UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ Vicerrectorado de Investigación
TALLER I DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y MECATRÓNICA TINS INGENIERÍA ELECTRÓNICA, INGENIERÍA MECATRÓNICA
TEXTOS DE INSTRUCCIÓN (TINS) / UTP
Lima - Perú
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ Vicerrectorado de Investigación
TALLER I DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y MECATRÓNICA TINS INGENIERÍA ELECTRÓNICA, INGENIERÍA MECATRÓNICA
TEXTOS DE INSTRUCCIÓN (TINS) / UTP
Lima - Perú
TALLER I
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TALLER I DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y MECATRÓNICA
Desarrollo y Edición
:
Vicerrectorado de Investigación
Elaboración del TINS
:
• Ing. Moisés Leureyros Pérez • Ing. José Andrés Sandoval Valencia
Diseño y Diagramación
:
Julia Saldaña Balandra
Soporte académico
:
Instituto de Investigación
Producción
:
Imprenta Grupo IDAT
Tiraje 3 B / 0150 / 2008-II Queda prohibida cualquier forma de reproducción, venta, comunicación pública y transformación de esta obra.
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TALLER I
“El presente material contiene una compilación de contenidos de obras sobre Electrónica, resúmenes de artículos, breves extractos de obras publicadas lícitamente, acompañados de resúmenes de los temas a cargo del profesor; constituye un material auxiliar de enseñanza para ser empleado en el desarrollo de las clases en nuestra institución. El presente material es de uso exclusivo de los alumnos y docentes de la Universidad Tecnológica del Perú, preparado para fines didácticos en aplicación del Artículo 41 inc. C y el Art. 43 inc. A., del Decreto Legislativo 822, Ley sobre Derechos de Autor”.
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TALLER I
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TALLER I
PRESENTACIÓN El presente texto elaborado en el marco de desarrollo de la Ingeniería, es un material de ayuda instruccional, en las carreras de Ingeniería Electrónica y Mecatrónica para la Asignatura de Taller I de Ingeniería Electrónica y Mecatrónica en el segundo ciclo de estudios. Plasma la iniciativa institucional de innovación del aprendizaje educativo universitario que en acelerada continuidad promueve la producción de materiales educativos, actualizados en concordancia a las exigencias de estos tiempos. Esta primera edición apropiadamente recopilada, de diversas fuentes bibliográficas, de uso frecuente en la enseñanza de Ingeniería Electrónica y Mecatrónica; está ordenada en función del syllabus de la Asignatura arriba mencionada. La conformación del texto ha sido posible gracias al esfuerzo y dedicación académica de los Profesores: Ing. Moisés Leureyros Pérez y José Andrés Sandoval Valencia; contiene temas llevados a la práctica mediante experimentos aplicativos: El primer capitulo: Repaso en instrumentación de mediciones eléctricas ; el alumno comprenderá como elegir adecuadamente el instrumento para realizar una medición eléctrica, y así mismo, respetará la conexión apropiada del instrumento a utilizar: En el segundo capítulo: Sensores; conocerá la importancia de detectar las señales físicas (luz, temperatura, etc.) para poder activar circuitos electrónicos. En el tercer capítulo: Temporizador Timer 555 ; el alumno conocerá como generar una onda cuadrada de diferentes frecuencias y la activación temporizada de un circuito electrónico. En el cuarto capítulo: Implementación de la etapa de sensado ; implementará en forma práctica la etapa de sensado y calibrará adecuadamente el sensor para su buen funcionamiento. En el quinto capítulo: Elaboración de circuitos impresos ; aprenderá como elaborar artesanalmente, pero, con buenos resultados y económicos circuitos impresos.
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TALLER I
En el sexto capítulo: Registros (Flip Flop) ; conocerá en forma básica el funcionamiento de un flip flop y su aplicación a un circuito en particular. En el séptimo capítulo Circuitos Contadores ; conocerá diferentes circuitos contadores, logrando ver sus aplicaciones en los circuitos electrónicos. En el octavo capítulo Circuitos Multiplexores; aprenderá como dirigir por una sola vía una señal a la vez teniendo varias señales entrantes por medio de un control digital. En el noveno capítulo Circuitos Decodificadores y display de siete segmentos ; conocerá los diferentes tipos de decodificadores, su funcionamiento y la forma como interconectar con el display de siete segmentos. En el décimo capítulo Implementación de la Etapa de control ; el alumno conocerá la importancia de un circuito que pueda administrar adecuadamente la activación o desactivación de diferentes cargas. En el décimo primer capítulo El transistor en corte y saturación ; conocerá la forma básica de poder utilizar el transistor como conmutador para poder activar diferentes cargas. En el duodécimo capítulo Optoacopladores; conocerá la forma como proteger las etapas de un circuito electrónico y a utilizar los diferentes tipos de acopladores ópticos. En el décimo tercer capítulo Circuitos de potencia ; el alumno conocerá algunos circuitos típicos utilizados en la etapa de potencia de un circuito electrónico logrando diferenciar el uso de cada uno de ellos para una determinada aplicación. En el décimo cuarto capítulo Fuentes de alimentación ; aprenderá a elegir adecuadamente el tipo de fuente de alimentación que debe utilizar para alimentar una carga determinada. En el décimo quinto capítulo Puerto paralelo de la computadora ; conocerá en forma básica como utilizar el puerto de comunicaciones de la computadora (puerto paralelo) y a reconocer la importancia del circuito interfaz para el equipo que desea activar.
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TALLER I
En el décimo sexto capítulo Motores DC y Motor Paso a Paso ; conocerá como diferenciar y reconocer los diferentes tipos de motores (de corriente continua, paso a paso, y servos). Comprenderá que cada uno de ellos necesita un circuito especial de control y de potencia para lograr su funcionamiento. Finalmente, sean estas últimas líneas de reconocimiento Institucional a los Ingenieros arriba nominados por su tenacidad académica en la preparación del presente texto.
Vicerrectorado de Investigación
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TALLER I
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TALLER I
ÍNDICE CAPITULO 1 REPASO EN INSTRUMENTACIÓN DE MEDICIONES ELÉCTRICAS 1.1 RESUMEN DE CONEXIONES DE LOS DISTINTOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN ELECTRÓNICA...................................................................................... 1.2 EQUIPOS UTILIZADOS EN EL LABORATORIO DE ELECTRÓNICA GENERAL 1.2.1 NI ELVIS........................................................................................................ 1.2.2 COMPONENTES DEL SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL 1.2.3 CARACTERÍSTICAS DE LA FUENTE DE VOLTAJE .............................. 1.2.4 CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR DE FUNCIONES.................... 1.2.5 PANEL DEL SOFTWARE DE CONTROL.................................................. 1.2.6 CONECTORES DE SALIDA DEL MULTIMETRO DIGITAL (DMM) ..... 1.2.7 ACTIVACIÓN DEL MULTIMETRO DIGITAL.......................................... 1.2.8 CARACTERÍSTICAS DEL MULTIMETRO DIGITAL............................... 1.2.9 CONTROL DE LA FUENTE DE VOLTAJE DC POR SOFTWARE.......... 1.2.10 CONTROL DEL GENERADOR DE FUNCIONES POR SOFTWARE ...... 1.2.11 CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR DE FUNCIONES.................... 1.2.12 ACTIVACIÓN DEL OSCILOSCOPIO ......................................................... 1.2.13 CARACTERÍSTICAS DEL OSCILOSCOPIO.............................................. 1.2.14 TRABAJANDO CON EL OSCILOSCOPIO Y EL GENERADOR DE SEÑALES ...................................................................................................... CAPITULO 2 SENSORES 2.1 INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 2.2 CONVERSOR ANÁLOGO/DIGITAL ........................................................................ 2.3 SENSORES ANALÓGICOS........................................................................................ 2.3.1 FOTORESISTENCIAS O LDR ..................................................................... 2.3.2 EMISIÓN Y RECEPCIÓN DE INFRARROJOS........................................... 2.3.3 TERMISTORES............................................................................................. 2.3.3.1 NTC.................................................................................................. 2.3.3.2 PTC .................................................................................................. 2.3.3.3 VDR ................................................................................................. 2.3.3.4 CIRCUITOS INTEGRADOS (SENSOR DE TEMPERATURA) ... 2.3.3.5 COMPARACIÓN DE LOS SENSORES DE TEMPERATURA.... 2.4 SENSORES DIGITALES............................................................................................. 2.4.1 SWITCH (INTERRUPTOR) Y MICROSWITCH......................................... 2.4.2 REED SWITCH ............................................................................................. 2.5 TRANSISTORES ......................................................................................................... 2.5.1 TRANSISTORES NPN.................................................................................. 2.5.2 TRANSISTORES PNP................................................................................... 2.5.3 TRANSISTORES EN CIRCUITOS DE CONMUTACIÓN.......................... 2.5.4 POLARIZACIÓN DE UN TRANSISTOR COMO EMISOR COMÚN........ 2.5.5 CONEXIÓN COMO SEGUIDOR EMISIVO................................................ 2.5.5.1 CUANDO LA SEÑAL ES NEGATIVA..........................................
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19 20 20 22 28 28 29 30 30 31 32 33 33 34 34 35
37 39 40 44 49 50 51 52 53 55 55 55 57 57 57 58 59 60 60 61
TALLER I
2.6
EL RELE .................................................................................................................... 2.6.1 ANÁLISIS PARA LA CONEXIÓN DE UN RELE ...................................... 2.6.2 MONTAJES DARLINGTON ........................................................................ 2.6.3 OTRO CASO DE CONMUTACIÓN CON DIFERENTES TENSIONES....
61 63 63 65
CAPITULO 3 TEMPORIZADOR TIMER 555 3.1 INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 3.2 UTILIZACIÓN............................................................................................................. 3.3 DESCRIPCIÓN DE LAS PATILLAS O PINES DEL TEMPORIZADOR 555 .......... 3.4 CARACTERÍSTICAS GENERALES.......................................................................... 3.5 DIAGRAMA DE BLOQUES INTERNO .................................................................... 3.6 ALGUNAS CONFIGURACIONES BÁSICAS........................................................... 3.6.1 CIRCUITO MONOESTABLE....................................................................... 3.6.2 CIRCUITO ASTABLE .................................................................................. 3.6.3 GRAFICAS EN MODO ASTABLE (R vs T)................................................ 3.6.4 CIRCUITO ASTABLE CON ONDA SIMÉTRICA ...................................... 3.6.5 TERMINAL DEL RESET.............................................................................. 3.6.6 MODULACIÓN DEL ANCHO DE PULSO ................................................. 3.6.7 MODULACIÓN DEL RETARDO DE PULSO............................................. 3.6.8 IMPLEMENTACIÓN DE CIRCUITOS CON EL TIMER 555.....................
67 68 68 69 70 71 71 72 73 75 75 76 76 77
CAPITULO 4 IMPLEMENTACIÓN DE LA ETAPA DE SENSADO 4.1 IMPLEMENTACIÓN DE CIRCUITOS DE SENSADO POR MEDIO DE LUZ UTILIZANDO EL LDR Y EL TIMER ........................................................................ 81 4.2 IMPLEMENTACIÓN DE CIRCUITOS DE SENSADO UTILIZANDO SENSOR MAGNÉTICO Y TIMER ............................................................................................. 83 CAPITULO 5 ELABORACIÓN DE CIRCUITOS IMPRESOS 5.1 SOLDADURA DE ESTAÑO....................................................................................... 5.2 LA PLACA VIRGEN................................................................................................... 5.3 MEDIOS NECESARIOS PARA EL DISEÑO DE UN CIRCUITO IMPRESO.......... 5.4 NORMAS BÁSICAS PARA EL DISEÑO DE CIRCUITOS IMPRESOS.................. 5.5 PROCESO DE REALIZACIÓN DE LA PLACA........................................................ 5.6 CREACIÓN DE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO ............................................... 5.6.1 MATERIALES............................................................................................... 5.6.2 DISEÑO DE LA PLACA............................................................................... 5.6.3 IMPRESIÓN DEL CIRCUITO...................................................................... 5.6.4 PREPARACIÓN DE LA PLACA.................................................................. 5.6.5 PLANCHADO DEL DISEÑO SOBRE LA PLACA DE COBRE................. 5.6.6 ATAQUE QUÍMICO DE LA PLACA DE COBRE ...................................... 5.6.7 RECORTE Y PERFORADO DE LA PLACA DE COBRE ..........................
87 87 87 88 89 90 90 92 93 94 95 97 100
CAPITULO 6 REGISTROS (FLIP FLOP) 6.1 CIRCUITOS BIESTABLES..................................................................................... 103 6.2 FLIP FLOP BÁSICO RS .......................................................................................... 103 6.2.1 FLIP FLOP – CONTROLADO POR UN PULSO DE RELOJ...................... 104
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TALLER I
6.3
FLIP FLOP – CON UN INVERSOR............................................................................ 6.3.1 FLIP FLOP D ................................................................................................. 6.3.2 FLIP FLOP MASTER – SLAVE ................................................................... 6.3.3 FLIP FLOP JK................................................................................................ FLIP FLOP 7474........................................................................................................... 6.4.1 CONFIGURACIÓN DE PINES DEL FLIP FLOP 74747 ............................. 6.4.2 CONFIGURACIÓN BÁSICA DEL FLIP FLOP 7474 .................................. 6.4.3 CONFIGURACIÓN DEL FLIP FLOP CON SETEO Y RESETEO..............
105 106 107 108 110 110 110 111
CAPITULO 7 CIRCUITOS CONTADORES 7.1 CONTADORES DE PROPAGACION........................................................................ 7.2 CONTADOR DE PROPAGACION ASCENDENTE.................................................. 7.3 CONTADORES CON NÚMEROS MOD < 2 N............................................................ 7.4 CONTADOR DE PROPAGACIÓN DESCENDENTE ............................................... 7.5 CONTADORES ASÍNCRONOS ................................................................................. 7.6 CONTADORES SINCRÓNICOS................................................................................ 7.7 CONTADORES MODULO N ..................................................................................... 7.8 CONTADOR EN ANILLO .......................................................................................... 7.9 DIVISORES DIGITALES............................................................................................ 7.10 74LS393........................................................................................................................ 7.11 EL DIVISOR 74LS93................................................................................................... 7.11.1 EL DIVISOR POR 16 EN BINARIO............................................................. 7.11.2 EL DIVISOR POR 8 EN BCD....................................................................... 7.11.3 EL DIVISOR POR 6 ..................................................................................... 7.11.4 EL DIVISOR POR 9 ..................................................................................... 7.11.5 EL DIVISOR POR 10 ................................................................................... 7.11.6 EL DIVISOR POR 12 .................................................................................... 7.12 EL DIVISOR DECIMAL 74LS90................................................................................ 7.12.1 EL DIVISOR POR 10 EN BCD..................................................................... 7.12.2 EL DIVISOR POR 10 EN BCD..................................................................... 7.12.3 EL DIVISOR POR 2,4, Y 5............................................................................ 7.12.4 EL DIVISOR POR 2,4,8 Y 9..........................................................................
113 113 115 116 117 118 118 121 123 125 125 126 128 129 130 131 132 132 133 133 134 136
CAPITULO 8 CIRCUITOS MULTIPLEXORES 8.1 INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 8.2 MULTIPLEXOR BÁSICO DE 2 ENTRADAS ........................................................... 8.3 MULTIPLEXOR DE 4 ENTRADAS........................................................................... 8.4 DISEÑANDO EL MULTIPLEXOR ............................................................................ 8.5 DEMULTIPLEXOR.....................................................................................................
141 142 142 144 145
CAPITULO 9 CIRCUITOS DECODIFICADORES Y DISPLAY DE 7 SEGMENTOS 9.1 DECODIFICADORES ................................................................................................. 9.1.1 DECODIFICADOR BCD A 7 SEGMENTOS............................................... 9.2 LEDS Y DISPLAY DE 7 SEGMENTOS..................................................................... 9.2.1 INTRODUCCIÓN.......................................................................................... 9.2.2 DIODO EMISOR DE LUZ ............................................................................ 9.2.3 FUNCIONAMIENTO FÍSICO DE UN LED.................................................
151 153 155 155 156 158
6.4
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TALLER I
9.2.4
CONTROL DE UN LED................................................................................ 9.2.4.1 POR CORRIENTE CONTINUA..................................................... 9.2.4.2 EN RÉGIMEN DE IMPULSOS ...................................................... 9.2.4.3 EN CORRIENTE ALTERNA.......................................................... CARACTERÍSTICAS DE LOS LED ............................................................ 9.2.5.1 EFICIENCIA.................................................................................... 9.2.5.2 EFICIENCIA CUANTICA INTERNA............................................ 9.2.5.3 LA DIRECTIVIDAD....................................................................... 9.2.5.4 EL EFECTO CRISTALINO ............................................................ 9.2.5.5 LA TENSIÓN DIRECTA (VF)........................................................ 9.2.5.6 LA CORRIENTE INVERSA (IR) ................................................... 9.2.5.7 DISIPACIÓN DE POTENCIA ........................................................ 9.2.5.8 IDENTIFICACIÓN.......................................................................... 9.2.5.9 FIABILIDAD DE LOS LED’S........................................................ FORMATOS Y VARIEDADES DE LOS LED............................................. EL DISPLAY DE 7 SEGMENTOS ............................................................... 9.2.7.1 PROTECCIÓN.................................................................................
160 160 160 161 163 163 162 162 163 164 164 164 164 165 165 166 168
CAPITULO 10 IMPLEMENTACIÓN DE LA ETAPA DE POTENCIA 10.1 INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 10.2 DISEÑO DE LA ETAPA DE CONTROL ................................................................... 10.3 EJEMPLOS .......................................................................................................... 10.3.1 CONTROL DE POTENCIAS CON RELES.................................................. 10.3.2 CONTROL DE GRAVES Y AGUDOS......................................................... 10.3.3 CONTROL DE TEMPERATURA................................................................. 10.3.4 CIRCUITO DE CONTROL DE UN SISTEMA DE ALARMA....................
171 171 171 171 173 174 175
9.2.5
9.2.6 9.2.7
CAPITULO 11 EL TRANSISTOR EN CORTE Y SATURACIÓN 11.1 EL TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN................................................................... 177 CAPITULO 12 OPTOACOPLADORES 12.1 DEFINICIÓN .......................................................................................................... 12.2 VENTAJAS .......................................................................................................... 12.3 CONSTITUCIÓN......................................................................................................... 12.4 APLICACIONES.......................................................................................................... 12.5 CÓDIGOS COMUNES ................................................................................................ 12.6 DATOS DE ALGUNOS OPTOACOPLADORES....................................................... 12.7 TIPOS ........................................................................................................................ 12.8 ENCAPSULADOS....................................................................................................... 12.9 APLICACIÓN DE UN OPTOACOPLADOR..............................................................
181 181 181 181 182 182 183 185 185
CAPITULO 13 CIRCUITOS DE POTENCIA 13.1 EL TRANSISTOR DE POTENCIA............................................................................. 13.1.1 PRINCIPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMIENTO ..................................... 13.1.2 TIEMPOS DE CONMUTACIÓN.................................................................. 13.1.3 MODOS DE TRABAJO................................................................................. 13.1.4 EFECTO PRODUCIDO POR CARGA INDUCTIVA. PROTECCIONES...
189 190 190 191 192
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TALLER I
13.1.5 ATAQUE Y PROTECCIÓN DEL TRANSISTOR DE POTENCIA............. 13.2 TIRISTORES................................................................................................................ 13.2.1 SCR................................................................................................................. 13.2.1.1 OPERACIÓN BÁSICA DEL SCR................................................... 13.2.1.2 CARACTERÍSTICAS Y VALORES NOMINALES DEL SCR ..... 13.2.1.3 APLICACIONES DEL SCR ............................................................ 13.2.2 TRIAC ............................................................................................................ 13.2.2.1 FUNCIONAMIENTO Y CARACTERÍSTICAS ............................. 13.2.2.2 EJEMPLOS DE APLICACIÓN.......................................................
194 198 198 198 199 200 202 202 204
CAPITULO 14 FUENTES DE ALIMENTACIÓN 14.1 REGULADORES INTEGRADOS............................................................................... 14.1.1 REGULADORES FIJOS............................................................................... 14.1.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS FUENTES CON REGULADORES INTEGRADOS............................................................................................... 14.1.3 REGULADORES DE TENSIÓN NEGATIVA ............................................. 14.1.4 REGULADORES DE TENSIÓN VARIABLE.............................................. 14.1.4.1 EL LM317 ........................................................................................ 14.1.5 AMPLIFICACIÓN DE LA CORRIENTE DE SALIDA ...............................
213 214 215 216 218
CAPITULO 15 PUERTO PARALELO DE LA COMPUTADORA 15.1 INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 15.2 DESCRIPCIÓN DEL PUERTO ................................................................................... 15.3 DIRECCIONAMIENTO DEL PUERTO ..................................................................... 15.4 ENVIANDO DATOS POR EL PUERTO PARALELO .............................................. 15.5 ENVIANDO DATOS POR EL PUERTO DE CONTROL .......................................... 15.6 RECIBIENDO DATOS POR EL PUERTO PARALELO ...........................................
221 221 224 225 228 229
CAPITULO 16 MOTORES DC Y MOTOR PASO A PASO 16.1 INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES........................................................................ 16.2 MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA (DC)............................................................ 16.2.1 COMPONENTES DE UN MOTOR DC........................................................ 16.2.2 CONTROL DE SENTIDO DE GIRO PARA MOTORES – CC ................... 16.2.3 DRIVER PARA MOTORES.......................................................................... 16.2.4 APLICACIÓN PARA EL CONTROL DE MOTORES – CC ....................... 16.2.5 EJEMPLOS DE CIRCUITOS DRIVER PARA UN MOTOR DC ................ 16.3 SERVO ........................................................................................................................ 16.3.1 COMPONENTES DE UN SERVO................................................................ 16.3.2 MODO DE TRABAJO DE UN SERVO........................................................ 16.3.3 EJEMPLO DE UN CIRCUITO DRIVER DEL SERVO ............................... 16.4 MOTOR PASO A PASO.............................................................................................. 16.4.1 COMPONENTES DE UN MOTOR PASO A PASO .................................... 16.4.2 TIPOS DE MOTORES PASO A PASO........................................................ 16.4.3 EJEMPLO DE UN CIRCUITO DRIVER PARA UN MOTOR PAP BIPOLAR....................................................................................................... 16.4.4 EJEMPLO DE UN CIRCUITO DRIVER PARA UN MOTOR PAP UNIPOLAR.................................................................................................... 16.4.5 SECUENCIAS PARA MANEJAR MOTORES PAP BIPOLARES .............
13
211 211
231 231 233 235 238 239 242 253 253 253 255 256 257 258 260 260 261
TALLER I
16.4.6 SECUENCIAS PARA MANEJAR MOTORES PAP UNIPOLARES .......... 261 16.4.7 RECOMENDACIONES................................................................................. 265 16.4.8 CABLEADO EN MOTORES PAP................................................................ 265 16.4.8.1 IDENTIFICANDO LOS CABLES EN EL MOTOR PAP UNIPOLAR............................................................................... 265 16.4.8.2 IDENTIFICANDO LOS CABLES EN EL MOTOR PAP BIPOLAR.................................................................................. 267 16.4.9 CONSUMO DE MOTORES PAP.................................................................. 268 16.4.9.1 CONSUMO DE CORRIENTE DE LOS MOTORES PAP ...... 268
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TALLER I
DISTRIBUCIÓN TEMÁTICA Clase N°
Tema
Semana
CAPITULO 1: REPASO EN INSTRUMENTACIÓN DE
1
2
3
4 5 6
7
8
MEDICIONES ELÉCTRICAS 1.1 RESUMEN DE CONEXIONES DE LOS DISTINTOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN ELECTRÓNICA 1.2 EQUIPOS UTILIZADOS EN EL LABORATORIO DE ELECTRÓNICA GENERAL CAPITULO 2: SENSORES 2.1 INTRODUCCIÓN 2.2 CONVERSOR ANÁLOGO/DIGITAL 2.3 SENSORES ANALÓGICOS 2.4 SENSORES DIGITALES 2.5 TRANSISTORES 2.6 EL RELE CAPITULO 3: TEMPORIZADOR TIMER 555 3.1 INTRODUCCIÓN 3.2 UTILIZACIÓN 3.3 DESCRIPCIÓN DE LAS PATILLAS O PINES DEL TEMPORIZADOR 555 3.4 CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS GENERALES 3.5 DIAGRAMA DE BLOQUES INTERNO 3.6 ALGUNAS CONFIGURACIONES CONFIGURACIONES BÁSICAS CAPITULO 4: IMPLEMENTACIÓN DE LA ETAPA DE SENSADO 4.1 IMPLEMENTACIÓN IMPLEMENTACIÓN DE CIRCUITOS DE SENSADO POR MEDIO DE LUZ UTILIZANDO EL LDR Y EL TIMER 4.2 IMPLEMENTACIÓN IMPLEMENTACIÓN DE CIRCUITOS DE SENSADO UTILIZANDO SENSOR MAGNÉTICO Y TIMER CAPITULO 5: ELABORACIÓN DE CIRCUITOS IMPRESOS 5.1 SOLDADURA DE ESTAÑO 5.2 LA PLACA VIRGEN 5.3 MEDIOS NECESARIOS PARA EL DISEÑO DE UN CIRCUITO IMPRESO 5.4 NORMAS BÁSICAS PARA EL DISEÑO DE CIRCUITOS IMPRESOS 5.5 PROCESO DE REALIZACIÓN DE LA PLACA 5.6 CREACIÓN DE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO CAPITULO 6: REGISTROS (FLIP FLOP) 6.1 CIRCUITOS BIESTABLES 6.2 FLIP FLOP BÁSICO RS 6.3 FLIP FLOP – CON UN INVERSOR 6.4 FLIP FLOP 7474
15
1
2
3
4y5
6y7
8
TALLER I
Clase N°
Tema
Semana
CAPITULO 7: CIRCUITOS CONTADORES
9
10
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10 7.11 7.12
CONTADORES DE PROPAGACION CONTADOR DE PROPAGACION PROPAGACION ASCENDENTE CONTADORES CON NÚMEROS MOD < 2 N CONTADOR DE PROPAGACIÓN PROPAGACIÓN DESCENDENTE DESCENDENTE CONTADORES ASÍNCRONOS CONTADORES SINCRÓNICOS CONTADORES MODULO N CONTADOR EN ANILLO DIVISORES DIGITALES 74LS393 EL DIVISOR 74LS93 EL DIVISOR DECIMAL 74LS90
EXAMEN
PARCIAL
9
10
CAPITULO 8: CIRCUITOS MULTIPLEXORES
11
12
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5
INTRODUCCIÓN MULTIPLEXOR MULTIPLEXOR BÁSICO DE 2 ENTRADAS MULTIPLEXOR DE 4 ENTRADAS DISEÑANDO EL MULTIPLEXOR MULTIPLEXOR DEMULTIPLEXOR CAPITULO 9: CIRCUITOS DECODIFICADORES Y DISPLAY DE 7 SEGMENTOS 9.1 DECODIFICADORES 9.2 LEDS Y DISPLAY DE 7 SEGMENTOS CAPITULO 10: IMPLEMENTACIÓN DE LA ETAPA DE POTENCIA 10.1 INTRODUCCIÓN 10.2 DISEÑO DE LA ETAPA DE CONTROL 10.3 EJEMPLOS CAPITULO 11: EL TRANSISTOR EN CORTE Y SATURACIÓN 11.1 EL TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN CAPITULO 12: OPTOACOPLADORES 12.1 DEFINICIÓN 12.2 VENTAJAS 12.3 CONSTITUCIÓN 12.4 APLICACIONES 12.5 CÓDIGOS COMUNES 12.6 DATOS DE ALGUNOS OPTOACOPLADORES OPTOACOPLADORES 12.7 TIPOS 12.8 ENCAPSULADOS 12.9 APLICACIÓN DE UN OPTOACOPLADOR
16
11
12
TALLER I
Clase N°
Tema CAPITULO 13: CIRCUITOS DE POTENCIA
13
13.1 13.2
14
CAPITULO 14: FUENTES DE ALIMENTACIÓN
15 16 17
14.1
EL TRANSISTOR DE POTENCIA TIRISTORES REGULADORES INTEGRADOS
Semana 13 14
CAPITULO 15: PUERTO PARALELO DE LA COMPUTADORA 15.1 INTRODUCCIÓN 15.2 DESCRIPCIÓN DEL PUERTO 15.3 DIRECCIONAMIENTO DIRECCIONAMIENTO DEL PUERTO 15.4 ENVIANDO DATOS POR EL PUERTO PARALELO 15.5 ENVIANDO DATOS POR EL PUERTO DE CONTROL 15.6 RECIBIENDO DATOS POR EL PUERTO PARALELO
15 y 16
CAPITULO 16: MOTORES DC Y MOTOR PASO A PASO
18
16.1 16.2 16.3 16.4
INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA (DC) SERVO MOTOR PASO A PASO
19
EXAMEN FINAL
19
20
EXAMEN SUSTITUTORIO
20
17
17 y 18
TALLER I
TEMA 1
REPASO EN INSTRUMENTACIÓN DE MEDICIONES ELÉCTRICAS 1.1
RESUMEN DE CONEXIONES DE LOS DISTINTOS INSTRUMENTOS DE MEDICION ELECTRÓNICA
VOLTIMETRO: Mide la diferencia de potencial en un componente o dispositivo electrónico. Se debe conectar conectar en paralelo con el dispositivo en cuestión. Medición de voltaje en una fuente de alimentación de corriente continua. -
-
Seleccionar en el multímetro si es VDC ó VAC a medir. Seleccione apropiadamente la escala de medición.
5.000 DC R1 1k
V
V
R2 1k
+ V1 10V
Medición de la diferencia de potencial en la resistencia, a la derecha se tiene su diagrama esquemático
AMPERIMETRO: Mide la intensidad de corriente en un circuito electrónico. Se conecta en serie al dispositivo en el cual se desea saber la corriente que circula por él.
