LABORATORIO DE CIRCUITOS DIGITALES II
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y ELECTRICA ALUMNO:
Vilca Pizarro Julio David
CODIGO:
11190025
PROFESOR:
Ing. Oscar Casimiro Pariasca
INFORME:
Informe Previo Nº01
TEMA:
Circuitos Temporizadores
CICLO:
VI
2013
LABORATORIO Nº01 CIRCUITOS TEMPORIZADORES I. OBJETIVO: 1. Utilizar adecuadamente el temporizador 555 y/o 556 y sus dos modos de operación, ya sea como un multivibrador astable o como un multivibrador monoestable. 2. Utilizar adecuadamente el CI74121, el CI74122 y el CI74123 y sus modos de trabajo, ya sea como un multivibrador astable o monoestable. II. MATERIALES y EQUIPO: - Protoboard, cables de conexión. - CI: LM555 (2) ó LM556 (1), 74LS121, 74LS122, 74LS123 - Resistencias: 100, 150, 470, 500, 1K, 1.5K, 3.3K, 6.8K, 10K(2), 18K(2), 47K, 100K, 1M(2), 10MΩ, otros ½ W. - Condensadores: 0.01μF, 0.1μF (2), 0.68μF, 1μF, 2μF, 10 μF, 25 μF, 100 μF , otros. III.
INTRODUCCION TEORICA:
El dispositivo 555 es un circuito integrado muy estable cuya función primordial es la de producir pulsos de temporización con una gran precisión y que, además, puede funcionar como oscilador. Sus características más destacables son: Temporización desde microsegundos hasta horas. Modos de funcionamiento: o Monoestable. o Astable. Aplicaciones: o Temporizador. o Oscilador. o Divisor de frecuencia. o Modulador de frecuencia. o Generador de señales triangulares. Pasemos ahora a mostrar las especificaciones generales del 555 (Vc = disparo):
IV.
CUESTIONARIO PREVIO: 1. Analizar el funcionamiento interno del CI. LM555. Describir el uso de sus terminales.
El funcionamiento y las posibilidades de este circuito se pueden comprender estudiando el diagrama de bloques. Básicamente se compone de dos amplificadores operacionales montados como comparadores, un circuito biestable del tipo RS del que se utiliza su salida negada, un buffer de salida inversor que puede entregar o absorber una corriente de 200mA. y un transistor que se utiliza para descarga del condensador de temporización.
Una red de tres resistencias iguales fija los niveles de referencia en la entrada inversora del primer operacional, y en la no inversora del segundo operacional, a 2/3 y 1/3 respectivamente de la tensión de alimentación. Cuando la tensión en el terminal umbral (THRESHOLD) supera los 2/3 de la tensión de alimentación, su salida pasa a nivel lógico "1", que se aplica a la entrada R del biestable, con lo cual su salida negada, la utilizada en este caso, pasa a nivel "1", saturando el transistor y comenzando la descarga del condensador, al mismo tiempo, la salida del 555 pasa a nivel "0". Pasemos ahora al otro amplificador operacional, si la tensión aplicada a la entrada inversora, terminal de disparo (TRIGGER), desciende por debajo de 1/3 de la tensión de alimentación, la salida de este operacional pasa a nivel alto, que se aplica al terminal de entrada S del biestable RS, con lo que su salida se pone a nivel bajo, el transisor de descarga deja de conducir y la salida del 555 pasa a nivel lógico alto. La gama de aplicaciones del circuito se incrementa, pues se dispone de un terminal de reset, activo a nivel bajo, que se puede utilizar para poner a nivel bajo la salida del 555 en cualquier momento. Descripción de las terminales del Temporizador 555:
Pines del 555.
GND (normalmente la 1): es el polo negativo de la alimentación, generalmente "tierra o masa".
Disparo (normalmente la 2): Es en esta patilla, donde se establece el inicio del tiempo de retardo, si el 555 es configurado como monoestable. Este proceso de disparo ocurre cuando este pin va por debajo del nivel de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez.
Salida (normalmente la 3): Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador, ya sea que esté conectado como monoestable, astable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje será el voltaje de alimentación (Vcc) menos 1.7 Voltios. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la ayuda de la patilla de reset (normalmente la 4).
Reset (normalmente la 4): Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida a nivel bajo. Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a Vcc para evitar que el 555 se "resetee".
Control de voltaje (normalmente la 5): Cuando el temporizador se utiliza en el modo de controlador de voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la práctica como Vcc -1 voltio) hasta casi 0 V (aprox. 2 Voltios). Así es posible modificar los tiempos en que la salida esmultivibrador astable y como multivibrador monoestable. Puede también configurarse para por ejemplo generar formas de onda tipo Rampa.
