electronica industrial

1. Electrnicaindstrial Dispositivos y SistemasTimdthy J.. MaJo n e yMonroeCounty CommunitY8bllev.eMontoe, Michipn1Traduccin de Illg. Il~E. Ramos C.M.S. EPFL, Lausanne (Suiza)." ..... Profesor Universidad del Valle . . . ali, ColombiaPRENTICE-HAll HISPANOAMERICANA, S.A.Mxico. Englewood CJiffs Londres. Sydney Toronto I NuevaDelhi Tokio. Singapur. Rio de Janeiro

2. ELECTRONICA INDUSTRIALProhibida la reproduccin total o parcial de esta obra,por cualquier medio o mtodo, sin autorizacin escrita del editor.DERECHOS RESERVADOS 1983, respecto a la primera edicin en espaol porPRENT1C~:IjALLHISF:ANOAMERICANA. S.A.53500 Naucalpan de Jurez, Edo. de MexicoMiembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Reg. Nm. 1524ISBN 968-880-059-7Traducido de la primera edicin en ingls deINDUSTRIAL SOLID STATE ELECTRONICS: OEVICES ANO SYSTEMSCopyright MCMLXXX by Prentice-Hall Inc.ISBN 0-13-250225-94567890123IP-858612345790Impreso en MxicoPrinted in Mexico o AGOTIPOGRAFICA BARSA, S.APino 343 Local 71-72Mxico 4, D.F. 1000 1993 OO 3. COlztenidoPROLOGO xvii1 EL TRANSISTOR COMO UN DISPOSITIVODE CORTE Y SATURACION101-1. El transistor como interruptor, 1 1-1-1. Clculos relacionados con el transi.~torcomo interruptor, 2 1-1-2. Comparacin del transistor como interruptorcon un interruptor mecnico, 4 1-1-3. Prueba de los transistores que operancomo interruptor, 61-2. Variantes del circuito bsico del transistor como interruptor, 71-3. Aplicaciones del transistor como interruptor, 12 1-3-1. Lmparas indicadoras, 12 1-3-2. Interface entre diferentes niveles de voltaje, .16 4. vi / Contenido 2EL TRANSITOR COMO INTERRUPTOR ACTUANDOCOMO ELEMElTO DECISORIO 2-1.Sistemas con circuitos lgicos, 21 2-2.Circuitos lgicos implementados con rels magnticos, 22 2-3.Circuito lgico de rels para un sistema clasificador. de piezas manufacturadas, 25 2-4.Lgica implementada con transistores, 30 2-5.Puertas lgicas-Mdulos para construccin de circuitos lgicos, 32 2-0-1. Puertas no-inuersoras: AND, OR, 32 2-0-2. Puertas inuersoras: NAND, NOR, NOT, 34 2-5-3. Lgica positiua uersus lgica negatiua, 36 2-6). Circuito lgico de estado slido para el sistema clasificador de piezas manufacturadas, 37 2-7.Dispositivos de entrada para la lgica de estado slido, 40 2-8.Dispositivos de salida para la lgica de estado slido, 47 2-9.Comparacin entre la lgica de estado slido y la lgica de rels, 49 2-10. Circuito de estado slido para controlar el ciclo de operacin de una rebajadora automtica, 52 2-11. Circuito lgico para un anunciador de primera falla, 55 2-12. Circuito lgico para controlar el ciclo de operacin de un taladro automtico, 58 2-13. Familias lgicas-Sus caractersticas y principales cualidades, 61 2-13-1.La familia RTL, 62 2-13-:2. La familia DTL, 67 2-13-~1. La familia HTL, 69 2-13-4.La familia TTL, 72 2-13-5.La familia CMOS, 74 5. Contenido / vii3 EL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR EN CIRCUITOSCON MEMORIA Y CONTADORES 79:3-1. Flip-flops, 80:;-2. Circuito de control para un soldador utilizando flip-flops RS, 83:~-3. Flip-flops RS con entrada de reloj, 84:3-4. Control de una cepilladora utilizando flip-flops RScon entrada de reloj, 87:-5. Flip-flops JK, 90:~-6. Registros de desplazamiento, 93:;-6-1. Re/tisiros de desplazamiento implementados("()n flip-flops JK, 93;:l-(i-:2. Sistema de inspeccin y transporte usando unre/tistro de desplazamiento, 94:l-(j-:LRe/tistros de desplazamiento in t. egra dos , 97:l-I. Contadores, 99:3-1-1. El sistema binario, 99:3-1 -:2. Conteo en binario, 99:l-I-:L Decimal codificado en binario (BCD), 100:l-I-4. Contadores con base en flip-flops, 101:-1-1-5.Contadores decadales, 103:3-7 -(jo Contadores decadales en ca~cada, 106:l-8. Decodificacin, 108:3-9. Sistema estampador que utiliza contadores decadales ydecodificadores, 1W:l-lO.Monoestables, 113:3-11.Relojes, 117:-12.Sistema de llenado automtico de recipientes que usa unreloj y monoestables, 119:-1:3. Contadores regresivos y codificadores, 1223-1:l-1. Contadores decadales re/tresivos, 122;l-13-:2.Codificadores decimal a BCD, 123 6. YJl / Conttnido.3-14. Temporizadores, 125:3141. Retardos en circuitos con rels, 126:3142. Circuito serie resistellciacondensador: Constantes dt titmprJ, 128:3143. Ttmporizadorts dt estado slido, 130 315. Sistema envasador que utiliza un contador regreSIVO, un codificador y temporizadores, 734 4EL SeR1441. Teora y operacin de los SCR, 742 4-2.Formas de onda en el SCR, 14443. Caractersticas de puerta del SCR, 14544. Circuitos tpicos de control de puerta, 14645. Otros circuitos de control de puerta, 150 4;")1. Retardos en el disparo usando condensadores, 150 452. Uso de dispositivos de disparo en el manejo de la puerta, 1524-6. Mtodos alternativos de conexin de los SCR a la carga, 154 461. Control unidireccional de onda completa, 154 462. Control bidireccional de onda completa. 154 46:3.Circuitos puen te con S C R, 1544/. Los SCRen circuitos DC,ji)5 5EL UJT16:5l. Teora y operacin de los UJ1, 164 5]-1. Disparo del UJT. 164 51:2.Curvas caractersticas voltajecorriente del UJT. 1655-2. Osciladores de relajacin con UJT, 1685-3. Circuitos de tiempo con U.JT. 173 ;)-31.Rel temporizado con [:J/, 173 5:32.Monoestable mejorado uti/izondo un UJT, 1745-4. Uso del U.JT en circuitos de disparo de los SCR, 776 ;)-4].Circuito de disparo con CJT (.;incrnnizado con la lnea)para un .iCR, 176 7. Contenido /ix5-4-2. Magnitud de los componentes de un circuito de disparo con UJT, .1785-4-3.Circuitu de conmutacin secuencial que utiliza un UJT, para el control de puerta, 1815-4-4. Amplificador de salida lgico utilizando una combinacin UJT-SCR, 1846 EL TRIAC y OTROS TIRISTORES191 6-1. Teora y operacin de los triacs, 192 6-2.Formas de onda en los triacs, 193 6-3.Caractersticas elctricas de los triacs, 195 6-4.MtOdos de disparo para triacs, 1976-4-1. Circuitos RC de control de puerta, 1976-4-2. Dispositivos de disparo en circuitos de control de puerta para triacs, 1986-5.Interruptores bilaterales de silicio, 2006-5-1. Teora y operacin de un SBS, 2006-5-2. Utilizacin del terminal de puerta de un SBS, 2026-5-3. Eliminacin de la histeresis del triac con un SBS,2026-6.Dispositivos de disparo unilaterales, 2066-7.El diodo de cuatro capas utilizado para dispararun triac, 2086-8.Velocidad de aumento crtica del voltaje aplicadoa un triac bloqueado (dv/dt), 2116-9.Los UJT como dispositivos de disparo para triacs, 2126-9-1. Circuito de disparo con UJT, y con realimentacin por resistencia, 2126-9-2. Circuito de disparo con UJT, y con realimentacin por Lultaje, 2177 SISTEMA AUTOMATICO INDUSTRIAL DESOLDADURA CON CONTROL DIGITAL2267-1.Descripcin fsica del sistema d.esoldadura de rines, 2277 -2. Secuencia de operaciones para hacer una soldadura, 2287-3.Diagrama de bloques del circuito de control para la secuencia. 233 8. x / Contenido 7-3-1. Un sistema complejo segmentado en pequeos subcircuitoso bloques-explicacin del diagrama de bloques aproximado, 23: 7-3-2.Cmo el circuito de la secuencia de iniciacin (bloque A) encaja en el sistema total, 234 7 -3-3. Cmo el circuito de la etapa de disparo y permisin (bloque B) encaja en el sistema total, 236 7-3-4. Cmo el circuito de la etapa paso a paso (bloque C) encaja en el sistema total, 236 7-:1-5. Como el circuito predeterminador de la etapa contadora de tiempos (bloque D) encaja en el sistema total, 237 7-3-6. Como la etapa contadora de tiempos (bloque E) encaja en el sistema total, 237 7-3-7. Como el circuito paso a paso de caliente-fro y permisin (bloque F) encaja en el sistema total, 238 7-3-8. Como el circuito predeterminador del contador caliente- fro (bloque G) encaja en el sistema total, 238 7-3-9. Como el contador caliente-fro (bloque H) encaja en el sistema total, 239 7-3-10. Como el circuito de potencia del soldador (bloque 1) encaja en el sistema total, 2397-4. Descripcin detallada del circuito de JnlClaClOn de la secuencia y del circuito de la etapa de disparo y permitidor,2~ 7-4-1.Notacin usada en los diagramas esquemticos y en el texto escrito, 239 7 -4-2. Funcionamien to de I ("ircui to, 2427-5. Descripcin detallada del circuito de la etapa paso a paso y decodificadora, 246 7-5-1.El circuito de la etapa a paso, 246 7 -5-2. El decodificador, 2497-6. La etapa contadora de tiempos y el circuito predeterminador de la etapa contadora de tiempos, 250 7 -6-1. La etapa contadora de tiempos, 250 7 -6-2. Funcionamiento de los circuitos de predeterminacin, 252 7 -6-3. Conexin entre s de los separadores, 2557-7. Circuito paso a paso caliente-fro y permitidor, 2577-8. Circuitos contador caliente-fro y predeterminador del contador caliente-fro, 2607-9. Circuito de potencia del soldador, 26"2 7-9-1.Una visin simplificada del circuito de potplJeia del soldador, 262 7-9-2.Circuito de potencia real del soldador, 266 9. Contenido / xi8 AMPLIFICADORES OPERACIONALES2768-1. Caractersticas de los Op Amps, 2778-1-l. Capacidades bsicas, 2788-1-2. Ganancia de voltaje de buela abierta, 2788-1-3. Resistencia de entrada. 2798-1-4. Otras consideraciones concernientes a los Op Amps, 2808-2. El comparador de voltaje, 2838-3. El Op Amp amplificador inversor, 2848-4. El inversor de fase, 2898-5.Circuitos sumadores con Op Amps, 2898-6. Amplificador noinversor, 2918-7.Correccin del problema de desbalance (OFFSET), 2928-8. El Op Amp amplificador diferencial, 2948-9.Un Op Amp conversor voltaje-corriente, 2958-10. Op Amps integradores y diferenciadores, 2969 SISTEMAS REALIMENTADOS ySERVO MECANISMOS .3029-1.Sistemas de buela abierta versus sistemas de buela cerrada, 3039-2.Diagramas y nomenelatura de los sistemas de buela cerrada, 3079-2-l. Diagrama general de bloques de un sistema de bucla cerrada, 3079-2-2. Nomenclatura utilizada en los sistemas de bucla cerrada, 3099-2-3. Caractersticas de un buen sistema de buela cerrada, 3109-3.Ejemplos de sistemas de control de buela cerrada, 3109-3-1.Servo mecanismo simple de cremallera y pin, 3119-3-2. Mquina duplicadora de perfiles, 3129-3-3. Sistema de control de temperatura con bimetal, 3139-3-4. Si.~tema de control de presin utilizando moto-posicionador, 314 10. XII /C()ntenldo9-4.Modos de control en sistemas industriales de bucla cerrada, 3169-;). Control todo o nada, 3179-:}-1.Zuna de actuacin, 319D-(j. Control proporcional, 3209-h-1. Banda proporcional, 3219li:2. Los e[ectos del control proporcional, 329 -.i-:. J)(sboloncc (Il control proporcinal. 3299(j4.Controlador elctrico proporcional de temperatura, 331~)-7. Control proporcional-integral, 334~J-8. Cont rol proporcional-integral-derivativo, 339981. Controlador elctrico proporciona/-derivatiuo, 3409-8-:2.Controlador elctrico proporcional-integral-derivativo, 342~l-9. Respuesta del proceso, 3449-9-1. Tiempo de retardo (Retardo de la reaccin) en los procesos in dus tria les, 34599-:2.Atraso de transferencia, 34799:1.Atraso de transmisin y tiempo muerto, 3509- lO.Relaciones entre las caractersticas del proceso y elmodo de control apropiado, 35210AMPLIFICADORES Y DISPOSITIVOSCORRECTORES FINALES36010-1. Vlvulao, solenoide, 36210-2. V lvu las de dos posiciones operadas por motor elctrico,. 36310-3. Vlvulas de posicin proporcional operadas por motor, 36610-4. Vlvulas electroneumticas, 367 1041. Operador e/ectrOlleumtico de L/Lu/a, 367 jO4:2.