U NIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERIA DE SISTEMAS LABORATORIO DE CIRCUITOS DIGITALES

LABORATORIO 1: LED’s y Puertas Lógicas.

Profesor: Ing. Oscar Casimiro Pariasca

I. OBJETIVO:

1. Verificar el funcionamiento de los diodos led. 2. Verificar la tabla de verdad de puertas lógicas básicas.

II. MATERIALES y EQUIPO :

- Diodos LED x 4, Resistencias x 4 → R=120 ohm, ¼ watt; - CI. TTL: 7400, 7402, 7404, 7408, 7432, 7486 - Protoboard. Alambre UTP o AWG No. 22 diferentes colores; pelador de alambre; alicate de punta - Fuente de Voltaje C.C. regulada de 5 Voltios; Multímetro.

III. FUNDAMENTO TEORICO

- Diodos LED: Los diodos LED (Light-Emitting Diode) son dispositivos sencillos y muy económicos, son diodos semiconductores que emiten luz cada vez que se les aplica un voltaje de polarización directa entre sus terminales. Su fabricación se lleva a cabo mediante la unión de dos semiconductores, uno de tipo P y otro de tipo N. El terminal que sale del semiconductor tipo P se denomina ánodo (A) y el terminal que sale del semiconductor tipo N, cátodo (K).

El voltaje de polarización directa va desde 1,8 hasta 3,8 voltios aproximadamente (lo que está relacionado con el material de fabricación y el color de la luz que emite). Valores típicos de corriente directa de polarización de un led corriente están comprendidos entre los 10 y los 40 mA.

Se emplean como indicadores visuales capaces de reflejar el nivel lógico presente en las señales de entrada y salida del circuito digital bajo prueba.

Todo diodo LED tiene que llevar asociado en serie una resistencia para limitar la corriente que pase por él. Sin esta resistencia, el diodo LED podría quemarse. Veamos ahora como se conecta mediante la siguiente imagen:

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Otro problema que se nos presenta, es calcular la resistencia adecuada para nuestro LED. Esto es algo muy sencillo, usaremos la Ley de Ohm:

R=V CC−V fI f

Dónde: R es la resistencia limitadora. Vcc es la tensión de alimentación. Vf es la tensión típica de alimentación del diodo LED. If es la corriente típica del diodo LED.

Por ejemplo, tenemos una fuente de voltaje de +5 Vcc y queremos poner un diodo LED rojo conVf = 2V y If = 30mA. La resistencia limitadora R será:

R=(5V−2V )/(30 x10−3 A)=100ohm

R = 100Ω usando un valor estándar de resistencia.

Otra dato importante a calcular es la potencia que se disipará en la resistencia. Este dato tenemos que tenerlo en cuenta a la hora de elegir la resisten:

PR=¿

En nuestro ejemplo:

PR=(5V−2V ) x30 x 10−3 A=90mW

Usando una potencia estándar de resistencia y superior a la calculada, elegimos: 1/4W. Esta potencia nos permite mucho margen de trabajo.

A la hora de pedir la resistencia de nuestro ejemplo en alguna tienda lo haremos con los datos de 100Ω y 1/4W.

Tenemos que tener en cuenta, que no todos los diodos LED's tiene las mismas características, por lo que no tendrán la misma resistencia limitadora.

- Puertas Lógicas Básicas:

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IV. CUESTIONARIO PREVIO

1. Explique la ley de OHM. Indique la diferencia entre un circuito serie y un circuito paralelo. ¿Cómo se calcula la corriente en estos circuitos, si se conoce el valor de la fuente de voltaje y de las resistencias? Explique con ejemplos.

 La ley de ohm

Se aplica a los circuitos eléctricos o electrónicos. Primero definamos un par de conceptos.Intensidad: Se mide en ampere, es la cantidad de electrones que pasan por un conductor Resistencia: Es la oposición al paso de la corriente, se mide en ohm.Tensión o voltaje: Es la fuerza con la que circulan los electrones por el conductor se mide en volt.

La ley de ohm dice que mientras más intensidad circula por el circuito, menor resistencia hay. En viceversa, si circula poca intensidad habrá una resistencia elevada.

