ELECTRONICA

NIVEL II

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TEORIA.

1.- REPASO DE ELECTRNICA BSICA. - Electrnica analgica: Diodos, transistores...

- Electrnica digital: puertas, bsculas... 2.- TRANSISTORES. - Funcionamiento en corte y saturacin.

- Zona activa: Recta de carga. - Caractersticas de un transistor: impedancia de entrada, impedancia

de salida, ganancia en tensin, ganancia en corriente, ancho de banda...

- Aplicaciones tpicas. 3.- AMPLIFICADORES OPERACIONALES.

- Caractersticas y funcionamiento. - Montajes tpicos y aplicaciones.

4.- FILTROS PARA FRECUENCIA.

- Filtro pasa bajo y filtro pasa alto - Filtro pasa banda y filtro banda rechazada

5.- TEMPORIZADORES.

- Multivibradores monoestable, biestable y astable. - Circuitos integrados de temporizacin. (C.I. 555).

6.- FUENTES DE ALIMENTACIN

- F.A. reguladas. - F.A. conmutadas.

7.- CONTROL DE POTENCIA.

- Tiristores, triacs, rels... - Montajes de control de potencia (reguladores, detectores...)

8.- ELECTRNICA DIGITAL.

- Sistemas lgicos combinacionales (implementacin de funciones, mapas de karnaugh).

- Decodificadores y multiplexores. - Semisumadores, sumadores y comparadores binarios. - Registros y contadores. - Conversores A/D y D/A - Memorias, microprocesadores y microcontroladores.

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PRACTICA. 1.- ELECTRNICA ANALGICA.

- Diseo y montaje de amplificadores. - Filtros de corte de frecuencia. - Montaje de circuitos de control (temporizadores y control de

potencia) 2.- ELECTRNICA DIGITAL.

- Diseo y montaje de sistemas digitales.

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1.- REPASO DE ELECTRNICA BSICA.

Repaso del manual del curso anterior (Electricidad y Electrnica Bsica). 2.-TRANSISTORES. 2.1.- FUNCIONAMIENTO EN CORTE Y SATURACIN.

Estos dos funcionamientos bsicos del transistor son muy usados para permitir o no, el paso de corriente a una determinada carga (motor, bombilla, rel...)

Cuando un transistor est saturado, la corriente que circula por el colector es muy alta. Por el contrario, si el transistor est en corte, la corriente de colector es prcticamente cero. Ambos estados se controlan mediante la tensin aplicada en la base. Aproximadamente, si Vbe (tensin base-emisor) es muy baja (0.5v o menos) el transistor entra en corte. En cambio si Vbe es mayor de 0.7v, entonces el transistor se satura. CORTE Vbe < 0.5v SATURACIN Vbe > 0.7v

Ic = 0

Ic = Elevada (mA o A)

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2.2 ZONA ACTIVA DEL TRANSISTOR. RECTA DE CARGA.

Como hemos visto en el apartado anterior, el transistor es controlado segn sea el valor de la tensin base-emisor. Aproximadamente, para un transistor de silicio:

Vbe < 0.5v . Zona de corte. Vbe = 0.6v . Zona activa. Vbe > 0.7v . Zona de saturacin. En esta zona activa funcionan casi todos los amplificadores con transistores. La corriente de colector entregada a la carga ser funcin de la corriente de base multiplicada por la ganancia del transistor (definida por beta ). Recordemos que:

Ib

Ic= por tanto: IbIc =

Las curvas caractersticas de un transistor y su recta de carga definen el

funcionamiento del transistor. Vamos a ver grficamente la recta de carga:

Los puntos de corte de la recta de carga con los ejes X e Y nos muestran los valores de Vce (tensin colector-emisor) mxima y Ic mxima respectivamente. Estos valores sern:

Vce mxima = Vcc y Rc

)saturacin en(VceVccmxima Ic

=

Analizaremos el funcionamiento del transistor en la zona activa en las prcticas.

Recta de carga.

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2.3.- CARACTERSTICAS DE UN TRANSISTOR.

Estas caractersticas que vamos a estudiar ahora: impedancia de entrada, impedancia de salida, ganancia en tensin y ganancia en corriente se estudian no solo en el transistor, sino en otros muchos dispositivos electrnicos para caracterizar su funcionamiento. IMPEDANCIA DE ENTRADA. (Ze)

Es la oposicin al paso de la corriente por parte del transistor cuando una determinada seal se aplica al transistor (normalmente a la base). La impedancia de entrada del transistor es del orden de kiloohmios para un transistor bipolar tpico.

Otros transistores como los MOSFET tienen impedancia de entrada del orden de megaohmios. IMPEDANCIA DE SALIDA. (Zs)

Es la impedancia que presenta el transistor a su salida, es decir, como va a influir en el transistor la conexin de otro componente o circuito a su salida (normalmente entre colector y masa o entre emisor y masa). La impedancia de salida es del orden de centenas de ohmios para un transistor tpico. Existe un mtodo general, que veremos en las practicas, para saber la impedancia de entrada y de salida que presenta un determinado componente o circuito. GANANCIA EN TENSIN Y GANANCIA EN CORRIENTE.

Estos dos parmetros los conocemos ya, y es el cociente entre la tensin o corriente de salida y la tensin o corriente de entrada. La ganancia en corriente se le llama hfe o beta (). Definen, por tanto, el poder de amplificacin de un transistor o de un sistema en general, ya sea en tensin o en corriente.

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Ie

IsAi :corrienteen Ganancia

Ve

VsAv :en tensin Ganancia

=

=

Estas caractersticas del transistor son vlidas en una primera aproximacin. Para un anlisis completo del funcionamiento del transistor, se utilizan los parmetros hbridos (hie, hfe, hre y hoe) que definen bastante bien su funcionamiento en corriente alterna. ANCHO DE BANDA.

Este parmetro nos dice la respuesta en frecuencia de un transistor o un circuito en general. El funcionamiento de un transistor no es igual a 1Khz que a 1Mhz. Con el aumento de la frecuencia, el transistor pierde propiedades, como la ganancia en tensin o la ganancia en corriente. Veremos en las prcticas como conocer el ancho de banda de un transistor. 2.4.- APLICACIONES TPICAS.

Existe gran variedad de montajes tpicos con transistores; vamos aqu a sealar los ms importantes: - Montaje en emisor comn:

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Como se observa, el emisor del transistor est puesto a tierra formando un montaje muy usual en electrnica. Sus principales caractersticas son: alta ganancia en tensin, alta ganancia en corriente, media impedancia de entrada y media impedancia de salida. - Montaje en colector comn:

En el montaje colector comn que vemos, el colector est conectado

directamente a la Vcc, que es como si fuera el punto comn para las seales alternas. Su impedancia de entrada es alta, su impedancia de salida es baja, la ganancia en corriente es alta y la ganancia en tensin es la unidad.

- Montaje en base comn:

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El montaje base comn no es muy usado. Su impedancia de entrada es baja, su impedancia de salida es media, la ganancia en tensin es alta y la ganancia en corriente es la unidad.

Cuadro resumen de los montajes bsicos con transistor:

EC CC BC Ze Media ( 10K) Alta ( 100K) Baja ( 100) Zs Media ( 1K) Baja ( 50) Media ( 1K) Av Alta ( 100) 1 Alta ( 100) Ai Alta ( 100) Alta ( 100) 1

- Trigger Smith:

Este montaje se utiliza para obtener una seal de salida de dos niveles, uno alto y otro bajo, a partir de una seal de entrada arbitraria. El Trigger Smith o disparador de Smith conmutar su salida a nivel alto (normalmente Vcc) si la seal de entrada supera un nivel de tensin denominado V umbral alto, y por el contrario, conmutar su salida a nivel bajo (normalmente 0 voltios o bien Vcc) cuando la seal de entrada supere un nivel denominado V umbral bajo.