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TALLER I
5.000mA DC A
R1 1k
R2 1k
+ V1 10V
Medición de la corriente eléctrica en el circuito electrónico, a la derecha se tiene su diagrama esquemático
OHMIMETRO: Mide la resistencia eléctrica. El elemento resistivo no debe estar conectado al circuito de lo contrario se puede incurrir en error en la medición e ,incluso, dañarse el instrumento.
Diagrama esquemático Ohmímetro
1.2
EQUIPOS UTILIZADOS UTILIZADOS EN ELECTRONICA GENERAL
EL
de
conexión
LABORATORIO LABORATORIO
del
DE
1.2.1 NI ELVIS Abreviación de las palabras en Ingles "National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite", Conjunto de instrumentos virtuales de laboratorio educacional desarrollado por la Empresa National Instruments. NI ELVIS, es un entorno de diseño y creación de prototipos basado en LabVIEW para laboratorios en universidades de ingeniería y ciencias en general.
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TALLER I
Consola de Trabajo
NI
ELVIS combina
instrumentos virtuales basados en LabVIEW, un dispositivo de adquisición de datos (DAQ) multifunción, una tarjeta de prototipos y una estación de trabajo especialmente diseñados para formar el conjunto de herramientas que se utiliza en todos los laboratorios universitarios. Al estar basado en LabVIEW y contener capacidades completas de adquisición de datos y creación de prototipos, este sistema es perfecto para un curso académico, que puede variar desde clases de nivel básico hasta la realización de un proyecto fin de carrera.
NI ELVIS es una plataforma abierta que se basa en el entorno estándar industrial LabVIEW y dispositivos de adquisición de datos. Basándose en LabVIEW, se han diseñado los instrumentos virtuales más usados en un laboratorio académico: osciloscopio, generador de funciones, multímetro digital, e instrumentos especiales como un analizador de señal digital, analizador de corriente-tensión, etc.
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TALLER I
1.2.2 COMPONENTES DEL SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL -
Hardware (1) (2) (3) (4) (5)
-
Computadora (PC) Tarjeta de adquisición de datos (DAQ), incluida en la PC Consola de Trabajo, Unidad de acondicionamiento de señales Protoboard Cable de comunicaciones, entre la consola y PC
Software (6) (7)
Lenguaje de Programación (LabVIEW) Software de Instrumentación Virtual
DESCRIPCIÓN DEL PANEL FRONTAL
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DESCRIPCIÓN DE LA CONSOLA DE TRABAJO
Switch general, energiza la consola de trabajo
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TALLER I
Switch secundario, habilita el funcionamiento de los equipos incorporados
PROTOBOARD
El Protoboard es usado para implementación de circuitos eléctricos y/o electrónicos de tipo prototipo o de prueba.
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Como se muestra en el gráfico, el protoboard se encuentra incorporado en el medio de una tarjeta.
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TALLER I
DESCRIPCION DE LA TARJETA QUE INCLUYE EL PROTOBOARD
En el gráfico se puede apreciar la distribución y ubicación de los terminales de las entradas y salidas de los equipos que incorpora la consola del NI ELVIS. Cabe resaltar que las salidas del multímetro y osciloscopio también se encuentran en el panel de control dando la posibilidad de elegir cualquiera de ellas y no las dos juntas a la vez. Los conectores de tipo “BNC” y “Bananas” no se encuentran conectadas a un equipo en particular (fuente DC o generador). Dichos conectores pueden ser conectados a cualquier equipo según sea la necesidad del caso y la practicidad que requiera. Los LEDs indicadores de las fuentes (7) encienden todas a la vez, si una de ellas no lo esta cuando se encienda el equipo, entonces, significara que el fusible de dicha fuente esta deteriorada.
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DISTRIBUCION DE COLUMNAS
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A los extremos del protoboard se encuentra dos columnas (3M). Cada columna esta aplicada al tipo de señales que puede manejar (análoga y digital). Cada columna es independiente de la otra, solo estarán interconectada los puntos que sean comunes, por ejemplo, las tierras y la fuente de 5 VDC. Cada columna se encuentra interconectada (color rojo) por filas, como muestra el gráfico de la izquierda. Dicha fila esta asociada a la indicación impresa que tiene al lado, por ejemplo, si al lado de la fila indica +5 se referirá que cualquiera de los contactos de dicha fila corresponden al voltaje indicado. Si se requiere utilizar las bananas con cualquiera de las fuentes DC, entonces, ce conectara un cable tipo puente a la fuente deseada (banana A al positivo de la fuente y banana B al Ground). También se puede conectarse las bananas al generador de funciones, se deja al criterio del usuario. Los conectores BNC tienen la misma aplicación.
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1.2.3 CARACTERISTICAS DE LAS FUENTES DE VOLTAJE
NOTA : Tener
mucho cuidado en el manejo de las fuentes DC, pues son muy susceptibles. Evitar el cortocircuito y tener en cuenta el máximo de corriente que se puede obtener con cada una de ellas.
1.2.4 CARACTERISTICAS DEL GENERADOR DE FUNCIONES
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1.2.5 PANEL DEL SOFTWARE DE CONTROL
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Manualmente no se puede manejar todos los equipos que incorpora el NI ELVIS. Por el panel del software de control, pueden manejarse todos los equipos. La primera opción nos da la posibilidad de configurar y verificar la conexión del software con el hardware. Para activar el equipo deseado sitúe el cursor del mouse y presione el botón derecho.
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1.2.6 CONECTORES DE SALIDA DEL MULTIMETRO DIGITAL (DMM )
1.2.7 ACTIVACION DEL MULTIMETRO DIGITAL
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1.2.8 CARACTERISTICAS DEL MULTIMETRO DIGITAL
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1.2.9 CONTROL DE LA FUENTE DE VOLTAJE DC POR SOFTWARE
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1.2.10 CONTROL DEL GENERADOR DE FUNCIONES POR SOFTWARE
1.2.11 CARACTERISTICAS DEL GENERADOR DE FUNCIONES
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1.2.12 ACTIVACION DEL OSCILOSCOPIO
1.2.13 CARACTERISTICAS DEL OSCILOSCOPIO
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1.2.14 TRABAJANDO CON EL OSCILOSCOPIO Y EL GENERADOR DE SEÑALES
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Seleccione el canal A (CHANNEL A) en el osciloscopio, OSC, y presione (click) en el boton ON. Setee la fuente (Source) del trigger en el osciloscopio a FGEN FUNC_OUT (Generador de funciones) y clickee en el boton MEAS (Medidas).
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Seleccione la onda cuadrada en el generador (FGEN) y ajuste la frecuencia y amplitud a un valor deseado, observe la onda y sus medidas en el osciloscopio. Setee el control de frecuencia (Frecuency - Coarse ) a 50 Hz, en el generador . Ajuste finamente la frecuencia con el control fino (Frecuency - Fine) a 5 Hz. Obtenga la medida de los parametros de la onda en el osciloscopio (OSC).
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TEMA 2
SENSORES
2.1
INTRODUCCION
Un sensor es un dispositivo que absorbe energía de un sistema y, transformándola, la cede a otro sistema en forma de diferente energía. Existe una gran variedad de sensores en el mercado de los cuales se puede disponer, los sensores pueden ser de dos tipos, analógicos y digitales. Los sensores digitales son aquellos que frente a un estímulo pueden cambiar de estado ya sea de cero a uno o de uno a cero (hablando en términos de lógica digital) en este caso no existen estados intermedios y los valores de tensión que se obtienen son únicamente dos, 5V y 0V (o valores muy próximos).
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Ahora bien, como los sensores comúnmente serán utilizados con circuitos lógicos, y más si se trata de robótica en cuyo caso posiblemente que se incluya un microcontrolador, habrá que ver cómo trabajar con los sensores analógicos. Existen circuitos integrados llamados Conversores Analógico/Digital (Conversores A/D o CAD) que transforman la señal analógica en señal digital, y, por supuesto, también están los Conversores Digital/Analógico (Conversores D/A o CDA), que hacen el proceso inverso.
2.2
CONVERSOR ANALOGO/DIGITAL
No se trata de dar una lección completa de conversores de este tipo, es sólo para ilustrar y poder entender de qué se trata. Los conversores de tipo Análogo/Digital se pueden seleccionar entre otras cosas, de acuerdo a la cantidad de bits de salida. Un Conversor A/D de 3 bits dispone de una entrada analógica y 3 terminales de salida Digitales, es decir que combinando las salidas puede tomar 8 posibles valores binarios según el nivel de tensión en su entrada. por aquello de 2 n es decir que tendrás valores entre 000 y 111, veamos como se corresponden estos valores con los niveles de tensión.
Entrada Analógica
Salida Digital
0V
000
0.625 V
001
1.25 V
010
1.875 V
011
2.5 V
100
3.125 V
101
3.75 V
110
4.375 V
111
Aquí puede ver una imagen representativa de un Conversor A/D, en ella se indican en la salida dos terminales muy utilizados MSB y LSB...
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MSB es el dígito binario (bit) más significativo y LSB es el dígito binario (bit) menos significativo (en nuestro ejemplo, para la combinación de salida 110, MSB = 1 y LSB = 0). Este circuito se usaría en caso se desee decodificar una señal analógica y usarla como si fuera digital, por ejemplo en el caso de una fotocelda, esta varía su resistencia según la iluminación que recibe, por lo tanto es un sensor de tipo analógico. Aparte de los Conversores A/D, se tiene la posibilidad de usar el ingenio para que una señal analógica tome dos estados y así resolver algun problema. Por ejemplo, usando una compuerta Schmitt Trigger (CD40106). Las compuertas de este tipo tienen la ventaja de cambiar el estado de su salida en un determinado umbral de tensión de entrada, razón por la cual son muy utilizados para esta tarea.
Sensores Analógicos - Fotoresistencias o LDR's. - Emisores y Receptores Infrarrojos. - Termistores. Sensores Digitales - Switchs (Interruptores) y microswitchs. - Sensores Magnéticos. 2.3
SENSORES ANALÓGICOS
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2.3.1 FOTORESISTENCIAS O LDR El LRD (Light Dependent Resistor) es quizás una de las más utilizadas en los sistemas sensores para robótica compiten a gran escala con los fototransistores.
Formas físicas del LDR
Curva característica
Los materiales que intervienen en su construcción son Sulfuro de Cadmio, utilizado como elemento sensible a las radiaciones visibles y sulfuro de plomo se emplean en las LDR que trabajan en el margen de las radiaciones infrarrojas. Estos materiales se colocan en encapsulados de vidrio o resina. Su uso mas comun se encuentra en apertura y cierre de puertas, movimiento y paro de cintas transportadoras, ascensores, contadores, alarmas, control de iluminación, etc. Los LDR's son resistores que varían su valor de acuerdo a la intensidad de la luz, razón por la cual se trata de un sensor analógico, es decir que siempre toma valores distintos, no podrías tomar un valor lógico 1 ó 0 como en lógica digital, pero nos la podemos arreglar con un par de trucos. La fotocelda (LDR) en total oscuridad puede llegar a tomar valores del orden de los Mega ohmios, y a plena iluminación toma valores aproximados de los Ohmios ó Kilo Ohmios. Lo que se puede hacer, es un arreglo entre la fotocelda al polo (-) y una resistencia fija al polo (+), de esa manera el punto de unión entre estos dos componentes podrá tomar dos valores según la variación del LDR, señal que se puede utilizar como salida del sensor, este tipo de circuito es conocido como divisor de tensión.
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El tema es que la señal aún sigue siendo analógica, y para convertirla en señal digital podríamos utilizar un disparador Schmitt como el CD40106 que tiene 6 disparadores inversores en su interior, y nos quedaría averiguar las características de la fotocelda y la tensión de disparo del Schmitt y así seleccionar el nivel de tensión al que quieres trabajar, lo cual podrías hacerlo con un potenciómetro en lugar de la resistencia de 10k.
Con el potenciómetro P1 puedes seleccionar la sensibilidad a tu gusto, bueno, con alguna que otra limitación. Si deseas realizar los cálculos para averiguar la tensión en el punto medio, lo puedes hacer del siguiente modo: V = LDR * (Vcc/(LDR+R1))
Así sabrás el nivel de tensión en distintas situaciones. Esta no es la única forma, también puede darse el caso opuesto.
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Todo depende de la forma en que deseas trabajar, en el caso anterior la señal lógica obtenida a plena iluminación es "1", mientras que en esta última es "0". Ahora bien, teniendo un poco de conocimiento de compuertas lógicas también puedes adoptar este circuito:
La lógica de funcionamiento es "0" a plena iluminación, aunque la puedes regular con R2. Existe otra posibilidad aun mas interesante y recomendada, se trata de utilizar un amplificador operacional con la intención de no afectar al divisor de tensión.
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Aquí el AO. se conectó como seguidor de tensión, observa la realimentación negativa (conexión de la salida con la entrada inversora, esta conexión es conocida como configuración buffer (adaptador o seguidor de tensión), es decir, amplificamos un poco la señal para evitar pérdidas y así no obtener resultados inesperados. Respecto al operacional utilizado, bien puede ser el LM741, el LM833 que es un doble operacional, o el LM324 que posee 4 operacionales en su interior, hay muchos de los cuales puedes elegir. Todavía hay mas, y es que puedes usar un transistor en corte y saturación para activar un relé por ejemplo, veamos eso.
En este caso, la salida del divisor de tensión está en el cursor del potenciómetro, al iluminar la fotocelda se alimenta la base del transistor y este pasa a plena saturación. La sensibilidad del circuito se ajusta con P1. Aquí se aplican los conceptos necesarios para configurar al transistor para que trabaje en modo corte y saturación.
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En este esquema puedes ver los transistores en Darlington (2 transistores conectados en cascada), es con la idea de aumentar la ganancia del circuito y obtener un corte más profundo en el divisor de tensión, el tema es que con este último circuito el relé se mantiene inactivo siempre que haya iluminación en la LDR, y cuando esta iluminación se interrumpe, se acciona el relé.
2.3.2 EMISIÓN Y RECEPCIÓN DE INFRARROJOS. De los tipos de sensores que más llaman la atención, se destacan los sensores de luz, y entre ellos los conocidos Infrarrojos, y a ellos le dedicaremos este artículo. Para hacer una breve descripción de lo que es una radiación infrarroja, imagínate la luz del sol, pues esta contiene todas las bandas de colores con las cuales se compone la luz blanca (conocido como espectro de emisión de luz), ahora, en los extremos del espectro se encuentra la radiación infrarroja (IR) y la ultravioleta (UV), ambas son imposibles de ver, es decir son invisibles, pero están presentes y nosotros las vamos a poner en evidencia. En micro robótica tanto como en robótica, se hace uso de este tipo de emisión de luz (en especial la infrarroja) con la intención de detectar obstáculos sin que uno de nuestros modelos tome contacto físico con el mismo. En algunos casos una vez establecida la comunicación entre emisor y receptor, es posible realizar una transmisión de datos, por ejemplo el control remoto de TV, radio, etc. Existen encapsulados que traen incorporado en su interior tanto al emisor como receptor. De todos ellos, el más conocido es el CNY70, que cuenta con 4 pines, dos para el Diodo IR y dos para el Fototransistor (transistor sensible a la luz).
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Pero, nosotros podemos conseguir algunos, en especial de las disqueteras viejas, en donde te encontrarás con algunos de estos tipos:
Para estos dispositivos podrías usar el siguiente circuito, que da buenos resultados, en la salida puedes agregarle un LED con su respectiva resistencia de 220Ω ó 150Ω.
Veamos otros, que hay más: Pensaba comenzar con algún emisor de IR, pero antes necesitas un receptor, como emisor (en nuestras primeras pruebas) puedes utilizar el control de tu TV, pero no te preocupes que luego haremos el nuestro. Los materiales que necesitaremos son muy fáciles de conseguir: Busca un viejo mouse, el Control Remoto de tu TV, un integrado CD40106 y ya podemos comenzar. Al desmontar tu mouse, te encontrarás con 4 diodos IR y 4 fotodiodos, aunque en algunos te darás con 2 fototransistores (por lo general son negros) y sólo 2 IR, como los de la imagen, que más, un par de microswitchs, y una que otra cosita más, pero que ya no son de mucha importancia.
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En este caso en la segunda imagen los que tienen una marca rosada son los fotodiodos, y los que tienen una marca negra los emisores IR, y en la primera foto, los blancos son los IR's y los negros los fototransistores. Ahora nos toca desmontarlos con mucho cuidado, para no dañarlos. En la siguiente imagen, tienes los receptores de IR, nota que agregué uno más, el del medio, lo saqué de un viejo video-juego, y los que están de ambos lados son de los mouses anteriores. Notarás que el fototransistor negro tiene 3 terminales, de ellos, el del medio es el emisor y los otros dos son los colectores del fototransistor, en realidad son dos fototransistores encapsulados en uno solo con el emisor común.
Antes de que empieces a preguntar, también tomé una imagen de los LED's emisores de IR, para que luego no tengamos problemas al hacer nuestros experimentos. Bien, los dos pequeñines son de los Mouses y el otro, lo conseguí de una casa de electrónica, que más, no podía ser de otra forma.
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Ahora que ya disponemos de todos los materiales, podemos comenzar con nuestro primer circuito de prueba, que es el de un simple receptor, aquí tienes el esquema del circuito.
Este circuito te debe parecer familiar, y así es, lo vimos con los LDR, y no difiere mucho de los que ya conocemos, bien, este es el receptor, y para saber si realmente recibe la señal le colocaremos un LED, y enviaremos la señal con el Control del TV, así.
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Resulta que en la prueba que acabamos de hacer, nuestro LED parpadea. Lo que ocurre es que los controles emiten una señal codificada, y eso es lo que estamos viendo, es mas la emisión debe tener una frecuencia aproximada a los 38 kHz (KiloHertz, es decir 38000 pulsos por segundo) que es la frecuencia que deben detectar la mayoría de los receptores o fotodiodos, aunque no voy a entrar en cálculos.
El CD4011 Este integrado contiene 4 operadores NAND en su interior, de los cuales dos serán utilizados para hacer un multivibrador que cumpla con las características indicadas, el esquema del circuito se muestra en el gráfico. Se debe establecer un pequeño filtro en la fuente de alimentación de todo el circuito, es por eso que se agregó un capacitor de 0.1uf. Puedes disminuir el valor de R4 para darle mayor intensidad al IR. igual que antes, con R2 puedes regular la frecuencia del circuito.
El CD40106 Este Integrado posee 6 compuertas inversoras, del tipo Schmith Trigger, de las cuales utilizaremos sólo 2, y montaremos un circuito similar al anterior, es más el circuito es el mismo, sólo cambian los operadores utilizados, observa. Si bien los mouses traen sus emisores infrarrojos, es de suponer que alcanzan la frecuencia indicada, pero para mayor sorpresa, es que traen en su circuito, un Cristal de Cuarzo cilíndrico que suele ser de 4 Khz, como el de la siguiente imagen, y si recapitulamos, usando multivibradores con compuertas lógicas y Cristales de Cuarzo llegamos al circuito mostrado.
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Que también, obviamente, funciona perfecto. Aquí, los capacitores que van al cristal son de 27 pf y en la práctica, utilicé un preset (resistencia variable) de 2,2M. En todos los casos, es bueno hacer estas prácticas utilizando en la salida de los osciladores un transistor como el 2N2222, que es un transistor de batalla, el circuito para este transistor y el IR lo puedes ver en la siguiente imagen.
2.3.3 TERMISTORES Un termistor es un dispositivo semiconductor que se comporta como una resistencia variable con la temperatura. Tiene un coeficiente de temperatura alto y que puede ser negativo Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) . (es el más común) o positivo PTC. En ocasiones, la resistencia de un termistor NTC, a temperatura ambiente, puede puede disminuir hasta un 6% por cada 1º C que se eleve la temperatura. Los termistores se componen de una mezcla de óxidos de metales, como Mg, Mn, Co, Cu, Fe, Uranio. Su rango de resistencia va de 0.5 Ohms a 75 Ohms, y están disponibles en una gran variedad de formas y tamaños.
Termistores y su curva de respuesta.
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Aplicaciones.- Son extremadamente útiles en aplicaciones de medición y control en especial en el rango mas bajo de temperaturas de –100ºC a 300ºC. Ventajas.- Su coeficiente de temperatura de resistencia es muy elevado, y negativo, lo cual lo convierte en un transductor ideal, por ejemplo un termistor tipo A entre las temperaturas de –100 a 400ºC puede variar su resistencia desde10 MOhms a 1 Ohm-cm. Desventajas.- Los termistores son fuertemente no lineales por lo que requieren de circuitos adicionales para obtener respuestas lineales. La respuesta del sensor es más rápida cuanto mayor es la corriente que circula por el, por eso, los termistores no se emplean en mediciones de temperatura t emperatura mayores a 200ºC.
2.3.3.1 NTC Es un componente, al igual que la PTC, que varia su resistencia en función de la temperatura. Así, cuando reciben una temperatura mayor que la de ambiente, disminuye su valor óhmico y cuando es menor que la de ambiente, aumenta.
Símbolo de la NTC
Aspecto físico real de una NTC
Suelen construirse con óxido de hierro, de cromo, de manganeso, de cobalto o de níquel. El encapsulado de este tipo de resistencia dependerá de la aplicación que se le vaya a dar. Por ello nos encontramos NTC de disco, de varilla, moldeado, lenteja, con rosca para chasis... Los fabricantes identifican los valores de los NTC mediante dos procedimientos: serigrafiado directo en el cuerpo de la resistencia, y mediante bandas de colores, semejante a las resistencias y siguiendo su mismo código, teniendo en cuenta que el primer color es el que está mas cercano a las patillas del componente segun se observa en la figura. Su curva característica se realiza entre dos parámetros, la resistencia y la temperatura.
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Sus aplicaciones mas importantes son: medidas, regulación y alarmas de temperatura, regulación de la temperatura en procesos de elaboración, termostatos, compensación de parámetros de funcionamiento en aparatos electrónicos (radio, TV...).
Curva característica NTC
2.3.3.2 PTC En este componente un aumento de temperatura se corresponde con un aumento de resistencia. Se fabrican con titanato de bario. Sus aplicaciones más importantes son: en motores para evitar que se quemen sus bobinas, en alarmas, en TV y en automóviles (temperatura del agua). El concepto de los encapsulados de las PTC se rige por los mismos criterios que una NTC, siendo sus aspectos muy parecidos. Su curva característica se realiza entre dos parámetros, la resistencia y la temperatura. La identificación de los valores de estos dispositivos se realiza mediante franjas de colores en el cuerpo de los mismos que hacen referencia a un determinado tipo. Para deducir sus características se recurre a los catálogos de los fabricantes. Los márgenes de utilización de las NTC y PTC estan limitados a valores de temperatura que no sobrepasan los 400ºC.
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Símbolo de la PTC
Aspecto físico real de una PTC
Curva característica PTC
2.3.3.3 VDR
La propiedad que caracteriza esta resistencia consiste en que disminuye su valor óhmico cuando aumenta bruscamente la tensión. De esta forma bajo impulsos de tensión se comporta casi como un cortocircuito y cuando cesa el impulso posee una alta resistividad. Sus aplicaciones aprovechan esta propiedad y se usan básicamente para proteger contactos móviles de contactores, relés, interruptores, ya que la sobre intensidad que se produce en los accionamientos disipa su energía en el varistor (o VDR) que se encuentra en paralelo con ellos, evitando así el deterioro de los mismos, además, como protección contra sobre tensiones y estabilización de tensiones, adaptación a aparatos de medida.
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Símbolo de la VDR
Aspecto físico real de una VDR
Se utilizan en su construcción carburo de silicio, óxido de zinc, y óxido de titanio.
Curva característica de la VDR
2.3.3.4 CIRCUITOS INTEGRADOS (SENSOR DE TEMPERATURA)
Se encuentran en el mercado circuitos integrados de estado sólido que son muy adecuados para medir temperaturas. En particular estos circuitos son muy útiles para medir temperaturas cuando se usa un sistema de toma de datos conectado en una computadora. Estos circuitos, por lo general tienen tres patas: tierra, alimentación (Vc entre 5 á 15V) y una salida, similar a como se muestra en el esquema. Estos circuitos producen una señal muy lineal y calibrada. Por lo general producen ente 1 y 10 mV/°K. Existen integrados con calibraciones para diversos sistemas de unidades. El rango usual de este termómetro esta típicamente entre los -10ºC y 120ºC
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El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1ºC y un rango que abarca desde -55º a +150ºC. El sensor se presenta en diferentes encapsulados pero el más común es el TO-92 de igual forma que un típico transistor con 3 patas, dos de ellas para alimentarlo y la tercera nos entrega un valor de tensión proporcional a la temperatura medida por el dispositivo. Con el LM35 sobre la mesa, las patillas hacia nosotros y las letras del encapsulado hacia arriba tenemos que, de izquierda a derecha, los pines son: VCC - Vout - GND. La salida es lineal y equivale a 10mV/ºC por lo tanto: • • •
+1500mV = 150ºC +250mV = 25ºC -550mV = -55ºC
Funcionamiento: Para hacernos un termómetro lo único que necesitamos es un voltímetro bien calibrado y en la escala correcta para que nos muestre el voltaje equivalente a temperatura. El LM35 funciona en el rango de alimentación comprendido entre 4 y 30 voltios. Podemos conectarlo a un conversor Analógico/Digital y tratar la medida digitalmente, almacenarla o procesarla con un Microcontrolador o similar.
Usos: El sensor de temperatura puede usarse para compensar un dispositivo de medida sensible a la temperatura ambiente, refrigerar partes delicadas del robot o bien para loggear temperaturas en el transcurso de un trayecto de exploración.
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2.3.3.5 COMPARACION DE LOS SENSORES DE TEMPERATURA
Ventajas
RTD Más estable. Más preciso. Más lineal que los Termopares.
Caro. Lento. Precisa fuente de alimentación. Pequeño cambio Desventajas de resistencia. Medida de 4 hilos Autocalentable
2.4
Termistor Alto rendimiento Rápido Medida de dos hilos
Sensor de IC Más lineal Más alto rendimiento Económico
No lineal. Rango de temperatura limitado. Frágil. Precisa de fuente de alimentación. Autocalentable
Limitado a < 250 ºC Precisa fuente de alimentación Lento Autocalentable Configuraciones limitadas
Termopar Autoalimentado Robusto Económico Amplia variedad de formas físicas Amplia gama de temperaturas No lineal Baja tensión Precisa referencia Menos estable Menos sensible
SENSORES DIGITALES
2.4.1 SWITCH (INTERRUPTOR) Y MICROSWITCH Aunque parezca mentira, los Switchs son muy utilizados como dispositivos sensores, por ejemplo, si deseas que un modelo realice una determinada acción cuando choque con algún obstáculo recurres a ellos, al margen del tipo de interruptor que quieras utilizar, el circuito básico será siempre el mismo, UN DIVISOR DE TENSIÓN.
A pesar de que los interruptores son sensores de tipo lógico (por trabajar con niveles 0 y 1) es mejor acondicionar los niveles de tensión para ellos, es por eso que incluí el CD40106. Debo aclarar que el circuito anterior presenta un pequeño inconveniente, y es que al activarse se pueden producir rebotes eléctricos, es decir, cuando crees haber enviado un 1 lógico en realidad enviaste varios, es como si se los hubiera presionado varias veces.
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Agregándole un pequeño condensador, como los de 0.1uf, puedes evitar esos rebotes. Claro que según el tipo de señal que tu modelo necesite, ya sea 0 o 1 te servirá el circuito anterior o el siguiente:
En fin, el tema es que hay muchos modelos de este interruptor, pero los más utilizados en microbótica son los Bumpers, ya sean comerciales o, que más da, los tuyos propios y originales. Veamos algunos ejemplos.
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Los dos primeros son comerciales, y los dos de abajo son arreglos para implementarlos como sensores tipo bigote de gato.
2.4.2 REED SWITCH Los switch magnéticos responden al campo magnético al que son expuestos. Existen switch magnéticos normalmente abiertos y normalmente cerrados. Al entrar en contacto con el campo magnético de un imán el switch normalmente abierto se cierra, es decir, opuesto a la posición inicial. REED es un tipo de switch, dentro del cual existe un gas inerte, generalmente, nitrógeno seco para evitar la corrosión de los contactos.
2.5 TRANSISTORES Los transistores tienen aplicación en muchísimos circuitos, por lo general son utilizados en procesos de amplificación de señales (las que veremos ahora) y también en circuitos de conmutación a ellos le dedicaremos un lugar especial.
2.5.1 TRANSISTORES NPN En este ejercicio puedes utilizar uno de los dos transistores que se indican en la siguiente tabla, los dos son del tipo NPN con su respectiva disposición de terminales.
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El circuito que analizaremos será el siguiente.
Cuando acciones S1 llegará una cierta cantidad de corriente a la base del transistor, esta controlará la cantidad de corriente que pasa del Colector al Emisor, lo cual puedes notar en el brillo de los LED's. Este es el famoso proceso de AMPLIFICACIÓN. Como puedes imaginar, a mayor corriente de base mayor corriente de colector. Prueba cambiar R2.
2.5.2 TRANSISTORES PNP Aquí utilizaremos uno de los dos transistores que se encuentran en el siguiente cuadro.
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En estos transistores, para obtener el mismo efecto que el anterior, su base deberá ser ligeramente negativa. Observa que en este esquema tanto los LED's como la fuente fueron invertidos.
Nuevamente la corriente de base controla la corriente de colector para producir el efecto de AMPLIFICACIÓN.
2.5.3 TRANSISTORES EN CIRCUITOS DE CONMUTACIÓN Muchas veces se presenta la difícil situación de manejar corrientes o tensiones más grandes que las que entrega un circuito digital, y entonces nos disponemos al uso de transistores, el tema es hacer que estos trabajen en modo corte y saturación sin estados intermedios, es decir que cambien su estado de plena conducción a un profundo corte, y eso es lo que veremos en este pequeño tutorial. Los transistores a utilizar en estos casos deben tener la suficiente ganancia para que la onda cuadrada, aplicada en su entrada (Base), no sufra ninguna deformación en la salida (Colector o Emisor), o sea que conserve perfecta simetría y sus flancos ascendente y descendente se mantengan bien verticales. La corriente máxima que puede circular de colector a emisor está limitada por la tensión de polarización de Base y el Resistor o la carga del colector.
