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RADIO INSTITUTO CURSO DE
CIRCUITOS DIGITALES LECCIÓN Nº
6 LOS
BIESTABLES (FLIP-FLOPS) CON INTEGRADOS COMERCIALES FLIP-FLOP CON
SEPARADOR INVERSOR Y UN TRANSISTOR PNP - FLIP-FLOP VAIVÉN CON PULSADOR CON
DOS SEPARADORES - MONOESTABLE CON DOS SEPARADORES - CÁLCULO DE TENSIONES DE
REALIMENTACIÓN - ESTUDIO DE LOS INTEGRADOS CD4009 CD4010 Y CD4069 - FLIP-FLOP
CON UN SOLO SEPARADOR CD4010 - VERIFICACIÓN EN En la presente lección
veremos la forma de lograr un circuito biestable con
distintos componentes y otros integrados que no son específicos para este
fin, para luego entrar en el análisis de funcionamiento de circuitos
integrados comerciales con "nombre y apellido". Realizaremos el
estudio de sus tablas de verdad y las variantes que ofrecen. Para
la realización de los trabajos prácticos vamos a utilizar un circuito
integrado que contiene seis separadores inversores, cuya función específica
es justamente como su nombre lo dice, separar o bien enlazar una etapa con
otra. En ocasiones este enlace debe hacerse respetando la polaridad de la
señal de entrada, en estos casos, pueden utilizarse separadores no
inversores, o bien conectando dos inversores en serie. Lo
que pretendemos es enseñar al alumno como, muchas veces, agudizando el ingenio
se logran funciones distintas en un mismo integrado, conectándolo
convenientemente. El
integrado en cuestión que usaremos es un CD4069, el cual es compatible pin a pin con el CD40106. Este
último también posee seis separadores inversores pero la lógica empleada es
de disparadores SCHMITT (mas adelante estudiaremos esta técnica). Cuando
los circuitos de cualquier desarrollo deben trabajar en ambientes de alto
ruido eléctrico, es conveniente utilizar estos últimos ya que presentan una
mayor inmunidad contra dichos ruidos (interferencias), y por lo tanto son
menos proclives a producir falsos disparos. Los circuitos de la presente
lección, también funcionan correctamente si empleamos un CD40106 en lugar del
CD4069. En la figura 1 observamos el diagrama y disposición de terminales,
como así también las características de este integrado, que hemos extraído
del manual CMOS de FLIP
FLOP CON SEPARADOR INVERSOR Y UN TRANSISTOR PNP En
la figura 2 podemos ver como se logra un flip flop a partir de un separador inversor (CD 4069) y
un transistor PNP. Como vemos son necesarios muy pocos componentes pasivos. Se
dispone de las dos salidas complementarias Q y La
base del transistor se conecta con dicha salida a través de la resistencia de
10K, y como ya sabemos, los transistores PNP con 1 en base se mantienen al
corte, por lo tanto en la salida de colector habrá 0 V (Q= 0).
Cuando
se aplica una señal de nivel alto en La
realización práctica de este circuito, es muy simple y nos exime de mayores
comentarios, pues el alumno ya tiene experiencia en la colocación de
componentes en la plaqueta de ensayos. Diremos
que usamos solo uno de los seis inversores que se disponen; la alimentación
del integrado corresponde a + el terminal 14 y - el
terminal 7. En el esquema se ha representado el
alambre de conexiones para efectuar los "toques" conectado a la
línea de positivo, y un diodo led con su
FLIP FLOP CON PULSADOR Este
mismo circuito, con el agregado de una resistencia y un capacitor podemos convertirlo en un flip flop del tipo
"vaivén", es decir que se logra el cambio de estado en cada toque
del pulsador representado. Ya sabemos que a los fines de su experimentación
podemos reemplazarlo por un simple alambre de conexiones con el cual
simularemos el cierre de los contactos. Este agregado se observa en la figura
3.
