Módulo 5. Capítulo 5

Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. 5.5 CIRCUITOS LÓGICOS. IDENTIFICACIÓN DE SÍMBOLOS COMUNES DE PUERTAS LÓGICAS, TABLAS Como introducción a la lógica podemos decir que todos los días tenemos que tomar decisiones basadas en la lógica; que dependen de circunstancias particulares. Por ejemplo: Si (condición) entonces (acción). Si “hace frio” entonces “enciende la calefacción”. Si “tienes sed” entonces “bebe agua”. Estas son decisiones básicas pero también las hacemos más complejas, basadas en más de una circunstancia (condiciones compuestas). Si (condición1) o (codición2) entonces (acción). Si tengo hambre o sed entonces me voy a un bar. Si (condición1) y (codición2) entonces (acción). Si tengo hambre y sed entonces me voy a un restaurante. Las palaras que describen las condiciones lógicas son “o” e “y” (a partir de ahora las utilizaremos en Inglés “or” y “and”) y las utilizaremos para emular las funciones lógicas de los circuitos electrónicos. Circuitos Lógicos: Buffer: No afectan al estado lógico o a una señal digital, se utilizan para proporcionar una corriente extra a la salida y regularizar los niveles de lógica presentes en el interface. Nota: La tabla de la verdad nos indica el estado lógico a la salida “Y” dependiendo de la entrada “X”. Inversores: se utilizan para complementar el estado lógico; un “1” en la entrada resulta un “0” en la salida. Página 1 Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. Puerta AND: produce una salida lógica “1” si las 2 entradas tiene lógica “1”. Nota: A partir de ahora, la tabla de la verdad nos indica el estado lógico a la salida “Y” dependiendo de las entradas “A” y “B”. Puerta OR: produce una salda lógica “1” siempre que una de las entradas tenga una lógica “1”. Dicho de otra forma, produce una lógica “0” siempre que todas las entradas tengan lógica “0”. Puerta NAND: es como una puerta AND pero con su salda invertida, así pues producirá una salida lógica “0” cuando todas sus entradas estén a “1”. Cualquier otra combinación en la entrada producirá un “1”. Página 2 Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. Puerta NOR: es como una puerta OR pero con su salda invertida, así pues producirá una salida lógica “1” cuando todas sus entradas estén a “0”. Cualquier otra combinación en la entrada producirá un “0”. Puerta XOR: significa OR exclusivo, y producirá un “1” en la salida cuando alguna de las 2 entradas este a “1” y la otra a “0”. Si las 2 entradas tienen el mismo estado lógico, producirá un “0” en la salida. Puerta XNOR: significa NOR exclusivo, y producirá un “0” en la salida cuando alguna de las 2 entradas este a “1” y la otra a “0”. Si las 2 entradas tienen el mismo estado lógico, producirá un “1” en la salida. Página 3 Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. La siguiente tabla de la verdad corresponde a una puerta: a.‐ NOR. b.‐ NAND. c.‐ XNOR. d.‐ XNAND. El dispositivo lógico mostrado en la figura corresponde a: a.‐ Una puerta NOR. b.‐ Una puerta NAND. c.‐ Una puerta XOR. d.‐ Una puerta XNAND. Una puerta XOR de 2 entradas producirá en la salida un “1” cuando: a.‐ las 2 entradas estén a “1”. b.‐ alguna de las 2 entradas este a “1” y la otra a “0”. c.‐ las 2 entradas estén a “0”. d.‐ siempre que una entrada este a “0”. Página 4 Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. CIRCUITOS EQUIVALENTES Para poder comprender como se materializan en la práctica las puertas lógicas, vamos a repasar el funcionamiento básico de algunos componentes electrónicos. Diodo: en la siguiente figura representamos el símbolo del diodo, y su funcionamiento consiste en que si VA>VB (diferencia de potencial positivo) el diodo deja pasar corriente en el sentido de A a B (resistencia del diodo prácticamente nula). Figura 5.5.9 Diodo Pero si VA<VB (diferencia de potencial negativo) el diodo no deja pasar corriente en el sentido de A a B (resistencia del diodo prácticamente infinita). B
Transistor: en la siguiente figura representamos el símbolo de un transistor “npn”, lo que caracteriza a un transistor es que una variación en la corriente de IB suscita una variación de IC y que además IE=IB+IC
B