(ullver . ;or de seal electrOlleumtico paro ()perarun poslcionador Ileumtico, 36910-,,). Vlvulas electrohidlulicas, 372lO-G. Carlcterst jeas de flujo de una hula. 3;"3 11. Contenido/ xiii 10-7.Rels y contactores, 377 10-7 -1. Control todl) o nada de corriente a la carga, 377 10-7-2.Histresis de los rel.,, 377 10-7-3.Contactar trifsico para conmutar entre delta y Y, 380 10-8.Tiristores, 383 10-9.Motores AC de fase partida, 384 10-10.Servo motores AC, 392 10-11.Servo amplificadores AC de estado slido, 40]1O-1l-1.Servo amplificador 1: Amplificador transistorizadode cuatro etapas con salida push-pull, 40110-11-2.Servo amplificador 2: Amplificador transistorizado decuatro etapas estabilizado con troceador, COIlrealimentacin negativa y fuente de sin filtrajepara el devanado de control, 4061O-1l-3.Servo amplificador 3: Amplificador hbrido utilizandoun op amp CI en la etapa de entrada y COI1 unaetapa de salida discreta push-pull, 412 10-12. Servo motores DC, 413 10-13. Amplificadores para servo-motores DC, 41411 TRANSDUCTORES DE ENTRADA-DISPOSITIVOS DE MEDIDA 423 11-1. Potencimetros, 425 11-2.Transformadores diferenciales de variacin lineal (LVDTs), 430 11-3.Transductores de presin, 43211-3-1. Tubos bourdon, 43211-3-2. Fuelles, 432 11-4.Termocuplas, 435 11-5.Termistores y detectores resistivos de temperatura (RTDs), 439 11-6.Fotoceldas y dispositivos fotoelctricos, 44311-6-1. Celdas fotouolticas, 44411-6-2. Celdas fotoconductoras, 44811-6-3. Acoplamiento y aislamiento pticos: Fototrnnsistores,diodos emisores de luz. 452 11-7.Galgas extensiomtricas, 4.17 12. xiv /Contenido 11-8. Tacmetros, 460 11-8-1.Tacmet ro generador De, 461 11-8-2.Tacmetros drag cup, 461 11-8-3. eTacmetro,; A de campo rotatorio, 462 11-8-4.Tacmetro,; de rotor dentado, 462 11-8-5.Tacmetro,; de captador fotoelctrico, 464 11-8-6.Tacmetro,; de frecuencia lersus tacmetros de magnitud, 464 11-9. Transductores de humedad, 465 11-9-1.Higrmetros resistivos, 465 11-9-2.Sicrmetros, 466 11-9-3.Deteccin de la,; condicione,; en un material slido, 46812 NUEVE EJEMPLOS DE SISTEMAS INDUSTRIALES DE BUCVA CERRADA473 12-1. Control por termistor de la temperatura del aceite de apagado, 474 12-2. Sistema de control de presin, modo proporcional, 478 12-2-1.Fosos de calentamiento para lingotes de acero, 478 12-2-2.El comparador/controlador electrnico, 481 12-3. Controlador de temperatura proporcional-integral con entrada de termocup!a, 486 12-3-1.Circuito puente termocupla-Lalor de referencia, 486 12-:3-2. El preamplificador, el t roceador y el demodu lador, 487 12-3-3.Control proporcional-in/egral, 492 12-4. Controlador de la tensin de una tira, 495 12-5. Control de borde para un rodillo recolector, 500 12-6. Sistema de pesaje automtico, 505 12-6-1. La distribucin mecnica, 505 12-6-2. Circuito electrnico de pesaje, 506 12-6-3.Lector ptic() del peso, 509 12-6-4. El ciclo lgico automtico, 512 12-6-5. Otros cdigos y mtodos de codificacin, 515 12-1. Controlador de bixido de carbn para un horno de carburacin, 516 12-1-l.El proceso de carburacin, 516 12-/-2.Medida de la concentracin de eo 2 , 518 12-/-3.El detector de error, el controlador y el dispositivocorrector final, 523 13. Contenido/xv 12-8. Control de la humedad relativa en un proceso de humedecimiento de textiles, 527 12-9. Control de humedad de una bodega, 53113 SISTEMAS DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES 537 1:i-1.Motores D C -caractersticas y operacin, 538 1:1-1-1. Variaeirin de la cr/ocidad dr un motor shunt DC, 540 1:~-2.Control por tiristor de voltaje y corriente de armadura, 542 n-:1. Sistema de control de velocidad monofsico y de media onda para un motor shunt DC, 542 13-4. Otro sistema monofsico de control de velocidad, 545 1:1-;). Control reversible de velocidad, 546 13-6. Sistemas operadores trifsicos para motores DC, 548 1:~-7.Ejemplo de un sistema operador trifsico, 550 13-8. Control de velocidad de los motores de induccin, 553 INDICE 559 14. PrlogoEste libro est dirigido a dos grupos de personas. El primer grupo est for-mado por estudiantes que siguen un programa de electrnica en institu-ciones de dos aos de formacin tcnica o cuatro aos de formacin tecno-lgica. El segundo grupo lo forman Ingenieros y Tcnicos que tabajan enmantenimiento industrial.Los dispositivos y sistemas que se presentan, han sido escogidos comorepresentativos de un amplio rango de aplicaciones industriales. El obje-tivo principal es mostrar cmo los dispositivos y circuitos pueden interre-lacionarse para formar sistemas tiles. Los objetivos particulares de cadacaptulo son establecidos en su comienzo, de este modo se les tiene en cuen-ta a medida que el material va siendo estudiado.Cada vez que se presenta un dispositivo, se describen primero sus ca-ractersticas fundamentales y luego su uso en sistemas industriales. Losaspectos fsicos intrnsecos del funcionamiento de los dispositivos son de-jados a otros libros, los cuales se interesan en estos aspectos y no en ~usaplicaciones. Por ejemplo, cuando se discuten los amplificadores operacio-nales integrados, el problema de! desajuste se pone de manifiesto y se danlas tcnicas usuales para corregirlo. Sin embargo, su causa interna nosediscute, dado que este aspecto no concierne realmente a un libro de apli-caciones./Si dos dispositivos tienden a superponerse en un rea de aplicaciones,se hacen las distinciones precisas. Sus ventajas y desventajas relativasen aplicaciones industriales similares se destacan cua1do sea necesariQ.Por ejemplo, histricamente los rels magnticos han intervenido en la ma-xvii 15. xviii / Prlogo yora de los circuitos lgicos industriales. En la ltima dcada, la lgica de estado slido ha intervenido en muchos de los circuitos lgicos previa- mente del dominio de los rels, sin embargo, los circuitos lgicos con rels tienen an caractersticas atractivas para su utilizacin en sistemas industriales; estas caractersticas se explican claramente y se comparan con los beneficios de una lgica de estado slido. Los circuitos y sistemas usados para mostrar las ideas en discusin son tomados de la realidad industrial. Estos circuitos no son generalmente una rplica; han sido simplificados dp. modo que el lector pueda concen- trarse en las partes fundamentales y no se detenga de pronto en el estudio de cosas sin importancia. Por ejemplo, si 1211 8Y1a de discusin es una red de desacople entre las etapas de un servo amI-litir:ador Y la fuente de ali- mentil.cin, naturalmente los componentes de este ~ircuito deben dibujarse; pero si nuestro inters son otros aspectos del servo amplificador, los componentes de la red de desacople se suprimen del diagrama del circuito y as ste se presenta de una manera ms simple. No se requiere un conocimiento en clculo o trigonometra. Sin embargo la manipulacin de frmulas y la notacin de potencias de diez se utiliza en la solucin de los problemas de ejemplo, y el lector debe estar familiarizado con los prefijos y smbolos de la notacin en Ingeniera (mili, micro, kilo, etc.). No se requiere tampoco un conocimiento especial del sistema binario, todo lo que de l deba saberse ser cubierto en este libro. Se asume, sin embargo, que el lector conoce las leyes fundamentales de la electricidad (Ley de Ohm, Ley de Kirchhoff), y est familiarizado con los amplificadores y fuentes de alimentacin electrnicas, y con las ideas bsicas de los circuitos en alterna (relaciones de fase en adelanto y atraso, por ejemplo). En resumen, el material es apropiado para un segundo curso de electrnica que pretenda aplicar las ideas aprendidas en un primer curso. Los dispositivos electrnicos que no se acostumbran tratar en un primer curso de estudio. se presentan y estudian en detalle. De hecho, no se requiere un conocimiento previo de los SeR, UJT, tiristores, o de los amplificadores ope- raciona les. Para lectores que estn trabajando en mantenimiento electrnico industrial, este libro pretende llenar las lagunas que existen entre el tratamiento acadmico de la electrnica y el tratamiento de "cook book" que se le da en algunos manuales de instruccin de mantenimiento. Mis agradecimientos y afectos para Jeanne Deinzer por su estupendo trabajo de mecanografa del manuscrito final. Agradezco tambin a Dan Metzger por su acertada correccin del manuscrito, y a Frank McElhannon por su colaboracin en la preparacin de algunos de los dibujos. TIMOTHY J. MALONEY Monroe, Michigan. *** Una de las constantes de la naturaleza humana ha sido la voluntad de compartir la buena fortuna. En el norte, nuestra buena fortuna de este si- 16. Pr lago / xixglo es debida, en medida considerable, a la aplicacin efectiva de la electri-cidad y la electrnica a las tareas industriales. Por tanto, modestamente,esta edicin en Espaol de Electrnica industrial puede mirarse como unaforma de compartir la buena fortuna y, por inferencia, como un acto deamistad.Es del todo verdadero, como dijo Cervantes, que una golondrina no ha-ce verano. A pesar de esto, espero que los estudiantes de la tcnica deCentro y Sur Amrica, para quienes est dirigida esta edicin, la consi-derarn tan slo como una indicacin de nuestro deseo abierto de com-partir las oportunidades y prosperidades del nuevo mundo.TIMOTHY J. MALONEY 17. 1El transistorcomo un dispositivode corte y saturacin * OBJETIVOS Al terminar este captulo, se estar en capacidad de: 1. Explicar el funcionamiento de un transistor como interruptor y sus diferenciascon un amplificador lineal de transistores 2. Calcular el valor de las resistencias necesarias para que el transistor opere co-mo interruptor 2. Explicar las ventajas de algunas variantes comunes del circuito bsico del tran-sistor como interruptor 4. Discutir el uso del transistor como interruptor, en circuitos indicadores e inter-faces1-1 EL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR Adems de su uso en amplificadores para seales variables en el tiempo, el transistor puede ser usado como interruptor. El transistor no duplica * Algunos autores espaoles, acostumbran llar_1ar a este tipo de dispositivos como "de todo o nada" (N. de T.).1 18. 