Veamos el circuito con transistores (tambin se puede montar con amplificadores operacionales, los cuales los veremos ms adelante) y las formas de onda de entrada y de salida que aclaran bastante el funcionamiento:

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V umbral alto

V umbral bajo

Seales de entrada y salida: V entrada V salida - Multivibradores:

Existen tres tipos de multivibradores, que son realmente temporizadores. Los

trataremos en el tema 4. Ahora solo nombramos los tres tipos que hay: - Biestable. - Monoestable. - Astable.

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- Amplificador diferencial:

Este montaje de gran utilidad en electrnica y fundamento del amplificador operacional, que veremos en el captulo 3, es capaz de amplificar la diferencia de dos seales continuas o alternas. Esta es su configuracin tpica:

La tensin de salida entre Vs1 y Vs2 ser igual a la ganancia de amplificador multiplicado por la diferencia de Ve1-Ve2,

)2V1V()ldiferencia(Av2Vs1Vs = de tal manera que la amplificacin se producir si Ve1 Ve2. Si Ve1 = Ve2 la tensin entre Vs1 y Vs2 ser cero.

Este es el modo diferencial del amplificador. Existe tambin otro modo de trabajo que es el modo asimtrico, utilizando solo una entrada con respecto al punto comn que es la masa del circuito (la otra entrada se cortocircuita a masa), o bien utilizando una sola salida (la otra se desecha). Los modos de funcionamiento del amplificador diferencial son:

- Entrada asimtrica, salida diferencial. - Entrada diferencial, salida asimtrica. - Entrada asimtrica, salida asimtrica. - Entrada diferencial, salida diferencial (ejemplo explicado)

- Montaje Darlington:

A veces se necesita una gran ganancia en corriente y se utiliza para ello un montaje de dos transistores en serie denominado darlington:

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La ganancia en corriente de este montaje es:

21total = Obsrvese que la corriente de base del segundo transistor es igual a la corriente de emisor del primero, por lo que este segundo transistor amplificar la corriente de salida del primero. - Osciladores:

Estos dispositivos se utilizan para obtener seales alternas senoidales a partir de tensiones continuas. Existe gran variedad de osciladores, tanto con transistores que veremos ahora, como con amplificadores operacionales, que veremos en el captulo dedicado a estos dispositivos. Como se observar en los siguientes circuitos osciladores, el fundamento de la oscilacin son circuitos pasivos con resistencias, condensadores y bobinas, y transistores u operacionales que son realimentados negativamente. Osciladores con transistores tpicos son:

- Oscilador RC

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- Oscilador en puente de Wien

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- Oscilador Colpitts:

- Oscilador con cristal de cuarzo

El cristal de cuarzo es un dispositivo que permite generar una seal alterna senoidal muy estable en frecuencia. Se usa en multitud de sistemas electrnicos y es el componente de eleccin a la hora de realizar un oscilador. El siguiente circuito es un oscilador de Miller basado en un cristal de cuarzo de 1 Mhz de frecuencia.

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3.- AMPLIFICADORES OPERACIONALES.

Entramos ahora en el estudio de un componente electrnico fundamental en la electrnica analgica. Dada su versatilidad y la gran cantidad de aplicaciones, requiere un captulo propio en el que vamos a ver: caractersticas, aplicaciones y montajes tpicos.

El amplificador operacional es un componente electrnico integrado por decenas de transistores y que tiene como smbolo:

Las caractersticas ms importantes del amplificador operacional son: - Muy alta impedancia de entrada. - Muy baja impedancia de salida. - Alta ganancia en tensin. - Alta ganancia en corriente.

Viendo estas caractersticas, podemos observar que cumple todos los requisitos

para ser utilizado en cualquier aplicacin electrnica. Para el anlisis de los circuitos con amplificador operacional, hemos de

saber que por las patillas de entrada (+ y -) la corriente que circula es 0 y a su vez la tensin entre las entradas es 0v. lo que se denomina: Principio de masa virtual. Esto lo veremos ms detalladamente en el anlisis de las prcticas.

Sus aplicaciones son muy variadas: Amplificacin, adaptacin de impedancias, osciladores, integradores y diferenciadores, comparadores, sumadores, amplificador diferencial, y un largo etcrera. Seguidamente, vamos a ver algunos de los montajes tpicos: - Amplificador inversor:

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Este montaje es ampliamente utilizado y la tensin de salida es:

Ve1R

2RVs =

Esto significa que la ganancia de este amplificador se puede definir con los valores de R1 y R2. En este amplificador inversor tenemos una ganancia de Av = -10. Adems, el signo de la frmula nos indica que el amplificador es inversor. - Amplificador no inversor:

Este montaje tiene el siguiente valor de tensin de salida:

Ve1R

2R1RVs

+=

Por tanto, la ganancia en tensin siempre ser mayor que la unidad. El funcionamiento es el mismo que el del amplificador anterior, pero en este caso, la salida tendr la misma fase que la entrada. - Adaptador de impedancias ( o seguidor de emisor):

En el dibujo que vemos, tenemos un montaje muy sencillo y a la vez muy til, ya que va a permitir la conexin de dos circuitos (intercalndose entre medias), independientemente de la impedancia de salida de uno o la impedancia de entrada del otro. Es por tanto, un amplificador de corriente. La tensin que haya a la entrada del operacional ser igual a la tensin a la salida de dicho operacional. - Amplificador sumador:

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Este sumador es un amplificador inversor con dos entradas, en el que haciendo un sencillo anlisis se obtiene el valor de la salida (R1=R2=R):

)2Ve1Ve(R

3R)2Ve

1R

3R1Ve

2R

3R(Vs +=+=

- Amplificador restador o diferencial:

Igual que el anterior, pero en el caso del restador el valor de la salida, en el caso de que todas las resistencias sean de igual valor, es:

)2Ve1Ve(Vs = - Comparador:

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En el montaje como comparador, la realimentacin es positiva o no hay realimentacin, a diferencia de los dems montajes, en los que la realimentacin es negativa. El funcionamiento es el siguiente:

La patilla - del operacional tiene una tensin que es Vcc/2. Si Ve presenta un valor de tensin mayor que Vcc/2 entonces V(+)>V(-), y el operacional se saturar positivamente, valiendo Vs = Vcc. Si por el contrario, Ve tiene un valor de inferior a Vcc/2, entonces V(+)

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Es el circuito complementario al anterior, a la salida tendremos la derivada de la

seal de entrada. 4.- FILTROS PARA FRECUENCIA

Entramos ahora en el estudio del comportamiento de ciertos circuitos ante las distintas frecuencias que se pueden presentar a la entrada. Como todos sabemos, toda corriente alterna tiene una determinada frecuencia.

Un circuito puede dejar pasar un determinado espectro de frecuencias y bloquear otras. Distinguimos los siguientes filtros segn las frecuencias que dejan pasar: 4.1.- FILTROS PASA-BAJOS Y PASA-ALTOS. FILTRO PASA-BAJOS.

Este filtro deja pasar las frecuencias bajas. Por ejemplo, si tenemos un amplificador de audio que trabaja entre 20 Hz y 20Khz, este filtro pasa bajos solo dejar escuchar frecuencias por debajo de entorno a 159 Hz. Un circuito pasa-bajos tpico con amplificador operacional es el siguiente:

20

Este filtro pasa-bajos cortar las frecuencias superiores a 159Hz. La frmula para el clculo de la frecuencia de corte (fc) es:

Hz. 159nF100K102

1

C2R2

1fc =

pi=

pi=

El diagrama de frecuencia-ganancia es el siguiente:

FILTRO PASA-ALTOS.

Este filtro deja pasar las frecuencias altas. En un amplificador de audio que trabaja entre 20 Hz y 20KHz, este filtro pasa altos solo dejar pasar frecuencias por encima de entorno a 159 Hz, por ejemplo. Un circuito pasa-altos tpico con amplificador operacional es el siguiente:

Este filtro pasa-altos cortar las frecuencias inferiores a 159 Hz. La frmula para el clculo de la frecuencia de corte (fc) es:

21

Hz. 159F1K12

1

C1R2

1fc =

pi=

pi=

El diagrama de frecuencia-ganancia es el siguiente:

4.2.- FILTROS PASA-BANDA Y ELIMINA-BANDA. FILTRO PASA-BANDA.

