En la Parte 2 del Curso de Electrónica Digital, obtendrá una mejor comprensión de la importancia de la electrónica digital en comparación con la electrónica analógica. Si podemos elegir entre dos niveles de voltaje diferentes sin tener que preocuparnos por controlar la diferencia de potencial real de la señal, el sistema se vuelve mucho más simple tanto a nivel de software como de hardware. En la segunda entrega del curso de Electrónica Digital de EEWeb, veremos las aplicaciones prácticas de este tipo de electrónica. Por lo tanto, se espera que el lector tenga cierta familiaridad con la electrónica analógica.
Tabla de contenido
Un caso real: un ventilador con termómetro
Supongamos que tenemos un sistema formado por: Figura 1:
- Sistema de poder;
- Circuitos electrónicos de control y accionamiento.
- Sensor de temperatura;
- La carga eléctrica representada por el ventilador.
El funcionamiento del sistema incluye encender el ventilador cuando la temperatura ambiente supera los 30°C. El mismo ventilador se apaga cuando la temperatura desciende por debajo de los 30°C. La histéresis no se aborda actualmente. Implementar el sistema es muy fácil y conveniente con un microcontrolador, pero es muy útil entender cómo manejar este problema con la electrónica discreta tradicional.
Figura 1: Diagrama de bloques del sistema analógico que consta de fuente de alimentación, circuito de control, sensor de temperatura y ventilador
La primera solución es: Figura 2Aquí el esquema usa un sensor LM35 que es un termómetro de precisión y da 10 mV por cada grado Celsius. Esta salida es muy lineal. La potencia de salida del circuito integrado LM35 suele ser muy baja y difícil de usar directamente. Por ejemplo, al ver una temperatura de 27 °C, el voltaje es de solo 0,27 V, lo que es difícil de manejar directamente. Por lo tanto, esta señal se envía a la operación LM358. amplificadorTambién se puede utilizar con una sola fuente de alimentación. Aquí la señal se amplifica por un factor de 10 debido a la acción de las dos resistencias R4 y R5. Luego, la salida se envía a un segundo amplificador operacional. Esta vez tiene la función de un comparador y está programado para activarse cuando un voltaje superior a 3 V (correspondiente a una temperatura de 30°C exactamente) llega a la entrada no inversora. Gracias al uso de las resistencias R6 y R7 que juntas forman un divisor de voltaje. La salida del segundo opamp teóricamente asume solo dos estados y activa el transistor tipo NPN Q1 para hacer funcionar el ventilador.
Figura 2: Esquema del termostato del ventilador digital
El circuito está dividido en muchos bloques lógicos fáciles de entender y todos los componentes electrónicos están precalculados. Es interesante mirar el oscilograma y observar la gráfica en los puntos más críticos del circuito. figura 3.Alimentado por tensión de 12 V CC. Cambiar esto reemplazará las resistencias en el divisor de voltaje y permitirá comparar los voltajes de activación. El primer gráfico anterior (negro) muestra la curva del termómetro en el dominio de la temperatura. En este ejemplo, está entre 0°C y 60°C. La siguiente tabla muestra el voltaje en la salida del sensor LM35 a medida que cambia la temperatura. Esto demuestra la extrema linealidad de los circuitos integrados.
temperatura | Salida LM35 |
| 0℃ | 0V |
| 7°C | 70mV |
| 15℃ | 150mV |
| 27°C | 270mV |
| 33°C | 330mV |
| 51°C | 510mV |
| 89°C | 890mV |
| 105°C | 1,05 V |
| 120℃ | 1,20 V |
El segundo gráfico (azul) muestra la tendencia de la señal en la salida del primer opamp. Se amplifica por un factor de 10 para hacerlo más manejable en etapas posteriores del circuito. El tercer gráfico (verde) muestra la señal a la salida del comparador. Nótese que se activa a 300 mV para una temperatura de 20°C. Finalmente, el último gráfico (en rojo) muestra la corriente a través del ventilador. El valor de esta corriente es de aproximadamente 100 mA, la corriente la soporta completamente el transistor Q1.
