CIRCUITO OSCILANTE
Un oscilador es un dispositivo capaz de convertir la energía de corriente continua en corriente alterna a una determinada frecuencia. Tienen numerosas aplicaciones: generadores de frecuencias de radio y de televisión, osciladores locales en los receptores, generadores de barrido en los tubos de rayos catódicos, etc.
A) onda sinusoidal. B) onda cuadrada. cua drada. C) onda tipo diente de sierra
La mayoría de los equipos electrónicos utiliza para su funcionamiento señales eléctricas de uno de estos tres tipos: ondas sinusoidales, ondas cuadradas y ondas tipo diente de sierra. Los osciladores oscilado res son circuitos electrónicos e lectrónicos generalmente alimentados con corriente continua capaces de producir ondas sinusoidales con una determinada frecuencia. También reciben el nombre de “osciladores controlados por tensión” (VCO). Existe una gran variedad de tipos de osciladores que, por lo general, se conocen por el nombre de su creador. Igualmente, los multivibradores son circuitos electrónicos que producen ondas cuadradas. Este tipo de dispositivos, es utilizado ampliamente en conmutación. Los generadores de frecuencia son, junto con los amplificadores y las fuentes de alimentación, la base de cualquier circuito electrónico analógico. Son utilizados para numerosas aplicaciones entre las que podemos destacar las siguientes: como generadores de frecuencias de radio y de televisión en los emisores de estas señales, osciladores maestros en los circuitos de sincronización, en relojes automáticos, como osciladores locales en los receptores, como generadores de barrido en los tubos de rayos catódicos y de televisores, etc.
Osciladores
Los osciladores son generadores que suministran ondas sinusoidales y existen multitud de ellos. Generalmente, un circuito oscilador está compuesto por: un "circuito oscilante", "un amplificador" y una "red de realimentación".
Esquema de un circuito oscilante
Supóngase un circuito compuesto por un condensador y una inductancia conectados en paralelo. En primer lugar, se conecta el condensador a una batería. Entonces, comienza a circular corriente eléctrica que va a provocar que el condensador se cargue. Llegado este momento, la corriente eléctrica dejaría de circular y el condensador se encontraría totalmente cargado. A continuación es movido el interruptor y se conecta el condensador con la inductancia. En este mismo instante, la bobina, en principio, se opone al paso de la corriente. Sin embargo, comienza a circular corriente de forma progresiva haciendo que el condensador se descargue y creando un campo magnético en la bobina. Al cabo de cierto tiempo, la corriente eléctrica comienza a cesar de forma progresiva y, por lo tanto, el campo magnético se reduce. Se crea entonces una tensión inducida en la bobina que hace que el condensador se cargue de nuevo, pero esta vez con la polaridad contraria. Una vez que el condensador se encuentra totalmente cargado vuelve a estar como al principio, aunque esta vez con el condensador cargado de forma inversa a como estaba antes. Comienza otra vez el proceso de descarga progresiva del condensador sobre la inductancia y de nuevo vuelve a cargarse el condensador. Puede verse cómo es un vaivén de corriente de un elemento a otro. Esto es lo que se conoce como circuito oscilante. Para poder entender mejor este proceso se han esquematizado los pasos en la ilustración correspondiente.
Funcionamiento de un circuito oscilante
Este circuito oscilante podría ser un oscilador si fuese capaz, por sí solo, de mantener su oscilación indefinidamente. Sin embargo, en la realidad existe una pérdida de energía que hace que la corriente oscilante se vaya atenuando cada vez más hasta llegar a desaparecer. Esto es debido a que la inductancia posee una cierta resistencia óhmica que hace que con el paso de la corriente se vaya perdiendo cada vez una pequeña cantidad de energía convirtiéndose en calor.
