Oscilador biestableProyecto final física III

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1/1/2015201

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Instituto tecnológico de santo domingo

Área de ciencias básicas

Física III

Sección 04

Oscilador biestable

Luciano Sbriz

Leanny Polanco 1054233

Jesé Quezada Martínez 1053361

Melvin Casado Pimentel 1055673

31-03-15

Tabla de contenido Introducción......................................................................3

Marco teórico....................................................................4

Objetivos..........................................................................6

¿En qué consiste?.............................................................6

Cálculos y presentación de resultados...........................13

Conclusiones...................................................................15

Bibliografía.....................................................................16

Introducción

Oscilador biestable Marco teórico

Protoboard o breadbord

Es una especie de tablero con orificios, en la cual se pueden insertar

componentes electrónicos y cables para armar circuitos. Como su nombre lo

indica, esta tableta sirve para experimentar con circuitos electrónicos, con lo

que se asegura el buen funcionamiento del mismo.

Estructura del protoboard: Básicamente un protoboard se divide en tres

regiones:

A) Canal central: Es la región localizada en el medio del protoboard, se

utiliza para colocar los circuitos integrados.

B) Buses: Los buses se localizan en ambos extremos del protoboard, se

representan por las líneas rojas (buses positivos o de voltaje) y azules (buses

negativos o de tierra) y conducen de acuerdo a estas, no existe conexión

física entre ellas. La fuente de poder generalmente se conecta aquí.

C) Pistas: La pistas se localizan en la parte central del protoboard, se

representan y conducen según las líneas rosas.

Resistencias

Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso

por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de

circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o

consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga,

resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica.

Capacitores Electrolíticos

El capacitor electrolítico es un elemento polarizado, por lo que sus

terminales no pueden ser invertidas. Generalmente el signo de polaridad

viene indicado en el cuerpo del capacitor.

El inconveniente que tienen estos capacitores es que el voltaje permitido

entre sus terminales no es muy alto. Si fuera necesario cambiar

este capacitor, se debe buscar uno de la misma capacidad y con un voltaje

igual o mayor al del capacitor dañado

Transistores NPN

 Es un transistor bipolar NPN de baja potencia de uso general.

Sirve tanto para aplicaciones de amplificación como de conmutación. Puede

amplificar pequeñas corrientes a tensiones pequeñas o medias; por lo tanto,

sólo puede tratar potencias bajas (no mayores de medio Watts). Puede

trabajar a frecuencias medianamente altas.

Objetivos///////////////////////

¿En qué consiste?

Un Oscilador biestable, astable o multivibrador biestable es un circuito

básico conformado por transistores, resistencias y capacitores que se

compone de dos estados fundamentales con salidas lógicas de 0 y 1:

Estado 1: Q1 conduce, Q2 en corte

Un astable tiene dos estados, y ambos son inestables, de forma que el

circuito alterna continuamente uno con otro. Empecemos por el estado 1.

Al comienzo del estado 1:

Q1 está en conducción.

Q2 está en corte.

C1 está cargado positivamente con un potencial de Vcc - 0.7.

C2 está cargado negativamente (el terminal + está a menos tensión que el -)

con un potencial de -0.7V.

Como Q2 está en corte vamos a considerar que no pasa corriente por sus

terminales. Así imaginariamente sacamos Q2 del circuito. Como Q1 está en

conducción, su unión Base-Emisor es como un diodo polarizado en directo

(sustituimos esta unión por un diodo); y al estar saturado suponemos que la

pérdida de tensión Emisor-Colector es mínima

C2 va a cargarse a través de R4 y la base de Q1. Así pues C2, que empezó

con -0.7V va a cargarse hasta Vcc-0.7V (no llega a Vcc porque 0.7V es la

caída de tensión B-E de Q1). Y además esta carga será muy rápida porque

R1 y R4 serán de un valor muy bajo comparadas con R2 y R3.

Mientras tanto C1, que partía con Vcc-0.7 voltios positivos, ahora está

conectado del revés. Así que empieza a descargarse (o a cargarse

negativamente, da igual) a través de R2. Esta carga será más lenta. Desde

los Vcc-0.7 hasta... en teoría hasta -V (pongo el menos para indicar que está

invertido), pero no va a llegar ahí. Porque cuando C1 alcanza los -0.7V, su

terminal + está a masa y el - tiene ya 0.7V, y este último está conectado a la

base de Q2. ¿Qué pasa cuando a un NPN le aplicamos a su base 0.7 voltios

más que a su emisor?

La tensión BE de Q2 es 0.7 más o menos, mientras la tensión en la base esté

por debajo de ese valor no va a conducir. En el momento en que se alcanza

esa tensión ya sí conduce. La base de Q2 queda polarizada a través de R2.

