Práctica 2. El Circuito Integrado NE555 como oscilador astable y como detector de pulsos fallidos
L-2 9 El Circuito Integrado NE555: Montaje y Prueba
1.
Objetivo de la práctica El objetivo de esta práctica es mostrar el comportamiento del CI 555, uno de los dispositivos más extendidos en el diseño de circuitos digitales. En primer lugar, se presentará el 555 en configuración astable, generando pulsos a la salida de frecuencia y duty cycle (anchura del pulso a nivel alto) configurables. En segundo lugar, como aplicación práctica, se montará una barrera. Utilizando un circuito detector de fallos de pulsos, se podrá visualizar a través de un diodo led, si desde el circuito transmisor están llegando pulsos al circuito receptor. Ambos se implementan utilizando el 555.
2.
Circuitos Integrados utilizados
2.1.
El Circuito Integrado NE555 Antes de ver el circuito, vamos a conocer el CI que se usará. En la Figura 9.1 se observa el aspecto real del CI NE555, así como su pinout. Es un CI muy extendido, puede verse en multitud de circuitos, puesto que sus aplicaciones son múltiples. Fue introducido en 1971 por Signetics Corporation, y lo llamaron “la máquina del tiempo”, ya que fue el primer CI comercial que que se diseñó como timer. timer. Hoy día existen versiones versiones integradas en tecnologías tecnologías más avanzadas como CMOS, aunque la primera versión también está disponible. NOTA SOBRE PINOUT: Para reconocer la pata número 1, el CI debe mirarse con las patas hacia abajo. Observando la hendidura en la parte central superior, la pata 1 es la colocada a la izquierda. Desde la 1, las patas se van numerando hacia abajo en la parte izquierda, y hacia arriba en la parte derecha, tal como se ve en la Figura 9.1.
Figura 9.1 Foto y pinout del circuito integrado NE555 En la Tabla 9.1 se muestra la descripción de cada una de las patas del CI. Es muy importante alimentar correctamente el CI, puesto que suministra la energía necesaria al dispositivo para que funcione. Por tanto, no
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olvidar colocar la fuente de alimentación entre las patas 8 y 1. El resto son entradas y salidas del CI. En las entradas habrá que colocar la excitación necesaria, obteniendo los resultados en las patas de salida. Pin # 1 2 3 4 5 6 7 8
Nombre GND TRIG OUT RESET CONT THRES DISCH VCC
Descripción Referencia de tensión Entrada de disparo (trigger) Salida Reset del biestable Entrada de control Entrada de umbral (threshold) Salida de descarga Tensión de alimentación
Tabla 9.1 Identificación del patillaje del 555
2.2.
El diodo led Para visualizar la ausencia de pulsos, en el circuito se coloca un diodo led como el de la Figura 9.2 que produce una luz roja cuando se polariza en directa y está conduciendo. La cubierta del dispositivo es cilíndrica, y en una de sus patas hay una muesca plana, que corresponde con el cátodo, señalado en la figura como K y que tiene la pata más corta.
Figura 9.2 Diodo led emisor de luz rojo
2.3.
El foto-emisor y el foto-receptor En la Figura 9.3 se observa el aspecto del foto-emisor y foto-receptor. Ambos son diodos led, que funcionan como un diodo común, sólo que al conducir el diodo emite señal. El emisor es de color azul y el receptor de color blanco. El transmisor emite pulsos de luz, que son recogidos por el receptor. Cuando el transmisor emite un pulso, éste llega al receptor, que se polariza en directa.
Figura 9.3 Diodos emisor y receptor de luz
2.4.
El transistor bipolar pnp y el npn El transistor bipolar npn será utilizado para convertir el foto-emisor en foto-receptor. En el detector de pulsos, será necesario utilizar un bipolar pnp. En la Figura 9.4 y la Figura 9.5 se muestran los formatos y pinout de ambos transistores, tomados de la hoja de características.
Pin # 1 2 3
Descripción Emisor Base Colector, conectado a la carcasa
Figura 9.4 Empaquetado y pinout del transistor bipolar npn Q2N2222 Pin # 1 2 3
Descripción Emisor Base Colector, conectado a la carcasa
Figura 9.5 Empaquetado y pinout del transistor bipolar pnp Q2N2907
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2.5. El potenciómetro Es un dispositivo con tres terminales. Entre el terminal central y cada uno de los otros se tiene una resistencia variable. La resistencia a cada lado se controla con el tornillo situado en la parte superior, y la suma de ambas resistencias es el valor del potenciómetro. Así, por ejemplo, si el potenciómetro es de 1k ! y se gira el tornillo hasta un extremo, desde un terminal externo al central habrá 1k ! (aproximadamente) y desde el otro terminal al central, 0! (aproximadamente). Girando el tornillo hasta una posición intermedia, se tendrán dos resistencias (entre los terminales exteriores, 1 ó 3 , y el central, 2), cuya suma será de 1k !. En la Figura 9.6 se ve el aspecto del potenciómetro.
