El presente
trabajo práctico tiene como objetivo comprender el principio de
funcionamiento de un temporizador . Además de calcular / verificar sus parámetro de estabilidad .
Nuestro generador de señal digital será el circuito integrado LM555 que en este caso lo utilizaremos como un monoastable .
Circuito a utilizar
Lista de Componentes
1 Capacitor electrolítico de 10 uF
1 Capacitor electrolítico de 100 uF
2 Capacitor cerámico de 100 nF
2 Capacitores cerámicos de 10 nF
1 Resistor de 56KΩ y 1 resistor de 1KΩ ( Para obtener Rb )
1 Resistor de 27KΩ
2 Resistores de 1KΩ ( Rled )
1 Resistor de 47 KΩ
2 Circuitos integrados LM555
1 LED rojo
1 Buzzer
1 Pulsador NA
Cable o alambre para conexiónes
1) Calcula
un temporizador de 5 segundos usando el circuito integrado LM 555 . Conectale un led a su salida
En este punto del trabajo práctico lo que haremos es calcular un temporizador de 5 segundos . Para ello utilizaremos la siguiente formula que nos dará el correspondiente valor del componente a utilizar en la práctica :
En este punto adoptaremos un valor de capacidad de 100 uF , debido a que existen menos valores comerciales en el mercado de capacitores que de resistencias .
Sabiendo que : t = 1,1 . Ra . C y teniendo como "C" un capacitor de 100 uF despejamos Ra de la siguiente manera :
t = 1,1 . Ra . C
5 Seg = 1,1 . Ra . 100 x 10 ^ -6 F
5 Seg / 1,1 / 100 x 10 ^ -6 F = Ra
47 KΩ = Ra
2) Verifica
su correcto funcionamiento .
En el video que mostraremos a continuación se puede apreciar el correcto funcionamiento de nuestro temporizador calculado previamente
Recordar que el mismo deberá prenderse durante 5 segundos , mediante un pulsador y se deberá alimentar con aproximadamente 5 V ( el valor de la tensión aplicable al componente se encuentra en su datasheet ) .
Video demostrativo:
Nota : Debido a la falta de un pulsador NA , lo que hicimos fue sustituir el mismo por 2 alambres ( recordando que cumplen la misma función )
3) Diseño de la alarma sonora y visual . Utilizando un pulsador
En este tramo de la práctica lo que debemos hacer es diseñar una alarma que sea sonora y visual a la vez .
Para ello debemos utilizar 1 circuito astable , que genere una frecuencia determinada para que oscile el buzzer y el led a la vez .
Por otro lado debemos utilizar otra etapa que será la del monoastable , la cual se encargara de ser el timmer de nuestro circuito ( temporizador de 5 segundos ) .
Lo que haremos a continuación será determinar los correspondientes valores de los componentes de nuestro circuito astable , recordando que el circuito monoastable no sufrirá ninguna modificación .
Teniendo en cuenta las siguientes 2 formulas y utilizando una frecuencia de 2 Hz con un valor de "C" de 100 uF ( el mismo valor que para el calculo del temporizador en el punto 1 ) entonces :
Formula de Frecuencia de operación
A continuación mostraremos los etapas de la alarma por separado:
Circuito Monoastable
Circuito Astable
Los valores calculados de los resistores son : R1 = 27 KΩ , R2 = 56 KΩ , R3 = 10 KΩ
Los valores calculados de los capacitores son : C1 = 10 uF y C2 = 0.1 nF
Aclaraciones :
Utilizamos un transistor en el circuito ( Q1 ) para asegurarnos que la corriente que circule por el led sea la adecuada . El transistor a utilizar puede ser un BC548 o un BC549
Colocamos una resistencia de pull down entre la salida del monoastable y la entrada del astable para asegurarnos un 0 lógico respecto de tierra .
Ahora que calculamos correctamente los valores de los componentes , solo nos queda por armar dicho circuito en el protoboard y verificar su correcto funcionamiento .
