Electrónica Completa

Curso en línea gratis de Electrónica Completa por el Ing. Alberto Picerno

Fabricación de dispositivos con compuertas lógicas

En esta lección vamos a explicar primero cómo se pueden organizar los diferentes circuitos realizados con compuertas. Un modo de organizarlo es como astables o multivibradores, monoestables y biestables.

• Astable es aquel cuya salida oscila si necesidad de colocarle señal de entrada
• Monoestable cambia de estado la salida por un tiempo u luego vuelve al estado estable de espera
• Biestable cambia la salida con cada pulso de entrada cualquiera sea su estado de salida (alto o bajo)

En esta lección vamos a analizar todos los circuitos astables y le vamos a dar una aplicación.

Osciladores, Multivibradores o Circuitos Astables

A los alumnos le suele llamar la atención el nombre astable; así que comenzamos con la semántica del tema.

Circuitos Biestables o Flip-Flop (FF)

Existen tres circuitos clasificados según la forma en que retienen o memorizan el estado que adoptan sus salidas, estos son los circuitos Biestables o Flip-Flop (FF) que son todos aquellos que cambian el estado de la salida cada vez que reciben una señal de entrada. Y además de cambiarlo lo retienen aunque desaparezca el dato de entrada.

En conclusión: poseen dos estados estables de salida alto o bajo.

Circuitos Monoestables

Circuitos Monoestables: Estos circuitos cambian de estado sólo si se mantiene la señal de entrada (nivel alto o bajo), si ésta se quita, la salida regresa a su estado anterior después de un tiempo ajustable.

Conclusión: Poseen un sólo estado estable el otro es metaestables

Circuitos astables

Circuitos astables: Son circuitos que funcionan solos sin recibir señales de entrada; su salida cambia gobernada por una red de tiempo R-C (Resistencia-Capacitor) y un circuito de realimentación. A diferencia de los anteriores se puede decir que no poseen un estado estable sino dos es decir son metaestables.

A estos últimos nos dedicaremos ahora, los otros dos los trataremos en próximas lecciones. Recuerden suscribirse por RSS o suscribirse por email para no perderse ningún tema.

De todos los circuitos astables el más conocido es el que se construye con un integrado NE555 pero nosotros queremos construirlos con compuertas lógicas. La idea es que vea todas las posibilidades que le brindan las compuertas lógicas y ésta es una de ellas, considerando que en muchos circuitos o diseños quedan compuertas libres (sin ser utilizadas) vamos a aprovecharlas para armar circuitos astables, o temporizadores.

Oscilador con onda cuadrada con compuertas NOT

Utiliza dos inversores o compuertas NOT. Podríamos fabricarlo como un generador de señal rectangular pero comencemos con un generador de señal cuadrada.

Nota: T1=T2 T = 2,5 RC aprox. Rs = 2R

Fig.1 Oscilador de onda cuadrada

Veamos como funciona:

Al iniciar el funcionamiento VC1 = 0 la salida del inversor U2B está a nivel “1″, entonces su entrada esta a “0″, y la entrada del inversor “U1A” a nivel “1″. En esas condiciones C1 se carga a través de R1, y los inversores permanecen en ese estado.

Cuando el capacitor alcanza su carga máxima la unión de los tres componentes pasivos esta alta y, se produce la conmutación del inversor “U2B”. Su entrada pasa a “1″, su salida a “0″ igual que la entrada del inversor “U1A” que pasa a “0″, se invierte la polaridad del capacitor y este se descarga, mientras tanto los inversores permanecen sin cambio, una vez descargado, la entrada del inversor “U1A” pasa nuevamente a “0″, y comienza un nuevo ciclo.

Este oscilador es simétrico ya que el tiempo que dura el nivel alto es igual al que permanece en nivel bajo, este tiempo esta dado por T = 2,5.R.C con

T expresado en segundos cuando R está expresando en Ohms y

C en Faradios. Nota: el tiempo T es solo aproximado. En efecto la simulación nos indica un periodo de 220 mS y el calculo da T = 2,5.10K.10uF = 250 mS aunque hay que recordar que la simulación tampoco es exacta.

El capacitor C2 evita que el circuito funcione en un modo de muy alta frecuencia.

El mismo circuito se puede fabricar con otras compuertas; por ejemplo:

Oscilador simétrico con compuertas NAND

Una NAND con sus entradas unidas se comporta como un inversor.

Fig.2 Oscilador de onda cuadrada con compuertas NAND

Oscilador simétrico con compuertas NOR

Fig.3 Oscilador de onda cuadrada con compuertas NOR

Como se puede observar todo se basa en el primero circuito que vimos; y hay mas combinaciones en donde se pueden usar compuertas mezcladas. Por ejemplo una NAND y un inversor; una NOR y un inversor etc.

También se puede fabricar un oscilador de frecuencia variable Colocando un potenciómetro doble (estereofónico) en lugar de R1 y R2.