Recordemos que a estas alturas C2 se había cargado completamente hasta

Vcc-0.7. Pues cuando Q2 pasa a conducción conecta a masa el terminal + de

C2, mientras el - sigue aplicado a la base de Q1. Es como si se aplicara el

condensador, invertido, a Q1. La base de Q1 recibe de golpe -(Vcc-0.7) que

lo lleva inmediatamente al corte. Pudiendo incluso provocar una ruptura de

la unión por avalancha. En estas condiciones entramos al estado 2.

Estado 2: Q1 en corte, Q2 conduce

Tal como hicimos para el estado 1, vamos a describir las condiciones

iniciales del estado 2. Que son las del párrafo anterior.

Al comienzo del estado 2:

Q1 está en corte.

Q2 está en conducción.

C1 está cargado negativamente con un potencial de -0.7V.

C2 está cargado positivamente con un potencial de Vcc - 0.7.

Haciendo lo mismo que antes, vamos a eliminar Q1 del circuito y vamos a

sustituir Q2 por un diodo y un puente:

Vemos que C1 va a ir desde -0.7V hasta los Vcc-0.7V, rápidamente pues R1

es pequeña.

C2 va a (des)cargarse lentamente a través de R3 desde los Vcc-0.7V hasta -

0.7V. Porque cuando llegue ahí Q1 va a conducir, va a llevar a masa el + de

C1 y va a aplicar a la base de Q2 toda la carga de C1 invertida, llevándolo al

corte. Y provocando el estado 1 de nuevo.

Vemos que cuando eso pase tendremos:

Q1 está en conducción.

Q2 está en corte.

C1 está cargado positivamente con un potencial de Vcc - 0.7V.

C2 está cargado negativamente con un potencial de -0.7V.

Que son justamente las condiciones iniciales que dimos para el estado 1. Así

el ciclo se repite indefinidamente.

Calcular los componentes

Para empezar, nos interesa que los condensadores se cargen por R1 y R4

más rápidamente de lo que se descargan por R2 o R3. Porque cuando ocurra

la transición queremos que el otro ya esté cargado. Así que R1 < R2 y R4 <

R3. Por simplicidad haremos R1 = R4. Pero no nos interesa que la corriente

que fluye Emisor-Colector durante la carga queme los transistores.

Dependiendo de la tensión de alimentación, un valor entre 100ohm y 1k

estaría bien. Recordad cumplir las condiciones anteriores.

El tiempo que tarda en conmutar del estado 1 al estado 2 viene dado por lo

que le lleva a C1 descargase desde los Vcc-0.7V hasta los -0.7V. Lo hace a

través de R2, y usando la ecuación de carga de un condensador tenemos:

Donde:

Tensión inicial: V0 = Vcc-0.7

Tensión en bornes: E = - Vcc

Tensión final: V = -0.7

Este último valor es el que suele darse habitualmente. La aproximación tiene

un margen de error que es menor cuanto mayor sea la tensión de

alimentación. Con 5V el error es de un 10%, como es del mismo orden que la

tolerancia de los componentes se admite tal aproximación.

Límites

Transistores: Cuando el transistor que estaba en corte pasa a conducir,

aplica a la base del otro una tensión negativa de -(Vcc-0.7V). La tensión

inversa de ruptura de la unión BE viene a ser -5 voltios. Si alimentamos este

circuito con más de 5V fácilmente la superaríamos. Para evitar esto a veces

se colocan dos diodos en la base de Q1 y Q2 que permitan la carga pero

impidan que circule corriente en sentido inverso.

Condensadores: Para un cerámico o uno de poliester no hay problema, pero

en un electrolítico invertir los terminales para cargarlo del revés puede

destruirlo. Si bien es cierto que aquí sólo se llegan a cargar invertidos hasta

los 0.7V.

Tiempo: El tiempo viene determinado por la capacidad de C1 y C2 así como

por R2 y R3. Mientras más altos sean estos valores más durará cada estado.

Pero si usamos unos condensadores demasiado grandes, puede que tengan

demasiadas pérdidas y el circuito no empiece a oscilar. Igualmente para las

resistencias, si aumentamos demasiado el valor de R2 por ejemplo, puede

que no pase corriente bastante para polarizar la base de Q2 una vez se

alcance la tensión de disparo. Si no puede llevarlo a conducción, no se

alcanzará nunca el estado 2. Si se necesitan retardos mayores se puede

optar por transistores darlington, aunque dado el coste de los condensadores

de la capacidad necesaria es mejor optar por otros temporizadores como el

NE555 o el CD4060.

