El generador de pulsos es ampliamente utilizado en
aplicaciones digitales como el corazón del circuito ya que permite que estos
funcionen. También se puede utilizar como modulador de ancho de pulsos para
controlar motores, luces, etc.
Tabla de Contenido
OBJETIVO
DEFINICIÓN
FUNCIONAMIENTO
MODULCION POR ANCHO DE PULSO
(PWM)
ENSAMBLE
REFERENCIAS
OBJETIVO
El estudiante o persona
interesada en la electrónica digital comprenderá como utilizar el circuito integrado 555 para generar
pulsos de onda cuadrada y modulación por ancho de pulso
(PWM) para el control de intensidad de luz de un led, velocidad de motores, etc.
DEFINICIÓN
Oscilador
Es un circuito que es capaz de convertir la corriente continua en una
corriente que varía de forma periódica en el tiempo; estas oscilaciones pueden
ser senoidales, cuadradas, triangulares, etc., dependiendo de la forma que tenga la onda producida. Un oscilador de onda
cuadrada suele denominarse multivibrador.
Señal triangular
Señal Cuadrada
Señal senoidal
Tipos
de ondas
Circuito integrado 555
El circuito integrado 555 es de
bajo costo y de grandes prestaciones. Inicialmente fue desarrollado por la
firma Signetics. En la actualidad es construido por muchos otros fabricantes.
Entre sus aplicaciones principales cabe destacar las de multivibrador astable y
monoestable.
Además de ser tan versátil
contiene una precisión aceptable para la mayoría de los circuitos que requieren
controlar el tiempo, su funcionamiento depende únicamente de los componentes
pasivos externos que se le interconectan al microcircuito 555.
El microcircuito 555 es un circuito de
tiempo que tiene las siguientes características:
·
La corriente
máxima de salida es de 200 mA cuando la terminal (3) de salida se encuentra conectada directamente a tierra.
·
Los retardos de
tiempo de ascenso y descenso son idénticos y tienen un valor de 100 nSeg.
·
La fuente de alimentación puede tener un rango que va desde 4.5 Volts hasta 16 Volts
de CD.
·
Los valores de
las resistencias R1 y R2 conectadas exteriormente van desde 1 ohm hasta
100kohms para obtener una corrimiento de temperatura de 0.5% a 1% de error
en la precisión, el valor máximo a utilizarse en la
suma de las dos resistencias es de 20 Mohms.
·
El valor del capacitor externo contiene únicamente las limitaciones proporcionadas por su fabricante.
·
La temperatura
máxima que soporta cuando se están soldando sus terminales es de 330
centígrados durante 19 segundos.
·
La disipación de potencia o transferencia de energía que se pierde
en la terminal de salida por
medio de calor es de 600 mW
FUNCIONAMIENTO
El 555 puede funcionar con
fuentes de alimentación que van de los +5 a +18 V. Se puede considerar que el
temporizador 555 es un bloque funcional formado por 2 comparadores, dos transistores, tres resistencias
iguales, un multivibrador biestable (flip-flop) y una etapa de salida.
Fig. 1, bloque funcional del 555
El temporizador 555 por si solo
produce un rango máximo de aproximadamente de 15 minutos.
Existen dos modos de configuración del 555 el modo
monoestable y el astable.
En la fig. 2 a, se puede ver el
funcionamiento del 555 en modo astable. En este el voltaje de salida pasa de un
estado alto a uno bajo y repite el ciclo. El tiempo durante el cual la salida
es alta, o baja, se determina por medio del circuito de resistencia y el
capacitor que se conectan externamente al temporizador 555.
Cuando el temporizador funciona
como modo monoestable, Fig. 2 b, el voltaje de salida es bajo, hasta que el
pulso de disparo negativo se aplica al temporizador; en este momento el voltaje
de salida pasa a un nivel alto. El tiempo de durante el que la salida permanece
en este nivel alto está determinado por una resistencia y un capacitor
conectados al temporizador. Al termino del intervalo de temporización, el nivel
de voltaje se salida vuelve a un nivel bajo.
