Practica No 1 - Electrónica Digital II. Prof.Zulay Franco (Unexpo

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Monoestables
y Astables
3.1 Introducción
3.2 Monoestable
Es un circuito electrónico capaz de generar un pulso lógico en alto o en bajo a través de
su salida (Q). El tiempo de duración del pulso Tw, está determinado por un circuito RC. Para
activar el pulso, el circuito dispone de una entrada, generalmente denominada disparo. En la
figura 3.1, se ilustra la configuración externa de un monoestable, algunos fabricantes
proporcionan la salida negada de (Q).
R
C
Q
Disparo
Q
Figura 3.1. Configuración Externa de un monoestable.
Este circuito almacena indefinidamente un estado lógico, bien sea el cero ó el uno
lógico, de allí su nombre de monoestable, en este estado permanece indefinidamente hasta que
se produzca el disparo.
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Si bien hay curvas para el cálculo del tiempo de temporización Tw, este se puede calcular
con mayor precisión empleando la expresión:
Tw = KRC
(1)
La constante K es suministrada por el fabricante y en algunos casos se puede calcular.
La entrada de disparo puede ser por flanco de subida o por flanco de bajada.
figura 3.2 se puede observar el diagrama de tiempo de la respuesta del monoestable.
Disparo
Disparo
Salida
Tw
Salida
a)
Tw
b)
Figura 3.2. Respuesta del monoestable. a) Activado por flanco de subida. b) Activado por
flaco de bajada.
3.3 Clasificación de los monoestables
Los monoestables se clasifican en no redisparable y redisparable. Los monoestables no
redisparable son aquellos monoestable que comienza su temporización ( Tw ) una vez sea
activada su entrada de disparo y su salida se encuentra en su estado estable. En la figura 3.3 se
muestra la salida de un circuito monoestable no redisparable con la entrada de disparo activa
por flanco de subida y el estado estable de la salida es el cero lógico.
1
2
3
Disparo
Salida
Tw
Tw
Figura 3.3. Respuesta del monoestable no redisparable disparado por flanco de subida.
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En el punto 1 de la figura 3.3, se observa que cuando se tiene un flanco de subida en la
entrada de disparo del monoestable y la salida del circuito se encuentra en su estado estable
(Q=0), la salida del circuito se coloca en su estado inestable (Q=1) durante un tiempo Tw.
En el punto 2 se observa que si durante este tiempo tw ocurre un flanco de subida en su
entrada de disparo, el circuito hace caso omiso a este flanco y no comienza de nuevo la
temporización Tw,
En el punto 3 se observa que se comienza una nueva temporización, tw, ya que la salida
del circuito se encuentra en su estado estable ( Q=0) y ocurre el flanco de subida.
Los monoestables redisparable son aquellos monoestable que comienza su
temporización ( Tw ) cada vez que se active su entrada de disparo, sin importar si la salida se
encuentra en su estado estable ó inestable.
En la figura 3.4 se muestra la salida de un circuito monoestable redisparable disparado
por flanco de subida y el estado estable en la salida es el cero lógico.
1
2
3
Disparo
Salida
Tw
Figura 3.4. Respuesta del monoestable redisparable disparado por flanco de subida.
En el punto 1 de la figura 3.4, se observa que cuando se tiene un flanco de subida en la
entrada de disparo del monoestable y la salida del circuito se encuentra en su estado estable
(Q=0), la salida del circuito se coloca en su estado inestable (Q=1) durante un tiempo Tw.
En el punto 2 y 3 se observa que si durante este tiempo t w ocurre un flanco de subida en
su entrada de disparo, el circuito comienza de nuevo la temporización Tw.
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3.4 Algunos circuitos integrados de tipo monoestables
74121: Monoestable no redisparable con entrada Schmitt Trigger. La configuración de sus
pines y su tabla de funcionamiento se presenta en la figura 3.5. El circuito se puede disparar por
flanco de subida (B) o por flanco de bajada (A1 ó A2), se configura por uno o por el otro
según la tabla de funcionamiento suministrada por el fabricante. La entrada B de tipo Schmitt
Trigger permite velocidades de transiciones del pulso de entrada tan bajas como 1v/seg. A
continuación se ilustra la configuración de pines del integrado 74121 y su tabla de
funcionamiento
Figura 3.5. Pines y tabla de funcionamiento del monoestable 74121.
El ancho del pulso es programable desde 30nseg a 28seg. Utilizando la resistencia interna
(Rint), es decir colocando este pin a Vcc y dejando abiertas las entradas C ext y Rext/Cext se
obtiene un pulso a la salida de 30 nseg o 35 nseg típicos. Utilizando Rext/Cext se puede obtener
pulso desde pocos nseg hasta 28seg.
Para Cext < 1000 pF el ancho de pulso está determinado por los valores dados por la
curva de la figura 3.7.
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Figura 3.7. Duración del ancho del pulso en función de Rext y Cext
