555 Y 4017 34m62

Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica Laboratorio Eléctrico II IE-0408

Proyecto final Juego de dados electrónico

Grupo 1

Grupo de Trabajo 09 Arnoldo Castro Castro A21242 Luís Jorge Poveda Wong A54326 David González Sánchez A42390

Profesora: Lucía Acuña Avendaño

Fecha de Entrega: 6-02-2008

Índice General 1.

Nota teórica ................................................................................................................ 4 1.1 El 555 ................................................................................................................. 4 1.1.1 Funcionamiento del LM555 ........................................................................ 5 1.1.2 El 555 en modo astable ............................................................................... 6 1.1.3 El 555 en modo monoestable....................................................................... 8 1.1.4. ........................................................................................................................ 10 1.2 El CD4017........................................................................................................ 11 1.2.1 Funcionamiento del CD4017..................................................................... 11 1.3 LEDS................................................................................................................ 13 1.3.1 Aplicaciones del LED. .............................................................................. 16 2. Objetivos .................................................................................................................. 17 2.1. Objetivo general ............................................................................................... 17 2.2. Objetivos específicos ........................................................................................ 17 3. Lista de equipos........................................................................................................ 18 4. Lista de componentes ............................................................................................... 19 5. Diseño ...................................................................................................................... 20 6. Procedimiento .......................................................................................................... 24 7. Bibliografía .............................................................................................................. 26 8. Anexos ..................................................................................................................... 27 8.1. Hojas de Fabricante .......................................................................................... 27

Índice de Figuras Figura 1. Diagrama de un LM555 en modo astable............................................................ 5 Figura 2. LM555 en configuración monoestable................................................................ 8 Figura 3. Circuito de disparo ............................................................................................. 9 Figura 4. Diagrama de un CD4017. ................................................................................. 11 Figura 5. Diagrama del funcionamiento de las salidas de un 4017.................................... 12 Figura 6. Diagrama del funcionamiento de la terminal 12. ............................................... 13 Figura 7. Diagrama del funcionamiento de la terminal 15. ............................................... 13 Figura 8. Representación simbólica de un LED. .............................................................. 14 Figura 9. Forma física de varios LEDs............................................................................. 15 Figura 10. Una pequeña linterna a pilas con LEDs........................................................... 16 Figura 11. Esquemático del circuito para juego de dados [11].......................................... 20 Figura 12. Circuito implementado físicamente [11] ......................................................... 20 Figura 13. Patillas del circuito integrado CD4017 [10] .................................................... 21 Figura 14. Diagrama de temporización para el CD4017 [10] ........................................... 22

Índice de Tablas Tabla 1. Lista de equipos................................................................................................. 18 Tabla 2. Lista de componentes......................................................................................... 19 Tabla 3. Patillas y LEDs encendidos por ciclo ................................................................. 23

4

1. Nota teórica Respecto a los multivibradores, son circuitos utilizados para generar ondas digitales de forma continua o discontinua controlada por una fuente externa. Un multivibrador astable es un oscilador cuya salida varia entre dos niveles de voltaje a una razón determinada por el circuito RC. Un multivibrador monoestable produce un pulso que comienza cuando el circuito recibe la señal o disparo, la duración del pulso es controlada por el circuito RC. Existen tres tipos de multivibradores: 1. Astables, en el circuito oscila constantemente entre sus dos estados posibles. Éste es el tipo más común de multivibrador, ya que es común encontrar generadores de ondas cuadradas, que por cambiar constantemente su señal entre estado alto y bajo se llaman de esta forma. De hecho, el nombre multivibrador viene del hecho de que en la salida cuadrada generada por estos circuitos existen muchísimas armónicas. 2. Monoestable, que son los circuitos que normalmente están en un estado estable, pero pueden cambiar al otro por un determinado período antes de que vuelva de nuevo al estado original. Es necesario utilizar alguna señal de entrada para hacer que el circuito alcance su estado no estable por un cierto período. 3. Biestable, que son los circuitos que permanecen en alguno de sus dos estados indefinidamente. El estado del circuito puede ser cambiado por algún evento externo. Este tipo de circuitos sirven como memorias; los flip-flops son de este tipo de dispositivos.