En
este caso los cambios de estado se producen del siguiente modo: Vamos a
suponer un estado inicial donde el terminal 1 se
encuentra en 0. La salida en el pin 2 está a 1, por
lo que el transistor se encuentra al corte y no realimenta la tensión de
fuente; su colector también está en 0. En estas condiciones, el capacitor de 1 Mf que
hemos agregado, se carga rápidamente a través de la resistencia de 100K porque
la salida del inversor, como hemos dicho está a 1. Si
ahora efectuamos un toque desde el capacitor al
pin 1 del integrado, llevaremos a 1 este terminal, porque la energía almacenada en el capacitor se drena hacia este punto. En
esta situación la salida (pin 2) pasa a 0, el
transistor conduce y mantiene la entrada con 1. Ahora bien, el capacitor en este nuevo estado se descarga a través
de la resistencia del mismo modo que lo hizo en la carga, es decir hacia el pin 2 que está en 0. Al efectuar un nuevo toque, el capacitor "absorbe" por un instante la
tensión positiva presente en el terminal 1
llevándolo a 0, y nuevamente se produce el cambio de estado. De
este modo el flip flop cambiará
de estado en cada toque del pulsador. En este caso no hablamos de entradas set y reset, ya que de acuerdo a la disposición del
circuito, se cumplen las dos funciones en el mismo punto. FLIP
FLOP CON DOS SEPARADORES También
puede realizarse un flip flop a partir de dos separadores inversores; en el
esquema de la figura 4 se observa como hacerlo.
Hemos
utilizado los inversores correspondientes a los terminales 1- 2, y 9, 8
porque nos pareció mas fácil para la realización práctica en la plaqueta,
pero se podría haber utilizado cualquiera de los seis que se dispone. Por
ejemplo, si usamos los correspondientes a los terminales 1-2 y 3-4, los
componentes quedarán muy juntos en la plaqueta, a menos que se separen
mediante alambres de conexiones hacia otros puntos libres mas alejados. El
diodo led que usamos para visualizar los
cambios, en este caso está conectado directamente a Digamos
que la alimentación del integrado deberá estar comprendida entre 12 V y 15 V
para obtener en salida una corriente de alrededor de 8 ma; tensiones menores darán intensidades
significativamente menores y entonces no se podrá conectar directamente el
diodo led, ya que el brillo del mismo será muy
pobre (ver lección Nº 2 Características de integrados CMOS). Vamos
a comprobar si efectivamente con este valor de resistencia no sobrecargamos
la salida del integrado. Consideramos que la alimentación del integrado la
realizamos con la fuente de alimentación que hemos construido y que entrega
13,4 V. Para
efectuar los cálculos vamos a redondear esta cifra en 13 V, ya que los
decimales no son significativos en el resultado final.
E = Tensión de fuente ED
= Tensión de caída en el diodo led La
tensión de caída en los diodos led varía
según el color de los mismos (rojo verde o amarillo) y está entre 1,7 y 2,2
V, incluso hay diferencias entre las distintas partidas. Por este motivo
conviene tomar el promedio de 2 volt y utilizar
este valor sin tomar en cuenta el color que sea. De todas maneras las
diferencias de corriente finales son despreciables. Bien, digamos que la
corriente que consume el led no va a
sobrecargar la salida del integrado, siempre que esté alimentado con
tensiones entre12 V y 15 V. En
estos casos siempre conviene trabajar en alrededor de la mitad de la
corriente que entregan, para no producir una caída significativa en la
tensión (mayor consumo exigido, menor tensión de salida), que si es
importante, podría afectar la interpretación del estado alto en la entrada de
otro integrado que supuestamente estuviera conectada con esta salida. Digamos
que en el caso que nos ocupa, la tensión de salida se verá reducida a
alrededor de 12 V. de acuerdo al consumo de 5 ma,
y esta magnitud no afectará ninguna entrada, a los fines de identificación. Veamos
su funcionamiento: En estado de reposo, la entrada set
(pin 1) se encuentra a El
diodo D1 conectado en directa desde Al
enviar la entrada reset a 1, el proceso se invierte y se obtiene: Salida Q (pin 8) 0; como consecuencia, el diodo D1 ya no realimenta
y la entrada set pasa a 0. La salida Este
estado se mantendrá indefinidamente hasta que se vuelva a excitar con 1 la
entrada set. MONOESTABLE
CON DOS SEPARADORES
Sin
desarmar este trabajo, vamos a realizar un monoestable con el agregado de
unos pocos componentes pasivos, y analizar su funcionamiento. El circuito
esquemático completo se observa en la figura 5. El
comportamiento de las entradas set y reset seguirá
siendo el mismo, es decir, aplicando un 1 en set,
cambia de estado; y si aplicamos un 1 en reset volverá al estado anterior
(reposo). Pero
con el agregado de D2, D3, R3 y C1, se produce el estado metaestable, lo que significa, que luego de un tiempo
preestablecido, volverá solo al estado de reposo. Como
vemos se cumple la función monoestable, ya que se dispone de un solo estado
estable. Funcionamiento:
Al aplicar un 1 en la entrada set se produce el
