Secuenciador de eventos con 555

El Secuenciador de eventos es un circuito que utiliza el temporizador 555 y permite controlar una secuencia de eventos. Algo así como lo que haría un circuito digital secuencial, en donde un evento no empieza si no ha terminado el evento anterior.

Algunas aplicaciones en donde se pueden aplicar este circuito son aquellas que son parecidas al funcionamiento sencillo de una lavadora o aquellas en donde hay que encender y apagar varios dispositivos y los requisitos son que para que el evento actual inicie, el evento anterior debe haber terminado.

Un gráfico de las salidas (LEDs) del circuito ilustra como una salida depende  de la terminación de la salida anterior.

Funcionamiento del secuenciador de eventos con 555

El diseño del circuito es muy sencillo y constituye solamente de la repetición de un circuito base, formado por el temporizador 555, con sus componentes asociados, funcionando como multivibrador monoestable y una pequeña red de resistencia y condensador de acople entre las etapas del circuito (Ver R5 y C3, R8 y C7, R3 y C9)

Cada vez que un temporizador termina su operación dispara mediante la red de acople el siguiente circuito base, y así sucesivamente de forma indefinida. Cada evento tiene un tiempo de duración establecido por la combinación de resistencia y condensador de cada temporizador. De esta manera se pueden lograr para un evento un tiempo de duración más largo que otro, etc.

En el diseño que se presenta las salidas activan diodos LED. Estas salidas se pueden utilizar para enviar una señal o activar un dispositivo. El número de temporizadores a utilizar dependerá de el número de eventos del diseño. Se inicia el funcionamiento del circuito activando un interruptor de contacto momentáneo en el primer temporizador.

Temporizador 555. Distribución de patillas (pines) y configuración interna

Lista de componentes del circuito

La cantidad de componentes del circuito depende de la cantidad de eventos que controlará el mismo. Se muestra en esta lista los componentes para el circuito mostrado en el gráfico (secuencia de 3 eventos que se repiten continuamente).

• 3 Circuitos integrados 555
• 3 resistencias (R1, R6, R9) de 22K, 1/4 watt
• 3 resistencias (R2, R4, R7) de 1K, 1/4 watt
• 3 resistencias (R3, R5, R8) de 100K, 1/4 watt
• 3 potenciómetros (VR1, VR2, VR3) que permite variar el tiempo del monoestable
• 3 condensadores electrolíticos (C2, C6, C8) de 4.7uF
• 3 condensador (C1, C4, C5) de 0.01uF
• 3 condensador (C3, C7, C9) de 1uF
• 3 diodos LED (D1, D2, D3)
• 1 interruptor de contacto momentáneo (s)

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Teorema de Millman

El teorema de Millman establece que cuando hay varias fuentes de voltaje conectadas en paralelo, y cada una de ellas con su respectiva resistencia interna (Ri), el arreglo puede ser reemplazado por una sola fuente de voltaje (VM) en serie con una resistencia equivalente (RM).

¿Para qué se necesita el Teorema de Millman?

Hay muchos casos, en que se tiene de más de una fuente de voltaje para suministrar energía.  Algunos ejemplos de este caso son:

• Un banco de baterías en paralelo para un sistema de alimentación de emergencia.
• Una serie de generadores de electricidad conectados en paralelo, etc.

Cada una de estas fuentes de voltaje, que están en paralelo,  tiene una resistencia interna diferente (resistencia propia de cada fuente) y todo el conjunto de fuentes alimentan una carga (RL). Ver diagrama del circuito original (lado izquierdo del diagrama).

El teorema de Millman nos muestra un método sencillo para obtener un circuito equivalente (lado derecho del diagrama).

Teorema de Millman – Circuito original y circuito equivalente

Procedimiento para encontrar el circuito equivalente de Millman

1. Se obtiene “RM”, que es el valor de la resistencia equivalente en paralelo de todas las resistencias que van en serie con las fuentes de tensión. 1/RM = 1/REq = 1/R₁ + 1/R_{2 +} ….. + 1/R_n
2. Se obtiene “VM” con ayuda de la siguiente fórmula:
   VM = (V₁/R₁ + V₂/R₂ + ….. + V_n/R_n) / (1/R₁ + 1/R₂ + 1/R_n).

Si fueran 3 o más fuentes con sus respectivas resistencias internas el proceso sería el mismo. Al final se obtiene un circuito que consiste de una fuente de voltaje en serie con una resistencia, que se conecta a la carga. En nuestro caso: RL.

La fuente de voltaje tiene el valor VM y el resistor el valor RM. El diagrama que se muestra (lado derecho del diagrama) es el circuito equivalente de Millman.

Ejemplo:

Un circuito similar al anterior con 3 fuentes de voltaje, 3 resistencia en serie y una resistencia de carga.

• V1 = 96V, R1 = 240 ohmios
• V2 = 40V, R2 = 200 ohmios
• V3 = 80V, R3 = 800 ohmios
• RL = 192 ohmios

Obteniendo el valor de RM

1/RM = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃  =  1/240 + 1/200 + 1/800  =  0.01417

1/RM = 0.01417  entonces: RM = 96 ohmios.

Obteniendo el valor de VM

VM = (V1/R1 + V2/R2 + V3/R3) / (1/RM)

VM = 0.4 + 0.2 + 0.1) / (0.01417)  = (0.7) (96) = 67.2 voltios. Entonces VM = 67.2 voltios.

Los valores de RM y VM encontrados se reemplazan en el circuito anterior (ver gráfico anterior a la  derecha) para obtener el circuito equivalente de Millman para este ejemplo.

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Constante de tiempo en circuitos RL y RC

La constante de tiempo es un dato muy importante en el análisis temporal (en el tiempo) de circuitos RL (resistencia y bobina) y RC (resistencia y condensador).