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2.5.4 POLARIZACIÓN DE UN TRANSISTOR NPN COMO EMISOR COMÚN En este caso el emisor está conectado a masa, se dice que este Terminal es común a la señal de base y de colector. El utilizado en este caso un BC547 y estos son algunos de sus datos: • •
Tensión Base-Colector (V CBO) = 50 V Corriente de Colector (Ic) = 100mA = 0,1A
Cuando la base de Q1 se polariza positivamente, éste conduce la máxima corriente, que le permite Rc. Rc es la resistencia de carga, que bien podría ser un LED, un relé, etc.
Ic = E/R = 12V / 2200 = 0,0054 = 5,4 mA Ib = E/R = 12V / 10000 = 0,0012 = 1,2 mA Es decir la corriente total de Emisor es 6,6mA.
2.5.5 CONEXIÓN COMO SEGUIDOR EMISIVO: En esta situación se toma la señal de salida desde el Emisor donde se encuentra la Resistencia de carga, observa que este esquema comparado al anterior tiene la misma fase de salida que la de entrada.
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También hay casos en que necesitas que el transistor esté conduciendo permanentemente (estado de saturación) y que pase al corte ante la presencia de un pulso eléctrico, esto sería lo inverso de lo visto anteriormente, para lograr esto, los circuitos anteriores quedan como están y sólo se reemplazan los transistores por los complementarios, o sea donde hay un NPN se conecta un PNP.
2.5.5.1 CUANDO LA SEÑAL ES NEGATIVA En ocasiones se da el caso en que las señales lógicas recibidas sean negativas o de nivel bajo, para entonces se puede utilizar un transistor PNP, por ejemplo: el BC557, que es complementario del BC547, para conseguir los mismos resultados. En la siguiente figura se representa esta condición, es decir, un acoplamiento con transistor PNP.
2.6 EL RELÉ Todo circuito que construyas y te permita encender un LED también te permitirá encender cualquier aparato eléctrico de casa, como una lámpara por ejemplo, y eso es justamente lo que haremos ahora, en el siguiente gráfico tienes un relé de 5 terminales.
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B1 y B2 son los terminales de alimentación de la bobina, cuando circule corriente por ellos el relé se activará cambiando de posición su interruptor interno y el terminal C se conectará con el terminal NA. Veamos ahora un circuito de aplicación. La señal que le des en la entrada por el extremo (+) pasara por R1 a la base de Q1 que es un transistor NPN y este pasará a conducir accionando el relé, D1 esta para compensar la inducción de la bobina, R2 mantiene el transistor en corte cuando no existe señal alguna por la entrada, su valor es igual al de R1 de 2,7k o puede ser de 2k2 si Q1 es del tipo BC548 o BC337, el relé utilizado debe ser acorde a la alimentación del circuito, en este caso de 12V, puedes utilizar uno de 6V y entonces alimentar al circuito con 6V.
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TALLER I
Para conectar la lámpara al circuito hazlo del siguiente modo:
2.6.1 ANÁLISIS PARA LA CONEXIÓN DE UN RELE El diodo en paralelo con la bobina del relé cumple la función de absorber las tensiones que se generan en todos los circuitos inductivos. Si la bobina del relé tiene 50 ohm de resistencia y funciona a 12 V, puedes calcular el consumo de corriente que tiene el relé, para así saber que transistor utilizar:
Ic = E/R = 12V / 50 = 0,24 = 240 mA
Con este resultado no se puede utilizar el BC547, cuya corriente máxima es de 100mA, pero si lo puede hacer un BC337, es conveniente no superar el 50% de la corriente que entregan los transistores. Ahora bien, si la señal que se aplique a la base del transistor tiene la suficiente amplitud (tensión) y suficiente intensidad (corriente), no habrá dificultad y la corriente de base también será suficiente para saturar el transistor, que conmutará en forma efectiva el relé.
2.6.2 MONTAJES DARLINGTON En esta conexión se utiliza un BC337 (NPN) el cual si soporta los 240mA que se necesitaba anteriormente, pero además un transistor de baja potencia como el BC547 (NPN).
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TALLER I
En este tipo de montajes, hay que lograr previamente una ganancia en corriente y esta corriente aplicarla a la base del BC337, esta es la finalidad del montaje en Darlington.
En este circuito el Transistor BC337 es el que recibe la carga del relé y el BC547 solamente soporta la corriente de base del BC337, además la ganancia se multiplica sin cargar la salida del componente que entrega la señal, ya que ahora la corriente que drena el 547 es tomada de la misma fuente y aplicada a la base del 337. De este modo la resistencia de base del 547 puede ser elevada ya que necesitamos una corriente mucho menor en la misma.
En el siguiente gráfico se describe cómo lograr la conmutación de un relé con un transistor de salida NPN. Incluso utilizando tensiones diferentes.
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TALLER I
En esta situación como vemos es necesario agregar un transistor de baja potencia, ya que la corriente que debe manejar es la de base.
Con la entrada en "1": El BC547 conduce y envía a masa la base del BC337 de este modo se mantiene el corte. Con la entrada en "0": El 547 pasa al corte y su colector queda "abierto", ahora sí se polariza la base del 337, conmutando el relé. 2.6.3
OTRO CASO TENSIONES.
DE
CONMUTACIÓN
CON
DIFERENTES
Suponiendo que el consumo de un relé sea 200mA. Para los cálculos de polarización siempre se debe tomar el menor Beta-B-(hfe) que indiquen los manuales de los transistores, o sea que si dice 100 a 300, tomamos 100. Veamos que corriente de base se necesita de acuerdo a estos datos:
Ib = Ic / hfe = 200mA / 100 = 2mA Donde: • • • •
Ib = Intensidad de Base (en mA) Ic = Intensidad de Colector Ic = Ie hfe = Ganancia
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TALLER I
Ahora veamos que valor de resistencia de base es necesario para lograr 2mA con una fuente de 5V, que es la salida que entrega el separador del ejemplo
R = E / I = 5V / 0,002A = 2500 ohm (un valor normalizado es 2k2) Hay circuitos mas complejos todavía, pero creo que puede servir de algo tener un poco de conocimiento de estas formas de conexión
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TALLER I
TEMA 3
TEMPORIZADOR TIMER 555 3.1
INTRODUCCION
El temporizador 555 fue introducido al mercado en el año 1971, (hace más de 30 años) por la empresa Signetics Corporation con el nombre: SE555/NE555 y fue llamado "The IC Time Machine" (el Circuito integrado máquina del tiempo"), que en esos momentos era el único integrado de su tipo disponible. Este Circuito Integrado (C.I.) es para los experimentadores y aficionados un dispositivo barato con el cual pueden hacer muchos proyectos. Este temporizador es tan versátil que se puede utilizar para generar una señal en Frecuencia Modulada (F.M.) Es uno de los Circuitos Integrados más famosos, de los más utilizados. Según el tipo de fabricante recibe una designación distinta tal como TLC555, LMC555, uA555, NE555C, MC1455, NE555, LM555, etc. aunque se lo conoce como "el 555" y ya todos saben de que se está hablando. Respecto al formato o encapsulado, puede ser circular metálico, hasta los SMD (Dispositivo de Montaje Superficial), pasando por los DIL de 8 y 14 patillas. Existen versiones de bajo consumo con el mismo patillaje y versiones dobles, es decir que contienen 2 circuitos iguales en su interior, que comparten los terminales de alimentación y se conocen con la designación genérica de 556, observa la siguiente imagen.
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TALLER I
3.2
UTILIZACIÓN
Este circuito es un "Timer de precisión", en sus orígenes se presentó como un circuito de retardos de precisión, pero pronto se le encontraron otras aplicaciones tales como: Osciladores astables, generadores de rampas, temporizadores secuenciales, etc., consiguiéndose unas temporizaciones muy estables frente a variaciones de tensión de alimentación y de temperatura.
3.3
DESCRIPCIÓN DE LAS TEMPORIZADOR 555
12-
Tierra o masa. Disparo: Es en esta patilla, donde se establece el inicio del tiempo de
3-
45-
6-
PATILLAS
O
PINES
DEL
retardo, si el 555 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. Salida: Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador, ya sea que este conectado como monostable, astable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje será el voltaje de aplicación (Vcc) menos 1.7 Voltios. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la ayuda de la patilla # 4 (reset). Reset: Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida # 3 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: Cuando el temporizador se utiliza en el modo de controlador de voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la practica como Vcc -1 voltio) hasta casi 0 V (aprox. 2 Voltios). Así es posible modificar los tiempos en que la patilla # 3 esta en alto o en bajo independiente del diseño (establecido por las resistencias y condensadores conectados externamente al 555). El voltaje aplicado a la patilla # 5 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 0.01uF para evitar las interferencias. Umbral: Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se utiliza para poner la salida (Pin # 3) a nivel bajo.
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78-
Descarga: Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento. V+: También llamado Vcc, es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que va de 4.5 voltios hasta 16 voltios (máximo). Hay versiones militares de este integrado que llegan hasta 18 Voltios.
3.4 CARACTERÍSTICAS GENERALES El circuito puede alimentarse con tensión continua comprendida entre 5 y 16 voltios, aunque hay versiones militares que admiten tensiones de alimentación hasta 18Voltios. Si se alimenta a 5V es compatible con la familia TTL. La corriente de salida máxima puede ser de hasta 200mA, muy elevada para un circuito integrado, permitiendo excitar directamente relés y otros circuitos de alto consumo sin necesidad de utilizar componentes adicionales. La estabilidad en frecuencia es de 0,005% por ºC. Necesita un número mínimo de componentes exteriores, la frecuencia de oscilación se controla con dos resistencias y un condensador. Cuando funciona como monoestable el retardo se determina con los valores de una resistencia y de un condensador.
VCC
5V
Máx. Frecuencia
10V
15V
Notas Varía con el fabricante y encapsulado Rango lineal Máxima desviación Nominal
500 KHz á 2 MHz
VC: Rango de Frec. VC Rango de Frec. VC Nivel de Voltaje (centro) VC Rango de Voltaje
+ / - 25% + / - 90% 3.3V
+ / - 25% + / - 90% 6.6V
+ / - 25% + / - 90% 10.0V
Error de frecuencia (astable)
~ 5%
~ 5%
~ 5%
Error de temporización (mono)
~ 1%
~ 1%
~ 1%
3.4MΩ 5K Ω 3K Ω >0.4 / < 0.3 ~ 200mA
6.2MΩ 5K Ω 3K Ω >0.4 / < 0.3 ~ 200mA
10MΩ 5K Ω 3K Ω >0.4 / < 0.3 ~ 200mA
Máximo valor de: Ra + Rb Mínimo valor de: Ra Mínimo valor de: Rb Reset VH / VL (pin 4) Corriente de salida (pin 3)
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Temperatura de 25°C Temperatura de 25°C
TALLER I
3.5
DIAGRAMA DE BLOQUES INTERNO
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
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TALLER I
de la tensión de alimentación, la salida de éste 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 á nivel bajo, que se puede utilizar para poner a nivel bajo la salida del 555 en cualquier momento.
3.6
ALGUNAS CONFIGURACIONES BASICAS
3.6.1 CIRCUITO MONOESTABLE La salida del circuito es inicialmente cero, el transistor está saturado y no permite la carga del condensador C1. Pero al pulsar SW1 se aplica una tensión baja en el terminal de disparo TRIGGER, que hace que el biestable RS cambie y en la salida aparezca un nivel alto. El transistor deja de conducir y permite que el condensador C1 se cargue a través de la resistencia R1. Cuando la tensión en el condensador supera los 2/3 de la tensión de alimentación, el biestable cambia de estado y la salida vuelve a nivel cero. R2 esta entre 1K y 3,3 M, el valor mínimo de C1 es de 500pf.
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3.6.2 CIRCUITO ASTABLE Cuando se conecta la alimentación, el condensador está descargando y la salida del 555 pasa a nivel alto hasta que el condensador, que se va cargando, alcanza los 2/3 de la tensión de alimentación, con esto la salida del biestable RS pasa a nivel "1", y la salida del 555 a cero y el condensador C1 comienza a descargarse a través de la resistencia RB. Cuando la tensión en el condensador C1 llega a 1/3 de la alimentación, comienza de nuevo a cargarse, y así sucesivamente mientras se mantenga la alimentación.
RA toma valores entre 1K y 10M, RB < RA
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3.6.3 GRAFICAS EN MODO ASTABLE (R vs T) (1 SEGUNDO A 1000 SEGUNDOS)
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(1 Hz a 1 KHz)
(1 KHz a 1 MHz)
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3.6.4 CIRCUITO ASTABLE CON ONDA SIMÉTRICA En este circuito astable se muestra como puede obtenerse una onda simétrica; el modo de hacerlo es que el condensador tarde el mismo tiempo en cargarse que en descargarse, los caminos de carga y descarga deben ser iguales y se separan con dos diodos. El condensador C2 evita fluctuaciones de tensión en la entrada de control.
3.6.5 TERMINAL DE RESET El terminal de reset puede conectarse directamente al positivo o bien mantener el nivel alto por medio de una resistencia, por ejemplo de 2K2. Al actuar sobre el pulsador, la salida del 555 pasa á nivel bajo directamente. Es como poner el integrado en un estado de reposo.
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3.6.6 MODULACIÓN DEL ANCHO DE PULSO Aplicando una señal de nivel variable a la entrada de CONTROL el pulso de salida aumenta de ancho al aumentar el nivel de esa tensión.
3.6.7 MODULACIÓN DEL RETARDO DE PULSO Aquí el pulso de salida aparece con mayor o menor retardo según aumente o disminuya la tensión aplicada al terminal de control.
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3.6.8 IMPLEMENTACION DE CIRCUITOS CON EL TIMER 555
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MODULACION POR ANCHO DE PULSO CON TIMER 555
CONTROL DE CARGA (LAMPARA) CON UN ASTABLE UTILIZANDO RELAY
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CONTROL DE CARGA (MOTOR DC) CON UN MONOASTABLE UTILIZANDO RELAY
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TALLER I
TEMA 4
IMPLEMENTACION DE LA ETAPA DE SENSADO 4.1
IMPLEMENTACION DE CIRCUITOS DE SENSADO DE LUZ UTILIZANDO EL LDR Y TIMER
El gráfico muestra la conexión para la detección de oscuridad (sombra).
Básicamente se trabaja con el PI N 4 del TI M ER 555 , el cual corresponde al reseteo del T I M E R . -
Cuando el PIN 4 se encuentra conectado a ti erra , entonces, no funciona el TIMER. Cuando el PIN 4 se encuentra conectado a Vcc , entonces, funciona el TIMER.
El circuito se encuentra trabajando en el modo ASTABLE . Se utiliza el L DR para que conecte y desconecte a tierr a(GND ) el PI N 4 .
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TALLER I
-
Cuando le incide L UZ al L DR , su resistencia i nterna es baja con respecto a RV1 y R4, en este caso el PIN 4 estará conectado perennemente a tierr a (GND) , por lo que, el circuito estar áinacti vo . Cuando no incide L UZ al L DR , su r esistencia i ntern a es alta (aumenta) con respecto a RV1 y R4, en este caso el PIN 4 estará conectado a Vcc , por lo que, el circuito se activará .
El Potenciómetro RV1 sirve para calibrar la activación (sensado), para que trabaje adecuadamente como divisor de tensión junto con el LDR y obtener el voltaje idóneo en el PÎN 4. La resistencia R4 sirve de protección de cortocircuito en el PIN 4, puede cambiarse por un valor de 10 K Ω. La salida se obtendrá como se sabe por el PIN 3 del TIMER y solo entregara pulsos cuando se active el circuito. NOTA: Se entiende por cir cuito activo cuando existe salida de pul sos en la salida del TIMER. Circuito desactivo cuando en la salida del PIN 3 no exista pul sos (voltaje cero).
El gráfico muestra la conexión para la detección de luz.
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Ahora en este circuito se utiliza el L DR para que conecte y desconecte a Vcc el PI N 4 . -
Cuando le incide L UZ al L DR , su resistencia i nterna es baja con respecto a RV2 y R5, en este caso el PIN 4 estará conectado a Vcc , por lo que, el circuito estar áactivado . Cuando no incide L UZ al L DR , su r esistencia i ntern a es alta (aumenta) con respecto a RV2 y R5, en este caso el PI N 4 estará conectado a tierr a (GND) , por lo que, el circuito se desacti va .
RV2 sirve para la calibración del sensado de luz, dependerá del valor ohmico del LDR. 4.2
IMPLEMENTACION DE CIRCUITOS DE UTILIZANDO SENSOR MAGNETICO Y TIMER
SENSADO
ACT I VA CI ON del TI M ER cuando el sensor magné tico esta DE SACTI VA DO.
-
Cuando el PIN 4 se encuentra conectado a ti erra , entonces, no funciona el TIMER.
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TALLER I
-
Cuando el PIN 4 se encuentra conectado a Vcc , entonces, funciona el TIMER.
El gráfico adjunto esta conformado por un TIMER configurado en modo ASTABLE y un sensor magnético de tipo normalmente abierto. El sensor magn é ti co consta de dos partes, de ti po emi sor y r eceptor . El emisor
es básicamente un potente imán el cual constantemente genera un campo magnético por lo que no necesita de cables y el receptor es un tipo de switch normalmente abierto que se activa por medio de un campo magnético. -
ti co (I mán) al sensor este se cierra Cuando se acerca un campo magné (activa) . Al cerrarse (acti var se) el switch magné ti co con lleva a que el PIN 4 se conecte directamente a TIERRA (GND) desactivando el TIMER.
-
ti co (I mán) de Cuando se al eja el campo magn é l sensor este se abre (desactiva) . Al abrirse (desacti varse) el swi tch magné ti co abr e la conexi ón a tierr a y el el PIN 4 se queda a través de la resistencia R4 conectado a Vcc (activándose el TIMER).
-
Observar que la resistencia R4 es fija de 10k y no necesita calibrarse, esta resistencia es obligatoria.
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ACT I VA CI ON del TI M ER cuando el sensor magné tico esta ACT I VA DO.
El gráfico adjunto esta conformado por un TIMER configurado en modo ASTABLE y un sensor magnético de tipo normalmente abierto. -
ti co (I mán) al sensor este se cierra Cuando se acerca un campo magné (activa) ti co con lleva a que el PIN . Al cerrarse (acti var se) el switch magné 4 se conecte directamente a Vcc activándose de esta manera el TIMER.
-
ti co (I mán) de Cuando se al eja el campo magn é l sensor este se abre (desactiva) . Al abrirse (desacti var se) el switch magné ti co se abre la conexión del PIN 4 a Vcc y queda conectado a tierra a través de la resistencia R5 a tierra (GND)quedando desactivado el TI M ER .
-
La resistencia R5 es fija de 10k y no necesita calibrarse, esta resistencia es obligatoria.
NOTA: Observar que en las cuatro configuraciones sólo se obtiene la salida
(Pulsos) momentáneamente mientras se activa o desactiva el sensor según sea el caso de configuración.
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TALLER I
TEMA 5
ELABORACION DE CIRCUITOS IMPRESOS 5.1
SOLDADURA DE ESTAÑO •
•
• •
5.2
La soldadura con estaño consiste en unir dos fragmentos de metal (habitualmente cobre, latón o hierro) por medio de un metal de aportación (habitualmente estaño) con el fin de procurar una continuidad eléctrica entre los metales que se van a unir. Esta unión debe ofrecer la menor resistencia posible al paso de la corriente eléctrica (se trata de obtener una unión eléctrica óptima). La potencia del soldador depende fundamentalmente de la cantidad de calor que hay que utilizar para realizar la soldadura y esto a su vez depende fundamentalmente del tamaño de la zona a soldar. Por ejemplo para soldar el terminal de un pequeño transistor a una pequeña pista de un circuito impreso se necesita aplicar muy poco calor, en cambio si queremos soldar un cable de 2,5mm a un terminal grande hay que aplicar una gran cantidad de calor para compensar el que disipan el cable y el terminal. Mezcla de 60-40, aleación de 60% de estaño y 40% de plomo El estaño puro funde a 232ºC y el plomo puro funde a 327ºC; sin embargo una aleación de estos dos metales funde a (con mezcla 60-40) funde a una temperatura de 190ºC.
LA PLACA VIRGEN
Una placa para la realización de circuitos impresos consiste en una plancha base aislante - bakelita o fibra de vidrio – de diversos espesores; los más comunes son unos 2 mm, y sobre la cual se ha depositado una fina lámina de cobre que está firmemente pegada a la base aislante. En la figura 4.1 se puede ver el corte de una placa de circuito impreso virgen, es decir, sin taladrar ni atacar.
5.3
MEDIOS NECESARIOS PARA EL DISEÑO DE UN CIRCU1TO IMPRESO
Para diseñar un circuito impreso es preciso disponer de lo siguiente: •
Un esquema eléctrico. Este consiste en una representación de símbolos normalizados unidos por unas líneas que representan las conexiones (conductores); al lado de cada componente se debe reflejar la denominación de referencia y, optativamente, el valor del componente.
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•
•
5.4
Una hoja de papel cuadriculado en décimas de pulgada. El motivo de utilizar este tipo de cuadrícula es que los componentes se fabrican siguiendo unas normas basadas en dicha cuadrícula de décimas de pulgada. Un plumón de tinta indeleble, una goma de borrar, una regla y un compás o plantilla de círculos; optativamente se puede disponer de bolígrafos o rotuladores de varios colores para el acabado del diseño final.
NORMAS BÁSICAS PARA EL DISEÑO DE CIRCUITOS IMPRESOS
Aunque cada caso requiere un tratamiento especial y cada empresa tendrá sus propias normas, se deben de tener en cuenta unas reglas básicas que podrían considerarse comunes y que pasamos a enumerar: 1.
Se diseñará sobre una hoja cuadriculada en décimas de pulgada, de modo que se hagan coincidir las pistas con las líneas de la cuadrícula o formando un ángulo de 45º con éstas, y los puntos de soldadura con las intersecciones de las líneas.
2.
Se tratará de realizar un diseño lo más sencillo posible; cuanto más cortas sean las pistas y mas simple la distribución de componentes, mejor resultará el diseño.
3.
No se realizarán pistas con ángulos de 90º; cuando sea preciso efectuar un giro en una pista, se hará con dos ángulos de 135º; si es necesario ejecutar una bifurcación en una pista, se hará suavizando los ángulos con sendos triángulos a cada lado.
4.
Los puntos de soldadura consistirán en círculos cuyo diámetro será, al menos, el doble del ancho de la pista que en él termina.
5.
El ancho de las pistas dependerá de la intensidad que vaya a circular por ellas. Se tendrá en cuenta que 0,8 mm puede soportar, dependiendo del espesor de la pista, alrededor de 2 amperios; 2 mm, unos 5 amperios; y 4,5 mm, unos 10 amperios. En general, se realizarán pistas de unos 2 mm aproximadamente.
6.
Entre pistas próximas y entre pistas y puntos de soldadura, se observará una distancia que dependerá de la tensión eléctrica que se prevea existirá entre ellas; como norma general, se dejará una distancia mínima de unos 0,8 mm.; en casos de diseños complejos, se podrá disminuir los 0,8 mm hasta 0,4 mm. En algunas ocasiones será preciso cortar una porción de ciertos puntos de soldadura para que se cumpla esta norma.
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7.
La distancia mínima entre pistas y los bordes de la placa será de dos décimas de pulgada, aproximadamente unos 5 mm.
8.
Todos los componentes se colocarán paralelos a los bordes de la placa.
9.
No se podrán colocar pistas entre los bordes de la placa y los puntos de soldadura de terminales de entrada, salida o alimentación, exceptuando la pista de masa.
10.
No se pasarán pistas entre dos terminales de componentes activos (transistores, tiristores, etc.).
11.
Se debe prever la sujeción de la placa a un chasis o caja; para ello se dispondrá un taladro de 3,5 mm en cada esquina de la placa.
12.
Como norma general, se debe dejar, una o dos décimas de pulgada de patilla entre el cuerpo de los componentes y el punto de soldadura correspondiente.
5.5
PROCESO DE REALIZACIÓN DE LA PLACA
Para transferir el diseño terminado en el apartado anterior, procederemos del modo siguiente: •
•
•
•
•
Se toma la placa virgen y se coloca bajo el diseño realizado, haciendo que coincidan los bordes de éste con los de aquélla y de forma que la cara de cobre de la placa toque el papel. Para que no se muevan ni el papel ni la placa, se aconseja sujetarlos con cinta adhesiva. Con una punta de trazar o un punzón, pinchar exactamente en el centro del punto de soldadura, con el fin de que esta marca quede señalada en la cara de cobre. Se tendrá cuidado de no olvidar ningún punto de soldadura. Una vez hecho esto, se separan la placa y el papel del diseño; se notarán los punteados realizados en la operación anterior. Se limpia la cara de cobre de manera que no conserve ningún tipo de suciedad. Esta operación se puede hacer de diversas formas: con agua y jabón, con estropajo en seco o con agua, etc., pero se aconseja hacerlo con goma de borrar. Con un rotulador resistente al ataque ácido y, a ser posible, con ayuda de una plantilla de círculos, se dibujarán los círculos correspondientes a los puntos de soldadura, cuidando de que queden perfectamente centrados
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•
•
•
5.6
sobre los puntos marcados. Se tendrá la precaución de no tocar el cobre con la mano, para evitar mancharlo. Cuando se haya terminado de dibujar los círculos, con el mismo rotulador y la ayuda de una regla, se trazarán las pistas sobre la cara de cobre, cuidando que sean exactas a las que se trazaron en el papel de diseño. Alcanzado este punto, se puede optar por taladrar o por atacar; se aconseja atacar primero para evitar rayar las pistas dibujadas. Para proceder al atacado, se puede recurrir a: El Cloruro Férrico (muy lento, pero poco corrosivo), el Ácido Clorhídrico (rápido, pero muy corrosivo), u otros métodos que se distribuyen como atacadores rápidos en el comercio. Si el atacado se realiza en el domicilio, se aconseja usar Cloruro Férrico, pues prácticamente carece de emisión de gases nocivos; en cualquier caso, úsese en lugares bien ventilados.
CREACIÓN DE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO
El método descrito anteriormente es básico, a continuación se explica una manera económica y con muy buenos resultados.
5.6.1 Materiales
Hojas de papel , Papel couche 80 gr
Placa de CI normal de cobre de una o dos caras.
Cloruro Férrico para atacar la placa.
Cubeta de plástico, de 500cc o mas, tipo "Taper"
Pinzas de plástico
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Compresor de acuario
Difusor de aire de acuario Impresora láser
Plancha
Lana de acero Lima. Mini taladro Brocas de 0.8 mm
Rotulador indeleble. Como el de rotular Cd's
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Disolvente universal.
5.6.2 Diseño de la placa Puede utilizarse el método de dibujo manual del circuito o también puede utilizarse software para ello. Utiliza el Eagle, http://www.cadsoftusa.com/ la versión lite es gratis. El programa no es demasiado complicado de utilizar. También puedes consultar una lista de programas de diseño y enrutado de circuitos. Básicamente con el "Schematic" pones los componentes y los conectas entre si, chips, resistencias, condensadores etc. Y con el "Board" enrutas las líneas, y colocas los componentes en su sitio sobre la placa: Ejemplo vista Schematic
Ejemplo vista Board
Consejos: al acabar la placa, crea un polígono que incluya todas las pistas y componentes, y le asignas la señal de masa, GND, de esta forma, la parte que deberá ser atacada por el Cloruro Férrico (ClFe) será mínima y el proceso es mas rápido. Además el resultado es mucho mas profesional.
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Placa sin GND ¡Recomendado!
Placa con GND
Fíjate en el botón resaltado en ambas imágenes para saber como crear la capa GND.
5.6.3 Impresión del circuito. Al imprimir sólo necesitas que sean visibles las capas Botton, Pads, Vías y dimension. Si haces la placa a dos caras, en la segunda necesitarás imprimir sólo las capas Top, Pads, Vías y dimension La placa impresa queda así: A la izquierda las pistas , a la derecha la serigrafía. Para un resultado profesional imprimiremos también la serigrafía de la posición de los componentes, luego la colocación de los componentes es mucho mas sencilla. Imprime al máximo de calidad en la impresora láser, si no tienes láser, imprime en un folio normal y fotocopia este folio sobre la hoja de papel satinado (Papel couche). Si se dibujo a mano se deberá fotocopiar en el papel couche.
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5.6.4 Preparación de la placa •
•
•
Pulir la placa de cobre con la lana de acero.
Observa la diferencia, la placa debe quedar completamente pulida (parte de la derecha).
No está de más limar los bordes.
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5.6.5 Planchado del diseño sobre la placa de cobre. Mediante el calor de la plancha, trasferiremos el fotolito del papel al cobre . •
•
•
Alinea el papel con la placa, lo ideal es hacerlo en un ángulo recto. NO RECORTES la placa todavía, debes planchar el papel sobre un trozo de placa grande, si no es muy difícil conseguir que no se mueva al planchar.
Calienta la plancha, aplica la plancha sobre el papel firmemente, NO MUEVAS EL PAPEL, es muy importante. Con 2 ó 3 pasadas es suficiente, y no es necesario que apretes mucho. Si la plancha está muy calientes, o pasas muchas veces sobre el mismo sitio o presionas demasiado, las pistas se deforman. Inspecciona la placa por si hay alguna parte que no se ha pegado. Lo ideal es que quede bien a la primera, si no es así, tienes muchas posibilidades de que no salga bien, sin embargo, no todo está perdido. Una forma de saber si se ha pegado bien, a priori, es mirar la placa de forma que la luz refleje, verás que donde hay pista, es mas brillante. CUIDADO, la placa puede quemar un poco.
