LECCIÓN Nº 8
CIRCUITOS CONTADORES - TEMPORIZADORES
LOS INTEGRADOS CD4020, CD4040, CD4060 Y CD4541 - DIVISORES X 4, X8, Y POR UN NÚMERO CUALQUIERA - BASE DE TIEMPOS - RELACIÓN DE FRECUENCIA Y TIEMPO - RELACIÓN DE CICLO ACTIVO Y FRECUENCIA - TIMER PROGRAMABLE CON CD4541.
Cuando se trata de dividir una señal de frecuencia determinada, es necesario recurrir a los oficios de un integrado contador que realice tal división.
Si la necesidad es de dividir por 2, la solución es muy sencilla ya que con un simple flip-flop sabemos que se produce tal división, si fuera por 4, la operación continúa siendo sencilla porque simplemente se acopla la salida del primer flip-flop con la entrada del segundo y como éste vuelve a dividir por 2, finalmente en la salida del segundo se obtiene el resultado buscado.
Para una operación de este tipo puede utilizarse un flip-flop CD4013, que ya hemos estudiado, y la forma de conectarlos entre sí la vemos en la figura 1.
Si se necesita continuar la división por cifras mayores, podríamos seguir enlazando mas flip-flop de este tipo, pero es indudable que esto significará un derroche en tiempo, espacio, material y dinero totalmente innecesario dado que hay integrados específicos para este fin.
De lo expuesto se deduce que un circuito integrado contador está compuesto por una serie de flip-flops interconectados entre sí a fin de lograr la división de un número cualquiera.
Según la cantidad de biestables que contengan en su interior, será la cifra máxima de división que se obtenga. Cada Flip-flop es considerado como una etapa, y así figura en los manuales, de modo que lo observado en el esquema de la figura 1, bien podríamos considerarlo como un contador de 2 etapas. Cada etapa (flip-flop) divide por 2; la siguiente vuelve a dividir por 2 el resultado de la anterior y así sucesivamente con todas las etapas hasta llegar a la última.
La expresión binaria será en base a la potencia de 2 y de esta forma se obtiene la cifra de división según la etapa en que se tome la salida definitiva que necesitamos.
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Por ejemplo, el "contador" implementado en la figura 1 es de 2 etapas, por lo tanto la cifra de división que puede efectuar es la siguiente: Si se toma la salida en la primer etapa, 21 = 2 , o sea que divide por 2, en la segunda, 22 = 4, es decir divide por 4.
Hay contadores de distinta cantidad de etapas, algunos disponen de salidas en todas, en otros puede faltar una o mas, así es que tenemos el contador CD4024 que dispone de 7 etapas y todas tienen acceso. Veamos que factor de división se obtiene en la salida de la etapa 5a: 25 = 32 y el máximo posible será en la última o sea la 7a: 27 = 128.
Para quienes no estén muy prácticos en operaciones matemáticas de potenciación, le diremos que tomen una calculadora que permita acceder a una constante. ponga el número 2 como constante y luego X 1 y apriete la tecla =, el resultado será la división de la primer etapa, o sea 2; luego continúe apretando la tecla = para lograr el factor de las siguientes etapas. Así apretando 7 veces la tecla = (igual) partiendo del número 1, se obtiene el resultado del factor de división de la 7a etapa que será 128.
Si la calculadora no permite acceder a una constante, comience por multiplicar por 2 la primer etapa y continúe multiplicando por 2 los resultados obtenidos tantas veces como etapas quiera saber.
Por ejemplo, en este integrado, será así:
LOS INTEGRADOS CD4020, CD4040 Y CD4060
Estos integrados, al igual que el CD4024, son todos contadores binarios y están constituidos por una cadena de flip-flops que componen sus etapas. Debido a la limitación que impone la cantidad de terminales de su encapsulado, no todos tienen acceso a las salidas de todos los biestables, por lo general cuantas mas etapas tienen más salidas quedarán aisladas, pero en contrapartida se logran factores de división mas elevados.
El CD4020 es un contador binario de 14 etapas, tiene acceso a 12 de ellas y falta en las etapas segunda y 3a; el máximo factor de división obtenible, como ya hemos dicho está dado por la cantidad de etapas, por lo tanto es de 214 = 16.384.
El CD4040 es un contador de iguales características que el anterior pero de 12 etapas, por este motivo, al tener igual cantidad de patitas (16) es posible obtener salidas en todas las etapas, pero la cantidad de divisiones que se logran es bastante menor, en este caso es de 212 = 4096.