Representación de una onda amortiguada debido a la resistencia óhmica de la bobina
La frecuencia con la que oscila el circuito depende evidentemente del condensador y de la inductancia que se utilice; cuanto mayor sea el condensador y la inductancia, menor va a ser la frecuencia. Una vez dispuestos ambos elementos en el circuito, estos son fijos y, por tanto, la frecuencia de oscilación es una característica de dicho circuito, la cual recibe el nombre de "frecuencia propia del circuito oscilante" o “frecuencia natural de oscilación”. En realidad es bastante complicado acertar en la elección del condensador y de la inductancia a la hora de obtener una determinada frecuencia. Lo que se suele hacer es poner, por ejemplo, un condensador con capacidad variable que, una vez funcionando en el
circuito, se ajusta dicho condensador hasta obtener el valor de la frecuencia de oscilación deseada.
Un circuito oscilante por sí solo no es capaz de mantener por mucho tiempo sus oscilaciones y, por tanto, no es de ninguna utilidad. Para solventar este problema lo que se hace es proporcionar una "ayuda extra" desde el exterior que compensa las pérdidas de energía debido a la resistencia óhmica de la bobina; consiguiendo así que el circuito oscile de forma indefinida mientras que la fuente de energía "extra" sea capaz de suministrarle energía. La fuente de energía extra que se acopla al circuito plantea una incógnita relativa a la frecuencia a la que se debe suministrar la corriente eléctrica. Evidentemente existen tres casos bien definidos, a saber: que la frecuencia de la fuente sea mayor, menor o igual que la frecuencia propia de oscilación del circuito. En el caso en que la frecuencia sea la misma, se produce el máximo valor de la tensión en los bornes del circuito oscilante; por el contrario, la intensidad de corriente que recorre el circuito es mínima. Si la frecuencia es mayor o menor el voltaje en bornes va siendo cada vez menor, a la vez que la corriente que atraviesa el circuito va aumentando de forma gradual. En la figura se muestran la variación de la tensión y de la corriente en función de la frecuencia. Existen diferentes tipos de osciladores. Antiguamente se usaba una válvula termoiónica como etapa amplificadora pero estos osciladores están totalmente obsoletos. Hoy día, se usa en su lugar un transistor como etapa amplificadora pudiendo estar conectado en base común, emisor común o colector común, dependiendo del tipo de oscilador y de la función que realiza en cada uno de ellos.
Multivibrador En electrónica, un multivibrador es un circuito oscilador capaz de generar una onda cuadrada. Según su funcionamiento, los multivibradores se pueden dividir en dos clases:
De funcionamiento continuo, astable o de oscilación libre: genera ondas a partir de la propia fuente de alimentación.
De funcionamiento impulsado: a partir de una señal de disparo o impulso sale de su estado de reposo.
Si posee dos de dichos estados, se denomina biestable.
Si poseen uno, se le llama monoestable.
En su forma más simple son dos sencillos transistores realimentados entre sí. Usando redes de resistencias y condensadores en esa realimentación se pueden definir los periodos de inestabilidad. Un circuito integrado multivibrador muy popular es el 555, que usa un sofisticado diseño para lograr una gran precisión y flexibilidad con muy pocos componentes externos.
Monoestable El monoestable es un circuito multivibrador que realiza una función secuencial consistente en que al recibir una excitación exterior, cambia de estado y se mantiene en él durante un periodo que viene determinado por una constante de tiempo. Transcurrido dicho período, la s alida del monoestable vuelve a su estado original. Por tanto, tiene un estado estable (de aquí su nombre) y un estadocasi estable .
Figura 1.- Circuito multivibrador monoestable
En la Figura 1 se representa el esquema de un circuito multivibrador monoestable, realizado con componentes discretos, cuyo funcionamiento es el siguiente: Al aplicar la tensión de alimentación (Vcc), los dos transistores iniciarán la conducción, ya que sus bases reciben un potencial positivo a través de las res istencias R-2 y R-3, pero como los transistores no serán exactamente idénticos, por el propio proceso de fabricación y el grado de impurezas del material semiconductor, uno conducirá antes o más rápido que el otro. Supongamos que es TR-2 el que conduce primero. El voltaje en su colector estará próximo a 0 voltios (salida Y a nivel bajo), por lo que la tensión aplicada a la base de TR-1 a través del divisor formado por R-3, R-5 , será insuficiente para que conduzca TR-1. En estas condiciones TR-1 permanecería bloqueado indefinidamente.