En este caso, como es obvio, las frecuencias que pasen sern una banda determinada. En el ejemplo del amplificador de audio que trabaja entre 20 Hz y 20KHz, este filtro dejar pasar las frecuencias comprendidas entre 159 Hz y 1591Hz. Un circuito pasa-banda tpico con amplificador operacional es el siguiente:

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Este circuito tendr una frecuencia de corte inferior (fci) y una frecuencia de corte superior (fcs) :

Hz 1591F1K102

1

2C2R2

1fcs

Hz 159F1K12

1

1C1R2

1fci

=

pi=

pi=

=

pi=

pi=

El diagrama de frecuencia-ganancia es el siguiente:

FILTRO ELIMINA-BANDA O BANDA RECHAZADA.

En este caso dejar pasar todas las frecuencias excepto una determinada banda, por ejemplo eliminando las frecuencias entre 159Hz y 1591 Hz. El circuito es el siguiente:

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Su diagrama frecuencia-ganancia sera:

Veremos montajes con estos cuatro filtros en las prcticas. 5.- TEMPORIZADORES.

La temporizacin en electrnica es el control de una determinada accin en el tiempo, por ejemplo, encender una luz durante una hora o que se pare el funcionamiento de un motor al cabo de 10 horas. Todos estos controles, dependen normalmente de la carga y descarga de un condensador. Vamos a ver los distintos tipos de temporizadores y sus caractersticas principales. 5.1.- MULTIVIBRADORES.

Se denomina as a un grupo de temporizadores que tienen unas caractersticas

especiales que vamos a ver a continuacin. Se pueden hacer multivibradores con transistores o con amplificadores operacionales, como ya veremos.

Existen tres tipos de multivibradores segn la duracin de la temporizacin:

- Multivibrador biestable:

El fundamento del biestable, como dice la palabra es la presencia de dos estados estables. Cuando llega una seal de disparo, el temporizador cambia su estado, y cuando llega otra vez la seal, cambia la salida al otro estado estable. El fundamento del biestable es el mismo que el de las bsculas RS o JK que ya conocemos de la electrnica digital. El circuito tpico de un multivibrador biestable con transistores es el siguiente:

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- Multivibrador monoestable:

Este multivibrador tiene la caracterstica de tener solo un estado estable.

Cuando llega una seal de disparo, el monoestable cambia el estado de su salida, mantenindose en ese estado durante un tiempo prefijado; una vez transcurrido ese tiempo, volver a su antiguo estado y ah se quedar hasta que llegue otra seal de disparo. El circuito tpico de un multivibrador monoestable es el siguiente:

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Con amplificador operacional, el monoestable seria el siguiente: - Multivibrador astable:

Este tipo de multivibrador es el que no tiene ningn estado estable, es decir la salida del circuito cambiar de un estado a otro sin tener uno fijo. Como cambia continuamente de estado, la tensin de salida tendr una frecuencia que nosotros podremos definir. Veamos el circuito tpico de multivibrador astable con operacional o con transistores:

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5.2.- TEMPORIZADOR CON C.I. 555.

Merece la pena estudiar un circuito integrado muy tpico en gran nmero de montajes electrnicos que necesitan una determinada temporizacin.

El circuito integrado 555 es un dispositivo que consta principalmente de dos amplificadores operacionales, un transistor de conmutacin (que trabaja en corte o saturacin), y una bscula RS. Vamos a explicar su funcionamiento sobre el esquema del 555 que a continuacin vamos a dibujar:

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El funcionamiento del 555 es el siguiente:

Los amplificadores operacionales de la entrada funcionan como comparadores. Como las tres resistencias R son del mismo valor, el operacional superior tendr en la patilla menos (-) una tensin de 2/3 Vcc y el operacional inferior tendr en su patilla ms (+) un valor de 1/3 Vcc. Cuando la patilla 2 tenga una tensin inferior a 1/3 Vcc el operacional inferior activar la entrada S de la bscula RS y pondr a 1 su salida Q. Por tanto, en la patilla 3 aparecer un nivel alto de tensin. Si la tensin en la patilla 6 supera los 2/3 Vcc, se activar la entrada R de la bscula y la salida Q se pondr a cero. Esto hace que la patilla 3 aparezca un nivel bajo de tensin. A su vez, vemos que la patilla 7 es otra salida del circuito que se conecta al exterior a

travs de un transistor que se cortar o saturar en funcin del valor de la salida Q .

Con esta explicacin, vamos a montar alrededor del 555 algunos componentes y comprobaremos como funciona un determinado montaje. En el ejemplo, tenemos un multivibrador astable realizado con el 555:

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Se puede observar que el condensador C2 se carga a travs de las resistencias R1 y R2. Cuando C2 adquiera 2/3 Vcc, el 555 pondr a cero la salida por la patilla 3 (V salida) y adems, el transistor interno del 555 entrar en saturacin, poniendo a 0 voltios la patilla 7. Esto har que el condensador tienda a descargarse a travs de R2. Pero llegar un momento en el que la tensin en C2 sea inferior a 1/3 Vcc. Entonces esa tensin presente en la patilla 2 har que el otro operacional ponga a un nivel alto en la V salta. A su vez, el transistor interno se cortar, dejando en circuito abierto la patilla 7, y permitiendo de nuevo la carga de C2 a travs de R1 + R2. El tiempo que tarda C2 en cargarse a 2/3 Vcc es:

2ln2C)2R1R(t aargc +=

El tiempo que tarda en descargarse hasta 1/3 Vcc es:

2ln2C2Rt aargdesc =

C1 es un condensador que se pone porque as lo indica el fabricante, pero no tiene repercusin en la explicacin del funcionamiento del 555.

Se pueden montar muchos circuitos con el 555 y as lo haremos en las prcticas.

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6.- FUENTES DE ALIMENTACIN

Las fuentes de alimentacin son realmente convertidores de una seal alterna senoidal (la procedente de la red elctrica) en una tensin continua estabilizada de baja tensin (0 a 50v).

Existen dos tipos principales:

- Reguladas: que son las tradicionales, que aqu veremos. Su funcionamiento se basa en un transformador, un rectificador, un filtro, y un circuito de estabilizacin. - Conmutadas: que son ms complejas pero mucho ms compactas y eficientes que las reguladas. Se basan en un sistema de oscilacin a frecuencias de entorno a 20KHz que permite disminuir el tamao de los transformadores.

La fuente de alimentacin ms sencilla es la compuesta por un transformador, un rectificador (diodos), y un filtro (condensadores). El siguiente esquema es una fuente de alimentacin bsica de onda completa.

Para mejorar el esquema anterior se usan transistores y operacionales que

permiten que la salida sea ms estable, de mayor potencia, e incluso variable entre 0 y 30 voltios, por ejemplo, como las de los laboratorios. La fuente de alimentacin siguiente es un montaje bastaste estable y muy usado para alimentar circuitos de todo tipo.

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Montaremos este circuito en prcticas y explicaremos su diseo y su funcionamiento. 7.- CONTROL DE POTENCIA.

En este tema vamos a hablar de todo lo relacionado con sistemas en el que hay que controlar dispositivos que consumen mucha potencia. Este control se va a realizar mediante dispositivos de control como los tiristores, triacs, transistores de potencia u otros componentes de apoyo como los rels.

Vamos a empezar con los tiristores y los triacs.

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Tienen cuatro capas, dos de silicio tipo P y Dos de tipo N y tienen tres terminales como los transistores. Sus smbolos son:

TIRISTOR TRIAC

La curva caracterstica tensincorriente de un triac es la siguiente:

Curva caracterstica del triac

La de un tiristor es igual en cuanto a la parte de V e I positivas. Para tensiones negativas, el tiristor no conduce.