4) Diseño PCb de la alarma sonora / visual
En este punto del trabajo práctico lo que haremos es realizar el diseño de nuestra alarma sonora con un programa de diseño de circuitos eléctricos ( en nuestro caso usaremos el protel 99 ) . Recordando que previamente se debe cheqear el correcto funcionamiento de la misma antes de llevarla al diseño PCB
Cabe recordar que para llevar nuesto circuito a un diseño PCB en el protel , primero debemos generar un archivo esquematico ( que será en el cual dibujaremos nuestro circuito) y luego crear el archivo "Netlist" para finalmente comenzar el ruteo de nuestra placa .
A continuación recordaremos como se creaba cada archivo previo al ruteo de la placa en PCB
Crear una documento o archivo Esquemático
Antes de comensar a dibujar nuestro circuito lo primero que , debemos hacer es ajustar el formato de hoja de la siguiente manera:
Menú de opciones Design - Options Standard Style en A4
Por otra parte debemos seleccionar
las librerías correspondientes que usaremos para dibujar nuestro
circuito. Cabe aclarar que en la barra izquierda de nuestra hoja de
diseño , tenemos las librerías que vienen por default con el programa ,
por ejemplo : Miscellaneous Devices.lib
Pero en caso de querer trabajar con otra librería , para
instalarla se la deberá copiar dentro de la carpeta /Program
Files/Design Explorer 99 SE/Library , y pulsando la opción Add/Remove
seleccionarla y agregarla al proyecto . En nuestro caso
nosotros trabajamos únicamente con librerías que nos suministraron los
docentes del laboratorio
( Lib_Pcb_11V1A.Ddb y Lib_SCH_11_V1A.Ddb )
Crear el archivo Netlist
El
archivo Netlist ( Es aquel documento fundamental para la creación de
nuestros circuitos ) , debido a que es el encargado de realizar
automaticamente la conexión de cada uno de los componentes , como lo
indica el documento esquemático creado anteriormente
Para aplicarlo se debe: Ir a la barra de menú , seleccionar Design y allí la opción Create Netlist
Debajo se mostraran las imagenes correspondientes a nuestro diseño ( tanto imágen esquematica como imágen PCB)
Diseño PCB
Circuito Esquemático
VISTAS DEL CIRCUITO
ATWORK
SERIGRAFIA
Bibliografia
Para la realización del presente trabajo práctico , utilizamos las páginas y textos que daremos a conocer a continuación :
En este trabajo práctico observamos el funcionamiento / característica de un circuito monoastable y medimos / verificamos sus parámetros .
Para realizar las debidas mediciones utilizamos el instrumental del laboratorio ( Osciloscopio digital y fuente de alimentación )
Por otra parte conocimos y aprendimos las características y funcionamiento del LM555 ( recordando que lo utilizamos como monoastable en este caso )
Aprendimos las caracterizticas y el uso del buzzer
Implementamos un circuito en el cual conectamos una etapa que utilizo un astable con otra que uso un monoastable y luego diseñamos dicho circuito en el protel
Este trabajo práctico se centra básicamente , en comprender el principio de funcionamiento de un generador de señal digital . Por otra parte calcularemos sus parámetros y observaremos la estabilidad de los mismos .
Nuestro generador de señal digital , será el circuito integrado LM555 que lo utilizaremos como un astable .
Circuito a utilizar
Circuito que nos permite utilizar el LM555 como astable
Lista de Componentes
1 Capacitor electrolítico de 10 uF
1 Capacitor electrolitico de 1 uF
1 Capacitor cerámico de 100 nF
2 Capacitores cerámicos de 10 nF
1 Capacitor cerámico de 1 nF
1 Resistor de 56KΩ y 1 resistor de 1KΩ ( Para obtener Rb )
1 Resistor de 27KΩ
1 Resistor de 1KΩ ( Rled )
1 Circuito integrado LM555
1 LED rojo
Cables o alambre para conexiónes
1)Calcula un astable usando un circuito integrado LM555 para una frecuencia de 1KHz y un ciclo de trabajo del 40% .
Para este punto de la práctica , debemos calcular los valores de 2 resistencias ( Ra y Rb ) , ademas del valor de "C" .
Cabe recordar que el ciclo de trabajo ( Duty Cycle ) esta dado únicamente por los valores de las resistencias calculadas y que el capacitor (C) se debe mantener con un valor fijo para conseguir con mayor facilidad los valores de R .