Con el CD4060 sucede algo similar al 4020, es decir que también poseemos 14 etapas con lo cual se alcanza el mismo número de divisiones, pero en este caso no se tiene acceso a las etapas 1a, 2a, 3a, y 11a, pero ofrece la posibilidad de armar un oscilador RC (resistencia-capacitor) en los terminales 9, 10, y 11. Este oscilador se puede armar o no, según la aplicación que se de al integrado, por ejemplo si se usa como temporizador, conviene realizarlo porque de otro modo hay que armar otro externamente con mas componentes y aplicar la señal a la entrada del pin 11.
Para efectuar una división con estos integrados lo primero que debe hacerse es determinar que salidas se van ha utilizar, y luego elegir el que nos permite realizarla, que muchas veces puede ser cualquiera de ellos. Sin embargo, y a modo de ejemplo, puede suceder que haga falta dividir una señal determinada por 2048, (211) que corresponde a la etapa 11a o mejor dicho al biestable Nº 11 de una cadena. Pues bien, en este caso no es posible usar el 4024 porque solo tiene 7.
Tampoco podemos usar el 4060 porque esta etapa no tiene acceso, en cambio puede utilizarse un 4020 o un 4040, ya que ambos superan la etapa 11a y disponen de esta salida.
En la figura 2 exponemos la información de estos integrados extraída del manual National.
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Hasta aquí hablamos de las divisiones que se obtienen en cada etapa y la cantidad máxima que ofrece cada integrado de acuerdo a los biestables que lo componen.
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Pero en realidad, no son muchas las veces que se necesite una división por una cifra coincidente con una sola de las salidas, sin embargo tampoco hay problemas para realizarla, vamos a ver como se consigue la división por un número cualquiera.
Si la cifra no supera la capacidad máxima del integrado, se usará uno solo, si fuera mayor deberán implementarse dos o mas en cascada hasta lograr la cifra buscada, del mismo modo que lo visto en la figura 1 con el 4013, es decir conectando la salida del primero con la entrada del segundo y acondicionando éste para la nueva división.
Vamos a clarificar este concepto con los siguientes ejemplos, usando para ello el integrado CD4040, si bien sabemos que podría ser otro. Figura 3 A y B.
En la figura 3, A y B, exponemos dos ejemplos de división; en A se trata de una de las divisiones mas simples, dado que la cifra 8 es coincidente con una salida, por lo que las demás se dejan al aire, es decir sin conexión.
En B, la división es por 51, y en este caso se utilizan 4 salidas para lograr este factor, de todos modos, aunque lleve mas elaboración sigue siendo sencilla.
Ahora veamos porque el integrado logra dividir por cualquier cifra:
Observe que el terminal de reset está conectado a positivo (1), mediante una resistencia de 10K, y a su vez, en este mismo terminal se conectan los ánodos de los diodos que forman el factor de división. Los cátodos de todos los diodos que se empleen, siempre se conectan a las salidas Q que correspondan.
Antes de iniciar la cuenta, todas las salidas Q se encuentran a potencial de masa, es decir 0, por lo tanto el reset también está a 0, porque los diodos en cuestión quedan en directa para este terminal y drenan la corriente que circula por la resistencia de 10K hacia las salidas.
Con un 0 en reset el contador está habilitado para efectuar la cuenta, la que efectivamente se produce en cada flanco de bajada, o transición negativa, de los pulsos de entrada.
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Continuamos la explicación con lo que sucede en A de la figura 3: El primer pulso de conteo, produce el cambio de estado de la salida Q1 llevando la misma a 1, el segundo pone a 1 la salida Q2, el tercero pone a 1 Q1 y Q2, el cuarto pone a 1 Q3, el quinto pone a 1 Q3 y Q1, el sexto pone a 1 Q3 y Q2 el séptimo pone a 1 Q3, Q2 y Q1, y el octavo pone a 1 la salida Q4.
En este momento aparece por un instante un pulso de salida de nivel alto. Decimos por un instante porque al cambiar a 1, el diodo conectado con el reset ya no "roba" la tensión que existía, porque pasa a tener el mismo potencial en ambos extremos (positivo en ánodo y cátodo), y de esta manera no conduce y aparece un 1 con el nivel positivo de fuente a través de la R de 10K que produce el reset general de todas las etapas del contador (ver la descripción general de la figura 2).
Ahora bien, una vez producido el reset, todas las salidas retornan a 0, también Q4, con lo que nuevamente la entrada reset pasa a 0 porque el diodo nuevamente drena la tensión de éste terminal hacia la salida Q4 que como ya hemos dicho volvió a 0. En esta condición el contador está nuevamente habilitado para continuar la operación de cuenta, por lo tanto se reinicia para cumplir un nuevo ciclo.