Curva caracterstica del tiristor

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El funcionamiento del tiristor es el siguiente: Al aplicar una tensin en extremos de nodo y ctodo el tiristor permanece como un circuito abierto (no conduce), hasta que se aplique una tensin positiva a la puerta con respecto al ctodo. En ese momento, el tiristor se dispara y comienza a conducir (como un interruptor cerrado entre nodo y ctodo). Esta situacin de circuito cerrado, permanece incluso si la tensin positiva aplicada a la puerta desaparece. Solo deja de conducir el tiristor si la tensin nodo-ctodo baja por debajo de la tensin mnima que necesita para seguir conduciendo. Para el triac es lo mismo que para el tiristor, slo que el triac permite el disparo tambin con tensiones negativas. Vamos a ver todo esto con un circuito de control de la luminosidad de una bombilla mediante un triac. Para un tiristor sera igual, solo que el control se producira slo en los semiciclos positivos. En cambio, con el triac, el control de la luminosidad es tanto en los semiciclos positivos como en los negativos.

Existen tambin transistores de potencia que son capaces de soportar corrientes de colector de decenas de amperios, que permite controlar aparatos de gran consumo, como motores, luces, fuentes de alimentacin, etc El funcionamiento de estos circuitos con transistores de potencia es igual que lo que hemos visto en el estudio del transistor.

Otra solucin para el control de potencia son los rels. Se componen de una

bobina que acta sobre un interruptor de manera que si pasa corriente a travs de ella, cierra el interruptor (por medio de un campo magntico). Si deja de pasar corriente a travs de la bobina, el interruptor se abre.

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De esta manera, con una corriente pequea que excite una bobina, se puede cerrar o abrir un interruptor que sea capaz de soportar grandes corrientes.

Rel

8.- ELECTRNICA DIGITAL.

Pasamos ahora a la electrnica digital donde vamos a ampliar los conocimientos bsicos que ya sabemos. (Repasaremos la parte de Electrnica Digital del manual del curso anterior). Aadiremos en este repaso, algunos conceptos nuevos que son importantes:

- Fan In y Fan Out - Tiempos de retardo. - Flancos de subida y de bajada reales.

8.1 SISTEMAS LGICOS COMBINACIONALES.

Vamos a profundizar en el diseo de sistemas combinacionales con las puertas lgicas que ya conocemos.

Primeramente, vamos a profundizar un poco en el lgebra de Boole por el que se rigen todas las operaciones digitales. A la hora de operar, sabemos las reglas bsicas de dicho lgebra, pero debemos aprender a simplificar funciones y mejorar nuestra capacidad de diseo de circuitos lgicos combinacionales. Conviene por tanto, conocer unas cuantas reglas matemticas bsicas del lgebra de Boole a la hora de realizar circuitos:

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0AA

1AA

AAA

AAA

A1A

11A

=

=+

=

=+

=

=+

Otra regla bsica conocida como Teorema de De Morgan es:

.....CBA.....CBA +++=

Como ejemplo de estas reglas bsicas, vamos ahora a simplificar la siguiente funcin:

AACBAAB F +++= El proceso de simplificacin se realiza aplicando las reglas bsicas: Saco factor comn B en los dos primeros trminos y A en el tercero y cuarto:

Supongamos ahora que queremos realizar un montaje de un circuito digital que haga la siguiente operacin:

BABAF +=

Podemos observar que si sacamos factor comn A de la expresin anterior, la funcin queda de la siguiente forma:

1)BB( que Ya

A)BB(ABABAF

=+

=+=+=

De esta manera hemos simplificado el circuito y donde se utilizaran cinco puertas lgicas, solo hace falta una puerta para realizar dicha funcin.

Pero a la hora de simplificar grandes operaciones, es til conocer una tcnica denominada mapas de Karnaugh que nos permitir reducir las funciones fcilmente.

Vamos a estudiar la forma de simplificar con mapas o diagramas de Karnaugh con un ejemplo prctico:

AB)1(A)1(B)1C(A)AB(AF +=+=+++=

A A

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CBACBABA F ++= Lo primero que hay que hacer es poner todos los trminos en la forma cannica, es decir, que todos los trminos tengan el mismo nmero de variables. En este caso el trmino AB hay que aadirle la variable C de la siguiente manera:

CBACBABA

: tantopor

1)CC( que ya )CC(BABA

+=

=++=

De esta manera, la funcin queda as:

CBACBACBACBA F +++= A continuacin, se realiza una tabla con una configuracin especial (de una celda a otra no debe variar ms de un bit), y en la casilla donde tengamos un trmino de la funcin, pondremos un 1, y en las que no, un 0. Vemoslo: AB C

00 01 11 10

0 1 1 1 1 1

Hacemos conjuntos con los unos que sean colindantes (en horizontal o vertical), permitindose grupos de 2, 4 u 8 unos. En este caso dos conjuntos de 2 unos. Anotamos los bits que no varen de cada conjunto y habremos simplificado al mximo la funcin. En el ejemplo que tenemos:

BABAF +=

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Los mapas de Karnaugh se utilizan de 2 a 4 variables. Para funciones de 5 o ms variables se utilizan las tablas de Quine-McCluskey, que no veremos aqu, pero que son parecidas a los mapas de Karnaugh. 8.2.- DECODIFICADORES Y MULTIPLEXORES.

Los decodificadores y los multiplexores son sistemas lgicos combinacionales con muchas puertas, y cuyas funciones vamos a ver ahora. 8.2.1.- DECODIFICADORES.

Bajo este nombre de decodificadores, tenemos los sitemas lgicos que son capaces de cambiar una informacin de un determinado cdigo a otro. Por ejemplo BCD (decimal codificado en binario) a decimal. La operacin inversa sera la codificacin, de decimal a BCD.

Vamos a ver un ejemplo para introducirnos al diseo de decodificadores.

Supongamos que queremos realizar un circuito que convierta un la informacin de un numero binario de 3 bits (ABC) en 8 salidas, ponindose a 1 la salida correspondiente al valor de ese nmero binario en decimal. Por ejemplo, si tenemos a la entrada del decodificador el nmero binario 011 (que equivale al 3 en decimal), se pondr a 1 slo la salida 3 (S3). Si tuviramos a la entrada el 111 se pondra a 1 la salida 7 (S7). Por tanto, nuestro decodificador a disear tiene 3 entradas (A, B y C) y 8 salidas (S0, S1, S2,..S7). El esquema en bloque es el siguiente:

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A

B Decodificador S0 a S7 C Vamos a disear el decodificador en cuestin. La tabla de verdad del

decodificador es la siguiente: Entradas -------------------------------Salidas-------------------------------

ABC S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 000 1 0 0 0 0 0 0 0 001 0 1 0 0 0 0 0 0 010 0 0 1 0 0 0 0 0 011 0 0 0 1 0 0 0 0 100 0 0 0 0 1 0 0 0 101 0 0 0 0 0 1 0 0 110 0 0 0 0 0 0 1 0 111 0 0 0 0 0 0 0 1

Una vez hecha la tabla de verdad, podemos sacar las funciones para cada una de las salidas.

CBAS7

CBAS6

CBAS5

CBAS4

CBAS3

CBAS2

CBAS1

CBA S0

=

=

=

=

=

=

=

=

Implementamos los circuitos con puertas para cada una de las salidas:

38

Esta sera la implementacin para S0; para las dems salidas hacemos lo mismo y ya tendramos hecho nuestro decodificador. Los codificadores hacen la operacin contraria. Por ejemplo, un codificador de 8 a 3 lneas pone a la salida un cdigo binario de 3 bits, segn la entrada que se ponga a 1 de las 8 que tiene el codificador. 8.2.2.- MULTIPLEXORES.

Estos dispositivos digitales que tiene la propiedad de poder seleccionar una determinada entrada al circuito multiplexor, y que su valor (ya sea 0 o 1), mediante unas seales de control, aparezca en la salida del circuito.

