Sorteador binário (Montagem didática)

Escrito por Newton C. Braga
Qua, 16 de Dezembro de 2009 21:57

Este circuito é indicado aos leitores que estudam, ensinam e fazem montagens digitais em geral. Trata-se de um sorteador que apresenta um número de 0 a 9, mas na forma binária. São quatro LEDs que apresentam o resultado, e de forma totalmente aleatória. O aparelho pode ser usado para demonstrar numeração binária, como sorteador ou ainda para testar o conhecimento de numeração binária de alunos de escolas técnicas ou mesmo como prática transversal de cursos de nível médio em matemática.


Depois de pressionar um interruptor, o contador começa a "correr" gerando números aleatórios entre 0 e 9. Os quatro LEDs indicadores piscam rapidamente de modo a permitir que o jogador consiga ver em que número estão e com isso ter um controle sobre eles. Quando o jogador solta o interruptor a contagem não pára de imediato, mas tem sua velocidade reduzida até que, depois de alguns segundos, apenas uma combinação de LEDs fica acesa. Essa combinação representa o número sorteado. Para um novo sorteio basta pressionar novamente o interruptor, soltar e esperar. O circuito é alimentado por uma tensão de 5 V que pode ser obtida de pilhas ou de fonte, que descreveremos oportunamente. A base do circuito é um contador TTL do tipo 7490 que pode ser obtido com facilidade.

Como Funciona
Para explicar o princípio de funcionamento do sorteador será interessante nos basearmos no diagrama de blocos representado na figura 1.



O primeiro bloco representa um oscilador que tem por função gerar um número aleatório de impulsos. A contagem desses pulsos vai determinar o número sorteado. Veja que o oscilador não precisa obrigatoriamente produzir de 1 a 10 pulsos, mas qualquer número, pois uma vez chegado ao 10, a contagem recomeça. Assim, podemos melhorar o desempenho do sorteador obtendo um número aleatório se o número de pulsos gerado for o maior possível. No nosso caso, o número de pulsos gerado depende das características dos componentes usados e, a partir do momento em que o jogador solta o botão de disparo serão produzidos de 10 a 200 pulsos adicionais. O circuito usado para gerar os pulsos tem por base o conhecido CI 555 na configuração de estável controlado, conforme mostra a figura 2.



Neste oscilador, pulsos que dependem de R1, R2 e C são produzidos quando o pino 4 está no nível alto, ou seja, ligado ao positivo da alimentação por um resistor (R). Quando esse pino é desligado, o oscilador é desabilitado parando de operar. Se colocarmos um capacitor (C) no circuito, quando desligamos o pino 4, por soltar o interruptor S da figura, o oscilador não cessa sua operação de imediato, mas segue por um tempo que depende da carga armazenada no capacitor. Quanto maior for este capacitor, por mais tempo ele ficará oscilando depois que o interruptor for solto. Desta forma, no nosso circuito, temos um número de pulsos produzidos nesta etapa que depende tanto do tempo durante o qual o interruptor for pressionado como depois, da descarga do capacitor C, conforme mostra a figura 3.




A etapa seguinte do circuito consiste num contador digital que pode ser ajustado para funcionar de duas maneiras: contando até 2 e contando até 5. Trata-se de um divisor por 2 e divisor por 5, os quais, combinados, podem resultar num contador divisor até 10. Estamos nos referindo ao circuito integrado TTL 7490 que pode ser encontrado com facilidade nas casas especializadas. Na figura 4 mostramos o aspecto desse circuito integrado, observando-se seus 4 terminais de saída e as formas de sinal que serão encontrados nas suas saídas.