De acuerdo a este análisis, se observa que cada 8 pulsos en la entrada, el contador dará un pulso de salida en Q4, cumpliéndose la división por 8.
Preste atención a la secuencia de unos que van apareciendo en las salidas, y se dará cuenta que siguen el ritmo de conteo, y van adoptando una notación binaria que indica en todo momento la cantidad de pulsos que está contando. Ejemplo: contó 3 pulsos = Q1 y Q2 en estado alto (3 en binario).
En la figura B pasa lo mismo, pero solamente cuando todas las salidas en las que se han instalado diodos pasen a nivel alto dará el pulso de salida, y esto sucederá cuando el contador llegue a la división número 51.
Efectivamente, en ese momento las salidas Q6, Q5, Q2 y Q1 estarán en 1, que corresponde en binario al decimal 51, y de esta manera ninguno de los 4 diodos estará drenando a masa la tensión de reset, por lo que también dicha entrada pasa a 1 y lleva a 0 todas las salidas, reiniciándose un nuevo ciclo del mismo modo que en el caso anterior.
En el diseño de una etapa contadora, conviene primero dibujar una escala de columnas del sistema binario a fin de hallar fácilmente el número que le corresponde a la cifra decimal por la que queremos efectuar la división y debajo anotar las salidas Q del integrado que corresponden a cada dígito binario. Ya sabemos que el Q1 corresponde al dígito menos significativo, o lo que es lo mismo, a la columna de menor valor, que es la de la derecha, y la salida del divisor se toma de la última etapa de la izquierda que tenga un 1, y que corresponde al dígito mas significativo.
Luego vemos en las columnas cuales son las que tienen un 1 y a que salida Q corresponden, y simplemente se conectan diodos en todas (las que tienen un 1), siempre el cátodo hacia la salida y el ánodo hacia la entrada reset, dejando sin conexión las que no se utilizan, que son las que tienen 0.
Hemos incluido una tabla de éste tipo a modo de ejemplo en los esquemas A y B.
BASE DE TIEMPOS DE 50 HZ
En ocasiones es necesario disponer de una base de tiempos precisa de una frecuencia determinada, y si bien hay varias maneras de lograrlo, lo mas conveniente es realizar un oscilador de alta frecuencia y luego dividir por un factor que entregue finalmente la frecuencia que necesitamos.
Incluso si los requerimientos son de alta precisión, es necesario el uso de un cristal en el oscilador que asegure una frecuencia exacta y sin corrimientos.
Vamos a suponer que necesitamos una base de tiempos de 50 Hz para controlar un aparato determinado.
Lo mas sencillo de realizar es un oscilador astable de 50 Hz dotado de un preset que nos permita ajustar la frecuencia y ya está, podemos dar por resuelto el problema.
Pero en realidad no es tan así: Si con esta señal se gobierna un temporizador que establece un tiempo de acción de algún electrodoméstico,tal vez no haya problemas si sufre algún corrimiento entre
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48 y 52 Hz, que significa un error de un 5% aproximadamente en mas o en menos. Esto traerá como consecuencia que si dicho temporizador se programa para un tiempo de acción de una hora, o sea 60 minutos, puede llegar a funcionar en algunas ocasiones 57 minutos, y en otras 63 minutos.
Normalmente esta situación no acarrea inconvenientes, pero que pasa si los 50 Hz son utilizados como base de tiempo de un reloj horario ?, indudablemente este error puede llegar en el término de 24 horas a diferencias tan notables como una hora y 12 minutos de más o de menos que la realidad.
Con esta explicación queremos significar la importancia que puede tener una variación de pocos Hz cuando se trata de una frecuencia que ha sido tomada como base de tiempos de acción de distintas maquinarias o artefactos y la precaución que debe tomarse de acuerdo a la exigencia operativa del aparato. De ahí la importancia de realizar osciladores de alta frecuencia aunque la necesidad sea de una señal de baja frecuencia, la exactitud que se consigue es infinitamente superior, porque variaciones de pocos Hz se van perdiendo en las sucesivas divisiones y prácticamente no afectan el resultado final, por lo tanto se logra una estabilidad muy grande en la salida.
Por ejemplo, si la señal de 200.000 Hz que se aplica en la entrada del integrado de la figura 4 sufre un desplazamiento de 10 Hz en mas o en menos, el resultado final de la división no se verá afectado porque prácticamente no causa efectos; vamos a comprobarlo: 200.010 / 4000 = 50,0025 Hz.
Estos decimales, que corresponden a las milésimas de Hz, no causarán ningún problema.