Sabiendo esto y aplicando las siguientes 2 formulas ( con un capacitor de 10nF ) calcularemos los valores de dichos componentes :
Formula para calcular el ciclo de trabajo ( Duty Cycle ) :
Formula para calcular la frecuencia de operación :
En la fórmula de frecuencia de trabajo reemplazaremos dicha frecuencia por un 1Khz y el capacitor "C" por uno de 10 nf , para despejar asi el valor de la R total ( sabiendo que Rt = Ra + 2rb )
Teniendo la Rt ( Ra + 2Rb ) y que el ciclo de trabajo es del 40 % es decir 0,4 :
Sabiendo el valor de Rb nos queda solo por calcular el valor de Ra de la siguiente manera :
Nota : Los valores calculados de los resistores , no son comerciales .
Esto qiere decir que para obtener la Rb ( 57,6 KΩ ) debemos utilizar un resistor de 56 KΩ y colocarle en serie 2 resistores de 1KΩ , para obtener asi aproximadamente el valor reqerido .
Para el caso de Ra ( 28,8 KΩ ) debemos utilizar un resistor de 27 KΩ y colocarle 2 resistores de 1KΩ ( como en el caso de Rb ) en serie para obtener dicho valor .
2) Verificar su correcto funcionamiento
En este item observaremos el correcto funcionamiento del astable calculado previamente .
Para ello armaremos el circuito en el protoboard o placa de prueba , y luego del armado lo alimantaremos con aproximadamente 5V ( el valor de la tensión aplicada , se obtiene de la datasheet del componente ) .
Por ultimo le conectaremos el osciloscopio para realizar las mediciones correspondientes .
Como el led oscila a 1Khz de frecuencia , esto quiere decir que se está prendiendo y apagandose constantemente unas 1100 veces por segundo aproximadamente .
Por ende resulta imposible para el ojo humano , observar el cambio de estado de dicho componente y como consecuencia el led se verá siempre encendido .
3 - 4) Medir la frecuencia de oscilación y medir el ciclo de trabajo
En este tramo de la práctica haremos 2 mediciones , para comprobar el correcto funcionamiento de nuestro circuito astable .
Para ello luego de conectar el circuito al osciloscopio , mediremos la frecuencia de oscilacion del mismo ( para comprobar si es de aproximadamente 1KHZ como se calculó el astable ) y luego el "Duty cycle " o ciclo de trabajo para cheqear que sea del 40 % como afirma el calculo .
Recordar que para medir la frecuencia de nuestra señal debemos entrar en el menú de "Tiempo" y con la perilla elegimos la opción que indica "Frecuencia".
Por otro lado para medir el " Duty cycle " nos dirigimos al menú "Measure" luego a "Tiempo" y finalmente con la perilla de selección elegimos el botón "T. subida".
Medicion de la frecuencia ( 980,6 Hz aproximadamente 1 Khz)
A la hora de medir el "Duty cycle " de la señal calculada , la medición nos dio aproximadamente 45% . Este error se debe a las tolerancias de los resistores , la cual aumentó en éste caso , por haber tenido que utilizar 2 resistores para poder formar cada uno de los resistores calculados previamente ( Ra y Rb )
5) Ponderar el error
Lo que haremos a continuación será calcular el valor original del resistor (Rb) a partir del valor de la frecuencia que medimos con el osciloscopio previamente .
A partir de este valor , lo que debemos hacer es simplemente corregirla ( es decir adaptar un valor de resistor que posea menos error en la medición ) .
Para ello nos basaremos en la siguiente formula y haremos los debidos despejes , hasta obtener el valor de Rb
Por otro lado la señal original , ( medida con el osciloscopio ) presenta un error de 19,4 Hz de frecuencia .
6) Grafica la variación de frecuencia en función de Vcc.
En este punto lo que haremos es realizar un gráfico , que explicará como varia la frecuencia en funcion de la tensión ( Vcc ) aplicada al integrado LM555 .
Se puede observar que a partir de los 2,5 V aproximadamente ( que es la tensión de alimentación mínima del circuito integrado) la frecuencia tiende a mantenerse constante .