Fig. 2, Modos de operación del 555
El 555 cuenta con un
encapsulado DIP con 8 pines como se muestra en la Fig. 3, cuyo funcionamiento
es el siguiente:
Pin 1: terminal de tierra
Pin 2: Disparo ,es en esta patilla, donde se establece el inicio del
tiempo de retardo, si el 555 es configurado como monostable. Este proceso
de disparo ocurre
cuando este pin va por debajo del nivel de 1/3 del voltaje de
alimentación (Vcc). Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por
mucho tiempo la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase
a alto otra vez.
Fig. 3 Configuración del
555
Pin 3:
Salida, aquí veremos el resultado de la operación del temporizador, ya sea que
esté conectado como monoestable o astable.
Pin 4: Reset, si se pone a un
nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida a nivel bajo. Si por
algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a Vcc para evitar
que el 555 se reinicie.
Pin 5: Control de voltaje, en
este pin se conecta un capacitor de filtro de 0.01μF a tierra, por medio de este capacitor
se desvían los voltajes de rizo y de oscilación que produce la fuente de alimentación, a fin de reducir al
mínimo el efecto de éstos en el voltaje de umbral. Esta terminal también
es utilizada para modificar los niveles de los voltaje
de umbral y disparo.
Con un voltaje externo aplicado
a la terminal 5 se modifica tanto el voltaje de umbral como el disparo y esto
también puede servir para modular la forma de la onda de salida
Pin 6:Umbral, es una entrada a un comparador interno que tiene
el 555 y se utiliza
para poner la salida a nivel bajo.
Pin 7: Descarga, utilizado para
descargar con efectividad el capacitor externo utilizado por el temporizador
para su funcionamiento.
Pin 8: V+, también llamado Vcc,
alimentación, es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que va de
4.5 voltios hasta 18 voltios (máximo).
Nuestro circuito se encuentra
en una configuración astable, la cual se muestra en la Fig.4, cuyo
funcionamiento es el siguiente:
En el instante en que el capacitor esta descargado (estado
A en la Fig. 4 b)), las terminales 2 y 6 disminuyen de nivel justo por debajo
de voltaje de umbral inferior
(V1t=1/3 Vcc) y el voltaje
de la terminal 3 de salida va a su nivel alto. La terminal 7 se comporta
como un circuito abierto y el
capacitor C se carga a través de Ra ( en neutro circuito R1) y Rb (en nuestro circuito R3). Durante el tiempo de carga de nuestro capacitor (A-B) en el que la salida está en un nivel alto. Cuando el voltaje del capacitor
(Vc) aumenta y rebasa justamente el valor voltaje de umbral inferior (Vut = 2/3
Vcc) en el instante en que el capacitor llega a su máxima carga (B), el 555
envía la señal de salida al nivel bajo. La señal en la terminal 7 también está
en nivel bajo y el capacitor se descarga
a través de la resistencia Rb (R3). Durante el tiempo
de descarga (B-C) en
el que la señal de salida está en nivel bajo. Cuando voltaje del capacitor
desciende justo por debajo de voltaje de umbral inferior, la secuencia se repite.
Fig. 4 a) configuración del 555 en modo
astable y
b) formas de onda en del capacitor C y
salida del pin 3 con respecto a tierra.
Para el calculo de los tiempos
en las oscilación se tienen
las siguientes ecuaciones: Para el tiempo en alto
Talto = 0.695(RA + Rb )C
Para el tiempo en bajo se tiene
que
Tbajo = 0.695RbC
El periodo de oscilación es
T = Talto + Tbajo
=
0.695(RA + 2RB )C
y la frecuencia de oscilación es
f
= 1 = 1.44
T (RA + 2RB )C
CONTROL PWM
La modulación por ancho de
pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse width modulation) de una señal o fuente de energía es una
técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo
de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada,
por ejemplo), ya sea para transmitir información a través
de un canal de comunicaciones o para controlar
la cantidad de energía que se envía a una carga.