2 / El transistor como un dispositivo de corte y saturacin +v cc Figura 1-1. Circuito elemental de un transistor como interruptor.exactamente la accin de un interruptor de contactos mecnicos, pero pre-senta ciertas ventajas sobre stos. La Figura 1-1 muestra un diagrama es-quemtico donde el transistor es empleado como interruptor.La Figura 1-1 muestra la resistencia de carga colocada en el circuito delcolector y en serie con ste. El voltaje de entrada Vin determina cuandoel transistor como interruptor se encuentra abierto, impidiendo el flujo decorriente por la carga, o cerrado, permitiendo el flujo de corriente. CuandoVin es un voltaje bajo, no hay flujo de corriente por la unin base-emisor.Con una corriente de base nula, no hay corriente de colector, y por tanto,no circular corriente por la carga. Bajo esta condicin el transistor operacomo un interruptor abierto en serie con la carga. Cuando el transistor operade esta manera se dice que est CORTADO o EN CORTE.1-1-1 Clculos relacionados con el transistor como interruptorCuando un transistor como interruptor se supone EN CORTE, Vindebe encontrarse por debajo de 0,6 V si el transistor es de silicio. Esto ase-gura que no fluye corriente de base al transistor, porque se necesita comomnimo 0,6 V de polarizacin directa de la unin base-emisor para que exis-ta corriente a travs de ella. Para garantizar el CORTE del transistor, loscircuitos de conmutacin se disean de modo que ViD sea menor a 0,30 Vcuando el transistor se supone EN CORTE. Si el terminal de entrada selleva a tierra, lo ms probable es que el transistor se corte.Para energizar (dar corriente al la carga, el transistor debe operar comoun interruptor cerrado. Esto se consigue elevando ViD a un valr suficien-temente alto para llevar el transistor a saturacin. La condicin de satura-cin es aquella en la cual la corriente de colector es lo suficientementegrande para que todo el voltaje de alimentacin, V cc , aparezca en los ter-minales de la resistencia de carga. Idealmente, esta corriente de colectorest dada por la expresin: 1C(sat) Vcc = R-LD 19. El transistor como interruptor / 3que es la ley de Ohm aplicada-al circuito del colector. La corriente de baseviene dada por la expresinIC(sat) Vcc(1-1) 1B(sat) =T = j3R LD la cual relaciona las corrientes directas del colector y base. El trmino (3de la Ecuacin (1-1) significa el (3 de (ganancia de corriente directa) deltransistor en oposicin al (3ac. El (3dc y el (3ac pueden ser diferentes enalgunos transistoreb.De todas maneras, para cerrar el interruptor, ViD debe ser suficiente,para entregar la cantidad de corriente de base necesaria de acuerdo con laEcuacin (1-1). Dado que el circuito de base es simplemente una resisten-cia en serie con la unin base-emisor, V;D puede calcularse a partir de: (1-2)Si el voltaje de la base es igualo mayor al dado por la Ecuacin (1-2), eltransistor opera como un interruptor cerrado y la totalidad del voltaje dealimentacin es aplicado a la carga.En resumen, un transistor puede operar como un interruptor mecnicoen serie con la carga; esto significa que la accin de abrir o cerrar el inte-rruptor, la ejecuta el voltaje de entrada tal como un actuador mecnico, elpistn de un solenoide, o la armadura de un rel, que son mtodos comunespara la operacin de interruptores mecnicos.Para evitar confusiones, los transistores usados como interruptor en es-te captulo, son del tipo npn. Ciertamente, los transistores del tipo pnp pue-den ser igualmente usados, pero son menos frecuentes.Ejemplo 1-1 - Refirase a la Figura 1-2. Cul es la magnitud del voltaje de entrada necesariopara cerrar el interruptor (saturar el transistor)? Cunta corriente circula por lacarga cuando esto sucede? Cul es la magnitud de la corriente de- base necesaria? +24 V Bombilla",,16.n (3 = 150 1KFigura 1-2. Transistor utilizado como interruptor par:! encender () apagaruna lmpara_ 20. 4 / El transistor como un dispositivo de corte y saturacinSolucin. De la Ecuacin 0-2); en saturacin, la totalidad de la fuente de alimen-tacin es aplicada a la carga, de modo que,/ Vcc 24 VC(sat)= R = J6n = 1.5 A. LDde la Ecuacin (1-1):IB(,.t) =jj~D =(5~~~n) c= lOmA. El voltaje de entrada est dado por: Vin ~_7 lBlsat)R B + 0,6 V=(10 mA)(1 K) +- 0,6 V = 10,6 VEl ejemplo (1-1) muestra que una gran corriente de carga, 1,5 A, puede ser conmutada por pequeos valores de voltaje y corriente de entrada. Contrariamente a lo que podra esperarse, el transistor utilizado no es ne- cesariamente un transistor de potencia montado en un disipador, porque la gran cantidad de corriente del colector viene acompaada por un voltaje colector-emisor muy bajo e inclusive cero y as la potencia disipada (el producto de la corriente de colector por el voltaje colector-emisor) es pequea. 1-1-2 Comparacin del transistor como interruptor con un interruptor mecnicoHasta ahora,. la discusin de la operacin del transistor como interrup-tor se ha hecho suponiendo que se comporta como un cortocircuito cuando est cerrado. Esto no es del todo cierto. El transistor no puede saturarsehasta el punto de que el voltaje colector-emisor sea absolutamente cero. La mayora de los transistores de silicio para pequea seal tienen un vol-taje de saturacin colector-emisor, V u ; (sal) , de alrededor 0,2 V. Los transistores de conmutacin ti-enen un bajo Ver: (sal), generalmente del orden de 0,1 V para valores razonables de corriente de carga. Para valores altos de cOI:.riente de carga, Va (sal) tiende a aumentar un poco. En la gran mayora de los clculos, no es necesario considerar el valor de V(;E (sal) peroes importante estar consciente de su magnitud cuando se hacen mediciones en circuitos de conmutacin. Esta pequea cada de voltaje es la principal desventaja del transistor como interruptor frente a un interruptor mecnico. La pequea cada de voltaje es en s un problema, porque esto impide que se puedan conectar en serie varios transistores operando como interruptores, como se hace con los interruptores mecnicos. Por ejemplo, los contactos de los rels comnmente se conectan en serie entre ellos y con otros interruptores, como se muestra en la Figura 1-3(a). El circuito equi- valente con transistores, Figura 1-3(b), no es una prctica aconsejada, porque las pequeas cadas de los transistores se suman y producen una cada de voltaje apreciable.Sin embargo, el transistor como interruptor puede operar en paralelo tal como se muestra en la Figura 1-4. Los transistores presentan algunas ventajas sobre los interruptores mecnicos convencionales: 21. El transistor como interruptor/ 5(a) (b)Figura 1-3. (a) Interruptores mecnicos conectados en serie. Todos los in-terruptores deben cerrarse para completar el circuito. (b) Transistores comointerruptor conectados en serie. Esto es generalmente inadmisible.Bombill~Figura 1-4. Transistores como interruptor conectados en paralelo. Cerran-do uno cualquiera, se enciende la lmpara. a. No tienen partes mviles, por tanto no sufren desgaste y pueden operar un nmero ilimitado de veces. Los contactos de los interruptores convencionales estn sujetos a desgaste y esto limita su vida til a unos pocos millones de operaciones. Adems, como los transistores no tienen contac-tos fsicamente expuestos, es imposible que sustancias extraas se adhie-ran a su superficie e impidan un buen cierre. Este problema es muy comnen los interruptores mecnicos, sobre todo cuando estn localizados en am-bientes polvorientos o sucios.b. El transistor como interruptor es mucho ms rpido que un interruptorconvencional; los cuales tienen tiempos de cierre del orden de los mi-lisegun-dJs, mientras que el transistor operando como interruptor tiene tiempos decierre (tiempo de encendido) del ulen de los. microsegundos.c. El transistor como interruptor n9 presenta el rebote inherente de los in-terruptores mecnicos. El rebote es un problema que se presenta en los con-tactos de un interruptor, el cual. se cierra y abre varias veces (en una suce-sin rpida) antes de efectuarse el cierre perfecto. La Figura 1-5(a) muestrala forma de onda (ampliada) del voltaje en la carga contra el tiempo, cuando 22. 6 / El transistor como un disp(}sitiL() de cl}rle y soturocin t ; --~--~~----------------~~ t (a)(b) Figura 1-5. (al Forma de onda del voltaje que muestra el rebote del contac to de un interruptor mecnico. El interruptor rebota cual ro veces antes de producirse el cierre final. (b) Forma de onda del voltaje en un transistor. donde claramente se aprecia la ausencia del rebote. En ambos casos el interruptor es accionado en el instante tIun interruptor mecnico energiza la carga. La Figura 1-5(b) muestra la co-rrespondiente forma de onda del voltaje en la carga cuando es un transis-tor operando como interruptor el que la energiza.d. Cuando un transistor como interruptor acciona una carga inductiva, nose produce arco al momento de la desconexin. Cuando un interruptor me-cnico que acta sobre una carga inductiva se abre, la fuerza contra-elec-tromotriz inducida, algunas veces produce un arco entre los contactos. Estearco no solamente deteriora la superficie de los contactos, sino que tambinpuede ser peligroso en determinadas circunstancias.1-1-3 Prueba de los transistores que operan como interruptorDesafortunadamente, por simple inspeccin visual es imposible de-terminar si un transistor se encuentra abierto o cerrado, tal como sucedecon los interruptores mecnicos. Es necesario un medidor para detectar elcierre del interruptor. La Figura 1-6 se usar para ilustrar el procedimien- +v ccFigura 1-6. Voltajes que deben medirse cuando se buscan las fallas en untransistor operando como interruptor. 23. Variantes del ,circuito bsico del transistor como interruptor / 7 to que se sigue en el chequeo de un transistor de conmutacin en el circui- to. En general, cuando un transistor est CONDUCIENDO, VCE ser cercano a V, y cuando est en CORTE VCE ser igual a V cc . La lectura de Vcc cuando el transistor est abierto es debido a que no existe corriente por la carga y por tanto no hay cada de voltaje. La totalidad del voltaje aplicado, cae en terminales del transistor tal como sucede en un interruptor convencional. Si la carga no est energizada como se espera, es necesario chequear Vin Este voltaje debe ser lo suficientemente alto para garantizar la CON- DUCCION del transistor. Si esto no sucede, el problema es la fuente de seal y no el transistor. Si Via es lo suficientemente alto para CONDUCCION del transistor y la carga est an desenergizada, la falla puede estar en la fuente de alimentacin. En el estado de CONDUCCION, un transistor de silicio debe tener un V BE de alrededor de 0,6 V. Si Via es lo suficientemente alto para saturar el transistor pero V BE es ms alto o ms bajo que 0,6 V, por ejemplo, 1,5 0,2 V, la unin base-emisor est daada y el transistor debe ser remplazado. Los transistores de potencia estn diseados y construidos para manejar grandes corrientes y algunas veces tienen un V BE por encima de 1 V. Por tanto, en caso de que V BE sea 1,5 V e::to no significa nece- sariamente una unin daada. Es aconsejable referirse a las caractersticas dadas por el fabricante cuando se presenta esta situacin. Si V BE es normal y existe corriente de base, entonces se debe inspec- cionar VCE Si VCE es cercano al voltaje de alimentacin Vcc , el transistor tiene daada la unin colector-base y debe ser remplazado. Si VCE es V y la carga est desenergizada, probablemente. ella est en circuito abierto. En este caso la carga debe ser remplazada. Cuando V in cae a un voltaje bajo, el transistor se supone CORTADO y la carga desenergizada. Si la carga permanece energizada, la falla se debe probablemente a la existencia de un cortocircuito entre colector y base o entre colector y -emisor, por tanto el transistor debe ser remplazado.1-2 VARIANTES DEL CIRCUITO BASICODEL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR Algunas veces no es cierto que el supuesto voltaje bajo de entrada ser lo suficientemente bajo para CORTAR el transistor. Esto sucede cuando el voltaje de entrada es cercano a 0,6 V, digamos 0,5 V. En estas situaciones marginales deben tomarse precauciones que garanticen el CORTE del transistor. La Figura 1-7 muestra dos mtodos comnmente utilizados para este propsito.. En la Figura 1-7(a) se muestra un diodo conectado en serie con el circuito de base. Esto causa un aumento en el voltaje de entrada necesario para inyectar una corriente de base al circuito. Los 0,6 V necesarios para que el diodo entre a conducir, son sumados a los 0,6 V necesarios para que la unin base-emisor, entre tambin en conduccin. Por consiguiente, si ViD es cercano a 0,6 V debido a una falla en la fuente de seal, el transistor permanecer CORTADO, y el interruptor abierto. 