Es el tiempo necesario para que:

• Un capacitor (condensador) se cargue a un 63.2 % de la carga total (máximo voltaje) después de que una fuente de voltaje en corriente directa se haya conectado a un circuito RC. o …
• Un inductor (bobina) este siendo atravesada por el 63.2 % de la corriente total (máxima corriente), después de que una fuente de voltaje de corriente directa se haya conectado a un circuito RL.

Como se ve, ni el condensador alcanza su máxima carga (y voltaje), ni la bobina alcanzan su máxima corriente en una constante de tiempo. Si transcurre una nueva constante de tiempo el condensador se habrá cargado ahora a un 86.5 % de la carga total y por la bobina circulará un 86.5 % de la corriente total.

Esta situación es similar cuando el capacitor e inductor se descargan:

Cuando la fuente de voltaje en CD se retira de un circuito RC o RL y ha transcurrido una constante de tiempo el voltaje en el capacitor ha pasado de un 100% hasta un 36.8 % (se ha perdido un 63.2% de su valor original). Igual sucede con el inductor y la corriente que pasa por él.

La siguiente tabla muestra los valores (en porcentaje) de estos dos casos.

Ver:

• Carga de un condensador,
• Descarga de un condensador,
• Respuesta transitoria en circuito RL,

en donde se complementa el conocimiento de la constante de tiempo.

La constante de tiempo se calcula con las siguientes fórmulas:

• Para los capacitores: T = R x C
• Para los inductores: T = L / R

donde:

• T: es la constante en segundos
• R: es la resistencia en ohmios
• C: es la capacitancia en faradios
• L: es la inductancia en henrios

También se pueden utilizar las siguientes combinaciones:

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Fuente de voltaje variable con LM317T

Una fuente de voltaje variable con LM317T es una fuente de voltaje ideal para personas que necesitan una salida de voltaje variable (1.5 V a 20 Voltios) con capacidad de entrega de corriente continua de hasta de 1.5 Amperios.

Si se utiliza el LM317, solo se obtienen 500mA a la salida, suficiente para muchas aplicaciones, pero en este caso utilizamos el LM317T que porque puede entregar más corriente.

Este dispositivo tiene protección contra sobrecorrientes que evita el integrado se queme accidentalmente debido a un corto circuito.

¿Cómo funciona fuente de voltaje variable con LM317T?

El voltaje de salida depende de la posición que tenga la patilla variable del potenciómetro de 5 KΩ (kilohmios), patilla que se conecta a la patilla de AJUSTE del integrado. (COM)

El transformador debe de tener un secundario con un voltaje lo suficientemente como para que la entrada al regulador IN se mantenga 3 voltios por encima de su salida OUT a plena carga, esto debido a requisitos de diseño del circuito integrado. En este caso se espera obtener, a la salida, un máximo de 15.0 voltios lo que significa que a la entrada del integrado debe de haber por lo menos 18.0 Voltios.

Si el voltaje del secundario del transformador es de 18VAC, el voltaje en la entrada del regulador será:

(18 x 1.41) – 1.4 = 24 voltios, donde 1.41 es la caída de voltaje en dos diodos del puente rectificador. Como la caída de voltaje entre la entrada y salida del regulador es de 3 voltios, la salida tendrá un máximo de 21 voltios.

Se puede utilizar un transformador con un voltaje en el secundario mayor o menor. Esta causará que el voltaje de salida sea igualmente mayor o menor.

Distribución de pines del regulador de voltaje LM317

Se puede poner un diodo entre los terminales de salida y entrada del regulador para protegerlo de posibles voltajes en sentido opuesto. Esto se hace debido a que cuando la fuente de voltaje se apaga, algunas veces el voltaje de salida se mantiene alto por más tiempo que el voltaje de entrada. Se pone el cátodo hacia la patita IN y el ánodo hacia la patita OUT.

Un capacitor electrolítico de 100uF se coloca a la salida para mejorar la respuesta transitoria, y un capacitor de 0.1uF (no se encuentra en el diagrama) se recomienda colocar en la entrada del regulador si este no se encuentra cerca del capacitor electrolítico de 4,700uF.

Ver la configuración de patillas del LM317 en el diagrama.

Lista de componentes de la Fuente de voltaje variable con lm317t

• 1 regulador de voltaje LM317T (U1)
• 1 puente de diodos de 2 amperios o más. (PD)
• 1 resistencia de 220Ω / ohmios (R1)
• 1 potenciómetro de 5KΩ / kilohmios (R2)
• 1 condensador electrolítico de 4,700uF, 25 voltios o más (C1)
• 1 condensador electrolítico de 100uF de 25 voltioso más (C3)
• 2 condensadores de 0.1uF (C2, ver texto)
• 1 transformador 120/240 VCA a 12.6 VCA de 1.5 amp. en el secundario. (T)
• 1 fusible de 1.5 amperios
• 1 disipador de calor para el regulador de voltaje

Circuito impreso y visualización de la fuente de voltaje variable

El circuito impreso (imagen superior) se visualiza desde el lado de los componentes. El transformador no se incluye en el mismo. Se recomienda su revisión antes de implementarlo.

Nota: La presentación del proyecto terminado es un estimado del resultado final.

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Teorema de máxima transferencia de potencia

Las fuentes de voltaje reales tienen el circuito equivalente como la de la imagen inferior, donde V = I x Ri + VL.

Si el valor de Ri (resistencia interna en las fuentes de alimentación) es alto, en la carga aparecerá solamente una pequeña parte del voltaje debido a la caída que hay en la resistencia interna de la fuente.

Si la caída en la resistencia interna Ri es pequeña (el caso de la fuente de tensión nuevas con Ri pequeña) casi todo el voltaje aparece en la carga.

Si en el circuito Ri = 8 ohmios, RL = 8 ohmios y V = 24 voltios, entonces I = V / Ri + RL = 24 / 16 = 1.5 amperios. Esto significa que la tensión en RL es: V_RL = I x R = 1.5 x 8 = 12 Voltios.