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•
•
Deja enfriar la placa, hasta que la toques y no queme, unos minutos. Debe quedar mas o menos como las fotos. Puedes volver a planchar alguna zona, pero ya no suele pegarse.
Para retirar el papel de la placa, debes introducirla en AGUA CALIENTE, es muy importante, porque mejora los resultados al hacer que el papel se despegue sin dificultad. Deja la placa unos minutos en remojo, luego el papel se despega sólo prácticamente. En las fotos no se utilizó agua caliente, por eso no se despega muy bien. Además, si logramos despegar el papel de una pieza, podremos ver si hay alguna pista que no se ha pegado bien. Todas las partes negras que veas en el papel despegado, no se han pegado en el cobre y deberás dibujarlas con un rotulador indeleble.
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TALLER I
Elimina con un trapo los restos de papel adherido al circuito, no te preocupes, las pistas ya no se despegan, observa como debe quedar. Revisa las pistas y repasa con rotulador indeleble las que no hayan quedado bien. Si alguna pista se comunica, utiliza un cuter para rascarla un poco.
•
5.6.6 Ataque químico de la placa de cobre. •
Recorta la placa, utiliza una sierra de metal, porque tiene unos dientes muy finos, tambien puedes utilizar la Dremel.
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TALLER I
•
•
Ya estamos preparados para atacar la placa con Cloruto Férrico (ClFe). Si no has hecho la mezcla todavía, llena el bote de ClFe con agua y agita hasta que se disuelvan las bolitas, luego llena el recipiente donde atacarás la placa. En este recipiente se ha pegado en el fondo un par de difusores de aire de acuario y mediante un tubo de silicona, se conecta al compresor. El oxígeno y la temperatura facilitan la reacción , te recomiendo calentar la disolución de ClFe, al baño María, por ejemplo (utiliza un microondas, pero creo que no es muy seguro).
Coloca el compresor POR ENCIMA, del recipiente de ClFe, para evitar que el líquido entre en el compresor. Estrangulando un poco el tubo, las burbujas salen con mas potencia (con una pinza, pro ejemplo, fíjate en la primera foto). En unos 5-10 minutos, la placa estará lista. Debes irla vigilando, porque el cobre se desprende mas de unos sitios que por otros, debido al flujo de burbujas, por lo que deberás irla moviendo de vez en cuando, colocándola en distintas posiciones.
98
TALLER I
Si tienes buen pulso, puedes dejar la placa flotando justo encima de las burbujas
•
Una vez que la placa está lista, limpia el recipiente y los difusores de burbujas, una vez aclarado el recipiente, llenalo de nuevo con agua y deja el compresor enchufado, para limpiar los difusores. Si no lo haces, los difusores no te durarán ni dos días. Comprueba que no quedan restos de cobre en la placa a la vista, introdúcela en agua para eliminar los restos del ClFe y utiliza un trapo con disolvente para retirar el toner de la placa.
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TALLER I
5.6.7 Recorte y perforado de la placa de cobre. •
•
Taladra la placa, al contraluz puedes ver si te has dejado algún pad.
Procedemos con la serigrafía de la capa superior, el sistema para placas de doble cara es el mismo, solo que primero se plancha
100
TALLER I
una cara, se perfora para alinear la segunda cara, se plancha la segunda cara y luego se ataca con la disolución de ClFe. Una vez lista la capa inferior, planchamos la serigrafía en la capa superior. Ayúdate una vez mas del contraluz para, esta vez, alinear las dos capas. Una vez planchada la serigrafía, deja enfriar e introduce la placa en agua caliente, si has sido rápido, todavía estará caliente el agua que has utilizado antes. Retira el papel adherido y limpia con un trapo los restos de papel de la placa, puedes utilizar alcohol, tranquilo, a no ser que utilices disolvente, no borrarás las pistas.
La placa culminada
101
TALLER I
Ejemplo:
102
TALLER I
TEMA 6
REGISTROS (FLIP FLOP) 6.1
CIRCUITOS BIESTABLES
Los circuitos biestables son muy conocidos y empleados como elementos de memoria , ya que son capaces de almacenar un bit de inf ormación . En general, son conocidos como Flip-Flop y poseen dos estados estables, uno a nivel alto (1 lógico) y otro a nivel bajo (cero lógico). Es posible que al presionar un pulsador se produzcan rebotes eléctricos, es como haberlo presionado varias veces, y así los resultados serán totalmente inesperados, así que los cablecitos para probar estos circuitos no nos servirán de mucho, es conveniente utilizar un pulso de reloj para realizar estas pruebas, se puede hacer mediante un cir cuito astable , y ahora lo llamaremos pulso de reloj o Clock o CLK . Por lo general un Flip-Flop dispone de dos señales de salida, una con el mismo valor de la entrada y otra con la negación del mismo, o sea, su complemento.
6.2
FLIP FLOP BÁSICO RS
Se puede construir uno fácilmente utilizando dos compuertas NAND o NOR conectadas de tal forma de realimentar la entrada de una con la salida de la otra, quedando libre una entrada de cada compuerta, las cuales serán utilizadas para control Set y Reset.
Las resistencias R1 y R2 utilizadas en ambos casos son de 10k Ω y se les colocó para evitar estados indeterminados, observe el circuito con compuertas NOR. Un nivel alto aplicado en Set, hace que la salida negada ~Q sea 0 debido a la tabla
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TALLER I
de verdad de la compuerta NOR, al realimentar la entrada de la segunda compuerta y estando la otra a masa, la salida normal Q será 1. Ahora bien, esta señal realimenta la primera compuerta, por lo tanto no importan los rebotes, y el FF se mantendrá en este estado hasta que le des un pulso positivo a la entrada
Reset. Conclusión: El biestable posee dos entradas Set y Reset que trabajan con un mismo nivel de señal, provee dos salidas, una salida normal Q que refleja la señal de entrada Set y otra ~Q que es el complemento de la anterior. Si compara los dos flip-flop representados en el gráfico, verás que sólo difieren en los niveles de señal que se utilizan, debido a la tabla de verdad que le corresponde a cada tipo de compuerta.
6.2.1 FLIP FLOP RS - CONTROLADO POR UN PULSO DE RELOJ: En este caso utilizaremos el ejemplo de las compuertas NAND, pero le agregaremos dos compuertas adicionales, y uniremos la entrada de cada una a la señal de Reloj.
Necesitamos un generador de pulsos (Astable) para conectarlo en la entrada Clock. Una vez lo tenemos pasamos a interpretar el circuito. Si pones un 0 en Set y la entrada Clock está a 1 ocurrirá todo lo que se describe en el esquema anterior, veamos que ocurre cuando Clock pasa a 0.
104
TALLER I
El FF se mantiene sin cambios en Q y ~Q. Fíjate que ahora no importa el estado de Set y Reset, esto se debe a su tabla de verdad (basta que una de sus entradas sea 0 para que su salida sea 1) por lo tanto Set y Reset quedan inhabilitadas. Es decir que se leerán los niveles de sea
Set y Reset sólo cuando la entrada Clock 1.
NOTA 1: El primer circuito que se estudió (Flip-Flop simple) es llamado FlipFlop Asíncrono ya que puede cambiar los estados de sus salidas en cualquier momento, y sólo depende de las entradas Set y Reset.
NOTA 2: El segundo circuito es controlado por una entrada Clock y es llamado Flip-Flop Síncrono ya que el cambio de estado de sus salidas esta sincronizado por un pulso de reloj que realiza la lectura de las entradas en un determinado instante.
6.3
FLIP FLOP - CON UN INVERSOR
La ventaja aquí es la cantidad de compuertas utilizadas.
105
TALLER I
6.3.1 FLIP FLOP D: El flip-flop presentado anteriormente conocido como flip-flop RS suele presentar un estado indeterminado cuando sus dos entradas R y S se encuentran en estado alto así que veamos como se puede solucionar este inconveniente. En el Fl ip Flop D no existe la posibilidad de que las dos entradas estén en nivel alto ya que posee un inversor entre la una y la otra de tal modo que R = ~S, observa el siguiente gráfico, aquí se supone la entrada Dato a nivel 0.
Veamos que ocurre cuando la entrada Dato, pasa a 1 y CLK cambia de estado pasando también a 1, según como se van transmitiendo los datos por las compuertas resulta Q = 1 y ~Q = 0.
Para que el flip-flop retorne a su estado inicial, la entrada Dato D deberá pasar a 0 y sólo se transferirá a la salida si CLK es 1. Nuevamente se repite el caso que para leer el dato debe ser CLK = 1. En forma general se representa el filp-flop D con el siguiente símbolo:
106
TALLER I
6.3.2 FLIP FLOP MASTER-SLAVE: Se trata de un arreglo de dos FF independientes. El primero actúa como Master (maestro) y el otro como Slave (esclavo). Con la diferencia de que en este caso las entradas Set y Reset son realimentadas por las salidas Q y ~Q respectivamente, quedando libre únicamente la entrada CLK.
Considerando CLK=0, será la salida Q = 0 y ~Q = 1, al momento del cambio de nivel de CLK (CLK = 1), sólo cambiaran las salidas del primer flip-flop (Master) sin afectar las salidas Q y ~Q. Ahora bien, cuando CLK regrese a su estado inicial (CLK=0) el Slave conmutará las salidas Q y ~Q quedando Q = 1 y ~Q = 0. Al cambiar de estado CLK (CLK=1) las salidas no serán afectadas. Esto se puede resumir en una pequeña tabla de verdad, como la siguiente:
A este tipo de Flip-flop, se le a dado la posibilidad de preestablecer el estado de sus salidas, adicionándole dos entradas más, Preset (Pr) y Clear (Clr), que vendrían a ser algo así como Set y Reset respectivamente, pero claro, hay que advertir que se debe evitar la situación: Pr = Clr = 0.
También tiene una forma de representación simbólica.
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TALLER I
6.3.3 FLIP FLOP JK: Un flip-flop JK es muy similar al visto anteriormente pero mucho más complejo que éste, y existen circuitos integrados que ya lo traen incorporado así que por cuestiones de sencillez y para no complicarte demasiado utilizaré su representación simbólica.
Lo vamos a analizar de forma sencilla haciendo uso de la tabla de verdad que corresponde al funcionamiento del flip-flop.
108
TALLER I
Las dos primeras líneas indican que las entradas Clr y Pr establecen el estado de las salidas Q y ~Q sin importar el estado en que se encontraban anteriormente, ni el estado de las otras entradas (J, K y CLK). En la tercera y cuarta línea se han establecido las entradas Clr y Pr a nivel 1 y las salidas Q y ~Q permanecen en cualquiera de los dos estados mencionados anteriormente, según el que se haya establecido, ahora bien si se mantiene CLK = 0 las salidas Q y ~Q permanecen sin cambio (Sc), lo mismo ocurre si se mantiene CLK = 1, y continúa así en los cambios ascendentes de CLK, y como podrás notar en la siguiente línea, si estableces J = K = 0 queda sin importancia la entrada CLK y sin cambio las salidas. En la séptima y octava línea se transfieren los datos de las entradas J y K a las salidas Q y ~Q respectivamente, pero esto sólo ocurrirá en la transición ascendente de CLK. Finalmente con Clr = Pr = J = K = 1, el flip-flop cambiará siempre (Cs) cada vez que se presente una transición descendente de CLK.
109
TALLER I
6.4
FLIP FLOP 7474
6.4.1 CONFIGURACION DE PINES DEL FLIP FLOP 7474
6.4.2 CONFIGURACION BASICA DEL FLIP FLOP 7474
110
TALLER I
Funcionamiento: En el gráfico superior se observa: -
El Reset ( PIN 1) esta inhabilitado, conectado directamente al voltaje positivo de la fuente (Vcc), por lo que, el Flip Flop esta activado esperando el ingreso de señales para entregar señal de salida por los pines 5 y 6.
-
El Seteo ( PIN 4) esta inhabilitado, pues, se encuentra conectado directamente al voltaje positivo de la fuente (Vcc).
-
El Dato (Pin 2) esta conectado también a la fuente de alimentación (Vcc), en este modo sólo se necesita la señal del Clock (Pin 3) para lograr que se encienda el Led (D2).
-
Salidas se obtienen en los Pines 5 y el Pin 6 y esta última es la señal negada del Pin 5.
-
La señal de reloj CLK (Pin 3) esta conectado a tierra a través de la resistencia de 10k Ω. Cuando es conectado momentáneamente el CLK con el pulsador a Vcc se obtendrá la señal activa (“1” lógico) en Q.
6.4.3 CONFIGURACION DEL FLIP FLOP 7474 CON SETEO Y RESETEO
En el gráfico adjunto: La diferencia con el gráfico anterior es el uso del seteo (Pin 4) y el reseteo (Pin1). Ambos se encuentran normalmente deshabilitados, conectados a través de le resistencia de 10K Ω (R3 y R4) a Vcc.
111
TALLER I
El Seteo y Reseteo son habilitados cuando son conectados a tierra (GND). -
Cuando se pulsa SW1 se conecta CLK a Vcc, en este caso se obtiene se obtendrá una señal de salida como se muestra en la figura 1. Se aprecia en la figura 2 que ya no es necesario seguir pulsando SW1 para lograr “1” lógico en el Pin 5.
-
Para poder reiniciar el circuito no es necesario desactivar la fuente de alimentación (Vcc) solamente se pulsa SW2 y se conectará momentáneamente a GND (habilita el reseteo) y la salida del Pin 5 regresa a “0” lógico.
-
Si se pulsa SW3 (se habilita el seteo) conlleva a tener una salida de “1” lógico en el Pin 5, sin importar el estado de SW1. Nuevamente si se desea reiniciar el circuito y llevar la salida del Pin 5 a “0” lógico se debe habilitar el Reset .
Figura 1
Figura 2
112
TALLER I
TEMA 7
CIRCUITOS CONTADORES 7.1
CONTADORES DE PROPAGACIÓN
Los contadores digitales o binarios en esencia son un grupo de flip-flops dispuestos de tal manera que sus salidas proporcionan una secuencia determinada como respuesta a los acontecimientos que ocurren a la entrada del reloj. Estos acontecimientos pueden ser por lo general pulsos de reloj (sincrónicos) o acontecimientos aleatorios (asincrónicos) alimentados como entradas por la terminal de reloj de los flip-flops. Los contadores de propagación se basan en este último principio para generar secuencias binarias que cambian como respuesta a eventos. Para conformar un contador de n bits sólo basta tener n flip-flops, uno para cada bit de información. A continuación se dará una descripción sobre la estructura y funcionamiento de los contadores de propagación mas comunes en lógica secuencial.
7.2
CONTADOR DE PROPAGACIÓN ASCENDENTE
El flip-flop T , tiene especial aplicación en los contadores, debido a la habilidad que tienen para cambiar a su estado complementario, después de un evento de reloj. La configuración del circuito siguiente corresponde a un contador ascendente de 4 bits disparado por flanco negativo. Note que todas las entradas de los flip-flops T están en 1, con lo cual el estado de los flip-flops se complementa después de cada cambio de 1 á 0 lógico a la entrada de reloj de cada uno de ellos. La Tabla adjunta muestra los estados de salida de este circuito.
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TALLER I
Contador de propagación ascendente Número de pulsos Q3 Q2 Q1 Q0 0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
...
...
...
...
...
15
1
1
1
1
16
0
0
0
0
17
0
0
0
1
...
...
...
...
...
Estados contador ascendente Observe la forma en que opera este circuito. Los pulsos de reloj se aplican únicamente al flip-flop A, así que la salida de este flip-flop se complementará cada vez que haya una transición negativa en la entrada de reloj. La salida del flip-flop A se aplica directamente a la entrada de reloj del flip-flop B, de tal forma que la salida de este flip-flop se complementa cada vez que su entrada de reloj pasa de 1 a 0 lógico. De forma similar se comportan los flip flops C y D cambiando su estado cada vez que reciben una transición negativa en sus respectivas entradas de reloj. Las salidas de los flip-flops D,C ,B y A representan un numero binario de 4 bits, siendo D el bit mas significativo y A el menos significativo. Este contador cuenta en forma ascendente desde 0000 hasta 1111, es decir que tiene 16 estados diferentes (24=16 ). En electrónica digital, existe una notación que define el número de estados de un contador, designada por la sigla MOD mas el número de estados, por esta razón se dice que es un contador MOD16 . Este tipo de contadores actuan como divisores de frecuencia. Si se hace un análisis sobre la frecuencia de las señales de salida de los flip-flops se puede observar que la señal Q3 tiene una frecuencia dada por la siguiente expresión:
donde f C corresponde a la frecuencia de la señal del reloj. De igual forma, las frecuencias de las salidas de los demás flip-flops estarán dadas por las siguientes expresiones:
114
TALLER I
Se plantea como ejercicio dibujar la señal de reloj y las señales de salida de los flip-flops para confirmar estos resultados. Este contador se puede modificar para que opere a cualquier número MOD entre 1 y 16. De forma general un contador de n bits se puede modificar para cualquier número MOD 2n, y para lograrlo es necesario utilizar la entrada asincrónica de borrado CLR de los flip-flops, como veremos a continuación.
7.3
CONTADORES CON NÚMEROS MOD < 2N
Los contadores básicos pueden ser modificados para producir números MOD < 2n, permitiendo que el contador omita estados que normalmente hacen parte de la secuencia de conteo. La forma más usual para lograr esto se puede ver en la figura siguiente, la cual corresponde a un contador de 4 bits MOD10.
Contador MOD10 Asumiendo que la compuerta NAND no estuviera presente, el contador sería MOD16 , sin embargo la presencia de esta compuerta altera el funcionamiento normal cuando las salidas Q3 y Q 1 que van a la compuerta son 1. Esta condición ocurrirá cuando el contador pase del estado 1001 (9) al 1010 (10), haciendo que las entradas asíncronas CLR de los flip-flops sean 0 y por tanto el contador pase al estado 0000. En la tabla siguiente, se resumen los estados de este contador. En el momento que el contador llega al estado 1001 y ocurre una nueva transición en la entrada de reloj (CLK), se presenta el estado 1010 (10) de forma temporal, y su duración depende del tiempo de propagación de la compuerta NAND. En el diagrama de estados de transición, mostrado a continuación, se observa el estado temporal entre los estados 1001 y 0000.
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TALLER I
Número de pulsos Q3 Q2 Q1 Q0 0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
...
...
...
...
...
9
1
0
0
1
10
0
0
0
0
11
0
0
0
1
...
...
...
...
...
Estados del contador MOD10
Estados de transición del contador de propagación MOD10
7.4
CONTADOR DE PROPAGACIÓN DESCENDENTE
Los contadores descendentes cuentan en forma inversa, por ejemplo de 1111 hasta 0000. En la siguiente figura se observa un contador descendente de 4 bits. Note que este contador es similar al ascendente excepto que las salidas ahora son su complemento.
116
TALLER I
Contador descendente En la tabla siguiente se muestran los estados de las salidas de los flip-flops, donde se observa que, después de cada pulso, se decrementa la secuencia binaria representada por las salidas Q3 á Q0. Número de pulsos Q3 Q2 Q1 Q0 0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
2
1
1
0
1
...
...
...
...
...
15
0
0
0
0
16
1
1
1
1
17
1
1
1
0
...
...
...
...
...
Estados del contador descendente Ejercicio: Dibujar dos contadores binarios de 4 bits (ascendente y descendente) utilizando flip-flops T que respondan al flanco negativo de la señal del reloj.
Contadores Los contadores se pueden clasificar en: -Asíncronos y Síncronos -Ascendentes y Descendentes -Módulo N.
7.5
CONTADORES ASÍNCRONOS
Sólo utilizan biestables sin ninguna puerta lógica adicional. La entrada de reloj al contador sólo se conecta al primero de los biestables (el de menor peso).
117
TALLER I
La salida de estado de cada biestable (Q) o la complementaria (/Q) se conecta con el inmediato posterior. Las entradas de datos de los biestables (J-K o T) se conectan a un “1” fijo.
7.6
CONTADORES SINCRÓNICOS
La señal externa del reloj está conectada a todos los biestables, por lo tanto, se activan todos de manera simultánea. La entrada de reloj al contador se conecta a las entradas de reloj de todos los biestables. La entrada de datos (J-K o T) del biestable de menor peso se conecta a un “1” fijo. Se precisan puertas adicionales para implementar la lógica que indique cuando deben voltear su estado los biestables.
7.7
CONTADORES MÓDULO N
El módulo de un contador es el número de cuentas distintas que realiza dicho contador. Para implementar un contador de módulo N, se elige un contador con n bits (ascendente o descendente), siendo 2n-1
118
TALLER I
Circuito:
En el comercio existen varios contadores en circuito integrado que aparte de realizar la función de generar secuencias binarias, tiene otras funciones adicionales que generalmente tienen que ver con la configuración y modo de funcionamiento. Entre las funciones que se pueden encontrar en estos circuitos integrados se encuentran opciones de selección de secuencia ascendente o descendente, borrado así como inicialización entre otras. A continuación se presenta una lista de algunos contadores en circuito integrado de uso difundido en Electrónica Digital, con una descripción detallada de sus pines.
119
TALLER I
120
TALLER I
7.8
CONTADOR EN ANILLO
El contador en anillo es un registro de corrimiento básico en el que los datos no se pierden al desplazarse, en vez de ello, la información rota debido a que los flip-flops de los extremos se encuentran interconectados, de tal forma que los datos se desplazan en forma de "anillo". En el circuito siguiente se observa la configuración de un contador de este tipo y la forma en que se desplazan los datos entre flip-flops.
Contador en Anillo
121
TALLER I
Asumiendo que el estado inicial del contador en anillo es 1000 (Q3=1, Q2=0, Q1=0, Q0=0), los estados que se presentarían en este contador serían los mostrados en la tabla dada a continuación. Después del cuarto pulso en la señal del reloj el estado inicial se repite. Pulso del Reloj Q3 Q2 Q1 Q0 0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
2
0
0
1
0
3
0
0
0
1
4
1
0
0
0
Estados del Contador en Anillo En el mercado existen contadores de este tipo en circuito integrado, sin embargo su construcción es muy fácil a partir de un registro de corrimiento convencional. Existe otro contador en anillo llamado contador Johnson, el cual tiene un funcionamiento similar al contador en anillo, excepto que el estado del último flip-flop se realimenta al primero a través de un inversor. En al figura siguiente se observa el diagrama lógico de este contador.
Contador Johnson de 4 bits Tomando como estado inicial del contador Johnson 0000 (Q3=0, Q2=0, Q1=0, Q0=0), los estados presentes en este contador serían los mostrados en la tabla dada a continuación. Note que durante el octavo pulso en la señal del reloj el estado inicial se repite.
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Pulso del Reloj Q3 Q2 Q1 Q0 0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
2
1
1
0
0
3
1
1
1
0
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1
1
1
5
0
1
1
1
6
0
0
1
1
7
0
0
0
1
8
0
0
0
0
Estados del Contador Johnson
7.9
DIVISORES DIGITALES
Se trata de un contador digital que tiene ciertas particularidades que le hacen reiniciarse desde cierta cuenta y esto lo hace de modo repetitivo.
Introducción Cuantas veces a lo largo del día necesitamos llevar una cuenta de eventos, es un hecho que se produce de forma continua en infinidad de ocasiones, de manera tan simple que no reparamos en ello. Lo que realmente estamos haciendo cuando llevamos una cuenta, es cuantificar una serie de hechos repetitivos, estableciendo una cuenta de una serie de estos en un tiempo dado, el resto, muchas veces lo despreciamos. Nos ocuparemos de los contadores digitales, uno de los requisitos más comunes en un equipo digital es el contador. Y el elemento contado, más común tiene que ver con el tiempo. Desde un reloj digital básico (incorporado en la mayoría de los equipos controlados digitalmente) a los cronómetros de intervalo y el contador de eventos, la necesidad de los circuitos contadores es muy grande. Debido a esto, se requieren contadores para diferentes rangos de conteo y en todo tipo de circunstancias. Por ejemplo, un reloj digital simple, requiere de un contador decimal para las posiciones de unidades de segundos y minutos. Visto esto, vamos a estudiar una serie de circuitos integrados utilizados habitualmente como contadores, entre los que destacaremos la función de dividir como parte central. Un divisor, no es otra cosa que un contador al que se le aplica la
123
TALLER I
condición de reiniciar su cuenta al llegar al final de la cuenta establecida por el usuario, como margen. De hecho, los contadores son tan importantes en tantas y tan diferentes aplicaciones, que los tipos de CI's contadores se han diseñado para familias de lógica TTL y CMOS. Algunos cuentan adelante para los relojes e intervalos de tiempo; otros cuentan abajo mostrando el tiempo que queda hasta algún evento. Algunos se diseñan específicamente para mostrar en modo decimal, mientras otros están en binario y aún otros, tienen un selector de rangos de cuenta. La lista de capacidades y opciones es bastante extensa, dejando mientras al diseñador del circuito con sólo la tarea de seleccionar el CI particular de las mejores prestaciones. Una señal digital, está compuesta por una sucesión de impulsos o frecuencia que, proceden de un elemento que los genera o los procesa en algunos casos, estos pulsos no siempre son uniformes, ni simétricos. La parte que, en estos momentos nos interesa de esta señal es muy concreta, tratamos de contar cuantos pulsos se producen en un tiempo establecido (intervalo), este tiempo si no se especifica lo contrario, es el segundo. Partiendo de esta condición, la cuenta que realizamos de una señal, se llama frecuencia. La frecuencia de una señal, se puede obtener teóricamente con la siguiente formula:
Donde:
T ( Período en segundos) f ( Frecuencia en Hertzios)
Contar en electrónica, como en otras disciplinas es un hecho muy común. Debido a que tenemos dispositivos que nos ayudan a realizar estas tareas, a continuación vamos a estudiar algunos circuitos integrados con los que podemos realizar tanto divisiones como cuentas. El ciclo de servicio o rendimiento (duty cycle ) de cualquier forma de onda rectangular se refiere al porcentaje del ciclo de la señal que permanece alto, en lógica 1. Si la señal pasa la mitad de su tiempo en lógica 1 y la otra mitad en lógica 0, tenemos una forma de onda con un ciclo de servicio o rendimiento del 50 %. Esto describe una onda perfecta, simétrica cuadrada. Digamos que, dependiendo del 'código' establecido internamente por el fabricante del circuito integrado, podemos optar entre un contador binario o decimal, parámetro a tener muy en cuenta a la hora de utilizar cada tipo. Un
124
TALLER I
contador digital básicamente es binario, y es cierto que, mediante una circuitería externa mas o menos sencilla, podemos convertir un contador binario, en contador decimal.
7.10
74LS393
Un contador digital como es el circuito integrado 74LS393 es un divisor algo más complejo, se trata de un dispositivo constituido por un doble contador binario en su interior, cada uno formado por cuatro flip-flop Maestro-Esclavo, conectados de modo que nos permite realizar contadores de 4 bits (se pueden considerar dos 74LS93 en una cápsula) .
74LS393
7.11
El divisor 74LS93 (TTL).
Como ejemplo entiendo que es suficiente lo anteriormente descrito; ahora vamos a abordar los circuitos integrados digitales comerciales. Lo habitual en este caso sería hablar de los 74LS90 (decimal), 74LS92 (binario), 74LS93 (divisor de 4 bits), los patillajes DIL de los actuales y sus respectivas estructuras, se muestran a continuación.
125
TALLER I
Composición interna de los 74LS90-92-93
7.11.1 El Divisor por 16 en binario. En la figura siguiente, puede apreciarse el modo de conexión interna entre sus patillas, atención a la tabla de verdad adjunta, tratando de comprender la secuencia de conteo seguida. El reloj CP es una señal negada y el reset maestro MR, permite poner a 0 la cadena de 4 filp-flop T, simultáneamente.
126
TALLER I
Diagrama interno y tabla de verdad.
Veamos a continuación, el conexionado del 74LS93 y el diagrama de fases, con el fin de obtener la división por 16 en binario. La señal se aplicará a la entrada CKA (patilla 14), la salida QA (patilla 12, primera sección) del primer flip-flop se conecta con la entrada CKB (patilla 1, segunda sección). Al aplicar impulsos de nivel H, de forma simultanea en las entradas R (patillas 2 y 3) inicializarán el divisor a 0000. Las salidas en binario se obtienen en las patillas señaladas como QA, QB, QC y QD respectivamente y consecuentemente la salida QD presentará la división por 16 de la señal de entrada.
127
TALLER I
Divisor por 16 y diagrama de tiempos.
7.11.2 El Divisor por 8 en BCD. En la siguiente figura, presentamos el modo de configurar las entradas y salidas para conseguir un divisor por 8 y con salida codificada en BCD. Si comparamos esta figura con la anterior figura 05, podemos apreciar la aparente y sutil variación del resultado de conectar la salida QD (patilla 11) a las patillas 2 y 3 de puesta a cero, lo que hace que al llegar a 8 el contador dicha salida reponga a 0000, dando como resultado el reinicio del contador y por tanto del divisor.
128
TALLER I
Divisor por 8 en BCD y diagrama de tiempos.
7.11.3 El Divisor por 6. La forma de conectar el 74LS93, para obtener un divisor por 6 es muy sencilla, obsérvese el esquema de la figura siguiente con su diagrama de tiempos y trate el lector de comprender su funcionamiento. Recordar que el primer FF es un divisor por 2 y la segunda entrada CKB corresponde a un segundo divisor por 8, formado por los 3 F-F restantes que conforman al 74LS93.
129
TALLER I
Divisor por 6 y diagrama de tiempos.
Como ya se ha mencionado los impulsos aplicados a la entrada CKA, su salida QA por la (patilla 13), se aplica de nuevo a la entrada CKB (patilla 1) de la cadena de divisores siguientes, la salida QB se aplica a R01 y la salida QC a R02 y de este modo conseguimos nuestro objetivo. Esto esta muy bien, ya que estamos tratando de una serie de divisores en cadena y si pensamos un poco lograremos estos objetivos, no obstante parece menos viable conseguir un divisor por un número impar. La respuesta, la podemos ver a continuación.