Umbral (normalmente la 6): Es una entrada a un comparador interno que se utiliza para poner la salida (Pin # 3) a nivel bajo bajo.
Descarga (normalmente la 7): Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento.
Voltaje de alimentación (VCC) (normalmente la 8): es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que va de 4.5 voltios hasta 16 voltios (máximo).
2. Explicar los tres estados posibles de un temporizador 555 (alto, bajo y memoria). ¿Cómo están controlados por los terminales de disparo y de umbral? Describir el uso de los demás terminales. Terminales de disparo y de umbral. El 555 tiene dos estados posibles de operación y de memoria. Están determinados tanto por la entrada de disparo, terminal 2, como por la entrada de umbral, terminal 6. La entrada de disparo se compara por esta función (comparador 1), con un voltaje de umbral más bajo VLT que es igual a Vcc/3. La entrada de umbral se analiza mediante el comparador 1 con un voltaje de umbral alto VUT que es igual a 2 Vcc/3. Cada salida tiene dos niveles posibles de voltaje, ya sea arriba o debajo de su referencia. Por tanto, con dos entradas hay cuatro combinaciones posibles que causarán cuatro estados de operación posibles. Terminales de salida. La terminal de salida, terminal 3, puede ser ya sea la fuente o el drenador de corriente. Una carga flotante de alimentación está activada cuando el nivel de salida es bajo y desactivado cuando el nivel de salida es alta. Una carga a tierra está puesta cuando la salida es alta, y desactivada cuando el nivel de salida es bajo. En operación normal, ya sea una carga de alimentación o una carga puesta a tierra, está conectada a la terminal 3. La mayoría de las aplicaciones no requieren ambos tipos de cargas al mismo tiempo. El máximo drenaje o fuente de corriente es técnicamente 200 mA, pero en forma más apegada a la realidad es de 40 mA. En alto voltaje de salida es cerca de 0.5 V debajo de Vcc, y el voltaje bajo de salida está cercano a 0.1 V con respecto a tierra, para cargas de corriente debajo de 25 mA. 127
Terminal de restablecimiento. La terminal de restablecimiento, terminal 4, permite deshabilitar el 555 y controla a la señal de comando en la entrada del disparo. Cuando no se usa, la terminal de restablecimiento debe interconectarse a + Vcc. Si la terminal de restablecimiento se pone a tierra o si su potencial se reduce debajo de 0.4 V, tanto la terminal 3 y la terminal de salida como la terminal 7 de descarga, están aproximadamente a potencial de tierra. En otras palabras, la salida se mantiene baja. Si la salida estuviera en nivel alto, una tierra en la terminal de restablecimiento inmediatamente forza la salida a nivel bajo. Terminal de descarga. La terminal de descarga, terminal 7, se usa para descargar un capacitor externo temporizador durante el tiempo que la salida está baja. Cuando la salida está alta, el pin 7 actúa como un circuito abierto y permite que el capacitor se cargue a un valor determinado por un resistor externo o resistores y capacitor. Terminal del voltaje de control. Por lo común se conecta un capacitor de 0.01 uF de la terminal del voltaje de control, terminal 5, a tierra. El capacitor deriva los voltajes de ruido y/o modulación del suministro de potencia para minimizar su efecto en el voltaje de umbral. La terminal del voltaje de control también puede utilizarse para cambiar los niveles del voltaje de umbral y de disparo. Por ejemplo, la conexión de un resistor de 5 KΩ entre las terminales 5 y 8 cambia el voltaje de umbral a 0.8 Vcc y el voltaje de disparo a 0.4 Vcc. 3. Determinar en forma analítica la frecuencia de la señal de salida de un CI 555 trabajando como multivibrador astable. ¿Cómo se calcula el Ciclo de Trabajo?
