Comprender el principio de funcionamiento de un generador de señal digital y como calcular sus parametros y observar la estabilidad de sus parametros.
Introducción Teórica
El circuito integrado LM555 es un dispositivo de alta estabilidad diseñado para crear retardos de tiempo y osciladores. Posee terminales adicionales que permiten dispararlo y resetearlo. Estas funciones se activan en el modo descendente de la señal.
Tanto el tiempo de retardo como la frecuencia de oscilacion son determinadas por componentes externos como el capacitor y el resistor.
El LM555 es un circuito integrado que incorpora dentro de si dos comparadores de voltaje, un flip flop, una etapa de salida de corriente, divisor de voltaje resistor y un transistor de descarga.
Dependiendo de como se interconecten estas funciones utilizando componentes externos es posible conseguir que dicho circuito realice un gran numero de funciones tales como conseguir que dicho circuito funciones como un multivibrador astable o un circuito monoestable.
- Distribución de terminales
Pin 1: Terminal Tierra o terminal común.
Pin 2: Terminal de disparo o Trigger. Aplicando un voltaje menor que 1/3 de VCC el comparador cambia de estado, hace set al flip flop y este a su vez hace que el voltaje sea alto. Cuando el voltaje de salida esta alto el transistor de descarga esta en 0.
Pin 3: Terminal de salida del Circuito Integrado.
Pin 4: Preset. Aplicando un voltaje bajo se consigue interrumpir el intervalo temporizador (timing cycle).Pin 5: Voltaje de control. El voltaje conectado a este terminal varia los valores de referencia, 2/3 Vcc y 1/3 Vcc, de los comparadores del circuito.
Pin 6: Umbral (Threshold). Cuando se le aplica un voltaje mayor a 2/3 de Vcc se hace reset del flip flop haciendo asi que la tension de salida baje. Cuando el Vo de salida esta bajo el transistor de descarga esta funcionando.
Pin 7: Transistor de descarga. Cuando se activa este transistor hay un paso de baja resistencia entre las patas 7 y 1.
Pin 8: Terminal Vcc. Es la entrada de alimentacion del Circuito Integrado.
Desarrollo de la practica
Para el desarrollo de la practica se utilizaran los siguientes materiales:
- 1 circuito Integrado LM555
- 1 Led
- 1 Resistor de 1 KΩ
- 1 Resistor de 270 Ω
- 1 Resistor de 560 Ω
Circuito armado en la protoboard
Luego de calcular un astable utilizando el LM555 para una frecuencia de 1KHz y un ciclo de trabajo de 40%. Obtuvimos la siguiente señal con una frecuencia de 1,059 KHz y un ciclo de trabajo de 56,4%, por lo tanto hay un error del 16,4% debido a que en los calculos no se tuvo en cuenta el valor de las resistencias comerciales.
La siguiente señal se obtuvo entre los terminales 1 y 6. Alli se puede observar el Threshold o Umbral del capacitor o la carga y descarga del capacitor.
Diagrama de tiempos
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| Señal en "Amarillo" es OUT Señal en "Celeste" es Threshold o Umbral |
Oscilador de Cristal
El anterior es el circuito equivalente a un oscilador de cristal.
R es la resistencia serie efectiva, L y C son la inductancia y la capacidad del Cristal. CP es la derivacion de la capacidad devido a los electrodos de cristal.
El grafico anterior muestra la frecuencia de reactancia del cristal.Cuando un cristal opera con resonancias serie se comporta como resistivo puro y las reactancia del capacitor e inductor son iguales (XL = XC).
La frecuencia de resonancia en serie se calcula con la siguiente ecuacion:
Cuando el cristal esta operando en resonancia paralela se comporta como inductivo. La frecuencia de operacion en este modo es definida por la carga del cristal. El creador del cirstal debe especificar su carga CL para el modo de resonancia en paralelo en los cristales. En este modo la frecuencia de oscilacion es calculada con la siguiente ecuacion:
En el modo de resonancia en paralelo, el cristal puede oscilar en cualquier punto de la pendiente Fs - Fa que aparece mas arriba, variando la carga en el cristal. Todos los circuitos de osciladores cristales MX-COM son recomendados para ser utilizados en el modo de resonancia en paralelo.
Este circuito muestra el diagrama de circuito ideal para un oscilador de cristal. En este tipo de configuracion se espera que el cristal oscile en el modo de resonancia en paralelo.
Los capacitores C1 y C2 forman la capacidad del cristal. La capacidad de carga optima de un cristal es dada por el fabricante del cristal. Pero se puede calcular C1 y C2 con la siguiente ecuación:
Oscilador de Puente de Wien
En electrónica un oscilador de puente de Wien es un tipo de oscilador que genera ondas sinusoidales sin necesidad de ninguna señal de entrada. Puede generar un amplio rango de frecuencias. El puente está compuesto de cuatro resistencias y dos condensadoresLa frecuencia de oscilación está dada por:
La clave de la baja distorsión de esta oscilador es una efectiva estabilización de amplitud. La amplitud de los osciladores electrónicos tienden a aumentar hasta que la señal es recortada o se alcanza alguna limitación de ganancia. Esto lleva a una distorsión de los armónicos de frecuencias altas, lo que en la mayoría de los casos es un efecto indeseado.
Hewlett usó una lámpara incandescente en la realimentación del oscilador para limitar la ganancia. La resistencia de las lámparas incandescentes (así como otros elementos similares que producen calor) aumenta a medida que su temperatura aumenta. Si la frecuencia de oscilación es significativamente superior que la constante térmica del elemento que produce calor, la potencia irradiada será proporcional a la potencia del oscilador. Debido a que los elementos que producen calor son cuerpos negros, estos siguen la Ley de Stefan-Boltzmann. La potencia irradiada es proporcional a T4, por lo que la resistencia aumenta a una mayor proporción que la amplitud de la señal. Si la ganancia es inversamente proporcional a la amplitud de la oscilación, la ganancia del oscilador alcanza un estado estable en dónde opera como un amplificador de clase A casi ideal, logrando de esta manera una baja distorsión.
Condición de oscilación
La relación entre la resistencia de realimentación y la resistencia de entrada es:
donde Ad es la ganancia del operacional, Rf es la resistencia de realimentación y Ri es la resistencia de entrada.
Las ecuaciones básicas para obtener estas especificaciones son:
Cálculos
| C | Ra | Rb |
| 1nF | 576KΩ | 288KΩ |
| 10nF | 57,6KΩ | 28,8KΩ |
| 100nF | 5,76KΩ | 2,88KΩ |
| 1mF | 576Ω | 288Ω |
| 10mF | 57,6Ω | 28,8Ω |
| 100mF | 5,76Ω | 2,88Ω |
Conclusiones
El LM555 es un astable con varias configuraciones y alta estabilidad en valores mayores a 5v.
Se pudo comprobar que a valores menores de 5v la frecuencia no se mantiene constante.
Se pudo observar tambien al colocar el osciloscopio entre las patas 1 y 6 (Masa y Threshold respectivamente) se podia visualizar el ciclo de carga y descarga del capacitor.
Cuando el capacitor se carga el threshold toma valores por encima del 0, pero en cambio cuando el capacitor se descarga, el threshold o umbral toma valores mayores a 0.
En la practica, al sacar los calculos para 1kHz no se pudo observar al led parpadear ya que parpadeaba a 1000 veces por segundo, en cambio a 1Hz tendria que parpadear 1 vez por segundo.