7.11.4 El Divisor por 9. Con el fin de obtener la división por 9, hemos interconectado nuestro 74LS93 del modo que se aprecia en la siguiente figura. Como siempre, los impulsos se aplican a la entrada CKA y son recogidos en la salida S.
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TALLER I
Divisor por 9 y diagrama de tiempos.
La salida S es la unión entre la salida QD y la R02, como puede verse. Observar que el impulso de salida tiene un ancho de dos pulsos de entrada.
7.11.5 El divisor por 10. Para obtener un divisor por 10, el conexionado de las entradas y salidas del circuito integrado 74LS93 o similar, se debe corresponder con lo descrito en la figura que se muestra debajo de estas líneas.
Divisor por 10 y diagrama de tiempos.
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TALLER I
7.11.6 El Divisor por 12. A fin de obtener un divisor por 12, muy utilizado (en su momento) en la generación de relojes electrónicos por su particularidad, podemos obtener si conectamos en un 74LS93 o similar, sus patillas según lo descrito en la figura:
Divisor por 12 y diagrama de tiempos.
7.12
El divisor de decimal 74LS90.
Por su versatilidad y utilidad en múltiples montajes que se han realizado desde siempre en la industria y en algunas aplicaciones descritas en estas páginas, describiremos la capacidad como divisor decimal, del circuito integrado 74LS90.
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TALLER I
Fig. 11 - 74LS90 Divisor decimal
Este circuito integrado está compuesto por tres Flip-Flop Maestro-Esclavo y una báscula RS, dispone de dos entradas diferenciadas de reloj CPA para el primer Flip-Flop y CPBD, para B y D. Conectados de modo que nos proporcionan un divisor por dos y un divisor por cinco, separados, las entradas de conteo están inhibidas y las cuatro salidas puestas a cero lógico o a una cuenta binaria codificada a decimal (BCD) de nueve mediante líneas de reset directas con puertas. Como se puede apreciar en la imagen de la figura anterior, la salida QA no está conectada internamente a las siguientes etapas de conteo para una mayor independencia y versatilidad.
7.12.2 El Divisor por 10 en BCD. En la siguiente figura, mostramos la forma de obtener una división por 10 en código BCD mediante el circuito integrado 74LS90, este circuito está muy utilizado por la industria durante mucho tiempo y hacemos hincapié en que se comprenda el funcionamiento de este dispositivo ya que es la base para comprender los divisores digitales que se emplean en muchos de los procesos de la industria.
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TALLER I
Divisor por 10 en BCD con el 74LS90
7.12.3 El Divisor por 2, 4 y 5 Para el divisor por 5 utilizando el 74LS90, disponemos de dos formas distintas para conseguir este tipo de divisor, en la siguiente figura, se muestra una de las dos formas posibles sin necesidad de ninguna puerta adicional.
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TALLER I
Divisor por 5 en BCD con el 74LS90
En la siguiente figura, presentamos la segunda forma de conseguir el divisor por 5, en esta ocasión se utiliza el segundo grupo de básculas o flip-flop disponibles en el dispositivo 74LS90.
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TALLER I
Otro divisor por 5 en BCD con el 74LS90
7.12.4 El Divisor por 2, 4, 8 y 9 En la siguiente figura, se muestra la forma de conectar el 74LS90 para conseguir que divida por 9.
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TALLER I
El divisor por 9 en BCD con el 74LS90
Habrá que observar que en cada divisor, dependiendo de la tecnología utilizada, el impulso del que se sirve un flip-flop para cambiar de estado, puede ser el flanco de subida o el flanco de bajada. Es decir, por ejemplo, viendo la gráfica de tiempos de la figura, se observa que el impulso CKA activa la salida A justo en su salida, o sea, al bajar su nivel lógico a cero, a esto se le llama flanco de bajada, lo que nos indica que la salida A se activa en su flanco de subida y no cambia su estado lógico hasta que, se produce un nuevo flanco de bajada en el impulso de CKA, en este caso se produce el cambio de estado de la salida A, que vuelve a cero. También se les suele llamar flanco izquierdo y flanco derecho respectivamente, en algunos tratados.
Aclaración La importancia y utilidad de los divisores en sus variantes, radica en la precisión, por ejemplo, en la necesidad de conocer la frecuencia exacta de una señal electromagnética del tipo que sea, ya que cuanto mayor sea la exactitud de la
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TALLER I
división tanto mayor será la precisión de la medición realizada con dicha división. Otro ejemplo podríamos hallarlo en la medición del tiempo, un hecho tan natural como es conocer la hora y sin embargo, este hecho hace necesario realizar un oscilador de muy alta frecuencia y cuya frecuencia sea estable, que no varíe, influenciada por la temperatura o los parásitos electromagnéticos del entorno o por las variaciones de la tensión de alimentación, entre otros. Esa frecuencia ideal, tendría que reducirse de algún modo, esto es, dividirla en una porción exacta que, siempre y en cualquier momento nos de invariablemente en la salida, la misma cuenta. De este divisor depende directamente la exactitud de nuestro reloj, por ese mismo motivo se necesita una frecuencia muy alta, precisamente para poder hacer una división lo más pequeña posible como puede ser una fracción de segundo, para utilizarla posteriormente en la cuenta del tiempo. Pero bueno, eso se trata con más profundidad en los tratados especializados en la medición del tiempo y frecuencímetros, que están fuera de este tratado.
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TALLER I
TEMA 8
CIRCUITOS MULTIPLEXORES 8.1
DEFINICION Un multiplexor o selector de datos es un circuito lógico combinacional , que acepta varias entradas de datos y permite sólo a una de ellas alcanzar la salida. El encauzamiento deseado de los datos de entrada hacia la salida es controlado por entradas de SELECCIÓN (que algunas veces se conocen como entradas de enrutamiento ). La figura, muestra el diagrama funcional de un multiplexor general (M U X ). En este diagrama las entradas y salidas se trazan como flechas grandes para indicar que pueden ser una o más líneas de señales . Existe una señal de entrada, EN, para permitir al multiplexor realizar su función. Cuando EN=0, todas las salidas son 0.
Diagrama funcional de un multiplexor digital (MUX) El multiplexor actúa como un interruptor de posiciones múltiples controlado digitalmente, donde el código digital que se aplica a las entradas de SELECCIÓN controla qué entradas de datos serán trasladadas hacia la salida. Por ejemplo, la salida Z será igual a la entrada I0 para algún código de entrada de SELECCIÓN específico, y así sucesivamente. Dicho de otra manera, un multiplexor selecciona una de N fuentes de datos de entrada y transmite los datos seleccionados a un solo canal de salida . A esto se le llama MULTIPLEXAR .
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TALLER I
8.2
MULTIPLEXOR BÁSICO DE 2 ENTRADAS La figura, muestra el circuito lógico de un multiplexor de 2 entradas, I0 e I1, y una entrada de selección S. El nivel lógico que se aplica a la entrada S determina qué compuerta Y se habilita de manera que su entrada de datos atraviese la compuerta O hacia la salida Z. Observando esto desde otro punto de vista, la expresión de la salida es:
Z = I0 S' + I1 S Con S=0, esta expresión se convierte en:
Z = I0 . 1 + I1 . 0 lo cual indica que Z será idéntica a la señal de entrada I0, que puede ser un nivel lógico fijo o bien una señal lógica que varia con el tiempo. Con S=1, la expresión se transforma en:
Z = I0 . 0 + I1 . 1 lo que muestra que la salida
8.3
Z será idéntica a la señal de entrada I1.
MULTIPLEXOR DE 4 ENTRADAS
Se puede aplicar la misma idea básica para formar el multiplexor de 4 entradas, que se muestra en la figura. Aquí se tienen 4 entradas, que se transmiten en forma selectiva a la salida, con base en las 4 combinaciones posibles de las entradas de selección S1S0. Cada entrada de datos se accede con una combinación diferente de niveles de entrada de selección . I 0 se captura con S1S0 negadas las dos, de manera que I0 pase a través de su compuerta Y hacia la
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salida Z sólo cuando S1=0 y S0=0. La tabla mostrada en la de los otros 3 códigos de selección de entrada.
figura, da las salidas
Su símbolo.
En las familias lógicas TTL y CMOS se dispone regularmente de multiplexores de 2, 4, 8 y 16 entradas. Estos circuitos integrados pueden ser combinados para la multiplexación de un gran número de entradas.
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TALLER I
8.4
DISEÑANDO EL MULTIPLEXOR La siguiente figura muestra el diagrama a bloques del multiplexor:
Multiplexor de 4 canales de entrada, cada uno de 4 bits (4x1) Obsérvese que el multiplexor debe ser de 4 canales, cada uno de 4 bits. El multiplexor puede obtenerse con 4 multiplexores de 4x1, como se muestra en el siguiente diagrama:
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TALLER I
diagrama implementado del multiplexor de 4x1 (cuatro canales de entrada y uno de salida) se muestra a continuación: El
8.5
DEMULTIPLEXOR Un demultiplexor realiza la función opuesta a la de un multiplexor, por ejemplo, un demultiplexor de n salidas de un bit, tiene una entrada de datos y S entradas para seleccionar una de las n =2S salidas de datos. El símbolo de un demultiplexor con 4 salidas se muestra en la figura adjunta:
Diseñamos ahora el demultiplexor de 4 canales de información y 4 canales de salida, donde cada canal de salida tiene cuatro bits .
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TALLER I
El diagrama se presenta en la siguiente figura:
Implementación de un demultiplexor o distribuidor de datos de un canal de entrada y cuatro canales posibles de salida.
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Circuito multiplexando la entrada X0 del 74151 (entrada correspondiente al bit de menor peso)
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Circuito multiplexando la entrada X1 del 74151
Circuito multiplexando la entrada X4 del 74151
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Circuito multiplexando la entrada X7 del 74151 (entrada correspondiente al bit de mayor peso)
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TEMA 9
CIRCUITOS DECODIFICADORES Y DISPLAY DE 7 SEGMENTOS 9.1 DECODIFICADORES Un decodificador es un circuito lógico combinacional, que convierte un código de entrada binario de N bits en M líneas de salida ( N puede ser cualquier entero y N M es un entero menor o igual a 2 ), tales que cada línea de salida será activada para una sola de las combinaciones posibles de entrada. La Figura , muestra el diagrama general de un decodificador de N entradas y M salidas.
Puesto que cada una de las entradas puede ser 1 ó 0, hay 2N combinaciones o códigos de entrada. Para cada una de estas combinaciones de entrada sólo una de las M salidas estará activada (en 1) y todas las otras salidas estarán en 0. Muchos decodificadores se diseñan para producir salidas 0 activas , (denominada lógica negativa ), donde la salida seleccionada es 0 mientras que las otras son 1. Esto último se indica siempre por la presencia de pequeños círculos en las líneas de salida del diagrama del decodificador. Algunos decodificadores no usan todos los 2N códigos posibles de entrada, sino sólo algunos de ellos. Por ejemplo, un decodificador BCD a DECIMAL, tiene un código de entrada de 4 bits, el cual sólo usa diez grupos codificados BCD, 0000 hasta 1001 . Algunos de estos decodificadores se diseñan de tal manera, que si cualquiera de los códigos no usados se aplican a la entrada, ninguna de las salidas se activará.
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La Figura , muestra la circuitería para un decodificador con 3 entradas entradas y 23 =8 salidas. Como sólo usan compuertas Y, las salidas activadas son 1. Para tener salidas activadas 0, deberían usarse compuertas NO Y.
Puede hacerse referencia a este decodificador de distintas maneras, todas ellas válidas y usuales. Pude llamarse un decodificador de 3 líneas a 8 líneas (3x8), porque tiene tres líneas de entrada y ocho de salida. También recibe el nombre de binario a octal , porque toma un código de de convertidor o decodificador de binario entrada binario de tres entradas y produce un 1 en una de las ocho (octal) salidas correspondientes a ese código. A veces se hace referencia al circuito como un decod decodif if icador 1 de 8 , porque una de las 8 salidas se activa a la vez. A continuación se muestra la tabla funcional para este decodificador (74138).
DEC 0 1 2 3 4 5 6 7
A 0 0 0 0 1 1 1 1
B 0 0 1 1 0 0 1 1
C O0 O1 O2 O3 O4 O5 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0
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O6 0 0 0 0 0 0 1 0
O7 0 0 0 0 0 0 0 1
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El circuito correspondiente correspondiente es:
9.1.1 DECODIFICADOR BCD A 7 SEGMENTOS. Algunos despliegues numéricos usan una configuración de 7 segmentos, Figura 4a , para producir los caracteres decimales 0-9. Cada segmento puede ser un diodo emisor de luz (LED - Light Emisor Diode). La F igura b muestra los patrones de los segmentos que se usan para desplegar los l os diferentes dígitos. Por ejemplo, para desplegar el número 6, los segmentos c, d, e, f y g se activan mientras los segmentos a y b no lo están.
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TALLER I
Un decodificador/manejador BCD á 7 segmentos, se usa para tomar una ma l , después de pasar corriente entrada BCD de 4 bits y desplegar el dígi to deci mal por los segmentos apropiados. La lógica para este decodificador es más complicada que aquellas examinadas previamente, porque cada salida se activa para más de una combinación de entrada. Por ejemplo, el segmento e debe activarse para cualesquiera de los dígitos 0, 2, 6 y 8, lo que ocurre en cualesquiera de los códigos 0000, 0010, 0110 o 1000. La siguiente tabla funcional, presenta la relación de entrada en BCD y la activación de los segmentos desplegados.
CÓDIGO BCD EXHIB CÓDIGO EXHIBIDOR IDOR DE 7 SEGMEN SEGMENTOS TOS A B C D a b c d e f g 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 2 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 3 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 4 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 5 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 6 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 7 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 8 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 9 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 10 x x x x x x x 15 x x x x x x x
DEC
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La Figura muestra un decodificador BCD a 7 segmentos ( TTL 7446 o 7447) que se usa para manejar una lectura con diodos emisores de luz de 7 segmentos. Cada segmento consiste de uno o dos diodos emisores de luz. luz. Los Los ánodos de los diodos están todos conectados a Vcc (+5 volts). Los cátodos de los mismos están conectados a través de resistencias limitadoras de corriente a las salidas apropiadas del decodificador. Este último tiene salidas activas 0 (bajas), las cuales son transistores de manejo con colector abierto , que pueden absorber corrientes bastante altas. Esto es porque las l as lecturas con diodos emisores de luz pueden requerir entre 10 y 40 mA por segmento, dependiendo del tipo y tamaño. Para ilustrar la operación de este circuito, supóngase que la entrada BCD es A=0, B=1, C=0 y D=1, que es 5 en BCD. Con estas entradas las salidas del decodificador a', f', g', c' y d' serán conducidas a 0 (conectadas a tierra), permitiendo que la corriente fluya a través de los segmentos a, f , g, c y d desplegando por consiguiente el numeral 5. Las salidas b y e estarán en 1 pueden condu cir (abiertas), así que los segmentos del diodo b y e no pueden .
9.2
LEDS Y DISPLAY DE 7 SEGMENTOS
9.2.1 INTRODUCCION Dentro de la familia de semiconductores hay uno que tiene la particular característica de emitir luz. La existencia de este tipo de dispositivos ha abierto un amplio campo de investigación. Este nuevo campo de investigación es la Optoelectrónica. La optoelectrónica es el nexo de unión entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos. En esta área juega un papel importante el LED. Que está cada vez mas de moda. Hoy en día parece imposible mirar cualquier aparato electrónico y no ver un panel lleno de luces o de dígitos mas, o menos espectaculares. Por ejemplo, la mayoría de los walkman disponen de un piloto rojo que nos avisa que
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las pilas ya han agotado y que deben cambiarse. Una forma más avanzada de LED: El LED láser es usado para generar el impulso luminoso que atraviesa las redes de fibra óptica, importante para las transmisiones de banda ancha. Otra importante aplicación de los Diodos Emisores de Luz es el Display de 7 Segmentos que se utiliza para mostrar información acerca del estado de un aparato electrónico. Básicamente es una forma de representar los dígitos del sistema numérico que utilizamos actualmente, (0-9). En este trabajo se estudian las características y funcionamiento de este dispositivo.
9.2.2 DIODO EMISOR DE LUZ Un LED (Light Emitting Diode- Diodo Emisor de Luz), es un dispositivo semiconductor que emite radiación visible, infrarroja o ultravioleta cuando se hace pasar un flujo de corriente eléctrica a través de este en sentido directo. Esencialmente es una unión PN cuyas regiones P y regiones N pueden estar hechas del mismo o diferente semiconductor. El color de la luz emitida está determinado por la energía del fotón, y en general, esta energía es aproximadamente aproximadamente igual a la energía de salto de banda del material semiconductor en la región activa del LED. Los elementos componentes de los LED's son transparentes o coloreados, de un material resina-epoxy, con la forma adecuada e incluye el corazón de un LED: el chip semiconductor. Los terminales se extienden por debajo de la cápsula del LED o foco e indican cómo deben ser conectados al circuito. circuito. El lado negativo está indicado de dos formas: 1) 2)
por la cara plana del foco o, por el de menor longitud. El terminal negativo debe ser conectado al terminal negativo de un circuito.
Los LED's operan con un voltaje relativamente bajo, entre 1 y 4 volts, y la corriente está en un rango entre 10 y 40 miliamperes. Voltajes y corrientes superiores a los indicados pueden derretir el chip del LED. La parte más importante del “light emitting diode” (LED) es el chip semiconductor localizado localizado en el centro del foco, como se ve en la figura. El chip tiene dos regiones separadas por una juntura. La región P está dominada por las cargas positivas, y la N por las negativas. La juntura actúa como una barrera al paso de los electrones entre la región P y la N; sólo cuando se aplica el
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TALLER I
voltaje suficiente al chip puede pasar la corriente y entonces los electrones pueden cruzar la juntura hacia la región P. Si la diferencia de potencial entre los terminales del LED no es suficiente, la juntura presenta una barrera eléctrica al flujo de electrones.
figura de un led y su chip semiconductor
El material que compone el diodo LED, es importante ya que el color de la luz emitida por el LED depende únicamente del material y del proceso de fabricación principalmente de los dopados. En la tabla adjunta (tabla a) aparecen algunos ejemplos de materiales utilizados junto con los colores conseguidos:
Material AsGa InGaAsP AsGaAl AsGaP InGaAlP Csi
Longitud de Onda 904 nm 1300 nm 750-850 nm 590 nm 560 nm 480 nm
Color IR IR Rojo Amarillo Verde Azul
Vd Típica 1V 1V 1,5 V 1,6 V 2,7 V 3V
TABLA A. MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE UN DIODO Y COLOR OBTENIDO
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TALLER I
Resulta difícil distinguir, por pura inspección visual, el modelo del LED así como el fabricante: los valores máximos de tensión y corriente que puede soportar y que suministra el fabricante serán por lo general desconocidos. Por esto, cuando se utilice un diodo LED en un circuito, se recomienda que la intensidad que lo atraviese no supere los 20 mA, precaución de carácter general que resulta muy válida. En la figura siguiente, se muestra el símbolo electrónico de este tipo de diodo. Las flechas indican la radiación emitida por el diodo.
SÍMBOLO ELECTRÓNICO DEL DIODO EMISOR DE LUZ (LED)
9.2.3 FUNCIONAMIENTO FÍSICO DE UN LED. Al polarizar directamente un diodo LED (figuras siguientes) conseguimos que por la unión PN sean inyectados huecos en el material tipo N y electrones en el material tipo P; produciéndose, por consiguiente una inyección de portadores minoritarios.
DIODO EMISOR DE LUZ CON LA UNIÓN POLARIZADA ENSENTIDO DIRECTO
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TALLER I
DIODO
EMISOR DE LUZ CON LA UNIÓN POLARIZADA EN SENTIDO DIRECTO.
Cuando estos portadores se recombinan, se produce la liberación de una cantidad de energía proporcional al salto de banda de energía del material semiconductor. Una parte de esta energía se libera en forma de luz, mientras que la parte restante lo hace en forma de calor, estando determinadas las proporciones por la mezcla de los procesos de recombinación que se producen. La energía contenida en un fotón de luz es proporcional a su frecuencia, es decir, su color. Cuanto mayor sea el salto de banda de energía del material semiconductor que forma el LED, más elevada será la frecuencia de la luz emitida. En el análisis de un circuito, el diodo LED puede ser tratado de manera análoga a un diodo normal. Sin embargo conviene tener en cuenta que los diodos LED no están fabricados de silicio monocristalino ya que el silicio monocristalino es incapaz de emitir fotones. Debido a ello, la tensión de polarización directa VD depende del material con el que este fabricado el diodo. Cuando se utilizan LED’s con tensión alterna se suele utilizar el esquema de la figura:
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TALLER I
DIODO LED EN ALTERMA
En este esquema se utiliza para que el diodo LED no se encuentre nunca polarizado en inversa. Al situar un diodo normal en antiparalelo, la tensión máxima en inversa entre las terminales del LED es de 0.7 volt. Esto se realiza así porque un diodo LED puede resultar dañado más fácilmente que un diodo normal cuando se le aplica una polarización inversa.
9.2.4 CONTROL DE UN LED Un LED puede ser activado por corriente continua, por impulsos o por corriente alterna.
9.2.4.1
POR CORRIENTE CONTINUA
El circuito típico empleado se mostró en la figura ante anterior. El control de la corriente se realiza por medio de la resistencia R y su valor es: R = (E – Vf)/ If Siendo E la tensión de alimentación, Vf la tensión en bornes del LED e If la corriente que lo atraviesa. La tensión E debe ser, por lo menos, dos veces la tensión Vf. Para los colores rojo, anaranjado y amarillo se recomienda un valor de If de 5 a 15 mA, mientras que para el verde se recomienda de 10 á 20 mA. Los parámetros para un LED de color azul son bastante diferentes, ya que presentan una Vf = 5v. y una corriente If de 60 mA para una intensidad luminosa de 50 mcd.
9.2.4.2 EN RÉGIMEN DE IMPULSOS. Éste es el método más empleado, ya que el LED presenta una mayor fiabilidad y ofrece las siguientes ventajas frente al método anterior:
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a) b)
La intensidad luminosa puede ajustarse variando la amplitud o el ancho del impulso aplicado. Genera mayor intensidad luminosa para una misma corriente media.
¿ Cómo se determina la amplitud de los impulsos? Cuando se realiza el control del LED por impulsos hay que determinar la amplitud de los mismos de la siguiente manera: 1. 2. 3.
Determinar la frecuencia y la duración del ciclo definidos por la aplicación. Basándose en gráficas de los fabricantes, determinar la relación entre la corriente máxima de pico y la corriente directa máxima. Con ayuda de las gráficas también, determinar la corriente directa máxima. Este valor disminuye para temperaturas mayores de 50 ºC.
Comparando con el control por corriente continua, para la misma corriente media, el control por impulsos ofrece una mayor intensidad luminosa media y una menor disipación de potencia. El funcionamiento con impulsos de los LED’s provoca un fenómeno de percepción conocido como “ luz enriquecida “. Este fenómeno es debido en parte a la retención del ojo de altos niveles de brillo, como los producidos por un destello de luz. Este fenómeno sólo aparece en los dispositivos de GaAsP debido a que este material no satura en condiciones de elevadas corrientes. Cuando el ojo humano es el detector de la energía visible, la menor energía es consumida en funcionamiento con impulsos. Esto es una ventaja especialmente importante en equipos alimentados por baterías y cuando hay que controlar grandes conjuntos de LED’s.
9.2.4.3 EN CORRIENTE ALTERNA. Cuando un diodo LED se conecta a un circuito de alterna hay que prever una protección contra la tensión inversa si se espera exceder el valor máximo de Vr. 9.2.5 CARACTERÍSTICAS DE LOS LED Los parámetros que caracterizan el funcionamiento de un LED y que sirven de base para la elección del modelo más adecuado para la aplicación concreta a que se le va a destinar, son los siguientes: 9.2.5.1 EFICIENCIA. Es la relación entre la intensidad luminosa emitida, medida en unas unidades denominadas milicandelas (mcd) y la corriente eléctrica en mA que produce
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dicha radiación. Se representa por Iv. Los valores normales oscilan entre los 0,5 y 2 mcd á 20 mA. Pero los de alta eficiencia alcanzan hasta las 20 mcd á 10 mA. El color depende de la energía de los fotones y de la frecuencia de la radiación, existiendo tres que son los que han estandarizado la mayoría de los fabricantes, se trata del rojo, verde y amarillo-anaranjado. En el caso de LED de infrarrojos, la radiación no será visible y, por tanto, este factor no existirá. Para caracterizar la eficacia en la generación de fotones se definen una serie de parámetros:
9.2.5.2 EFICIENCIA CUANTICA INTERNA Es la relación entre el número de fotones generados y el número de portadores (electrones y huecos) que cruzan la unión PN y se recombinan. Este parámetro debe hacerse tan grande como sea posible. Su valor depende de las probabilidades relativas de los procesos de combinación radiante y combinación no radiante, que a su vez dependen de la estructura de la unión, el tipo de impurezas, y sobre todo, el material semiconductor. Sin embargo, la obtención de una alta eficacia cuántica interna no garantiza que la emisión de fotones del LED sea alta. La radiación generada en la unión es radiada en todas las direcciones. En especial que sea radiación generada en el interior del material pueda salir de él. A la relación entre el número de fotones emitidos y el número de portadores que cruzan la unión PN se le llama eficiencia cuántica externa. Las causas de que sea menor son tres: a) Solo la luz emitida en la dirección de la superficie entre el semiconductor y el aire es útil. b) En la superficie entre el semiconductor y el aire se pueden dar fenómenos de reflexión, quedando los fotones atrapados en el interior del material. c) Los fotones pueden ser absorbidos por el material para volverse a formar un par electrón-hueco.
9.2.5.3 LA DIRECTIVIDAD. Está definida por el máximo ángulo de observación de luz que permite el tipo concreto de LED, respecto al eje geométrico del mismo. Este parámetro depende de la forma del encapsulado, así como de la existencia o no de una lente amplificadora incluida en el mismo. En los modelos de mayor directividad este ángulo es pequeño y tienen la apariencia de producir una intensidad luminosa más elevada que los otros, en los que la luz se reparte sobre una superficie mucho mayor.
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Cada modelo de LED dispone de una curva de directividad en la que se representa el nivel de intensidad luminosa en función del ángulo de observación. Esta curva resulta de mucha utilidad para la elección de un modelo determinado.
9.2.5.4 EL EFECTO CRISTALINO Las lentes de los primeros LED’s fueron diseñadas para permitir el paso de la máxima cantidad de luz en la dirección perpendicular a la superficie de montaje. (ver figura)
EFECTOS PRODUCIDOS SEGÚN LA UTILIZACIÓN DE LA LENTE
Más tarde, la luz producida fue mayor y sus lentes se diseñaron para difundir la luz sobre una amplia área, permitiendo mayores ángulos de visibilidad. Posteriormente aparecieron en el mercado los LED’s de alta luminosidad y una gran variedad de lentes epoxy color rojo fueron incorporadas para difundir la luz en una amplia área de emisión, produciendo una sensación más agradable a la vista que las lentes que concentran la luz en un punto. La figura muestra los efectos de añadir cantidades de difusores rojos al material epoxy de la lente.
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EFECTOS AL AÑADIR DIFURSORES AL MATERIAL EPOXY
9.2.5.5 LA TENSIÓN DIRECTA (VF). Es el voltaje que se produce entre los dos terminales del LED cuando le atraviesa la corriente de excitación. Esta comprendida entre 1,5 y 2,2 v. para la mayoría de los modelos. 9.2.5.6 LA CORRIENTE INVERSA (IR). Es la máxima corriente que es capaz de circular por el LED cuando se le somete a una polarización inversa. Valores típicos de este parámetro se encuentran alrededor de los 10 uA. 9.2.5.7 DISIPACIÓN DE POTENCIA. Es la fracción de la potencia que absorbe el LED y no transforma en radiación visible, teniéndola que disipar al ambiente en forma de calor. En las aplicaciones clásicas de los LED’s se necesita una resistencia en serie con el mismo, con la misión de limitar la corriente que circula por él. 9.2.5.8 IDENTIFICACIÓN. La indicación de la polaridad de los terminales se realiza haciendo que el terminal que corresponde al ánodo tenga una longitud mayor que el del cátodo. Además, se añade un pequeño aplanamiento en la cápsula en una zona próxima al terminal catódico. Y si no se identifica, hay que fijarse en los terminales interiores, uno es más pequeño que el otro. Ese es el ánodo. Y como último recurso recurre al ohmiómetro de tu polímetro. Harás dos medidas cambiando las pinzas y si está bien obtendrás dos medidas de ohmios: una próxima a cero y otra de un valor óhmico alto.
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9.2.5.9 FIABILIDAD DE LOS LED’S Existen tres tipos de fallos: a) b) c) • •
Fallo infantil: El LED se destruye durante el quemado inicial (“burn in”) debido a fallos en el proceso de fabricación. Fallo por malformación: “freak failure”; el LED se destruye después del (“burn in”) debido a fallos no manifestados hasta ese momento. Fallo por envejecimiento: El LED se degrada y envejece tonel tiempo. Para comunicaciones interesa conocer la pérdida de potencia con el tiempo. La degradación con el tiempo se debe a un aumento de la recombinación no radiante (en los LED’s este fallo es catastrófico).