cambio, por lo tanto El
diodo D3 no tiene acción todavía porque se encuentra en oposición a la
tensión presente en Cuando
la tensión en el capacitor supera el
estado intermedio de la tensión de fuente, el flip flop cambiará a su estado inicial o reposo. El
efecto sería el mismo que si mediante un potenciómetro fuéramos elevando
lentamente la tensión en el terminal reset;
suponiendo una fuente de 12 V, cuando superamos los 6 V se produce el cambio. Una
vez producido el cambio a reposo, el diodo D3 se encarga de
"quitar" la tensión presente en el electrolítico a fin de sacar al
integrado rápidamente del estado intermedio. Esta tensión se drena por el pin 8 que ya está en 0. Si
fuera necesario anticipar el cambio, ya sabemos que la entrada reset sigue
funcionando, por lo tanto aplicando un 1 en este sitio, volverá a reposo
instantáneamente. A
fin de no sobrecargar Hay
algunas consideraciones que debemos tener en cuenta. El lazo que forman R2,
D2, y R3, constituyen un divisor de tensión en la entrada reset, por lo que
debe tenerse cuidado en la elección de estos valores para lograr superar
siempre el estado intermedio que garantice el cambio. Por
regla general diremos que R3 no debe superar el 30% aproximadamente del valor
de R2 para que todo funcione normalmente en integrados comunes, y no mas del
10% si se trata de disparadores schmitt, (ya
veremos porque), y R2 no conviene que sea mayor de 3,3 meghom. Veamos
como quedan distribuidas las tensiones en la red de acuerdo a los valores de
resistencia que estamos utilizando. Diremos que estos valores si son
alterados en las mismas proporciones, darán siempre los mismos resultados
(hablamos de la operación matemática). Por ejemplo, si quitamos tres ceros a
las dos resistencias, es decir pasan a ser de 2,2K en lugar de 2,2M y 220 ohm en lugar de 220K, se obtendrá el mismo resultado; en
realidad, para hacer las cuentas, es mejor porque se manejan menos decimales,
y de este modo se consigue mas precisión en el resultado final. Como
en las demás fórmulas de la ley de ohm, las
expresiones de resistencia son en ohm, tensión en volt, e intensidad en amper.
En la figura 6 hemos representado esta red resistiva, con la indicación de
como quedan distribuidas las tensiones.
EI = Tensión intermedia - E = Tensión de
fuente - ED = Caída en el diodo La
suma de todas las tensiones debiera dar 12 volt, en
realidad no es así por el demérito en la extensión de los decimales. Sabemos
que esto es una realidad, pero no podrá comprobarla con el circuito en
funcionamiento, porque cuando en el terminal 9 del
integrado la tensión supere los 6 volt, se produce el
cambio de estado y este punto sube bruscamente a 12 volt,
ahora alimentado exclusivamente por R2. Igualmente
el alumno podrá comprobar lo expuesto, incluso recomendamos hacerlo,
conectando los componentes en serie desde la línea de +B en un extremo, y a
masa en el otro extremo. Utilice
los valores empleados en la fórmula a fin de que luego en las mediciones con
el tester las lecturas reflejen la
realidad, pues si emplea valores muy altos de resistencia, la carga que
ofrece el tester al quedar en paralelo
dará lecturas erróneas. Pruebe y ejercite también con otros valores. El
tiempo del estado metaestable puede
establecerse a voluntad variando R3 y/o C1 (mayores valores, mayor tiempo),
teniendo en cuenta lo dicho para R2 y R3. Incluso para tiempos cortos C1
puede ser un cerámico común. LOS
CIRCUITOS INTEGRADOS CD4009 Y CD4010 Estos
circuitos integrados básicamente son iguales al que acabamos de ver (CD4069),
pero con algunas características distintivas que analizamos a continuación. Poseen
un terminal, el 1 concretamente, identificado como
entrada VCC, que según con la tensión de fuente que sea alimentado, permite
su uso en circuitos con lógica CMOS, ó como acoplamiento o interface entre lógica CMOS a TTL. Esto
es posible porque las salidas de los seis separadores están dotadas de buffers (salidas de mayor potencia) que entregan una
corriente sustancialmente mayor que la mayoría de sus pares de En
realidad la función específica para la cual fueron creados, es justamente la
de acoplar etapas CMOS a TTL de manera directa, o sea que no hace falta el
uso de transistores. La
versión 4009 es de seis separadores inversores y la 4010 de seis no
inversores; las características eléctricas son iguales, y la utilización de
uno de ellos se determina por la necesidad o no de invertir la polaridad de
la señal de entrada. En
la figura 7 observamos las características que brinda El
terminal 8 corresponde a masa o VSS, y el El
terminal 1 o VCC, también se conecta al positivo de
alimentación, pero en este caso se hará a De
lo expuesto se desprende que todas las salidas de los separadores adoptan el
nivel presente en el terminal VCC,
independientemente de la magnitud de la señal de entrada, que naturalmente
tendrá el nivel de VDD. En
la figura 8 representamos las dos posibilidades, donde se aprecia claramente
lo dicho.