Para Cext ≥ 1000 pF la salida está definida como:
TW = K RextCext
donde
Rext es en KΩ
Cext es en pF
Tw es en nseg y
K≈ 0,7
El coeficiente K no es constante varía según el capacitor, como puede verse en la figura
3.8.
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Figura 3.8. Valor K en función del capacitor
En la figura 3.9, se puede observar las condiciones de operación recomendadas por el
fabricante.
Figura 3.9. Condiciones de operación recomendadas por el fabricante
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74LS123 y 74123: Monoestable redisparable. La configuración de sus pines y su tabla
de funcionamiento se presenta en la figura 3.10. El circuito se puede disparar por flanco de
subida (B) o por flanco de bajada (A), se configura por uno o por el otro según la tabla de
funcionamiento suministrada por el fabricante, el pulso comienza cuando detecta un flanco en
la entrada de disparo (A ó B).
Figura 3.10. Pines y tabla de funcionamiento para el 74123 ó 74LS123.
74LS123
En la figura 3.11 se puede observar la conexión del condensador y la resistencia externa a
los terminales del 74LS123.
Vcc
Rext
C
Terminal
Cext
Terminal
Cext/Rext
Figura 3.11. Conexión a los terminales del 74LS123
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En la figura 3.12, se puede observar las condiciones de operación recomendadas por el
fabricante para el 74LS123.
Figura 3.12. Condiciones de operación recomendadas por el fabricante para
74LS123
Para Cext<1000 pF el ancho de pulso está determinado por los valores dados por la curva
de la figura 3.13.
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Figura 3.13. Duración del ancho del pulso en función de Rext y Cext PARA 74LS123
Para Cext ≥ 1000 pF la salida está definida como:
TW = K RextCext
donde
Rext es en KΩ
Cext es en pF
Tw es en nseg y
K≈ 0,37
El coeficiente K no es constante varía según el capacitor, como puede verse en la figura
3.14
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Figura 3.14. Valor K en función del capacitor
Por otra parte, si se utiliza un condensador con polaridad el terminal negativo del
condensador debe estar conectado al pin "CEXT" del dispositivo como se muestra en la figura
3.15, donde se presenta la conexión para obtener un ancho de pulso de TW, cuando es
configurado para activarse o dispararse por flanco de bajada.
Figura 3.15. Conexión del integrado 74LS123 para obtener un ancho de pulso de tw
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74123
En la figura 3.16 se puede observar la conexión del condensador y la resistencia externa a
los terminales del 74123.
Vcc
Rext
C
Terminal
Cext
Terminal
Cext/Rext
Figura 3.16. Conexión a los terminales del 74123
En la figura 3.17, se puede observar las condiciones de operación recomendadas por el
fabricante para el 74123.
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Figura 3.17. Condiciones de operación recomendadas por el fabricante para 74123
Para Cext<1000 pF el ancho de pulso está determinado por los valores dados por la curva
de la figura 3.18.
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Figura 3.18. Duración del ancho del pulso en función de Rext y Cext para 74123
Para Cext ≥ 1000 pF la salida está definida como:
TW = K RextCext (1+07/Rext)
donde
Rext es en KΩ
Cext es en pF
Tw es en nseg y
K≈ 0,28
Como ejemplo de aplicación de este monoestable redisparable, veamos el siguiente
problema: Se necesita implementar un circuito que sea capaz de detectar cuando se produce la
caída de una línea de señal digital de clock cuya frecuencia es de 100KHz.
Para diseñar el circuito requerido podemos emplear un monoestable redisparable el cual
se dispare permanentemente con alguno de los dos flancos de la señal de clock que hay que
testear. El periodo de la señal de clock es de 1/100KHz ó 10us. Si ajustamos el tiempo de TW a
un valor superior a 10us, la salida del mismo estará permanentemente en alto ( si empleamos
pulso positivo) ya que siempre aparecerá un flanco que dispare al monoestable. Solamente
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bajará cuando al haber pasado los T W segundos no se haya presentado otro flanco de la señal de
clock, lo cual significará que la misma ha caído.
555: Este componente se puede configurar mediante componentes externos como
monoestable ó como astable.
Se puede observar en la figura 3.19, su configuración interna.
Figura 3.19. Configuración interna del Circuito Integrado 555
Pines:
1.- Tierra
2.- Entrada de disparo, normalmente debe estar a 1 lógico, al producir el disparo el
voltaje debe caer por debajo de 1/3 Vcc y se activa la entrada SET del biestable.
3.- Pin de Salida
4.- Pin de reset, activo en bajo.
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5.- Pin de control, a través de este pin se puede modificar los voltajes de comparación.
