Trabajo Práctico N°5
Demostración Práctica :
El presente trabajo práctico tiene como finalidad implementar , diseñar y llevar a cabo en protoboard o placa experimental , un circuito que a su salida opere como un semáforo de 3 luces ( Rojo , Amarillo y Verde )
Al mismo tiempo programaremos el semaforo en nuestro microcontrolador "GP32"
El semáforo funcionará
respetando periódicamente , ciertos patrónes de intervalos ( tiempo ) por el cual las luces
se encenderán en una determinada combinación .
A continuación se verá el diagrama temporal de nuestro semáforo
Circuito a utilizar
Lista de Componentes
- 1 Capacitor electrolítico de 10 uF
- 1 Capacitor cerámico de 0,01 uF
- 1 Resistor de 56KΩ
- 1 Resistor de 27KΩ
- 3 Resistores de 1KΩ ( Rled )
- 1 Circuito Integrado CD 4040
- 2 Circuitos integrados CD 4013
- 1 LED rojo , 1 LED amarillo y 1 LED verde
- 1 Circuito Integrado LM555
- Cable o alambre para conexiónes
Principio de Funcionamiento
Etapa Astable:
Nuestro semáforo cuenta con una etapa astable que funciona como un emisor de pulsos ( o tren de pulsos ) , si se desease modificar el tiempo de emisión de nuestro astable solo debemos adaptar el valor de capacidad de dicha etapa .
Por otra parte calibraremos su
ciclo de trabajo lo más cercano al 50% posible .
Meditante la siguiente formula obtendremos nuestro "Duty Cycle" :
Meditante la siguiente formula obtendremos nuestro "Duty Cycle" :
Como nuestro ciclo de trabajo no puede ser del 50% , debido a que para lograr dicho valor Ra tendria que tender a 0 ( cortocircuito ) adaptaremos nuestra etapa con un ciclo de trabajo de aproximadamente 40 %.
Para ello utilizaremos una Ra = 28 KΩ y una Rb = 57 KΩ
Cabe recordar que si se despreciaria la Ra se podria dañar nuestro circuito integrado, ocasionando que se quemen los transistores que posee internamente .
A continuación , asignaremos la frecuencia de operación de nuestro astable .
Como queremos que el tiempo de cambio de un estado a otro sea de aproximadamente 1,5 segundos a la salida de nuestra etapa , debemos duplicar el periodo ( 3 segundos )
Mediante la siguiente formula obtendremos la frecuencia a utilizar en dicha etapa:
Reemplazando los valores de Ra = 28,8 KΩ y Rb = 57,6 KΩ y utilizando una frecuencia de 1/2Hz, despejaremos el valor de capacidad de nuestro astable .
Valor obtenido como C = 10 uF
El valor de "C" habia sido prefijado en 10 uF y fueron los resistores , los que se adaptaron , debido a que es mas sencillo conseguir los mismos en el mercado que los valores de capacidad .
Etapa del CD4040 :
Valor obtenido como C = 10 uF
El valor de "C" habia sido prefijado en 10 uF y fueron los resistores , los que se adaptaron , debido a que es mas sencillo conseguir los mismos en el mercado que los valores de capacidad .
Si tomamos de referencia c/u de los pulsos entregados por nuestra etapa anterior y a la salida de la misma le Asignamos un circuito integrado CD4040 , lo que lograremos es hacer funcionar a nuestro componente como un contador logico (cuenta estados y los traduce en código binario con varias salidas) que automaticamente nos generará una tabla de verdad para 3 variables .
Las variables generadas son D0 , D1 y D2 que son las salidas Q1 , Q2 y Q3 de nuestro intregrado CD4040 .
A partir de la tabla generada por nuestro intregrado plantearemos las 3 salidas ( una salida para cada led del semaforo ) , para obtener nuestras funciones y a partir de eso diseñar nuestros circuitos logicos . Para diseñar los mismo tilizamos los mapas de Karnaugh .
Por ultimo habiendo obtenido las funciones logicas , nos queda por implementar el circuito correspondiente en el protoboard con compuertas NAND.