El esquema en bloque de un multiplexor de cuatro entradas es el siguiente:

Su funcionamiento es como sigue:

39

Las seales de control A y B van a decidir cual de las entradas pasar a la salida, de tal manera que: Si A = 0 y B = 0 , la salida tomar el valor que halla en la entrada D0 Si A = 0 y B = 1 , la salida tomar el valor que halla en la entrada D1 Si A = 1 y B = 0 , la salida tomar el valor que halla en la entrada D2 Si A = 1 y B = 1 , la salida tomar el valor que halla en la entrada D3 Como se observa, las seales de control A y B pueden gobernar hasta un mximo de 4 entradas. Si tuviramos, 8 entradas, necesitaramos 3 seales de control (A, B y C) para poder seleccionar cul de las 8 entradas se enva a la salida. Si tuviramos 15 entradas necesitaramos 4 seales de control y as sucesivamente. Podremos gobernar tantas entradas como nos permitan las seales de control. La tabla de verdad de un multiplexor de 4 entradas sera la siguiente:

Seales de control Entradas de Datos A B

Salida

D3 D2 D1 D0 0 0 D0 D3 D2 D1 D0 0 1 D1

D3 D2 D1 D0 1 0 D2 D3 D2 D1 D0 1 1 D3

Veamos como sera con puertas lgicas el esquema de este multiplexor:

40

Los demultiplexores, como la palabra lo dice, hacen la operacin contraria,

Por ejemplo, un demultiplexor de 1 entrada y 8 salidas necesita 3 seales de control para que lo que haya a la entrada, se lleve a la salida seleccionada.

41

8.3.- SEMISUMADORES, SUMADORES Y COMPARADORES BINARIOS Entramos ahora en el estudio de los operadores en binario mediante puertas. recordemos que las operaciones binarias difieren del lgebra de Boole en el caso de: - lgebra de Boole: 1 + 1 = 1 - Sistema binario: 1 + 1 = 10 Por tanto, si tenemos dos nmeros binarios y los queremos sumar, necesitamos un sistema lgico cuya tabla de verdad sea la suma binaria de dos nmeros. Tenemos dos tipos: semisumador y sumador completo o total. 8.3.1.- SEMISUMADOR

Realiza la suma binaria de dos nmeros en el sistema binario. 0 + 0 = 0 0 + 1 = 1 1 + 0 = 1 1 + 1 = 0 y me llevo 1 (o bien 1 + 1 = 10)

Vamos a ver como disear el semisumador: Inicialmente construimos una tabla de verdad: La funcin lgica de la tabla de verdad del semisumador es:

Suma: BABABAS =+= Acarreo: BAC = Implementando el circuito ya tendramos construido nuestro semisumador.

Entradas Salidas A B Suma Acarreo

0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1

42

Su diagrama en bloque es; Se denomina semisumador porque le falta el acarreo de entrada, que si lo tiene el sumador total. 8.3.2.- SUMADOR TOTAL

El sumador total o completo tiene en cuenta el acarreo de entrada que haya podido producir una etapa anterior, de tal manera que la tabla de verdad de un sumador total es:

43

Entradas Salidas

C in A B S C out 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1

El acarreo de entrada es como una variable ms que se suma a A + B.

La funcin lgica para la salida S y para el acarreo Cout son las siguientes:

BACinBACinBACinBACinBACinS =+++=

BABCinACinCout ++= Finalmente, montamos el circuito con puertas lgicas.

Su diagrama en bloque es:

44

8.3.3.- COMPARADORES BINARIOS

Otro circuito interesante, es el comparador de dos nmeros binarios. Este circuito nos va a indicar a su salida si un nmero dado es mayor, igual o menor que otro nmero. Veamos un ejemplo: Tenemos el nmero 15, que en binario es el 1111, y queremos compararlo con el nmero 13 que es el 1101. Nuestro circuito comparador nos ha de informar a su salida que el primer nmero (el 15) es mayor que el segundo (el 13).

Decimal Binario Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 A 15 1111 A3=1 A2=1 A1=1 A0=1 B 13 1110 B3=1 B2=1 B1=0 B0=1

Como son dos nmeros de cuatro bits, el circuito testea primero el bit ms significativo (de ms valor), que es el de la izquierda. Ambos A3 y B3 son iguales por tanto, el circuito pasa a testear el segundo bit ms significativo. Como tambin son iguales, se pasa al tercer bit ms significativo, que en este ejemplo son A1 y B1. Como A1=1 y B1=0 (A1>B1) el circuito ya no testea ms bits y pone a 1 la salida A>B. El esquema en bloque del comparador es el siguiente:

45

No dibujamos el circuito con puertas ya que son muchas puertas para cuatro bits por nmero, pero sera igual que se ha hecho hasta ahora. Se confecciona la tabla de verdad, se obtienen las funciones para las tres salidas, y se implementa el circuito con puertas lgicas. 8.4.- REGISTROS Y CONTADORES.

Vamos a ampliar nuestros conocimientos sobre registros y contadores. 8.4.1.- REGISTROS.

Como ya conocemos, los registros sirven para almacenar informacin. Los dispositivos utilizados para disear los registros son las bsculas. Supongamos que queremos registrar una serie de nmeros binarios que llegan en serie de 1 en 1 a travs de un solo hilo. Por ejemplo, para obtener en grupos de 4 bits la informacin que llega por ese hilo en serie, tenemos la siguiente disposicin de basculas D:

46

Como se observa, la informacin que llega con el primer pulso de reloj, es almacenada en la primera bscula. Con el segundo pulso de reloj, la segunda bscula almacena la informacin de la primera, y esta recibe un nuevo bit que llega por la entrada serie. As sucesivamente hasta que hallan transcurrido cuatro pulsos de reloj. En ese momento, tendremos los cuatro primeros bits que han llegado en serie, en cada una de las salidas. Si almacenamos esos cuatro bits que hay en la salida en ese momento, estaremos registrando en grupos de cuatro bits la informacin que llega por un solo hilo. Los registros se usan en muchas aplicaciones, para almacenar informacin, ya sea en serie o en paralelo. Un componente muy usado es el registro de desplazamiento universal que vimos en una prctica, en el curso anterior. Ya estamos en condiciones de entender como se puede mover la informacin, de izquierda a derecha o viceversa, y en paralelo o en serie. Haremos una prctica con registros diseada por nosotros mismos. 8.4.2.- CONTADORES.

Los contadores son circuitos tambin basados en las bsculas y cuya funcin es realizar un conteo de estados que es controlado por una seal de reloj. Recordemos que los contadores pueden ser sncronos y asncronos. Los contadores sncronos tienen una misma seal de reloj para todas las bsculas. Los contadores asncronos no tienen la misma seal de reloj aplicada a las bsculas, algunas salidas de determinadas bsculas pueden hacer de reloj para otras bsculas. Vamos a disear un contador sncrono y otro asncrono para un conteo del 0 hasta el 3.

Empezaremos por el contador sncrono: Primeramente ponemos los estados de conteo: 1 estado: 0 que en binario es 00 2 estado: 1 que en binario es 01 3 estado: 2 que en binario es 10 4 estado: 3 que en binario es 11

47

Como hay 4 estados nos bastar con dos basculas JK que son con las que vamos a disear el contador. Construimos una tabla de verdad con los estados que se van a ir sucediendo y con los valores que necesitamos a las entradas de las bsculas para que se produzca cada cambio de estado. Por tanto, tenemos que la tabla de verdad es:

Estado actual Estado siguiente Entradas Bscula 2 Entradas Bscula 1 Q2 Q1 Q2 Q1 J2 K2 J1 K1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1

Una vez realizada la tabla, las funciones para las entradas de las bsculas son las siguientes (Se considera el estado actual para sacar las funciones correspondientes a cada entrada) :

1Q1K

1Q1J

1Q2Q2K

1Q2Q2J

=

=

=

=

Slo nos queda montar el circuito con las dos bsculas y las puertas que necesitemos.

