RADIO INSTITUTO

CURSO DE CIRCUITOS DIGITALES

LECCIÓN Nº 5

TRABAJOS PRÁCTICOS

MULTIVIBRADOR ASTABLE - FLIP FLOP RS - FLIP FLOP RS DE UN SOLO COMANDO - DUPLICADOR DE FRECUENCIA - VERIFICACIÓN DE FUNCIONAMIENTO INDIVIDUAL Y EN CONJUNTO


Para la realización de los trabajos prácticos de la presente lección, vamos a continuar utilizando la plaqueta de ensayos (Protoboard), y otros componentes que se agregan a los que ya ha recibido.

Comience por cortar varios trozos de alambre de conexiones de unos 4 cm, 8 cm, y algunos mas largos, quítele el aislante en las puntas 1 cm mas o menos para poder insertarlos en los terminales de la plaqueta. La sección del alambre adecuada para no lastimar ni agrandar los contactos de la plaqueta es de 0,20 (diámetro = 0.5 mm) o similar, el que le enviamos es adecuado.

MULTIVIBRADOR ASTABLE CON COMPUERTAS NAND

Este tipo de osciladores se puede realizar fácilmente con distintos circuitos integrados, hemos elegido un CD4011 que tiene en su interior 4 compuertas NAND y veremos como utilizarlas buscando su máximo aprovechamiento a fin de lograr varios circuitos a partir de un solo integrado.

Diremos de paso que este oscilador podríamos haberlo realizado con otro integrado que también dispone en su interior de 4 compuertas NAND del tipo DISPARADOR SCHMITT, el CD4093 ó un separador inversor CD40106 que tiene 6 inversores.

En estos casos se logra el mismo oscilador con una sola compuerta o un solo inversor, pero esto lo dejamos para mas adelante, cuando estudiemos como funcionan los disparadores SCHMITT.

En la figura 1 podemos apreciar el circuito esquemático del oscilador, o multivibrador astable.

 

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En este circuito hemos incorporado un preset, R4, a fin de poder variar la frecuencia de oscilación y de este modo visualizar sus efectos en los destellos del led L1.

En un extremo del preset R4 la frecuencia que se observa será muy baja, de unos pocos Hz, a medida que se avanza el cursor, la frecuencia aumenta hasta llegar a un límite que no es posible ver las variaciones a simple vista, o bien dejará de oscilar.

El capacitor C1 y el preset R4 determinan la frecuencia, si desea aumentarla o bajarla, suba o disminuya el valor de C1 que es lo mas fácil. Mayor capacidad = menor frecuencia.

El control se logra a través del terminal 2; estando a masa a través de R1, se encuentra en reposo, es decir, no oscila, cuando aplicamos un potencial positivo, se habilita y comienza a oscilar.

Esta acción, el alumno la hará mediante un alambre de conexiones de los largos que habrá preparado, insertando una punta en la plaqueta en la línea que corresponde al terminal 2, y la otra en la línea de +B. Al conectar a +B comenzará a oscilar, al levantar la conexión dejará de hacerlo.

El funcionamiento de este circuito se observa claramente en los destellos del diodo led, pero es importante que además verifique los estados, que serán cambiantes, con la sonda lógica en las salidas de los pines 3 y 4 a fin de ir familiarizándose con su uso. Verá que los led verde y rojo encienden alternativamente con menor o mayor velocidad de acuerdo al ajuste de frecuencia que le haya dado al preset.

Todos los trabajos que se realicen en la plaqueta de ensayos corresponden a partes de circuitos de distintos aparatos, y lo que pretendemos lograr es que el alumno vea y compruebe los fenómenos electrónicos que se desarrollan, por lo tanto es importante investigar que es lo que está sucediendo en las distintas partes; es bueno medir tensiones con un tester, verificar estados con la sonda, cambiar valores de algún componente etc. siempre dentro de límites razonables lógicamente y con cuidado para no estropear componentes. Todo lo que haga con el fin de adquirir experiencia es válido.

Siempre recuerdo una frase del señor Dilorenzo, profesor de Física del viejo y querido Industrial de San Isidro, cuando decía " No se conformen con saber que algo sucede, lo importante es saber porqué sucede" . Fíjese la importancia de ésta aseveración y cuantas veces está a nuestro alcance saber "el porqué" de muchas cosas.

FLIP FLOP RS CON 2 COMPUERTAS NAND

Si bien existen circuitos integrados específicos para esta función, y de distintos tipos, también es cierto que se pueden lograr a partir de otros como son compuertas e inversores.

En la figura 2 vemos uno realizado a partir de las 2 compuertas que nos sobran en el CD4011.