9.2.6 FORMATOS Y VARIEDADES DE LOS LED’S. Existe una gran variedad de formas, intensidades luminosas, dimensiones, colores, etc. Hay diversas empresas que ofrecen dispositivos que mejoran la eficiencia en la utilización de los LED, creando un soporte externo a éste que en la mayoría de casos es más bien de tipo mecánico. Por ejemplo, una de ellas, además de los LED’s con encapsulado SMD, los intermitentes que incorporan un circuito integrado en su interior para generar intermitencias de 3 Hz., y las matrices de LED’s miniatura, se dedica a fabricar principalmente reflectores, monturas, soportes, LED’s con cablecillos, etc. Diferentes formas de representación de caracteres con LED’s. (Ver figuras)
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TALLER I
ESQUEMAS DE APLICACIONES DE LED’S. DISPLAY DE 7 SEGMENTOS
ESQUEMAS DE APLICACIONES DE LED’S
9.2.7 EL DISPLAY DE 7 SEGMENTOS Una de las aplicaciones más populares de los LED’s es la de señalización. Quizás la más utilizada sea la de 7 LED’s colocadas en forma de ocho tal y como se indica en la figura siguiente. Aunque externamente su forma difiere
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TALLER I
considerablemente de un diodo LED típico, internamente están constituidos por una serie de diodos LED con unas determinadas conexiones internas. En la figura se indica el esquema eléctrico de las conexiones del interior de un indicador luminoso de 7 segmentos.
DISPLAY DE 7 SEGMENTOS. A LA IZQUIERDA APARECEN LAS DOS POSIBLES FORMAS DE CONSTRUIR EL CIRCUITO
En la figura se muestra un indicador de siete segmentos. Contiene siete LED rectangulares (a - g), en el que cada uno recibe el nombre de segmento porque forma parte del símbolo que esta mostrando. Con un indicador de siete segmentos se pueden formar los dígitos del 0 al 9, también las letras a, c, e y f y las letras minúsculas b y d. Los entrenadores de microprocesadores usan a menudo indicadores de siete segmentos para mostrar todos los dígitos del 0 al 9 más: a, b, d, d, e y f . Polarizando los diferentes diodos, se iluminarán los segmentos correspondientes. De esta manera podemos señalizar todos los números en base 10. Por ejemplo, si queremos representar el número 1 en el display deberemos mandar tensión a los diodos b y c, y los otros diodos deben de tener tensión cero. Esto lo podemos escribir así 0110000. El primer digito representa al diodo a, el segundo al b, el tercero al c, y así sucesivamente. Un cero representa que no polarizamos el diodo, es decir no le aplicamos tensión. Un uno representa que el diodo esta polarizado, y por lo tanto, emite luz. Muchas veces aparece un octavo segmento, entre paréntesis en el ejemplo anterior, que funciona como punto decimal (figura siguiente).
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TALLER I
OCTAVO SEGMENTO
CARACTERÍSTICAS Solidez: excelente Angulo de visibilidad: 150 grados Consumo por digito: 50 mW Vida media en horas: 100000 Luminosidad: buena Facilidad de montaje: excelente Vcc general: 1.5 volt. La Vcc depende del color del LED. Para un color rojo: Vcc = 1.7volt. Vcc máx = 2 volt. Dependiendo de la tensión aplicada obtendremos una intensidad. Es aconsejable no sobrepasar la Vcc recomendada. Si se alcanza la Vcc máxima se puede destruir el segmento.
9.2.7.1 PROTECCIÓN. Cada segmento (y el punto) es un LED como cualquier otro. Debido a esto la corriente media que se debe aplicar es de 15 mA. Dependiendo de la lógica que estemos empleando debemos utilizar una resistencia por cada entrada y así no forzar el dispositivo: Lógica TTL (5 volt): 220 Ω Lógica CMOS(12 volt): 680 Ω Esta resistencia debe ser situada en cada patilla, haciendo de puente entre la señal lógica de excitación y el display. Para solucionar estos problemas se han diseñado otros tipos distintos de "displays", llamados alfanuméricos. Existen dos tipos básicos:
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TALLER I
TEMA 10
IMPLEMENTACION DE LA ETAPA DE CONTROL 10.1
INTRODUCCION
La etapa de control es la etapa de administración de un circuito electrónico. Verifica, comprueba todas las cosas ocurren de conformidad al diseño electrónico planificado adoptado, las instrucciones transmitidas y los principios establecidos. Su objetivo es localizar los puntos débiles y los errores para rectificarlos y evitar su repetición. El proceso de control consiste en medir el desempeño real, compara el desempeño real con un estándar; toma la acción administrativa para corregir desviaciones o estándares inadecuados. Etapa que garantiza que las actividades reales se ajusten a las actividades planeadas. 10.2 DISEÑO DE LA ETAPA DE CONTROL El diseño y la complejidad del circuito de control responderá a las necesidades del circuito electrónico deseado. Entre el tipo de elección tenemos: - Etapa de control análogo ó digital - Etapa de control con hardware ó software - Control manual o automático 10.3. EJEMPLOS 10.3.1 CONTROL DE POTENCIA CON RELÉS El relé es un dispositivo mecánico capaz de comandar cargas pesadas a partir de una pequeña tensión aplicada a su bobina. Básicamente la bobina contenida en su interior genera un campo magnético que acciona el interruptor mecánico. Ese interruptor es el encargado de manejar la potencia en sí, quedando al circuito electrónico la labor de "mover" la bobina. Permite así aislar mecánicamente la sección de potencia de la de control. Pero para accionar la bobina la corriente y tensión presente en un puerto paralelo no es suficiente.
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TALLER I
Este circuito es extremadamente simple y permite manejar ocho relés con bobinas de 12V a partir de los pines de un puerto paralelo. Podemos decir que TODOS los componentes de protección y limitación de corriente, además de los transistores de potencia, están incluidos dentro del circuito integrado. Si "miramos con la lupa" podremos ver en el interior del chip ULN2803 ocho esquemas como el de abajo, uno para cada uno de los canales.
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Es normal que la cápsula de este circuito integrado esté tibia con respecto a la temperatura ambiente. Se debe, como era de suponerse, a que la corriente requerida por cada relé pasa por sus "entrañas" y, como sabemos, el manejo de corriente genera calor. Con las llaves de cada relé el usuario puede manejar lo que le plazca, siempre que no exceda las especificaciones de tensión y corriente para la cual están diseñadas. De requerir mayores potencias se puede emplear el relé para accionar un contactor industrial ú otro relé de mayor corriente. Es una buena práctica colocar en cada relé un fusible de protección. Siempre es más simple cambiar un fusible que desoldar un relé o reparar pistas de un circuito impreso. 10.3.2 CONTROL DE GRAVES Y AGUDOS Este control de tonos tiene dos potenciómetros que permiten ajustar la presencia de graves y agudos en una señal de audio.
Se utiliza un circuito integrado de altas prestaciones para audio que contiene en su pastilla dos amplificadores operacionales. Se trata del NE5532, el cual se alimenta con +/- 15V. El potenciómetro de 50K a la entrada establece el nivel de entrada o sensibilidad del sistema. El preset de 20K primeramente debe situarse al centro de su cursor. Si se presentasen distorsión o deformaciones en el audio disminuir éste hasta lograr una reproducción fiel. El potenciómetro de 100K ajusta la cantidad de graves, mientras que el de 10K hace lo mismo con los agudos.
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TALLER I
Como la alimentación es simétrica por el terminal 4 del integrado (Marcado GND en la imagen de arriba) debe ir a -15V mientras que el terminal 8 (Marcado como Vcc) debe ir a +15V. La masa debe cablearse a 0V, que en integrado no se conecta mas que a la entrada no inversora del segundo operacional (terminal 5). 10.3.3 CONTROL DE TEMPERATURA Este circuito mantendrá la temperatura de la habitación a un nivel agradable que depende del termistor (resistencia que varía su valor de acuerdo a la temperatura). Si sube la temperatura, más rápido gira el ventilador. Hay que cuidar que la temperatura no tenga siempre al ventilador al máximo. Esto se controla variando, si es necesario, la resistencia de 2.7 K. El temporizador esta conectado como oscilador y la frecuencia base es establecida por las 2 resistencias de 100 K y el condensador de 0.047 uF El termistor, al variar el valor de su resistencia dependiendo de la temperatura ambiente, varía el valor del nivel de voltaje que se aplica a la patilla # 5 (control) del temporizador 555. Esto causa que la frecuencia a la que oscila el temporizador se modifique de su valor base establecido. La salida de este oscilador (patilla # 3 del 555) es aplicada a un transistor que a su vez maneja el pequeño motor eléctrico de ventilador de 12 Voltios.
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TALLER I
10.3.4
CIRCUITO DE CONTROL DE UN SISTEMA DE ALARMA
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TALLER I
TEMA 11
EL TRANSISTOR EN CORTE Y SATURACION 11.1
EL TRANSISTOR EN CONMUTACION
Tenemos un interruptor en posición 1, abierto: IB = 0 IC = 0 CORTE (el transistor no conduce) Recta de carga:
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TALLER I
Esto era lo ideal, lo exacto sería:
Pero para electrónica digital no tiene mucha importancia ese pequeño margen, por lo tanto se desprecia. Interruptor en posición 2:
Finalmente tenemos una gráfica de la siguiente forma:
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Aplicación: Si tenemos en la entrada una onda cuadrada.
Invierte la Vsal, invierte la onda de entrada en la salida. Ese circuito se utiliza en electrónica digital.
A ese circuito le llamábamos "Circuito de polarización de base", que era bueno para corte y saturación, para conmutación. Pero este que hemos hecho no es exacto, lo exacto es:
Entonces se cogen los márgenes, pero como están muy separados se desprecia y no se le da importancia a ese pequeño error.
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TALLER I
TEMA 12
OPTOACOPLADORES
12.1 DEFINICION Los optoacopladores son conjuntos integrados de componentes que permiten el acoplamiento de señales desde un circuito a otro por medio de luz visible o infrarroja.
Se les conoce también por el nombre de optoaisladores, debido a que los circuitos en acoplo permanecen en completo aislamiento eléctrico. 12.2 VENTAJAS. Además de permitir aislamiento eléctrico entre dos circuitos, los optoacopladores son de reducido tamaño (vienen como CI´s), son de reducido tamaño, muy confiables, de bajo precio y tienen total compatibilidad con los circuitos digitales. 12.3 CONSTITUCION. Todos los optoacopladores contienen un dispositivo emisor de señal luminosa (normalmente un diodo LED) y un dispositivo receptor de la misma señal (puede ser un fotodiodo, o un fototransistor, o un par de transistores en configuración fotoD´Arlington, o un fotoFET, o un fotoDIAC, o un fotoSCR o un fotoTRIAC o incluso una puerta fotosensible NAND de colector abierto). 12.4 APLICACIONES. Gran aplicación como interfaces entre circuitos digitales de una misma familia o entre circuitos digitales de distintas familias o entre un circuito digital y otro analógico (por ejemplo entre un circuito digital y un circuito analógico de carga de gran potencia o entre una fuente de tensión y un circuito digital).
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TALLER I
12.5
CODIGOS COMUNES.
4N26 - 4N33 - MOC3021 - MOC3041 - MOC3163 Fundamentalmente este dispositivo está formado por una fuente emisora de luz, y un fotosensor de silicio, que se adapta a la sensibilidad espectral del emisor luminoso. 12.6
DATOS DE ALGUNOS OPTOAPLADORES
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12.7
TIPOS
Existen varios tipos de optoacopladores cuya diferencia entre sí depende de los dispositivos de salida que se inserten en el componente. Según esto tenemos los siguientes tipos:
-
-
Fototransistor: o lineal, conmuta una variación de corriente de entrada en una variación de tensión de salida. Se utiliza en acoplamientos de líneas telefónicas, periféricos, audio. Optotiristor: Diseñado para aplicaciones donde sea preciso un aislamiento entre una señal lógica y la red. Optotriac: Al igual que el optotiristor, se utiliza para aislar una circuitería de baja tensión a la red.
En general pueden sustituir a relés ya que tienen una velocidad de conmutación mayor, así como, la ausencia de rebotes.
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TALLER I
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TALLER I
12.8
ENCAPSULADOS
El encapsulado varia en función del tipo de optoacoplador y de su aplicación, así como del número de unidades que se encuentren en su interior. En el caso de optoacopladores sencillos la cápsula, de tipo DIL, suele tener 6 patillas, siendo estos los más utilizados (observa en la figura su construcción interna). Los dobles, también de tipo DIL tienen 8 pines; algunos pueden tener hasta cuatro unidades en cápsulas DIL de 16 patillas.
Normalmente, los pines del elemento emisor están a un lado de la cápsula y los del sensor en el lado opuesto. Existen unos encapsulados diferentes en los que, físicamente se puede interrumpir el haz luminoso (usados para control de posición, nº de revoluciones, cerraduras...). De esta forma el encapsulado presenta una ranura entre el emisor y el receptor. Se les denomina de cápsula ranurada o fotocélulas de herradura.
12.9
APLICACION DE UN OPTOACOPLADOR CASO CONCRETO: EL SENSOR OPTICO POR REFLEXION CNY70
Este optoacoplador por reflexión se ha vuelto muy popular en aplicaciones educativas y mini-robótica, además de que su costo es mínimo y fácil de conseguir. Además de que tanto el emisor y el detector, se encuentran en el mismo encapsulado con dimensiones de tan solo 7mm x 7mm. Las hojas de especificaciones las pueden encontrar con cualquier buscador de internet o ir directamente a la página: www.vishay.com que es la empresa que lo fabrica actualmente.
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TALLER I
Antes que nada debemos conocer su interior y funcionamiento, sobre todo tener en mente la aplicación que implementaremos con él. Una de las más sencillas es la de poder distinguir por reflexión entre los colores blanco y negro, lo cual es muy útil en los mini-robots sigue líneas. Ver figuras. En su interior dispone de un diodo emisor de luz infrarroja y un receptor en forma de fototransistor. Como pueden darse cuenta, no sólo es importante que se polaricen adecuadamente, sino también la distancia "d" a la cual estarán colocados de la superficie reflectante, la cual es recomendable no esté a más de 5mm para este dispositivo. Proseguiremos con el conexionado, debemos procurar que tanto el emisor como el receptor operen dentro de las regiones óptimas de funcionamiento. Para ello, el emisor deberá conectarse a una resistencia limitadora de corriente
Observando las características del diodo emisor vemos que soporta unos 50mA, como máximo, y tendrá una caída de tensión de 1,6 voltios y una potencia máxima de 100mW. En la figura 3 vemos que sin ningún problema podemos aplicar un voltaje de 5 volts y asignar a la resistencia un valor de 220 ohms, si hacemos los cálculos la corriente que circulará por ese circuito será: Ifr = (5V - 1.6V)/220 ohm = 15 miliamperes
Y aproximadamente disipará 25mW. Con ese valor no tendrá ningún problema en el funcionamiento ya que ha dado muy buenos resultados para poder lograr la discriminación entre áreas negras y blancas.
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TALLER I
El transistor será conectado como un seguidor de señal, eso es con una resistencia en el emisor conectada a tierra, como se ven en la figura 4
LA CORRIENTE MAXIMA DEL TRANSISTOR ES DE UNOS 50mA Y LA POTENCIA MAXIMA ES DE 100mW
Teóricamente atravesará por el transistor al conducir unos 0,1mA. El fototransistor tiene una caída de tensión, de aproximadamente 1V con lo cual la corriente se reduce un poco. La tensión, al saturarse el transistor, será aproximadamente de unos 4V, y la de corte de unos 0V y la potencia disipada rondará los 0,1mW. El valor propuesto del resistor puede cambiar y puede ser como mínimo de 10 kohms y aún da buenos resultados pero arrojará valores de voltaje que rondarán aproximadamente los 2.5 volts en condiciones de buena reflexión. Quizá se preguntarán qué ocurre en la transición entre el blanco y negro, cuáles serán las variaciones intermedias y si no presentará a su salida, fluctuaciones que impidan su conexionado a alguna lógica (TTL o CMOS) lo cual es ideal para aplicaciones robóticas. Para responder a eso no es necesario recurrir a filtros o circuitos complicados, para ello podemos recurrir a una etapa de acoplamiento con una compuerta con disparador Schmitt-Trigger la cual nos ayudará a discriminar las variaciones indeseadas debidas a ruidos, interferencias u otros. Si se dan cuenta ahora si es posible acoplarla a una etapa lógica de algún circuito de control o microcontrolador.
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TALLER I
En la figura 5 se observa el circuito completo del sensor reflectivo
¿Y cómo funciona? Al estar sobre una superficie negra, ésta absorbe la radiación luminosa la cual no llegará al fototransistor o por lo menos no en los niveles necesarios para entrar en saturación, como consecuencia la entrada al disparador estará prácticamente a nivel de 0 volt y su salida estará en un nivel lógico "1" ó 5 volts. Para una superficie blanca las condiciones cambian, se presenta alta reflectividad por lo cual la radiación luminosa alcanza al fototransistor llevándolo a saturación o a conducir niveles de corriente suficientes que provocarán en el resistor de emisor una caída de voltaje que superarán el umbral de cambio en el disparador, presentándose a su salida un nivel lógico "0" ó de 0 volts. Si analizamos el circuito, su respuesta y su sencillez podemos darle un sin fin de aplicaciones y no sólo la de distinguir entre los colores blanco y negro: -
-
Sigue líneas en mini-robots Lector de discos codificados Sensor de proximidad Sensor de obstáculos, etc.
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TALLER I
TEMA 13
CIRCUITOS DE POTENCIA 13.1
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al de los transistores normales, teniendo como características especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar. Existen tres tipos de transistores de potencia: • • •
bipolar. unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo). IGBT.
Parámetros
MOS
Impedancia de entrada
Alta (1010 ohmios) Media (104 ohmios)
Ganancia en corriente
Alta (107)
Media (10-100)
Resistencia ON (saturación)
Media / alta
Baja
Resistencia OFF (corte)
Alta
Alta
Voltaje aplicable
Alto (1000 V)
Alto (1200 V)
Máxima temperatura de operación Alta (200ºC)
Bipolar
Media (150ºC)
Frecuencia de trabajo
Alta (100-500 Khz) Baja (10-80 Khz)
Coste
Alto
Medio
El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS, más la capacidad de carga en corriente de los transistores bipolares: • • •
Trabaja con tensión. Tiempos de conmutación bajos. Disipación mucho mayor (como los bipolares).
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TALLER I
Una limitación importante de todos los dispositivos de potencia y concretamente de los transistores bipolares, es que el paso de bloqueo a conducción y viceversa no se hace instantáneamente, sino que siempre hay un retardo (ton , toff). Las causas fundamentales de estos retardos son las capacidades asociadas a las uniones colector - base y base - emisor y los tiempos de difusión y recombinación de los portadores.
13.1.1 PRINCIPIOS BASICOS DE FUNCIONAMIENTO La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el modo de actuación sobre el terminal de control. En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base para regular la corriente de colector, mientras que en el FET el control se hace mediante la aplicación de una tensión entre puerta y fuente. Esta diferencia viene determinada por la estructura interna de ambos dispositivos, que son substancialmente distintas. Es una característica común, sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el terminal de control (base o puerta) es siempre más pequeña que la potencia manejada en los otros dos terminales. En resumen, destacamos tres cosas fundamentales: • • •
En un transistor bipolar I B controla la magnitud de I C. En un FET, la tensión V GS controla la corriente ID. En ambos casos, con una potencia pequeña puede controlarse otra bastante mayor.
13.1.2 TIEMPOS DE CONMUTACIÓN Cuando el transistor está en saturación o en corte las pérdidas son despreciables. Pero si tenemos en cuenta los efectos de retardo de conmutación, al cambiar de un estado a otro se produce un pico de potencia disipada, ya que en esos instantes el producto IC x VCE va a tener un valor apreciable, por lo que la potencia media de pérdidas en el transistor va a ser mayor. Estas pérdidas aumentan con la frecuencia de trabajo, debido a que al aumentar ésta, también lo hace el número de veces que se produce el paso de un estado a otro. Podremos distinguir entre tiempo de excitación o encendido (ton) y tiempo de apagado (toff). A su vez, cada uno de estos tiempos se puede dividir en otros dos.
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TALLER I
Es de hacer notar el hecho de que el tiempo de apagado (toff) será siempre mayor que el tiempo de encendido (ton).
13.1.3 MODOS DE TRABAJO Existen cuatro condiciones de polarización posibles. Dependiendo del sentido o signo de los voltajes de polarización en cada una de las uniones del transistor pueden ser:
•
•
•
•
Región activa directa : Corresponde a una polarización directa de la unión emisor - base y a una polarización inversa de la unión colector base. Esta es la región de operación normal del transistor para amplificación. Región activa inversa : Corresponde a una polarización inversa de la unión emisor - base y a una polarización directa de la unión colector base. Esta región es usada raramente. Región de corte : Corresponde a una polarización inversa de ambas uniones. La operación en ésta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo apagado, pues el transistor actúa como un interruptor abierto (IC = 0). Región de satur ación : Corresponde a una polarización directa de ambas uniones. La operación en esta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo encendido, pues el transistor actúa como un interruptor cerrado (VCE = 0).
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TALLER I
13.1.4 EFECTO PRODUCIDO POR CARGA INDUCTIVA. PROTECCIONES. Las cargas inductivas someten a los transistores a las condiciones de trabajo más desfavorables dentro de la zona activa.
En el diagrama superior se han representado los diferentes puntos idealizados de funcionamiento del transistor en corte y saturación. Para una carga resistiva, el transistor pasará de corte a saturación. Para una carga resistiva, el transistor pasará de corte a saturación por la recta que va desde A hasta C, y de saturación a corte desde C hasta A. Sin embargo, con una carga inductiva como en el circuito anterior el transistor pasa a saturación recorriendo la curva ABC, mientras que el paso a corte lo hace por el tramo CDA. Puede verse que este último paso lo hace después de una profunda incursión en la zona activa que podría fácilmente sobrepasar el límite de avalancha secundaria, con valor VCE muy superior al valor de la fuente (Vcc). Para proteger al transistor y evitar su degradación se utilizan en la práctica varios circuitos, que se muestran a continuación:
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TALLER I
a)
Diodo Zener en paralelo con el transistor (la tensión nominal zener ha de ser superior a la tensión de la fuente Vcc).
b)
Diodo en antiparalelo con la carga R-L.
c)
Red R-C polarizada en paralelo con el transistor (red snubber).
Las dos primeras limitan la tensión en el transistor durante el paso de saturación a corte, proporcionando a través de los diodos un camino para la circulación de la intensidad inductiva de la carga. En la tercera protección, al cortarse el transistor la intensidad inductiva sigue pasando por el diodo y por el condensador C S, el cual tiende a cargarse a una tensión Vcc. Diseñando adecuadamente la red R-C se consigue que la tensión en el transistor durante la conmutación sea inferior a la de la fuente, alejándose su funcionamiento de los límites por disipación y por avalancha secundaria. Cuando el transistor pasa a saturación el condensador se descarga a través de R S.
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TALLER I
El efecto producido al incorporar la red snubber es la que se puede apreciar en la figura adjunta, donde vemos que con esta red, el paso de saturación (punto A) a corte (punto B) se produce de forma más directa y sin alcanzar valores de V CE superiores a la fuente Vcc. Para el cálculo de CS podemos suponer, despreciando las pérdidas, que la energía almacenada en la bobina L antes del bloqueo debe haberse transferido a C S cuando la intensidad de colector se anule. Por tanto:
de donde :
Para calcular el valor de R S hemos de tener en cuenta que el condensador ha de estar descargado totalmente en el siguiente proceso de bloqueo, por lo que la constante de tiempo de R S y CS ha de ser menor (por ejemplo una quinta parte) que el tiempo que permanece en saturación el transistor :
13.1.5 ATAQUE Y PROTECCIÓN DEL TRANSISTOR DE POTENCIA Como hemos visto anteriormente, los tiempos de conmutación limitan el funcionamiento del transistor, por lo que nos interesaría reducir su efecto en la medida de lo posible.
Los tiempos de conmutación pueden ser reducidos mediante una modificación en la señal de base, tal y como se muestra en la figura anterior.
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TALLER I
Puede verse como el semiciclo positivo está formado por un tramo de mayor amplitud que ayude al transistor a pasar a saturación (y por tanto reduce el ton) y uno de amplitud suficiente para mantener saturado el transistor (de este modo la potencia disipada no será excesiva y el tiempo de almacenamiento no aumentará). El otro semiciclo comienza con un valor negativo que disminuye el toff, y una vez que el transistor está en corte, se hace cero para evitar pérdidas de potencia. En consecuencia, si queremos que un transistor que actúa en conmutación lo haga lo más rápidamente posible y con menores pérdidas, lo ideal sería atacar la base del dispositivo con una señal como el de la figura anterior. Para esto se puede emplear el circuito de la figura siguiente.
En estas condiciones, la intensidad de base aplicada tendrá la forma indicada a continuación:
Durante el semiperiodo t1, la tensión de entrada (Ve) se mantiene a un valor Ve (máx). En estas condiciones la V BE es de unos 0.7 v y el condensador C se carga a una tensión VC de valor:
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TALLER I
Debido a que las resistencias R1 y R2 actúan como un divisor de tensión. La constante de aproximadamente:
tiempo
con
que
se
cargará
el
condensador
será
Con el condensador ya cargado a V C, la intensidad de base se estabiliza a un valor IB que vale:
En el instante en que la tensión de entrada pasa a valer -Ve(min), tenemos el condensador cargado a VC, y la VBE = 0.7 v. Ambos valores se suman a la tensión de entrada, lo que produce el pico negativo de intensidad I B (mín):
A partir de ese instante el condensador se descarga a través de R 2 con una constante de tiempo de valor R 2C. Para que todo lo anterior sea realmente efectivo, debe cumplirse que:
con esto nos aseguramos que el condensador está cargado cuando apliquemos la señal negativa. Así, obtendremos finalmente una frecuencia máxima de funcionamiento:
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TALLER I
Un circuito más serio es el de Control Antisaturación:
El tiempo de saturación (tS)será proporcional a la intensidad de base, y mediante una suave saturación lograremos reducir t S :
Inicialmente tenemos que:
En estas condiciones conduce D 2, con lo que la intensidad de colector pasa a tener un valor:
Si imponemos como condición que la tensión de codo del diodo D 1 sea mayor que la del diodo D 2, obtendremos que I C sea mayor que I L:
197
TALLER I
En lo que respecta a la protección por red snubber, ya se ha visto anteriormente.
13.2
TIRISTORES
13.2.1 SCR (RECTIFICADOR (RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO) SILICIO) Dentro de la familia de dispositivos pnpn, el rectificador controlado de silicio (SCR) es, sin duda, el de mayor interés hoy en día, y fue presentado por primera vez en 1956 por los Bell Telephone Laboratories. Algunas de las áreas más comunes de aplicación de los SCR incluye controles de relevador, circuitos de retardo de tiempo, fuentes de alimentación reguladas, interruptores estáticos, controles de motores, recortadores, inversores, cicloconversores, cargadores de baterías, circuitos de protección, controles de calefacción y controles de fase. En años recientes han sido deseñados SCR para controlar potencias tan altas de hasta 10 MW y con valores individuales tan altos como de 2000 A a 1800 V. Su rango de frecuencia de aplicación también ha sido extendido a cerca de 50 kHz, lo que ha permitido algunas aplicaciones de alta frecuencia.
13.2.1.1 OPERACIÓN BÁSICA DEL SCR Como su nombre lo indica, el SCR es un rectificador construido con material de silicio con una tercera terminal para efecto de control. Se escogió el silicio debido a sus capacidades de alta temperatura y potencia. La operación básica del SCR es diferente de la del diodo semiconductor de dos capas fundamental, en que una tercera terminal, llamada compuerta, determina cuándo el rectificador conmuta del estado de circuito abierto al de circuito cerrado. No es suficiente sólo la polarización directa del ánodo al cátodo del dispositivo. En la región de conducción, la resistencia dinámica dinámica el SCR es típicamente de 0.01 a 0.1 . La resist resisten encia cia inve inversa rsa es típ típic icam amen ente te de de 100 100 k o más. más. Las conexiones correspondientes a la estructura de semiconductor de cuatro capas se muestra en la siguiente figura y el símbolo gráfico para el SCR se muestra en la figura a continuación.
Construcción básica del SCR.
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TALLER I
Símbolo del SCR.
13.2.1.2 CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS Y VALORES NOMINALES DEL SCR En la gráfica siguiente se proporcionan las características de un SCR para diversos valores de corriente de compuerta. Las corrientes y voltajes más usados se indican en la curva característica.
Características del SCR.
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TALLER I
1.
Voltaje de ruptura directo V(BR) F* es el voltaje por arriba del cual el SCR entra a la región de conducción. El asterisco (*) es una letra que se agregará dependiendo de la condición de la terminal de compuesta de la manera siguiente: O = circuito abierto de G a K S = circuito cerrado de G a K R = resistencia de G a K V = Polarización fija (voltaje) de G a K
2.
Corriente de sostenimiento (IH) es el valor de corriente por abajo del cual el SCR cambia del estado de conducción a la región de bloqueo directo bajo las condiciones establecidas.
3.
Regiones de bloqueo directo e inverso son las regiones que corresponden a la condición de circuito abierto para el rectificador controlado que bloquean el flujo de carga (corriente) del ánodo al cátodo.
4.
Voltaje de ruptura inverso es equivalente al voltaje Zener o a la región de avalancha del diodo semiconductor de dos capas fundamental.
13.2.1.3 APLICACIONES DEL SCR Tiene variedad de aplicaciones entre ellas están las siguientes:
• • • • • • • • • • • •
Controles de relevador. Circuitos de retardo de tiempo. Fuentes de alimentación reguladas. Interruptores estáticos. Controles de motores. Recortadores. Inversores. Cicloconversores. Cargadores de baterías. Circuitos de protección. Controles de calefacción. Controles de fase.
En la figura a siguiente se muestra un interruptor estático es serie de medida de media onda. Si el interruptor está cerrado, como se presenta en la figura b, la corriente de compuerta fluirá durante la parte positiva de la señal de entrada,
200
TALLER I
encendiendo al SCR. La resistencia R1 limita la magnitud de la corriente de compuerta. Cuando el SCR se enciende, el voltaje ánodo a cátodo (VF) caerá al valor de conducción, dando como resultado una corriente de compuerta muy reducida y muy poca pérdida en el circuito de compuerta. Para la región negativa de la señal de entrada el SCR se apagará, debido a que el ánodo es negativo respecto al cátodo. Se incluye al diodo D 1 para prevenir una inversión en la corriente de compuerta. Las formas de onda para la corriente y voltaje de carga resultantes se muestran en la figura b. El resultado es una señal rectificada de media onda a través de la carga. Si se desea conducción a menos de 180º, el interruptor se puede cerrar en cualquier desplazamiento de fase durante la parte positiva de la señal de entrada. El interruptor puede ser electrónico, electromagnético, dependiendo de la aplicación.
a)
b) Interruptor estático en serie de media onda.