48

Para el contador asncrono el diseo es mucho ms sencillo: Tenemos la salida de la primera bscula para controlar el reloj de la siguiente bscula, de esta manera, cuando se produzca un cambio de 1 a 0 se habilita la segunda bascula. Veamos el circuito del contador asncrono de 0 a 3:

Vamos a explicar el funcionamiento de este contador asncrono:

49

Inicialmente se resetea el circuito para poner ambas bsculas a 0. Cada vez que llega un pulso de reloj se habilita la bascula 1, la cual cambia su estado inicial de 0 a 1. En el siguiente pulso cambiar de nuevo la salida de la bscula 1 de 1 a 0. Este cambio produce que se habilite la bscula 2 y que sta cambie su estado de 0 a 1 . Veamos esto en la siguiente tabla. Como se observa donde sealan las flechas, slo cuando Q1 pasa de 1 a 0 se produce el cambio en la salida de Q2, ya que es un flanco de bajada (que es cuando se habilitan estas bsculas). En el paso de Q1 de 0 a 1, Q2 permanece invariable, ya que es un flanco de subida. Esto equivale a un conteo binario de 0 a 3. Ambos contadores son vlidos y la eleccin de un contador sncrono o asncrono es indiferente. 8.5.- CONVERSORES A/D Y D/A Estos conversores permiten pasar una seal analgica a digital y viceversa. 8.5.1.- CONVERSOR A/D

Conversor A/D convierte una seal analgica en una digital. Un conversor bsico de dos bits digitales, tendra a su entrada una tensin analgica de entre 0 y 4 voltios, por ejemplo, y a su salida los siguientes valores:

Entrada analgica Salida digital (2 bits) De 0 a 1v 00 De 1 a 2v 01 De 2 a 3v 10 De 3 a 4v 11

8.5.2.- CONVERSOR D/A

Conversor D/A convierte una seal digital en una analgica. Vamos a ver el ejemplo al contrario, un conversor D/A de dos bits:

Conteo Q2 Q1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0

50

Entrada digital (2 bits) Salida analgica 00 0 voltios 01 1,33 voltios 10 2,66 voltios 11 4 voltios

Veremos algn montaje A/D y D/A en prcticas. En el prximo curso veremos con ms detalle estos conversores. 8.6.- MEMORIAS, MICROPROCESADORES Y MICROCONTROLADORES.

Este tema es muy extenso y su contenido podra perfectamente ocupar un curso completo para estudiar el funcionamiento estos tres dispositivos fundamentales en multitud de circuitos electrnicos. El diseo de estos sistemas es el nexo de la electrnica con la informtica, ya que el funcionamiento de microprocesadores y microcontroladores depende de programas informticos creados en lenguajes de programacin diversos que luego son compilados o transformados en cdigos de unos y ceros (Cdigo Mquina) que entienden estos dispositivos electrnicos. 8.6.1.- MEMORIAS.

Nos sirven para almacenar la informacin de forma temporal o permanente. La memoria bsica sera una bscula ya que guarda la informacin en su salida hasta que llega otro pulso de reloj y registra el siguiente dato a la entrada. Esto sera una memoria de 1 bit. Hoy en da se usan memorias de gigabytes de memoria: 1 gigabyte = 8 gigabits. Esto significa que hay 1000 millones de posiciones de memoria, y en cada una de ellas se puede almacenar 8 bits. 8.6.2.- MICROPROCESADORES.

Son dispositivos muy verstiles ya que nos permiten, mediante una programacin que realicen diversas funciones. Un microprocesador puede realizar todo lo que hemos visto hasta ahora, registrar informacin, cortar estados, mover datos, realizar operaciones lgicas, controlar otras dispositivos Esta capacidad ha hecho que sean el componente ms importante en los sistemas digitales. En el prximo curso los veremos con detalle. 8.6.3.- MICROCONTROLADORES.

Son como los microprocesadores, aunque con menos capacidad de control, que incorporan adems del microprocesador: memoria, dispositivos de entrada/salida (E/S), RAM y ROM. Son como un microordenador, salvando las distancias. En el prximo curso los veremos con detalle.

51

PRCTICA N 1. ESTUDIO DEL TRANSISTOR.

1.- Vamos a montar en esta prctica varios circuitos con transistores con el fin de estudiar su comportamiento en la zona de corte, saturacin y activa. 2.- Inicialmente vamos a montar el siguiente circuito:

Vcc = 12v

ANLISIS EN CONTINUA. 3.- Vamos a introducir distintas seales continuas a la entrada del transistor (Ve) y vamos a anotar la tensin de salida (Vs) . Para aplicar las tensiones de entrada, utilizaremos un divisor de tensin, formado por un potencimetro de 1K y una resistencia de 1K.

52

Ic

Vce

Ib =55A Ib =45A Ib =35A

Ib =15A

Ve Ib Ic Hfe Vs (Vce) 0v

0,5v 1v 2v 3v 4v 5v 6v

4.- Observar como hemos ido pasando por las distintas zonas de trabajo del transistor: corte, zona activa y saturacin. Observemos tambin como la tensin se invierte a la salida, si Ve aumenta, Vs disminuye. Tratar de dibujar la recta de carga: Vce (en eje X) frente a Ic (en eje Y). ANLISIS EN ALTERNA. 5.- Montamos ahora el siguiente circuito, que es un amplificador en emisor comn tpico:

Ib =25A

53

6.- Introducir con el generador de funciones una Ve alterna de 20mV con una f = 1Khz. Dibujar la seal a la salida (Vs) correspondiente a la seal de entrada (Ve). Atenuar la seal de entrada (si es necesario) mediante una resistencia de alto valor:

54

T = 1ms

Vpp = 20mV

Ve

Vs

10 100 1K 10K 100K 1M 5MHz

f (Hz)

Av

250

200

150

100

50

Analizar la seal de salida y tratar de comprender por qu se desfasa la seal 180. 7.- Medir el ancho de banda para el cual el transistor trabaja correctamente.

10Hz 20Hz 50Hz 100Hz 200Hz 500Hz 1KHz 2KHz 5KHz Ve Vs Av

10KHz 20KHz 50KHz 100KHz 200KHz 500KHz 1MHz 2MHz 5MHz Ve Vs Av Diagrama Av-f

55

(PARTE DE LA PRACTICA OPCIONAL) IMPEDANCIA DE ENTRADA. 8.- Vamos a medir la impedancia de entrada del circuito con transistor. Medimos inicialmente la tensin que da el generador sin conectarlo a la base del transistor.

Poner una tensin de 1v de valor eficaz en el generador. Anotar dicho valor, que va a ser la tensin del generador en vaco: Viv =

56

9.- Ahora conectar el generador a la base del circuito y medir de nuevo la tensin del generador ya conectado.

Anotar la tensin del generador, que la llamamos: Vi = 10.- Como sabemos que la resistencia o impedancia interna del generador (R interna) es de 50, ( 600 segn el generador) podemos calcular la impedancia de entrada que ofrece el transistor. Impedancia de entrada del circuito:

=

= intRViViv

ViZe

IMPEDANCIA DE SALIDA. 11.- Para la medida de la impedancia de salida, medimos la tensin que tenemos en el colector cuando introducimos 20mV en la entrada (segn se hizo en el paso 5.- ).

57

Anota la tensin de salida en vaco: Vov = 12.- Ahora conectamos una resistencia de carga (Rcarga) que ser se 1K. Medimos la tensin de salida con carga:

58

Anotamos dicha tensin de salida con carga: Vo = 13.- Como sabemos el valor de Rcarga = 1K, calculamos la impedancia de salida:

=

= aargRcVo

VoVovZs

59

PRCTICA N 2. AMPLIFICADOR OPERACIONAL.

AMPLIFICADOR INVERSOR 1.- Montar el siguiente circuito:

2.- Vamos a ver el patillaje del amplificador operacional, que como se observa, est encapsulado en un circuito integrado de 8 patillas.