El ciclo de trabajo de una
señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el
período. Expresado matemáticamente:
D es el ciclo de trabajo
τ es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso)
T es el período de la función
La construcción típica de un
circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta a un oscilador
de onda dientes
de sierra, mientras que la
otra queda disponible para la señal moduladora. En la salida la frecuencia es
generalmente igual a la de la señal dientes de sierra, y el ciclo de trabajo
está en función de la portadora.
La principal desventaja que
presentan los circuitos PWM es la posibilidad de que haya interferencias
generadas por radiofrecuencia. Éstas pueden minimizarse ubicando el controlador
cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentación.
Aplicaciones
En la
actualidad existen muchos circuitos integrados en los que se implementa la
modulación PWM, además de otros muy particulares para lograr circuitos
funcionales que puedan controlar fuentes conmutadas, controles de motores,
controles de elementos termoeléctricos, choppers para sensores en ambientes
ruidosos y algunas otras aplicaciones. Se distinguen por fabricar este tipo de
integrados compañías como Texas Instruments, National Semiconductor, Maxim, y
algunas otras más.
La modulación por ancho de pulsos es una técnica utilizada para regular la velocidad de giro de los motores eléctricos de inducción o
asíncronos. Mantiene el par motor constante y no supone un desaprovechamiento
de la energía eléctrica.
Otra aplicación es enviar
información de manera analógica. Es útil para comunicarse de forma analógica con sistemas digitales. Para un sistema digital, es relativamente
fácil medir cuanto dura una onda cuadrada. Sin embargo, si no se tiene un
conversor analógico digital no se puede obtener información de un valor
analógico, ya que sólo se puede detectar si hay una determinada tensión, 0 o 5
voltios por ejemplo (valores digitales de 0 y 1), con una cierta tolerancia, pero no puede medirse un valor analógico. Sin embargo, el PWM en conjunción con un oscilador digital, un contador y
una puerta AND como puerta de paso, podrían fácilmente implementar un ADC.
ENSAMBLE DEL KIT
C28 10mF C29 100nF D30, D29 1N4148 IC20 NE555V LED Led rojo 3mm R105 1kW R104 Potenciómetro 10KW R106 10kW R107 330W SV5 Terminal de 4 pines PCB Tabla de cobre
Lista de
partes:
La configuración del kit viene configurada para PWM. Para configurarlo como oscilador
astable el diodo D30 no se debe soldar y D29 se debe remplazar
con un puente.
NOTA: Recuerda que los capacitores electrolíticos
tienen polaridad y si los conectas al revés pueden explotar y causar daños
a tu salud o las de otras personas Conector SV1 1 VCC 2 SALIDA 3 SALIDA 4 GND Valor de C1 para cambiar
la frecuencia de oscilación Valor de C1 (mF) Frecuencia mínima (Hz) Frecuencia máxima (Hz) 0.01 4,496.40 12,820.51 0.1 449.64 1,282.05 1 44.96 128.21 10 4.50 12.82 22 2.04 5.83 47 0.96 2.73
Suelde todos los
componentes que vienen en el kit dependiendo de la configuración deseada (PWM o
astable). La frecuencia de oscilación es de 4.5HZ a 12HZ la cual varia al dar
vueltas al potenciómetro de izquierda a derecha. Para aumentar la frecuencia de
los pulsos utiliza cambia C1 por un capacitor mas pequeño, para disminuir la frecuencia aumenta
el valor del capacitor C1.
REFERENCIAS
Robert F. Coughlin,
F. F. (s.f.). Amplificadores operacionales y circuitos
integrados lineales . Pearson Educación.
http://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_ancho_de_pulsos
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