6.- Voltaje umbral, el voltaje debe estar por encima de 2/3 Vcc para activar la entrada
RESET del biestable.
7.- Pin de descarga permite que un condensador ( C ) se cargue y se descarga.
8.- Voltaje de alimentación.
En la figura 3.20 se presenta el C.I 555 en su configuración como monoestable.
Vcc
Disparo
1
8
2
7
1K
Pulsador
R
555
Salida
3
Salida
6
TW
4
5
C
0,01 uF
2/3 vcc
0V
b)
a)
Figura 3.20. a) C.I 555 en su configuración como monoestable. b) Diagramas de
tiempo de la entrada de disparo, salida y de la carga y descarga del condensador.
Realicemos el análisis del circuito monoestable de la figura 3.20, basado en la
configuración interna del 555 mostrada en la figura 3.19. Al activar el pulsador de la figura
3.20, el voltaje en el pin 2 es menor que 1/3 de Vcc, entonces: la entrada SET del biestable se
activa, la salida del 555, pin 3, se coloca en 1 lógico, el transistor se corta y el condensador
comienza a cargarse a través de la resistencia R. Cuando el valor del voltaje del condensador es
mayor a 2/3 de Vcc, entonces la entrada de RESET del biestable se activa, la salida va a cero
lógico, el transistor conduce y el condensador se descarga a través de él (ver figura 3.20). Por
tanto después del disparo la salida permanece en 1 lógico en un tiempo igual al tiempo que
tarda el condensador en cargarse a 2/3 de Vcc. Ver la parte b) de la figura 3.20.
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El tiempo de duración del pulso Tw se puede determinar según la ecuación 2, que es la
ecuación de carga de un condensador,
−𝑡
𝑉𝑐 = 𝑉𝑓 − 𝑉𝑓 − 𝑉0 𝑒 𝑅𝐶
(2)
donde Vc=2/3 de Vcc, Vf= Vcc y Vo= 0V.
−𝑇𝑊
2
𝑉𝑐𝑐 = 5 − 5 − 0 𝑒 𝑅𝐶
3
−𝑇𝑊
2
𝑉𝑐𝑐 = 5 − 5𝑒 𝑅𝐶
3
𝑒
−𝑇𝑊
𝑅𝐶
=1−
2
3
𝑇𝑊 = −𝑅𝐶 ln⁡
(1/3)
𝑇𝑊 = 1,1𝑅𝐶 (3)
Consideraciones:
El voltaje de la entrada de disparo (pin 2), debe estar normalmente en alto y al disparar el
voltaje en este pin debe estar por debajo de 1/3 de Vcc. El ancho del pulso de disparo debe ser
menor que la duración del pulso TW, pues si el disparo es mayor se tendrá activa la entrada de
SET y RESET del biestable, y la salida caerá a 0 lógico solo al desaparecer el disparo.
Asignación:
Consultar ene el manual tiempo máximo de temporización, valor
máximo del
condensador y de la resistencia.
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74xx14: Para generar un pulso de un ancho TW, utilizando el 74xx14 se debe presionar y
liberar el pulsador del circuito mostrada en la figura 3.21.
Vcc
Entrada
Vcc
Vt+
R
Pulsador
Salida
0V
74xx14
C
Salida
TW
b)
a)
Figura 3.21. a) Circuito utilizado el C.I 74xx14 para obtener un pulso de duración de Tw
b) Diagramas de tiempo de la descarga y carga del condensador y de la salida
Modo de funcionamiento:
Inicialmente el condensador, C, se encuentra cargado a un voltaje igual a Vcc, es decir se
tiene un uno lógico en la entrada del 74xx14 y a la salida se tiene un cero lógico.
Al presionar el pulsador el condensador se descarga, aplicando así un cero lógico en la
entrada y obteniéndose un 1 lógico a la salida. Al liberar el pulsador la salida permanece en 1
lógico durante un tiempo (TW,) igual al tiempo que tarda el condensador en cargarse a través
de la resistencia R desde el voltaje inicial 0V hasta el voltaje que el 74xx14 interpreta como
uno lógico en la entrada, es decir VT+. Ver la parte b) de la figura 3.21.
Para implementar este circuito es recomendable colocar una resistencia para descargar el
condensador como se muestra en la figura 3.22.
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Vcc
Entrada
Vcc
Vt+
R1
Pulsador
R2
Salida
Vo
C
Salida
TW
Figura 3.22. a) Circuito utilizado el C.I 74xx14 para obtener un pulso de duración de Tw
b) Diagramas de tiempo de la descarga y carga del condensador y de la salida
Para este caso al presionar el pulsador el condensador se descarga a un voltaje, Vo dado por la
expresión:
Vo 
R2
* Vcc
R2  R1
(4)
Este valor de voltaje debe ser menor ó igual que VT- , valor indicado por el fabricante del
74xx14 para tener un 0 lógico aplicado en la entrada, y así garantizar que se tendrá un uno
lógico en la salida. Al liberar el pulsador la salida permanece en 1 lógico durante un tiempo
(TW,) igual al tiempo que tarda el condensador en cargarse a través de la resistencia R1 desde
el voltaje inicial Vo hasta el voltaje que el 74xx14 interpreta como uno lógico en la entrada, es
decir VT+. Ver la parte b) de figura 3.22.
El tiempo de duración del pulso Tw se puede determinar según la ecuación (2), que es la
ecuación de carga de un condensador,
t
Vc  V f  (V f  Vo ) e RC
Donde
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Vo=Voltaje que tiene el condensador cuando comienza la carga, 0V si no tiene resistencia
de descarga y viene dado por la ecuación 4, cuando se le coloca la resistencia de descarga.
Vc= Voltaje del condensador para el tiempo Tw, es decir VT+;
Vf=Voltaje al cual tiende a cargarse el condensador, es decir Vcc
Luego remplazando en la ecuación de carga tenemos,
TW