A continuación se observará un diagrama de tiempos del CD4040 y la etapa de astable:
Etapa del CD 4013 :
El circuito que emplearemos es un Flip-Flop tipo "D".
El mismo se trata de un mecanismo que cambia el estado de su salida cuando su
entrada toma el valor de un 1 lógico .
Algunos Circuitos integrados que poseen Flip Flops D son el : CD4013 ó CD4040
El circuito integrado CD4013 contiene los 2 flip-flops necesarios
para establecer las otras 2 bases de tiempo . En base a ese conocimiento conectaremos la salida del
astable a la entrada del primer flip-flop ( es decir , el terminal 3 del
circuito integrado LM555 al terminal 3 del CD4013 ) y la salida del primer flip-flop , a la
entrada del segundo ( uniendo el terminal 1 del CD4013 con el 11 ).
Así , nos aseguramos que
funcionen en configuración cascada y podremos obtener las 2 bases de tiempo que nos
faltaban con tan solo negar la salida de cada uno de los flip - flop
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| Diagramas de tiempo del Flip Flop tipo "D" |
Cada Flip Flop tipo "D" posee un terminal de Set y un terminal de Reset , que son los que conectaremos a masa .
Por otra parte entrega 2 salidas que se denominan , Entrada Comun ( Q ) y la Entrada Negada ( Q negada )
Ademas el mismo contiene un terminal de Clock ( CLK ) y uno de Datos ( D ) , en base a estos datos , tomaremos el terminal de Clock como entrada del Flip - Flop y el terminal D lo asignaremos a la salida negada del mismo .
A continuación mostraremos imágenes que demuestran como está constituido el Flip - Flop tipo "D"
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| Estructura Interna del Flip Flop D |
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| Diagrama de Conexión del Flip Flop D |
La tabla de verdad obtenida , es la siguiente :
Al observar la tabla de verdad , se puede apreciar que la salida del Led Rojo equivale a la variable D2 pero negada , es decir que a la hora de armar dicho circuito en el protoboard solo debemos usar un negador .
En cambio para obtener nuestros circuitos logicos de los otros 2 leds ( amarillo y verde ) debemos emplear los mapas de Karnaugh para hallar sus correspondientes funciones lógicas.
Calculo de la función lógica para el led amarillo :
Calculo de la función lógica para el led verde :
Circuito Final con compuertas NAND :
Implementaremos el uso de 2 circuitos integrados CD4011 ya que los mismos poseen compuertas NAND , que son las necesarias para llevar a cabo en el protoboard nuestro circuito
Recordar que c/u de los circuitos integrados CD4011 poseen internamente 4 compuertas NAND
Video demostrativo del semaforo :
Semaforo progamado con el microcontrolador "GP 32" ( Link de descarga ) :
Datasheet de los componentes utilizados :
Circuito integrado LM555: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm555.pdf
Circuito integrado CD4040: http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/90/109006_DS.pdf
Circuito integrado CD4013: http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/228/108664_DS.pdf
Demostración Teórica :
Aplicaciones de los circuitos Integrados
Son circuitos electrónicos de conmutación fabricados por medio de diferentes tecnologías integradas.
Las compuertas se representan gráficamente, mediante símbolos que representan a los circuitos lógicos prácticos que cumplen con las funciones del algebra binaria.
Compuerta And → Z (b , a) = b . a
Compuerta XOR → Z (b, a) = b ℗ a
Conclusiones
En
este trabajo práctico diseñamos , implementamos y llevamos a cabo en el protoboard un semaforo de 3 luces
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 de 2 circuitos integrados ( CD4040 y CD4013 )
Investigamos y aprendimos los caracterizticas / parámetros / utilidad de los circuitos integrados en general
En
este tramo de la introducción teórica se mencionara brevemente las
características, usos, ventajas y desventajas entre otras cosas, de
unos de los componentes mas utilizados en electrónica que es : El circuito Integrado
¿Qué
es un circuito integrado?
Un
circuito integrado es aquel circuito electrónico pequeño construido
sobre un soporte de silicio y que viene generalmente en un
encapsulado negro con patillas de metal.
¿Cuándo
se creó el primer circuito integrado? ¿Quien fue su creador?