Este dato nos dice que cuando la resistencia interna Ri y RL son iguales solo la mitad de la tensión original aparece el la carga (RL). La potencia en RL será: P = I² x RL = 1.5² x 8 = 18 watts (vatios), lo que significa que en la resistencia interna se pierde la misma potencia.

Resistencia interna de fuente de tensión / voltaje

Si ahora se aumenta y disminuye el valor de la resistencia de carga y se realizan los mismos cálculos anteriores para averiguar la potencia entregada a la carga, se puede ver que esta siempre es menor a los 18 Watts que se obtienen cuando RL = Ri (recordar que Ri siempre es igual a 8 ohmios).

– Si RL = 4 ohmios

• I = V / Ri + RL = 24 / 12 = 2 amperios
• P = I² x RL = 2² x 4 = 16 watts

– Si RL = 12 ohmios

• I = V / Ri + RL = 24 / 20 = 1.2 amperios
• P = I² x RL = 1.2² x 12 = 17.28 watts

Así se concluye que el teorema de máxima entrega de potencia dice:

“La potencia máxima será desarrollada en la carga
cuando la resistencia de carga RL sea igual
a la resistencia interna de la fuente Ri”

Nota: Cuando es importante obtener la máxima transferencia de potencia, la resistencia de carga debe adaptarse a la resistencia interna en las fuentes de voltaje.

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La radio, Oersted y las ecuaciones de Maxwell

Relación entre la electricidad y el magnetismo

Se sabe que la electricidad es capaz de generar ondas de radio y, desde que Oersted descubrió por accidente las ondas electromagnéticas, se suponía que había una relación entre electricidad y magnetismo, relación que incluía que siempre estaban en un ángulo de 90°.

Este comportamiento tan singular pudo ser explicado por el físico escocés “James Clerk Maxwell” (1831 – 1879), quien unificó el estudio de la electricidad y electromagnetismo con 4 ecuaciones. Lo que Maxwell expuso con sus ecuaciones fue que el campo eléctrico y el campo magnético estaban intrínsecamente relacionados y que no era necesario el flujo de electrones en un conductor. En otras palabras:

• – Cuando una corriente eléctrica pasa por un conductor, un campo magnético es creado y es perpendicular al conductor mencionado.
• – Cuando un conductor es expuesto un cambio de flujo magnético perpendicular a él, un voltaje es generado en los extremos del conductor.

Lo anterior puede ocurrir en espacio abierto, donde el campo magnético y eléctrico dependen el uno del otro, en su viaje a la velocidad de la luz. Esta onda es conocida como “la onda electromagnética”. Si se utiliza una fuente de voltaje alterna y una antena, se puede crear una onda electromagnética. Hay dos tipos de antena:

• Elementos transmisores, en este caso, que convierten una señal de corriente y voltaje en ondas electromagnéticas.
• Las antenas también trabajan como receptoras de ondas electromagnéticas.

Dipolo abierto:

Actúa como un condensador (capacitor). Son dos conductores separados por un dielétrico (el aire). En este caso el campo eléctrico, se propaga por el aire en vez de concentrarse entre las láminas como sucede en un condensador.

El campo eléctrico radiado genera automáticamente el campo magnético en un ángulo de 90°.

Dipolo Cerrado:

Actúa como una espira de una bobina (inductor) con núcleo de aire y el campo magnético se propaga por el aire en vez de concentrarse como sería en el inductor.

El campo magnético radiado genera automáticamente un campo eléctrico de 90°. *

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Compuerta NOR – Compuerta No O

La compuerta NOR o compuerta NO O es una compuerta lógica que entrega en su salida un “0” lógico en todas las posibles combinaciones de sus entradas menos cuando estas están todas en “0” lógico, en este caso la salida es un “1” lógico. Ver las tablas de verdad en diagramas inferiores.

Hay dos símbolos aceptados para la compuerta NOR. Uno del estándar Americano (ANSI) y otro del estándar Europeo (IEC).

Una compuerta NOR (No O) se puede implementar con la concatenación de una compuerta OR con una compuerta NOT, como se muestra en la siguiente figura.

Del gráfico anterior se ve que la salida de la compuerta OR es A + B. Esta salida se pasa por el inversor o compuerta NOT y se obtiene: X = A + B.

Al igual que en el caso de la compuerta OR, esta compuerta se puede encontrar en versiones de 2, 3 o más entradas.

• En la versión TTL están: 7402 (2 entradas), 7427 (3 entradas), etc.
• En la versión CMOS están: 4001 (2 entradas), 4025 (3 entradas), etc.

Las tablas de verdad de estas dos tipos de compuertas son las siguientes:

Como se puede ver la salida X solo es “1”, cuando todas las entradas son “0”.

¿Cómo crear una compuerta NOT con una compuerta NOR?

Un caso interesante de la compuerta NOR, al igual que la compuerta lógica NAND, es cuando las entradas A y B ó A, B y C (en el caso de una compuerta NOR de 3 entradas) se unen, para formar una sola entrada. (Ver las tablas de verdad anteriores). En este caso la salida (X) tiene exactamente el valor opuesto a la entrada.

Ver la primera y la última filas de la tablas de verdad anteriores. En otras palabras: Con una compuerta No O se puede lograr el comportamiento de una compuerta NOT. 

A continuación se presenta la distribución interna del circuito integrado TTL 7427 que tiene 3 compuertas NOR de 3 entradas. Estas compuertas tienen la tabla de verdad de 3 entradas que se muestra en un gráfico anterior.

compuerta-logica-nor

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El generador de corriente continua (CC)

Cuando, por un campo magnético, se desplaza un conductor se induce sobre él una tensión. Si a un motor de corriente continua le hacemos girar el rotor (eje), se estarán moviendo los arrollados de este dentro de un campo magnético (creado por los imanes del motor).