24. 8 / El transistor como un dispositiuo de corte y saturacin +V cc R carga(a)(b) Figura 1-7. Variantes del circuito bsico del transistor como interruptor para asegurar el CORTE. (a) Un diodo en serie con el circuito de base. (b) Una resistencia de sujecin para llevar el voltaje de base por debajo de 0,6 V. La Figura 1-7(b) muestra una resistencia de sujecwn, R 2 , agregada al circuito bsico. Esta resistencia hace lo que su nombre indica, esto es, sujeta el transistor en CORTE cuando Vin est en una condicin marginal. Un estudio de la Figura 1-7(b) muestra que R y R2 forman un divisor de voltaje siempre y cuando la unin base-emisor no est conduciendo. El voltaje en el terminal de base es siempre ms negativo (menos positivo) que Vi. Por consiguiente, si Vio es marginal, el voltaje de base es llevado por debajo de 0,6 V por la resistencia de sujecin conectada a una fuente de voltaje negativo. Cuando Vin est en el rango de valores altos, el voltaje de base es suficiente para llevar el transistor a CON- DUCCION an con la resistencia de sujecin presente en el circuito.Ejemplo 1-2Suponga tres valores diferentes de voltaje de entrada en el circuito de la Figura1-8: (a) 0,1 V, (b) 0,6 V Y (e) 3,5 V. Para cada voltaje de entrada, calcular el voltajede base y el estado en el cual se encuentra el transistor (CORTADO o CONDU-CiENDO).Solucina. Comencemos por asumir que la unln base-emisor se encuentra polarizada in-versamente, de modo que las resistencias se encuentran efectivamente en serie.Entonces, para V. = 0,1 V,V , = (6,8 K)(2,1 V) = 1 6 VR 6,8 K + 2,2 K,donde V R , es el voltaje a travs de R 2 La cantidad 2,1 V es la diferencia de po-tencial ttal a travs de la combinacin de resistencias en serie, o la diferencia en- 25. Variantes del circuito bsico del transistor como interruptor / 9 +5 V-2 VFigura 1-8. Circuito de un transistor como interruptor con valores espec-ficos para ser usado en el ejemplo 1-2.tre los voltajes de + 0,1 Y - 2,0 V. El voltaje de base respecto a tierra puede ha-llarse por: VB= -2,OV + 1,6V = -0,4 V.De acuerdo con el divisor de voltaje, VB ser - 0,4 V. Esto indica que la umonbase-emisor est inversamente polarizada; por tanto, el supuesto original es v-lido y R) y R 2 pueden ser tratadas como resistencias en serie. Debido a que labase es negativa con respecto al emisor, el transistor est e ORT ADO, y el inte-rruptor est abierto.b. Para un valor marginal de voltaje de 0,6 V, la cada de voltaje en R 2 puede de"terminarse por v= ~,8 K)(2,6 Y) = 1 9 Y R, 6,8K+2,2KPor tanto, V B = -2,OV+1,9V= -0,1 V. Nuevamente, la unin base-emisor estpolarizada inversamente, el supuesto es vlido y R) y R 2 estn efectivamenteen serie. El transistor se encuentra EN CORTE y el interruptor abierto.c. Si el voltaje de entrada es +3,5 V, los clculos dan:v = (6,8 K)(5,5 Y) = 4 1Y R, 6,8 K + 2,2 K.Los 5,5 V en la ecuaClOn anterior corresponden al voltaje a travs de la combina-cin de resistencias, + 3,5 V a - 2,0 V. El voltaje de la base es:VB= -2,OY + 4,1 Y = +2,1 Y,lo cual es imposible. En este caso, la unin base-emisor se encontrar polarizadadirectamente y no permitir que el voltaje de base est por encima de 0,6 V, portanto, la combinacin de resistencias no puede considerarse como un circuito serie.El clculo del voltaje de base, produce un valor inaceptable porque el supuesto ini-cial es faiso. El transistor estar CONDUCIENDO, y el interruptor estar cerrado. 26. 10 / 1:1 /ransis/or como un disposl/llJo d" cur/e y so/ume/nl)Condpllsadores de Conmutacin. Para aumentar la velocidad de respuesta de los transistores como interruptor en aplicaciones donde se requiere altavelocidad de (oJ1mutacicm. se utiliza una variante como la que se muestra enla Figura 1-9. El condensador en paralelo con Rfi se denomina generalmente c()ndensad()r ele cOllmutacic;n o ace!eracirin. porque acelera el paso haciaCO:DliCCIO: o CORTE del transistor. Cuando Vin aumenta por encima del nivel cero y comienza a entregar corriente al transistor, el condensadoren un primer instante acta como un cortocircuito. dado que no puede cargarse instantneamente. Por tanto. la corriente por la base durante este primer instante de CO~DUCCIO:-; es mayor que la normal porque RH est efectivamente cortocircuitada .. Esta gran corriente de base lleva el transistor rpidamente a saturacin. Ms tarde. una eZ el condensador se ha cargado completamente. se comporta como un circuito abierto y no afecta la operacin del transistor. Cuando el voltaje de entrada cae al nivel cero para llevar el transistor a CORTE. el condensador tiende a polarizar inersamente la unin base- emisor durant.e un tiempo pequeo, porque se encuentra cargado con el + a la izquierda, como lo muestra la Figura 1-9 al instante en que Vin comienza a caer. Cuando Vin alcance el nivel cero. el terminal de entrada queda efectivamente conectado al emisor, el voltaje entre los terminales del condensador polarizan inversamente la unin base-emisor, llevando el transistor ms rpidamente a CORTE que cuandoe no existe. Una buena seleccin del condensador de conmutacin, puede reducir el tiempo de acceso a CONDUCCION o CORTE de los transistores de conmutacin a pocas dcimas de microsegundos o menos. El valor de la mayora de los condensadores de conmutacin es del orden de a 19unos cien- tos de picofaradios. Algunas veces la carga en un transistor de conmutacin, no se encuentra conectada en serie con el colector sino como se muestra en la Figura 1-10. Este mtodo es similar al utilizado para conectar una carga a un amplificador ac para pequeas seales, con la diferencia que aqu no se utiliza el condensador de acople. Es de notar que la carga es energizada cuando el transistor est en CORTE y desenergizada cuando se encuentra en+v ccRcarga Figura 1-9. Un condensador de conmutacin en paralelo con la resistencia de base. e es del orden de 100 a 1.000 pF. 27. Variantes del circuito bsico del transistor como interruptor / 11CONDUCCION. Esta situacin es opuesta a la situacin previa, en la cualla carga estaba en serie con el colector. Es importante tener bien clarasestas dos situaciones porque ambas son frecuentes. +v cc Figura 1-10. Circuito de un transistor de conmutacin con la carga conectada entre colector y tierra en lugar de conectada en serie con el colector. Interruptor Totem-pole.* En aplicaciones donde la carga tiene asociada una capacitancia (considerada en paralelo con Rw) el mtodo de la Fi- gura 1-10 no es adecuado porque produce un aument lento del voltaje en la carga despus que el transistor entra en CORTE. Esto es debido al tiempo necesario para cargar la capacitancia asociada a travs de la resistencia de colector Jlc.: A medida que aumenta el valor de la capacitancia y/o el valor de la resistencia Re, mayor ser la constante de tiempo (e Re) y mayor el tiempo de subida del voltaje en la carga. Si un tiempo de subida grande no es aceptable, el circuito a usarse es el de la Figura 1-11. El cricuito denominado Totem-pole es llamado as porque un transistor est localizado encima del otro. Para energizar la carga, TI es llevado aCONDUCCION y T 2 a CORTE; esto hace que el extremo superior de la carga quede conectado a V ee . Para desenergizar la carga. TI es llevado a CORTE y T 2 a CONDUCCION; esto hace que el extremo superior de lacarga quede conectado a tierra. Cuando el transistor est CONDUCIEN-DO, la resistencia que- presenta es nula (como se muestra en la Figura 1-11)o muy pequea, por tanto, el tiempo de subida disminuye y el efecto deretardos es prcticamente eliminado. Cuando TI CONDUCE, el extremosuperior de la carga queda conectado al positivo de la fuente. Se dice en-tonces que TI "ha llevado la carga arriba" y es llamado un transistor depull-up. T 2 es llamado un Transistor de pull-down.El circuito de entrada de la Figura 1-11 es elencrgad de nevar TIY T 2 a CORTE y CONDUCCION e impedir la CONDUCCION simult-nea de los dos transistores en el mismo instante. Si ambos entrasen enCONDUCCION, en el mismo instante, se producir un cortocircuito y oca-*Totmico, por su semejanza con los postes totmicos (N. de T.) 28. 12/ El transistor como un dispositivo de corte y saturacin Circuitode entrada Figura 1-11. Interruptor Totem-pole. En todo momento, un transistor est en CONDUCCION y el otro en CORTE.sionara el dao de al menos uno de los transistores_ Por la misma razn,los interruptores Totem-pole no pueden conectarse en paralelo como semuestra en la Figura 1-4. Si el transistor TI de un interruptor y el tran-sistor T 2 de otro interruptor son llevados a CONDUCCION en el mismoinstante se produce un cortocircuito de la fuente de alimentacin. Si lodesea, puede dibujar un par de interruptores Totem-pole con sus salidasunidas y observar que esto puede suceder.1-3APLICACIONES DEL TRANSISTORCOMO INTERRUPTOR1-3-1 Lmparas indicadoras El transistor como interruptor es usado comnmente para manejar lm-paras indicadoras. Una lmpara indicadora es aquella que-visualiza la con-dicin de un cierto punto de un circuito. Puede ser usada para mostrar queun cierto arrancador est energizado, o que un cierto interruptor de fin decarrera est cerrado, o que una cierta lnea de un circuito digital se en-cuentra en nivel alto.* Por ejemplo, la Figura 1-12(a) muestra un transistor como interruptor utilizado para visualizar la salida de un flip-flop, elemento de memoria que estudiaremos ms adelante. Cuando la salida del flip-flop es nivel alto, aproximadamente 5 V para la mayora de los flip-flops, el transistor e O N- DUCE y la lmpara se enciende. Un observador puede con slo un vistazo, darse cuenta del estado del flip-flop sin tener que recurrir a un instrumen- to para medirlo. Algunas veces la fuente de seal tiene poca capacidad de corriente, y an la corriente que toma la base del transistor que opera como interrup- El significado del trmino nivel alto ser explicado en el captulo 2. 29. Aplicaciones del transistor como interruptor / 13 +5 V+5 V Lmpara",Flip-FlopFlip-Flop1K T,Lmpara"" (a) (b) Figura 1-12. Manejo de lmparas por transistores como interruptor. (a) Directo. (b) Con un seguidor de emisor acoplado para aumentar la impedancia de entrada.tor es una carga inaceptable. En estos casos, otra va.riante del circuitobsico es utilizada, como se muestra en la Figura 1-12(b). Cuando la sali-da alcanza el nivel alto TI que est conectado como un seguidor deemisor, entra en CONDUCCION. Debido a la alta impedancia de entradainherente al seguidor de emisor, la corriente que toma del flip-flop es muypequea. La corriente de colector de TI, fluye hacia la base de T 2, elcual entra en CONDUCCION y enciende la lmpara.Indicadores digitales. El circuito de la Figura 1-12(a) es usado repetiti-vamente en aplicaciones como los Indicadores digitales. Un Indicadordigital es un medio que permite tomar un nmero binario contenido en uncircuito lgico y presentarlo de modo que sea fcilmente comprensible por;un operador y/o un observador. Como ejemplo, un contado; decada~ ...esun circuito lgico capaz de contar hasta 9; estos circuitos los estudiare-mos en detalle en el Captulo 3. El hecho importante aqu, es que el conte-nido del contador decadal no es de fcil comprensin para un operador.Esto es debido al hecho que el operador est obligado a tomar medidasde voltaje en cuatro puntos distintos del circuito para determinar su con-tenido; adems, este nmero estar en cdigo binario y debeplreS conver-tirlo a decimal. Este proceso es inconveniente y se presta para errores. Pa-ra evitar estas dificultades, los fabricantes de circuitos electrnicos handesarrollado circuitos especializados que convierten los voltajes de uncontador decadal en su nmero decimal equi valente y con capacidad paraencender lmparas y as, hacer visible el nmero. Los circuitos que reali-zan esta operacin son llamados decoder / drivers o simplemente decodi- 30. 