1.1 El LM555 El circuito integrado LM555 es un temporizador que fue creado por la compañía Signetics en 1972 y que se sigue usando aún por su versatilidad. Este dispositivo se puede utilizar como multivibrador astable o monoestable. El LM555 es un circuito integrado que incorpora dentro de si dos comparadores de voltaje, un flip flop, una etapa de salida de corriente, divisor de voltaje resistor y un transistor de descarga. Dependiendo de como se interconecten estas funciones utilizando componentes externos es posible conseguir que dicho circuito realiza un gran numero de funciones tales como la del multivibrador astable y la del circuito monoestable. Para generar la señal, depende de dos resistencias y un capacitor externos que definan el voltaje a comparar. La siguiente figura muestra el diagrama de un LM555 en modo astable:

c

'HOHWHG

5

Figura 1. Diagrama de un LM555 en modo astable. (Tomada de http://ar.geocities.com/clubelectronico/componentes/comp0000.html)

1.1.1 Funcionamiento del LM555 Se alimenta de una fuente externa conectada entre sus terminales 8 (+Vcc) y 1 (GND) tierra; el valor de la fuente de esta, va desde 5 V hasta 15 V de corriente continua, la misma fuente exterior se conecta a un circuito pasivo RC exterior, que proporciona por medio de la descarga de su capacitor una señal de voltaje que esta en función del tiempo, esta señal de tensión es de 1/3 de Vcc y se compara contra el voltaje aplicado externamente sobre la terminal 2 (TRIGGER) que es la entrada de un comparador. La terminal 6 (THRESHOLD) se ofrece como la entrada de otro comparador, en la cual se compara a 2/3 de la Vcc contra la amplitud de señal externa que le sirve de disparo. La terminal 5 (CONTROL VOLTAGE) se dispone para producir modulación por anchura de pulsos, la descarga del capacitor exterior se hace por medio de la terminal 7 (DISCHARGE), se descarga cuando el transistor npn T1, se encuentra en saturación, se puede descargar prematuramente el capacitor por medio de la polarización del transistor pnp T2. Se dispone de la base de T2 en la terminal 4 (RESET) del circuito integrado 555, si no se desea descargar antes de que se termine el periodo, esta terminal debe conectarse directamente a Vcc, con esto se logra mantener cortado al transistor T2 de otro modo se puede poner a cero la salida involuntariamente, aun cuando no se desee. La salida esta provista en la terminal (3) del circuito integrado, y es además la salida de un amplificador de corriente (buffer), este hecho le da más versatilidad al circuito de tiempo 555, ya que la corriente máxima que se puede obtener cuando la terminal (3) sea conecta directamente al nivel de tierra es de 200 mA.

6 La salida de los comparadores están conectadas al Reset y Set del FF tipo SR. La salida del FF-SR actúa como señal de entrada para el amplificador de corriente (Buffer), mientras que en la terminal 6 el nivel de tensión sea más pequeño que el nivel de voltaje contra el que se compara la entrada Reset del FF-SR no se activará, por otra parte mientras que el nivel de tensión presente en la terminal 2 sea más grande que el nivel de tensión contra el que se compara la entrada Set del FF-SR no se activará.