 Frecuencia: Así como hay un límite superior del periodo, también hay un

límite inferior. Puede pasar que queramos un periodo tan bajo que usemos

condensadores y resistencias muy pequeños. Entonces al conectar el circuito

se cargarán ambos casi al instante, para dos los transistores. Así el circuito

queda en un estado estable y no oscila. Por no hablar de que a esas

frecuencias si oscilara sería muy inestable, variando la frecuencia sólo con

acercar o alejar la mano. Si queremos frecuencias de MHz tendremos que

usar otros osciladores, a ser posible sintonizados por un cristal de cuarzo.

Fijar el estado inicial

Si el circuito es perfectamente simétrico no oscilará, porque está equilibrado.

Pero eso nunca pasa porque los componentes tienen tolerancias e

imperfecciones. No hay dos resistencias del mismo valor ni dos transistores

con la misma ganancia. Son estas diferencias las que rompen la simetría y el

circuito empieza a oscilar.

Pero son diferencias microscópicas y dependen de tantos factores que no las

podemos controlar: temperatura, carga residual de los condensadores,

longitud de las patillas, soldaduras, grosor de las pistas de cobre, etc. Así

que nunca sabemos de qué lado empezará.

Para hacer que siempre empiece del mismo lado tenemos que romper

nosotros la simetría para favorecer un transistor frente al otro. Lo más

sencillo es alterar el valor de los componentes para que un condensador se

cargue antes que el otro. Lo malo es que el Duty Cycle (la fracción entre el

tiempo en off y el tiempo en on) nunca será del 50%, porque al favorecer

nosotros una de las posiciones, los ciclos de carga y descarga ya no durarán

lo mismo.

La única forma de hacer que ambos ciclos duren lo mismo (salvo pequeñas

diferencias) y que siempre empiece por el mismo sitio es forzándolo

nosotros: en lugar de poner el interruptor en la alimentación, ponerlo en la

base de algún transistor.

Nada más alimentar el circuito llegará a un estado que dependerá de dónde

hayamos puesto el interruptor. Y no hará nada más, porque esta incompleto.

Cuando pulsemos el interruptor el circuito oscilará partiendo de ese estado

inicial que siempre será el mismo. La desventaja es que siempre habrá un

consumo de corriente aunque el interruptor esté apagado.

Ejemplo:

Los materiales a utilizar son:

Cantidad Componente Valor

2 Resistencias 15 KΩ

2 Resistencias 330 Ω

2 Transistores NPN 2N2222

2 Capacitores Electrolíticos 100 µF

2 LEDs Rojo y Verde

1 Batería 9 voltios

1 Protoboard N/A

Si se desea variar la frecuencia se puede cambiar el valor del capacitor:

entre menor sea la capacitancia mayor será la frecuencia.

Las resistencias de 15K también afectan la frecuencia: a mayor resistencia

menor será la frecuencia.

Cálculos y presentación de resultados.Lo que queremos demostrar al realizar el proyecto con la fórmula……………..

Son las pruebas de variación en la resistividad y capacitancia para ver cómo

se genera una gráfica exponencial al momento y tiempo de carga del

capacitor.

Los datos que fuimos recolectando son los siguientes:

Tabla 1

Pruebas Ra Ca t=Ra*Ca*LN(

2)1 300 0.0001 0.020794422 900 0.0001 0.062383253 1500 0.0001 0.103972084 2100 0.0001 0.145560915 2700 0.0001 0.187149746 3300 0.0001 0.228738577 3900 0.0001 0.27032748 4500 0.0001 0.311916239 5100 0.0001 0.3535050610 5700 0.0001 0.39509389

Tabla 2

Pruebas Rb Cb t=Rb*Cb*LN(2)

1 300 0.0001 0.020794422 300 0.005 1.039720773 300 0.01 2.079441544 300 0.05 10.39720775 300 0.1 20.79441546 300 0.5 103.9720777 300 1 207.9441548 300 5 1039.720779 300 10 2079.4415410 300 15 3119.16231

Al momento de realizar las gráficas obtuvimos:

Grafico tabla 1:

0 2 4 6 8 10 120

2

4

6

8

10

12

T(RC)

t=Ra*Ca*LN(2)

Pruebas

Tie

mpo

Al variar la resistencia y mantener la capacitancia fija obtenemos una gráfica

lineal debido a que la resistencia no

Grafico tabla 2

0 2 4 6 8 10 120

2

4

6

8

10

12

T(RC)

t=Rb*Cb*LN(2)

Tie

mpo

Al variar la capacitancia y mantener la resistencia fija obtenemos una gráfica

exponencial esto es debido a que al aumentar la capacidad de almacenar

corriente tardara un mayor tiempo e

Conclusiones

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Bibliografía