14 / El transistor como un dispositivo de corte y saturacinLnea de Alimentacin a + 180 V. ----~r~-----------------------------------------------, Electrodos I i I I Decodi- ficador Figura 1-13. Transistores como interruptor formando la etapa de salida de un decoder/driver. Los 10 electrodos del tubo indicador estn conectados cada uno a un colector de un transistor. ticadores. La etapa final de salida de los decodificadores est formada por transistores operando como interruptor. La Figura 1-13 muestra la etapa de salida de un decodificador el cual maneja un dispositivo indicador 1 de 10 decimal, tal como un tubo Nixie.* El tubo Nixie est formado por 10 electrodos y estn hechos como los n- meros decimales del O al 9. El decodificador muestra el nmero que ha sido seleccionado encendiendo el electrodo apropiado a travs de su respectivo transistor como interruptor (El circuito seleccionador asociado al decodificador no se muestra en la Figura 1-13, slo se muestra el circuito de salida). La conexin entre el terminal positivo de la fuente y los electrodos se realiza a travs de un gas ionizado. Una resistencia limitadora de corriente, de 15 K se coloca en serie entre el terminal positivo de la fuente y el terminal positivo del tubo indicador. Otros decodificadores tienen solamente 7 transistores en lugar de 10. Estos estn diseados para ser usados con un tipo de indicador diferente, llamado indicador de siete segmentos. Un nmero se forma encendiendo una combinacin particular de los siete segmentos. La distribucin geom trica de los segmentos se muestra en la Figura 1-14. Marca registrada de Burroughs Corporation. Figura 1-14. Distribucin de los segmentos en un dispositivo indicador de siete segmentos. a d 31. Aplicaciones del transistor como interruptor / 15 Por ejemplo, el nmero 7 se forma encendiendo los segmentos a, b, y c. El nmero 6 se forma encendiendo los segmentos {, e, d, e, y g. En lo que a los transistores de salida concierne, la sola diferencia entre un indicador de siete segmentos y uno decimal (algunas veces llamado decodificador 1 de 10) es que el decodificador de siete segmentos debe tener ms de un transistor CONDUCIENDO a la vez. Esto se entiende mejor si nos refe- rimos a la Figura 1-15, la cual muestra los siete transistores de salida y su conexin con los segmentos. La resistencia de 220 rl tiene por objeto limi- tar la corriente.Alimentacin de +5 V Segmentosa;:::: b d} Decodi-ficador de sietesegmentosFigura 1-15. Transistores como interruptor formando la etapa de salidade un decodificador de siete-segmentos. Los siete segmentos se encuentranconectados a travs de resistencias a los siete transistores de salida.Los segmentos, estn hechos de diversas formas en los dispositivos in-dicadores modernos. Pueden ser filamentos incandescentes, diodos emiso-res de luz (LEDs), ligth-emiting diodes), o cristal lquido.La Figura 1-15 muestra una lnea de alimentacin de 5 V, mientras quela Figura 1-13 muestra una lnea de 180 V. Los dispositivos indicadorescubren un amplio rango de voltajes de alimentacin. Desde luego, el tran-sistor que se utilice para manejar indicadores de alto voltaje, deben sercapaces de soportarlo y por tanto, su voltaje de ruptura colector-emisordebe ser grande, dado que en todo momento el voltaje de ruptura colector-emisor debe ser mayor que el voltaje de la fuente de alImentacin.Es de notar que tanto en la Figura 1-13 como en la Figura 1-15 el ter-minal positivo de los dispositivos indicadores forman un terminal comn,mientras que su correspondiente terminal negativo va unido, por separado,a un transistor como interruptor. Esta co:lfiguracin se denomina nodo 32. 16 / El transistor como un dispositivo de corte y saturacincomn y es la configuracin que con mayor frecuencia se encuentra en laindustria. Sin embargo, existen algunos indicadores que han sido disea-dos de tal manera que el terminal comn es la unin de los terminales ne-gativos y su correspondiente terminal positivo va unido al transistorcomo interruptor y son llamados dispositivos de ctodo comn. Los trmi-nos nodo y ctodo son el resultado del hecho que la mayora de los seg-mentos son diodos (LEDs) los cuales, como sabemos, tienen nodo y c-todo. Si los segmentos son filamentos incandescentes, se utiliza la mismaterminologa aun cuando sabemos que no tienen ctodo ni nodo.Ejemplo 1-3En la Figura 1-15, cules transistores deben estar en CONDUCCION para queel indicador muestre el nmero 2? Cules deben estar en CONDUCCION para quemuestre el nmero S?Solucin. Para formar el nmero 2, los transistores que manejan los segmentos a, b,g, e, y d, deben estar CONDUCIENDO. Para formar el nmero S, todos los transis-tores deben estar CONDUCIENDO.1-3-2 Interface entre diferentes niveles de voltajeLas aplicaciones industriales de los circuitos lgicos de estado slidosern considerados en detalle en el Captulo 2, pero a modo de introduc-cin podemos decir que todo circuito de control industrial puede dividirseen tres partes. Estas tres partes son llamadas, seccin de entrada, sec-cin lgica y seccin de salida. En los sistemas industriales para unaoperacin confiable y segura, las secciones de entrada y salida deben ope-rar a voltajes altos, generalmente 115 V ac. El porqu de sta necesidadse discutir en el Captulo 2. Dado que la seccin lgica est formada pordispositivos de estado slido de bajo voltaje, tenemos que establecer unmtodo que nos permita hacer compatibles las secciones de entrada y sa-lida, operando a voltajes altos, y la seccin lgica operando a voltajes bajos.Este problema de acoplamiento de secciones diferentes entre s, se deno-mina un problema de interface, y los circuitos que hacen posible este aco-plamiento, se denominan circuitos de interface. El transistor como inte-rruptor es de uso frecuente en este tipo de circuitos.Una aplicacin del transistor como interruptor, que salta a la vista eneste momento, es su uso como energizador de un rel. La Figura 1-16 mues-tra esta aplicacin y podemos decir que es un mtodo sencillo y baratopara acoplar las secciones lgica y de salida. Una seal de bajo voltajeproveniente de una parte del circuito lgico, entrega la corriente de base ne-cesaria al transistor como interruptor, el cual al entrar enCONDUCCION,energiza la bobina del rel. El contacto del rel, el cual est aislado elc-tricamente del circuito lgico, aplicar el alto voltaje al dispositivo de "a- lida, en este caso, el solenoide de una electro-vlvula como se muestra enla Figura 1-16.El diodo en paralelo con la bobina del rel es un diodo amortiguador odiodo contra-electromotriz. Su funcin es la de cortocircuitar la fuerzacontra-electromotriz inducjda en la bobina en el instante de su desenergi-zacin. Si el diodo no existiese, la fuerza contra-electromotriz, se presen-tara como un transitorio de alto voltaje, el cual puede daar el transistor. 33. "plicaciones del transistor como interruptor / 17---~Bobinadel rel[f--___5-()V....JacCircuitoContactoSolenoide de laseccin del rel lgicaFigura 1-16. El transistor como interruptor, usado como interface entre laseccin lgica y la seccin de salida de un circuito de control. Cuando eltransistor conduce el rel es energizado y el contacto del rel hace que elsolenoide de la electro-vlvula se energice.Para interfazar las secciones de entrada y lgica, el transistor comointerruptor puede usarse como se muestra en la Figura 1-17 cuando el in-terruptor de fin de carrera se cierra, el transformador reductor se ener-giza, y hace que el rectificador de onda completa entregue corriente di.rectaa la base del transistor. El transistor entra en CONDUCCION y su voltajede colector cae a cero. Esta seal de OV es interpretada por el circuito l-gico como el cierre del interruptor de fin de carrera.Si el interruptor de fin de carrera se abre, el transformador se desener-giza, el transistor entra en CORTE, y el voltaje del colector ser VccElcircuito lgico ha sido diseado para interpretar esta seal de voltaje Vcccorrespondiendo al interruptor de fin de carrera abierto.Inte rru ptor de finHaciade carrera la seccin(seccinlgicade entrada) RI:+11010-----,Figura 1-17. El transistor como interruptor usado como parte del circuitode interface entre las secciones de entrada y lgica.En la Figura 1-17, la carga (el circuito lgico) no est conectado en se-rie con el colector sino entre ste y tierra, tal como se muestra en la Figu---ra 1-10. Este circuito es tambin un circuito de conmutacin y no un am- 34. 18 / El transistor como un dispositivo de corte y saturacinplificador convencional, puesto que el transistor en todo momento va aestar en corte o saturacin. En ningn momento, se encontrar operandoen su regin activa o lineal. Los valores de las resistencias R 1, R 2 , yRe de la Figura 1-17 deben calcularse para garantizar la operacin enconmutacin.PREGUNTAS Y PROBLEMAS 1. Si la carga en la Figura 1-2, est constituida por dos lmparas en paralelo c/ude 20 l, cul es la magnitud del voltaje de entrada necesario para llevar el transistor a CONDUCCION)2. En la Figura 1-4, Vio!" es tal que mantiene al primer transistor CONDUCIENDO, qu efecto tiene sobre la lmpara el hecho que ViO, aumente?3. En un transistor de silicio usado como interruptor, cul es el problema que se presenta si el voltaje base-emisor mide 2,5 V?4. Si entre colector y emisor de un transistor el voltaje medido es V cc y est fluyendo corriente por la base, cul es el problema que se presenta?5. Cul es el problema que se presenta en un circuito que tiene un transistor como interruptor, si el voltaje de entrada es OV y la carga est energizada?6. En aspecto de diseo, .cul es la diferencia entre un transistor de conmutacin y un transistor estndar para pequea seal?7. D tres razones prcticas por las cuales un transistor de conmutacin debe pre- ferirse sobre un transistor de pequea seal en circuitos donde el transistor se usa como interruptor.8. En trminos generales, de qu orden es la vida til de un interruptor mecnico?9. De qu orden es la vida til de un transistor como interruptor, si el circuito es un buen diseo? 10. En la Figura 1-1, Vio = V cc = 10 V, Re = 500l, Y R B = 70 K. Determinar el i3 de mnimo para que el transistor entre en saturacin. 11. En la Figura 1-1 supongamos que el valor de la resistencia de carga no es fijo. Si V io =3V, Vcc =12V, R B =10K, y i3dc=80, cul es la magnitud de la resistencia de carga que permite que el transistor entre en saturacin? Es este valor el mximo o el mnimo que puede escogerse? Explique. 