Si este motor no está conectado para que funcione como tal, en sus terminales de alimentación aparecerá la tensión generada internamente. De esta manera un motor de C.C. se convierte en un generador de corriente continua (generador de CC) o generador de corriente directa (generador de CD).

La tensión de salida de un generador es directamente proporcional a su velocidad, entonces… es posible saber a que velocidad gira el generador solo con medir la tensión de salida. El circuito equivalente del generador de corriente continua es casi igual al de un motor CC., solo que en este caso la corriente de excitación no entra, sino que sale.

Circuito equivalente de Generador de CD

En el gráfico se muestra el circuito equivalente de un generador de corriente continua. La tensión de salida se obtiene con ayuda de la ley de tensiones de Kirchhoff. Vg = Vb – (Ia x Ra), donde:

• Vb = Fuerza contraelectromotriz del motor (FCEM)
• Ia = Corriente de excitación
• Ra = Resistencia del devanado

Se puede ver que la tensión de salida es igual a la FCEM del motor menos la caída de tensión en el devanado del mismo.

• Si un motor de corriente continua aprovecha, la fuerza que se produce sobre un conductor, para poder girar, el generador de corriente continua por el principio recíproco, aprovecha el movimiento de giro del conductor para que sobre el (el conductor) se induzca una tensión.
• En un motor, la corriente que circula por un conductor del motor hace que este se mueva. En un generador, cuando un conductor se mueve se produce sobre el, la circulación de una corriente eléctrica.

Si el generador no está cargado (no hay nada conectado la los terminales de salida), Ia es casi cero (0 amperios). La tensión de salida Vg y la tensión Vg (fuerza electromotriz del motor) son iguales, debido a que no hay caída en la resistencia Ra. Ver ecuación anterior.

La velocidad del generador será: Vb/K rpm (revoluciones por minuto), donde:

• K = constante de FCEM
• Vb = Fuerza contraelectromotriz del motor (FCEM)

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1 ¿Qué son Circuitos lógicos? 2 Tabla de verdad – Simplificación de funciones Booleanas

Circuitos lógicos. ¿Qué es un circuito lógico?

Los circuitos lógicos son aquellos que manejan la información en forma de “1” y “0”, dos niveles lógicos de voltaje fijos. “1” nivel alto o “high” y “0” nivel bajo o “low”.

Los circuitos lógicos están compuestos por elementos digitales como la compuerta AND (Y), compuerta OR (O), compuerta NOT (NO) y combinaciones poco o muy complejas de los circuitos antes mencionados.

Estas combinaciones dan lugar a otros tipos de elementos digitales como las compuertas, entre otros:

• compuerta nand (No Y)
• compuerta nor (No O)
• compuerta or exclusiva (O exclusiva)
• mutiplexores o multiplexadores
• demultiplexores o demultiplexadores
• decodificadores
• codificadores
• memorias
• flip-flops
• microprocesadores
• microcontroladores
• etc

La electrónica moderna usa electrónica digital para realizar muchas funciones. Aunque los circuitos electrónicos podrían parecer muy complejos, en realidad se construyen de un número muy grande de circuitos muy simples.

En un circuito lógico digital se transmite información binaria (ceros y unos) entre estos circuitos y se consigue un circuito complejo con la combinación de bloques de circuitos simples.

La información binaria se representa en la forma de: (ver gráficos) – “0” ó “1”, – “abierto” ó “cerrado” (interruptor), – “On” y “Off”, – “falso” o “verdadero”, etc.

Los circuitos lógicos se pueden representar de muchas maneras. En los circuitos de los gráficos anteriores la lámpara puede estar encendida o apagada (“on” o “off”), dependiendo de la posición del interruptor. (apagado o encendido). Los posibles estados del interruptor o interruptores que afectan un circuito se pueden representar en una tabla de verdad.

1 ¿Qué son Circuitos lógicos?  2 Tabla de verdad – Simplificación de funciones Booleanas

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1 ¿Qué son Circuitos lógicos?  2 Tabla de verdad – Simplificación de funciones Booleanas

Qué es una tabla de verdad? – Simplificar funciones Booleanas

Para que se utiliza la tabla de verdad

La tabla de verdad es un instrumento utilizado para la simplificación de circuitos digitales a través de su ecuación booleana.

Todas las tablas de verdad funcionan de la misma manera sin importar la cantidad de columnas que tenga y todas tienen siempre una columna de salida (la última columna a la derecha) que representa el resultado de todas las posibles combinaciones de las entradas.

El número total de columnas en una tabla de verdad es la suma de las entradas que hay + 1 (la columna de la salida).

El número de filas de la tabla es la cantidad de combinaciones que se pueden lograr con las entradas y es igual a 2n, donde en el número de columnas no se toma en cuenta la columna de salida. Ejemplo: en la siguiente tabla de verdad hay 3 columnas de entrada, entonces habrán 2³ = 8 combinaciones (8 filas)

Un circuito con 3 interruptores de entrada (con estados binarios “0” o “1”), tendrá 8 posibles combinaciones. Siendo el resultado (la columna salida) determinado por el estado de los interruptores de entrada. Los circuitos lógicos son básicamente un arreglo de interruptores, conocidos como “compuertas lógicas” (compuertas AND, NAND, OR, NOR, NOT, etc.). Cada compuerta lógica tiene su tabla de verdad.

Si pudiéramos ver con más detalle la construcción de las “compuertas lógicas”, veríamos que son circuitos constituidos por transistor, resistencias, diodos, etc., conectados de manera que se obtienen salidas específicas para entradas específicas.

La utilización extendida de las compuertas lógicas, simplifica el diseño y análisis de circuitos complejos. La tecnología moderna actual permite la construcción de circuitos integrados (ICs) que se componen de miles (o millones) de compuertas lógicas.

