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CB09 - Como criar um dimmer para leds com CI 555 sem Arduino (Modulador PWM)

Angelo Luis Ferreira | 31/03/2021 Acessos: 5.485

Objetivo

Criar um circuito gerador de pulsos modulados (PWM - Pulse Width Modulation) para alterar a intensidade do brilho de um led. Para este projeto vamos utilizar o CI 555 no modo astável, operando como um oscilador de alta frequência. Também usaremos um potenciômetro para controlar o nosso dimmer por meio da quantidade de energia enviada ao CI 555.

Modo Astável: quando o CI 555 opera como um oscilador. Modo aplicável à projetos de pisca-pisca de Leds, geradores de pulso, PWM, geradores de tom, alarmes de segurança, etc. Para saber mais leia: CB01 - Led pisca com CI 555 (Multivibrador astável - oscilador de baixa frequência).

Dimmer: em iluminação, o dimmer é um dispositivo para controlar a intensidade do brilho de uma lâmpada ou um led, por exemplo. O dimmer também pode ser utilizado para controlar a velocidade de rotação de motores elétricos.

PWM (Pulse Width Modulation) - Modulação por Largura de Pulso

Refere-se ao conceito de pulsar rapidamente um sinal digital em um condutor. Quando geramos a modulação através da largura do pulso em uma onda quadrada, podemos controlar a potência ou a frequência de um circuito.

Em outras palavras, PWM é uma forma de controlar a quantidade de energia entregue a um dispositivo elétrico ligando e desligando a tensão, e o valor médio da quantidade de energia entregue será função da razão entre o tempo ligado e o tempo total.

Nota: A vantagem em usar a técnica PWM versus a utilização de um reostato, por exemplo, é a maior eficiência energética.

A técnica de PWM é empregada em diversas áreas da eletrônica e, por meio da largura do pulso de uma onda quadrada, é possível o controle de potência ou velocidade nas aplicações de motores elétricos, aquecedores elétricos, leds e luzes nas diferentes intensidades e frequências. Veja abaixo um gráfico que mostra alguns exemplos de PWM de acordo com a razão cíclica (duty cycle) entre 0% e 100%.

Obs.: O Projeto 14 - Led com efeito dimmer usando potenciômetro é um ótimo exemplo de como utilizar o PWM para controlar a intensidade luminosa de um led utilizando a função analogWrite(). Neste projeto vamos criar o mesmo efeito, porém sem o uso do Arduino.

Aplicação

Para fins didáticos e projetos eletrônicos e elétricos em iluminação ou motores.

Componentes necessários

Referência	Componente	Quantidade	Imagem	Observação
Protoboard	Protoboard 830 pontos	1		No mínimo utilizar protoboard com 830 pontos
Jumpers	Kit cabos ligação macho / macho	1
Led Difuso 5mm	LEDs 5mm	1		1 LED alto brilho azul ou de outra cor qualquer hhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh Você poderá utilizar também LEDs de qualquer outra cor ou LEDs difusos de 3 ou 5mm nas cores que desejar.
Resistor	Resistor	2		1 Resistor de 150Ω       (led azul)     1 Resistores de 1KΩ      (CI555) Os valores dos resistores para os leds foram definidos para um circuito com uma fonte de 5V.
Circuito integrado 555	CI 555	1		(datasheet)
Potenciômetro	Potenciômetro linear 100K	1		Você poderá utilizar valores entre 50K a 100K
diodo	diodo 1n4148	2		Poderá ser utilizado o diodo 1n4147
Capacitor cerâmico	Capacitor cerâmico 103 (10nF/0,01uF/10KpF)	1		1 Capacitor cerâmico de 10nF (10V ou maior)
Fonte ajustável para protoboard	Fonte ajustável	1		Se você não tiver uma fonte ajustável, utilize pilhas ou bateria como fonte de energia (este projeto pode ser utilizado para tensões entre 5V a 12V)

Esquema elétrico

Montagem do Circuito

1. Conecte os componentes no Protoboard como mostra a figura abaixo. Verifique cuidadosamente os cabos de ligação antes de ligar na fonte de energia.

Obs.1: Neste projeto você poderá utilizar uma fonte de 5V a 12V, desde que utilize resistores para os leds adequados para cada tensão. O capacitor também deverá ser substituído para tensões acima de 10V.

Obs2.: Para os Leds utilize: 150Ω para fonte de 5V | 270Ω para fonte de 9V | 470Ω para fonte de 12V - Veja a tabela: Tabela de resistores para LEDs de acordo com a fonte de alimentação.

Atenção:

1. Lembre-se que o LED tem polaridade: O terminal maior tem polaridade positiva e o lado do chanfro tem polaridade negativa.

2. Diferentemente de capacitores eletrolíticos, capacitores cerâmicos são utilizados para baixas necessidades de capacitância e podem ser alimentados com altos valores de tensão, pois não possuem polaridade.