1.1.2 El LM555 en modo astable La conexión del LM555 para el modo astable se muestra en la figura 5. La resistencia R1 es la que aparece en el diagrama con el nombre de Ra y R2 corresponde a Rb. Al inicio, cuando el capacitor está aún por cargarse, los comparadores envían un cero a R y un 1 al S del flip-flop, lo cual hace que el Q del flip-flop se haga cero, manteniendo el transistor de descarga en corte y, por medio de un inversor, la salida se encuentra en alto. Conforme se carga el capacitor, el voltaje en éste llega a ser de 1/3 Vcc, por lo que un comparador cambia su salida y el flip-flop recibe un 0 en R y un 0 en S; sin embargo, estas entradas retienen el estado anterior, por lo que las cosas no cambian hasta que el capacitor alcanza un voltaje de 2/3 Vcc. Cuando lo anterior sucede, el flip-flop recibe un 1 en R y un 0 en S, haciendo que Q se vuelva 1.Este cambio tendrá dos efectos; primero, la salida se convierte en un cero al pasar por el inversor, y segundo, pone en saturación al transistor de descarga, provocando que el capacitor se descargue a través de R2 y del transistor, reduciendo el voltaje en el capacitor. Al reducirse la tensión en el capacitor, los comparadores vuelven a poner un cero en R y otro cero en S, guardando el 1 en Q y permitiendo la descarga, hasta que el capacitor baje hasta 1/3 Vcc nuevamente. Cuando esto sucede, el flip-flop recibe un 1 en S, manteniendo el 0 en R. La consecuencia de dicho cambio es que Q se vuelva a 0; se cierra el transistor de descarga, la salida sale alta de nuevo, y el capacitor vuelve a cargarse para continuar el ciclo. En resumen, cuando el capacitor está cargándose, la salida estará en alto, mientras que cuando se descarga, la salida se vuelve cero. El tiempo de carga del capacitor a través de R1 y R2 es:

τ e = ( R1 + R2 )C

(1)

Mientras que el tiempo de descarga es a través de solamente la resistencia R2: (2)

τ d = R2C

Para la descarga, la ecuación que define el voltaje en el capacitor es la siguiente: −t

2 Vc (t ) = Vcc e τ d 3

(3)

7

Sea t = T2 el tiempo necesario para que la tensión pase de 2/3 VCC a 1/3 VCC. Evaluando en (3) se llega a: − T2

1 2 Vcc = Vcc e τ d 3 3

(4)

A partir de la ecuación anterior, se puede despejar T2: T2 = τ d ln 2 = R2 C ln 2

(5)

Para la carga del capacitor, la ecuación del voltaje sería: −t

1 Vc (t ) = VCC + V x (1 − e τ d ) 3

(6)

De forma que en t=0, el voltaje es precisamente de 1/3 Vcc . Si el tiempo tiende a infinito, eventualmente el voltaje en el capacitor llegará a Vcc , por lo que se llega a la conclusión de que Vx =2/3Vcc. Sea T1 el tiempo necesario para que Vc alcance los 2/3Vcc : −T1

2 1 2 Ve (t = T1 ) = Vcc = Vcc + Vcc (1 − e τ c ) 3 3 3

(7)

De la ecuación (31) se procede a despejar el tiempo T1: T1 = τ c ln 2 = ( R1 + R2 )C ln 2

( 8)

Para determinar el período, se debe considerar que éste es la suma de los tiempos de carga y descarga del capacitor: T = T1 + T2 = C ( R2 + R1 + R2 ) ln 2

(9)

De esta forma, se puede sacar la frecuencia de la salida del circuito:

f0 =

1 1.44 = T C ( R1 + 2 R2 )

(10)

8 1.1.3

El LM555 en modo monoestable

La configuración en modo monoestable necesita de un circuito de disparo que produzca un flanco negativo de voltaje. Dicho disparo genera una única señal en la salida, cuya duración va a depender de la resistencia y el capacitor externo. El LM555 no es redisparable. Un esquema del circuito en modo monoestable se presenta a continuación:

Figura 2. LM555 en configuración monoestable (Tomada de http://ar.geocities.com/clubelectronico/componentes/comp0000.html)

El capacitor conectado a la patilla 5 sirve para controlar el voltaje en uno de los comparadores (que compara con 2/3 Vcc). La patilla 2 debe ir conectada a un circuito de disparo que genere un flanco negativo sumamente rápido. El circuito de disparo se muestra en la siguiente figura:

9

Figura 3. Circuito de disparo

El nodo entre el resistor de 10k y el capacitor Cx se conecta a la patilla 2, de forma que al apretar el botón, el capacitor se descarga a tierra, y el voltaje baja súbitamente a cero. Al principio en el circuito la corriente fluye de Vcc a través del resistor y directamente a tierra por el transistor en saturación sin cargar el capacitor. Por lo tanto, el voltaje en la patilla 6 debe ser mayor a 2/3 Vcc de forma que R reciba un 1 y S un 0. La salida entonces mientras no se carga el capacitor es de cero. Ahora, si se aplica un flanco negativo en la patilla 2, el comparador suministra un 1 a S y R cambia a 0 ya que el transistor pasa a corte y se empieza a cargar el capacitor. El flanco negativo es casi instantáneo, por lo que el voltaje sube de nuevo y al flip-flop llega nuevamente un 0 a S; esto no impedirá que el capacitor se siga cargando. Cuando el capacitor llega a 2/3 Vcc, el comparador conectado al reset del flip-flop emite un 1, haciendo que Q se vuelva 1. Al suceder esto, la salida baja de nuevo y el transistor de descarga se satura, permitiendo al capacitor descargarse rápidamente a través de él. Al descargarse, el reset vuelve a cero, y se puede volver a disparar el circuito. La constante de tiempo para la carga del capacitor es:

τ c = R1C1

(11)

La ecuación de carga para el capacitor es la siguiente: Vc (t ) = Vcc (1 − e

−t R1C1

)

(12)

Sea T el tiempo que se necesita para que el voltaje llegue a 2/3 Vcc, entonces:

10 −t

2 Vc (t = T ) = Vcc = Vcc (1 − e R1C1 ) 3

(13)

Despejando T de la ecuación anterior: T = 1.1R1C1

(14)

En resumen, cuando el capacitor se está cargando, es cuando la salida está en alto. Para encontrar un valor adecuado de las resistencias Rx y Cx, hay que usar el siguiente criterio:

Rx C x <

T 10

(15)

1.1.4. El Ciclo de Trabajo El ciclo de trabajo se define como el cociente entre el tiempo total en nivel alto y el período total de tiempo por cada período. Así, para el 555 en modo astable, el ciclo de trabajo (D) es el siguiente:

D=

( R1 + R2 )C ln 2 ( R1 + R2 ) T1 = = T ( R1 + 2 R2 )C ln 2 ( R1 + 2 R2 )

(16)

De esta forma, si R1=0, entonces D=0,5, y si R1 tiende a infinito, D=1. El ciclo de trabajo para el LM555 es de 0,5 <1. Este intervalo se puede alterar si se agregan dos diodos a la configuración de forma que el tiempo de carga sea de Tc=R1*C. Al hacer esto, el ciclo quedaría:

D=

R1 R1 + R2

(17)

Por lo que el ciclo terminaría quedando entre 0 <1 con esta modificación. Respecto a la pregunta sobre el ciclo de trabajo, lo anterior demuestra que no es necesario que el ciclo de trabajo sea de 50% para que se tenga una señal periódica. Si bien es cierto que el CD4047 siempre tiene este ciclo, eso no significa que con el 555 no se puedan

11 cambiar las cosas y se pueda conseguir una señal periódica que oscile entre sus dos estados de alto y bajo, debido a que es un multivibrador, con el ciclo que uno desee.

1.2 El CD4017 Se trata de un contador/divisor o decodificador con 10 salidas. Estructuralmente está formado por un contador Johnson de 5 etapas que puede dividir o contar por cualquier valor entre 2 y 9, con recursos para continuar o detenerse al final del ciclo. Si se tiene una etapa de reloj que sea capaz de entregar un tren de pulsos regulares, y los ingresamos por el pin 14 (CLOCK) del CD 4017, podremos obtener en sus salidas un pulso por cada 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 o 10 que se apliquen en la entrada. Esta propiedad, unida a la facilidad de uso que brindan características como un RESET y un pin de habilitación (ENABLE), hace que sea muy sencillo implementar circuitos contadores, luces para fiestas, etc. utilizando muy pocos (o ningún) componentes externos.