 

 

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En este circuito el terminal 13 corresponde a la entrada SET, y el terminal 8 a la entrada RESET. Los cambios de estado se logran con niveles de 0 (bajo).

Podemos definir el término SET como puesta en servicio, y reset como fin o vuelta al estado de reposo.

Sin desarmar el trabajo anterior, realice el conexionado de este. Comience por los puentes entre las patitas 9 y 11 y entre 10 y 12, mediante alambres ya preparados cortos. Conecte las resistencias, el transistor TR3 y el diodo led que también se inserta en la plaqueta.

Una vez terminada esta tarea, inserte un alambre largo en la línea de negativo de la plaqueta, con el otro extremo "toque" sobre el terminal de R7 que se corresponde con la patita 13 del integrado y con el de R8 de la patita 8. Cada toque debe provocar el cambio de estado en el flip flop.

El pulso en la entrada set (pin 13) produce un 1 en la salida Q (pin 11) y se enciende el diodo led L2. El pulso sobre la entrada reset (pin 8) provoca el cambio a la situación de reposo, y se apaga el diodo led. Ahora vamos a realizar una experiencia de comando con todo lo hecho hasta el momento.

Inserte un alambre de conexiones en el pin 2 de IC1 y en el pin 11 del mismo. De este modo estamos uniendo la salida Q del flip flop con la entrada de comando del oscilador, por lo tanto éste se gobierna por la acción del flip flop únicamente. Llevando a masa mediante el alambre largo que hemos dispuesto en la plaqueta la patita 13 de IC1, la salida Q se torna positiva, por lo tanto se enciende el led L2 y también comienza a funcionar el oscilador, ya que como hemos dicho, se habilita con un 1 en su patita 2.

Para cancelar la operación se debe enviar a masa la patita 8 que corresponde al reset.

La alimentación de este circuito es muy amplia, diremos que no hay inconvenientes en usar tensiones entre 4 volt y 15 volt, que pueden provenir de una fuente de CC o de pilas comunes.

Naturalmente nosotros usaremos la fuente que hemos construido.

FLIP FLOP RS CON UN SOLO COMANDO

Dado que este tipo de flip-flop actúa por cambios de nivel decreciente, sin tener importancia los flancos (que sean bien verticales o no), nos permite efectuar una mejora en su circuito mediante el uso de un transistor, TR3, y unos pocos componentes.

Con el agregado de esta etapa se logra comandar todo el circuito mediante la aplicación de un 0 en un solo punto. Si se usaran pulsadores eventualmente para el comando, deberíamos utilizar 2, uno para el set y otro para el reset; pues bien, de este modo con uno solo es suficiente.

En la figura 3 se aprecia como queda el circuito completo con esta nueva etapa.

El funcionamiento es simple, como vemos a continuación. El cambio de estado en la función set se produce mediante una pulsación o "toque" corto. Si se sostiene el pulsador durante aproximadamente 3 segundos, al soltarlo, entra la función reset y vuelve a cambiar de estado llevándolo al inicio o estado de reposo.

Esto es así porque: En el punto A marcado en el circuito siempre existe un 1 (tensión positiva de fuente), a través de R7. Al enviarlo a masa, éste punto pasa a 0; si se sostiene en masa, el capacitor C2 comienza a descargarse a través de R11. Al llegar al umbral de conducción de TR3, éste lo hará y se produce la descarga inmediata de C3. Cuando suelte el pulsador, el 1 de fuente llega rápidamente al pin 13 de IC1 y a la base de TR3 a través de R11 y D1 respectivamente. El transistor pasa al corte y ahora comienza a cargarse C3 a través de R8.

Mientras está en tiempo de carga, el pin 8 (reset) se encuentra en 0, y en cambio el pin 13 (set) ya tiene un 1, por lo tanto el flip flop cambia. Si la pulsación es de corta duración, la función reset no actúa porque C2 no alcanzará a descargarse. Arme esta etapa en la plaqueta de ensayo y verifique su funcionamiento de acuerdo a la nueva situación creada. El pulsador lo hemos incluido en el circuito a fines explicativos, pero como se trata de experiencias prácticas, no es necesario su uso; como en los casos anteriores con un simple alambre de conexiones podrá efectuar los "toques a masa".

En este momento, como está armada la plaqueta, un toque corto pondrá en marcha el oscilador, encenderá L2 y destellará L1. Un toque mas largo volverá todo a su estado de reposo.

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Si quisiéramos variar el tiempo de reset, es decir el toque largo, puede aumentarse o disminuirse el valor de C2 o el de R11. Con valores menores el cambio se produce en menor tiempo, lógicamente si se aumentan el tiempo también será mayor.