Las formulas son las siguientes:

V=I∗RR=V /I

El valor de la corriente eléctrica se calcula con la siguiente formula:

I=V /R

Circuito en Serie:

El circuito en serie es cuando se unen los polos del mismo signo ósea + con + y - con - es la forma más rápida como podemos saber, es decir se suma el amperaje; además si se daña una resistencia las otras no funcionan. También en el circuito en serie se dividen el voltaje por igualdad pero al retirar alguno el voltaje es doble.

Circuito en Paralelo:

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La diferencia en el circuito en paralelo es que cada resistencia funciona independientemente a las otras, ósea no importa que haiga interrupción porque de todas manera queda funcionando, pero también en el circuito en serie reciben el mismo voltaje mas no se reparte.

CIRCUITO SERIE CIRCUITO PARALELO

Corriente I 1=I 2=¿ I 1=V /R1 I 2=V /R2…¿ I 1+ I 2+…

Resistencia RT=R1+R2+… R1=V /I 1 R2=V /I 2

Voltaje V 1=I∗R1V 2=I∗R2VT=V 1+V 2. .

V 1=V 2=V 3=VT

2. Explique que tipo de materiales existen clasificados por su conductividad eléctrica. ¿Qué son semiconductores tipo P y tipo N?Clasificación de los materiales por su conductividad  ·         CONDUCTORES

Esquema de la estructura interna de un material conductor

Son materiales que conducen la corriente eléctrica con facilidad. Generalmente son metales (cobre, aluminio...). Los metales son materiales sólidos constituidos por un bloque interior muy compacto, formado por núcleos atómicos, rodeados por una especie de «nube» de electrones. Los electrones que configuran esta nube se encuentran desligados de sus átomos, es decir, se trata de electrones « libres » que pueden moverse fácilmente. Esta facilidad de movimiento es la razón por la que los metales son buenos conductores de la corriente eléctrica, pues los electrones se pueden desplazar fácilmente a través de ellos.

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 ·         AISLANTES

Esquema de un material aislante

Son materiales que no conducen la corriente eléctrica, es decir, no permiten que los electrones se desplacen a través de ellos. Esto se debe a que en estos materiales todos los electrones se encuentran fuertemente ligados a sus átomos respectivos, ya que forman parte de los enlaces atómicos que configuran su estructura interna. En consecuencia, los electrones no se pueden mover, es decir, no existen electrones libres, y esto impide que pueda pasar la corriente eléctrica a través del material aislante.

 ·          SEMICONDUCTORES

Esquema de un material semiconductor

Los materiales se comportan de modo diferente según su capacidad para transportar la corriente eléctrica. Basándose en este comportamiento, los diferentes tipos de materiales existentes se pueden clasificar en conductores, aislantes y semiconductores, que constituyen la base de los dispositivos electrónicos.

Son materiales que presentan unas características intermedias entre los conductores y los aislantes. En condiciones normales son aislantes y no dejan pasar la corriente eléctrica, pero bajo ciertas circunstancias, si reciben energía externa, pueden pasar a ser conductores. Los materiales semiconductores pueden ser intrínsecos o extrínsecos. 

Semiconductor tipo P:

Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos).

Cuando se añade el material dopante libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material

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aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos.

Semiconductor tipo N:

Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones).

Cuando se añade el material dopante, aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante, ya que da algunos de sus electrones.

3. En el caso de los diodos LED, explique cuándo están polarizados directamente y cuándo están polarizados inversamente. ¿En qué caso emiten luz visible?

El diodo LED es un dispositivo electrónico de dos terminales, llamados ánodo y cátodo, que se caracteriza porque cuando se alimenta con el voltaje adecuado es capaz de emitir luz.

Así, si se conecta el ánodo (+) al polo positivo de la pila y el cátodo (-) al polo negativo (polarización directa) entonces el dispositivo emite luz. En caso contrario, es decir, si conectamos el LED al revés el diodo se comporta como un interruptor abierto, la corriente no pasa y no hay emisión de luz. Esto es lo que se conoce como polarización inversa.

El ánodo se puede identificar porque corresponde a la patilla más larga y el cátodo a la más corta. También se puede ver una muesca plana que identifica el terminal cátodo.

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4. Defina una resistencia eléctrica y presente el código de colores para representar su valor en ohm.

Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica.

