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Do diagrama lógico à protoboard com chips 74HC

Leitura de 8 min · Equipe bitGateLab

Um circuito que funciona no diagrama pode falhar na protoboard por detalhes que o diagrama não mostra: um trilho de alimentação interrompido, um chip invertido, uma entrada flutuando ou um LED sem resistor. Aqui você verá como uma protoboard é conectada por dentro, como ler a pinagem de um chip DIP de 14 pinos 74HC, como calcular o resistor de um LED e como depurar com método.

Como uma protoboard é conectada

Sob os furos há tiras metálicas que unem grupos de furos. A distribuição típica é:

Área de terminais: linhas numeradas (1, 2, 3…) e colunas com letras (de a a j). Em cada linha, os cinco furos a, b, c, d, e estão unidos entre si, e os cinco furos f, g, h, i, j também, mas os dois grupos são separados.
Canal central: a ranhura entre as colunas e e f. Os chips DIP são colocados montados sobre ela, para que cada pino fique em uma linha diferente e com quatro furos livres para conectar fios.
Trilhos de alimentação: as linhas longas nas laterais, marcadas com + e −. Percorrem a protoboard no sentido do comprimento. Em muitas protoboards longas eles estão interrompidos no meio; se você vir uma interrupção na linha pintada, una as duas metades com um fio.

Regra rápida: dois terminais estão conectados somente se estiverem na mesma linha e do mesmo lado do canal, ou no mesmo trilho (e na mesma metade, se o trilho for interrompido). Todo o resto precisa de um fio.

Pinagem de um chip DIP de 14 pinos

Olhe o chip de cima, com o chanfro (ou o ponto) para cima ou para a esquerda. O pino 1 fica junto ao chanfro, e a numeração segue no sentido anti-horário: de 1 a 7 descendo por um lado e de 8 a 14 subindo pelo outro. O pino 14 fica em frente ao pino 1.

74HC00 (quatro NAND de 2 entradas) visto de cima. Cada porta n tem entradas nA, nB e saída nY.

Na maioria dos chips lógicos de 14 pinos a alimentação fica nos cantos opostos: pino 14 = VCC e pino 7 = GND. Os chips de quatro portas de 2 entradas compartilham a mesma pinagem:

Chip	Função	Porta 1	Porta 2	Porta 3	Porta 4
74HC00	NAND	A=1, B=2, Y=3	A=4, B=5, Y=6	A=9, B=10, Y=8	A=12, B=13, Y=11
74HC08	AND
74HC32	OR
74HC86	XOR

Atenção às exceções. O 74HC02 (quatro NOR) tem as saídas nos pinos 1, 4, 10 e 13, e o 74HC04 (seis inversores) usa os pares entrada/saída 1→2, 3→4, 5→6, 9→8, 11→10 e 13→12. Antes de ligar os fios de qualquer chip, confirme a pinagem na folha de dados (datasheet).

Resistores limitadores para LEDs

Um LED conectado diretamente a uma saída drenaria toda a corrente que a saída pudesse fornecer, o que danifica o LED ou o chip. O resistor em série define a corrente:

R = (V_saída − V_f) / I

em que V_f é a queda de tensão do LED (cerca de 2 V para os vermelhos, amarelos e verdes comuns; cerca de 3 V para azul e branco). As saídas 74HC são especificadas para fornecer em torno de 4 mA mantendo níveis lógicos válidos; exigir mais faz a tensão de saída se afastar de VCC ou de GND.

Exemplo: LED vermelho (V_f = 2 V) em uma saída 74HC alimentada com 5 V, com uma corrente desejada de 4 mA.

R = (5 − 2) / 0.004 = 750 Ω.
Escolhe-se o valor comercial imediatamente superior, 820 Ω.
Corrente real: I = 3 / 820 ≈ 3.7 mA, dentro do limite e suficiente para ver o LED com clareza.

Com 330 Ω a corrente seria 3 / 330 ≈ 9.1 mA, mais que o dobro do especificado para manter níveis válidos.

Para um LED que acende com 1 lógico: saída → resistor → ânodo (perna longa) → cátodo (perna curta, lado plano) → GND.