Si varía la capacidad de C2 debe tener en cuenta que C3 tiene que ser siempre un poco mayor por ejemplo si dispone 1 Mf para C2, C3 puede ser de 2,2 Mf que es el valor que le sigue en capacitores electrolíticos normalizados, no es necesario que sea mayor. Pero si decide dar un tiempo mayor y usa C2 de 4,7 Mf, C3 será de 10 Mf que es el normalizado siguiente.

DUPLICADOR DE FRECUENCIA CON 2 COMPUERTAS NAND

Aprovechando que tenemos en uso el integrado CD4011, vamos a realizar con el mismo, otro trabajo práctico.

Se trata de un doblador de frecuencia, es decir que aplicando una señal de determinada frecuencia en su entrada, a la salida tendremos la misma señal pero multiplicada por 2. El circuito esquemático se observa en la figura 4.

Como vemos es un circuito de fácil realización en el que se usan solo dos compuertas y muy pocos componentes. La compuerta C está conectada como un inversor simple porque tiene las dos entradas unidas; esto significa que podría ser reemplazada sin ningún problema por un separador inversor CD4049 como el utilizado en la sonda lógica o un CD4069.

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La inclusión de los capacitores C4 y C5 en este circuito, permite que la compuerta D de IC1 cambie de estado su salida en los flancos crecientes y decrecientes de la señal de entrada, por lo tanto cada pulso de señal, que lógicamente tiene un flanco de subida y otro de bajada, producirá dos pulsos en la salida.

El funcionamiento es relativamente simple: Digamos que la actuación de la compuerta D para lograr un 1 en su salida del pin 10, se producirá cuando en alguna de sus entradas aparezca un 0 (pulso negativo, o transición de 1 a 0), ya que en estado de reposo, es decir sin señal aplicada a las entradas, las dos están en 1 a través de las resistencias R12 y R13. Vea la tabla de verdad NAND y compruebe que efectivamente 1 - 1 = 0. Ahora bien, al aplicar la señal, la primer transición de 1 a 0 actúa sobre C4 y en ese instante este capacitor "absorbe" instantáneamente la tensión presente en la entrada 9 dejándola en 0, por lo que se cumple la condición de la tabla 0 - 1 = 1 , o sea que aparece en la salida el primer pulso.

Los flancos de subida, o transición de 0 a 1, no tienen actuación sobre las entradas, porque si bien los capacitores transfieren el pulso, éste es de nivel alto (1) y la entrada está en nivel alto, por lo que no tienen incidencia, en cambio los de nivel bajo sí tienen porque las fuerzan a 0.

Por este motivo se agrega un inversor, en este caso formado por la compuerta C, para que con las transiciones de 0 a 1 se tenga actuación sobre la entrada 8, o sea que en los flancos de subida (1) el inversor da salida 0 y ahora es C5 el que lleva a 0 la entrada 8, cumpliéndose nuevamente la tabla 1 - 0 =1 y de esta manera se forma el segundo pulso.

 

Sintetizando digamos que en ausencia de señal las entradas se encuentran en 1 - 1, y con señal, cada pulso, las mantiene en forma alternada, 0 - 1 y 1 - 0 , lo que da lugar a la formación de 2 pulsos. El ciclo activo de la señal de salida será inferior al 50% del correspondiente al de entrada, ya que en el mismo tiempo que tiene uno, deben formarse dos. Figura 5.

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Los valores de C4 C5 y R12 R13, determinan la frecuencia de operación del circuito doblador; para nuestro trabajo práctico, los que se han establecido son correctos, aunque bien podrían haber sido otros. Para doblar frecuencias mas elevadas será necesario reducir el valor de los capacitores y/o las resistencias.

Para su realización, vamos a comenzar por desarmar todo lo concerniente al circuito del flip flop, dejando solamente la parte osciladora. Luego inserte en la plaqueta los componentes C4, C5, R12, R13, R14, R15, el transistor TR4 BC557 y el diodo led L3, que son los asociados a las compuertas C y D de IC1. Conecte la salida del oscilador (pin 4) con la entrada del doblador (pines 12 y 13). El circuito completo se observa en la figura 6.

 

 

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Conecte el cable largo de comando en el pin 2. Dele alimentación a la plaqueta.

Ahora, al conectar el cable a la línea de positivo de la plaqueta, comenzará a funcionar el circuito, al levantarlo dejará de hacerlo. Se observa que el diodo led L3 destella al doble de velocidad que L1, indicando que en este punto tenemos el doble de la frecuencia que entrega el oscilador.

Variando la posición del preset R4 se altera la frecuencia y se visualiza el efecto en los led.