12. En la Figura 1-8, asuma que R 1 = 10 K, Rz = 56 K, y el valor de la fuente negativa de voltaje es - 4 V. Si el transistor es de silicio, a. El transistor se encontrar en CORTE o en CONDUCCION para VID = +2,0 V? b. Repita el procedimiento anterior para Vio = + 0,8 V. c. Cul es la magnitud del voltaje Vio que causar incertidumbre sobre el estado de salida del circuito? PRACTICAS DE LABORATORIO SUGERIDASPRACTICA 1-1 Propsitos a. Cntruir un circuito con un transistor como interruptor y medir los niveles de los voltajes de entrada y salida para las dos condiciones de operacin. 35. Prcticas de laboratorio sugeridas / 19b. Observar la situacin impredecible que se presenta en un transistor como inte-rruptor cuando el voltaje de entrada es marginal.c. Modificar el circuito bsico del transistor como interruptor con el fin de elimi-nar toda situacin impredecible.Procedimiento a. Monte el circuito de la Figura 1-1, con los siguientes valores de las resistencias, Rc = 220 fl, R B = 10 K, V cc = 10 V, Y como voltaje de entrada V , una fuente de alimentacin dc y variable. El beta dc del transistor que se va a emplear debe conocerse. 1. Aumente Vi. hasta que el transistor entre en saturacin y mida el voltaje co-lector-emisor para este valor particular de la corriente le colector (medida deV CE(sat). 2. Cul es el voltaje de entrada necesario para saturacin del transistor? Esteste resultado de acuerdo con el calculado por la Ecuacin (1-2)? b. Disminuya gradualmente ViD hasta que el transistor entre en corte. 1. Mida V in . Corrobora esta medida lo que Ud. ya sabe acerca de los transis-tores de silicio? 2. Este valor de Vin es el valor marginal. Verifique esta condicin cambiandoel transistor por otros del mismo tipo. Por qu la situacin no es consistentesi se remplaza el transistor? 3. Agregue un diodo en serie con el circuito de base tal como se mllestra en laFigura l-6(a). Repita el Paso 2. Es la situacin del circuito consistente? Porqu? 4. Quite el diodo y monte la variante que se muestra en la Figura l-6(b). Utiliceuna fuente negativa de - 3 V y una resistencia de sujecin de 15 K. Repitael paso 2. 5. Para el circuito con la resistencia de sujecin, mida el nuevo valor mnimo deVin que produce el corte del transistor. Est este valor de acuerdo con elcalculado siguiendo los pasos del ejemplo l-2?PRACTICA 1-2 El efecto que produce el condensador de conmutacin puede demostrarse usando el circuito de la Prctica 1-1. La fuente dc variable se .remplaza por un generador de pulsos y VCE debe medirse con un osciloscopio de alta frecuencia para poder observar el efecto en el tiempo de transicin (tiempo necesario para cambiar de estado) del circuito cuando se le agrega un condensador de conmutacin. En general, el tiempo de subida de un osciloscopio debe ser como mnimo cinco veces menor que el tiempo de subida del pulso que se quiere medir para poder rea- lizar una medida de buena precisin. De todas maneras, si el transistor tiene un tiempo de transicin del orden de 200 nseg con el condensador, lo cual es razona- ble, el osciloscopio debe tener un tiempo de subida del orden de 40 nseg o menos. Un osciloscopio con un ancho de banda de 10 MHz tiene un tiempo de subida de 33 nseg, luego un osciloscopio con estas caractersticas ser adecuado., El generador de pulsos debe tener tambin un tiempo de subida de 40 nseg o menos. Los mejores resultados se obtienen para un pulso de una frecuencia de 1 MHz y un osciloscopio con tiempo de barrido del orden de 0,1 .tseg/cm. Sustituya el condensador de conmutacin por varios valores y mida los tiempos de subia y de bajada de V CEde esta manera podr observar el efecto del condensador en el tiempo de transicin del transistor como interruptor. 36. 2 El transistor COlnO lnterruptor actuando como elemento decisorio En cualquier sistema industrial, los circuitos de control reciben y procesan informacin sobre las condiciones en el sistema. Esta informacin representa hechos tales como, posiciones mecnicas de partes mviles, temperaturas en varios lugares, presiones existentes en tubos, ductos y cmaras; caudales; fuerzas ejercidas sobre dispositivos de deteccin; velocidades de desplazamiento, etc. El circuito de control debe tomar toda esta informacin emprica y combinarla con la que le suministra el operador. La informacin suministrada por el operador, usualmente proviene de un conjunto de interruptores y/o potencimetros. Esta informacin representa la respuesta deseada del sistema, es decir, el resultado esperado.Basndose en la informacin suministrada por el operador y los datos tomados del sistema, el circuito de control, toma decisiones. Estas decisiones son la prxima accin que debe ejecutar el sistema, ya sea arrancar o parar un motor, aumentar o disminuir la velocidad de un movimiento mecnico, abrir o cerrar una electro-vlvula, o an, parar el sistema completamente a causa de una condicin peligrosa.Obviamente, la decisin que toma el sistema de control no es una ela- boracin propia. Solamente es el reflejo de los deseos del diseador, quien20 37. Sistemas con circuitos lgicos / 21previendotodas las posibles condiciones de entrada, ha programado oelaborado la salida apropiada del sistema. Sin embargo, como el circuitode controlopera como lo hara su diseador, en iguales condiciones, es confrecuenciallamado circuito de toma de decisiones o decisorio, o simplemen-te circuitolgico. OBJETIVOSAl terminar este captulo, se estar en capacidad de: 1. Enumerar las tres partes de un circuito de control industrial y describir las funciones generales de cada una2. Describir cmo los rels pueden ser usados como elementos decisorios3. Distinguir entre contactos normalmente abiertos y contactos normalmente ce- rrados de un rel4. Dibujar esquemas lgicos con rels, en los que se muestren contactos conecta-dos en serie y contactos conectados en paralelo5. Describir en detalle el funcionamiento de una parte especfica de un sistema Jgico con rels6. Explicar la operacin de las cinco puertas lgicas de estado slido ms comu-nes: AND, OR, NAND, NOR y NOT7. Describir en detalle el funcionamiento de una parte especfica de un sistemalgico de estado slido8. Enumerar y explicar el funcionamiento de varios circuitos usados como etapasde entrada a un sistema lgico de estado slido9. Explicar el propsito y el funcionamiento de los amplificadores de salida usadosen sistemas lgicos de estado slido 10. Discutir las ventajas y desventajas relativas de un circuito lgico de estadoslido y de un circuito lgico de rels 110 Describir en detalle el funcionamiento de tres sistemas lgicos de estado sli-do reales: una rebajadora automtica, un anunciador de primera falla, y untaladro automtico 12. Discutir las caractersticas de las cinco familias lgicas industriales ms co-munes: RTL, DTL, HTL, TTL Y CMOS2-1 SISTEMAS CON CIRCUITOS LOGICOS El circuito de control elctrico de un sistema industrial puede dividirse en tres partes o secciones distintas a saber: (a) seccin de entrada, (b) seccin lgica y (c) seccin de salida. La seccin de entrada, algunas veces llamada seccin de adquisicin de datos en este libro, est formada por los dispositivos encargados de re- coger la informacin proveniente del operador y del sistema mismo. Algunos de los dispositivos usados comunmente como entradas son: botones pulsa- dores, interruptores de fin de carrera, interruptores de presin y fotoceldas. La seccin lgica, algunas veces llamada seccin de toma de decisiones o decisoria en este libro, es la parte del circuito que acta de acuerdo con la informacin suministrada por la seccin de entrada, toma decisiones con 38. 22 / El transistor como interruptor actuando como elemento decisoriobase en dicha informacin y enva rdenes a la seccin de salida. Los cir-cuitos de la seccin lgica son generalmente construidos con rels magn-ticos, circuitos transistorizados discretos, o circuitos transistorizados inte-grados.* Los dispositivos neumticos tambin pueden ser usados paraimplementar circuitos lgicos pero son menos frecuentes que los dispositi-vos electrnicos y electromagnticos, por esta razn, no se discutirn. Detodas maneras, los principios fundamentales de los circuitos lgicos sonnicos y universales y no interesa qu dispositivo se use para implemen-tarlos.La seccin de salida, algunas veces llamada seccin actuadora en estelibro, est formada por los dispositivos que toman las seales de salida dela seccin lgica y las convierten o amplifican a formas utilizables. Los mscomunes son: arrancadores de motores y contactores, solenoides y lmpa-ras indicadoras.La Figura 2-1 ilustra la relacin entre estas tres partes de un circuitode control.Pueden estar Pueden estar fsicamentelocalizadas en la misma cabinalocalizadas una lejos de la otraEntrada LgicaSalida (adquisicin de datos)(toma de decisiones)(dispositivos actuadores) Informacin acerca de la situacin del sistema Arrancadores de motores Usualmente rels (posiciones de dispositivos elctricos. electro-vlvulas magnticos o mecnicos. temperaturas.de sistemas hidrulicos circuitos de presiones. etc.). o neumticos. pistones. estado slido etc.Conjunto de operadores Figura 2-1. Relacin entre las tres partes de un sistema de control industrial.2-2 CIRCUITOS LOGICOS IMPLEMENTADOS CONRELES MAGNETICOS Por muchos aos, las funciones lgicas industriales, fueron implementadas casi exclusivamente con rels operados magnticamente, y an hoy en da, esta lgica goza de una amplia popularidad. En este mtodo de construc- Un circuito integrado (lC, integrated circuit) es un circuito en el cual todos los componentes (transistores, diodos, resistencias, etc.) estn construidos con base en un solo cristal de silicio. Hablaremos sobre CIs ms adelante. 39. Circuitos. lgicos implementados con rels magnticos / 23 Alimentacin(usualmente 11 5 V. 60 Hz) Contactos N.A. ;-~- --- ,-.-f - - r-- f--l=lJ-51-- .-1 ) - - 6f--L.