-135 ou equivalente)
• Capacitor de acoplamento, 0,047–0,001 µF
• Dez resistores de 470 Ω
• Detector de áudio com fones de ouvido

Cuidado! O CI 4017 é CMOS e, portanto, sensível a eletricidade estática.

Qualquer chave single-pole, single-throw funciona; uma chave de luz doméstica é suficiente e amplamente disponível.

O detector de áudio ajuda a avaliar a frequência do sinal. Se você tiver um osciloscópio, pode omiti-lo.

REFERÊNCIAS CRUZADAS

Lessons In Electric Circuits, Volume 4, capítulo 3: “Portas Lógicas”

Lessons In Electric Circuits, Volume 4, capítulo 4: “Chaves”

Lessons In Electric Circuits, Volume 4, capítulo 11: “Contadores”

OBJETIVOS DE APRENDIZADO

• Gerar pulsos de clock com multivibrador astável 555.
• Usar contador década 4017 para produzir sequência de pulsos um-de-dez.
• Empregar o 4017 como divisor de frequência.
• Medir frequência usando cronômetro e saída do contador.
• Explicar o papel de um resistor pull-down.
• Entender efeitos de bounce de chave em circuitos digitais.
• Implementar debounce baseado em 555 para chave mecânica.

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRAÇÃO

INSTRUÇÕES

O CI 4017 é um contador década CMOS com dez pinos de saída. Quando uma transição baixo-para-alto ocorre em seu pino de clock (pino 14), o chip avança um passo, colocando a próxima saída em alto enquanto as demais permanecem baixas. Com um timer 555 configurado como oscilador astável, o contador percorre todas as dez saídas, acendendo cada LED em sequência e reiniciando. Ajustar os valores de resistor e capacitor do 555 altera a taxa de piscar.

Desconecte o jumper do pino 14 (clock) para o pino 3 (saída) e segure a ponta livre. Ruído de linha de 60 Hz ambiente acionará o contador de forma que os LEDs piscarão rapidamente, demonstrando a sensibilidade do contador a sinais externos de alta frequência.

Pino 15 (Reset) e pino 13 (Clock Enable) são aterrados para que o contador rode livremente. Puxar Reset alto retorna o contador a zero (pino 3 alto, outros baixos). Puxar Clock Enable alto pausa a contagem. Conectar Reset a um dos pinos de saída encurta a sequência; experimente movendo um jumper da terra para cada saída e observe quais LEDs acendem.

Imagens:

Como o 4017 é um divisor de frequência, um clock de 200 Hz do 555 produz um pulso de 20 Hz em qualquer saída quando a sequência completa de dez passos está habilitada. Em geral, cada saída entrega um pulso a cada dez ciclos de clock.

Para ouvir essa divisão, conecte um capacitor de acoplamento de 0,047–0,001 µF da saída 0 (pino 3) à terra e alimente no detector de áudio. Com Reset aterrado, você ouvirá um "clique" cada vez que o LED 0 acende — um décimo da frequência do 555.

Use um cronômetro para contar cliques em um minuto. Multiplique a contagem por dez e divida por 60 para obter a frequência do 555 em Hz. Na minha montagem (1 MΩ, 0,1 µF, 13 V), 79 cliques por minuto resultaram em 13,17 Hz.

Para ouvir o clock não dividido, conecte o detector de áudio ao pino 3 do 555. O zumbido resultante é a frequência bruta do oscilador.

Ao ligar Reset a uma saída intermediária, você pode criar razões de divisão de 1/9, 1/8, …, 1/2. Por exemplo, conectar Reset ao sexto LED resulta em razão 1/5, produzindo aproximadamente o dobro da taxa de cliques da configuração 1/10.

Substitua o resistor de temporização de 1 MΩ por um valor menor (ex.: 10 kΩ) para aumentar a frequência do 555. Ouça os tons variados ao mover o jumper do Reset — oitavas aparecem quando o fator de divisão é 2, 4 ou 8.

Demonstração de bounce de chave: Desconecte o 555 e conecte uma chave SPST em série com resistor pull-down de 10 kΩ ao pino 14. O pull-down garante estado baixo definido quando a chave abre, prevenindo entrada flutuante e contagens espúrias. Ao acionar a chave, o contador pode pular passos devido ao bounce rápido dos contatos.

Para eliminar bounce, use o 555 como monoestável debouncer: conecte a chave ao pino Trigger, e use a saída do 555 para acionar o clock do contador. Certifique-se de que o tempo de carga do capacitor exceda o período de estabilização da chave, mas seja curto o suficiente para não perder ativações rápidas.

Com o circuito debounced, cada pressionamento da chave resulta em uma única contagem, restaurando a sequência esperada de LEDs.