En el caso anterior, 2 Hz de corrimiento, producían serios inconvenientes y en cambio con el uso de alta frecuencia y luego el divisor, 10 Hz o mas de desplazamiento no acarrean dificultades.
En la figura 4 representamos este contador divisor por 4000 que entrega salida de 50 Hz.
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Este circuito, al igual que los anteriores no ofrece mayores dificultades de montaje, solamente hay que conectar 6 diodos en las salidas Q indicadas en la tabla de arriba y que corresponden a las columnas que tienen un 1.
En todos los casos que se nos presenten donde sea necesario realizar un contador divisor por una cifra determinada, se debe proceder como sigue: Para ello vamos a tomar como ejemplo el esquema de la figura 4.
Partimos del oscilador, que en este caso lo hemos determinado en 200 Khz (200.000 Hz).
Luego buscamos el factor de división para lograr los 50 Hz, dividiendo 200.000 / 50, esto nos da un resultado de 4000, este resultado es el factor de división. 200.000 / 4000 = 50
Digamos que la frecuencia del oscilador puede ser cualquier otra, aunque siempre conviene que los resultados arrojen números enteros. Por ejemplo, si la frecuencia del oscilador fuera de 27000 Hz, el factor de división para conseguir salida de 50 Hz será: 27000 / 50 = 540, o sea que hay que preparar el integrado para que divida por 540.
Bien, sigamos con la explicación. Continuamos dibujando las columnas del código binario para luego anotar debajo de ellas los unos y ceros que formarán en binario el número decimal 4000.
Comprobamos sumando el valor de cada columna que tiene un 1 que no hay error; debe dar en decimal 4000.
Verificamos que el integrado tiene la cantidad suficiente de etapas que permitan esta división, el CD4040 tiene 12 y ya sabemos que permite un máximo de 212 = 4096, por lo tanto en este sentido es apto.
Luego anotamos en el gráfico que hemos confeccionado las salidas Q del integrado que correspondan a las columnas binarias.
Verificamos que el integrado dispone de salidas Q en todas las columnas que tienen un 1, el 4040 las tiene todas. Vea que en este caso el 4060, que tiene 14 etapas y permite factores de división mucho mayores, no resulta útil porque falta el acceso en la salida 11a, y en este caso es necesaria.
Podría obviarse alguno de estos pasos, pero nos parece que de este modo se trabaja con mayor seguridad y es mas difícil cometer errores.
Una vez comprobado que no hay errores, se procederá a conectar el integrado y sus componentes asociados.
El funcionamiento es igual que en los casos anteriores, o sea que cuando la división llega a 4000, las salidas del integrado adoptarán los estados altos y bajos correspondientes a este número en binario, que es coincidente a lo que habíamos anotado previamente en las columnas. De este modo todas las salidas en las que se han dispuesto los diodos estarán en 1, por lo tanto en el Q12 aparece el pulso y se produce el reset dando lugar a la iniciación de un nuevo ciclo de divisiones.
TIMER PROGRAMABLE CON EL INTEGRADO CD4541
Por lo general todas las publicaciones de electrónica presentan temporizadores y distintos Timers basados en un integrado muy conocido: el 555.
Este integrado tiene un sinnúmero de aplicaciones posibles, generalmente relacionadas con el control de tiempos y otras variables referidas a la conformación del ancho de los pulsos de salida, tal es así que en plaza y en distintos artículos escritos se lo conoce como "el temporizador 555"; oportunamente lo trataremos en profundidad en este curso.
Pero sucede que existe un circuito integrado poco conocido con el que se pueden realizar Timers y temporizadores muy versátiles, superiores en las prestaciones finales a las que podrían obtenerse empleando el 555, concretamente estamos hablando del CD4541.
Con este integrado se pueden realizar sencillos y precisos temporizadores programables en intervalos de segundos, minutos, horas y hasta días.
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FIG. 5 CARACTERÍSTICAS DEL INTEGRADO CD4541
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Las aplicaciones o usos que se pueden presentar son muy variadas, podemos citar algunos casos a modo de ejemplo.
Mantener encendido durante un tiempo preestablecido cualquier aparato eléctrico, como ser un ventilador, acondicionador de aire, el televisor, una lámpara, la iluminación de una vidriera etc. etc., solo será necesario programarlo con el tiempo de acción que se desee para mantener activado el artefacto conectado a la salida. En la figura 5 vemos las características de este integrado extraído del manual National.
Como podemos ver, de acuerdo a la descripción general del manual, el circuito está diseñado con un contador binario de 16 etapas y un oscilador integrado para ser usado con dos resistencias y un capacitor externos. Este contador es igual al CD4060 que hemos estudiado, solo que tiene dos etapas mas (16 en total) por lo que se consigue un factor de división mayor, 216 = 65536.