VT  Vcc  (Vcc  Vo ) e R1C


TW
(VT  Vcc )
 e R1C
(Vcc  V0 )

TW
(Vcc  VT )
 e R1C
(Vcc  Vo )


TW
(Vcc  VT )
 Ln
R1C
(Vcc  Vo )
 (Vcc  VT  ) 

TW   R1C  Ln

(
Vcc

V
)
o


(5)
Considerando R1>> R2, el voltaje inicial, V o se puede asumir de 0V, quedando la
ecuación 4 de la siguiente forma.
𝑉𝑐𝑐 − 𝑉𝑡+
𝑇𝑊= − 𝑅1𝐶 𝑙𝑛
𝑉𝑐𝑐
(6)
3.5 Astable
Circuito electrónico que no tiene un estado lógico estable en su salida (Q). Son los
llamados osciladores, donde la frecuencia de oscilación va depender de una red RC. Este tipo
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de circuito no dispone de una señal de entrada de disparo externa. La expresión para calcular la
frecuencia de oscilación viene dada por la expresión 7, como sigue:
F
1
, (7)
T
Donde T es el periodo de la señal y es igual a
T= t alto+ t bajo (8)
74xx14: En la figura 3.23 se presenta la implementación de un astable utilizando 74xx14.
VOH
R
Salida
VOL
t1
t2
Vt+
C
Vt-
a)
b)
Figura 3.23. a) Circuito utilizado el C.I 74xx14 para obtener un pulso de duración de Tw.
b) Diagramas tiempo de la salida y de la carga y descarga del condensador
Modo de funcionamiento
Comencemos el análisis suponiendo que inicialmente el condensador, C, se encuentra
cargado a un voltaje igual a VT -, es decir se tiene un cero lógico en la entrada del 74xx14 y a
la salida se tiene un uno lógico, VOH. Como el voltaje del condensador es menor que VOH el
condensador trata de cargarse a través de la resistencia R, al voltaje de salida, sin embargo
cuando el condensador tiene un voltaje igual a VT+, el 74xx14 comienza a ver un uno lógico en
la entrada y la salida se va a cero lógico, VOL. Para este instante de tiempo el voltaje del
condensador es mayor que VOL y comienza a descargarse a través de la resistencia R, sin
embargo cuando el condensador tiene un voltaje igual a VT-, el 74xx14 comienza a ver un cero
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lógico en la entrada y la salida se va a uno lógico, en este punto se repite de nuevo el ciclo. La
carga y descarga se puede observar en la figura 3.23.
Para el cálculo de la frecuencia se debe determinar el periodo de la señal, y para ello se
debe calcular el tiempo t1, que es el tiempo que tarda el condensador para cargarse desde VThasta VT+ y el tiempo t2 que es el tiempo que tarda el condensador para descargarse desde VT+
hasta VTEcuación de carga del condensador
 t1
Vc  V f  (V f  Vo ) e RC
Donde
Vo=Voltaje que tiene el condensador cuando comienza la carga, es decir VTVc= Voltaje del condensador para el tiempo de t1= VT+
Vf=Voltaje al cual tiende a cargarse el condensador, es decir VOH
Despejando t1 y remplazando valores en la ecuación de carga tenemos.


 t1
VT  VOH  (VOH  VT ) e RC


(VT  VOH )

(VOH  VT )

(VOH  VT )

(VOH  VT )
 t1
