TEMPORIZADOR Objetivos generales. Objetivos específicos. Materiales y equipo. Introducción teórica

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1 Electrónica II. Guía 6 1 / 1 Facultad: Ingeniería. Escuela: Electrónica. Asignatura: Electrónica II. Lugar de ejecución: Fundamentos Generales (Edificio 3, 2da planta, Aula 3.21). TEMPORIZADOR Objetivos generales Implementar tres circuitos basados en el LM555, un oscilador astable (inestable), un temporizador monoestable y un oscilador con ciclo de trabajo variable. Verificar el correcto funcionamiento de los circuitos que se han implementado utilizando métodos experimentales. Objetivos específicos Implementar un circuito oscilador astable. Implementar un circuito monoestable. Materiales y equipo 1 Multímetro. 1 Placa EB Unidad PU-2000 con unidad PU Osciloscopio de doble trazo. 7 Cables de conexión de 2mm. 1 Capacitor de 100 F. 1 Resistencia de 220Ω. 1 Diodo led. 1 Resistencia de 1kΩ 1 Transistor 2N2222A 3 Diodos 1N Potenciómetro de 10KΩ. Introducción teórica Configuración Monoestable El temporizador a circuito integrado 555 es uno de los más utilizados. Puede usarse para generar impulsos aislados con duración exactamente definida como respuesta a un impulso de corta duración, aplicado a su entrada, Este modo de funcionamiento es el monoestable. La temporización de salida del 555 depende de los valores de R 1 y C 1 (Figura 1). La fórmula para calcular el ancho del impulso es la siguiente: T = 1. 1 R 1 C 1

2 2 / 2 Electrónica II. Guía 4 Figura 1. Circuito Monoestable El impulso aparece cuando la entrada de disparo (TRIGGER) cae por debajo de 1/3 de la tensión de alimentación. La entrada o impulso de disparo tiene que ser más corta que el ancho del impulso de salida T. A veces conviene proporcionar el impulso de disparo por medio de un diferenciador formado por un condensador y una resistencia. El impulso de salida procedente de este circuito es aproximadamente igual a la constante de tiempo RC en lo que a anchura se refiere (figura 2). Un multivibrador monoestable tiene un estado estable. El estado opuesto es inestable. Normalmente la salida del circuito permanecerá en el estado estable. Cuando se detecta un pulso de disparo externo en la entrada del circuito, la salida pasa al estado inestable por un específico y determinado periodo de tiempo. Después de este tiempo, la salida del circuito vuelve a su normal estado estable. Hay un pulso de salida por cada pulso de entrada (disparo). Por esta razón este tipo de circuito se llama comúnmente temporizador one-shot. Figura 2: Señal de salida del circuito monoestable. El pulso de salida tiene una duración fija y depende de valores específicos de resistencia y capacitancia dentro del circuito multivibrador monoestable. La longitud del pulso de entrada (disparo) no tiene efecto sobre la longitud del pulso de salida, dura un período de tiempo específico y repetible. A los multivibradores monoestables también se les llama temporizadores.

3 Electrónica II. Guía 6 3 / 3 Configuración astable Este tipo de funcionamiento se caracteriza por una salida con forma de onda cuadrada (o rectangular) continua de ancho predefinido por el diseñador del circuito. El esquema de conexión es el que se muestra en la figura 3. Figura 3: Configuración astable. La señal de salida tiene un nivel alto por un tiempo TH y en un nivel bajo un tiempo TL. Los tiempos de duración en segundos dependen de los valores de Ra, Rb y C. T H = t 1 = R a + R b C T L = t 2 = R b C La frecuencia con que la señal de salida oscila está dada por la fórmula: f = 1 T = 1 1 = T H + T L R a + R b C R b C f = R a + 2R b C = R a + 2R b C El 555 tiene dos entradas de control adicionales. Una entrada de reposición (RESET) que para inmediatamente la salida y la pone a nivel bajo, y una entrada de tensión de control (Cv) que puede utilizarse para variar la anchura del impulso de salida variando la tensión continua a ella aplicada, y que varía la frecuencia de oscilación. DC = T H = R a + R b C T H + T L R a + 2R b C DC = R a + R b R a + 2R b