Entradas desconectadas

Uma entrada CMOS tem uma impedância altíssima. Se você a deixa flutuando, ela não lê "0" nem "1": assume qualquer tensão por ruído ou por cargas acumuladas, pode ficar no meio do caminho e fazer a porta oscilar ou consumir mais corrente do que o normal. Por isso:

Para uma chave, use um resistor de 10 kΩ para GND (pull-down) e a chave para VCC, ou então um resistor para VCC (pull-up) e a chave para GND. Sem o resistor, a chave aberta deixa a entrada flutuando.
As portas que você não usar ficam com as entradas ligadas a GND ou a VCC; as saídas delas ficam livres, nunca são conectadas a GND nem a VCC.

Capacitores de desacoplamento

Ao comutar, uma porta consome um pulso breve de corrente que a indutância dos fios não deixa chegar a tempo da fonte, e a tensão no chip cai por um instante. A solução é um capacitor cerâmico de 100 nF entre VCC e GND, o mais perto possível dos pinos 14 e 7 de cada chip, que fornece essa corrente localmente. Além disso, convém um capacitor eletrolítico de 10 a 100 µF na entrada da alimentação da protoboard, respeitando a polaridade.

Do diagrama à fiação

Exemplo: F = A·B + C com um 74HC08 e um 74HC32.

Coloque o 74HC08 sobre o canal, com o chanfro voltado para as linhas de número menor. Se o pino 1 fica na linha 10, o pino 7 fica na linha 16 e o pino 14 fica na linha 10, do outro lado do canal.
Conecte o pino 14 ao trilho + e o pino 7 ao trilho −. Repita com o 74HC32. Coloque um capacitor de 100 nF junto a cada chip.
A no pino 1 e B no pino 2 do 74HC08. O pino 3 dele (A·B) vai ao pino 1 do 74HC32.
C no pino 2 do 74HC32. O pino 3 do 74HC32 é F: conecte-o a um resistor de 820 Ω e um LED para GND.
Nos dois chips, conecte a GND as entradas das portas que sobram: pinos 4, 5, 9, 10, 12 e 13.

Depuração passo a passo

Alimentação: com o multímetro, meça a tensão diretamente entre os pinos 14 e 7 de cada chip, não nos trilhos. Assim você detecta um trilho interrompido ou um chip mal encaixado.
Orientação: confira o chanfro de cada chip. Um chip invertido recebe a alimentação nos pinos errados e esquenta; se notar um chip quente, desligue a alimentação imediatamente.
Entradas: verifique se cada entrada tem o nível que você espera, incluindo as das portas não usadas.
Porta por porta: comece pelas entradas e avance em direção à saída, comparando cada nó com a tabela-verdade. O primeiro nó que não confere indica onde está o problema.
Mecânica: procure pernas dobradas sob o chip, fios que entraram na linha ao lado ou jumpers frouxos.

Erros comuns

Supor que os trilhos de alimentação percorrem toda a protoboard quando estão interrompidos no meio.
Colocar um chip sem atravessar o canal central, o que deixa pinos opostos unidos na mesma linha.
Deixar flutuando as entradas de uma chave aberta ou das portas não usadas.

Experimente no simulador

A protoboard virtual permite praticar a colocação e a fiação antes de tocar em componentes reais.

Monte F = A·B + C no editor de circuitos e verifique a tabela-verdade.
Passe para a protoboard virtual e coloque um 74HC08 e um 74HC32 sobre o canal central.
Conecte VCC ao pino 14 e GND ao pino 7 de cada chip.
Ligue com fios as entradas, a conexão entre os chips e a saída até um LED, seguindo a lista do exemplo.
Mude A, B e C e observe que o LED segue a tabela-verdade.

Exercícios

Em um 74HC86, que pinos você usaria para a porta 3 e que função ela realiza?
Resposta
Entradas nos pinos 9 e 10, saída no pino 8. É uma XOR.
Calcule o resistor para um LED verde (V_f = 2.1 V) com alimentação de 5 V e uma corrente de 3 mA e escolha um valor comercial.
Resposta
R = (5 − 2.1) / 0.003 ≈ 967 Ω. Usa-se 1 kΩ, com I = 2.9 / 1000 = 2.9 mA.
Um circuito com três chips 74HC funciona de forma intermitente e falha quando várias portas comutam ao mesmo tempo. O que você verificaria primeiro?
Resposta
Os capacitores de desacoplamento: um capacitor de 100 nF entre os pinos 14 e 7 de cada chip, perto dele. Também a tensão de alimentação medida nos pinos de cada chip.
Um chip é colocado com o pino 1 na linha 20, lado e. Em que linha e lado fica o pino 8?
Resposta
O pino 7 fica na linha 26 do lado e, e o pino 8 em frente a ele: linha 26, lado f.