5. De qué partes está constituida una fuente de alimentación CC. y cómo funciona? (Presente ejemplos, indicando sus características)

En electrónica, una fuente de alimentación es un dispositivo que convierte la tensión alterna de un suministro, en una o varias tensiones, prácticamente continuas, que alimentan distintos circuitos de aparatos electrónicos a los cuales se conectan (ordenador, televisor, impresora, router, etc.).

Clasificación de las fuentes

Básicamente existen dos tipos de fuentes de alimentación, las lineales, que utilizan un transformador para disminuir el nivel de tensión en la red eléctrica al nivel necesario en nuestro circuito y las fuentes conmutadas que utilizan circuitos basados en transistores y bobinas trabajando en conmutación para reducir la tensión. Las ventajas de la fuente de alimentación lineal es su sencillez y que generan menos ruido electromagnético, las desventajas son su mayor tamaño y su menor eficiencia (disipan más energía en forma de calor que las fuentes conmutadas).

En nuestro caso la fuente realizada es una de tipo lineal.

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Diagrama a bloques de una fuente de alimentación:

1. Red eléctrica.Está formado por el enchufe, borneras o cualquier dispositivo físico, que nos permite conectar nuestra fuente de alimentación a la red eléctrica que tiene corriente alterna.

2. FusibleEs un dispositivo que cuando la corriente que circula por él es superior a su corriente nominal se funde interrumpiendo el suministro de corriente. El parámetro básico que necesitamos calcular para seleccionar nuestro fusible es la corriente nominal.

3. Transformador.Dispositivo electrónico que nos permite transformar una tensión alterna de entrada en una tensión alterna de salida de distinto valor. La principal ventaja que tienen los transformadores es su alto rendimiento.

4. RectificadorPara poder transformar esta corriente alterna en continua utilizamos un circuito basado en diodos semiconductores al que denominamos rectificador.

5. FiltradoSe llama filtro a un circuito que convierte corriente continua pulsante en corriente continua casi 100% pura o filtrada.

6. Regulación

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Un regulador o estabilizador es un circuito que se encarga de reducir el rizado y de proporcionar una tensión de salida de la tensión exacta que queramos. El LM317 es un regulador de tensión ajustable de tres terminales capaz de suministrar más de 1,5 A en un rango de entre 1,2 hasta 37 Voltios. Es uno de los primeros reguladores ajustables de la historia.

6. Muestre los símbolos eléctricos de un interruptor, un conmutador y un pulsador (NO, NC). ¿Para qué se utilizan?En el gráfico adjunto explique el funcionamiento de cada uno de los interruptores mostrado

Los interruptores, pulsadores y conmutadores son dispositivos eléctricos, electrónicos o mecánicos diseñados para interrumpir o desviar el paso de la corriente eléctrica u otras señales en un circuito eléctrico.

SPST: Interruptor con un solo interruptor normal (Single Pole Single Throw)

Los contactos del interruptor pueden estar "normalmente abiertos" o "normalmente cerrados", es decir, cuando la bobina está en reposo y no está siendo energizada (sin corriente que fluye a través de ella), los contactos del interruptor reciben la designación NO o NC. En un circuito abierto no pasa corriente, como en un interruptor de luz en la pared de tu casa, en una posición donde la luz está apagada. En un circuito cerrado, los contactos del interruptor de metal se tocan entre sí para completar el circuito y permitir que la corriente fluya, similar a lo que ocurre al presionar un interruptor en la posición "encendido". Cuando se aplica un voltaje a través de la bobina, se crea un campo electromagnético que atrae a una palanca en el interruptor, haciendo que establezca o rompa el contacto en el circuito (dependiendo de si el diseño es NO o NC). Los contactos de los interruptores permanecen en este estado hasta que se elimine la tensión de la

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bobina. El diagrama muestra una configuración de "un solo toque unipolar", denominada SPST (por sus siglas en inglés). Esto es similar a un interruptor de corriente de una casa. Con un solo toque del interruptor SPST cierras el circuito

SPDT: Interruptor con un solo conmutador de dos vías (Single Pole Double Throw)

Una configuración de toque doble unipolar (SPDT, por sus siglas en inglés) conmuta un polo común a otros dos polos, alternando entre ellos. Como se muestra en el diagrama esquemático, el punto E común completa un circuito con C cuando la bobina del relé está en reposo, es decir, no se le aplica voltaje. Este circuito está "cerrado". Una brecha entre los contactos del punto E y D crea un circuito "abierto". Cuando se aplica energía a la bobina un nivel de metal es empujado hacia abajo, cerrando el circuito entre los puntos E y D y abriendo el circuito entre E y C. Un relé de toque doble unipolar se puede utilizar para alternar a qué circuito se le enviará una señal de tensión