En la figura c se muestra un circuito capaz de establecer un ángulo de conducción entre 90º y 180º. El circuito es similar al de la figura a, con excepción de la resistencia variable y la eliminación del interruptor. La combinación de las resistencias R y R 1 limitará la corriente de compuerta durante la parte positiva de la señal de entrada. Si R 1 está en su valor máximo, la corriente de compuerta nunca llegará a alcanzar la magnitud de encendido. Conforme R 1 disminuye desde el máximo, la corriente de compuerta se incrementará a partir del mismo voltaje de entrada.
201
TALLER I
De esta forma se puede establecer la corriente de compuerta requerida para el encendido en cualquier punto entre 0º y 90º, como se muestra en la figura d. Si R 1 es bajo, el SCR se disparará de inmediato y resultará la misma acción que la obtenida del circuito de la figura d, el control no puede extenderse más allá de un desplazamiento de fase de 90º, debido a que la entrada está a su valor máximo en este punto. Si falla para disparar a éste y a menores valores del voltaje de entrada en la pendiente positiva de la entrada, se debe esperar la misma respuesta para la parte de pendiente negativa de la forma de onda de la señal. A esta operación se le menciona normalmente en términos técnicos como control de fase de media onda por resistencia variable. Es un método efectivo para controlar la corriente rms y, por tanto, la potencia se dirige hacia la carga.
c)
d) Control de fase de resistencia variable de media onda.
13.2.2 TRIAC 13.2.2.1 FUNCIONAMIENTO Y CARACTERISTICAS El triac es fundamentalmente una combinación paralela inversa de dos terminales de capas de semiconductor que permiten el disparo en cualquier dirección con una terminal de compuerta para controlar las condiciones de encendido bilateral del dispositivo en cualquier dirección. En otras palabras, para cualquier dirección, la corriente de compuerta puede controlar la acción del dispositivo en una forma muy similar a la mostrada para un SCR. Sin embargo, las características del triac en el primer y tercer cuadrante son algo diferentes como se muestran en la figura f siguiente. En la figura siguiente se proporciona el símbolo gráfico del dispositivo y las características. Para cada dirección de conducción posible hay una combinación
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TALLER I
de capas de semiconductor, cuyo estado será controlado por la señal aplicada a la terminal de compuerta.
e)
f) TRIAC e) símbolo; f) características.
En la siguiente figura se presenta una aplicación fundamental del triac. En esta condición está controlando la potencia de ac a la carga, encendiéndose y apagándose durante las regiones positiva y negativa de la señal senoidal de entrada. La ventaja de esta configuración es que durante la parte negativa de la señal de entrada resultará el mismo tipo de respuesta, porque tanto el diac como el triac pueden dispararse en dirección inversa.
Aplicación del triac: control de fase (potencia)
203
TALLER I
13.2.2.2 EJEMPLOS DE APLICACION CONTROL DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS POR EL PUERTO PARALELO DE LA COMPUTADORA Este circuito permite manejar cargas que funcionen con 220V de la red eléctrica y que consuman no más de 1500W. Las posibilidades son: Lámparas, cafeteras, veladores, electrodomésticos, accesorios, etc.
La señal digital proveniente del puerto es limitada en corriente y aplicada al cátodo del LED interno del optoacoplador. El ánodo de ese diodo es cableado a MASA digital (pin 25 del puerto paralelo). El brillo producido por el LED acciona el Triac del opto, que, a su vez, acciona el triac de potencia. La red R-C conectada en paralelo con el triac de potencia limita la velocidad de evolución de la tensión ante cargas inductivas. El optoacoplador incluye en su interior un circuito de detección de cruce por cero (denominado ZCC). Este sistema hace que la conmutación sea posible sólo cuando el semiciclo de la corriente alterna se encuentra en 0V. El optoacoplador puede ser un MOC3040 ó un MOC3041. El triac debe ser capaz de manejar 8A sobre 400V. Es indispensable montar el Triac en un buen disipador térmico.
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TALLER I
El circuito mostrado arriba corresponde a un solo canal. Para montar un sistema de mas canales repetir este tantas veces como canales necesarios. Recuerde conectar sólo un circuito a cada pin del puerto paralelo.
IMPORTANTE: Este tipo de circuito trabaja sobre la red eléctrica de 220V. Cualquier error, además de ocasionar daños serios en la computadora, puede provocarle lesiones en su cuerpo. Incluso, si es una persona con problemas cardíacos o tiene un marcapasos, tocar con sus manos el triac o cualquier otro componente no aislado puede matarlo. Sea muy cauto durante el armado y revise muy bien todo. Siempre es mejor tomarse unos segundos más en ver todo nuevamente y revisar conexiones que tomarse unas vacaciones en el hospital ó hacer una inspección del interior del crematorio.
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TALLER I
CIRCUITO DE CONTROL ACOPLADO A LA ETAPA DE POTENCIA (UTILIZANDO TRANSISTOR Y RELE)
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TALLER I
CIRCUITO DE CONTROL ACOPLADO CON OPTOACOPLADOR A LA ETAPA DE POTENCIA
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TALLER I
CIRCUITO DE CONTROL ACOPLADO A LA ETAPA DE POTENCIA (UTILIZANDO OPTOACOPLADOR Y SCR)
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TALLER I
CIRCUITO DE CONTROL DE VISUALIZACION DE SENSOR ACTIVADO Y CON ETAPA DE POTENCIA
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TALLER I
TEMA 14
FUENTES DE ALIMENTACION 14.1
REGULADORES INTEGRADOS
Todo dispositivo electrónico, desde una supercomputadora hasta un simple destellador, debe necesariamente poseer una parte esencial para su funcionamiento. Me estoy refiriendo a la fuente de alimentación. En efecto, diseñada y realizada de mil formas distintas, siempre se encuentra presente en todo equipo electrónico cualquiera sea su uso o complejidad. Por ello, a la hora de realizar cualquier circuito electrónico práctico, el diseñador debía necesariamente realizar una fuente de alimentación acorde a las necesidades del circuito. La mayoría de las veces se le exigía a ésta que mantuviera la tensión de salida constante para cualquier condición de uso (léase distintas corrientes de salida y distintas tensiones de entrada). En muchas ocasiones diseñar tal fuente resultaba una tarea bastante difícil y tediosa. Se debían asumir compromisos que relacionaban la complejidad del diseño con la estabilidad del mismo. Así, por ejemplo, una pequeña fuente que requería pocos componentes presentaba una regulación pésima, mientras que una que ofrecía una buena estabilidad, precisaba una cantidad faraónica de componentes y, por consiguiente, aumentaba el tiempo y el costo del diseño. Afortunadamente las empresas diseñadoras de componentes han puesto fin a estas peripecias, presentando, hace ya algunos años, los reguladores integrados. Estos dispositivos de gran utilidad aúnan todas las ventajas de una completa fuente de alimentación en un solo encapsulado reduciendo el problema de un buen diseño a unos pocos componentes. Veamos, ahora, un poco más profundamente, de qué se trata esto. 14.1.1 REGULADORES FIJOS En la mayoría de las aplicaciones se requiere una tensión fija y estable de un determinado valor. La línea de reguladores ideales para este tipo de necesidades es la conocida como LM78XX. Las primeras letras y dos número corresponden a la denominación, mientras que las dos últimas XX deben ser reemplazados por la tensión de salida requerida. Las tensiones disponibles de observan en la siguiente tabla:
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TALLER I
Número
Tensión de salida
LM7805
5 Voltios
LM7806
6 Voltios
LM7808
8 Voltios
LM7809
9 Voltios
LM7812
12 Voltios
LM7815
15 Voltios
LM7818
18 Voltios
LM7824
24 Voltios
LM7830
30 Voltios
Cada uno de estos dispositivos posee sólo tres terminales, una corresponde a la entrada de tensión no regulada, otra es la salida regulada y la restante es la masa común a ambas. En cuanto al encapsulado, conviene aclarar que, si bien están disponibles en varios tipos, generalmente se los suele encontrar en el encapsulado del tipo TO-220. Resumiendo, y para comprender completamente la simplicidad de una fuente de alimentación de este tipo, sólo basta observar el diseño de la siguiente figura:
Como se observa, sólo fueron agregados dos capacitores al circuito integrado. Expliquemos la función de cada uno de ellos. C1, que se halla a la entrada del regulador, filtra la tensión de posibles transitorios y picos de tensión indeseables, mientras que C2, que se encuentra a la salida, disminuye la tensión de rizado de salida, a la vez que evita oscilaciones.
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TALLER I
En cuanto a la tensión de entrada, se puede mencionar que es de una rango muy amplio, como se aprecia. Por ejemplo, si el regulador elegido es uno de nueve voltios (LM7809), la tensión de entrada podrá ser de entre 12 y 39 voltios. Para realizar una fuente de alimentación fija completa, observemos la figura siguiente que constituye sólo una modificación de la anterior:
En este diseño partimos directamente de la tensión alterna de red (220v ó 110v depende del país), para lograr una tensión perfectamente estable. Primeramente, como es lógico, la tensión es reducida hasta una valor manejable, mediante un transformador. Luego, esta tensión alterna de bajo valor es rectificada por el puente D1, obteniéndose así una señal de onda completa. Después la señal se filtra por medio de C1 consiguiéndose de esta forma una tensión continua no estabilizada, que es inyectada al circuito anterior para su regulación.
14.1.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS FUENTES CON REGULADORES INTEGRADOS Vimos como se puede realizar de forma muy sencilla una fuente de tensión fija regulada. Examinemos ahora las excelentes características que ésta posee a pesar de lo simple de su diseño. Comencemos por la regulación de línea, que es un parámetro que establece cuánto varía la tensión de salida frente a variaciones en la tensión de entrada. Es posible comprobar que para un cambio de 20 voltios a la entrada se produce una variación de sólo 4 milésimas de voltio a la salida, con lo cual, podemos suponerla inmune a los cambios de tensión de entrada.
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TALLER I
Otro parámetro importante es la denominada regulación de carga, que indica cuánto varía la tensión de salida cuando la corriente varía de un mínimo al máximo. Nuevamente los resultados obtenidos son excelentes: para una variación de corriente de 1,5 amperios, la tensión de salida solamente se modifica en 10 milésimas de voltio. También es vital el denominado rechazo al ripple. Este valor indica cuántas veces más chico es el valor de la tensión de rizado a la salida con respecto a la entrada. Con el capacitor de salida se obtienen valores típicos de 75 dB. Esto implica que la tensión de rizado a la salida es 5000 veces menor que a la entrada. Esta característica posibilita la disminución de la capacidad de C1, con la reducción de costo y tamaño que esto trae aparejado. Finalmente estudiemos la corriente que este tipo de dispositivo es capaz de entregar. Para un LM7805 ésta adopta un valor de 2 amperios. Si, en cambio, se trata de un LM7808 a un 7815 ésta es de 1,5A, mientras para reguladores de tensión superiores la corriente es de 1,2A. Es importante aclarar que estos valores son válidos cuando se utiliza un disipador adecuado y cuando la tensión de entrada no es superior en más 15 voltios con respecto a la de salida. Es decir que V ent-Vsal < 15V. Igualmente veremos algunos métodos para obtener mayor corriente de salida de estos dispositivos. Otra característica importante de esta línea es la protección térmica y contra corriente excesiva: Cuando la corriente que atraviesa al integrado adquiere un valor demasiado elevado o cuando su temperatura es excesiva, el integrado disminuye la tensión de salida en forma automática a cero. Debido a estas últimas características estos dispositivos son casi indestructibles. En resumen, con unos pocos componentes es posible fabricar, mediante el uso de reguladores de tensión, una fuente de tensión fija con una salida tipo de 1,5A, cuya salida no varía en más de 15mV para cualquier condición. Este tipo de fuente es más que suficiente para la mayoría de las aplicaciones electrónicas.
14.1.3 REGULADORES DE TENSIÓN NEGATIVA Hasta ahora hemos conocido los reguladores fijos cuya tensión de salida es positiva con respecto a masa. Sin embargo, también existe la serie análoga a la LM78XX, de similares características, cuyas tensiones de salida son negativas con respecto a tierra. Dicha serie es la 79XX. Donde nuevamente las X son reemplazadas por los valores anteriormente mencionados.
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TALLER I
Las características de esta serie son similares a la anterior en lo que respecta a regulación de carga, de línea, rechazo al rizado y corriente de salida. La única diferencia, además claro está de ser reguladores de tensión negativa, en la distribución de patas en el encapsulado. A través de la combinación de ambas series es perfectamente factible el diseño de una fuente de tensión simétrica como la indicada en la figura:
De esta forma obtenemos una fuente simétrica con las características de la anterior fuente simple. Es necesario aclarar que, aunque no es conveniente, las tensiones de salida del regulador positivo y negativo no tienen por qué ser las mismas. Sin embargo, es recomendable que no sean muy diferentes una de la otra.
14.1.4 REGULADORES DE TENSIÓN VARIABLE En ciertas ocasiones, sobre todo cuando realizamos alguna aplicación de laboratorio, es necesario disponer de una fuente que posea una tensión de salida regulable. Como no podía ser de otra forma existe distintas formas muy simples de realizarlas con reguladores integrados. La primera forma que veremos es a través de la utilización de la, a esta altura conocida, serie LM78XX. Este diseño sirve tanto para generar una fuente regulable, como para una fuente fija que provea un valor de tensión no convencional. Por ejemplo, a través de este circuito es factible el desarrollo de una fuente fija de 7,2V con todas las ventajas que los reguladores integrados ofrecen. Un posible diseño es el siguiente:
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TALLER I
El principio de funcionamiento de esta configuración no resulta para nada complicado. Entre sus terminales GND y OUT del regulador se desarrolla una tensión de XX voltios (recordar el significado de las equis). Esta tensión aparece sobre los bornes de R1 desarrollándose así una corriente I igual a: XX/R1 amperios. Ahora bien, la tensión de salida es I*(R1+R2), o sea (XX/R1)*(R1+R2). Es decir que, la tensión de salida es: XX*(R2/R1+1) voltios. Si R2 es un potenciómetro, entonces disponemos de una fuente de tensión regulable. Basta variar R2 para que la tensión de salida varíe a un valor deseado. Una vez fijado este valor, se mantiene casi constante ya que sólo depende de XX (salida del regulador) que es casi constante. Si, por el contrario, R2 es un preset o una resistencia fija, La tensión de salida se mantendrá casi constante en el valor prefijado creando así una fuente de tensión de un valor no estándar. Un detalle importante a resaltar, que surge de la observación del término entre paréntesis de la expresión de salida, es que la tensión de salida mínima es la propia tensión nominal del regulador, cualquiera sea la relación R2/R1 escogida. Es por este motivo, y teniendo en cuenta que la mínima tensión nominal de la línea 78/79XX es de cinco voltios, que este diseño no es útil para el diseño de una fuente de tensión versátil de laboratorio. Para ello recurriremos a otro tipo de regulador integrado. 14.1.4.1 EL LM317 Para las aplicaciones en las que se requiere diseñar específicamente una fuente regulable de amplio margen de salida, es altamente recomendable utilizar otro
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TALLER I
regulador: El LM317. En principio sus características son similares a cualquier 78XX, es decir un regulador positivo. Sin embargo, posee una diferencia fundamental que lo hace ideal para fuentes regulables: Su tensión de referencia (la XX de la expresión anterior) es de sólo 1,25V, con lo ofrece la posibilidad de un amplio rango de tensiones de salida. Un diseño estimativo de una fuente de laboratorio, con las excelentes características de regulación y rechazo de rizado ya comentadas, capaz de proveer una tensión de salida entre 1,25V y 25V es el siguiente:
Se observa que fueron agregados dos diodos y una capacitor con respecto al último circuito. Tanto D2 como D3 evitan que se descargue el nuevo capacitor incluido, a través del integrado. A su vez, dicho capacitor (C4 en este caso) mejora el rechazo al rizado elevándolo hasta los 80dB. Para obtener el rango de salida indicado en la figura, R1 debe ser de 220 Ω, R2 un potenciómetro de 5k Ω y D1 y D2 cualquier diodo pequeño como, por ejemplo, 1N4001.
En cuanto a la corriente de salida, es de 1,5 amperios si se utiliza un disipador adecuado.
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14.1.5 AMPLIFICACIÓN DE LA CORRIENTE DE SALIDA Como ya comentamos, la corriente de salida de un regulador integrado de este tipo es, en el mejor de los casos, de 2 amperios. Este valor puede resultar insuficiente para algunas aplicaciones de potencia. Es por este motivo que, a través del agregado de algunos componentes, amplificaremos la corriente de salida hasta casi cualquier valor. El principio básico es el siguiente:
Observando con detenimiento el diseño, se notará que la corriente de salida circula ahora también por RL. Al hacer esto provoca una caída de tensión sobre esta resistencia que, es a su vez, la tensión V BE que se aplica al transistor T1. Cuando la mencionada tensión que cae sobre RL sea levemente superior a 0,6 voltios T1 comenzará a conducir, evitando de esta forma el grueso de la corriente pase por el regulador. De esta forma, y con el uso de uno o varios transistores adecuados, se puede obtener a la salida del regulador casi cualquier corriente. El cálculo de R L resulta, según lo indicado arriba, muy sencillo. Entonces será: R L=VBE/IL En dónde V BE adopta un valor de 0,7 voltios e I L es la máxima corriente que debe circular por el regulador. Un valor típico para esta corriente es de 1 amperio. Realizando los cálculos obtenemos, que para un regulador estándar, R L es de 0.68Ω/2W.
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TALLER I
En cuánto a T1, sólo basta decir que puede ser cualquier transistor PNP que soporte la corriente máxima de salida de la fuente. (ADVERTENCIA: dicha corriente es muy superior a IL). Si es de gran valor es recomendable colocar dos o más transistores en configuración paralelo y / o Darlington.
219
TALLER I
TEMA 15
PUERTO PARALELO DE LA COMPUTADORA
15.1
INTRODUCCIÓN
El puerto tiene 25 contactos (llamados ahora: Pines), su nombre es Conector DB25.
Imagen de los conectores:
Cada pin de los conectores tiene un número asignado por lo cual es muy importante que al armar sus propios cables los identifiques correctamente. Este puerto dispone de tres registros de 8 bit cada uno (un byte). Cada uno de estos registros se denomina puerto o PORT, y cada uno de sus bits representa un pin determinado del puerto. Los pines que van del 18 al 25 (ambos inclusive): Son para masa, y sirven para conectar las descargas de los circuitos.
15.2
DESCRIPCIÓN DEL PUERTO.
El puerto paralelo es un estándar diseñado para conectar una impresora al PC. Es utilizado por la CPU para enviar datos a la impresora. Esta interfase gobierna las señales de entrada y de salida. La utilidad de estas señales es dejar que el ordenador conozca el estado de la impresora así como controlar este dispositivo. Ocho bits de datos contienen toda la información enviada con cada flanco de reloj.
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TALLER I
El hardware de este puerto consiste en 8 bits de salida de datos, 5 bits de entradas de control y 5 bits de salidas de control. Las señales de control se describen a continuación: Veamos ahora los tres registros
Puerto de datos (Pin 2 al 9): Es el PORT 888 y es de sólo escritura, por este registro enviaremos los datos al exterior de la PC.
Puerto de estado (Pin 15, 13, 12, 10 y 11): Es el PORT 889 y es de sólo lectura, por aquí enviaremos señales eléctricas al ordenador. De este registro, sólo se utilizan los cinco bits de más peso, que son los bits: 7, 6, 5, 4 y 3; teniendo en cuenta que el bit 7 funciona en modo invertido.
Puerto de control (Pin 1, 14, 16 y 17): Es el correspondiente al PORT 890, y es de lectura/escritura, es decir, podremos enviar o recibir señales eléctricas, según nuestras necesidades. De los 8 bits de este registro solo se utilizan los cuatro de menor peso o sea el 0, 1, 2 y 3, con un pequeño detalle, los bits 0, 1, y 3 están invertidos. En esta imagen puedes ver los tres registros, sus bits y los pines asignados a cada uno de ellos. La imagen corresponde a un conector DB-25 (Hembra).
La tensión de trabajo del puerto es de 5 voltios, por lo que necesitamos una fuente estabilizada o regulada de tensión, esto es importante tenerlo en cuenta, ya que estaremos enviando señales al puerto. Por otro lado, si bien puedes utilizar la PC para enviar señales al exterior sin necesitad de una fuente externa, es
222
TALLER I
recomendable utilizarla y así no exiges demasiado al puerto y te evitas problemas. Ahora bien, si activas un bit de salida por el puerto, este permanecerá así hasta que lo cambies, es decir que estarás enviando 5V de forma continua hasta que lo pongas a 0.
Salidas: STROBE/: Comunica a la impresora que los ocho bits de datos están disponibles para ser leídos. Conmuta al nivel lógico bajo cuando los datos están preparados.
INIT/: Resetea la impresora. SLCT IN/: Selecciona la impresora cuando cambia a nivel lógico bajo. AUTO FD/: Comunica a la impresora que imprima una línea en blanco seguida por una señal de "intro".
D0-D7: Bits de datos.
Entradas: ACK/: Informa a la CPU que los datos han sido recibidos correctamente. BUSY: La impresora pone esta línea a 1 cuando el buffer de memoria esta lleno. El ordenador dejara de enviar más datos.
SLCT: Indica al ordenador que se dispone de una impresora. ERROR/: Dice al ordenador que se ha producido un error. La CPU deja de enviar más datos.
PE: El papel se ha acabado.
223
TALLER I
Todas estas señales están conectadas a un conector hembra de 25 pines. Todas las señales tienen niveles lógicos TTL.
15.3
DIRECCIONAMIENTO DEL PUERTO.
El sistema operativo MS-DOS soporta tres puertos paralelos llamados LPT1, LPT2 y LPT3. Por lo tanto, encontramos tres juegos de direcciones dedicadas a estos puertos en el mapa de entradas/salidas del PC. Primero estudiaremos las direcciones dedicadas a LPT1. Cada puerto paralelo utiliza tres direcciones del mapa de entradas/salidas del ordenador. Para LPT1 estas direcciones son 378H, 379H y 37AH.
PORT 378H: En esta dirección la CPU escribe los datos que serán enviados a la impresora. Es un puerto de salida. En la tabla siguiente se pueden ver que pines del conector de salida se utilizan.
Tabla de bits de datos BIT FUNCIÓN PIN D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
Dato 0 Dato 1 Dato 2 Dato 3 Dato 4 Dato 5 Dato 6 Dato 7
2 3 4 5 6 7 8 9
PORT 379H: Este es un puerto de entrada. A través de este puerto la CPU puede conocer el estado de la impresora. La correspondencia entre pines y señales esta listada en la tabla siguiente.
Tabla de bits de datos BIT FUNCIÓN PIN D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
No conectado No conectado No conectado ERROR/ SLCT/ PE ACK/ BUSY/
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15 17 12 10 11
TALLER I
PORT 37AH: En esta dirección el ordenador escribe las señales que controlan a la impresora. Es un puerto de salidas, según se muestra en la tabla siguiente. Tabla de bits de control
BIT
FUNCION
PIN
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
STROBE AUTO FD INIT/ SCLT IN/ Habilitación IRQ7 No conectado No conectado No conectado
1 14 16 17
El ordenador dispone de tres puertos LPTn. Las direcciones de les señales de control y de datos para cada puerto LPTn se listan debajo. Cada puerto funciona de la misma manera que LPT1. Ello se muestra en la siguiente tabla.
Direcciones de LPTn PUERTO DATO STATUS CONTROL LPT1 LPT2 LPT3
378H 278H 3BCH
379H 279H 2BDH
37AH 27AH 3BEH
Como se comprueba de la tabla de bits de control, el puerto paralelo es capaz de controlar el canal de interrupción IRQ7. Esta es una capacidad muy potente del puerto paralelo. Con un tutorial posterior les enseñaremos la manera de utilizar esta señal.
15.4
ENVIANDO DATOS POR EL PUERTO PARALELO
Construiremos un circuito que nos permita enviar señales por el puerto paralelo y lo haremos utilizando diodos LEDs, como el consumo de los LEDs es superior al que nos envía el puerto, utilizaremos un buffer como el 74HC244 o el 74HCT245, prefiero este último ya que la construcción de la placa será mas sencilla, aquí tienes los datos del integrado.
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Este integrado tiene la ventaja de ser bidireccional, es decir todos los pines A pueden ser entradas y los B salidas si DIR (pin1 DR) se encuentra al nivel bajo (L), el modo invertido se obtiene con DR al nivel alto. Si el terminal OE (pin 19) se encuentra al nivel alto (H) el integrado pone los pines A y B con alta impedancia, es decir ni entra ni sale señal alguna, en ese caso el estado de DR no tiene importancia. En la siguiente tabla tienes los nombres de los pines y sus funciones correspondientes.
En el siguiente esquema no se representaron todos los pines del puerto, sino los correspondientes al puerto de datos y los de masa, que son los que se utilizarán.
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Programa realizado en C (código fuente): /*Programa que envía señales al puerto de datos ingresando un número decimal*/ #include #include #include int a; /*variable, valor que enviare al puerto*/ void main() { a=0; /*asignando 0 a la variable a*/ outp(888,a);/*apago todos los LED's*/ clrscr(); /*limpio la pantalla*/ printf("Ingrese el número en decimal para enviar al puerto.\n"); printf("El número máximo permitido es 255:\n"); scanf("%d",&a); /*tomo el valor y se lo paso a "a"*/ outp(888,a);/*lo envío al puerto de datos*/ printf("tachannnn... Dato enviado...!!!\n\n"); printf("Se acabó, presione una tecla para salir"); getch(); /*...y hasta luego*/ outp(888,0);/*apago todos los LED's*/ }
Si usted desea encender algún aparato de casa, sólo tiene que agregar una etapa de potencia a cada salida:
227
TALLER I
15.5
ENVIANDO DATOS POR EL PUERTO DE CONTROL
Para enviar señales desde la PC hacia el exterior, y el circuito que se utilizara será similar al empleado en el puerto de datos, de ese modo es posible tener 12 salidas, lo que si se debe tener en cuenta es que el primero el segundo y el cuarto bit de este registro están invertidos, pero esta dificultad es superada con la codificación del programa que controla este puerto. Programa de prueba: /*Programa que envía señales al puerto de control ingresando un número decimal*/ #include #include #include int a; void main() { a=11; corresponden*/
/*variable, valor que enviare al puerto*/ /*11 en binario es 1011 los valores 1
/*a los pines invertidos*/ outp(890,a);/*apago todos los LED's*/ clrscr(); /*limpio la pantalla*/ printf("Ingrese el número en decimal para enviar al puerto.\n"); printf("El número máximo permitido es 15:\n"); scanf("%d",&a); /*tomo el valor y se lo paso a "a"*/ outp(890,a);/*lo envío al puerto de estado*/ printf("tachannnn... Dato enviado...!!!\n\n"); printf("Se acabó, presione una tecla para salir"); getch(); outp(890,11); }
/*...y hasta luego*/ /*apago todos los LED's*/
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La distribución de los pines de control, para que sueldes en el conector DB25, y son los siguientes.
C0 --> pin 1 C1 --> pin 14 C2 --> pin 16 C3 --> pin 17 Masa --> pin 18 al 25
15.6
RECIBIENDO DATOS POR EL PUERTO PARALELO
Para recibir datos en nuestro ordenador por el puerto paralelo utilizaremos su registro de estado, recuerda que solo dispones de 5 bits (7, 6, 5, 4 y 3) y que el bit 7 funciona en modo invertido.
El circuito que construiremos será uno de los mas sensillos, solo habrá que tener en cuenta que un bit puede tener dos estados posibles, ya sea 0 lógico (0 voltios) o 1 lógico (5 voltios) no podemos dejarlo librado al azar, razón por la cual, si no se envía señal alguna, éste deberá estar unido a tierra. El esquema eléctrico es el siguiente;
Observa que para el bit 7 la conexión es invertida si lo pones a 0 el programa lo leerá como un 1, si no presionas el pulsador se leerá como 0 lógico.
229
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TEMA 16
MOTORES DC Y MOTOR PASO A PASO 16.1
INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES
Básicamente existen dos tipos de micro motores que se utilizan en robótica. Los motores de corriente continua o motores de corriente directa y los servo motores o motores paso a paso (stepper motors). En las secciones siguientes se detallan los componentes que integran cada uno de ellos, el uso típico que se les da a la hora de construir robots y ejemplos del circuito de control de los mismos.
16.2
MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA (DC)
Son de los más comunes y económicos, y se puede encontrar en la mayoría de los juguetes a pilas, constituidos, por lo general, por dos imanes permanentes fijados en la carcasa y una serie de bobinados de cobre ubicados en el eje del motor, que habitualmente suelen ser tres.