Fig.4 Oscilador de frecuencia variable

Utilidad práctica de los osciladores a compuerta

La utilidad práctica es casi infinita si Ud. tiene en cuenta alguna características de los osciladores fabricados con compuertas. En principio lo más importante es que su frecuencia no es muy estable con la temperatura dependiendo del tipo de componentes pasivos utilizados. Los electrolíticos son especialmente prohibidos si quiere que la frecuencia sea estable. Los capacitares cerámicos tienen diferentes coeficientes de temperatura desde los NP0 hasta los N o P 1500 (en donde la cifra 1500 expresa la variación de capacidad en partes por millón y N es en defecto y P en aumento). La mejor combinación son los capacitares de poliéster metalizados y los resistores comunes de carbón que se compensan mutuamente.

Teniendo en cuenta este detalle la aplicación mas comunes son las aplicaciones de audio en donde destacan las sondas probadoras. Cualquiera de nuestros circuitos, calculado para 1 KHz sirve para probar el funcionamiento de un amplificador de audio. O inclusive un simple parlante aunque en este caso es conveniente cambiar el circuito por el de la figura siguiente para obtener un buen funcionamiento con resistencias de carga bajas.

Fig.5 Generador de tono de audio de 1 KHz

Por supuesto que no se trata de un generador senoidal, sino de onda cuadrada pero es perfectamente válido para pruebas de service. Inclusive el circuito propuesto llega a mover un parlante del tipo para PC con lo que se transforma en un diapasón electrónico para el ajuste de instrumentos musicales.

Armando 7 osciladores con presets se puede construir un órgano electrónico de una octava, conectando los generadores al amplificador con pulsadores tipo sapito. Sin embargo le recordamos que para que un órgano sea útil debe tener por lo menos 3 o 4 octavas.

Armando un modelo de baja frecuencia de ½ Hz se puede hacer un destellador para una bicicleta. Que también sirve como emulador de alarma para auto (el ladrón siempre observa la existencia de un led destellante que informa que la alarma está conectada.

Disipadores Schmitt trigger o con histéresis

Algo que no vimos hasta ahora son las compuertas SCHMITT TRIGGER o disparadores de Schmitt, son iguales a las compuertas vistas hasta ahora pero tienen la ventaja de tener dos umbrales de conmutación muy bien definidos, llamados VT+ y VT-; VT+ es el eje de cambio de estado cuando la señal de entrada aumenta y VT- cuando disminuye. Esto hace que las compuertas puedan reconocer señales con ruido superpuesto que una compuerta lógica común tendría dificultades en reconocer, ya que el ruido produciría una indeterminación del estado de su salida.

Esto parece ser un problema de poca importancia, pero no lo es; es el problema por antonomasia de la electrónica digital, debido a que una gran cantidad de circuitos lógicos se manejan con pulsadores y los pulsadores no tienen un pulso totalmente libre de ruido.

Para entender este problema lo mejor es recurrir a una simulación en Multisim en donde aplicamos una señal similar a la de un pulsador con ruido superpuesto y vemos el comportamiento de un inversor común y de un inversor con histéresis.

Fig.6 Comparación entre un inversor con histéresis y uno común

El oscilograma superior indica la realidad, es decir una sucesión de 1 y 0 todos de la misma duración debido a que el inversor tiene dos ejes de recorte. Cuando la señal de entrada llegó al eje inferior conmuta la salida. En ese momento la señal de entrada subió debido al ruido pero como no llegó a superar al eje superior nada se vió reflejado en la salida.

En cambio, el oscilograma inferior tiene un inversor sin histéresis es decir con un solo eje de recorte; el cambio hacia arriba producido por el ruido genera un 1 extra de corta duración que puede alterar enormemente el resultado de un número binario de salida.

No sólo existen inversores Schmitt Trigger, sino también compuertas AND, OR, NOR, etc., que ya sabemos como utilizar.

Oscilador a cristal

Anteriormente dijimos que los osciladores a RC podían no tener suficiente precisión para nuestras necesidades. Si Ud. necesita mayor precisión puede recurrir a un oscilador implementado con dos inversores y un Cristal de cuarzo como el de la figura 7, el trimer de 40pf se incluye para un ajuste fino de la frecuencia de oscilación.

El circuito oscilador en si, funciona con un solo inversor. Se puede incluir otro para actuar como etapa separadora.

Fig.7 Oscilador a cristal

Este circuito es muy útil cuando se pretende obtener frecuencias superiores a los 100 KHz para las cuales existen cristales standard. En frecuencias menores solo existen unos cristales especiales para relojes de 32 KHz y luego hay que utilizar un circuito divisor de frecuencia que veremos más adelante.

Osciladores controlados

Se trata simplemente de controlar el momento en que un oscilador debe oscilar o cortar las oscilaciones. Recuerde que siempre tenemos dos opciones, funcionamiento por un nivel alto o por un nivel bajo.