1.2.1 Funcionamiento del CD4017 A continuación se muestra un diagrama del CD4017:

Figura 4. Diagrama de un CD4017. (Tomada de http://r-luis.xbot.es/icdatos/4017.html)

El voltaje máximo de alimentación que podemos usar con el 4017 es de 18v (7v en el caso del 74HC4017). Si bien puede funcionar con solamente 5V, se comporta mejor a altas velocidades si se alimenta con al menos 9v. En su versión CMOS no es realmente un chip muy rápido, ya que alimentado con 5v puede funcionar a un máximo de 2 Mhz, y a

r

'HOHWHG

12 15v puede alcanzar los 6Mhz. El 74HC4017 tiene la ventaja, dado que pertenece a una familia de chips de alta velocidad, de lograr unos respetables 25Mhz alimentado con 5v. Con las entradas "Habil. Reloj" y "Reset" a tierra, el contador avanza una etapa a cada transición positiva de la señal de entrada (Reloj). Partiendo entonces de la situación inicial en que "S0" se encuentra a nivel alto y todas las demás a nivel bajo. Con la llegada del primer pulso de entrada tenemos la primera transición. "S0" pasa a nivel bajo y "S1" a nivel alto, todas las demás permanecen en cero. Con el segundo pulso, "S1" pasa a nivel bajo y "S2" a nivel alto, y así sucesivamente hasta la última. Como se muestra en la siguiente figura:

Figura 5. Diagrama del funcionamiento de las salidas de un 4017. (Tomada de http://rluis.xbot.es/icdatos/4017.html)

Reloj. Si esta terminal está a tierra, hará que se inicie un nuevo ciclo. Si está a VDD se consigue solo un ciclo de funcionamiento. Carry-Out. Este terminal proporciona un ciclo completo a cada 10 pulsos de entrada, pudiendo usarse para excitar otro 4017 para división sucesiva de frecuencia o recuento por un número superior a 10.

13

Figura 6. Diagrama del funcionamiento de la terminal 12. (Tomada de http://r-luis.xbot.es/icdatos/4017.html)

Reset. Si se le aplica un nivel alto, lleva ese nivel al terminal "S0", volviendo a iniciar el recuento. Eso significa que si conectamos este terminal a cualquier salida, cuando ésta se lleve a nivel alto se iniciará un nuevo ciclo. Es decir que si conectamos "S4" a la entrada "Reset" tendremos un recuento sólo hasta 4.

Figura 7. Diagrama del funcionamiento de la terminal 15. (Tomada de http://r-luis.xbot.es/icdatos/4017.html)

1.3 LEDS Un LED, siglas en inglés de Light-Emitting Diode (diodo emisor de luz) es un dispositivo semiconductor (diodo) que emite luz cuasi-monocromática, es decir, con un espectro muy angosto, cuando se polariza de forma directa y es atravesado por una corriente eléctrica. El color, (longitud de onda), depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo, pudiendo variar desde el ultravioleta, pasando por

14 el espectro de luz visible, hasta el infrarrojo, recibiendo éstos últimos la denominación de IRED (Infra-Red Emitting Diode). El primer LED que emitía en el espectro visible fue desarrollado por el ingeniero de General Electric Nick Holonyak en 1962. Los primeros diodos construidos fueron los diodos infrarrojos y de color rojo, permitiendo el desarrollo tecnológico posterior la construcción de diodos para longitudes de onda cada vez menores. En particular, los diodos azules fueron desarrollados a finales de los 90 por Shuji Nakamura, añadiéndose a los rojos y verdes desarrollados con anterioridad, lo que permitió, por combinación de los mismos, la obtención de luz blanca. El diodo de seleniuro de zinc puede emitir también luz blanca si se mezcla la luz azul que emite con la roja y verde creada por fotoluminiscencia. La más reciente innovación en el ámbito de la tecnología LED son los diodos ultravioletas, que se han empleado con éxito en la producción de luz blanca al emplearse para iluminar materiales fluorescentes.