DPST: Interruptor con dos interruptores normales (Double Pole Single Throw)

El interruptor de doble polo y tiro simple (DPST, por sus siglas en inglés) se usa más comúnmente en los paneles de energía. Un interruptor de circuito doble es un interruptor DPST. Este tipo de interruptores usa un mecanismo para conectar o desconectar dos cables o circuitos. Los interruptores DPST son usualmente usados para circuitos que operan a 30 amperios o más. Las estufas, secadoras y las bombas de calor son algunos dispositivos comunes que requieren de un interruptor DPST. El uso de este tipo de interruptores evita que cualquier corriente alcance el dispositivo de carga, lo que permite que el dispositivo sea atendido de forma segura.

DPDT : Interruptor con dos conmutadores de dos vías (Double Pole Double Throw)

DPDT consta de dos interruptores separados que operan al mismo tiempo, cada uno con un contacto normalmente abierto y normalmente cerrado a través de un conector común. Cada uno de los dos contactos del interruptor se puede encaminar de diferentes maneras, dependiendo de la posición del conmutador. Un ejemplo de los cuales es un interruptor de mini palanca o un conmutador mediante un pulsador o control de tracción.

Un DPDT se puede utilizar en cualquier aplicación que requiera un sistema de cableado NO (normalmente abierto) y NC (normalmente cerrado), un ejemplo del cual es el modelado de ferrocarril o modelo de ferrocarriles. DPDT puede ser utilizado en tales casos para el control de bloqueo debido a la facilidad y la flexibilidad de cableado, así como el voltaje de la bobina y las capacidades de amperaje de la bobina.

7. Funciones y circuitos lógicos básicos. Tabla de verdad de una función lógica.

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Dibujar símbolos lógicos alternativos (Norma Standard y Norma IEC) y la tabla de verdad para cada uno de los circuitos lógicos básicos: NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR

PUERTA OPERACIÓN TABLA DE VERDAD

NORMAL ESTÁNDAR

NORMAL IEC

And

Producto

c=a∗b

a*b c0 00 11 0I l

000 l

PUERTA OPERACIÓN TABLA DE VERDAD

NORMAL ESTÁNDAR

NORMAL IEC

Or

Producto

c=a+b

a*b c0 00 11 0I l

011 l

PUERTA OPERACIÓN TABLA DE VERDAD

NORMAL ESTÁNDAR

NORMAL IEC

Not

Producto

b=a

a b01

10

PUERTA OPERACIÓN TABLA DE VERDAD

NORMAL ESTÁNDAR

NORMAL IEC

Nor

Producto

c=a+b

a*b c0 00 11 0I l

100 0

PUERTA OPERACIÓN TABLA DE VERDAD

NORMAL ESTÁNDAR

NORMAL IEC

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Nand

Producto

c=a∗b

a*b c0 00 11 0I l

111 0

PUERTA OPERACIÓN TABLA DE VERDAD

NORMAL ESTÁNDAR

NORMAL IEC

Xor

Producto

c=ab∗ab

a*b c0 00 11 0I l

011 0

8. Concepto de Señal analógica y señal digital.

La señal digital:

Es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético en que cada signo que codifica el contenido de la misma puede ser analizado en término de algunas magnitudes que representan valores discretos, en lugar de valores dentro de un cierto rango. Por ejemplo, el interruptor de la luz sólo puede tomar dos valores o estados: abierto o cerrado, o la misma lámpara: encendida o apagada. Esto no significa que la señal físicamente sea discreta ya que los campos electromagnéticos suelen ser continuos, sino que en general existe una forma de discretizar unívocamente.

La señal analógica: Es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético y que es representable por una función matemática continua en la que es variable su amplitud y periodo (representando un

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dato de información) en función del tiempo. Algunas magnitudes físicas comúnmente portadoras de una señal de este tipo son eléctricas como la intensidad, la tensión y la potencia, pero también pueden ser hidráulicas como la presión, térmicas como la temperatura, mecánicas

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