Todo este conjunto (fig. 6), podría gobernarse con la inclusión del flip-flop que desarmamos, de hecho ya lo hemos visto en el trabajo de la figura 3, con lo que se activaría con un pulso corto y se vuelve al estado de reposo con un pulso largo, o bien empleando el de la figura 2, en este caso se activa con un toque a masa en la entrada set y se desactiva con un toque en la entrada reset.

Como vemos, las posibilidades de combinación de los presentes circuitos son varias, si bien para lograr el funcionamiento de todos ellos como un solo conjunto hace falta otro integrado CD4011 y algunos componentes más, pero digamos que para el estudio y las prácticas de la presente lección no es de importancia.

En el proceso de montaje de los componentes en la plaqueta, en ocasiones es necesario aumentar el número de contactos, esto se logra fácilmente puenteando una determinada línea con otra que esté libre. Lo mismo sucede en los casos que se aglomeran muchos elementos, o son de dimensiones físicas grandes, también en estos casos se alejan a líneas libres mas distantes y se efectúa el puente al lugar de contacto mediante alambres de conexión de largo apropiado.

Un ejemplo claro lo tenemos con el preset y los transistores, ya que no queda más remedio que alejarlos del integrado. Antes de insertar el preset, debe abrir un poco las patitas correspondientes a los extremos del cursor a fin de que cada una de ellas entre en contacto con una línea distinta, de lo contrario entrarán las dos en la misma, quedando de este modo en cortocircuito, y si bien no se quemará nada, tampoco tendrá actuación.

 

 

En la figura 7 damos una vista de los transistores para identificar las salidas correspondientes, se trata del lado de abajo, donde salen los terminales, tenga en cuenta que al darlos vuelta pueden verse en otra posición, según la orientación que le dé.

 

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EXAMEN DE LA LECCIÓN Nº 5

1) Con que integrado puede realizarse un oscilador astable mediante una sola compuerta: A = CD4001 - B = CD4049 - C = CD4093

2) En la figura 1 cambiamos el capacitor C1 por otro de .1 Mf; La frecuencia de salida es : A = Igual - B = Menor - C = Mayor

3) En la figura 2; Si en lugar de efectuar los toques a masa con el cable de comando lo hacemos a +B, el flip-flop: A = Cambia de estado - B = Cambia algunas veces - C = No cambia

4) Si los circuitos expuestos se alimentan con 8 Volt de fuente, sucede que: A = No funcionan - B = Funcionan normalmente - C = Se quema el integrado

5) En el circuito de la figura 4 aplicamos en la entrada una señal de 200 Hz. En la salida se obtiene una frecuencia de: A = 300 Hz - B = 400 Hz - C = 600 Hz

6) En la misma figura; Medimos con la sonda en la patita 10 (salida) sin señal en la entrada y se enciende el led: A = Verde - B = Amarillo - C = Rojo

7) En la misma figura y sin señal de entrada, los pines 8 y 9 del integrado se encuentran en: A = 0-0 - B = 1-0 - C = 1-1

8) La compuerta C de la misma figura, se puede reemplazar por un separador inversor: A = Si - B = No - C = Algunas veces

9) El diodo led L3 de la figura 6 destella al mismo ritmo que L1, esto indica que: A = No funciona el oscilador - B = No funciona el doblador - C = Es normal

10) El terminal central de los transistores BC547 y BC557 corresponde a: A = Emisor - B = Base - C = Colector

 

RESPUESTAS AL EXAMEN DE LA LECCIÓN Nº 5

 Marque con una cruz la casilla que corresponde a la contestación correcta

NUNCA marque dos cruces en una misma columna


 

LISTA DE MATERIALES

1 - Plaqueta de ensayos

1 - Circuito integrado CD4011

3 - Resistencias de 1K (R6 - R10 - R15)

3 - Resistencias de 10K (R5 - R10 - R14)

1 - Resistencia de 33K (R3)

3 - Resistencias de 100K (R2 - R7 - R8)

4 - resistencias de 470K (R1 - R11 - R12 - R13)

1 - Preset de 1 Megohm (R4)

2 - capacitores de .1 Mf (C4 - C5)

1 - Capacitor de .22 Mf (C1)

1 - Electrolítico de 2,2 Mf X 16 V (C2)

1 - Electrolítico de 4,7 Mf X 16 V (C3)

1 - Diodo 1N4148 (D1)

3 - Diodos Led (L1 - L2 - L3)

3 - Transistores BC547 (TR1 - TR2)

2 - Transistores BC557 (TR3 - TR4)

Alambre aislado de conexiones

 

NOTA:

Se envía el material completo menos la plaqueta de ensayos y el integrado CD4011 que ya fueron provistos en el trabajo anterior. Asimismo le enviamos un transistor de cada tipo demás (cinco en total) por si en los ensayos se quema alguno.


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