1.3.1. Funcionamiento del LED. El funcionamiento físico consiste en que, un electrón pasa de la banda de conducción a la de valencia, perdiendo energía. Esta energía se manifiesta en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria.

Figura 8. Representación simbólica de un LED. (Tomada de es.wikipedia.org/wiki/Diodo_LED)

El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida. Usualmente un LED es una fuente de luz compuesta con diferentes partes, razón por la cual el patrón de intensidad de la luz emitida puede ser bastante complejo. Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el LED; el voltaje de operación va desde 1,5 hasta 2,2 voltios aproximadamente, y la gama de intensidades que debe circular por él va desde 10 hasta 20 mA en los diodos de color rojo, y de 20 a 40 mA para los otros LEDs. La diferencia de potencial varía de acuerdo a las especificaciones relacionadas con el color y la potencia soportada. En términos generales puede considerarse: • Rojo = 1 V • Rojo alta luminosidad = 1,9V • Amarillo = 1,7V a 3V

15 • Verde = 2,4V • Verde alta luminosidad = • Naranja = 2,4V • Blanco brillante = 3,4V • Azul = 3,4V • Azul 430nm = 4,6V • Blanco = 3,7V

3,4V

A continuación se presenta la forma física de los componentes LEDs de varios colores:

Figura 9. Forma física de varios LEDs. (Tomada de es.wikipedia.org/wiki/Diodo_LED)

Luego mediante la ley de Ohm, puede calcularse la resistencia adecuada para la tensión de la fuente que utilicemos. R=

V fuente − (Vd 1 + Vd 2 + ...) I

(18)

El término I, en la fórmula, se refiere al valor de corriente para la intensidad de luminosa que necesitamos. Lo común es de 10 para LEDs de baja luminosidad y 20mA para LEDs de alta luminosidad; un valor superior puede inhabilitar el LED o reducir de manera considerable su tiempo de vida. Otros LEDs de una mayor capacidad de corriente conocidos como LEDs de potencia (1w, 3w, 5w,etc), pueden ser usados a 150mA, 350mA, 750mA o incluso a 1,000 mA dependiendo de las características opto-eléctricas dadas por el fabricante.

16

1.3.1 Aplicaciones del LED. Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia de televisores, habiéndose generalizado su uso en otros electrodomésticos como equipos de aire acondicionado, equipos de música, etc. y en general para aplicaciones de control remoto, así como en dispositivos detectores. Los LED se emplean con profusión en todo tipo de indicadores de estado (encendido/apagado) en dispositivos de señalización (de tránsito, de emergencia, etc.) y en es informativos (el mayor del mundo, del NASDAQ, tiene 36,6 metros de altura y está en Times Square, Manhattan). También se emplean en el alumbrado de pantallas de cristal líquido de teléfonos móviles, calculadoras, agendas electrónicas, etc., así como en bicicletas y usos similares. Existen además impresoras LED. El uso de lámparas LED en el ámbito de la iluminación (incluyendo la señalización de tráfico) es previsible que se incremente en el futuro, ya que aunque sus prestaciones son intermedias entre la lámpara incandescente y la lámpara fluorescente, presenta indudables ventajas: larga vida útil, una menor fragilidad y una mejor disipación de energía. Asimismo, para el mismo rendimiento luminoso, producen luz de color, mientras que los hasta ahora utilizados, tienen un filtro, lo que reduce notablemente su rendimiento.

Figura 10. Una pequeña linterna a pilas con LEDs. (Tomada de es.wikipedia.org/wiki/Diodo_LED)

Los White LEDs son el desarrollo más reciente. Un intento muy bien fundamentado para sustituir las bombillas actuales por dispositivos mucho más eficientes desde un punto de vista energético. También se utilizan en la emisión de señales de luz que se trasmiten a través de fibra óptica.

