Práctica 5. Circuitos digitales: control del nivel de un depósito 1. Objetivos Conocer el funcionamiento de sistemas de control digital. Conocer el funcionamiento y la utilidad de los circuitos integrados de tecnología digital. Saber diseñar e interpretar los circuitos digitales para el control de sistemas reales. 2. Circuito de control automático de nivel 2.1. Próposito del circuito En esta práctica se calculará, montará y verificará un circuito de control automático de nivel de un tanque de agua basado en lógica binaria. El objetivo del circuito es mantener el nivel de líquido que hay en un tanque entre los niveles máximo y mínimo, teniendo en cuenta que el tanque tiene un tubo de salida por el que se puede demandar más o menos agua, y un tubo de entrada, procedente de una bomba, que permite llenar el tanque. La Figura 1 representa el esquema de planta con el tanque, su salida, la bomba y el circuito de control. El motor de la bomba de llenado será gobernado por la salida del circuito de control, de forma que cuando el nivel del tanque descienda del nivel mínimo, se active la bomba y esta llene el tanque hasta alcanzar el nivel máximo, momento en el que la bomba debe parar. 2.2. Descripción del circuito Figura 1. Esquema de la planta de control de nivel. El esquema completo del circuito de control de nivel se puede ver en la Figura 2. El elemento principal del circuito es un circuito integrado representado en el esquema como IC 1, que se compone de cuatro puertas NAND, representadas como IC 1A a IC 1D. Para cada puerta se indican los números de los terminales concretos de entrada y salida que se utilizan del circuito integrado, considerando que se usa un 74HC132. Además, este circuito integrado necesita conectarse a la fuente de alimentación de 5V, a través de sus terminales 7 y 14, lo que se representa en la parte inferior en el esquema con las etiquetas IC 1 -V CC y IC 1 -GND. - 1 -
Figura 2. Esquema del circuito de control de nivel. Las puertas IC 1B y IC 1C forman un biestable RS, cuya salida Q se activa (5V) con un pulso de nivel bajo (0V) en la entrada S, y se desactiva (0V) con un pulso de nivel bajo (0V) en la entrada R. La salida Q del biestable tiene el valor complementario de Q. La puerta IC 1A se utiliza como un simple inversor lógico, de forma que en su salida (S) hay un valor complementario al de su entrada S, es decir, si S esta a nivel alto (5V), en S habrá un nivel bajo (0V), y viceversa. Finalmente la puerta IC 1D se utiliza para crear un oscilador de onda cuadrada junto con R 5 y C 2, de forma que el diodo LED D 6 se encenderá intermitentemente cuando la línea Q esté a nivel alto. Las entradas S de IC 1A y R de IC 1C se conectan directamente a las sondas metálicas que sirven para detectar los niveles de agua en el tanque. Dado que el circuito integrado 74HC132 está fabricado con tecnología MOS, las corrientes que se requieren en sus entradas son muy pequeñas. Por eso las entradas pueden detectar correctamente los niveles de tensión alto (5V) y bajo (0V) aunque esas tensiones se apliquen a través de una resistencia de alto valor, como la que puede tener un líquido como el agua. En la parte inferior del depósito se debe colocar la sonda correspondiente a la línea común o referencia de 0V, etiquetada como COM en el esquema. Mientras que el nivel esté por encima del nivel mínimo, el líquido conectará la sonda COM con la sonda MIN, proporcionando en esta un nivel bajo próximo a 0V. Además, cuando el líquido alcance o supere el nivel máximo, el líquido también conectará la sonda COM a la sonda MAX generando en esta un nivel bajo. Para garantizar que en las entradas S y R hay un nivel alto (5V) cuando el agua no conecta la sonda COM con las sondas MIN o MAX porque el nivel es muy pequeño, se utilizan las resistencias R 2 y R 4. Estas resistencias pueden ser de valor alto por el hecho comentado anteriormente de que las corrientes de entrada a las puertas MOS son muy pequeñas. El resto de componentes conectados a las entradas S y R, esto es R 1, R 3 y D 1 a D 4, tienen como misión proteger las entradas de las puertas de IC 1. Mientras que R 1, R 3 limitan las corrientes pueden circular por las sondas MIN y MAX, los diodos D 1 a D 4 evitan que a las entradas de las puertas puedan llegar tensiones superiores a Vcc+0,7V=5,7V, o inferiores a 0-0,7V=-0,7V, ya que en esos casos conducen los diodos: D 1 o D 3 para tensiones superiores, D 2 o D 4 para tensiones inferiores. Respecto a la etapa de salida, el transistor MOSFET Q 1 se utiliza para activar el motor de corriente continua M, que mueve la bomba de llenado del tanque, cuando la salida Q del biestable está a un nivel alto de 5V. Así, R 6 y R 7 se deben calcular para que Q 1 conduzca cuando en Q hay 5V, teniendo en cuenta la tensión necesaria en la puerta de transistor. El diodo rectificador D 5 anula - 2 -