3.-Alimentamos el operacional con 10v y Para obtener la alimentacin simtrica de 10v utilizamos el siguiente montaje:

60

T = 1ms Ve

Vs

Vpp = 1v 0,2v 0v

4.- Conectamos a la entrada el generador de funciones con una seal de 1Vpp, f = 1Khz. y 0,2v de continua. Dibujar la Vs obtenida.

5.- Calculamos la ganancia en tensin. Ventrada = Vsalida =

61

T = 1ms Ve

Vpp = 1v 0,2v 0v

==

Ve

VsAv

6.- Cotejar estos datos con los clculos tericos que haremos durante la prctica. Anotar los clculos tericos.

==

1R

2RAv

AMPLIFICADOR NO INVERSOR. 7.-Vamos a montar ahora el amplificador operacional como no inversor:

8.-Alimentamos el operacional con 10v y conectamos a la entrada el generador de funciones con una seal de 1Vpp, 0,2v de continua y f = 1Khz. 9.- Medimos la tensin de salida con el osciloscopio y calculamos la ganancia en tensin.

62

Vs

Ve = Vs =

==

Ve

VsAv

10.- Cotejar estos datos con los clculos tericos que haremos durante la prctica.

=

+=

1R

2R1RAv

11.- Disear sobre el papel un amplificador con ganancia Av = 100 12.- Montar el circuito y comprobar el funcionamiento. 13.- Disear ahora un circuito que sume dos seales de entrada de forma que la tensin de salida sea: Vs = V1+V2 14.- Montar el circuito y comprobar el funcionamiento. 15.- Disear un adaptador de impedancias para un divisor de tensin con dos resistencias de 10k y Vcc = 12 v de forma que al conectar una resistencia de 1k al divisor de tensin, la salida del divisor de tensin siga siendo 6v. 16.- Montar el circuito y comprobar como carga la R = 1K cuando no hay amplificador operacional.

63

PRCTICA N 3.

APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL. 1.- Vamos a montar varias aplicaciones con amplificador operacional:

- Conversor c.a. senoidal - c.a. cuadrada. - Oscilador RC con amplificador operacional. - Intermitente para coche. - Temporizador de luz para escalera. - Iluminacin nocturna con rel. - Detector de temperatura con rel.

CONVERSOR SENOIDAL-CUADRADA. 2.- El circuito para realizar dicho conversor es una bscula de Smith que nos va a dar una tensin de salida de -10v cuando la seal de entrada supere un determinado valor llamado V umbral alto. La salida de la bscula de Smith dar un nivel bajo de +10v cuando la seal de entrada sea inferior a otro valor clave llamado V umbral bajo. El circuito es el siguiente:

3.- Introducir una seal alterna senoidal de 18Vpp y f=1KHz y dibujar la seal de salida correspondiente:

64

T = 1ms Ve

Vs

0v V=18Vpp

-5v

+5v

4.- Observar que la seal de salida sigue siendo cuadrada al introducir una seal alterna triangular o cuadrada. Tenemos, por tanto, un conversor de cualquier seal alterna a seal cuadrada. OSCILADOR RC CON AMPLIFICADOR OPERACIONAL. 5.- El siguiente circuito es un oscilador, es decir un circuito que se alimenta con una seal continua y es capaz de generar una seal alterna senoidal. El circuito es el siguiente:

65

Vs

6.- Alimentar el operacional con v10 y anotar la tensin de salida.

7.- La frecuencia de resonancia del circuito viene dada por:

6CR2

1f =

pi=

Comprobar que el circuito oscila cerca de ese valor. INTERMITENTE PARA COCHE. 8.- En este caso, se trata de montar un circuito que realice la intermitencia tpica de un coche. El circuito ser un multivibrador astable realizado con un amplificador operacional:

66

Vs

Vc

9.- Dibujar las formas de onda en la salida y en el condensador, anotando los valores de pico a pico, el periodo y la frecuencia de la intermitencia.

67

10.- Variar la frecuencia de la intermitencia al doble para observar un parpadeo ms rpido del diodo led. Cmo lo haras?. Disear el circuito con el nuevo valor de C o de R. La tiempo de carga de C en este circuito responde a la siguiente frmula:

== 3lnCRt El tiempo de descarga es igual:

== 3lnCRt TEMPORIZADOR DE LUZ PARA ESCALERA. 11.- El siguiente montaje se basa en un multivibrador monoestable cuyo disparo va a ser efectuado mediante un pulsador, y la duracin de la luz encedida va a depender del tiempo de duracin que nosotros deseemos. El circuito a montar es el siguiente:

12.- Comprobar el correcto funcionamiento del circuito. Anotar el tiempo que tarda en apagarse la luz. Tiempo en apagarse = 13.- Disear ahora un temporizador para una duracin de 1 minuto y 30 segundos de encendido de la luz.

68

Anotar todos los clculos y montar vuestro diseo.

C)t/(Re)VfVi(VfVc += ILUMINACIN NOCTURNA. 14.- El circuito que vamos a montar es un sistema de iluminacin que detecta la oscuridad mediante una resistencia dependiente de luz (LDR). El circuito es el siguiente:

15.- Comprobar su funcionamiento apagando la luz y viendo como se ilumina la bombilla.

69

DETECTOR DE TEMPERATURA CON REL. 16.- El circuito que vamos a montar es igual que el anterior, pero en este caso, en lugar de una LDR ponemos una resistencia dependiente de la temperatura (NTC).

17.- Como se observa, el fundamento del circuito es un comparador y lo nico que cambia es el transductor, en este caso una NTC.

70

PRCTICA N 4. FILTROS PARA FRECUENCIA.

1.- Vamos a montar varios amplificadores de audio que llevan un filtro para bloquear determinadas frecuencias y dejar pasar otras. FILTRO PASA BAJOS. 2.- Montar el filtro pasa-bajos siguiente: Alimentar con Vcc= 10v. Introducir con el generador una V= 1Vpp

3.- Calcular la frecuencia de corte del filtro pasa-bajos:

=

pi=

C2R2

1fc

4.- Realizar un diagrama ganancia-frecuencia para las siguientes frecuencias:

10Hz 20Hz 50Hz 100Hz 200Hz 500Hz 1KHz 2KHz 5KHz Ve Vs Av

71

10 100 1K 10K 100K 1M 5MHz

f (Hz)

Av

10

8

6

4

2

10KHz 20KHz 50KHz 100KHz 200KHz 500KHz 1MHz 2MHz 5MHz Ve Vs Av

Diagrama Av-f FILTRO PASA-ALTOS. 5.- Montar el filtro pasa-altos siguiente: Alimentar con Vcc= 10v. Introducir con el generador una V= 1Vpp

72

10 100 1K 10K 100K 1M 5MHz

f (Hz)

Av

10

8

6

4

2

6.- Calcular la frecuencia de corte del filtro pasa-altos:

=

pi=

C1R2

1fc

7.- Realizar un diagrama Tensin-frecuencia para las siguientes frecuencias:

10Hz 20Hz 50Hz 100Hz 200Hz 500Hz 1KHz 2KHz 5KHz Ve Vs Av

10KHz 20KHz 50KHz 100KHz 200KHz 500KHz 1MHz 2MHz 5MHz Ve Vs Av

Diagrama Av-f 8.- Disear un filtro pasa-banda para frecuencias entre 1KHz y 10KHz. Montar el circuito y comprobar el filtro pasa banda con un diagrama Av-f. Dibujar el circuito.

73

10 100 1K 10K 100K 1M 5MHz

f (Hz)

Av

10

8

6

4

2

10Hz 20Hz 50Hz 100Hz 200Hz 500Hz 1KHz 2KHz 5KHz Ve Vs Av

10KHz 20KHz 50KHz 100KHz 200KHz 500KHz 1MHz 2MHz 5MHz Ve Vs Av Diagrama Av-f

74

1 2 3 4

8 7 6 5

PRCTICA N 5.

TEMPORIZADORES. 1.- En esta prctica vamos a seguir trabajando con temporizadores, pero con un circuito integrado muy usado: CI 555. 2.- El 555 como explicamos en teora, tiene en su interior un circuito preparado para la temporizacin:

3.- Vamos a montar un multivibrador astable con el 555. El circuito es el siguiente: Vcc=10 v.