Aquí hay un esquema más simple pero completamente equivalente al anterior. Figura 4Solo se utilizan amplificadores operacionales con funciones de comparación. No hay etapa de amplificación, pero el resultado se puede obtener cambiando los valores de las resistencias de partición R6 y R7. Sus valores le permiten elegir un voltaje muy bajo fijo en el nivel detectado por el termómetro LM35. Si el circuito opera a 30°C, estas dos resistencias deben elegirse con valores tales que el divisor de voltaje proporcione un voltaje de aproximadamente 300 mV (el voltaje que fluye hacia la terminal inversora del amplificador operacional). Por lo demás, el funcionamiento del circuito es el mismo que el anterior. Se puede usar un trimmer o potenciómetro en serie con la resistencia R6 para ajustar con precisión el nivel de actuación del termostato.
detección a largo plazo
El circuito anterior se puede utilizar de manera fija y estable incluso en las ubicaciones más diversas.ilustración de Figura 5 Muestra los dispositivos activos en intervalos de 24 horas. Como se puede ver en la figura, el comportamiento digital de la salida es prerrogativa total del diseñador, el ventilador solo se enciende cuando la temperatura ambiente (traza analógica negra) supera los 30° C, corregido por la traza roja. Como puede ver, el estado lógico de la salida está bien definido, el sistema espera solo dos estados lógicos, 1 y 0 (o encendido y apagado), y la tendencia relativa se muestra en el gráfico azul a continuación.
Figura 5: Un termostato digital activa y desactiva el ventilador cada 24 horas.
histéresis
En el sistema anterior que acabamos de observar, hay un pequeño rango de temperatura (u otra cantidad física) sobre el cual el circuito tiene dificultad para cambiar las cargas. Esta es la pequeña brecha de voltaje donde el sistema tiene “incertidumbre” al decidir si encender o apagar la salida lógica. En otras palabras, el nivel a comparar está en una posición de equilibrio que es difícil de evaluar hasta cierto punto, y puede ser muy difícil juzgar si es el valor ON o el valor OFF. Las soluciones anteriores pueden haber introducido fluctuaciones de conmutación en esta misma posición de equilibrio. En tales casos, el sistema inicia un cambio de un estado lógico a otro. Esto se debe a que el punto de medición está exactamente a medio camino entre los dos estados lógicos. Claramente, esto es algo que debe evitarse, especialmente en los dispositivos de potencia, que pueden destruirse fácilmente si la conmutación se produce muy rápidamente. Suponga que la temperatura medida por el sensor es exactamente 30° y el clima tiene muy poca variación. El voltaje analógico del sensor LM35 está determinado por la fórmula:
donde x es el tiempo (entre 0 y 24) como mínimo y máximo de la función. Es precisamente en esta situación que el sistema comienza a oscilar cuando la señal proporcionada por el sensor pasa por el punto central de comparación. La carga puede comenzar a encenderse y apagarse muy rápidamente de manera descontrolada. Este diagrama muestra la salida de señal de voltaje incierto por el sensor de temperatura (abajo) y la corriente que fluye a través del ventilador (arriba) en una secuencia que puede destruir el circuito. Esto debe evitarse a toda costa. La salida del comparador (similar a lo observado en la figura anterior) será ALTA o BAJA dependiendo del resultado de la comparación de la señal de entrada y la señal de referencia. Si la señal de entrada salta sobre el punto de conmutación central debido al ruido o la vibración, la salida se activará y desactivará de forma no deseada. Para evitar tales problemas, se utiliza un disparador Schmitt (consulte el esquema de la aplicación). Figura 6), que utiliza dos voltajes de referencia diferentes separados entre sí por un cierto valor. Esta diferencia se llama histéresis. Si el ruido es menor que la histéresis, el comparador no cambia aleatoriamente y el sistema es inmune a fallas. En este esquema, se invierte un comparador con histéresis. Es decir, la señal de salida está desfasada 180° con respecto a la entrada. Es decir, los niveles lógicos están invertidos. Para evitar este problema, se utilizan transistores PNP. Esto permite que la carga se encienda cuando la señal es baja en la base y viceversa.
FIGURA 6: ESQUEMA DEL TERMOSTATO CON HISTÉRESIS
Figura 7 muestra gráficos de la corriente a través del ventilador con histéresis (segundo gráfico) y sin histéresis (tercer gráfico). El primer gráfico muestra la señal de un termómetro electrónico afectado por el típico ruido sinusoidal. Los circuitos con histéresis rechazan mucho ruido, por lo que el sistema es inmune a las señales no deseadas. La línea roja indica el punto donde se produce el cambio de estado lógico correspondiente a una temperatura de 30° C (300 mV). Tenga en cuenta que una vez que la señal del sensor cruza esta línea roja, pueden comenzar los efectos de incertidumbre y el sistema puede “confundirse”.
Figura 7: Un circuito sin histéresis puede comenzar a oscilar en el punto central de comparación, encendiéndose y apagándose rápidamente.
Conclusión
En el próximo episodio del curso de Electrónica Digital, veremos cómo los circuitos integrados especializados han facilitado el diseño y la construcción de circuitos digitales. Los circuitos digitales de todo tipo son muy potentes hoy en día, pero su diseño es mucho más simple que sus contrapartes analógicas. El lector debe comprender que cualquier sistema puede realizarse mediante la interacción entre dos niveles lógicos diferentes, la lógica verdadera (1) y la lógica falsa (0).
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