3. Para montar o circuito integrado 555 é importante observar a(s) marcas(s) de referência para a identificação dos pinos de contato. Os pinos deverão ser identificados conforme mostra a imagem abaixo:

Observação: A montagem invertida do CI 555 pode causar danos irreversíveis ao componente.

4. O circuito integrado 555 é um temporizador, oscilador e gerador de pulso, que pode ser usado em qualquer projeto que necessite dessas características. Pode ser usado em um circuito pisca led, para a geração de notas musicais em diversas frequências, para posicionamento de servo dispositivos e diversas outras aplicações.

4.1. Portanto, o CI 555 é basicamente um oscilador/temporizador com três modos básicos de operação:

• • Modo monoestável (timer): neste modo, após receber um disparo (um pulso de sinal) o CI mantém sua saída em alto nível por um determinado tempo e depois volta para baixo nível até que receba um novo disparo - leia CB05 - Timer com CI 555 (multivibrador monestável)
•  
  • Modo astável (oscilador): neste modo o CI alterna sua saída entre alto e baixo em uma determinada frequência - leia CB01 - Led pisca com CI 555 (multivibrador astável - oscilador) ;
•  
  • Modo biestável (flip-flop): Atua como um flip-flop, ao receber um sinal de disparo sua saída vai para alto até receber um sinal de reset - leia CB04 - Push button liga / desliga com CI 555 (multivibrador biestável com 1 botão).

4.2. Abaixo segue o mapa dos pinos do componente eletrônico NE555. Para saber mais sobre CI 555 assista o vídeo: O versátil CI 555 - Teoria e aplicações!

4.2. Os pinos do CI 555 possuem as seguintes funções:

5. Para fazer com que o CI 555 trabalhe no modo astável como um oscilador de baixa frequência, podemos utilizar o circuito padrão abaixo:

5.1. É importante salientar que dependendo dos componentes externos utilizados, R1, R2 e C1, teremos valores diferentes para a frequência e o tempo que a lâmpada permanece ligada e apagada. Para saber como calcular esses valores e dimensionar seu circuito assista o vídeo:  Como calcular tempos e frequência CI 555 ou leia Astável CI 555 (Cálculo) . Você também pode utilizar a calculadora Calculador CI 555 modo Astável. Portanto:

5.1.1. Aumentando o valor do Capacitor C1 aumentará o tempo total do ciclo e portanto, reduziremos a sua frequência.

5.1.2. Aumentando R1 aumentará o tempo de carga (valor lógico alto - tempo que o led fica ligado), sem que altere o tempo de descarga (valor lógico baixo - tempo que o led fica desligado).

5.1.3. Aumentando R2 aumentará o  tempo de carga (valor lógico alto), o tempo de descarga (valor lógico baixo), e diminuirá o ciclo de trabalho (duty cicle) até em um mínimo de 50%.

6. Para criarmos um modulador PWM precisaremos aumentar bastante a frequência do oscilador. Para isso utilizamos um capacitor cerâmico de 10nF (baixa capacitância). Também podemos criar um dispositivo de controle de frequência variando a razão cíclica (duty cycle) entre 5% e 95% (valores possíveis com o circuito do projeto).

7. O potenciômetro deverá ser montado como um divisor de tensão, onde utilizamos os 3 terminais do componente:

7.1. Veja abaixo como devemos montar o potenciômetro no nosso projeto:

8. Observe na imagem acima que utilizamos dois diodos 1n4148. A utilização dos diodos é o pulo do gato para obtermos o controle do potenciômetro no circuito, pois eles manterão a direção do corrente elétrica. Nesta configuração aumentaremos o "duty cicle" ao girarmos o eixo do potenciômetro no sentido horário, aumentando a intensidade do brilho do led.

Obs.: Caso deseje alterar para que o brilho do led aumente ao girar o eixo do potenciômetro no sentido anti-horário, basta inverter as posições dos diodos.

9. Se desejar, você pode melhorar mais ainda o projeto reduzindo ruídos no circuito para obter uma onda perfeitamente quadrada na saída do CI 555 (pino3). Para isso, acrescente um capacitor de 1nF (0,01μF) no pino 5 do CI 555. Veja o esquema abaixo:

10. Neste projeto você poderá utilizar fontes de energia de 5V a 12V, como pilhas, baterias ou fontes ajustáveis para protoboard. Para instalar e utilizar uma fonte ajustável, assista o vídeo: Fonte Ajustável para Protoboard - Arduino

Atenção: Não esqueça de alterar o resistor que vai conectado ao led: 150Ω para fonte de 5V | 330Ω para fonte de 9V | 470Ω para fonte de 12V

11. A montagem abaixo foi realizada em um protoboard com 400 pontos:

Observe que utilizamos no nosso exemplo uma fonte ajustável com 5V e um resistor de 150Ω para o led.

Vídeo

Experiência

1. Faça com que o potenciômetro funcione como um reostato, atuando como uma resistência variável. Desta forma, você poderá desativar o modulador PWM, fazendo com que o brilho do led se altere em função do valor da resistência controlada pelo potenciômetro. Compare e descreva as diferenças entre os dois circuitos (reostado X PWM).

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