Si tiene en cuenta que los osciladores vistos hasta el momento solo pueden oscilar cambiando el estado de sus entradas en forma alternada, lo que haremos será forzar ese estado a un estado permanente de 0 o 1.

Vamos un primer ejemplo; utilizando un diodo en la entrada del primer inversor como lo indica la figura siguiente.

Fig.8 Control sobre el oscilador astable

Queda claro que cuando el generador de funciones coloca un estado alto en el diodo el mismo conduce y traba la entrada en 1 cortando la oscilación astable.

Los astables realizados con compuertas equivalentes admiten también el corte o modulación de la señal tal como puede verse en la figura siguiente.

Fig.9 Astable controlado con NANDs

La aplicación de este circuito es la fabricación de un generador de RF modulada para la banda de AM o un transmisor de telegrafía. Para el generador de RF modulada solo basta con construir un astable de 1 KHz para usar como modulador y otro controlado que barra de 400 KHz a 1700 KHz con un potenciómetro.

Ud. dirá que el generador debería ser de señal senoidal pero si tiene en cuenta que los armonicos caen en el triple de la fundamental, en el quíntuple etc. en general no molestan.

Modulación por ancho de pulso

Los astables de 50% de tiempo de actividad no son los únicos que se utilizan. Los de período de actividad variable y frecuencia fija son tal vez los más usados. Si Ud. quiere controlar la velocidad de un motor de CC y le disminuye su tensión bajará la velocidad, pero lo malo es que también disminuía la cupla o torque del motor (fuerza de giro).

Si lo controla con un astable que posee ajuste del ancho de pulso de salida, variará la velocidad sin reducir la cupla. Comencemos planteando un generador con un periodo de actividad mayor al 50%.

Fig.10 Astable con periodo de actividad asimétrico

El circuito no es idéntico al que ya usamos pero es similar. No considere a R3 y C2 que están para evitar oscilaciones de alta frecuencia. C1 se carga cuando la salida de U1A es alta (y la de U2B por supuesto baja) y lo hace por el camino +5V, D1, R2, C1, masa. En el ciclo siguiente se descarga por +5V, C1, R2, R1, masa. Es decir que se carga por R2 y se descarga por R1+R2 y allí está la asimetría que genera un tiempo de actividad superior al 50%.

La ecuaciones son T1>T2 ; T1 = 0,7 (R1+R2) . C1 ; T2 = 0,7 . R2 .C1 que son claramente asimétricas. Se puede reemplazar R1 o R2 por un potenciómetro y obtener un ajuste variable del tiempo de actividad y la frecuencia (no se puede evitar que cambie la frecuencia salvo que se varíen los dos resistores).

Un detalle a tener en cuenta es que si se invierte la polaridad del diodo se obtiene la situación inversa, es decir T2 > T1.

Se pueden realizar dos acciones al mismo tiempo a saber: modulación por ancho de pulso y conmutación de encendido.

Fig.11 Circuito PWM inteligente con corte de funcionamiento

Este circuito es ideal para manejar un motor o una lámpara incandescente por PWM. El motor se puede conectar sobre la salida de U2B o poner otra compuerta como separadora. Ya conocemos una de las ventajas de usar un modulador PWM que el motor marcha a menor velocidad pero no pierde torque. Pero el circuito tiene una ventaja mucho más importante que esa, el rendimiento.

Yo podría conectar el motor a la fuente con un potenciómetro y lograr una variación de velocidad. Pero cuando el motor marcha lento el circuito gasta tanta energía como cuando marcha rápido porque el potenciómetro se calienta y esa energía térmica proviene de la fuente. Además el potenciómetro debe ser especial de alambre para soportar la potencia disipada, o debo agregar un transistor regulador de potencia y un disipador.

En este circuito, la regulación se produce por conexión y desconexión del motor. Si el motor esta conectado poco tiempo (tiempo de actividad Ta bajo) marcha lento y si se deja conectado mucho tiempo (Ta alto) marcha rápido, pero cuando está desconectado no hay nadie que se caliente y por lo tanto su rendimiento es muy alto.

Este sería un circuito muy adecuado para un robot siguelineas porque consume poca batería y porque tiene un control de encendido de bajo consumo que además puede cambiar la lógica solo con invertir el diodo D2. R4 ajustaría la velocidad del robot y le daría el balance para que se mueva derecho sobre la línea porque es como un reductor electrónico variable.

Conclusiones

Así agotamos el tema de los osciladores astables dando varios circuitos de aplicación posible y seguramente generando muchos más en la imaginación del lector. Pero el tema de las compuertas lógicas no está agotado ni mucho menos, aún no hemos comenzado a explorarlo porque no faltan los circuitos monoestables y los biestables, que veremos en la próxima entrega con sus correspondientes aplicaciones.