El
primer Circuito Integrado fue desarrollado en 1958 por el ingeniero
Jack Kilby. Se trataba de un dispositivo de germanio que integraba
seis transistores en una misma base semiconductora para formar un
oscilador de rotación de fase.
¿Cuáles
son las ventajas de un circuito Integrado?
- Generan ahorro de dimensión, de peso y longitud de conexiones
- Poseen mayor velocidad de respuesta
- Son pocos costosos
- Posee un menor número de componentes auxiliares
- Logran un consumo muy pequeño de energía (con comparación a las válvulas)
¿Cuáles
son las desventajas de un circuito Integrado?
- Si el circuito integrado se rompe o quema , lo hace por completo sin poder contar con ninguna reparación
- Son componentes que son recomendable no manipularlos mucho debido a que son muy sensibles.
- Conviene aislarlo de componentes o dispositivos que puedan generar calor y aumentar el máximo de temperatura que soporta dicho componente logrando así que se queme.
Aplicaciones de los circuitos Integrados
- Estos componentes son utilizados en todo tipo de circuitos ( Radios computadoras , mouse entre otras cosas)
- Por otra parte se pueden utilizar en microprocesadores o en circuitos Digitales
Compuertas
Lógicas
Son circuitos electrónicos de conmutación fabricados por medio de diferentes tecnologías integradas.
El
objetivo que tienen es trabajar como llaves electrónicas de tal
manera, que se pueda llevar a la práctica con las funciones
binarias.
Las
ventajas de estas llaves electrónicas son las siguientes:
- No tienen patas móviles
- Se reducen tamaño de fabricación y costos
- Aumenta la velocidad de operación
Estados
lógicos →
0 →
Gnd (0 V)
→ 1
→
5 V
Simbología
Las compuertas se representan gráficamente, mediante símbolos que representan a los circuitos lógicos prácticos que cumplen con las funciones del algebra binaria.
Compuerta And → Z (b , a) = b . a
Compuerta
Or → Z (b ,
a) = b + a
Compuerta
Not (inversora) → Z (a) = ᾱ
Compuerta XOR → Z (b, a) = b ℗ a
Tablas
de verdad
La tabla de verdad es un instrumento utilizado para la simplificación de circuitos digitales a través de la ecuación de Boole
Las
tablas de verdad por otra parte, pueden tener muchas columnas o
filas, pero todas las tablas funcionan de igual forma.
Los circuitos lógicos son básicamente interruptores, conocidos como "compuertas
lógicas" (compuertas AND, NAND, OR, NOR, NOT, etc.). Cada
compuerta lógica tiene su tabla de verdad .
A continuación se verá una imágen con un ejemplo de una tabla de verdad :
Mapa de Karnaugh
Un mapa de Karnaugh es un diagrama utilizado para la simplificación de funciones algebraicas Booleanas.
El mapa de Karnaugh fue inventado en 1950 por Maurice Karnaugh, un físico y matemático de los laboratorios Bell.
Los mapas de Karnaugh reducen la necesidad de hacer cálculos extensos
para la simplificación de expresiones booleanas . El mismo consiste en una representación bidimensional de la tabla de verdad de la función a simplificar.
Las variables de la expresión son ordenadas en función de su peso y siguiendo el código Gray,
de manera que sólo una de las variables varía entre celdas adyacentes.
La transferencia de los términos de la tabla de verdad al mapa de
Karnaugh se realiza de forma directa, albergando un 0 ó un 1,
dependiendo del valor que toma la función en cada fila.
Los mapas de
Karnaugh se pueden utilizar para funciones de hasta 6 variables.
Para la realización del presente trabajo práctico , utilizamos las páginas y textos que daremos a conocer a continuación :
Bibliografia
Para la realización del presente trabajo práctico , utilizamos las páginas y textos que daremos a conocer a continuación :
- Pagina de Internet : http://es.wikipedia.org
- Pagina de Internet : http://www.unicrom.com
- Revista / Fascìculo Electrónica enciclopedia práctica
Conclusiones
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 de 2 circuitos integrados ( CD4040 y CD4013 )
Investigamos y aprendimos los caracterizticas / parámetros / utilidad de los circuitos integrados en general
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