 e RC
 t1
 e RC

(V  VT )
t
 1  Ln OH

RC
(VOH  VT )
 (VOH  VT  )
t1   RC  Ln
 (V  V  )
OH
T

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
 (9)


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Ecuación de descarga del condensador
t 2
Vc  V f  (V f  Vo ) e RC
Donde
Vo=Voltaje que tiene el condensador cuando comienza la descarga= VT+
Vc= Voltaje del condensador para el tiempo t2= VTVf=Voltaje al cual tiende a descargarse el condensador=V OL
Despejando t2 y remplazando valores en la ecuación de descarga tenemos.

t 2
VT   VOL  (VOL  VT ) e RC


(VT  VOL )

(VOL  VT )

(VOL  VT )

(VOL  VT )
t 2
 e RC
t 2
 e RC

(V  VT )
t
 2  Ln OL

RC
(VOH  VT )
 (VOL  VT  )
t 2   RC  Ln
 (V  V  )
OL
T


 (10)


Remplazando t1 y t2 en la ecuación (8)
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


 

(V  VT )
(V  VT )
    Ln OL

T    Ln OH
RC
RC



 

(
V

V
)
(
V

V
)
OH
T
OL
T

 


 (VOH  VT  )
 

(VOL  VT )




T  Ln
RC


Ln
RC

 (V  V  )
 

(
V

V
)
OH
T
OL
T

 




T   Ln




(VOH  VT ) 


(VOH  VT ) 
RC
 
(VOL  VT ) 

(VOL  VT ) 
 (VOH  VT  )(VOL  VT  )
T  RC  Ln
 (V  V  )(V  V  )
OH
T
OL
T





(11)
555: : En la figura 3.24 se presenta la implementación de un astable utilizando el 555
Vcc
1
8
2
7
3
6
4
5
RA
Salida
t1
RB
Vcc
t2
D1
2/3 vcc
C
0,01 uF
1/3 vcc
a)
b)
Figura 3.24. C.I 555 en su configuración como astable. b) Diagramas tiempo de la salida y
de la carga y descarga del condensador
Realicemos el análisis del circuito astable de la figura 3.24, basado en la configuración
interna del 555 mostrada en la figura 3.19. Cuando el voltaje del condensador es menor que 1/3
Vcc la entrada SET del biestable es activada y la salida, pin 3, se coloca en 1 lógico, el
transistor, pin 7, se corta, y el condensador comienza a cargarse a través de la resistencia
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RA+RB. Como el condensador también se encuentra conectado en la entrada umbral, pin 6
entonces cuando el valor de voltaje del condensador es mayor de 2/3 de Vcc la entrada de
RESET del biestable se activa y la salida baja a cero lógico, el transistor conduce y el
condensador comienza a descargue a través de la resistencia R B hasta llegar al voltaje menor a
1/3 Vcc donde se repite el ciclo descrito anteriormente. Para calcular estos tiempos se utilizan
las ecuaciones de carga y descarga del condensador como sigue:
Para calcular t 1
Ecuación de carga del condensador
 t1
Vc  V f  (V f  Vo ) e( RA  RB )C
Donde
Vo=Voltaje que tiene el condensador cuando comienza la carga= 1/3Vcc
Vc= Voltaje del condensador para el tiempo de t1= 2/3Vcc
Vf=Voltaje al cual tiende a cargarse el condensador= Vcc
Despejando t2 y remplazando valores en la ecuación de carga del condensador tenemos:.
2 / 3Vcc  Vcc  (Vcc  1 / 3Vcc ) e