Calcular los tiempos en alto y bajo de la señal de salida del circuito del experimento. Cuál es la frecuencia de salida. Temporizador 555 funcionando como multivibrador astable:
Si se desea ajustar el tiempo que está a nivel alto y bajo se deben aplicar las fórmulas: Salida a nivel alto: Th = 0.693*(Ra+Rb)*C Salida a nivel bajo: Tl = 0.693*Rb*C T=Th+Tl En este modo se genera una señal cuadrada oscilante de frecuencia de salida: F=1/ (Th+Tl) F = 1/T = 1.44 / [C*(Ra+2*Rb)] La señal cuadrada tendrá como valor alto Vcc (aproximadamente) y como valor bajo 0V. El Ciclo de Trabajo (Duty Cycle) es la razón del tiempo en ON al tiempo total: DC=Th/T o DC=Th/T%
4. Determinar en forma analítica el tiempo de duración del pulso de salida de un CI 555 trabajando como multivibrador monoestable. Calcular los tiempos de duración del pulso de salida del circuito del experimento. Temporizador 555 funcionando como multivibrador monoestable:
Cuando la señal de disparo está a nivel alto (ej. 5V con Vcc 5V) la salida se mantiene a nivel bajo (0V), que es el estado de reposo. Una vez se produce el flanco descendente de la señal de disparo y se pasa por el valor de disparo, la salida se mantiene a nivel alto (Vcc) hasta transcurrido el tiempo determinado por la ecuación: T = 1.1*Ra*C Es recomendable, para no tener problemas de sincronización que el flanco de bajada de la señal de disparo sea de una pendiente elevada, pasando lo más rápidamente posible a un nivel bajo (idealmente 0V). En el modo monoestable, el disparo debería ser puesto nuevamente a nivel alto antes que termine la temporización. 5. Explicar el uso y aplicaciones del CI 74LS121, como multivibrador astable y monoestable. Mostrar la dependencia del ancho de salida en función de los valores de la resistencia y del condensador externo. MONOESTABLE NO REDISPARABLE 74LS121: El diagrama lógico, su tabla de verdad y las formas de onda de entrada y salida del 74121 se muestran en la figura.
Las entradas para el 74121 son: A1, A2 y B, siendo entradas de disparo las A para un Monoestable, apareciendo en la entrada T una compuerta AND.
FUNCIONAMIENTO: Si B se mantiene en un nivel ALTO (1), y una transición negativa en A1 y A2 disparará el circuito como se aprecia en la gráfica de señales (disparo negativo). Esto corresponde a las dos combinaciones inferiores de la tabla de verdad, que se indica en la figura. Si las entradas A1 y A2, ambas se mantienen en un nivel BAJO (0) con una transición positiva en B, se disparará el circuito como se aprecia en la gráfica (disparo positivo). Esto corresponde a las dos combinaciones superiores de la tabla de verdad.
Una ecuación lógica para la entrada de disparo, será la siguiente: T = (A1 + A2) x B x Q. Cabe hacer notar que para que T sea de nivel ALTO (1), tanto A1 como A2 deben ser ALTOS (1), mientras que en la entrada de la compuerta, tanto A1 como A2 presentan un nivel BAJO (0).
Como Q es de nivel BAJO (0) durante el ciclo de sincronización (estado inestable), no es posible que ocurra una transición en T durante ese tiempo. Analizando la ecuación lógica para un T=0 o nivel BAJO será cuando Q = 0. En otras palabras, una vez que el circuito Monoestable haya sido disparado para su ESTADO casi ESTABLE, el circuito debe pedir tiempo o conmutar devuelta para su estado estable, antes de poder ser disparado nuevamente.
De esta forma, este circuito NO ES REDISPARABLE. El largo del pulso de salida Q se establece de acuerdo con los valores de la resistencia y el condensador de sincronismo, con la siguiente ecuación: t = 0,693 x R x C (S) 6. Explicar el uso del CI 74LS122 y 74LS123 como un multivibrador astable y como un monoestable. Mostrar la dependencia del ancho de salida en función de los valores de la resistencia y del condensador externo. MONOESTABLE REDISPARABLE 74LS123: Para este circuito la lógica de entrada es más simple que para el caso del 74121. Es un chip de 16 pines con dos circuitos iguales dentro de él, las entradas son: A ´ . , B y R , su salidas siguen siendo Q y Q Su circuito, su tabla de verdad y sus formas de onda se muestran en la siguiente figura.