Entonces en este caso se puede afirmar que la frecuencia solo depende del valor que se le otorgue a los 2 resistores ( Ra y Rb ) y al capacitor "C" .
Gráfico de la variación de frecuencia en función de la tensión aplicada ( Vcc )
7) Recalcular los valores para obtener las siguientes frecuencias, respetando el mismo ciclo de trabajo solicitado en el punto 1:
Lo que haremos a continuación será , calcular los valores correspondientes de capacidad , para las distintas frecuencias asignadas ( 1 Hz , 10 Hz , 100 Hz y 10 Khz ) .
Tabla de valores
8) En el caso del astable de 1 Hz conectale un led a su salida y verificá la frecuencia .
En esa medición lo que haremos será utilizar el circuito astable , a una frecuencia de 1Hz y conectarle su debido valor de capacidad ( recordar que para 1 Hz es un capacitor de 10 uF ) .
Luego conectarle un led a la salida del mismo , para verificar su frecuencia de trabajo .
A continuación se verá el video demostrativo de dicha medicion:
9) Investigar 2 tipos de osciladores digitales
Biastables:
Unbiestable (flip-flop en inglés), es un multivibrador capaz de permanecer en uno de dos estados posibles ( 1 o 0 ) durante un tiempo indefinido en ausencia de perturbaciones
Esta característica es ampliamente utilizada en electrónica digital
para memorizar información. El paso de un estado a otro se realiza
variando sus entradas.
Dependiendo del tipo de dichas entradas los
biestables se dividen en:
Asíncronos: Sólo tienen entradas de control. El más empleado es el biestable RS.
Síncronos: Además de las entradas de control posee una entrada de
sincronismo o de reloj. Si las entradas de control dependen de la de
sincronismo se denominan síncronas y en caso contrario asíncronas. Por
lo general, las entradas de control asíncronas prevalecen sobre las
síncronas.
La entrada de sincronismo puede ser activada por nivel (alto o bajo) o por flanco (de subida o de bajada). Dentro de los biestables síncronos activados por nivel están los tipos RS y D, y dentro de los activos por flancos los tipos JK, T y D.
Los biestables síncronos activos por flanco (flip-flop) se crearon para eliminar las deficiencias de los latches (biestables asíncronos o sincronizados por nivel).
Circuito Biastable
Monoestables :
El monoestable es un circuito multivibrador que realiza una función secuencial que consiste en que al recibir una excitación exterior , cambia de estado y se mantiene en él durante un periodo que viene determinado por una constante de tiempo . Transcurrido dicho período , la salida del monoestable vuelve a su estado original .
Funcionamiento :
Al aplicar la tensión de alimentación (Vcc) , los dos transistores iniciarán la conducción , ya que sus bases reciben un potencial positivo a través de las resistencias R-2 y R-3 . Como los transistores no son exactamente idénticos, por el propio proceso de fabricación uno conducirá antes o más rápido que el otro .
Suponiendo que es el transistor 2 el que conduce primero :
El voltaje en su colector estará próximo a 0 voltios (salida Y a nivel bajo) , por lo que la tensión aplicada a la base del transistor 1 a través del divisor formado por R3 y R5 , será insuficiente para que conduzca el mismo . En estas condiciones el transistor 1 permanecería bloqueado indefinidamente .
Pero si ahora aplicamos un impulso de disparo de nivel alto por la entrada , el transistor 1 conducirá y su tensión de colector se hará próxima a 0 V . Por lo cual C1 , que estaba cargado a través de R1 y la unión Base - Emisor del transistor 2 , se descargará a través del transistor 1 y R2 aplicando un potencial negativo a la base de TR-2 que lo llevará al corte ( salida Y a nivel alto ) .
En esta condición la tensión aplicada a la base del transistor 1 es suficiente para mantenerlo en conducción aunque haya desaparecido el impulso de disparo en T
Seguidamente se inicia la carga de C1 a través de R2 y el transistor 1 hasta que la tensión en el punto de unión de C1 y R2 ( base de Transistor 2 ) sea suficiente para que el mismo vuelva a conducir y el transistor 1 quede bloqueado . La duración del periodo cuasi estable viene definido por los valores de C1 y R2 .
Monoastable
Demostracion Teórica:
¿Que es un Circuito integrado LM555 ?
