Os estudantes de eletrônica ou entusiastas costumam gostar de criar diversos circuitos para suas casas ou escolas, especialmente aqueles que piscam algumas luzes. Existem muitos circuitos e kits disponíveis no mercado que podem fazer piscar qualquer número de LEDs ou luzes de maneira periódica, aleatória ou sequencial. Um circuito integrado (IC) muito versátil que pode ser usado para produzir um simples circuito de LED flasher é chamado de contador ripple binário.

Contadores ripple, como discutimos no tutorial sobre Contadores, são basicamente flip-flops tipo toggle que podem ser utilizados como divisores de frequência para dividir a entrada do relógio de referência por uma quantidade definida, resultando em uma nova frequência mais baixa, a qual podemos usar como parte do nosso design simples de LED flasher.

Esse tipo de contador é assíncrono por natureza, pois nem todos os flip-flops mudam ou “alternam” juntos com a aplicação de um pulso de relógio externo. Normalmente, a alternância ocorre na borda negativa do pulso de relógio.

O flip-flop tipo toggle ou “T-type” é a base de todos os contadores, sendo que os contadores assíncronos são comumente referidos como “contadores ripple”, pois o pulso de relógio de entrada parece “ondular” através do contador, uma vez que a entrada de relógio para um estágio é gerada a partir da saída do estágio anterior. O resultado é um efeito de ondulação à medida que cada estágio muda em sequência, podendo ser utilizado de maneira eficaz como um simples circuito de LED flasher.

Os contadores ripple são construídos a partir de um número de flip-flops T tipo divididos por 2, encadeados para formar um único divisor de frequência dividido por N, onde N é igual à contagem de bits do contador. Os ICs de contadores ripple binário comumente disponíveis incluem o 74LS93 de 4 bits (÷16), o CMOS 4024 de 7 bits (÷128), o CMOS 4040 de 12 bits (÷4096) ou o maior contador CMOS 4060 de 14 bits (÷16.384).

Então, sua contagem de saída, (Qn), seria definida como o estágio “N-ésimo” do contador. Por exemplo, a saída Q6 é 2⁶ = 64 (¹/₆₄ da frequência do relógio) e Q12 é 2¹² = 4096 (¹/₄₀₉₆ da frequência do relógio) e assim por diante.

Como vimos, existem muitos contadores binários disponíveis que podem fazer piscar qualquer número de luzes de forma periódica, aleatória ou sequencial, mas um IC muito versátil que o entusiasta ou estudante pode usar para produzir um simples LED flasher para uma variedade de exibições de iluminação é o CMOS CD4040B Contador Binário de 12 bits.

O CD4040B é um contador ripple binário de 12 bits de comutação rápida, completo com doze saídas totalmente decodificadas (totalizando 12 sequências individuais de LED). Essas doze saídas alternam sequencialmente na chegada de cada borda negativa do pulso de relógio, produzindo uma sequência de saída binária, conforme mostrado no diagrama de temporização.

Diagrama de Temporização do Contador 4040

Mas antes que possamos usar o contador 4040B como parte do nosso circuito simples de LED flasher, precisamos produzir um sinal de temporização. Existem muitas maneiras diferentes de produzir um sinal de temporização ou relógio; a lista é interminável. Mas uma maneira muito simples e eficaz de produzir um sinal de temporização em onda quadrada com o mínimo de componentes é usando um IC de temporização dedicado, como o NE555 Timer Astável.

O período de temporização T depende da frequência do relógio de entrada escolhida, onde T = 1/ƒ. Por exemplo, se escolhermos o contador 4040 de 12 bits (÷4096) como parte do nosso circuito simples de LED flasher, e quisermos que nosso maior período de temporização no 12º bit seja de 4 segundos (2 segundos LIGADO e 2 segundos DESLIGADO) ou 0,25Hz, então nossa frequência de relógio de entrada no pino 10 do contador 4040 precisaria ser de cerca de 1kHz, (0,25 x 4096), como mostrado.

Circuito Simples de LED Flasher

Conectando os LEDs a diferentes saídas, eles piscarão um de cada vez, mas em taxas diferentes entre si (cada saída com metade da frequência da anterior) e não estarão todos “LIGADOS” ou todos “DESLIGADOS” ao mesmo tempo, tornando-o ideal para o nosso simples circuito de LED flasher.