Pero si ahora aplicamos un impulso de disparo de nivel alto por la entrada T, el transistor TR-1 conducirá y su tensión de colector se hará próxima a 0 V, con lo que C-1, que estaba cargado a través de R-1 y la unión base-emisor de TR-2, se descargará a través de TR-1 y R-2 aplicando un potencial negativo a la base de TR-2 que lo llevará al corte (salida Y a nivel alto) . En esta condición la tensión aplicada a la base de TR-1 es suficiente para mantenerlo en conducción aunque haya desaparecido el impulso de disparo en T. Seguidamente se inicia la carga de C-1 a través de R-2 y TR-1 hasta que la tensión en el punto de unión de C-1 y R-2 (base de TR-2) sea suficiente para que TR-2 vuelva a conducir y TR-1 quede bloqueado. La duración del periodo cuasi estable viene definido por los valores de C-1 y R-2.
1- CIRCUITO TEMPORIZADOR AJUSTABLE 1-10 MINUTOS
Temporizador ajustable 1-10 minutos
Este circuito es un temporizador que se inicia cuando se pone en marcha al conectar su alimentación (al actuar el interruptor de alimentación). Un di odo LED verde (green) luce indicando que la temporización está en progreso. Cuando se alcanza el periodo de temporización, el LED verde deja de lucir, y luce el LED rojo (red), a la vez que comienza a sonar el zumbador (beeper). El periodo de temporización es ajustable mediante el potenciómetro de 1 M, y puede ser ajustado aproximadamente entre 1 y 10 minutos con los componentes indicados en el esquema. Usted puede marcar los tiempos en una escala dibujada en la caja que albergue el circuito alrededor del
eje del potenciómetro. Tenga en cuenta que los periodos de tiempo son sólo aproximados. Con componentes perfectos, la temporización debería ser de 4½ minutos, pero prácticamente se amplía hasta unos 10 minutos debido a que el condensador de temporización de 220 µF pierde carga lentamente. Esto es un problema típico de los condensadores electrolíticos, pero además unos condensadores pierden más que otros. Además, el valor de los condensadores electrolíticos puede llegar a diferir en un ±30% del valor que tienen marcado.
EL CIRCUITO TEMPORIZADOR El circuito electrónico que más se utiliza tanto en la industria como en circuitería comercial, es el circuito temporizador o de retardo, dentro de la categoría de temporizadores, cabe destacar el más económico y también menos preciso consistente en una resistencia y un condensador, a partir de aquí se puede contar con un sinfín de opciones y posibilidades. En este tutorial se tratarán unos tipos sencillos para adquirir conocimiento de cómo conseguir un retardo en un sistema que no requiera gran precisión y terminaremos por analizar un temporizador de mayores prestaciones y precisión. Cuando necesitamos un temporizador, lo primero que debemos considerar es la necesidad de precisión en el tiempo, base muy importante para determinar los elementos que vamos a utilizar en su concepción y diseño. Como se ha mencionado anteriormente un temporizador básicamente consiste en un elemento que se activa o desactiva después de un tiempo más o menos preestablecido. De esta manera podemos determinar el parámetro relacionado con el tiempo que ha de transcurrir para que el circuito susceptible de temporizarse, se detenga o empiece a funcionar o simplemente cierre un contacto o lo abra.
EL MÁS SENCILLO. El más simple de los retardos, requiere de una resistencia de cierto valor y un condensador de considerable capacidad. Veamos, se necesita un retardo en una máquina cizalla de corte, la cual conlleva cierto riesgo de accidentar al operario que la maneja. 1. Necesitamos un sistema de seguridad para que sólo cuando el operario esté fuera de peligro, la cuchilla pueda bajar. 2. Otro sistema de seguridad, consiste en producir un retardo y al mismo tiempo un sonido o luz intermitente de aviso.