El circuito integrado LM555 es un dispositivo de alta estabilidad diseñado para construir retardos de tiempo y osciladores .
Por otro lado cabe destacar que el mismo incorpora dentro de sí mismo dos comparadores de voltaje , un flip flop , una etapa de salida de corriente , un divisor de voltaje resistivo y un transistor de descarga .
Dependiendo de como se interconecten estas funciones utilizando componentes externos es posible conseguir que dicho circuito realiza un gran numero de funciones tales como la del multivibrador astable y la del circuito monoestable entre otras .
¿Que aplicaciones tiene el LM555 ?
Este circuito integrado tiene la ventaja de que se lo puede utilizar para varias funciones ( recordar que nosotros lo utilizamos en este caso como un astable ) , algunas de sus funciones son las siguientes :
Para la precisión de temporización
Para la Generación de impulsos
Tiempo secuencia
Tiempo de generación de retraso
Modulación de anchura de pulso
Modulación de la posición
Generador de rampa lineal
¿Como lo utilizamos nosotros en la práctica?
En este trabajo práctico conectamos al circuito integralo LM555 de tal manera de consegir un circuito astable .
Siendo un astable un multivibrador que no tiene ningún estado estable , lo que significa
que posee dos estados "cuasi-estables" entre los que conmuta ,
permaneciendo en cada uno de ellos un tiempo determinado
Circuito que permite utilizar al LM555 como un astable
A continuación daremos una idea general , de lo que es un protoboard o placa de prueba y sus características mas salientes . Recordar que es el primer trabajo práctico de este año en el cual empleamos dicho dispositivo .
¿Que es un protoboard ?
El Protoboard es una especie de tablero con orificios , en el cual se pueden insertar componentes electrónicos y cables para armar cualquier tipo de circuito .
Como su nombre lo indica , esta tableta sirve para experimentar con circuitos electrónicos , con lo que se asegura el buen funcionamiento del mismo .
Es en la actualidad una de las placas de prueba más usadas . Está compuesta por bloques de plástico perforados y numerosas láminas delgadas , de una aleación de cobre , estaño y fósforo , que unen dichas perforaciones , creando una serie de líneas de conducción paralelas .
En la cara opuesta del dispositivo se coloca un protector con pegamento , que sirve para sellar y mantener en su lugar las tiras metálicas .
Protoboard
¿Como esta compuesto un protoboard ?
Estructura interna de un Protoboard
Conexiones internas y los buses
El protoboard esta dividido en dos áreas principales que son los buses y las pistas .
Los buses tienen conexion y por ende conducen a todo lo largo ( aunque algunos fabricantes dividen ese largo en dos partes ) . Las lineas rojas y azules indican como conducen los Buses .
Cabe destacar que no existe conexion física entre ellos , es decir no hay conducción entre ellas mismas .
En los Buses se acostumbra a conectar Vcc ( tensión de alimentación ) que usan los circuitos o las señales que se quiere inyectar a ellos desde un equipo externo .
Por su parte , las pistas proveen puntos de contacto para los pines o terminales de los componentes que se colocan en el protoboard .
Consejos a la hora de armar un circuito en el protoboard
1) La conexion entre nodos se hace mediante alambres, los cuales deben de ser lo mas corto posible, a fin de evitar problemas de ruido en el circuito.
En lo posible deben de estar aislados , para evitar cortocircuitos por contactos con otros cables
2) Al montar las componentes fijarse muy bien en las polaridades de los componentes , por ejemplo de condensadores , y valores de pines de los integrados , así como rangos de operación .
3) Si el circuito no funciona correctamente revise las alimentaciones y que los cables de interconexión de nodos no estén sueltos o haciendo mal contacto.
4) El protoborad tiene bastantes problemas de ruido por lo que no se recomienda para alta frecuencia
5) Recordar que esta herramienta es para ensamblado temporal . Si se desea mantaner el circuito se debe llevar a placa PCB , replicandolo , tratando en lo posible de usar otras componentes , a fin de poder identificar posibles problemas en la placa .
Bibliografia
Para la realización del presente trabajo práctico , utilizamos las páginas y textos que daremos a conocer a continuación :