Su funcionamiento lógico consiste en que si la diferencia de potencial entre la base y el emisor (VB‐VE ) es nula, la corriente IB es nula y por lo tanto no hay corriente en el colector IC . Se dice que el transistor está bloqueado o en corte. Figura 5.5.10 Transistor Pero si la diferencia de potencial entre la base y el emisor (VB‐VE ) es elevada, existe una corriente elevada en el colector IC . Se dice que el transistor está saturado. Página 5 Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. La siguiente figura ilustra el circuito equivalente de interruptores (2 puestos en serie con la luz de aviso) de una puerta NAND. Figura 5.5.11 Circuito equivalente de interruptores, puerta AND Este circuito explica su funcionalidad, si los 2 interruptores se encuentran cerrados la bombilla lucirá, en cualquier otro caso la lámpara se mantendrá apagada (repasar la tabla de la verdad de una puerta NAND). La materialización de este tipo de puertas puede llevarse a cabo con diodos o transistores. Para simplificar veamos el caso de los diodos. Figura 5.5.12 Circuito equivalente de diodos, puerta AND En este circuito podemos observar que cuando cualquiera de las 2 entradas (A o B) sea baja (este a masa), el diodo correspondiente conducirá y llevará a la salida a un voltaje bajo. Sólo cuando ambas entradas sean altas (+5 V), ambos diodos estarán cortados y entonces no habrá corriente en la resistencia de salida, luego tendremos que la tensión de alimentación de +5V estará presente en la salida. En la figura anterior también podemos observar que la salida es X=A.B, esto es la expresión Booleana de la función AND. Lo que significa que X es función del producto de las entradas A y B. Nota: La algebra de Boole se utiliza para describir las operaciones lógicas utilizadas en los sistemas de aviónica (eléctricos en general). La expresión X=A.B a corresponde a una puerta: a.‐ OR. b.‐ AND. Página 6 Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. c.‐ NAND. d.‐ NOR. La siguiente figura ilustra el circuito equivalente de interruptores (2 puestos en paralelo con la luz de aviso) de una puerta OR. Figura 5.5.13 Circuito equivalente de interruptores, puerta OR A continuación se ilustra la materialización de esta puerta con diodos. Figura 5.5.14 Circuito equivalente de diodos, puerta OR Con respecto a este circuito, las entradas pueden ser o bien “0” (masa) o bien “1” (+5V). Cuando cualquier entrada es “1” el diodo conducirá y la salida será ”1”. Pero si ambas entradas son “0”, ningún diodo conducirá y la salida será “0”. En esta figura observamos que la salida es X=A+B, expresión Booleana de la función OR. Lo que significa que X es función de la suma de las entradas A y B. ¿Qué elemento es función de la suma de sus entradas? a.‐ OR. b.‐ AND. c.‐ NAND. d.‐ NOR. ¿A qué elemento corresponde el circuito equivalente de interruptores de la figura adjunta? Página 7 Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. a.‐ OR. b.‐ AND. c.‐ NAND. d.‐ NOR. La siguiente figura ilustra el circuito equivalente de transistores de una puerta NOT o INVERSORA. Figura 5.5.15 Circuito equivalente de transistor, puerta NOT o INVERSORA Con respecto a este circuito, tendremos que cuando la entrada “A” es “1”, el transistor conduce y la salida en el colector será masa, es decir “0”. Pero Si en “A” tenemos “0”, el transistor no conduce y al no tener corriente la resistencia, en el colector, la salida presentará +5V, es decir “1”. A esta puerta también se la denomina puerta NOT y el símbolo correspondiente es el circulo. ¿Qué función realiza una puerta inversora? a.‐ OR. b.‐ AND. c.‐ NAND. d.