Usando contadores/divisores de frequência por 2, com múltiplos LEDs conectados às suas saídas, é possível produzir um efeito de estrela piscante ou luzes piscantes, ou qualquer exibição de luzes LED piscantes de sua escolha, dependendo de qual saída ripple você conecta os LEDs e como você os organiza fisicamente.

Saída do Contador Ripple

As saídas dos contadores Q1 a Q12 têm a capacidade de “absorver” ou “fornecer” uma corrente de carga de até um máximo de cerca de 15mA, o que é suficiente para acionar diretamente os LEDs.

A capacidade do contador 4040 de “absorver” (sink) e “fornecer” (source) corrente significa que os LEDs podem ser conectados entre o terminal de saída do contador e a fonte para absorver a corrente de carga, ou entre o terminal de saída e o terra para fornecer a corrente de carga. Por exemplo:

Absorção e Fornecimento das Saídas

No primeiro circuito acima, o LED está conectado entre o barramento de alimentação positivo ( +Vcc ) e a saída, neste caso Q8. Isso significa que a corrente irá “absorver” (sink) ou fluir para o terminal de saída do contador 4040 e o LED estará “LIGADO” quando a saída estiver “DESLIGADA”.

O segundo circuito acima mostra que o LED está conectado entre a saída, Q8 e o terra ( 0v ). Isso significa que a corrente irá “fornecer” (source) ou fluir para fora do terminal de saída do contador 4040 e o LED estará “LIGADO” quando a saída estiver “LIGADA”.

A capacidade do contador ripple de absorver e fornecer a corrente de saída significa que ambos os LEDs podem ser conectados a um terminal de saída, aumentando o número de LEDs que podemos usar dentro do nosso simples circuito de LED flasher. No entanto, apenas um LED será acionado “LIGADO” de cada vez, dependendo se o estado da saída é “LIGADO” ou “DESLIGADO”.

O circuito à esquerda mostra um exemplo disso. Os dois LEDs serão alternadamente acionados “LIGADOS” e “DESLIGADOS” dependendo da saída, criando uma ação de piscar alternada. Resistores em série podem ser usados se necessário para limitar a corrente do LED a menos de 15mA.

Dissemos anteriormente que a corrente máxima de saída para absorver ou fornecer a corrente de carga através dos pinos de saída é de cerca de 15mA e esse valor é mais do que suficiente para acionar ou comutar os LEDs ou lâmpadas pequenas, etc. Mas e se quisermos acionar ou controlar dispositivos de maior potência, como motores, eletroímãs ou relés, em vez deste simples LED flasher? Então precisaríamos usar transistores para fornecer uma corrente suficientemente alta para acionar a carga.

Driver Transistor para o Contador Ripple

O transistor nos dois exemplos acima pode ser substituído por um dispositivo MOSFET de potência ou transistores Darlington se a corrente de carga for alta. Ao usar uma carga indutiva, como um motor, relé ou eletroímã, é aconselhável conectar um “diodo de livre circulação” diretamente nos terminais da carga para absorver quaisquer tensões de back emf geradas pelo dispositivo indutivo ao mudar de estado.

Também é possível adicionar mais LEDs à saída, mas lembre-se de que, geralmente, cada LED requer cerca de 15 a 20mA a 1,2V para se iluminar completamente, então tenha isso em mente ao conectar o circuito a uma bateria ou fonte de alimentação. Uma vantagem do IC 4040 é que ele auto limita sua corrente máxima de entrada/saída, portanto, os LEDs podem ser conectados diretamente sem a necessidade de resistores limitadores de corrente.

Resumo do LED Flasher

Vimos que podemos criar um circuito de LED flasher muito simples apenas usando alguns componentes comumente disponíveis, um Timer NE555 para criar o sinal de relógio de temporização e um Contador Ripple Assíncrono CMOS 4040 de 12 bits para interagir com os LEDs. O circuito mais simples de LED flasher pode ser construído usando apenas flip-flops T de um único bit, se necessário, porque a característica de alternância é naturalmente adequada para a implementação da operação de contagem.

Contadores ripple de múltiplos bits podem ser encadeados para produzir divisores de ripple de bits maiores (ou contadores) de sua escolha ou decodificados para reiniciar após uma contagem binária específica. O 4060B é um contador ripple binário de 14 bits que possui seu próprio circuito oscilador embutido, então, ao adicionar apenas um capacitor de temporização e dois resistores, um circuito de LED flasher muito simples pode ser construído sem a necessidade de um circuito de temporização NE555 adicional.