El funcionamiento se basa en la interacción entre el campo magnético del imán permanente y el generado por las bobinas, ya sea una atracción o una repulsión hacen que el eje del motor comience su movimiento. Cuando una bobina es recorrida por la corriente eléctrica, esta genera un campo magnético y como es obvio este campo magnético tiene una orientación es decir dos polos un polo NORTE y un polo SUR, si el núcleo de la bobina es de un material ferromagnético los polos en este material se verían así:
como se puede ver, estos polos pueden ser invertidos fácilmente con sólo cambiar la polaridad de la bobina, por otro lado al núcleo de las bobinas las convierte en un electroimán, ahora bien, recordar que cargas opuestas o polos
231
TALLER I
opuestos se atraen y cargas del mismo signo o polos del mismo signo se repelen, esto hace que el eje del motor gire produciendo un determinado torque
El torque es simplemente la fuerza de giro. Si quieres, podríamos llamarle la potencia que este motor tiene, la cual depende de varios factores como: la cantidad de corriente, el espesor del alambre de cobre, la cantidad de vueltas del bobinado, la tensión, etc. Esto es algo que ya viene determinado por el fabricante. La imagen anterior fue sólo a modo descriptivo, ya que por lo general suelen actuar las dos fuerzas, tanto atracción como repulsión, y más si se trata de un motor con bobinas impares. Estos motores disponen de dos bornes que se conectan a la fuente de alimentación y según la forma de conexión el motor girará en un sentido u otro. Los micro motores DC ( Direct Current ) o también llamados CC (Corriente Continua) son muy utilizados en robótica. Los hay de distintos tamaños, formas y potencias, pero todos se basan en el mismo principio de funcionamiento. Accionar un motor DC es muy simple y solo es necesario aplicar la tensión de alimentación entre sus bornes. Para invertir el sentido de giro basta con invertir la alimentación y el motor comenzará a girar en sentido opuesto. A diferencia de los motores paso a paso y los servomecanismos, los motores DC no pueden ser posicionados y/o enclavados en una posición específica. Estos simplemente giran a la máxima velocidad y en el sentido que la alimentación aplicada se los permite.
232
TALLER I
16.2.1 COMPONENTES DE UN MOTOR DC El motor de corriente continua está compuesto de 2 piezas fundamentales: • •
Rotor Estator
I. El Rotor Constituye la parte móvil del motor, proporciona el torque para mover a la carga.
Frente y dorso de un rotor
233
TALLER I
Está formado por: •
•
•
•
Eje: Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotación al núcleo, devanado y al colector. Núcleo: Se localiza sobre el eje. Fabricado con capas laminadas de acero, su función es proporcionar un trayecto magnético entre los polos para que el flujo magnético del devanado circule. Devanado: Consta de bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de la armadura. Estas bobinas están alojadas en las ranuras, y están conectadas eléctricamente con el colector, el cual debido a su movimiento rotatorio, proporciona un camino de conducción conmutado. Colector: Denominado también conmutador, está constituido de láminas de material conductor (delgas), separadas entre sí y del centro del eje por un material aislante, para evitar cortocircuito con dichos elementos. El colector se encuentra sobre uno de los extremos del eje del rotor, de modo que gira con éste y está en contacto con las escobillas. La función del colector es recoger la tensión producida por el devanado inducido, transmitiéndola al circuito por medio de las escobillas (llamadas también cepillos).
II. El Estator Constituye la parte fija de la máquina. Su función es suministrar el flujo magnético que será usado por el bobinado del rotor para realizar su movimiento giratorio.
Estator
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TALLER I
Está formado por: •
•
•
Armazón: Denominado también yugo, tiene dos funciones primordiales: servir como soporte y proporcionar una trayectoria de retorno al flujo magnético del rotor y del imán permanente, para completar el circuito magnético. Imán permanente: Compuesto de material ferromagnético altamente remanente, se encuentra fijado al armazón o carcasa del estator. Su función es proporcionar un campo magnético uniforme al devanado del rotor o armadura, de modo que interactúe con el campo formado por el bobinado, y se origine el movimiento del rotor como resultado de la interacción de estos campos. Escobillas: Las escobillas están fabricadas de carbón, y poseen una dureza menor que la del colector, para evitar que éste se desgaste rápidamente. Se encuentran albergadas por el porta escobillas. Ambos, escobillas y porta escobillas, se encuentran en una de las tapas del estator. La función de las escobillas es transmitir la tensión y corriente de la fuente de alimentación hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor.
16.2.2 CONTROL DE SENTIDO DE GIRO PARA MOTORES-CC Existen varias formas de lograr que estos motores inviertan su sentido de giro una es utilizando una fuente simétrica o dos fuentes de alimentación con un interruptor simple de dos contactos y otra es utilizar una fuente común con un interruptor doble es decir uno de 4 contactos, en todos los casos es bueno conectar también un condensador en paralelo entre los bornes del motor, éste para amortiguar la inducción que generan las bobinas internas del motor, las conexiones serían así.
Con Fuente Simétrica o Doble Fuente
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TALLER I
Con una Fuente Simple
Otra solución cuando intentas que uno de tus modelos realice esta tarea por su propia cuenta, es sustituir los interruptores por los relés correspondientes e idearte un par de circuitos para lograr el mismo efecto. Aunque esta última opción es una de las más prácticas, tiene sus inconvenientes ya que los relés suelen presentar problemas mecánicos y de desgaste, lo ideal sería disponer de un circuito un poco más sólido, quitando los relés y haciendo uso de transistores, estos últimos conectados en modo corte y saturación, así actúan como interruptores. Con una fuente simétrica: En este caso será necesario el uso de dos transistores complementarios es decir uno PNP y otro NPN, de este modo sólo es necesario un terminal de control, el cual puede tomar valores lógicos "0" y "1", el esquema de conexiones es el que sigue.
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TALLER I
Cuando se intenta utilizar una fuente de alimentación simple se complica un poco más, pero como todo tiene solución lo puedes implementar del siguiente modo...
Estos circuitos son conocidos como puente en H o H-Bridge, en realidad son más complejos de lo que se describe aquí, pero esta es la base del funcionamiento de los Drivers para motores. Ahora bien, estos Driver's que se acaba de mencionar son circuitos integrados que ya contienen el arreglo interno, lo cual facilita el diseño de nuestros circuitos, tales como el UCN5804, el BA6286, el L293B, L297, L298 o también puedes se puede utilizar el ULN2803 o el ULN2003, estos dos últimos son arreglos de transistores.
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TALLER I
16.2.3 DRIVER PARA MOTORES Entre los Drivers mencionados, el más conocido es el L293B, se trata de un Driver para motores de 4 canales, y observa las ventajas que tiene. • •
•
•
Cada canal es capaz de entregar hasta 1A de corriente. Posee una entrada de alimentación independiente que alimenta los 4 Drivers, es decir la que requieren los motores. El control de los Drivers es compatible con señales TTL es decir con 5 voltios (estamos hablando de señales lógicas). Cada uno de los 4 Drivers puede ser activado de forma independiente (por su terminal de entrada), o habilitado de dos en dos con un sólo terminal (Enable).
En esta tabla de Verdad la entrada EN1-2 habilita dos de los canales de este integrado cuando se encuentra a nivel H (alto), de tal modo que la salida OUTn tomará el valor de la entrada INn. Por otro lado OUTn quedará en alta impedancia ( X) si el terminal EN1-2 se encuentra a nivel bajo ( L), es decir que en este caso ya no tiene importancia el valor de INn, y por lo tanto OUTn quedará totalmente libre.
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TALLER I
Por último, aclarar que VS y VSS son los pines de alimentación, VS para los 4 Drivers que según el Datasheet puede tomar valores desde VSS hasta 36V, y VSS es el terminal de alimentación TTL, para nosotros sería como +VCC. Este integrado no sólo tiene aplicación en Motores-CC sino también en Motores - PaP .
16.2.4 APLICACIÓN PARA EL CONTROL DE MOTORES-CC. Tenemos dos posibilidades de control, una es controlar los motores en un sólo sentido de giro, es decir, hacer que gire o detenerlo, en este caso tienes posibilidad de controlar hasta 4 motores, veamos el esquema del circuito en cuestión.
Como verás aquí sólo se representa la mitad del integrado, la otra mitad es lo mismo, sólo cambia el número de los pines. Con los terminales A y B controlas el encendido del motor correspondiente, Con Ven habilitas o no los terminales de control A y B, recuerda que Ven debe estar en nivel alto si quieres utilizar los terminales de control A y B. Finalmente la forma de control sería como se ve en la siguiente tabla.
239
TALLER I
+Vcc es el terminal de alimentación compatible con la señal de control A y B, o sea +5V, Vs tiene los niveles de tensión requeridos por el motor (12, 15, 20, hasta 36v). D1 y D2, protegen al integrado de las tensiones generadas por la inducción de las bobinas del motor. Observa que un motor (M1) esta unido a +Vs, mientras que el otro (M2) esta a GND, puedes utilizar cualquiera de las dos configuraciones, aquí las grafiqué tal como están en la hoja de datos, la cual de por sí, es demasiado clara, e intenta mostrar todas las posibilidades de conexión.
Segundo método de control. Este es el que más me gusta, pero requiere dos de los 4 driver del integrado, la forma de conexión seria como sigue.
240
TALLER I
Quedará claro si analizamos la tabla de verdad de este circuito.
Esta tabla indica claramente como puedes controlar el motor, en un sentido o en otro, detenerlo o dejarlo libre, esto último de dejarlo libre se refiere a que cualquier señal en los terminales de control A, B, C y D no tendrán efecto alguno sobre el motor, es decir que ha quedado liberado totalmente. Como ves tienes muchas posibilidades para comandar estos motores usando el integrado L293B. Bueno, no es una locura de información pero creo que de algo les puede servir. Otro de los aspectos que llaman la atención en los Motores-CC es el control de velocidad. Los circuitos anteriores están de maravilla, pero nada dicen de este tema, aunque queda claro que esto se debe llevar a cabo por los terminales de control A, B, C y D, por lo tanto necesitamos un circuito aparte. Veamos de que se trata esto...
241
TALLER I
16.2.5 EJEMPLOS DE CIRCUITOS DRIVER PARA UN MOTOR DC
Control de motores de CC Puente H En el circuito de abajo vemos un Puente H
Funcionamiento: Aplicando una señal positiva en la entrada marcada AVANCE se hace conducir al transistor Q1. La corriente de Q1 circula por las bases, de Q2 y Q5, haciendo que el terminal a del motor reciba un positivo y el terminal b el negativo (tierra).
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TALLER I
Si en cambio se aplica señal en la entrada RETROCESO, se hace conducir al transistor Q6, que cierra su corriente por las bases, de Q4 y Q3. En este caso se aplica el positivo al terminal b del motor y el negativo (tierra) al terminal a del motor.
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TALLER I
Una de las cosas muy importantes que se deben tener en cuenta en el control de este circuito es que las señales AVANCE y RETROCESO jamás deben coincidir. Si esto ocurre los transistores, Q2, Q3, Q4 y Q5 cerrarán circuito directamente entre el positivo de la fuente de alimentación y tierra, sin pasar por el motor, de modo que es seguro que se excederá la capacidad de corriente Emisor-Colector y los transistores, se dañarán para siempre. Y si la fuente no posee protección, también podrá sufrir importantes daños. Al efecto existen varias formas de asegurarse de esto, utilizando circuitos que impiden esta situación, generalmente digitales, basados en compuertas lógicas. Abajo mostramos un ejemplo.
He aquí otra opción de Puente H y circuito de interlock, con la ventaja de que utiliza menos transistores, (tipo Darlington en este caso) y de tener un circuito de interlock aún más seguro. En el circuito anterior, si se presentan las dos señales activas simultáneamente se habilita uno de los sentidos de marcha, sin que se pueda prever cuál será. Si las señales llegan con una leve diferencia de tiempo, se habilita la orden que ha llegado primero, pero si ambas señales llegan al mismo tiempo no se puede prever cuál comando (AVANCE o RETROCESO) será habilitado. En este segundo circuito no se habilita ninguno:
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TALLER I
El circuito Puente H sólo permite un funcionamiento SÍ-NO del motor, a plena potencia en un sentido o en el otro (además del estado de detención, por supuesto), pero no ofrece un modo de controlar la velocidad. Si es necesario hacerlo, se puede apelar a la regulación del voltaje de la fuente de alimentación, variando su potencial de 7,2 V hacia abajo para reducir la velocidad. Esta variación de tensión de fuente produce la necesaria variación de corriente en el motor y, por consiguiente, de su velocidad de giro. Es una solución que puede funcionar en muchos casos, pero se trata de una regulación primitiva, que podría no funcionar en aquellas situaciones en las que el motor está sujeto a variaciones de carga mecánica, es decir que debe moverse aplicando fuerzas diferentes. En este caso es muy difícil lograr la velocidad deseada cambiando la corriente que circula por el motor, ya que ésta también será función —además de serlo de la tensión eléctrica de la fuente de alimentación— de la carga mecánica que se le aplica (es decir, de la fuerza que debe hacer para girar). Una de las maneras de lograr un control de la velocidad es tener algún tipo de realimentación, es decir, algún artefacto que permita medir a qué velocidad está girando el motor y entonces, en base a lo medido, regular la corriente en más o en menos. Este tipo de circuito requiere algún artefacto de detección (sensor) montado sobre el eje del motor. A este elemento se le llama tacómetro y suele ser un generador de CC (otro motor de CC cumple perfectamente la función, aunque podrá ser uno de mucho menor potencia), un sistema de tacómetro digital óptico, con un disco de ranuras o bandas blancas y negras montado sobre el eje, u otros sistemas, como los de pickups magnéticos. Ver más en Control de motores de CC con realimentación.
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TALLER I
Existe una solución menos mecánica y más electrónica, que es, en lugar de aplicar una corriente continua, producir un corte de la señal en pulsos, a los que se les regula el ancho. Este sistema se llama control por Regulación de Ancho de Pulso (PWM, Pulse-Width-Modulated, en inglés). Contr ol mediante H -Bridge con regul ador de velocidad:
En la siguiente figura puede apreciarse un circuito basado en el uso de dos HBridge BA6286 de Rohm para controlar dos motores DC.
Control mediante H-Bridge con regulador de velocidad.
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TALLER I
Este circuito posee dos resistencias variables (preset) denominadas RV1 y RV2, que se utilizan para variar en forma independiente la velocidad de los motores izquierdo y derecho respectivamente. VM es la tensión que alimenta los motores, el valor de VM depende de los motores usados, en general debe ser un poco más alta para compensar la caída de tensión producida en el H-Bridge. Por otro lado al variar RV1 y RV2, se varía la tensión real que es aplicada a los motores, con lo cual se regula su velocidad de giro. La tensión de alimentación VCC es una tensión TTL clásica de 5v, la cual podría ser usada para el resto de la lógica de control que se agregase a este circuito. El BA6286 soporta una carga máxima de 1A, por lo que se debe tener en consideración al momento de seleccionar los motores a usar. En caso de que los valores no sean legibles, se presenta una lista de las partes: R1: 10ohms R2: 2K2 R3: 10ohms R4: 2K2 RV1: 10K Lineal RV2: 10K Lineal Q1: BC548 Q2: BC548 IC1: BA6286 IC2: BA6286 1N4148 C1: 1nF C2: 1nF VCC = 5V VM = 4.5V a 6V Las entradas Forward 1 y 2, y Reverse 1 y 2 deben ser operadas dentro de valores TTL válidos (5V)
Forward 1 0 1 0 1
Estado de Entradas Reverse 1 Forward 2 0 0 0 1 1 0 1 1
Reverse 2 0 0 1 1
Tabla de control con H-Bridge.
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Acción de Motores Izquierdo Derecho Libre Libre Adelante Adelante Atrás Atrás Frenado Frenado
TALLER I
Contr ol mediante micror elé s:
En el siguiente circuito se puede apreciar otra alternativa de control para dos motores DC.
Control mediante microrelés.
En este caso el sentido de giro es controlado por dos microrelés del tipo doble inversor (RL2 y RL3). Y combinado a otro microrelé simple (RL1), se obtiene el control total de los motores. Los relés son accionados mediante un array de transistores Darlington (ULN2003), el cual amplifica los pulsos de control generados por la etapa lógica, en este caso realizada con compuertas OR (74HC32).
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TALLER I
Este método posee la ventaja de no producir caídas de tensión, por lo que VM en este caso se puede usar dentro del rango de tensión soportada por los motores. VCC, al igual que en el método anterior, debe ser un valor TTL válido (5v). Es recomendable conseguir microrelés cuyas bobinas se activen con 5v, de esta manera pueden ser accionados directamente por VCC, evitando así trabajar con varias tensiones distintas. Si los relés a usar son de 12v, entonces el pin 9 del ULN2003 deberá ser conectado a 12v, así como también el extremo libre de la bobina de los relés (en el circuito anterior conectados a VCC). Cabe aclarar que este método puede resultar más económico y hasta más simple de comprender, pero su desventaja radica en la imposibilidad de regular la velocidad (excepto que se agregue un circuito adicional para este fin tipo PWM, Pulse Width Modulation). Por otro lado al trabajar con elementos mecánicos (que es el caso de un relé) los riesgos de fallas aumentan y la vida útil del circuito disminuye. En caso de que los valores no sean legibles, se presenta una lista de las partes: IC1B: 74HC32 IC1C: 74HC32 IC1A: 74HC32 ULN2003 RL1: RELE – 5V RL2: RELE – 5V RL3: RELE – 5V 1N4148 C1: 1nF C2: 1nF VCC = 5V VM = 1.5V a 3V Las entradas Forward 1 y 2, y Reverse 1 y 2 deben ser operadas dentro de valores TTL válidos (5V)
Forward 1 0 1 0 1
Estado de Entradas Reverse 1 Forward 2 0 0 0 1 1 0 1 1
Reverse 2 0 0 1 1
Tabla de control con relé.
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Acción de Motores Izquierdo Derecho Libre Libre Adelante Adelante Atrás Atrás Atrás Atrás
TALLER I
CONTROL DE MOTORES DE CC CONTROL POR ANCHO DE PULSO (PWM) La Regulación por Ancho de Pulso de un motor de CC está basada en el hecho de que si se recorta la CC de alimentación en forma de una onda cuadrada, la energía que recibe el motor disminuirá de manera proporcional a la relación entre la parte alta (habilita corriente) y baja (cero corriente) del ciclo de la onda cuadrada. Controlando esta relación se logra variar la velocidad del motor de una manera bastante aceptable.
El circuito que se ve a continuación es un ejemplo de un control de Regulación de Ancho de Pulso (PWM, Pulse-Width-Modulated en inglés), que se podría adaptar al circuito del Puente H para controlar la velocidad y sentido de marcha de motores de CC. El primer circuito —con el MOSFET de potencia BUZ11— permite controlar motores medianos y grandes, hasta 10 A de corriente. El segundo circuito —con el transistor 2N2222A— es para motores pequeños, que produzcan una carga de hasta 800 mA.
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TALLER I
251
TALLER I
16.3 SERVO Un Servo es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la señala codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia.
16.3.1 COMPONENTES DE UN SERVO Los servos están compuestos por un amplificador, el servo motor, piñonería de reducción y un potenciómetro de realimentación; todo incorporado en el mismo conjunto.
Un servo desmontado.
En la figura anterior puede apreciarse un servo de posición (lo cual significa que uno le indica a qué posición debe ir) desmontado, con un rango de aproximadamente 180 grados. Ellos tienen tres cables de conexión eléctrica; Vcc, GND, y entrada de control.
16.3.2 MODO DE TRABAJO DE UN SERVO El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro (una resistencia variable) esta es conectado al eje central del servo motor. En la figura anterior se puede observar al lado derecho del circuito. Este potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito chequea que el ángulo no es el correcto, el motor girará en la dirección adecuada hasta llegar al ángulo correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de
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TALLER I
los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante. Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados. La cantidad de voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste necesita viajar. Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor regresará a toda velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña cantidad, el motor correrá a una velocidad más lenta. A esto se le llama control proporcional. Cómo se debe comun icar el ángulo a cual el servo debe posici onar se
El cable de control se usa para comunicar el ángulo. El ángulo está determinado por la duración de un pulso que se aplica al alambre de control. A esto se le llama PCM Modulación codificada de Pulsos. El servo espera ver un pulso cada 20 milisegundos (.02 segundos). La longitud del pulso determinará los giros de motor.
Duración del pulso y ángulo del eje
Como se observa en la figura anterior, la duración del pulso indica o dictamina el ángulo del eje (mostrado como un círculo verde con flecha). Nótese que las ilustraciones y los tiempos reales dependen del fabricante de motor. El principio, sin embargo, es el mismo.
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TALLER I
Por ejemplo para los servo Hitec: 0.50 ms = 0 grados, 1.50 ms = 90 grados y 2.5 ms = 180 grados.
16.3.3 EJEMPLO DE UN CIRCUITO DRIVER DEL SERVO
Circuito Driver del Servo.
Este usa un IC TIMER "Timer" 555. El nombre usual es NE555 o LM555, pero casi todos los fabricantes de IC´s lo han hecho. El circuito esquemático lo encuentra en las hojas de datos de los manuales ECG, National, Motorola u otros, con los valores de resistor / capacitor calculados de las fórmulas. La única diferencia es la presencia del potenciómetro P1, el cual cambia el tiempo constantemente según su posición. La señal de salida del IC (pin3) tiene mala polaridad. Para Invertir esta, es necesario el transistor. El transistor se conecta en configuración "colector común" y se usa en modo de saturación (esto significa APAGADO ó ENCENDIDO), así podría usar cualquier transistor NPN para trabajar sin problemas (en este caso se usa un C1959Y).
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TALLER I
En caso de que los valores no sean legibles, se presenta una lista de las partes: R1: 220K R2: 15K R3: 10K R4: 10K P1: 10K C1: 100nF C2: 100nF V1: 4~6V Pilas o baterías 4 AA ó usar una fuente de voltaje a 5 Voltios. Cualquier transistor NPN de baja señal.
16.4 MOTOR PASO A PASO
La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°.
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TALLER I
Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está energizada, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.
Un Motor Paso a Paso
16.4.1 COMPONENTES DE UN MOTOR PASO A PASO Básicamente esos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator.
Rotor.
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TALLER I
Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.
Estator de 4 bobinas.
16.4.2 TIPOS DE MOTORES PASO A PASO Existen dos tipos de motores paso a paso de imán permanente: •
•
Bipolar: Estos tiene generalmente cuatro cables de salida (vea la siguiente figura). Requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. Unipolar: Estos motores suelen tener 6 ó 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno (vea la siguiente figura). Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar.
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TALLER I
Motor P -P Bipolar y Motor P – P Unipolar
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TALLER I
16.4.3 EJEMPLO DE UN CIRCUITO DRIVER PARA UN MOTOR PAP BIPOLAR En siguiente figura se puede apreciar un ejemplo de control de estos motores mediante el uso de un puente en H (H-Bridge), será necesario un H-Bridge por cada bobina del motor. En general es recomendable el uso de H-Bridge integrados como son los casos del L293.
Control de un Motor P – P Bipolar a través de puentes H-Bridge.
16.4.4 EJEMPLO DE UN CIRCUITO DRIVER PARA UN MOTOR PAP UNIPOLAR En la siguiente figura podemos apreciar un ejemplo de conexionado para controlar un motor paso a paso unipolar mediante el uso de un ULN2803, el cual es un array de 8 transistores tipo Darlington capaces de manejar cargas de hasta 500mA. Las entradas de activación (Activa A, B, C y D) pueden ser directamente activadas por un microcontrolador.
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TALLER I
Control de un Motor P – P Unipolar a través de un ULN2803.
16.4.5 SECUENCIAS PARA MANEJAR MOTORES PAP BIPOLARES Estos motores necesitan la inversión de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada. Cada inversión de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso, cuyo sentido de giro está determinado por la secuencia seguida. A continuación se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolar:
Paso 1 2 3 4
A +V +V -V -V
TERMINALES B C -V +V -V -V +V -V +V +V
D -V +V +V -V
Secuencia de control de Motores P – P Bipolares.
16.4.6 SECUENCIAS PARA MANEJAR MOTORES PAP UNIPOLAR Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores. Todas las secuencias comienzan nuevamente por el paso 1 una vez alcanzado el paso final (4 u 8).
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TALLER I
Para revertir el sentido de giro, simplemente se deben ejecutar las secuencias en modo inverso. •
Secuencia Normal: Esta es la secuencia más usada. Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas, se obtiene un alto torque de paso y de retención. Paso
Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D
1
ON
ON
OFF
OFF
2
OFF
ON
ON
OFF
3
OFF
OFF
ON
ON
4
ON
OFF
OFF
ON
Secuencia Normal para Motores P – P Unipolares.
•
Secuencia del tipo wave drive: En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez. En algunos motores esto brinda un funcionamiento más suave. La contrapartida es que al estar solo una bobina activada, el torque de paso y retención es menor.
261
TALLER I
Paso
Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D
1
ON
OFF
OFF
OFF
2
OFF
ON
OFF
OFF
3
OFF
OFF
ON
OFF
4
OFF
OFF
OFF
ON
Secuencia del tipo wave drive para Motores P – P Unipolares.
•
Secuencia del tipo medio paso: En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real. Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y así sucesivamente. Como vemos en la tabla siguiente, la secuencia completa consta de 8 movimientos en lugar de 4.
262
TALLER I
Paso
Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D
1
ON
OFF
OFF
OFF
2
ON
ON
OFF
OFF
3
OFF
ON
OFF
OFF
4
OFF
ON
ON
OFF
5
OFF
OFF
ON
OFF
6
OFF
OFF
ON
ON
263
TALLER I
Paso
Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D
7
OFF
OFF
OFF
ON
8
ON
OFF
OFF
ON
Secuencia del tipo medio paso para Motores P – P Unipolares.
16.4.7 RECOMENDACIONES Debido a que los motores paso a paso son dispositivos mecánicos y como tales deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duración y la frecuencia de los pulsos aplicados es un punto muy importante a tener en cuenta. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede reaccionar en alguna de las siguientes formas: • • • •
Puede que no realice ningún movimiento en absoluto. Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar. Puede girar erráticamente. O puede llegar a girar en sentido opuesto.
Para obtener un arranque suave y preciso, es recomendable comenzar con una frecuencia de pulso baja y gradualmente ir aumentándola hasta la velocidad deseada sin superar la máxima tolerada. El giro en reversa debería también ser realizado previamente bajando la velocidad de giro y luego cambiar el sentido de rotación.
16.4.8 CABLEADO EN MOTORES PAP 16.4.8.1 IDENTIFICANDO LOS CABLES EN EL MOTOR PAP UNIPOLAR Cuando se trabaja con motores P-P usados o bien nuevos, pero de los cuales no se poseen las hojas de datos. Es posible averiguar la distribución de los cables a
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TALLER I
los bobinados y el cable común en un motor de paso unipolar de 5 ó 6 cables siguiendo las instrucciones que se detallan a continuación:
Motor P-P con 5 cables de salida.
Motor P-P con 6 cables de salida.
Ai slando el cable(s) común que va a la fuente de alimentación
Como se aprecia en las figuras anteriores, en el caso de motores con 6 cables, estos poseen dos cables comunes, pero generalmente poseen el mismo color, por lo que lo mejor es unirlos antes de comenzar las pruebas. Usando un tester para chequear la resistencia entre pares de cables, el cable común será el único que tenga la mitad del valor de la resistencia entre ella y el resto de los cables.
I dentificando los cables de las bobinas (A, B, C y D) Aplicar un voltaje al cable común (generalmente 12 volts, pero puede ser más o menos) y manteniendo uno de los otros cables a masa (GND) mientras vamos poniendo a masa cada uno de los demás cables de forma alternada y observando los resultados. Nota: La nomenclatura de los cables (A, B, C, D) es totalmente arbitraria.
265
TALLER I
El proceso se puede apreciar en el siguiente cuadro:
Seleccionar un cable y conectarlo a masa. Ese será llamado cable A.
Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cuál de los tres cables restantes provoca un paso en sentido antihorario al ser conectado también a masa. Ese será el cable B. Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cuál de los dos cables restantes provoca un paso en sentido horario al ser conectado a masa. Ese será el cable D. El último cable debería ser el cable C. Para comprobarlo, basta con conectarlo a masa, lo que no debería generar movimiento alguno debido a que es la bobina opuesta a la A. Identificación de los cables de las bobinas (A, B, C y D).
16.4.8.2IDENTIFICANDO LOS CABLES EN EL MOTOR PAP BIPOLAR Para el caso de motores paso a paso bipolares (generalmente de 4 cables de salida), la identificación es más sencilla. Simplemente tomando un tester en modo óhmetro (para medir resistencias), podemos hallar los pares de cables que corresponden a cada bobina, debido a que entre ellos deberá haber continuidad (en realidad una resistencia muy baja). Luego solo deberemos averiguar la polaridad de la misma, la cual se obtiene fácilmente probando. Es decir, si conectado de una manera no funciona, simplemente damos vuelta los cables de una de las bobinas y entonces ya debería funcionar correctamente. Si el sentido de giro es inverso a lo esperado, simplemente se deben invertir las conexiones de ambas bobinas y el H-Bridge.
266
TALLER I
16.4.9 CONSUMO DE MOTORES PAP 16.4.9.1 CONSUMO DE CORRIENTE DE LOS MOTORES PAP Cuando se presentan varios inconvenientes para obtener las hojas de datos de los motores de paso es posible recurrir a un método práctico, basado en la Ley de Ohmn [LIEC VI-DC], para calcular la corriente que consume cada bobina de un motor. Mé todo pr ácti co par a determi nar el con sumo de las bobi nas Colocando los motores a un voltaje de 10 V, es posible calcular, en forma aproximada, el consumo de sus bobinas de la siguiente forma: 1. Se identifica el pin común del stepper P3 2. Se mide la resistencia de la bobina con un tester entre el pin P x y el pin común Pc R e 3. Se coloca una resistencia de 1 Ω entre la bobina P x y los 0 V. 4. Se energiza el pin común P c a 10 V. 5. Se mide el voltaje con el tester colocando el testigo negativo en el extremo de la resistencia a 0 V y el positivo en el otro extremo de la resistencia. 6. Según la ley de Ohm: V=RxII=V/R Midiendo el voltaje Y conociendo la resistencia Se calcula directamente I
Resistencia Voltaje de la bobina obtenido (Ve) R e ( ) 11 0.87 18.2 0.52 39 0.09 40 0.25 58 0.072 122 0.08
Ve R
=1Ω
Consumo (mA) 870 520 90 250 72 80
Tabla de consumo de distintos motores de paso.
7. Una vez calculado el consumo de una de las bobinas del motor, se determina el consumo total del mismo, multiplicando dicho valor por la cantidad de bobinas activadas simultáneamente.
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