-A -- - L_fr-D- B --- -1--"--- b..:=:=-- f--->---~8~~~~9 ~9 lalIblFigura 3-15. (al Construccin de un decodificador l de 10, donde se mue,;tran las entradas a cada puerta decodificadora. (bl Decodifictdor l de lOdonde se muestran las conexiones reales.111 128. ,, ----1 Esta m p a -1-----".dorIFCA ~~caias / ~/// Banda transportadora IFCB lalDecodificadorISde unidades Unidades ooContadorode unidades O A Ao11IFCA B B 4oClK C CO O D 6o ClIFCBoo 115 Vac 8 9O QSOLENOIDE DIRECTOR b-----D> CLKADecodificador -----==-~ll IIS dece~o--SOLENOIDE DIRECTOR de decenasO BContadoro de decenas o~ A Ao B B 4oCLK C Co O D 6oClIJooo lb) Figura 3-16. (a) Vista superior del sistema estampador. (b) Circuito de control del sistema estampador donde se muestra la operacin de los contadores, de los decodificadores 1 de JO. y del selector de 10 posiciones.112 129. Monoestables / 113 ha sido cargado en uno cualquiera de los apiladores la compuerta directora gira hacia la posicin opuesta. Las cajas que vienen por la banda son entonces enrutadas al apilador opuesto. El circuito de control trabaja como sigue. Asumamos que la compuerta directora est en rutando las cajas hacia el apilador A. Esto implica que el SOLENOIDE DIRECTOR A est energizado, lo cual significa que el flip- flap JK est DESACTIVADO. A medida que las cajas pasan por el interruptor IFCA, se cierra momentneamente su contacto N .A., lo que hace que la salida de 11 pase a nivel alto. Cuando la salida de 11 pasa a nivel bajo, entrega un flanco de bajada al contador decadal de unidades, el cual incrementa en uno su cuenta. Tal como se muestra en el dibujo, los selectores estn posicionados en 8 para las unidades y 2 para las decenas. Por tanto, la plataforma ser cargada con 28 cajas. Cuando la veintiochoava caja pasa por IFCA, el contador pasa al estado: Decenas Unidades0010 1000 En este instante, la salida 2 del decodificador de decenas pasa a nivel alto y tambin la salida 8 del decodificador de unidades pasa a nivel alto. Por consiguiente los terminales comunes de ambos IS pasan a nivel alto y de hecho las dos entradas de la NAND. Dado que la salida de la NAND pasa a nivel bajo, entrega un flanco de bajada al flip-flop. Con sus entradas J y K ambas en nivel alto, el flip-flop conmuta al estado ACTIVADO. La salida Q cae a nivel bajo, y desenergiza el SOLENOIDE DIRECTORA; simultneamente la salida Q pasa a nivel alto y energiza el SOLENOIDE DIREC- TOR B. Esto hace que la compuerta directora gire a la posicin insinuada a trazos en la Figura 3-16(a), de este modo, las cajas siguientes sern enrutadas hacia el apilador B. Entretanto, la salida de la NAND lleva el terminal CL de ambos contadores a nivel bajo. Esto los inicializa al estado 0000, como preparacin para el conteo de las cajas que irn al apilador B. Cuando los contadores son aclarados, las entradas de la N AND regresan a nivel bajo. La salida de la NAND pasa a nivel alto y as remueve la seal de nivel bajo a la entradas CL, dejando los contadores habilitados y listos para contar. Cuando se hayan cargado 28 cajas en la plataforma B, el flip-flop conmuta regresando al estado DESACTIVADO, y los contadores son de nuevo aclarados. El sistema comienza de nuevo el ciclo cargando la plataforma A. Si se manipula un tamao diferente de caja, el operador solamente po- siciona los selectores en los nmeros correspondientes. Se puede seleccio- nar cualquier nmero de cajas entre y 99.3-10 MONOESTABLES El monoestable (formalmente: multivibrador monoestable) es un circuito muy til en sistemas digitales de control industrial. Su salida pasa temporalmente a nivel alto cuando el circuito es disparado; y luego regresa a nivel bajo despus de un cierto tiempo fijo. Se utiliza un monoestable siem- 130. 114 , El transistor como interruptor en circuitos COI]memoria y contadores pre que la situacin necesite que una cierta lnea (de salida) pase a nivel alto por un momento si otra lnea (de entrada) cambia de estado. La Figura 3-17 ilustra la accin de un monoestable. Asumamos que los monoestables son disparados por un flanco de bajada en su terminal de disparo T (trigger). De hecho algunos monoestables son disparados por un flanco de subida en T, pero para simplificar consideraremos solamente monoestables disparados por flancos de bajada.Monoestable SalidaOf----I~ l? Pulso de d""," Entrada de t disparo I0--< >T I I I ~ t(a)(b) Cambio deestado de larga duracinauV(O) _ ! " -__ - -_ _..-..J"-_ _ _ _ _ _t-+-t f ---...(e) Figura 3-17. (al Simbolo de un monoestable como bloque. (b Forma, de onda de Vin y V"u! cuando el monoestable es disparado por un pulso de corta duracin. (e) Formas de onda de entrada y salida cuando el monoestable es disparado por un cambio de estado de larga duracin de la seal lgica.El smbolo de un monoestable como bloque se muestra en la Figura 3-17(a). Tiene dos salidas, Q y Q. La salida Q es el complemento de la salidaQ, tal como las salidas de un flip-flop. Cuando el monoestable es dispara-do, la salida Q pasa a nivel alto mientras que la salida Q pasa a nivel bajo.Despus de transcurrido un perodo de tiempo (denominado tiempo de en-cendido o tiempo de paso, ti) la salida regresa a nivel bajo y Q regresa anivel alto. 131. Monoestaoles / 115 Las formas de onda en la Figura 3-17(b) muestran como un monoestableacta cuando es di~parado por un pulso de corta duracin. Cuando se su-cede el flanco de bajada del pulso, el monoestable se dispara, o enciende.La salida Q pasa rpidamente a nivel alto y permanece en nivel alto por un perodo de tiempo igual a t f El tiempo de encendido t / generalmente es ajustable por medio de una resistencia o una capacitancia en el circuito. Cuando el monoestable es manejado por un pulso de corta duracin como en la Figura 3-17(b), actuar como un ensanchador de pulso; es decir, un pulso de entrada de corta duracin se convierte a la salida en un pulso de larga duracin. O podra actuar como un dispositivo de retardo; es decir, cuando un flanco de bajada se presenta en T, otro flanco de bajada se producir en Q, pero retardado un tiempo t /. O puede utilizarse para con- formar un pulso irregular, es decir, el pulso de salida de un monoestable est bien formado en lo referente a los flancos tanto de subida como de bajada, independiente de la condicin misma del pulso de entrada. Cuando un monoestable es manejado por un cambio de nivel de larga duracin como se muestra en la Figura 3-17(c), acta ms bien como un compresor o reducidor de pulso. Los monoestables frecuentemente se uti- lizan en este modo para aclarar un contador (o un flip-flop) cuando una cierta lnea cambia de nivel. Por ejemplo, algunas veces es necesario iniciar el conteo de un contador, tan pronto se suceda un cambio de nivel, pero el contador debe iniciar de cero. Si el cambio de nivel persiste despus de suponer iniciada la prxima secuencia de conteo, entonces no podemos utilizar este cambio de nivel por s mismo para aclarar el contador. Esto es debido a que este nuevo nivel mantendr el contador en el estado de ini- cializacin. Obviamente, lo que se necesita es un circuito capaz de aplicar temporalmente una seal de reinicio al contador cuando se produzca el cambio de nivel. La seal de reinicio deber entonces desaparecer a tiempo para que la prxima ronda de conteo se inicie. Un monoestable ejecuta perfectamente esta accin. Hemos asumido en este libro que los contadores (y los flip-f1ops) son ini- cializados cuando se aplica un nivel bajo a su terminal clear. El hecho que las formas de onda en la Figura 3-17 muestren un pulso de salida de nivel alto puede ser objeto de atencin. Sin embargo, hemos visto que los monoestables tienen una salida Q, la cual entrega un pulso de nivel bajo duran-= te el tiempo que la salida Q est entregando un nivel alto. La salida Qpuede ser utilizada para inicializar un contador en una situacin como ladescrita en los prrafos anteriores.Hay muchas maneras de construir monoestables, pero la manera mspopular se muestra en la Figura 3-18.Su funcionamiento es como sigue. Cuando el circuito est en reposo, T 2est CONDUCIENDO v saturado. Su corriente de base se entrega a travsde R B El colector de- T, est prcticamente a tierra, de modo que lasalida Q es nivel bajo. La -base de T 2 est a slo 0,6 V por encima de tie-rra debido a la polarizacin directa de la unin base-emisor.TI est CORTADO porque no tiene polarizacin de base. Su resisten-cia de base, R u " est conectada al colector de T 2 , el cual est a OVoPor consiguiente, Re, est completamente desconectada del emisor a tie-rra de TI, Y est libre para que por ella circule corriente de carga al con- 132. 116 / El transistor como interruptor en circuitos con memoria y contadores+ V,Re, ,-----t----+---{) Qet----+-1 -T,Figura 3-18. Diagrama esquemtico de un monoestable. densador e. Dado que e est conectado a la base de T 2, la cual est cer- cana al potencial de tierra, se cargar casi al voltaje de la fuente V sLa polaridad de la carga en el condensador e es positiva (+) a su izquierda, y negativa (-) a su derecha, tal como se muestra. Ahora, veamos qu sucede cuando un flanco de bajada se presenta en T. El inversor hace que se aplique un nivel alto al diferenciador Re, el cual aplica un pico positivo de voltaje a la base de TI Esto hace que TI entre en CONDUCCION, y que su colector sea llevado a tierra. Dado que la carga en el condensador e no puede desaparecer instantneamente, el voltaje entre placas del condensador se mantiene. Con el lado positivo ( +) del condensador llevado a O V por TI el lado negativo (-) pasa a un voltaje grande por debajo de tierra. Un voltaje negativo es pues aplicado a la base de T 2 , llevndolo a CORTE. El colector de T 2 aumenta a un valor cercano a V s y es pues capaz de entregar corriente a la base de TI Por consiguiente. TI permanece en CONDUCCION an despus que haya des~arecido el pico de voltaje del diferenciador. Q est ahora en nivel alto y Q en nivel bajo.A medida que el tiempo pasa, una corriente de carga fluye entre las placas de e. El camino de la corriente es hacia abajo a travs de R B,a travs de e, y a travs del camino colector emisor de TI hacia tierra. Como puede verse, este camino trata de cargar a e en la polaridad contraria; lo que pasa es que el voltaje a travs de e se vuelve ms pequeo. Cuando el voltaje a travs de e pasa por cero y alcanza 0,6 V en la polaridad contra- 133. Relojes / 117ria, entregar una pequea corriente a la base de T:2 Esta pequea co-rriente de base hace que fluya corriente al colector de T 2 , bajando su voltaje de colector. La reduccin del voltaje de colector de T:2 produce unareduccin en la corriente de base de TI Este cambio produce una reduccin en la corriente de colector de TI El voltaje de colector de TI aumenta ligeramente, y de este modo hace aumentar el voltaje de la base deT 2 a un valor ms alto an. Esta accin es regenerativa; una vez se comienza, se precipita. Al final, T 2 est saturada nuevamente, y TI est en CORTE. Q es nivel bajo, y Q es nivel alto, y el circuito ha regresado a su estado original.Los monoestables vienen algunas veces como circuitos integrados, y tienen el smbolo esquemtico que se presenta en la Fig. 3-17(a). Usual- mente estn provistos de terminales para que el usuario pueda conectar una resistencia y/o un condensador externos para fijar el tiempo de encendido. Los fabricantes de los monoestables integrados dan grficos en los cuales se muestra la relacin entre t f Y la magnitud de las resistencias y condensadores externos.Los monoestables estn clasificados como redisparables o no redisparables. Redisparable significa que si un segundo flanco de bajada ocurre durante el tiempo de encendido del monoestable, el pulso de salida resul- tante del primer flanco de bajada, ser ampliado ms all de su duracin normal. Asumiremos que nuestros monoestables son del tipo no redisparable; estos ignoran cualquier flanco de disparo que ocurra durante un pulso de salida. En las Secciones 3-12 y 3-14 presentaremos algunos ejemplos de utilizacin de monoestables en control industrial.3-11 RELOJESMuchas veces en circuitos digitales industriales es necesario mantener va-rios dispositivos digitales sincronizados uno con otro. En otras situaciones,un tren de pulso continuo se necesita como fuente de pulsos para un conta-dor, si el sistema no genera de manera natural sus pulsos para ejecutar sus funciones. En otros casos, lo que se requiere es un circuito el cual proporciona un flujo continuo de pulsos de flancos verticales. A dichos circuitos se les denomina relojes.La Figura 3-19(a) muestra el smbolo de un reloj como un bloque. La forma de onda de salida es una onda cuadrada. Se puede pensar tambin que es un tren de pulsos simtricos (50% duty cycle). Muchos relojes tienen una salida como esta; y algunos otros tienen un ciclo diferente del 50%.La frecuencia de salida (rata de repeticin del pulso) de un reloj, es ajustada por la magnitud :le una resistencia, un condensador, o una induc- tancia internos del circuito. En el caso de un reloj controlado por cristal, La frecuencia es determinada por el corte del cristal; los relojes controla- dos por cristal son muy estables en frecuencia. Algunos relojes tienen conectados divisores de frecuencia a la salida. Un divisor de frecuencia, toma la frecuencia de los pulsos de un reloj, la divide por un nmero entero, y produce un tren de pulsos de salida de menor frecuencia. Algunos sistemas requieren de dos o ms seales de reloj de diferente frecuencia, con el objeto de poder sincronizar adecuadamente los eventos. 