Ejemplos de tablas de verdad de la compuerta AND.

1 ¿Qué son Circuitos lógicos?  2 Tabla de verdad – Simplificación de funciones Booleanas

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 Reguladores conmutados. Teoría básica  2 Reguladores conmutados. El transistor de paso  3 Reguladores conmutados realimentados  4 Reguladores conmutados. Frecuencia de conmutación

Reguladores de voltaje conmutados realimentados

El voltaje de salida de cualquier fuente de tensión es susceptible a variaciones dependiendo de la carga que se le conecte. A mayor carga (menor valor de la resistencia de carga), mayor demanda de corriente y disminución de la tensión en la salida.

Esta caída de tensión no es deseable. Para mejorar la regulación de voltaje se agrega una realimentación al circuito regulador.

Funcionamiento de Reguladores de voltaje conmutados realimentados

Una muestra de la tensión de salida es realimentada con ayuda de una red divisora de voltaje que se coloca en paralelo con la carga. Con la fórmula de división de voltaje se obtiene la tensión de muestra. Entonces: Vmuestra = VSal x [ R2 / R1 + R2)].

Este voltaje de muestra se compara con una tensión de referencia y si hay diferencia, la salida (VA) del comparador “A” varía. Si la tensión de salida VSal es la correcta, la tensión (VA) que se aplica al comparador “B” produce un ciclo de servicio del 50%.

Esto significa de que en la salida del comparador, el voltaje en nivel alto y el voltaje en nivel bajo tienen la misma duración.

Situaciones posibles:

• Si el voltaje a la salida aumenta, el voltaje VA aumenta, el ciclo de servicio disminuye (< 50%), los tiempos en que el transistor está saturado son más cortos y como consecuencia el voltaje de salida disminuye.
• Si el voltaje a la salida disminuye, el voltaje VA disminuye, el ciclo de servicio aumenta (> 50%), los tiempos en que el transistor está saturado son más largos y como consecuencia el voltaje de salida aumenta.

Esta realimentación ajusta automáticamente el comportamiento del circuito y compensa las variaciones en la salida.

 Reguladores conmutados. Teoría básica  2 Reguladores conmutados. El transistor de paso  3 Reguladores conmutados realimentados  4 Reguladores conmutados. Frecuencia de conmutación

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Transmisor FM

Este es un pequeño transmisor FM que permite hacer una transmisión dentro de un limitado rango. El transmisor es ideal para enviar información que puede ser escuchada en un receptor común de radio. Esto significa que funciona dentro de las frecuencias normales de transmisión FM (88-108 MHz). Ver Transmision de ondas.

Por la poca cantidad de componentes y su diseño sencillo, es asequible para aquellos que desean experimentar y buscar aplicaciones. Su tamaño es pequeño y puede llevarse a cualquier parte (es portátil).

El alcance de la transmisión depende del voltaje de alimentación. Con un voltaje de 9 V, su alcance puede llegar a unos 100 m aproximadamente, si se utiliza una fuente de 12 V su alcance puede alcanzar a los 130 m.

Funcionamiento del transmisor FM

La señal a transmitir se recibe en el micrófono (MIC), pasa a través del condensador C4 y es amplificada por el transistor Q2. La señal es entonces entregada, través del condensador C3, al oscilador compuesto por la resistencia R1, el condensador C1, el transistor Q1 y los condensadores C2 y C5.

El condensador C5 es un condensador variable y permite sintonizar el transmisor. La señal captada por el micrófono modula la frecuencia (modifica la frecuencia) del oscilador variando su frecuencia base.

Lista de componentes del circuito

• 2 transistores NPN 2N2222A (Q1, Q2)
• 1 micrófono Electret (MIC)
• 1 resistencia de 270 ohmíos, 1/4 watts (R1)
• 3 resistencias de 4.7K, 1/4 watt (R2, R5, R6)
• 1 resistencia de 10 K, 1/4 watt (R3)
• 1 resistencia de 100K, 1/4 watt (R4)
• 1 condensador de 0.001uF (C1)
• 1 condensador de 5.6pF (C2)
• 2 condensadores electrolíticos de 10uF (C3, C4)
• 1 condensador ajustable de 3-18pF (C5)
• 2 bobinas de 5 vueltas cada una con núcleo de aire (L1, L2)

Notas:

• Las resistencias pueden ser de 1/8 watt.
• L1 y L2 se hacen con 5 vueltas de alambre esmaltado 28 AWG enrollado con un diámetro interno de aproximadamente 4 mm. El interior de un bolígrafo funciona bien (el tubo de plástico que contiene la tinta). Retire la bobina después de enrollar y tener cuidado de no doblarla.
• Se puede colocar un condensador de 0.01uF en paralelo con la fuente con el propósito de mejorar la estabilidad del circuito.

Basado en: FM transmiter (en inglés)

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Condensador en AC

Corriente alterna en circuitos capacitivos

A diferencia en del comportamiento de un capacitor con la corriente continua (donde no hay paso de corriente), el paso de la corriente alterna por el capacitor si ocurre.

Otra característica del paso de una corriente alterna en un capacitor es que el voltaje que aparece en los terminales del mismo está desfasado o corrido 90° hacia atrás con respecto a la corriente que lo atraviesa.

Este desfase entre el voltaje y la corriente se debe a que el capacitor se opone a los cambios bruscos de voltaje entre sus terminales.

¿Qué significa estar desfasado o corrido?

Significa que el valor máximo del voltaje aparece 90° después que el valor máximo de la corriente. En el diagrama se observa que la curva en color rojo ocurre siempre antes que la curva en color negro en 90° o 1/4 del ciclo. Entonces se dice que el voltaje está atrasado con respecto a la corriente o lo que es lo mismo, que la corriente está adelantada a la tensión o voltaje.