FUNCIONAMIENTO: La primera combinación de la tabla de verdad muestra que el circuito se dispara si R y B presentan un nivel alto (1) y ocurre también una transición de bajo para alto en A. La segunda combinación dice que el circuito se dispara siempre y cuando la entrada A presente un nivel bajo (0), la entrada R un nivel alto y la entrada B presente una transición de bajo a alto. La tercera combinación de la tabla de verdad muestra que si A tiene un nivel bajo (0), B un nivel alto (1), mientras que la transición en R se encuentra de bajo a alto, el circuito también se disparará. Las dos últimas combinaciones de la tabla de verdad muestran la desactivación directa del circuito, independientemente de los niveles alto o bajo que asuman las entradas A y B, y siempre que la entrada R presente un nivel bajo ( 0 ) o tenga una transición de alto a bajo . La ecuación lógica para la entrada de disparo puede ser expresada como: T = A x B x R (S) Al observar la ecuación, se puede apreciar que no existe en ella la salida Q, lo cual significa que este circuito se disparará cada vez que exista una transición de bajo a alto en T. Como conclusión se puede decir que este es un circuito:
MONOESTABLE REDISPARABLE. El ancho del pulso para este circuito se encuentra determinado por la siguiente ecuación: T = 0,33 x R X C. (S)
MONOESTABLE REDISPARABLE 74LS122: El disparo ocurre a un nivel de voltaje particular. Se puede disponer de la facilidad de efectuar el disparo con frente de subida o con frente de bajada del pulso de disparo. Cuando se está en el estado temporizado, otro pulso de disparo aplicado a la entrada de disparo (Trigger) causará un nuevo disparo del período de retardo y pulsos repetitivos de disparo, pueden hacer el período de disparo tan largo como se desee. Para capacitores externos de capacidad mayores de 1nF el ancho del pulso de salida (PW) está dado por la Ecuación: PW = 0.32*Rx*Cx*(1+ (0.7/Rx)) ns Dónde Rx está en KΩ y Cx en pF son el resistor y el capacitor externo. El ancho del pulso puede ser determinado externamente en cualquier instante por una señal apropiada en la entrada DC.
7. Calcular y dibujar el circuito de un monoestable que genere un pulso de salida con un tiempo de duración de 1 segundo y 10 segundos. a) Para T=1s: Elegimos el valor de un condensador conocido: C1=10µF Entonces hallamos el valor de la resistencia despejando de la fórmula del periodo de un monoestable: T=1.1*R1*C1 R1=T/(1.1*C1)=1/(1.1*0.0001)=90909.09Ω≈90.9KΩ
R1 R2
4
10k
R
VCC
8
U1 Q DC
5
90.9k
R3 470
3 7
B1 10V
CV
D1 2
SW-SPST
TR
TH
1
C2
GND
SW1
LED-BLUE
C1
6
10u 555
1u
b) Para T=10s. De la misma forma elegimos el valor de un condensador conocido: C1=10µF Entonces hallamos el valor de la resistencia despejando de la fórmula del periodo de un monoestable: T=1.1*R1*C1 R1=T/(1.1*C1)=10/(1.1*0.00001)=909090.90≈909KΩ
R1 R2
4
10k
R
VCC
8
U1 Q DC
5
909k
R3 470
3 7
B1 10V
CV
D1
SW-SPST
C2
TR
1
2
GND
SW1 TH
6
C1
LED-BLUE
10u 555
1u
8. Analizar y simular los circuitos de la parte experimental. Envíe los circuitos de simulación. CIRCUITOS ASTABLES LM555
a) Circuito Nº01 R1=1KΩ R2= 150KΩ C1=10µF Th = 0.693 X C1 X (R1 + R2) = 0.693 X 0.000010 X (1000 + 150000) = 1.042 Segundos Tl = 0.693 X C1 X R2 = 0.693 X 0.000010 X 150000 = 1.035 Segundos T = Th + Tl = 1.042 + 1.035 = 2.077 Segundos
R1 4
R
VCC
8
U1 Q DC
5
1k
500
7
TH
1
C2
9V
150k
GND
TR
B1
R2
CV
2
R3
3
D1 LED-BLUE
6 555
0.01u
C1 10u
b) Circuito Nº02 R1=150KΩ R2= 47KΩ C1=10µF Th = 0.693 X C1 X (R1 + R2) = 0.693 X 0.000010 X (150000 + 47000) = 1.365 Segundos Tl = 0.693 X C1 X R2 = 0.693 X 0.000010 X 47000 = 0.33 Segundos T = Th + Tl = 1.365 + 0.33 = 1.695 Segundos
R1 4
R
VCC
8
U1 Q DC
C2
7
R2
TR
47k
GND
2
TH
555
C1 10u
CIRCUITOS MONOESTABLES LM555
B1 9V
D1 LED-BLUE
6
0.01u
c) Circuito Nº01 R1=100KΩ C1=25µF
R3 500
CV
1
5
150k
3
T = 1.1 X R1 X C1 T = 1.1 X 100,000 X 0.000025 = 2.75 Segundos
R1 R2
4
VCC
8
U1
R
10k
Q
R3 470
7
DC 5
100k
3
B1 6V
CV
D1 2
GND
SW1 TR