De hecho si quisiéramos podríamos realizar un temporizador de iguales características con el CD4060, pero no lograríamos este factor de división porque solo dispone de 14 etapas, por otra parte para lograr las prestaciones y versatilidad del que exponemos, hacen falta otros componentes externos que complican el diseño. Naturalmente nada de esto se justifica siendo que disponemos de un integrado que simplifica todo el desarrollo y se logra un producto de excelentes características con pocos componentes.
RELACIÓN DE FRECUENCIA Y TIEMPO
A continuación vamos a explicar la relación que existe entre la frecuencia del oscilador y el tiempo de acción del temporizador.
La frecuencia que se determine en el oscilador siempre está referida a Hertz (ciclos ó pulsos) por segundo, o sea que si se establecen 100 Hz, significa que en un segundo el oscilador genera 100 pulsos de onda cuadrada. Así también podemos hablar de frecuencias mucho menores, por ejemplo 1 Hz quiere decir que se forma un pulso por segundo; 0,5 Hz significa que en un segundo se habrá formado medio ciclo, por lo tanto en este caso la formación completa del pulso tarda dos segundos.
En la figura 6 se aclaran estos conceptos.
FIG. 6 RELACIÓN DE FRECUENCIA - TIEMPO
Como vemos en la figura 6, la primer columna tiene 8 pulsos que ocupan 1 segundo de la escala de tiempo, por lo que diremos que corresponde a una frecuencia de 8 Hz; la segunda tiene 3 pulsos en un segundo, por lo que la frecuencia será de 3 Hz; y así llegamos a la última que tiene un pulso que ocupa 4 segundos en formarse, por lo tanto la frecuencia, que siempre se relaciona con un segundo, será de 1 dividido 4 = 0,25 Hz. El ciclo completo se considera desde su inicio en la formación a la izquierda de la base, y termina en el final a la derecha de la base.
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Esto significa que a los fines de determinar la frecuencia, no es importante el ancho del pulso sino el período de tiempo que ocupa desde su inicio hasta el fin, o sea el ciclo completo.
El ancho determina el tiempo que está activo dicho pulso y que se expresa en porcentaje del ciclo total, en el caso de este ejemplo corresponde al 90%, es decir que considerando desde el inicio hasta el fin, se encuentra en estado alto el 90% del tiempo y el 10% en estado bajo. En la figura 7 ilustramos otros porcentajes de actividad que aclaran lo dicho.
FIG. 7 RELACIÓN DE CICLO ACTIVO Y FRECUENCIA
En A de la figura 7 vemos un pulso con actividad del 50% del ciclo total, dado que sobre 4 segundos de duración del ciclo completo, se mantiene en estado alto por 2 segundos.
En B la actividad es del 25% porque el estado alto se sostiene durante 1 segundo y el estado bajo por lo tanto es de 3 segundos.
En los tres casos expuestos los pulsos tienen anchos distintos que determinan el tiempo de actividad, pero la duración o período del ciclo completo es igual en los tres, o sea de 4 segundos, por ende la frecuencia no se modifica y por lo tanto continúa siendo de 0,25 Hz.
El tema del ancho de pulso o porcentaje de actividad es de suma importancia en determinadas circunstancias, por eso nos pareció importante tratarlo en esta lección, aunque en el caso del temporizador que nos ocupa no tiene relevancia.
Efectivamente, como en este circuito se usa un contador binario como base de tiempos (incluido en el integrado CD4541) , lo único que nos interesa es la frecuencia de reloj, independientemente del ancho que se conformen los pulsos.
Los tiempos que se obtienen en las distintas salidas de un contador binario tienen relación directa con la frecuencia de reloj y la base de un segundo que yá hemos dicho.
De este modo cada división que se produce introduce una demora proporcional a la frecuencia.
Suponiendo una frecuencia en el oscilador de 1 Hz (sabemos que es un ciclo o pulso por segundo) y tomamos la salida en el Q4, que corresponde a un factor de división por 8, la demora será de 8 segundos dividido por 2, o sea = 4 segundos.
Si en cambio la salida se toma en el Q16 que corresponde a un factor de división de 65536, la demora será de 65536 segundos dividido por 2 = 32768 segundos.
Estas cuentas son muy fáciles de realizar porque la frecuencia de 1 Hz es igual a 1 segundo, con frecuencias mayores o menores los resultados no serán "redondos".
Este integrado (4541) solo permite que la salida tenga acceso a las etapas 8, 10, 13 y 16, y se logra mediante la combinación de estados altos y/o bajos en los terminales 12 y 13.