Si se multiplican los valores instantáneos de la corriente y el voltaje en un capacitor se obtiene una curva sinusoidal (del doble de la frecuencia de corriente o voltaje), que es la curva de potencia. (acordarse que: P = I x V, Potencia = Corriente x Voltaje).

Esta curva tiene una parte positiva y una parte negativa, esto significa que en un instante el capacitor recibe potencia y en otro tiene que entregar potencia, con lo cual se deduce que el capacitor no consume potencia (caso ideal. Se entrega la misma potencia que se recibe)

Al aplicar voltaje alterno a un capacitor, este presenta una oposición al paso de la corriente alterna, el valor de esta oposición se llama reactancia capacitiva (Xc) y se puede calcular con la ley de Ohm XC = V/I, y con la fórmula: XC = 1/(2πfC), donde:

– XC = reactancia capacitiva en ohmios
– f = frecuencia en Hertz (Hz)
– C = capacidad en Faradios (F)

La resistencia en serie equivalente (ESR)

El capacitor analizado en el párrafo anterior es ideal. En la realidad el capacitor tiene una resistencia en serie debido a varios factores: las placas metálicas, el dieléctrico o aislante, etc.

El ESR es el equivalente al factor de calidad Q de los inductores y mientras más pequeño sea mejor.

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La bobina / inductor y la corriente continua (c.c.)

La bobina o inductor es formado de un alambre conductor con el cual se han hecho espiras a manera, en su forma más sencilla, de un resorte. Si se aplica corriente continua (corriente que no varía con el tiempo) a un inductor, este se comporta como un corto circuito y dejará pasar la corriente a través de ella sin ninguna oposición.

Pero en la bobina si existe oposición al paso de la corriente, y esto sucede solo en el momento en que se hace la conexión a la fuente de voltaje y dura por un tiempo muy pequeño (estado transitorio).

Lo que sucede es que en ese pequeño espacio de tiempo corriente está variando desde 0V hasta su valor final de corriente continua (la corriente varía con el tiempo por un espacio de tiempo muy pequeño)

La bobina / inductor y la corriente alterna (c.a.)

La bobina como la resistencia se opone al flujo de la corriente, pero a diferencia de esta, el valor de esta oposición se llama reactancia inductiva y se representa por: XL y se puede calcular con: la Ley de Ohm: XL = V / I y por la fórmula: XL = 2π x f x L, donde:

– XL: reactancia inductiva en ohmios
– V: voltaje en voltios
– I: corriente en amperios
– π: constante (pi): 3.1416
– f : frecuencia en hertz
– L: inductancia en henrios

Ver: Definición de unidades comunes

Angulo de fase de la bobina en corriente alterna

En la bobina el voltaje adelanta a la corriente en 90°. Ver gráfico:

Las señales alternas como la corriente alterna (nuestro caso) tiene la característica de ser periódica, esto significa que esta se repite a espacios fijos de tiempo. Si dos señales periódicas iguales están en fase, sus valores máximos y mínimos coinciden.

Si una señal se atrasa respecto a otra a tal punto de que estas vuelven a coincidir en estos valores (máximo y mínimo) se dice que el desfase fue de 360°. Desfases intermedios serían de 180° (las ondas están desfasadas en la mitad de su período) y desfase de 90° (las ondas están desfasadas en la cuarta parte de su período)

El factor de calidad (Q) de una bobina / inductor

El caso de la reactancia inductiva (XL) calculada anteriormente toma en cuenta que el inductor o bobina es ideal. En la realidad un inductor tiene asociado una resistencia r_L debido al material de que está hecha y también (si tiene un núcleo que no es de aire) una resistencia debido a este núcleo. Esta resistencia (r_L) se pone en serie con inductor.

La relación que existe entre la reactancia XL y la resistencia r_L es llamada “Factor de calidad”. Q = XL / r_L, donde r_L es la resistencia en serie. Tanto Xl como r_L dependen de la frecuencia por lo que Q depende de la frecuencia. A menor r_L mayor factor de calidad. Tomar en cuenta que el factor de calidad se utiliza para el caso de corriente alterna.

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Comparador de ventana con amplificadores operacionales

Un comparador de ventana permite saber si una señal o nivel de tensión / voltaje está dentro o fuera de un límite aceptable de voltajes previamente definido. Con ayuda de un comparador (amplificador operacional) que controle el nivel de voltaje superior y otro comparador que controle el nivel de voltaje inferior, se puede implementar un comparador de ventana.

El nivel de tensión / voltaje que se desea censar (Vin) se aplica a la entrada inversora del amplificador operacional que controla el límite superior (ver Vh) y también a la entrada no inversora del amplificador operacional que controla el límite inferior (ver VL).

Estableciendo el voltaje límite superior y el voltaje límite inferior en los terminales Vh y Vl, se define el rango de voltajes en el cual la salida del comparador de ventana estará activa. Ver el gráfico siguiente.

Comparador de ventana con dos amplificadores operacionales.

La lámpara solo se encenderá cuando las salidas de los dos amplificadores operacionales sean de un nivel alto.

Formas de onda de la salida y entrada del comparador de ventana

De los dos diagramas anteriores se puede ver con claridad que el nivel alto de voltaje en la salida sucede cuando la señal de entrada (ver onda triangular) esta por debajo del límite superior (línea roja) y por encima del límite inferior (línea azul).

Este nivel alto en la salida de los dos amplificadores operacionales activaría la lámpara o circuito de alarma que indica que el voltaje dentro del rango de voltajes para el que fue diseñado el comparador.

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Corrección del factor de potencia usando vectores de corriente

En muchas instalaciones eléctricas de la industria, hay grandes consumos de corriente. Este consumo se agrava más cuando se trabaja con muchos motores AC (carga inductiva), que causan que exista un gran consumo de corriente reactiva que normalmente es penalizada por las empresas que distribuyen energía.