El primer caso, se puede lograr con la combinación de unos fines de carrera y un par de pulsadores, localizados fuera del recorrido de la cuchilla y sus alrededores. Para el segundo punto, podemos optar por un diodo rectificador D1, una resistencia R1 y un condensador C1. El montaje sumamente sencillo se muestra en la figura 1.
Fig. 1
El diodo D1 se encarga de rectificar la corriente proporcionada por un secundario de un transformador o simplemente de la red a la que se conectará el equipo al que se ha de controlar, para lo cual deberá observarse las precauciones básicas y elementales a la hora de seleccionar los diferentes elementos mencionados, respetando un margen de seguridad en la tensión a la que se someterán en el montaje. A continuación se intercala la resistencia R1 que será la responsable directa del tiempo de carga del condensador, es decir, a mayor valor ohmico le corresponde un mayor tiempo de carga del condensador. El siguiente elemento, el condensador, debe escogerse de una considerable capacidad cosa muy determinante, pero sin perder de vista la tensión a la que se verá sometido, para evitar que se perfore y quede definitivamente inservible. A la hora de elegir el condensador, es conveniente considerar su tamaño y siempre que sea posible debería optarse por un modelo electrolítico (de ahí el uso del diodo), como digo electrolítico debido esencialmente a la mayor capacidad y menor tamaño, cosa que en algunos casos no es posible, utilizando en tal caso uno de los no polarizados industriales de unos 8 a 12 µf y por seguridad 400V, los que suelen utilizar en los motores de las lavadoras o frigoríficos. Bien, veamos que ocurre cuando se aplica una tensión a la figura 1 a, la corriente al atravesar el diodo D1, se rectifica a media onda, esto la reduce
aproximadamente a la mitad, esta tensión se enfrenta al paso de la resistencia R1, que le restringe su paso a un valor previsto por el diseñador. A la salida de R1, la tensión se precipita para cargar el condensador C1, que es el camino que menor resistencia le ofrece y, ese tiempo de carga, justamente es el tiempo que se pretende controlar, ya que durante ese tiempo de carga, la corriente no fluirá más allá del condensador. Hay que tener en cuenta que el tiempo de carga, no representa más que dos tercios (2/3) de la capacidad total de C, rebasada la cual, la corriente empezará a fluir hacia el siguiente elemento conductor que encuentre, terminando así el retardo. De lo expuesto, se puede asegurar que la corriente que atraviesa el circuito, recorre dos caminos; uno el representado por la línea de trazos (Ic) durante los primeros 2/3 de carga, y otro, el de la salida (Id). La salida puede conectarse a un relé que se encargará de producir el efecto deseado conectar/desconectar, según lo previsto. Este sistema se estuvo utilizando hasta los años 70 en cierto control de los ferrocarriles de España, en el sistema de seguridad llamado 'hombre muerto' Este caso digamos que es el directo, también se puede utilizar una forma más, digamos sofisticada, a esta se conecta el relé RL, en serie con la resistencia R1, a la cual se le calculará su valor, de manera que la corriente que la atraviese, active el relé sólo cuando el condensador C, se haya cargado. la tensión de trabajo del relé deberá ser la que corresponda a la tensión nominal de alimentación del circuito, para evitar que se queme cuando se active mediante la corriente de paso en carga. En ambos circuitos, se percibe que el control no es tal, ya que la carga del condensador se ve influenciada por muchos imponderables, además de poco fiable. Se necesita un mayor control y rango de tiempos. La solución puede estar en los transistores que permiten un mayor control de los diferentes parámetros. Debido al control de ganancia y paso de corriente que nos permite el transistor y mediante un montaje adecuado, podemos lograr una mejora en los tiempos y por lo tanto más fiabilidad, al utilizar condensadores más pequeños. Véase en la figura 2, la báscula formada por T1 y T2 a los que se ha añadido un tercer transistor para mejorar la carga del relé a su salida. El funcionamiento de la báscula determina mediante el ajuste de los potenciómetros P1 y P2 los tiempos de basculamiento obteniendo un mejor control de amplitud del tiempo de retardo. No obstante y a pesar de lograr una considerable reducción en la capacidad de los condensadores, lo que conlleva una mayor seguridad y control, no es bastante fiable en algunos casos y la industria necesitaba algo más compacto que le dotara de tiempos mas largos y fiables. Esto se lograría mediante el circuito integrado temporizador µA555.