Figura 9.6 Fotos y esquema del potenciómetro
3.
Configuración del CI NE555 como multivibrador astable El primer circuito que se ve con el CI 555 es la de multivibrador astable. Se trata de un circuito que genera una señal periódica de frecuencia y ciclo de trabajo configurables. En la Figura 9.7 se detalla el conexionado del circuito.
Figura 9.7 Configuración astable del integrado NE555 Con las resistencias R1 y R2 pueden controlarse la frecuencia de oscilación y el duty cycle de la señal de salida. Este circuito oscilador se basa en la carga y descarga del condensador C1. Las ecuaciones que describen la tensión del condensador C1 cuando se carga y se descarga son respectivamente:
Se puede demostrar que los tiempos correspondientes a la salida en nivel alto y bajo no dependen de VCC y vienen dadas mediante las expresiones:
Con esto puede calcularse la frecuencia de oscilación de la señal de salida mediante:
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Se define el “ciclo de trabajo” (o duty cycle) de una señal como la relación existente entre el tiempo a nivel alto frente al periodo de dicha señal, expresado en %. Haciendo el cálculo en función de R1 y R2:
4.
Configuración del CI NE555 como detector de pulsos fallidos En esta configuración se mostrará el montaje del 555 para detectar pulsos perdidos en una secuencia. Ya se vio la aplicación de este circuito como detector de paso mediante barrera infrarroja. Estos dispositivos emiten un tren de pulsos desde un emisor a un receptor. Si no existe ningún obstáculo entre el emisor y el receptor de infrarrojos, el receptor observa el tren de pulsos sin perturbaciones. Sin embargo, cuando existe un obstáculo que detiene el tren de pulsos, el receptor observará una discontinuidad en los pulsos y provocará la alarma. Por tanto, se usará el circuito transmisor y el receptor, mostrados en la Figura 9.8
Figura 9.8 Circuito transmisor y receptor del detector de pulsos fallidos
5.
Realización práctica INSTRUCCIONES: DETECTOR DE PULSOS FALLIDOS Los valores de los parámetros del circuito transmisor y del receptor son los descritos en las siguientes tablas: Parámetro tensión de alimentación resistencia de carga R1 R2, potenciómetro condensador de control de voltaje condensador de carga 1)
Valor 5V 260 ! 1 k ! Medir 10 nF 1 uF
Parámetro tensión de alimentación R1 R2 R3 condensador de control de voltaje condensador de carga
Valor 5V 100 ! 3k3 ! 100 ! 10 nF 1 uF
Tanto el transmisor como el receptor se suministran ya montados a falta de alimentarlo correctamente.
2) Visualice en el osciloscopio la señal de tensión en el condensador de carga del receptor (con y sin obstáculo) y del transmisor. Mida las frecuencias, las amplitudes de la señal y dibuje las tres gráficas. 3) Visualice en el osciloscopio la señal de tensión en el foto-emisor y en el foto-receptor. Mida la frecuencia, la amplitud de la señal y dibuje las dos gráficas. 4)
Mida los tiempos a nivel alto y a nivel bajo para el foto-emisor y calcule con ellos la frecuencia y el duty cycle. Compare los resultados con los teóricos según los valores de las resistencias y el condensador. Será necesario medir la resistencia del potenciómetro
5) Visualice en el osciloscopio la señal de tensión en el condensador de carga del receptor y capture el momento en que la tensión sube cuando se mete el obstáculo. Mida la amplitud máxima de la señal y dibuje la gráfica. 6) Visualice del mismo modo que el punto 5) el momento de cambio de la señal a la salida del 555 de receptor cuando se mete el obstáculo. Medir la tensión máxima y mínima.
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Apellidos
Grupo
Nombre
1.
Transmisor del detector de pulsos fallidos Medida Amplitud de la señal de salida Frecuencia de la señal de salida Frecuencia de la señal en el condensador de carga Tiempo a nivel alto de la señal de salida Tiempo a nivel bajo de la señal de salida Duty cycle de la señal de salida R2, potenciómetro Gráfica 1: Condensador
2.
Valor V Hz Hz s s % !
Teórico --Hz --s s % ---
Gráfica 2: Tensión en el foto-emisor
Receptor del detector de pulsos fallidos Medida Amplitud de la señal de salida con obstáculo Frec. de la señal en el condensador de carga sin obstáculo Amplitud de la señal de salida sin obstáculo Gráfica 3 y 4: Condensador con y sin obstáculo
Gráfica 6: Salida del 555
Valor V Hz V
Gráfica 5: Tensión en el foto-receptor
Gráfica 7: Condensador en momento de meter obstáculo
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Apellidos
Grupo
Nombre
3.
Comentarios
1)
Explicar por qué la amplitud de la señal de salida del 555 del receptor debe tener el valor que se ha medido para que el diodo LED se encienda en presencia de obstáculo. ¿Podría ser este valor igual a Vcc? ¿Por qué?
2)
Describir la funcionalidad del transistor pnp del esquema del receptor
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