Veja que, como todo circuito digital, temos dois níveis de sinal na saída: a presença de sinal (tensão em forno de 5 V) que é indicada por "1", e a ausência de sinal (tensão nula) por "0". Combinando então os 1 e 0 podemos ter os números sorteados de 0 a 9, na forma digital. Para a visualização dos níveis lógicos das saídas, ligamos em cada uma delas dispositivos indicadores que nada mais são do que LEDs vermelhos comuns. Dando um valor relativo ou "peso" a cada LED podemos formar as combinações que fornecem todos os valores digitais binários entre 0 e 9. O valor obtido será dado pela soma dos valores que os LEDs representam conforme a seguinte tabela:





Os LEDs precisam de elementos limitadores de corrente, no caso resistores. A alimentação do circuito pode ser feita de duas formas:
Uma delas consiste em se associar 4 pilhas, obtendo-se assim 6 V. Como os circuitos integrados da série TTL só podem ser alimentados com tensões na faixa de 4,5 a 5,5 V (5 V é o normal), podemos fazer a redução com um diodo, conforme mostra a figura 5.



A outra possibilidade, que consiste na montagem de uma fonte, será dada mais adiante.

Montagem
Na figura 6 temos o diagrama completo do sorteador.



A placa de circuito impresso para a elaboração da montagem é mostrada na figura 7.



Será interessante usar um soquete DIL para o circuito integrado, principalmente se a montagem for didática, já que o excesso de calor no processo de soldagem pode danificar os componentes. A polaridade dos LEDs e posição dos circuitos integrados deve ser observada. Se o circuito for alimentado numa bancada, pode ser usada a fonte de alimentação da figura 8.



Prova e Uso
Para testar, basta encaixar as pilhas no suporte ou então ligar a fonte e depois pressionar o interruptor S1 por um instante. Os LEDs devem correr e quando o interruptor for solto, devem parar depois de alguns segundos num valor qualquer (alguns acesos e outros não, conforme a tabela). Se isso não ocorrer, verifique a oscilação do circuito em primeiro lugar. Para isso você pode usar um alto-falante em série com um resistor de 100 ohms, conforme mostra a figura 9.



Se houver oscilação, ao pressionar S1 deve ser produzido um ruído semelhante ao de uma roleta correndo. Se o ruído ocorrer, mas os LEDs não acenderem, verifique o restante do circuito, principalmente as conexões do 7490. Comprovado o funcionamento, é só usar o sorteador.

Temas Transversais
A numeração binária é um tema de grande importância para o ensino atual, já que é a base de funcionamento de computadores e muitos outros equipamentos eletrônicos "inteligentes". Na numeração binária são usados apenas dois dígitos, 1 e 0, e sua posição no número tem um peso que é potência de 2, conforme o exemplo dado abaixo.

23 22 21 20

Tomando como exemplo o número binário de 4 bits:

1 0 1 1

binário terá como equivalente decimal:

1 x 8 + 0 x 4 + 2 x 1 + 1 x 1

Somando:

8 + 2 + 1 = 11

Ensinar a fazer a conversão de binários em decimais e vice-versa é algo muito interessante e que pode empregar a montagem prática que descrevemos para gerar os números na forma binária. Sorteie um número e peça ao aluno que o converta para a sua forma decimal.



Lista de Material

Semicondutores:
CI-1 - 555 - circuito integrado - timer
CI-2 - 7490 - circuito integrado TTL
D1 - 1N4001 ou 1N4002 - diodo retificador
LED1 a LED4 - LEDs vermelhos comuns

Resistores: (1/8W, 5%)
R1 - 2,2 k ohms - vermelho, vermelho, vermelho
R2, R3 - 10 k ohms - marrom, preto, laranja
R4 a R7 - 330 ohms - laranja, laranja, marrom

Capacitores:
C1, C3 - 100 uF/6 V - eletrolíticos
C2 - 10 uF/6 V - eletrolítico

Diversos:
B1 - 6 V - 4 pilhas pequenas
S1 - Interruptor de pressão NA
S2 - Interruptor simples
Placa de circuito impresso, suporte de pilhas, caixa para montagem. fios, solda, etc.


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