Fig. 2
EL TEMPORIZADOR µA 555
Creo que es hora de que utilicemos un circuito integrado, en la industria se viene utilizando desde los años 70, uno muy popular que además de sencillo es muy eficaz y versátil a la hora de producir temporizaciones, estoy hablando del socorrido µA555PC, que nos permite construir un temporizador mediante unos pocos componentes de bajo coste. Su estabilidad con la temperatura es de 0'005 % por grado centígrado. Aquí, se describen de forma simple algunos aspectos de este CI. En otro manual, se entrará con mayor detalle. ESTRUCTURA INTERNA
La circuitería interna del 555 según National Semiconductors, es la siguiente:
El diagrama de conexión es el siguiente:
· Comparadores : ESTRUCTURA INTERNA
La circuitería interna del 555 según National Semiconductors, es la siguiente:
El diagrama de conexión es el siguiente:
· Comparadores :
Multivibrador Astable
Esquema de la aplicación de multivibrador astable del 555.
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. La señal de salida tiene un nivel alto por un tiempo t1 y un nivel bajo por un tiempo t2. La duración de estos tiempos dependen de los valores de R1, R2 y C, según las fórmulas siguientes: [segundos]
y [segundos]
La frecuencia con que la señal de salida oscila está dada por la
fórmula:
el período es simplemente: También decir que si lo que queremos es un generador con frecuencia variable, debemos variar la capacidad de condensador, ya que si el cambio lo hacemos mediante los resistores R1 y/o R2, también cambia el ciclo de trabajo o ancho de pulso (D ) de la señal de salida según la siguiente expresión:
Hay que recordar que el período es el tiempo que dura la señal hasta que ésta se vuelve a repetir (Tb - Ta). Si se requiere una señal cuadrada donde el ciclo de trabajo D sea del 50%, es decir que el tiempo t1 sea igual al tiempo t2, es necesario añadir un diodo en paralelo con R2 según se muestra en la figura. Ya que, según las fórmulas, para hacer sería necesario que R1 fuera cero, lo cual en la práctica no funcionaría. CORRECCION: Para realizar un ciclo de trabajo igual al 50% se necesita colocar el resistor R1 entre la fuente de alimentación y la terminal 7; desde la terminal 7 hacia el condensador se colo un diodo con el ánodo apuntando hacia el condensador, después de esto se coloca un diodo con el cátodo del lado del condensador seguido del resistor R2 y este conjunto de diodo y resistor en paralelo con el primer diodo, ademas de esto los valores de los resistores R1 y R2 tienen que ser de la misma magnitud.
[editar]Multivibrador
monoestable
Esquema de la aplicación de multivibrador monoestable del 555.
En este caso el circuito entrega a su salida un solo pulso de un ancho establecido por el diseñador. El esquema de conexión es el que se muestra. La fórmula para calcular el tiempo de duración (tiempo en el que la salida está en nivel alto) es: [s] [segundos] Nótese que es necesario que la señal de disparo, en la terminal #2 del 555, sea de nivel bajo y de muy corta duración para iniciar la señal de salida.
Modo Monoestable
El 555 en modo monoestable, funciona de la misma manera que un multivibrador monoestable. Esto es, que funciona como un temporizador que reacciona con una señal de entrada, y después de un tiempo W éste vuelve a su estado normal. En la figura 2.1 se puede observar la configuración del 555 en modo monoestable. Como se puede observar, al IC se le conectan 3 elementos externos, 2 capacitores y una resistencia. En la figura 2.2 se muestra la configuración en monoestable desde el punto de vista interno, al partir del cual se explicará su funcionamiento. Figura 2.1
En este diagrama funcional simplificado se puede observar 2 OPAM, los cuales determinan un punto de conmutación para poder enviar una señal de salida que active una de las entradas del Flip-Flop. Los puntos de conmutación se determinan con las siguientes fórmulas: PCS = 2Vcc/3 PCI = Vcc/3 Estos puntos de conmutación determinan la cantidad de voltaje necesario para activarse.