Cuando esta situación se presenta, se dice que tenemos un bajo factor de potencia. El siguiente, es un método para lograr mejorar el factor de potencia (corrección del factor de potencia), reducir el consumo de corriente y evitar cualquier penalización.

¿Cómo corregir el factor de potencia usando vectores de corrientes?

Se coloca en paralelo con la carga a conectar (motores de corriente alterna) o directamente con la tensión de alimentación, un banco de capacitores (grupo o batería de capacitores) para compensar el efecto de la carga inductiva (los motores, etc.), donde:

• φ es el ángulo de desfasamiento de la corriente del motor (Im) con respecto al eje x.
• Q es una corriente reactiva que produce pérdidas y no es deseable, por lo tanto hay que minimizarla.

    Método para hacer una corrección del factor de potencia usando vectores de corriente

Entonces, tomando como ejemplo un motor trifásico ó monofásico (carga equilibrada arriba)

Estos datos pueden tomarse en cuenta para la colocación de un banco de condensadores para corregir el factor de potencia y así reducir la corriente de alimentación o acometida principal como también cargas parciales.

Por: Jorge Olaves I. jorge_olaves2004@hotmail.com Maracaibo – Edo. Zulia, Venezuela.

correccion-factor-potencia-cargas-inductivas

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Diagrama de metrónomo musical electrónico con 555

Este sencillo metrónomo musical electrónico con 555 permite, a aquellas personas que estudian o son aficionados a la música, llevar el compás de la misma con bastante exactitud.

Funcionamiento de un metrónomo musical electrónico con 555

El proyecto se basa en el conocido circuito integrado 555 trabajando como oscilador astable, más unos componentes adicionales.

Como es importante un ajuste adecuado para mantener el compás lo más contaste posible en un largo período de tiempo, se incluyen dos trimmers y un potenciómetro, así como un transistor Q1. El transistor Q1 ayuda a mantener la linealidad del funcionamiento del metrónomo musical electrónico. Ver la figura.

Metrónomo musical electrónico con 555

El temporizador 555 en su configuración astable envía a su salida unos pulsos que manejan a través del transistor PNP Q2, un parlante miniatura típico con una impedancia de 8 ohmios. La cantidad de pulsos por segundo que se puede regular entre 20 y 208, se obtiene variando el potenciómetro VR2.

Distribución de pines y estructura interna del temporizador 555

Con el trimmer VR1 se ajusta para obtener el mínimo número de pulsos (40) y con VR3 se ajusta para obtener el máximo número de pulsos (288). Todo el conjunto se alimenta con una batería de 12 voltios o con una fuente de alimentación del mismo voltaje.

Una opción de fuente para este circuito se encuentra en: Fuente de 12 V con 741 y zener

Para iniciar el funcionamiento del circuito solo es necesario cerrar el interruptor de alimentación SW1.

Lista de componentes del Metrónomo musical

• IC1: Temporizador 555
• Q1: transistor PNP NTE 234
• Q2: transistor PNP NTE 2658
• R1 = resistencia de 10K
• R2 = resistencia de 330K
• R3 = resistencia de 100K
• R4 = R5 = resistencias de 1K
• VR1 = trimmer de 10K
• VR2 = potenciómetro de 10K
• VR3 = trimmer de 50K
• C1 = capacitor electrolítico 100uF
• C2 = capacitor / condensador 1uF
• C3 = capacitor / condensador 10nF
• SW1: Interruptor sencillo

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Fuente de voltaje variable de 5A con LM338

Esta Fuente de voltaje variable de 5A utiliza el regulador de voltaje LM338. Este es un regulador ajustable de tres terminales que es capaz de entregar hasta 5A a un rango de voltajes que va de 1.2 a 32 voltios.

Este regulador tiene la característica especial de que permite picos de corriente de hasta 12A, por un corto periodo de tiempo. También está incluido en el regulador protección térmica contra sobrecargas. Este regulador funciona de manera similar al regulador de voltaje variable LM317 conocido por todos.

Funcionamiento de la fuente de voltaje variable de 5 A

El transformador reductor T convierte la señal de entrada de 110/220 que viene del toma-corriente a 24VAC. La señal del secundario ahora reducido en voltaje, se aplica a un puente de diodos (PD) que la rectifica y es después aplanada por el condensador electrolítico C1 (filtro).

En este momento la señal en el terminal positivo del condensador C1 tiene aproximadamente 35VDC no regulados. En este punto se coloca un LED (D1) indicador del funcionamiento de la fuente con su resistencia limitadora.

La señal en el condensador es aplicada a la entrada del regulador de voltaje (In). El voltaje en la salida del regulador (Out) dependerá del valor del voltaje que exista en el pin de ajuste (Adj) del mismo. Este voltaje se puede variar mediante el potenciómetro VR conectado a la patita de ajuste (Adj).

El voltaje de salida se tiene mediante la siguiente fórmula: Vsalida= 1.25(1+ VR/R3)

Encapsulados del regulador de voltaje variable LM338

Lista de componentes de la fuente de voltaje variable de 5A

• 1 transformador de 120/240 a 24VAC (T)
• 1 regulador de voltaje variable LM338 (U1)
• 1 puente de diodos 10 A, 400 V (PD)
• 1 condensador electrolítico de 10,000 microfaradios (C1)
• 1 condensador electrolítico de 2,200 microfaradios (C3)
• 1 condensador de 0.1 microfaradios (C2)
• 1 resistencia de 2.7k (R1)
• 1 resistencia de 12k (R2)
• 1 resistencia de 220 ohmios (R3)
• 1 potenciómetro de 10k (VR)
• 2 diodos rectificadores 1N4007 (D2, D3)
• 1 LED (D1)

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Punta lógica con dos transistores

Punta lógica

Circuito muy sencillo que muestra la implementación de una punta lógica con dos transistores bipolares NPN en conexión Darlington. Ese circuito encenderá el LED cuando en su entrada haya un “1” lógico y lo apagará cuando haya un “0” lógico. La fuente de 5 voltios que se utiliza puede ser la misma fuente que alimenta el circuito lógico bajo prueba.