t1
( R A  RB ) C
t1
(1  2 / 3)

 e ( R A  RB ) C
(1  1 / 3)
t1
(1 / 3)

 e ( R A  RB ) C
(2 / 3)

t1
 Ln(1 / 2)
( R A  R B )C
t1  0,693( R A  R B )C
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(12)
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Para calcular t 2
Ecuación de descarga del condensador
t2
Vc  V f  (V f  Vo ) e RBC
Donde
Vo=Voltaje que tiene el condensador cuando comienza la descarga= 2/3Vcc
Vc= Voltaje del condensador para el tiempo t2= 1/3Vcc
Vf=Voltaje al cual tiende a descargarse el condensador=0
Despejando t1 y remplazando valores en la ecuación de descarga del condensador
tenemos:.
t2
1 / 3Vcc  0  (0  2 / 3Vcc ) e RB C
t 2
(1 / 3)
 e RB C
(2 / 3)
t 2
(1 / 2)  e RB C

t2
 Ln(1 / 2)
RB C
t 2  0,693R B C
(13)
Remplazando t1 y t2 en la ecuación (8)
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81
T  0,693( R A  R B C   0,693R B C 
T  0,693R A  2 R B C
F
(14)
1
T
La señal obtenida con el 555 no es simétrica, es decir el tiempo en alto es diferente al
tiempo en bajo,
el tiempo en alto depende de la carga del condensador a través de la
resistencia (RA + RB) el tiempo en bajo depende de la descarga del condensador a través de la
resistencia (RB). Para obtener una señal simétrica se debe colocar un diodo entre el pin 6 y el
pin 7 y las resistencias RA y RB deben ser iguales para que el tiempo de carga y el tiempo de
descarga del condensador también sea iguales como se muestra en la figura 3.25. El tiempo de
carga, es decir el tiempo en alto (t 1) dado por la ecuación 12, solo va depender de R A.
Vcc
1
8
RA
Salida
2
7
3
6
4
5
RB
D1
Vcc
C
0,01 uF
Figura 3.25. C.I 555 en su configuración como astable para obtener una señal simétrica
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T  0,693R A C   0,693RB C 
pero R A  RB  R
T  2(0,693RC ) (15)
F
1
T
Figura 3.23. C.I 555 en su configuración como astable para obtener una señal simétrica
T  0,693RC   0,693RC 
T  2(0,693RC ) (15)
F
1
T
Monoestables y Astables (Ejercicios)
1- Calcule los valores de R y C para el circuito No. 1 para que entregue a la salida un pulso de 100
milisegundos después de pulsar y liberar SW1.
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2.-Calcule los valores de R y C en el circuito No. 2 para obtener una frecuencia de 60 khz.
1.
3.- Diseñe un multivibrador monoestable con los CI :74221 y 74123 con un ancho de pulso de 500
milisegundos.
4.- Diseñe un multivibrador monoestable con el CI 555 con un ancho de pulso de 500 milisegundo.
5.-Diseñe un multivibrador astable con el CI 555 cuya frecuencia sea 1 Hz y tenga un ciclo útil
del 70%.
6.-Realice el diseño de un monoestable de duración 400mseg, utilizando: 74123, 74121 y un LM555.
Establezca la diferencia entre cada uno de ellos.
7.- Realice el diseño de un astable de 60Khz utilizando un 7414 y un 74LS14.
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