17

2. Objetivos

2.1.

Objetivo general

Estudiar las principales características del LM555 mediante su aplicación a circuitos prácticos.

2.2.

Objetivos específicos: Estudiar el funcionamiento y diseño de los circuitos con LM555. • Conocer el funcionamiento de los multivibradores. • Emplear los conocimientos adquiridos para generar circuitos prácticos. • Analizar la señal de salida de un multivibrador mediante el uso de LEDs.

18

3. Lista de equipos Tabla 1. Lista de equipos

Nombre

Modelo

Multímetro Digital

Tektronix DMM914

Oscilador Digital

Tektronix TDS210

Generador de señales

Tektronix CFG253

Protoboard Fuente DC

Tektronix CFS250

Placa

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4. Lista de componentes Tabla 2. Lista de componentes.

Valor

Componente

Sigla

Resistor

R1

10 kŸ

Resistor

R2

10 kŸ

Resistor

R3

10 kŸ

Resistor

R4

470 Ÿ

Resistor

R5

330 Ÿ

Resistor

R6

330 Ÿ

Resistor

R7

330 Ÿ

Capacitancia

C1

0.1 µF

Capacitancia

C2

0.01 µF

6 Diodos

D1N4002

7 LEDS Integrado

LM555

Integrado

CD4017

Teórico

Tolerancia

Valor experimental

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5. Diseño En la siguiente figura se muestra el esquemático del circuito a implementar:

Figura 11. Esquemático del circuito para juego de dados [11]

Además, se muestra cómo hay que colocar los LEDS para que queden en la forma de un dado:

Figura 12. Circuito implementado físicamente [11]

En primer lugar, el LM555 genera un tren de ondas cuadradas a una cierta frecuencia, dada por los valores de las resistencias y el capacitor conectado a 2. La ecuación que se debe usar para obtener la frecuencia es la siguiente:

f0 =

1 1,44 = T C ( R1 + 2 R2 )

(19)

21

Donde, si se sustituye R1=R2=10 kŸ\& X)VHREWLHQHXQDIUHFXHQFLDGH KHz, y un período de 0.208 ms. El ciclo del trabajo de los pulsos de reloj es de:

D=

T1 ( R1 + R2 )C ln 2 ( R 1 + R2 ) = = T ( R1 + 2 R2 )C ln 2 ( R1 + 2 R2 )

(20)

Que da un ciclo de trabajo de 67% para dos resistencias de 10 kŸ Ésta señal cuadrada proveniente del LM555 servirá como entrada para la patilla 13 del CD4017, que es la entrada de reloj para este contador. Al encender el interruptor, el LM555 comenzará a funcionar en su modo astable, y alimenta también al contador. Sin embargo, debido a que hay una conexión entre la fuente y la patilla 13 del CD4017, ésta se encontrará en alto, por lo que el valor de las salidas permanecerá igual, hasta tanto no reciba un bajo. El diagrama de las patillas del CD4017 se muestra a continuación:

Figura 13. Patillas del circuito integrado CD4017 [10]

La función de la entrada 13 por lo tanto, es dejar estable la salida siempre y cuando no se le ponga un cero. El CD4017 es un contador, y pondrá en alto sus salidas una por una en el orden que se muestra en el siguiente diagrama de temporización:

22

Figura 14. Diagrama de temporización para el CD4017 [10]

Ahora, al presionar el botón, la patilla 13 queda directamente conectada con tierra, por lo que su entrada es un bajo. Esto provoca que la salida empiece a cambiar debido a que las salidas del circuito integrado también lo hacen. Cada pulso de salida dura aproximadamente un ciclo de reloj. Son precisamente estas salidas del contador las que van activando los LEDs, y al ser el período de operación del circuito astable de 0.208 ms, es prácticamente imposible saber qué número va a salir al dejar de presionar el botón para que la salida se quede estable. La secuencia de activación de las patillas del circuito integrado es 3-2-4-7-10-1-5-69-11. Así, si se observa el esquemático, las patillas que controlan a los LEDs son las 2-4-710-1-12. La patilla 12 corresponde a la de acarreo, que completa un ciclo por cada 10/8 ciclos completos de reloj. Según el diagrama de temporización, la salida 12 o “carry-out” está en alto durante mientras que las patillas 3-2-4-7-10 están en alto.