FLIP FLOP CON UN SEPARADOR 4010 Los
circuitos biestables o flip flops, son
probablemente los mas utilizados por la arquitectura interna de distintos
circuitos integrados; como ser flip flops propiamente dichos, registros de
desplazamiento, contadores, circuitos latch o
cerrojos etc., es por este motivo que no pierdo oportunidad en exponer las
distintas posibilidades que brindan algunos integrados para la realización de
un biestable; la experiencia me dice que saber
hacerlo, en algunas ocasiones evitará agregar otro integrado al circuito, con
el consiguiente ahorro de dinero y espacio en el circuito impreso. Probablemente
no haya nada mas fácil de realizar, que un flip flop sobre un separador no inversor CD4010, y la
versatilidad que ofrece es notable con respecto a otros circuitos, ya que
podemos lograr seis flip flops con entradas set y
reset independientes y también una línea de reset general. En
la figura 9 hemos representado el esquema de conexión de un flip flop a partir de
un solo separador 4010, como vemos se logra la entrada set
con un 1 y reset con 0. Luego,
en la figura 10 podemos apreciar este integrado con la confección de
dos flip flop en
los separadores correspondientes a los terminales 3-2 y 9-10, dejando los
demás libres. Si
desea realizar mas cantidad, incluso los seis, deberá armarlos del mismo
modo. Si no se desea la línea de reset general, no es necesario el uso del
transistor que alimenta el terminal VCC, en cuyo
caso este se conectará directamente a +B, al igual que VDD. El
funcionamiento es muy simple; Bien sabemos que para lograr un biestable es necesario efectuar un lazo de
realimentación positiva desde la salida a la entrada para mantener el estado
alto en
Las
entradas, terminales 3 y 9, cumplen la función de set
si se aplica un 1, y reset si se aplica un 0. La función de reset general se
logra, dejando por un instante, sin tensión el terminal
VCC, pues cuando esto sucede, las salidas de todos los separadores pasan a 0
y se resetean.
Esta
función puede lograrse con 1 o con 0 según el transistor que se utilice; si
es un NPN, el reset se logra con 0, porque este potencial en base lo lleva al
corte y deja el terminal VCC sin tensión. Si
por el contrario el transistor es PNP sucederá lo mismo cuando se aplique un
1 en la base. La
realización práctica en la plaqueta es sencilla y no merece mayores
comentarios. Los estados 1 y 0 se harán del mismo modo que en trabajos
anteriores, por medio de alambres de conexiones. Los
diodos led se conectan directamente a
través de resistencias de 2,2K. Si
lo desea, puede experimentar primero con un transistor en el reset general y
luego con el otro. Tenga cuidado con la polaridad para llevar al corte los
transistores, recuerde que si le da la contraria puede destruirlos. Lista
de materiales que envía el Instituto que se suman a los ya recibidos:
Es
probable que a esta altura del estudio haya pasado a mejor vida alguno de los transistores que le enviamos, por lo que incluimos
en la remesa actual 2 NPN y 2 PNP demás y sin cargo. Si esto le ha sucedido,
no se preocupe, recuerde que "Para hacer una tortilla hay que romper
varios huevos".......
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E-mail: E-mail: radioinstituto@gmail.com - Sitio
web: http://www.radioinstituto.com/ |
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El transistor se utiliza para lograr la realimentación necesaria para que el
circuito funcione, y se comporta del siguiente modo: En estado de reposo,
tenemos en el 