‐ NOT. La siguiente figura ilustra el circuito equivalente de interruptores (2 puestos en serie y estos en paralelo con la luz de aviso) de una puerta NAND. Página 8 Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. Figura 5.5.16 Circuito equivalente de interruptores, puerta NAND. Este circuito muestra que la luz estará encendida permanentemente, salida a “1”, excepto cuando los 2 interruptores se cierran (ambas entradas a “1”), ya que al derivar sobre esta rama la corriente se anula lo que se consume en la lámpara. Bajo un halo de lucidez, podemos observar que una puerta NAND es la combinación de una puerta AND con una puerta NOT (o inversora) a la salida. Figura 5.5.17 Circuito equivalente puerta NAND, simplificando símbolos. Esto nos sirve para comprender la expresión algebraica que nos da en la salida, las variables de entrada se combinan de acuerdo a la función AND y luego se invierten para obtener la salida X. Repasar la tabla de la verdad para verificar el correcto funcionamiento. La siguiente figura ilustra el circuito equivalente de interruptores (2 puestos en paralelo y estos en paralelo con la luz de aviso) de una puerta NOR. Página 9 Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. Figura 5.5.18 Circuito equivalente de interruptores, puerta NOR. Este circuito muestra que la luz estará encendida, salida a “1”, si no está cerrado ningún interruptor (todas las entradas a “0”), pero si uno se cierra (o ambos) se derivará sobre esta rama la corriente y robarán toda la corriente a la lámpara apagándola. Indique de los siguientes el circuito equivalente de una puerta NAND. a.‐ Una puerta AND y un Buffer. b.‐ Una puerta OR y un inversor. c.‐ Una puerta AND y un inversor. d.‐ Una puerta NOR y un inversor. 5.5.19 circuito equivalente puerta NOR, simplificando símbolos. Esto nos sirve para comprender la expresión algebraica que nos da en la salida, las variables de entrada se combinan de acuerdo a la función OR y luego se invierten para obtener la salida X. Repasar la tabla de la verdad para verificar el correcto funcionamiento. Venga que llegamos al final, la siguiente figura ilustra el circuito equivalente de interruptores (2 conmutadores como en las instalaciones de casa que controlan una luz) de una puerta XOR. Página 10 Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. Figura 5.5.20 Circuito equivalente de interruptores, puerta XOR. Como en las instalaciones de casa, cuando uno de los interruptores está cerrado “1”, si el otro está abierto “0”, la luz se enciende, salida alta “1”. Pero cuando ambos están a cerrados “1” o abiertos “0” la luz permanecerá pagada, salida baja “0”. En la instalación eléctrica de una vivienda se requiere instalar 2 conmutadores en una habitación para apagar y encender la luz. ¿Qué circuito equivalente utilizaremos para su diseño? a.‐ Una puerta NAND. b.‐ Una puerta OR y un inversor. c.‐ Una puerta XOR. d.‐ Una puerta NOR. Para terminar esta sección sólo nos queda por representar el circuito equivalente. Figura 5.5.21 Circuito equivalente puerta XOR, simplificando símbolos. En la representación del circuito equivalente utilizando la combinación de puertas básicas, podemos observar que si las 2 entradas “A” y “B” tienen el mismo valor, las salidas serán bajas (ceros), llevando a cero la función de salida. En los demás casos obtendremos una salida ala “1”. Repasar la tabla de la verdad para verificar el correcto funcionamiento. APLICACIONES UTILIZADAS EN SISTEMAS DE AERONAVES, Página 11 Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. DIAGRAMAS ESQUEMÁTICOS Vamos directos al grano, en la siguiente figura podemos ver la representación funcional de sistema de arranque del APU; la cual muestra 3 entradas (APU START, APU SHUTDOWN Y APU RUNNING) y una salida (APU STARTER MOTOR). Estas entradas estarán todas activas “1”, cuando el piloto opere sobre el interruptor de APU START; entonces la salida del “APU starter” irá a “1” para aplicar potencia al motor a través de un relé. Figura 5.5.22 Lógica de arranque del APU (Auxiliar Power Unit). Si nos fijamos en la figura, observamos que 4 entradas (1 puerta OR, un temporizador y 2 puertas NOT) llegan a una puerta AND, la cual habilita el “APU starter”. Pero vamos a ver más en detalle la lógica de su funcionamiento. Consideraciones: ‐
Necesitamos evitar la situación que debería ocurrir si el APU no arranca pero el “starter” del motor continúa, ya que esto descargará las baterías de la aeronave. Así pues deberíamos dar un tiempo al “starter” antes de desengancharlo (por ejemplo 60 segundos). ‐
Además, el piloto pulsa momentáneamente el interruptor de arranque del APU y nosotros necesitamos mantener la condición de arranque hasta que lo haga o se pase un tiempo razonable (60s). Para lograrlo realimentamos la señal de APU START a través de una puerta OR. ‐