4 4 / 4 Electrónica II. Guía 4 Procedimiento PARTE I: CIRCUITO MONOESTABLE (TEMPORIZADOR). 1. Colocar la Tarjeta EB-134 en las guías del Tablero para introducirla en el PU Localizar el temporizador 555 en la tarjeta EB-134, y conecte el circuito monoestable de la figura 1. El conmutador E se utiliza para proporcionar la entrada de disparo. R 1 (100 Kohms) y C 1 (4,7 uf) son quienes determinan el valor del tiempo en alto del temporizador a su salida. 3. Poner el conmutador E en la posición Pasar E a la posición 0 mientras se observa la salida del 555 en el osciloscopio. Repetir las operaciones de los pasos 3 y 4 cuantas veces sea necesario, para poder obtener una medida de la duración y tensión del impulso de salida. Dibujar el oscilograma de salida del circuito monoestable en la figura 4 en base a la figura 2. Figura 4: Oscilograma monoestable. 5. Conecte el circuito de la figura 5a a la salida del 555 y el de la 5b en lugar del capacitor C 1 de la figura 1. Estas conexiones se realizarán en breadboard. (a) (b) Figura 5: Conexiones adicionales a la tarjeta. 6. Conmute el interruptor E para activar la temporización del circuito de la figura Utilice el cronometro de su teléfono celular para cuantificar el tiempo en el cual el led de la figura 5 permanece encendido. Compruebe el funcionamiento del circuito, calculando

5 Electrónica II. Guía 6 5 / 5 teóricamente el tiempo que permanecerá en alto la salida. T (medido) T (calculado) Tabla 1: Cálculos del circuito monoestable. 8. Desconecte el circuito de la figura 5, mantenga las demás conexiones. 9. Ajuste el generador de señales para obtener una señal de onda cuadrada de 1 Hz. Utilizar la salida TTL (lógica transistor transistor) del generador de señales. Si el generador no tiene salida TTL, ajustarlo para obtener una salida en onda cuadrada de 2.5Vp con voltaje offset de +2.5V. 10. Retirar la conexión del conmutador E de C3, y conectar el generador de señales a C3. El generador suministrará una señal repetitiva de disparo al circuito monoestable construido con el Medir el oscilograma de salida del 555 con el osciloscopio para cada una de las cuatro combinaciones de resistencia y capacidad (R1 = 100 kω y R2 = 4.7 kω para R, y C1 = 0.01 µf y C2 = 4.7 µf para C). Si es necesario, variar la frecuencia del generador de señales hasta conseguir un oscilograma de pulso estable. Anotar los resultados de la medida en la tabla 2. Calcular la anchura del impulso teórica para una de las combinaciones de R y C. 12. Observar el efecto del oscilograma de salida cuando se conecta a tierra la entrada de reposición (RESET). R C T (medido) T (ancho del pulso calculado) R1 C1 R2 C1 R1 C2 R2 C2 Tabla 2: Cálculos del circuito monoestable. PARTE II: CIRCUITO ASTABLE (OSCILADOR). 13. Conecte el circuito astable de la figura 3. Utilizar Rl o R2 para Ra, R3 o R4 para Rb, C1 o C2 para C. 14. Conectar el canal 1 del osciloscopio a la salida del 555 y ajustar el osciloscopio para obtener de uno a dos ciclos del oscilograma de salida en la pantalla. Conectar el canal 2 del osciloscopio, primero a la entrada de descarga, y después a la de disparo y a la de umbral (THRESHOLD), las cuales se encuentran cortocircuitadas entre sí. 15. Dibujar los tres oscilogramas, asegurándose de mostrar la correcta relación de tiempos entre las señales visualizadas. 16. Complete los valores de los tiempos medidos y calculados, en la tabla Observar el efecto sobre el oscilograma de la salida cuando se pone a tierra la entrada de reposición (RESET).

6 6 / 6 Electrónica II. Guía 4 (Canal 1) VOLT/DIV = (Canal 2) VOLT/DIV = TIME/DIV = (Canal 1) VOLT/DIV = (Canal 2) VOLT/DIV = TIME/DIV = Ra (kω) Rb (kω) C (µf) T (medido) T (ancho del pulso calculado) Tabla 3: Cálculos del circuito astable. 18. Calcule el tiempo en alto y bajo para cada una de las combinaciones de la Tabla 3. PARTE III: OSCILADOR CONTROLADO POR VOLTAJE (VCO). 19. Conectar el circuito astable, utilizando los valores de R2 = 4,7 K, R4 = 2,2 K, y C2 = 0,01 uf para Ra, Rb y C. 20. Ajustar PS-1 a su valor más bajo, y conectarlo a la entrada Vc del 555. Conectar el voltímetro para medir la tensión de PS Conecte el frecuencímetro del PU a su entrada de medición de señales externas, a la salida del

