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 LA PLAQUETA DE ENSAYOS.
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 la firma NATIONAL. En sucesivas entregas estudiaremos otros integrados basándonos en la información que brinda este manual.
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 
. 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 terminal 1 del separador un nivel bajo (0) a través de la resistencia de 1M conectada a masa, por lo cual la salida del mismo, terminal 2, está a nivel alto (1).
. 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 terminal 1 del separador un nivel bajo (0) a través de la resistencia de 1M conectada a masa, por lo cual la salida del mismo, terminal 2, está a nivel alto (1). 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).
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Cuando se aplica una señal de nivel alto en la entrada Set, (pin 1), la salida del inversor cambia a 0, ahora la base del transistor se polariza negativamente y conduce a pleno, por lo que en colector tenemos toda la tensión de fuente (1), la cual se aplica a la entrada Set a través de la resistencia de 10K, produciéndose de este modo la realimentación que mantiene el estado alto en la salida Q.
La entrada Reset, se corresponde con la base del transistor, por lo tanto en el momento que apliquemos un 1 en este sitio, este pasará al corte, la tensión de colector cae a 0 V, la entrada set también cae a 0 V, la salida del inversor pasa a 1 y el transistor se mantendrá al corte aún cuando se haya retirado la señal que dio origen a este nuevo cambio de estado.
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
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correspondiente resistencia de limitación que se conecta en la salida Q (colector del transistor) a fin de visualizar los cambios de estado. Por supuesto también hará las comprobaciones con la sonda.
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.
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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 la salida Q del circuito (pin 8), por ese motivo la resistencia de limitación es de valor mas alto que lo habitual (2,2K), a fin de no sobrecargar la salida del integrado. Si bien el brillo será menor, igual podremos ver los cambios claramente.
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.
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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 0 a través de R1, por lo tanto la salida (pin 2) está en 1; por medio de R2 este 1 se encuentra presente en el pin 9 que es la entrada reset, por consiguiente la salida Q correspondiente al terminal 8 está en 0.
(pin 2) está en 1; por medio de R2 este 1 se encuentra presente en el pin 9 que es la entrada reset, por consiguiente la salida Q correspondiente al terminal 8 está en 0. El diodo D1 conectado en directa desde la salida Q no tiene actuación por el momento porque el potencial en ambos extremos es 0. Ahora realizamos un toque mediante el alambre de conexiones desde la línea de + B sobre la entrada set (pin 1), y los estados pasan a: Salida (pin 2) 0. Entrada reset (pin 9) 0. Salida Q (pin 8) 1. Ahora el diodo D1 realimenta el 1 de esta salida a la entrada set y el circuito se mantiene en este estado.
(pin 2) 0. Entrada reset (pin 9) 0. Salida Q (pin 8) 1. Ahora el diodo D1 realimenta el 1 de esta salida a la entrada set y el circuito se mantiene en este estado. 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 (pin 2) pasa a 1.
(pin 2) pasa a 1. 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.
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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 la salida Q (pin 8) pasa a 1; en esta condición el capacitor electrolítico C1 comienza a cargarse a través de R3.
El diodo D3 no tiene acción todavía porque se encuentra en oposición a la tensión presente en la salida Q. En cambio el diodo D2 está conectado en directa desde el electrolítico al pin 9 (reset).
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 la salida Q, conectamos el diodo led en la salida negada invirtiendo la polaridad del mismo, o sea que se alimenta desde el +B. Esto puede hacerse en cualquier circuito, y el resultado será el mismo.
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.
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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 la familia CMOS, como ya hemos estudiado.
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 la empresa NATIONAL sobre estos integrados.
El terminal 8 corresponde a masa o VSS, y el 16 a VDD o positivo de fuente. Al decir positivo de fuente, nos referimos a la fuente de alimentación que corresponde a las etapas CMOS en todos los casos.
El terminal 1 o VCC, también se conecta al positivo de alimentación, pero en este caso se hará a la fuente TTL si es utilizado como interface CMOS a TTL, y a la fuente CMOS si se utiliza para acoplar a otras entradas CMOS, o sea que adapta el nivel de salida con la tensión aplicada.
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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.
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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 la misma. Con estos separadores esta realimentación se logra con uno solo, si fueran inversores son necesarios dos como ya vimos en la figura 4 (CD4069). Pues bien, las resistencias de 10K se encargan de lograr esta realimentación. (Este valor de 10K puede ser mucho mayor, incluso mas de 1 Meghom).
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.
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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:
| 1 - Circuito integrado CD4069 1 - Circuito integrado CD4010 2 - Transistoes BC547 (NPN) 2 - Transistores BC557 (PNP) | 2 - Resistencias de 1M 2 - Resistencias de 2,2M 2 - Resistencias de 10K 2 - Resistencias de 220K | 1 - Electrolítico de 1 Mf 1 - Electrolítico de 22 Mf |