También necesitaremos una señal para que el piloto pueda desconectar el APU, por ejemplo cuando los motores principales estén arrancados o frente a una condición de fallo. Página 12 Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. Figura 5.5.23 Vuelo normal En la situación de la figura 5.5.23 la energía eléctrica es proporcionada por los motores y el APU se encuentra desconectado. La salida de la puerta AND es “0”. Figura 5.5.24 Inicio de arranque En la situación de la figura 5.5.24 el piloto acciona el interruptor de arranque del APU (APU START = “1”) el temporizador se dispara y todas las salidas de las puertas (OR y AND) van a “1” confirmando la señal del “APU starter” y comienza el arranque. Figura 5.5.25 El arranque continua durante 60 segundos. Página 13 Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. El piloto suelta el interruptor de arranque y la señal de “APU START” va a cero, pero la salida de la puerta AND se mantiene por que esta salida realimenta a una puerta OR. Esta situación permanecerá durante 60 segundos, ya que después de este tiempo el temporizador pasará a “0”y como sabemos, si una entrada de una puerta AND es cero, la salida es cero. Figura 5.5.26 El APU se encuentra en marcha (ha arrancado antes de 60s). Como el APU ha arrancado (se encuentra en marcha), la señal de “APU RUNNING” pasa a “1” y esta condición hace que la salida de la puerta AND vaya a “0”, así la señal del “APU STARTER MOTOR” deja de estar activa y este se desengancha. Figura 5.5.27 El APU no arranca en menos de 60s. Si el APU no ha arrancado en menos de 60 segundos, la señal de salida de la puerta AND va a “0” y esto dejará inactiva la señal del “APU STARTER MOTOR”, esperando que el piloto vuelva a intentarlo. Para finalizar con las aplicaciones veamos el ejemplo del módulo de lógica primario del “landing gear”∙ Vamos a aclarar una serie de puntos en el siguiente diagrama: •
A1 es la fuente de alimentación regulada para A5. Página 14 Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. •
A2 es la fuente de alimentación regulada para A7 y A11 •
A5 son 10 puertas inversoras (NOT). •
A7 son 5 entradas a una puerta NAND. •
A11 son 6 puertas inversoras (NOT). Figura 5.5.28 Lógica del aviso de la puerta abierta de morro del tren de aterrizaje. 1.‐ En condiciones normales, todas las entradas de A5 estarán a “0” (todas las puertas cerradas) lo que implica que todas sus salidas también. Esto nos hará llegar a las entradas de la puerta AND “A7” todos “1” por lo que en la entrada de “A11” tendremos todos “0”, así en su salida serán todos “1” y todos los avisos permanecerán en OFF (no iluminados). 2.‐ Pero si una puerta se encuentra abierta (por cualquier motivo bien sea por error o durante el proceso de retracción o extracción del tren), por ejemplo la de morro en el diagrama anterior, una de las señales de entrada de “A5” cambia de estado y esto implicará que la salida de “A7”sea “1”, iluminando el “master warning” en el panel del piloto. Como se puede observar en el diagrama cada puerta tiene un sensor (transductor), que envía una señal indicando su posición al sistema de aviso en la cabina. Recordar que un transductor convierte una señal analógica en digital, para algo sirvió el capítulo 5.3. En el diagrama adjunto, ¿cuántas entradas tiene la puerta OR? a.‐ Una entrada. b.‐ 4 entradas. c.‐ 2 entradas. d.‐ En el diagrama no hay puertas OR. Página 15 Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. En el diagrama adjunto, ¿para que sirve la realimentación de la puerta OR? a.‐ Para mantener la salida a “1”. b.‐ Para mantener la salida a “0”. c.‐ Para que el APU no se pare nunca. d.‐ Para invalidar la puerta AND. ¿Qué representa el diagrama adjunto? a.‐ Una puerta XOR. b.‐ Una puerta NOR. c.‐ Una puerta NAND. d.‐ Una puerta XAND. Según el diagrama adjunto, si tenemos la puerta del “LEFT WING” abierta, ocurrirá que: a.‐ Nada, sólo avisará cuando la puerta este cerrada. b.‐ Sólo se encenderá el aviso del Panel del Display. c.‐ Sólo se encenderá el aviso del Panel del Piloto. d.‐ Se encenderá el aviso del Panel del Piloto y el del Panel del Display. Página 16 Módulo 5. Técnicas digitales. Sistemas de instrumentos electrónicos. Página 17