la corriente inversa que puede generar el motor en su parada, para proteger al transistor Q 1. Además, el condensador C 3 se pone para posibles interferencias de corriente del motor en el circuito. Finalmente cabe mencionar que la función de C 1 es filtrar las posibles variaciones en la tensión de alimentación que se aplica al circuito integrado IC 1 para garantizar su correcto funcionamiento. 2.3. Funcionamiento del circuito Teniendo en cuenta los aspectos comentados en el apartado anterior, el funcionamiento global del circuito es el siguiente. En condiciones normales, se puede considerar que el tanque tiene un nivel de agua entre los niveles mínimo y máximo establecidos. Cuando se extrae mucha agua del tanque abriendo la válvula de vaciado, el nivel del tanque baja por debajo del nivel mínimo, por lo que la sonda MIN deja de estar conectada a la sonda COM y a 0V, y así la entrada S se queda a un nivel de tensión alto de 5V a través de R 2. Este nivel es invertido por IC 1A, de forma que la entrada S del biestable pasa a nivel bajo, forzando a que la salida Q del biestable queda a nivel alto de 5V. Mientras que Q está a nivel alto, el transistor Q 1 conduce y el motor M de la bomba se activa, de forma que el tanque comienza a llenarse. Al subir el nivel, la sonda MIN se conecta a la sonda COM, S pasa a tener un nivel bajo de 0V, y S toma un nivel alto de 5V. Pero Q mantendrá el nivel alto, y el tanque sigue llenándose. En el momento en que el nivel de agua del tanque alcance la sonda MAX, esta se conecta a la sonda COM, y la entrada R del biestable adquiere un nivel de tensión bajo de 0V. En este momento, la salida Q del biestable pasa a un nivel bajo de 0V, y el transistor Q 1 se corta y el motor M de la bomba se para. De esta forma, el nivel de llenado del tanque no supera el nivel máximo. Mientras que la salida Q del biestable está a nivel alto, además de activarse la bomba, se activa el oscilador basado en la puerta IC 1D y el LED D 6 se enciende intermitentemente para indicar que la bomba está en marcha. 2.4. Ciruitos integrados con puertas NAND Hay dos circuitos integrados muy populares con 4 puertas NAND con entradas de Trigger de Schmitt: el CI 74HC132 y el CI 4093B (véase datasheets de la práctica). En esta práctica, se empleará el 74HC132. A continuación se muestran las características y esquemas de conexión de los dos circuitos integrados. 74HC132: V CC =2-6V, típico 5V. V P =2,7V (para VCC=4,5V). V N =1,6V (para VCC=4,5V). V OH =V CC V OL =0V. I OMAX =25MA - 3 -
4093B: V CC =5-15V, típico 5V. V P =2,9V (para VDD=5V). V N =1,5V (para VDD=5V). V OH =V DD V OL =0V. 2.5. El biestable RS El circuito secuencial básico es el biestable o flip-flop. Por circuito secuencial, se conoce a aquellos circuitos con memoria donde las salidas son función de la historia pasada del circuito (estado anterior), además valor actual de las entradas. El flip-flop RS posee una salida Q con dos estados estables: 1 y 0. Normalmente, también suele tener una salida complementaria Q (Q). Este componente dispone de dos entradas: SET, que pone a 1 la salida, y RESET, que pone a 0 la salida. Es muy empleado como elemento básico de memoria, ya que pueden almacenar 1 bit de información. El flip-flop RS, fundamentalmente se puede construir de dos maneras: mediante puertas NOR o mediante puertas NAND. Para esta práctica, se va describir la construcción del biestable mediante puertas NAND, ya que el circuito integrado a emplear en el control del nivel del depósito es el 74HC132. La Figura 3 muestra la implementación de un biestable RS mediante NAND junto con su tabla de la verdad. Las entradas R y S son activas por 0 (nivel bajo) y cuando R y S valen 0 a la vez, las dos salidas Q y Q. valen 1. Esta situación no se emplea. Set R1 Vcc Q R S Q t Q t+1 Q t+1 1 1 q q q Reset R2 Q Vcc 0 1 x 0 1 1 0 x 1 0 0 0 q 1 1 Figura 3. Implementación de un biestable RS mediante NAND y su tabla de la verdad 2.6. Elección de componentes y cálculos En principio se utilizará un circuito integrado 74HC132 para las puertas lógicas NAND con entrada con Trigger de Schmitt. - 4 -