SW -SPST
1
C2
LED-BLUE
C1
6
TH
25u 555
1u
d) Circuito Nº02 R1=1MΩ C1=100µF T = 1.1 X R1 X C1 T = 1.1 X 1000000X 0.000100 = 110Segundos = 1Minuto y 50 segundos
R1 R2
4
10k
R
VCC
8
U1 Q DC
5
1M
R3 150
3 7
B1 6V
CV
D1
SW-SPST
C2
TR
1
2
GND
SW1 TH
6
C1
LED-BLUE
100u 555
1u
CIRCUITO MONOESTABLE NO REDISPARABLE 74LS121 Para un T=10s Elegimos el valor de un condensador conocido: C1=100µF Entonces hallamos el valor de la resistencia despejando de la fórmula del periodo de un monoestable: T=0.693*R1*C1 R1=T/(0.693*C1)=10/(0.693*0.0001)=144300.14Ω≈144.3KΩ
R1 144.3k
U1 10
C1
CX
Q
100u
Q 11
6 1
RX/CX
B1
R2
9V
500 9
SW3
3 4 5
SW -SPDT
RINT A1 A2 B
D1
74121
SW2
LED-YELLOW
SW -SPDT
SW1 SW -SPDT
CIRCUITO MONOESTABLE REDISPARABLE 74LS123 Para un T=10s Elegimos el valor de un condensador conocido: C1=100µF Entonces hallamos el valor de la resistencia despejando de la fórmula del periodo de un monoestable: T=0.33*R1*C1 R1=T/(0.33*C1)=10/(0.33*0.0001)=303030.3Ω≈303KΩ
R1 303K
C1 100u
U1:A 14
15
SW3
1 2 3
CX
R2 A B MR
B1 9V
500
RX/CX Q Q
13 4
74LS123 SW -SPDT
SW2
D1 LED-YELLOW
SW -SPDT
SW1 SW -SPDT
9. Analizar el funcionamiento interno del CI. LM556. Describir el uso de sus terminales. Este circuito integrado es un doble temporizador. El 556 es un integrado que esconde en su interior dos integrados 555. No es tan conocido ni su uso esta tan extendido como el del 555, pero duplica la capacidad de este. El 556 puede ser configurado, al igual que su hermano menor el 555, en astable o monoestable, cómo contiene dos 555 podemos tener dos astables, dos monoestables o un astable y un monoestable.
Descripción de las terminales del Temporizador 556:
Descarga 1(patilla 1): Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento. Umbral 1(patilla 2): Es una entrada a un comparador interno que tiene el 556 y se utiliza para poner la salida a nivel bajo. Control de voltaje 1(patilla 3): Cuando el temporizador se utiliza en el modo de controlador de voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la práctica como Vcc -1 voltio) hasta casi 0 V (aprox. 2 Voltios). Así es posible modificar los tiempos en que la salida está en alto o en bajo independiente del diseño (establecido por los resistores y condensadores conectados externamente al 556). El voltaje aplicado a la patilla de control de voltaje puede variar entre un 45 y un 90 % de Vcc en la configuración monostable. Cuando se utiliza la configuración astable, el voltaje puede variar desde 1.7 voltios hasta Vcc. Modificando el voltaje en esta patilla en la configuración astable causará la frecuencia original del astable sea modulada en frecuencia (FM). Si esta patilla no se utiliza, se recomienda ponerle un condensador de 0.01µF para evitar las interferencias. Reset 1 (patilla 4): Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida a nivel bajo. Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a Vcc para
evitar que el 556 se "resetee". Salida 1(patilla 5): Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador, ya sea que esté conectado como monostable, astable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje será el voltaje de alimentación (Vcc) menos 1.7 Voltios. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la ayuda de la patilla de reset 1(normalmente la 4). Disparo 1(patilla 6): Es en esta patilla, donde se establece el inicio del tiempo de retardo, si el 556 es configurado como monostable. Este proceso de disparo ocurre cuando este pin va por debajo del nivel de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez. GND (patilla 7): es el polo negativo de la alimentación, generalmente tierra. Disparo 2: Patilla 8 Salida 2: Patilla 9 Reset 2: Patilla 10 Control de voltaje 2: Patilla 11 Humbral 2: Patilla 12 Descarga 2: Patilla 13 Vcc (Patilla 14): Alimentación, es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que va de 4.5 voltios hasta 18 voltios (máximo). Hay versiones militares de este integrado que llegan hasta 18 Voltios.