7 Electrónica II. Guía 6 7 / 7 circuito astable en vez del osciloscopio. También puede utilizar el osciloscopio para medir el periodo de la salida y calcular su frecuencia. 22. Aumentar la salida de PS-1 en escalones de 0.5V hasta alcanzar 5V, medir la tensión y frecuencia de salida para cada tensión de entrada. Anotar los resultados en la tabla 4. PS-1 (v) Período Frecuencia Tabla 4: Cálculos del circuito oscilador. 23. Conectar el circuito astable, utilizando los valores de R2 = 4,7 K, R4 = 2,2 K, y C2 = 100 uf para Ra, Rb y C. 24. Arme en la breadboard el circuito de la figura 6 y conéctelo a la salida del 555. Tenga cuidado de conectar el voltaje de alimentación acorde al motor proporcionado, note que el voltaje de alimentación del motor es de 5V para el circuito de la figura 6. V1 5V +V M1 D1 1N4148 Out 1k R Q1 2N2222A Figura 6: Conexiones adicionales a la tarjeta 25. Cuál es el efecto de variar el potencial de PS-1 con respecto a la velocidad del motor? 26. Desconecte el circuito de la figura 6 de la salida del 555 y conectar nuevamente el osciloscopio, no desarme aún el circuito de la figura Conectar el circuito astable, utilizando los valores de R1 = 100K, R3 = 33 K, y C2 = 0,01 uf para Ra, Rb y C. 28. Ajuste el generador de funciones a 150Hz. 29. Conecte la salida TTL del PU a la entrada de RESET del 555 y el canal 1 del osciloscopio. 30. Mida la señal de salida del 555 con el canal 2 del osciloscopio. 31. Repita los pasos 19 al 22 pero con lo valores de R1 = 100K, R4 = 2.2 K, y C2 = 0,01 uf para Ra, Rb y C.

8 8 / 8 Electrónica II. Guía 4 (Canal 1) VOLT/DIV = (Canal 2) VOLT/DIV = TIME/DIV = (Canal 1) VOLT/DIV = (Canal 2) VOLT/DIV = TIME/DIV = PARTE IV. MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO (PWM) Arme el circuito de la figura 7, conecte su salida al circuito de la figura 6 y al osciloscopio. Figura 7: Circuito para variación del ancho de pulso.

9 Electrónica II. Guía 6 9 / El circuito de la figura 7 permite mantener la misma frecuencia pero varía el ciclo de trabajo de la salida por medio de la variación de las resistencias de carga y descarga del condensador C 1. Cuál es el efecto de variar el potenciómetro con respecto a la velocidad del motor? 34. Apague la fuente de alimentación y desconecte el circuito. Análisis de Resultados 1. Presente los cálculos de los puntos 11, 13 y 18 de esta guía. 2. Presente los cálculos de Ic, Ib y Vc para el circuito de la figura Determine los cálculos de F y DC para el circuito de la figura 7, considerando el potenciómetro en 40% y 60% de ajuste. 4. Dibuje la gráfica que muestre la variación de la frecuencia en función de la tensión PS-1 con los datos de la tabla 4. Figura 8: Gráfico de frecuencia versus voltaje. 5. Explique el comportamiento de los oscilogramas obtenidos en las entradas de descarga y disparo-umbral del circuito astable. Defina su respuesta apoyándose en las gráficas y el diagrama interno del 555. Como sugerencia tenga a la mano las gráficas de carga y descarga de un condensador en DC. 6. Describir la acción de la entrada de reposición (RESET). 7. Qué efecto produce la variación de la tensión de entrada en Vc? Es lineal la variación de frecuencia? Para qué puede utilizarse este efecto? 8. Explique el resultado obtenido de conectar el generador TTL a la entrada de reposición del 555 en el paso 29 de la guía. 9. Para la semana siguiente a la realización de la práctica, implementar en breadboard, un circuito que sea capaz de generar una señal TTL con una amplitud de 5 V con un frecuencia de 3khz, la cual será controlada por medio de un circuito de disparo temporizado, el cual al ser activado

10 10 / 10 Electrónica II. Guía 4 provocara que se genere a la salida una forma de onda con las características antes mencionadas, pero al cabo de 15 segundos esta señal se apagara esperando ser activada nuevamente por un botón de inicio. (Nota: Utilizar el IC555, Como base de su diseño). 10. Simule los circuitos de las figuras 9, 10 y 11, compare su funcionamiento con los circuitos realizados en la práctica de laboratorio, para ello deberá presentar capturas de los circuitos y osciloscopios con valores de ajuste de Volt/Div y Time/Div adecuados para visualizar las señales de interés. 11. Coloque un multímetro (Vdc) en paralelo al motor y otro a la salida del operacional U1:C para medir el voltaje promedio entregado a la carga. Figura 9: Oscilador de relajación con Disparador Schmitt controlado por tensión. Figura 10: Circuito modulador del ancho del pulso.

11 Electrónica II. Guía 6 11 / 11 Figura 11: Una aplicación del uso de señales de PWM. Bibliografía Coughlin R. Driscoll F. Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales PRENTICE HALL, 2003 Edición: 3a Franco S. Diseño con amplificadores operacionales y cirecuitos integrados analógicos McGraw Hill Edición: 3ª fc0b pdf