IC 1 : Circuito integrado 74HC132. Como se ha comentado en el apartado 2.1, las corrientes de entrada a las puertas lógicas MOS es muy pequeña, y el valor de las resistencias de las etapas de entrada no es crítico. Para un correcto funcionamiento se pueden coger estos valores para los componentes de entrada: D 1 a D 4 : Diodo de señal 1N4148. R 1 y R 3 : Resistencias de 10KΩ. R 2 y R 4 : Resistencias de 1MΩ. La resistencia R8 se debe calcular para limitar la corriente del diodo LED D 6 teniendo en cuenta que la salida de una puerta lógica del circuito integrado 74HC132 puede dar una corriente de 25mA como máximo, y que el valor de tensión de nivel alto es V CC =5V. Considerando que la intensidad del LED es I LED =15mA, y su tensión de polarización directa es V F =2,2V se tiene: R 8 V CC = R I 8 LED + V FLED 5 2,2 = = 187Ω 220Ω 0,015 Para determinar los valores de R 5 y C 2 del oscilador de onda cuadrada hay que conocer la expresión que relaciona el periodo de la onda con esos componentes. Con IC 1D se dispone de un oscilador en el que el condensador C 2 se carga y descarga continuamente a través de R 5, formando la onda que se muestra en la Figura 4. En esta gráfica se consideran los valores de alimentación y de umbral que el fabricante indica en las hojas de características del circuito integrado 74HC132 (ver apartado 2.4). Figura 4. Formas de onda en el oscilador de onda cuadrada. La expresión que da la duración del periodo se determina a partir de las de las ecuaciones de carga y descarga del condensador, considerando que la constante de tiempo es τ=r 5 C 2. 2,7 = 4,5 + (1,6 4,5) e 1,6 = 0 + (2,7 0) e Tc / Td / τ τ Tc = 0,48 τ T Td = 0,52 τ Si como periodo se escoge T=1s, y se elige C 2 =10µF, se tiene: T 1 R5 = = = 100KΩ 6 C 10 10 Así, para el circuito del LED se tienen estos valores: 2 = Tc + Td = τ - 5 -
D 5 : Diodo LED verde L53SGD. R 5 : Resistencias de 100KΩ. R 8 : Resistencias de 220Ω. C 2 : Condensador polarizado de 10µF y 50V. Como cuestionario previo, los alumnos deben calcular las resistencias de polarización R6 y R7 para la puerta del transistor MOSFET Q1. Para ello, hay que considerar la tensión de umbral de la puerta del transistor y fijar una corriente para R 6 y R 7 (emplead un valor de I 67 =2mA), ya que la corriente de puerta de un MOSFET es 0. El MOSFET empleado es el BS170, de canal N, cuyas principales características son: V GST =2,1V, I DMAX =500mA, R DSON =1,2Ω. Como diodo de protección D 5 se utilizará un diodo rectificador 1N4007. Así, para el circuito del transistor se tienen estos valores: Q 1 : MOSFET BS170. R 6 y R 7 : valores a calcular por los alumnos. D 5 : Diodo rectificador 1N4007. M: Motor de 5-6V de C.C. C 3 : Condensador 470µF. Finalmente, para los condensadores de filtro de alimentación de circuitos integrados, como es el caso del condensador C 1, se suele tomar un valor entre 47nF y 100nF. C 1 : Condensador 100nF, 50V. 3. Experimentos Realizar el cálculo de las resistencias R 6 y R 7. Comprobar que funciona el circuito tal y como se ha descrito en la práctica. Medir los niveles de tensión entrada y salida de las puertas A, B, C y D. Realizar los cálculos de R5 y C2 para que el LED parpadeé más rápidamente, por ejemplo cada 0,5s, y visualiza la señal de tensión del condensador con el osciloscopio. Medir la tensión de la puerta del MOSFET y la corriente por el motor. Determinar la resistencia máxima que puede haber entre la sonda COM y la entrada MAX (o MIN) para que las entradas detecten el nivel. Se puede hacer con el potenciómetro y resistencias de valores altos 100kΩ, 1MΩ, etc. Modificar el circuito para incluir un pulsador de emergencia, con un terminal conectado a 5V, que al ser pulsado pare la bomba. Se pueden usar más puertas lógicas. Lo mismo de antes, pero para un pulsador que encienda la bomba. - 6 -