La punta de prueba lógica o sonda lógica no cargará el circuito bajo prueba debido a la resistencia de 1 megaohm que está en serie con la punta y alta impedancia que tienen los dos transistores en conexión Darlington.

La utilización de una configuración Darlington permite que una pequeña corriente de entrada pueda encender un LED sin problemas. El beta (β) de un transistor 2N2222a es de al menos 100, eso significa que los dos transistores en configuración Darlington tendrán una ganancia de 100 x 100 = 10 000, mínimo.

Este circuito, debido a sus pocos elementos, se puede implementar en un impreso delgado en forma de lapicero para su fácil utilización.

A continuación se presentan un circuito impreso sugerido para implementar esta punta lógica y un diagrama con un estimado del resultado final. Al circuito impreso hay que ponerle una punta metálica conectada al punto P, para que sirva como punta de prueba. Al terminal CN1, se conecta la alimentación del circuito.

Aquí se pueden colocar dos cables: rojo para el positivo y negro para el cable que va a tierra, cada uno de ellos con terminal tipo lagarto para conectarse a la fuente de poder del circuito bajo prueba o para conectar una fuente externa.

Lista de componentes de la punta lógica

• 2  transistores NPN 2n2222a (T1,T2)
• 1 resistencia 1 Megaohmio (R1)
• 1 resistencia 470 ohmios (R2)
• 1 LED rojo

Nota: El terminal negativo de la fuente de voltaje (5 voltios) que alimenta la punta lógica, debe de conectarse a la tierra del circuito bajo prueba.

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1 Filtro RC paso bajo   2 Filtro RC paso alto   3 Filtro RC pasa banda
  4 Filtro RL paso bajo   5 Filtro RL paso alto   6 Filtro RL pasa banda

Filtro RC Pasa banda

Se recomienda, antes de seguir con este tutorial, que se analicen los Conceptos de Filtros, Fase, relación entre tensión de salida y entrada y se lean los tutoriales de Filtro RC paso bajo y Filtro RC paso alto.

El circuito que se muestra a continuación es un filtro Pasa banda. El filtro pasa banda = filtro paso bajo + filtro paso alto, y solo deja pasar un rango de frecuencias delimitada por dos frecuencias de corte:

• Fc1: Frecuencia de corte del filtro paso alto. (frecuencia de corte inferior)
• Fc2: Frecuencia de corte del filtro paso bajo. (frecuencia de corte superior)

Si se modifican estas frecuencias de corte, se modifica el rango de frecuencias, ampliando o disminuyendo las frecuencias que pueden pasar por él. En este caso la primera parte del circuito con el condensador C1 y el resistor R1 forman el filtro paso alto y la segunda parte, formado por R2 y C2, forman el filtro paso bajo.

El orden de los filtros se puede invertir (primero el filtro paso bajo y después el filtro paso alto), pero hay razones para ponerlos en el orden del gráfico.

Una razón es que el segundo filtro se comporta como una carga para el primero y es deseable que esta carga sea la menor posible (que el segundo filtro demande la menor cantidad de corriente posible del primero).

Al tener el segundo filtro una frecuencia de corte mayor, es de suponer que los valores de las impedancias causadas por R2 y C2 sean mayores y que esto cause que sea menor la carga que tenga el primer filtro.

Respuesta de frecuencia de un filtro RC Pasa banda

Como se puede ver en el gráfico, el primer filtro (paso alto con R1 y C1) permite el paso de las frecuencias superiores a la frecuencia de corte de este.  Las ondas que lograron pasar por el primer filtro ahora avanzan hasta el segundo filtro donde se eliminan las frecuencias que son superiores a la frecuencia de corte del segundo filtro (paso bajo con R2 y C2).

Un caso extremo sería cuando las dos frecuencias de corte sean iguales y entonces solo habría una frecuencia que pasaría por este filtro (la frecuencia de corte). Si ahora la frecuencia de corte del filtro paso alto fuera mayor que la frecuencia de corte del filtro Paso bajo, no pasaría ninguna frecuencia por este filtro.

En el gráfico siguiente la frecuencia de corte del filtro paso alto es de 100Hz y la frecuencia de corte del filtro paso bajo es de 100Khz.

Como se puede ver la banda pasante es de 3 décadas (de 100 a 1000Hz, de 1000 a 10000Hz y de 10000 a 100000Hz) o lo que es lo mismo (de 100 a 1Khz, de 1Khz a 10Khz y de 10Khz a 100Khz).

Respuesta de fase de un filtro RC Pasa banda

La respuesta del filtro pasa banda es la que se muestra el siguiente gráfico y es la combinación de las repuestas de fase de los dos filtros individuales (filtros paso alto y paso bajo) hay que tomar en cuenta que la banda de paso es de solo 3 décadas. El desfase será cero (0º) o casi en un rango de frecuencia muy pequeño.

• A mayor ancho de banda mayor será el rango de frecuencias en donde no hay desfase.
• A menor ancho de banda menor será el rango de frecuencias en donde no hay desfase.

Si se da el caso en que la frecuencia de corte es la misma para el filtro paso alto y el filtro paso bajo, el retardo de fase del filtro paso bajo se cancela con el efecto de adelanto del filtro paso alto y entonces la única frecuencia sin desfase será la de la frecuencia de corte.

1 Filtro RC paso bajo   2 Filtro RC paso alto   3 Filtro RC pasa banda
  4 Filtro RL paso bajo   5 Filtro RL paso alto   6 Filtro RL pasa banda

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