75

Vs

Vc2

4.- Dibujar las formas de onda en Vs y en C2.

4.- Disear un temporizador con el 555 en el que una bombilla est encendida 2 segundos y apagada 1 segundo...

76

Montar el circuito y comprobar su funcionamiento.

2ln C R2) (R1 carga t. +=

2ln C R2 descarga t. =

77

PRCTICA N 6. FUENTES DE ALIMENTACIN.

1.- Montar una fuente de alimentacin con el regulador 7805 (5 voltios de salida). Comprobar como la salida es constante aunque la V entrada vare de 8 a 20 voltios.

2.- Montar una F.A. variable con 7805. (fijamos la Vs entre 5 y 10 voltios, la Vs que deseemos). Ventrada de 10 a 20 voltios. Comprobar como la salida es constante aunque la V entrada vare.

3.- Montar ahora la siguiente fuente de alimentacin:

78

2.- Comprobar el funcionamiento de la fuente de alimentacin y anotar todos los valores importantes en el anlisis del circuito, que son: +Ve = +10v. - Ve = -10v.

79

Av del opamp = (con el potencimetro a la mitad) = Vs =

80

MT1

MT2

MT1 G MT2 G

PRCTICA N 7. CONTROL DE POTENCIA.

1.- Montar el circuito de la figura:

Atencin al patillaje del triac! Se estropea si no se monta bien en el circuito.

2.- Analizar el circuito anotando las formas de onda con el potencimetro al mximo al medio y al mnimo. Comprobar como vara la luminosidad de la bombilla segn se vara el potencimetro. 3.- Formas de onda con el potencimetro al mnimo (0). Luz mxima.

DIAC

MT2 TRIAC MT1

81

V triac

V lmpara

V triac

4.- Formas de onda con el potencimetro aproximadamente a la mitad. La lmpara lucir poco.

82

V lmpara

V triac

V lmpara

5.- Formas de onda con el potencimetro al mximo (1M). No hay luz.

83

PRCTICA N 8. FUNCIONAMIENTO BSICO DE PUERTAS LGICAS.

1.- Estudio de las caractersticas de un circuito digital bsico (Puerta lgica 74LS04):

- Niveles de tensin: (Alto, incertidumbre y bajo). - Fan-Out. - Retardo de la informacin. - Frecuencia mxima de trabajo.

NIVELES DE TENSIN. 2.- Montar una puerta lgica inversora y medir los niveles de tensin a la entrada (desde 0v hacia arriba) para los que la salida permanece con un nivel alto. Margen de tensin en la entrada = 0v. 3.- Medir ahora los niveles de tensin a la entrada (desde 5v hacia abajo) para los que la salida permanece con un nivel bajo. Margen de tensin en la entrada = 5v FAN-OUT. 4.- Calcular en nmero mximo de puertas que pueden conectarse a la salida de una puerta inversora. Fan-Out (Nmero mximo de puertas conectadas a la salida de una puerta) = RETARDO DE LA INFORMACIN. 5.- Medir el retardo de la transmisin de la informacin de varios inversores en serie:

7.- Calcular el retardo de una puerta:

84

==

12

Total tardoRepuerta una de tardoRe

FRECUENCIA MXIMA DE TRABAJO. 8.- Comprobar cual es la frecuencia de trabajo mxima para una puerta inversora, aumentando la frecuencia de una seal cuadrada de entrada. Cuando el inversor distorsione la seal de salida, estaremos ante la mxima frecuencia de trabajo.

Frecuencia mxima de trabajo =

85

PRCTICA N 9. SISTEMAS LGICOS COMBINACIONALES.

1.- Disear un circuito lgico combinacional que realice la siguiente funcin. (Simplificar al mximo dicha funcin).

DCBADCBACABACBA F ++++= 2.- Anotar el desarrollo para simplificar dicha funcin. (Utilizar mapas de Karnaugh para simplificar). 3.-Anotar la funcin simplificada y realizar la tabla de verdad de dicha funcin. F =

86

4.- Montar el circuito y comprobar su funcionamiento. 5.- Montar el circuito slo con puertas NAND. (7400)

Entradas Salida A B C F 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

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PRCTICA N 10.

SUMADORES Y COMPARADORES. SUMADOR 1.- Montar un sumador de 4 bits con ayuda del integrado 7483. 2.- Realizar la suma de dos nmeros binarios: 1011 + 0111 = 3.- Comprobar el resultado a la salida del sumador. COMPARADOR 4.- Montar un comparador de nmeros binarios de 4 bits con ayuda del 7485. 5.- Comparar dos nmeros distintos: A = 1011 B = 0111 6.- Comprobar que se activa la salida A=B del 7485 al introducir dos nmeros iguales.

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PRCTICA N 11. DECODIFICADORES, MULTIPLEXORES Y CONTADORES.

1.- Montar un decodificador ya integrado en el chip 74LS138. Tenemos 3 entradas (binarias) y 8 salidas (activadas segn el nmero binario a la entrada). Comprobar la tabla de verdad de las hojas de caractersticas del 74LS138.

2.- Acoplar un contador de 3 bits a las entradas A, B y C y comprobar como se van encendiendo las ocho salidas progresivamente. Disearlo todo, el contador y las conexiones al decodificador.

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PRCTICA N 12. REGISTROS DE DESPLAZAMIENTO.

1. Disear y montar un registro de desplazamiento que realice la secuencia siguiente: 1000 0100 0010 0001 0010 0100 1000 ...... Como se observa, los LEDS se iluminarn sucesivamente desplazndose en funcin de la frecuencia del reloj.

DISEO DE UNA CERRADURA CODIFICADA BASICA. 2.- Vamos a tratar de disear ahora una cerradura codificada con ayuda de un registro de desplazamiento. Tenemos un teclado de 10 dgitos y cuando introduzcamos una secuencia de 4 dgitos correctos se activar un rel que se puede utilizar para encender una luz, abrir una puerta, etc...

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PRCTICA N 13. APLICACIONES CON ELECTRNICA DIGITAL.

1.- Vamos a realizar distintos montajes tpicos con electrnica digital:

CRONOMETRO DIGITAL DE 2 DGITOS. 2.- Disear un cronmetro que realice el conteo de 00 a 59 segundos. Utilizar vuestros conocimientos sobre puertas, contadores y decodificadores para disearlo y montarlo posteriormente. CONTADOR DE BALONCESTO 3.- Disear un contador descendente de baloncesto (contador de tiempo de posesin) que va de 24 segundos hasta 0. Utilizar para el diseo contadores sncronos o asncronos, segn se prefiera. SEMFORO. 4.- Disear un circuito con electrnica digital que controle la secuencia de iluminacin de un semforo. Utilizar tres LEDS (rojo, amarillo y verde) para las luces del semforo.

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PRCTICA N 14. CONVERSORES DIGITAL A ANALOGICO. (DAC)

1.- Montar un conversor digital a analgico con ayuda de amplificadores operacionales. El circuito es el siguiente:

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PRCTICA N 15. CONVERSORES ANALGICO A DIGITAL. (ADC)

1.- Montar un conversor analgico a digital con ayuda de amplificadores operacionales y un codificador. El circuito es el siguiente:

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PRCTICA N 16.

INTRODUCCIN A LOS MICROCONTROLADORES. 1.- Vamos a introducirnos en el apasionante mundo de los microcontroladores pero muy bsicamente. Un conocimiento completo de los microcontroladores exigira un curso casi especfico para estos dispositivos. Simplemente vamos a tratar de comprender como funciona un microcontrolador y realizaremos algn programa bsico para ver un ejemplo prctico. 2.- El microcontrolador que vamos a utilizar es el 16F84, tpico microcontrolador para iniciarse en el diseo y programacin de microcontroladores. 3.- Vamos a disear un circuito que enciende y apaga un LED mediante una seal de control.