Figura 2.2: Conexión Monoestable vista desde su circuito interno
Inicialmente Q está en alto, lo que satura el transistor NPN y descarga el capacitor, lo que hace que Q' esté en bajo. Cuando se pone una entrada de disparo, la cual es negativa, el PCI se activa poniendo a Q' en alto y Q en bajo, lo que corta el NPN y provoca que el capacitor se cargue a través de la resistencia, eso será lo que de el tiempo de retardo. Cuando el voltaje da carga del capacitor sea mayor del PCS, anteriormente establecido por la fórmula, el OPAM del PCS dará un uno a su salida y pondrá a Q en alto, y por lo tanto a Q' en bajo. Lo que satura el transistor y descarga al capacitor. Entonces el 555 se mantiene así hasta que vuelva a poner una entrada de disparo. Todo esto dará una gráfica como la que se muestra en la figura 2.3. Figura 2.3: Gráfica de Funcionamiento de un 555
La fórmula para calcular el tiempo de retardo es: W = 1.1* R* C Las aplicaciones de un 555 monoestable son infinitas y además es fácil de diseñar. Modo Astable
El 555 también puede funcionar en modo Astable, como un multivibrador astable, tal que se mantiene generando una señal de oscilación constante sin la necesidad de la aplicación de un pulso de excitación externa. En la figura 3.1, se puede observa la configuración externa de un 555 en modo Astable. En la figura 3.2 se puede observar la configuración del 555 en modo astable desde el punto de vista interno, que como en el anterior, éste es el esquema que se utilizará para explicar su funcionamiento. Como se puede observar para esta configuración se utilizan 2 capacitores y 2 resistencias. Al igual que en el modo monoestable, en el astable éste posee unos puntos de conmutación, PCS y PCI, los cuales se calculan de la misma manera que como se dijo anteriormente. Como en este caso hay 2 resistencias en serie, la constante de carga del capacitor será (R1 + R2) C. Al igual que en el monoestable el Q comienza en alto, por lo que se satura el transistor NPN y se descarga el capacitor a través de R2, se recuerda que como Q' es el complemento de Q, éste estará en bajo y por tanto la salida también. Entonces cuando la tensión en el capacitor, disminuya el 1/3 de Vcc el PCI dará un 1 a su salida poniendo a Q' en alto, y Q se va a nivel bajo, se corta el NPN y se comienza a cargar el capacitor. Con el tiempo el voltaje de carga del capacitor pasará los 2/3 Vcc y se activará el PCS dando un 1 a la salida poniendo a Q en alto y a Q' en bajo nuevamente. Se satura el NPN, descarga el capacitor, y así se repite el proceso otra vez, hasta que se le desconecte el voltaje. Todo este alto y bajo tendrá como consecuencia que el 555 esté oscilando una señal, como se muestra en la figura 3.3. La fórmula para calcular la frecuencia de oscilación del astable es: F = 1 / (1.44 (R1 + 2R2)) (C) El 555 en modo astable, también tiene el factor denominado: Ciclo de Trabajo, el cual es la diferencia que existe entre las 2 pulsaciones de su oscilación. Figura 3.3: Señal de salida del 555 en Astable
La fórmula para calcularlo es: D = (R1 + R2) / (R1 + 2R2)
La configuración del 555 en astable es igual de útil que la del monoestable, aunque su diseño es un poco más complicado que la éste. El 555 en modo astable ofrece una inmensa cantidad de usos, tanto industriales como residenciales. En la figura 3.4 se muestra un ejemplo de la conexión de un 555 en astable de otra manera, en función de su diseño en software, o como guía para montaje en medios reales. Figura 3.4: Configuración Astable 2