23 A continuación se muestra una tabla con las patillas que se activan para cada uno de los números mostrados en el dado: Tabla 3. Patillas y LEDs encendidos por ciclo

Patillas activadas

Número mostrado por el dado

A

3 y 12 2 y 12 4 y 12 7 y 12 10 y 12 1

2 3 4 5 6 1

off on off on off on

LEDs B1 y C1 y B2 C2 on off on off on on on on on on off off

D1 y D2 off off off off on off

Para hacer que la secuencia se repita, y que pase de mostrar 1 a mostrar de nuevo 2 en el dado, se conecta directamente la patilla 5 (que es la próxima que se encendería normalmente después de la 1) con la 15, que es la de reset. Al activarse reset, se activa nuevamente las patillas 3 y 12 para empezar el ciclo otra vez. Lamentablemente, no se encuentra un modelo del contador CD4017 para simular en PSpice, por lo que la simulación no está disponible. Ahora, para verificar que la secuencia de encendido de los LEDs es la correcta, se podría cambiar los valores de las resistencias y del capacitor externo al LM555 para obtener un período largo para verificar a simple vista. Por ejemplo, si se eligen dos resistencias de 100 kŸ \ XQ FDSDFLWRU GH X) HO período sería:

T=

(10e − 06) * (300e03) = 2.083s 1.44

(21)

24

6. Procedimiento 1. Construya el circuito de la figura 11. 2. Tome capturas de las señales de voltaje en los siguientes nodos: a. Capacitor de carga y descarga. b. Salida del LM555. c. Salidas 1 a 9 del contador CD4017. d. Terminal 12 del CD4017. 3. Verifique si estas señales se comportan como deben hacerlo. 4. Juegue con el circuito.

Falta más detalles del procedimiento a seguir

25

Rubro

Prereporte Especial Punt Valor Obtenidos

Portada

0,10

0,10

Indice

0,15

0,15

Objetivos

0,50

0,50

Lista de equipos y componentes

1,00

Bibliografia

0,15

0,13

Anexos

0,10

0,05

Nota Teorica

2,00

2,00

Diseño

3,00

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7. Bibliografía [1] Boylestad R. y Nashelsky L. Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. Pearson Educación. 8ª edición. México, 2003. [2] Schilling D. y otros. Circuitos electrónicos discretos e integrados. Mc Graw Hill. 3ª edición. México, 1993. [3] http://www.monografias.com/trabajos11//.shtml 5 de febrero del 2008, 2:31 p.m. [4 http://amadeus.upr.clu.edu/~zahori/digital/exp2.html. 5 de febrero del 2008, 2:36 p.m. [5] http://es.wikipedia.org/wiki. 5 de febrero del 2008, 2:41 p.m. [6] http://r-luis.xbot.es/icdatos/4017.html. 5 de febrero de 2008, 2:50 p.m. [7] http://www.explicame.org/content/view/48/1/1/3/. 5 de febrero de 2008. 3:10 p.m. [8] http://ar.geocities.com/clubelectronico/componentes/comp0000.html. 5 de febrero de 2008. 3:12 p.m. [9] http://www.datasheetcatalog.com 5 de febrero del 2008, 3:16 p.m. [10]http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/C/D/4/0/CD4017.shtml05/01/08 1:40 a.m. [11] http://www.kpsec.freeuk.com/projects/dice.htm 04/01/08 6:00 p.m.

Falta el titulo de los artículos consultados en las Pág. Web

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8. Anexos 8.1.

Hojas de Fabricante

Detalles del diseño

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