134. 118 / El transistor como interruptor en circuitos con memona y contadoresReloj t Salida ! (a) Divisor de frecuencia por 2 10 kHzJ"1..J"1..JI-./ ~5 kHz Reloj ~ (b)Figura 3-19. (a) Smbolo de un reloj, como bloque. (b) Combinacin de unreloj y un divisor de frecuencia para obtener seales de diferente frecuencia.La manera ms simple para construir un reloj cuando la estabilidad dela frecuencia es un factor poco importante, se ilustra en la Figura 3-20. Noentraremos en detalles de la operacin de este circuito. Basta con decir quesi los componentes de ambos lados del circuito son iguales, la salida es+V,f - - - - - + - - - - Q V OU1Figura 3-20. Diagrama esquemtico que muestra una manera de construirun reloj. 135. ...----Sistema de llenado. automtico de recipientes que utiliza un ... / 119 una onda cuadrada y la frecuencia est dada aproximadamente por: (3-1) El funcionamiento de este circuito est explicado ampliamente en muchos libros, si esto es de inters. Si no se encuentra referencia do en el ndice bajo el nombre de reloj, puede aparecer en el ndice bajo el nombre formal, multivibrador astable.3-12 SISTEMA DE LLENADO AUTO MATICO DE RECIPIENTES QUE UTILIZA UN RELOJ Y MONOESTABLES Consideremos el sistema ilustrado en la Figura 3-21. Los cuatro recipientes se llenan a partir de un tanque cuando el.nivel de lquido caiga por debajo de su nivel inferior de referencia. Es -decir, si el nivel en el recipiente 2 cae por debajo de su nivel inferior de referencia, la vlvula 2 se abrir au- tomticamente y vuelve a llenar el recipiente 2 hasta que el nivel del lquido alcance el nivel superior de referencia. Debido a ciertas restricciones del sistema, es importante que slo un recipiente sea llenado a la vez.El circuito para controlar este sistema utiliza un reloj y varios monoes-Figura 3-21. (a) Distribucin fsica del sistema de llenado automtico derecipientes. (b) Circuito de control para el llenado automtico de recipien-tes, donde se muestra el uso de los monoestables y un reloj astable. Tanque de suministroVlvula solenoideo- o-o- o--IL superiorIL superior IL superior IL superior o-o-- o-o- IL inferiorIL inferior IL inferiorIL inferiorReci piente 1Reci piente 2Recipiente 3 Recipiente 4 (a) 136. 120 / El transistor como interruptor en circuitos con memorw y contadores115 Vac115 VacVlvula 1QTQVlvula :2051Q AS2TQVlvula 3052Q AS3TQVlvula 4053Q AS4FF5T 5 QQ054Contador R QDecodificador decadal 055 oooL-f------k>3CC CLKTBBi5 AA(b)Figura 3-21. (ConL)tables. La Figura 3-21(b) muestra dicho circuito. La abreviacin OS (one-shot), es utilizada para indicar monoestable.Veamos como trabaja. Cada recipiente tiene dos interruptores de lmi-te, uno que se cierra cuando el nivel del lquido es bajo y el otro cuando elnivel del liquido es alto.Si el nivel en todos los recipientes es satisfactorio, FF5 est DESACTI-V ADO. Su salida Q es nivel alto, de modo que la entrada 1 de la AND5, esnivel alto. El reloj est entregando una onda cuadrada a la puerta AND,de modo que la salida de la AND es tambin una onda cuadrada de la mis-ma frecuencia de la del reloj. Por consiguiente, el contador decadal estcontando en forma continua. A medida que el contador va pasando por susvarios estados, el decodificador pasa tambin por sus estados de salida. 137. Sistema de llenado c;utomtico de recipientes que utiliza un ... / 121 Es decir, primero la salida 1 pasa a nivel alto, luego la salida 2 pasa a nivel alto, mientras la 1 regresa a nivel bajo, luego la salida 3 pasa a nivel alto, mientras la 2 regresa a nivel bajo, y as sucesivamente. Sin embargo, cuando el contador pasa por 5, la salida 5 del decodificador aplica un flanco de bajada al terminal T de OS5 por la presencia del inversor. El monoestable se enciende por algunos microsegundos, y aplica un nivel bajo al terminal CL del contador. El contador inmediatamente es inicializado a cero, cuando esto sucede. El prximo pulso de conteo proveniente de la AND5 har que la cuenta del contador pase de O a 1, dado que la seal de aclarado desapareci antes que el pulso llegara. Este es un ejemplo de como un monoestable puede ser utilizado para reiniciar un contador y luego remover la seal de aclarado a tiempo, para el prximo pulso; esta aplicacin se sugiri en la Seccin 3-10. Por tanto, el contador cuenta continuamente a travs de los estados O a 4; cuando alcanza el estado 5, permanece en este estado solamente por el tiempo necesario para que la seal de aclarado reinicie el contador a O. La salida 1 del decodificador habilita parcialmente la ANDl. La salida 2 del decodificador habilita parcialmente la AND2, y as sucesivamente. Las puertas AND 1 a 4 son habilitadas parcialmente en sucesin a medida que el decodificador pasa por sus estados. Si uno de los interruptores de lmite de nivel inferior se cierra, la puerta AND que controla, queda habilitada completamente. Por ejemplo, supongamos que el interruptor de lmite de nivel inferior del recipiente 3 se cierra. Entonces, tan pronto la salida 3 del decodificador pasa a nivel alto, la salida de la AND3 pasa a nivel alto. Esto hace que se aplique un nivel alto a la entrada S de FF3, el cual se ACTIVA La salida Q de FF3 energiza AS3, el cual abre la vlvula 3 y el recipiente vuelve a llenarse. Simultneamente, la salida Q de FF3 aplica un nivel alto a la entrada 3 de la puerta ORl. Esto hace que la puerta OR aplique un nivel alto a la entrada S de FF5, y ste se ACTIVA Cuando Q de FF5 pasa a nivel bajo, la AND5 es inhabilitada y el contador no recibe ms pulsos. Por tanto, el contador queda "congelado" en este estado.A medida que el lquido en el recipiente 3 aumenta, el interruptor de l-mite se abre, inhabilitando la AND3 y remueve el nivel alto .de la entradaS de FF3. El flip-flop permanece ACTIVADO debido a su condicin de me-moria. El recipiente 3 contina llenndose hasta que el interruptor de lmi-te de nivel superior se cierra. Esto hace que se aplique un nivel alto a laentrada R de FF3, haciendo que ste se DESACTIVE. Cuando la salida Qpasa a nivel bajo, cierra la vlvula 3 e inhabilita la ORl. Por tanto, se re-mueve el nivel alto de la entrada S de FF5. Tambin el paso de Q de FF3a nivel bajo, produce un flanco de bajada, el cual se aplica a la entradade disparo de OS3, y ste se enciende. La salida Q de OS3 pasa a nivelalto por algunos microsegundos, habilitando la OR2. La salida de OR2pasa temporalmente a nivel alto y aplica un nivel alto a la entrada R deFF5. El flip-flop se DESACTIVA, y su salida Q regresa a nivel alto. Cuandoesto sucede, los pulsos de reloj son nuevamente enviados a travs de lapuerta al contador, y contina la cuenta a partir del estado en que se ha-ba detenido.Si consideramos el problema del reinicio de FF5 cuando se haya com-pletado la operacin de llenado, veremos porqu son necesarios los mono- 138. 122 / El transistor como interruptor en circuitos con memOria y contadorel> estables 1 a 4. La OR2, l~ cual inicializa FF5, no puede ser manejada di- rectamente por la salida Q de los flip-flops 1 a 4. En este diseo, ~uando uno cualquiera de los flip-flops se ACTIV A, las otras tres salidas Q man- tendrn la entrada R ele FF5 en nivel alto, lo cual evitara en todo momen- to que FF5 pasara al estado ACTIVO, de modo que el circuito no trabajara. En lugar de esto, es necesario aplicar temporalmente un nivel alto a la entrada R de FF5 cuando uno cualquiera de los flip-flops 1 a 4 se DESACTI- VE. La mejor manera de hacerlo es por medio de monoestables.3-13 CONTADORES REGRESIVOS Y CODIFICADORES 3-13-1 Contadores decadales regresivos Los contadores que se discutieron en las secciones precedentes, todos cuentan de manera progresiva. Es decir, siempre que se reciba un pulso, la cuenta se incrementa en uno. En muchas situaciones de control industrial, es muy til disponer de un contador que puede contar de manera regresi- va. Es decir, cada vez que se reciba un pulso, el nmero almacenado en el contador, es decrementado en uno. Este tipo de contador es especialmente til cuando se desea que se produzca una seal de salida despus de un cierto nmero preestablecido de pulsos y tambin para producir otra seal de salida adelantada a un nmero fijo de pulsos. En la Seccin 3-15 veremos un ejemplo de un contador regresivo utilizado de esta manera. La Figura 3-22(a) muestra, en forma esquemtica, un contador decadal regresivo. Su funcionamiento es similar al del contador decadal progre- sivo, salvo que cuenta de manera descendente. Cuando su contenido es cero, el prximo pulso de entrada lo enva al estado 9 (D CEA = 1001). El contador regresivo, adems de las salidas, tiene entradas A, E, C y D para poder inicializar con un nmero el contador. Cuando el terminal de entrada LOAD pasa a nivel bajo, el nmero, codificado en BCD, que aparece en las entradas A, E, C y D es inicializado o cargado en el contador. Du- rante la carga, es ignorado cualquier pulso que se presente en el terminal CLK. Cuando el terminal LOAD regresa a nivel alto, las entradas A, E, C y Dson inhabilitadas, y los pulsos en el terminal CLK decrementarn el conte-nido del contador.La Figura 3-22(b) presenta los estados de salida del contador regresivopara 10 pulsos sucesivos de entrada y asumiendo que el contador fue inicia-do con 9. Si el contador hubiese sido inicializado en un nmero menor,naturalmente alcanzar el estado O en un menor nmero de pulsos. Cuandoalcanza el estado O, el prximo pulso de entrada lo enviar de regreso alestado 9.Algunos contadores pueden contar en una cualquiera de las maneras,ascendente o descendente. Se les denomina contadores progresivos/regre-sivos y tienen una entrada especial de control, la cual se utiliza para indi-carle en qu sentido se desea la cuenta.Los contadores regresivos pueden conectarse igual que los contadoresprogresivos. Un contador regresivo para conectarse en cascada tiene unasalida especial la cual le indica al contador vecino cuando se pasa de 0000 139. Contadores regresivos y codificadores/ 123PulsosSalida delContador decontadordecadal B entrada D CAregresivo Inicial 1 OO 1CLK1 1 OO O 2 O 11 1O O 3 O 11 OC C 4 O 1O 1m"d" { B B} S""" 5O 1O OA A 6O O1 1Load7O O1 O8O OO 1 19O OO O 101 OO 1(a)(b)Figura 3-22. (al Smbolo de un contador decadal regresivo, como bloque.(b) Estado del contador despus de cada pulso

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