INSTITUTO TECNOLOGICO MUNICIPAL

INSTITUTO TECNOLOGICO MUNICIPAL

ANTONIO JOSE CAMACHO

GUIAS DE LABORATORIO DE ELECTRONICA INDUSTRIAL II

TEMA 6: CIRCUITO DIGITAL DE DISPARO

6. OBJETIVO

Analizar el funcionamiento de un circuito de control de potencia con TRIAC, utilizando un disparo digital mediante el uso del trigger schmitt y los monoestables redisparable. Observar las caractersticas de transferencia del optoacoplador utilizado en el circuito de disparo digital. Obtener el rango del potencimetro para la variacin aceptable del ngulo de disparo que permita tener mejor control de la potencia que entrega a la carga.

6.1 RECURSOS

Osciloscopio dual Fuente de energa de 12VAC(Transformador). Fuente de energa VDC Multimetro (anlogo o digital).6.2 MATERIALES

1. Optoacoplador MOC 3010

1- TRIAC

1- Transistor de 2N2222

1. Diodo zener de 5.2V

1- Circuito integrado 74LS123

1- Circuito integrado 74LS14

1- Puente rectificador

1. Resistencias de 180 ohmio

1. Resistencia de 220 ohmio

1- Resistencia de 470 ohmios

1- Resistencia de 2K2

1- Resistencia de 3K3

1- Resistencia de 5K6

1- Resistencia de 10K

1- Resistencia de 39K

1- Potencimetro de 500K

1. Condensador de 0.1uF 1.

1. Condensador de 4.7uF.

1- Condensador de 0.22uF

1- Lampara de 12V

6.3 HERRAMIENTAS

1. Proto board 1. Pinza planas 1. Corta fro o pela cable 1- Conectores (caimanes).6.4 INFORMACION BASICA

Hemos visto en las prcticas anteriores que presenta el triac como interruptor controlado para corriente alterna. En ella se mostraba el diac como elemento ideado, casi exclusivamente, para controlar el triac. Ahora bien, cuando se requiere en control preciso y en lo posible eliminar los ruidos generados por la conmutacin, el circuito se complica si se desea realizarlo a base componentes discretos.

Una vez ms, los avances tecnolgicos en la fabricacin de circuitos integrados han permitido obtener un buen nmero de ellos dedicados a este fin, y consiguiendo una reduccin muy considerable de la complejidad de sus circuitos asociados.

6.4.1 ETAPAS DE UN CONTROL DIGITAL

Figura 1. Etapas de un control de disparo digital

2.

A continuacin describimos la funcin de cada una de las etapas del circuito de control de disparo digital:

Una fuente de corriente continua C.C, a partir de la tensin de la red con limitador con diodo zener de tensin nominal de 6.2V, y corriente superior de 30 ma.

Una comparador don histersis variable, basado en un disparador Trigger-Schmitt, que compara una entrada de control proveniente del circuito sensor y una tensin de referencia y el 74LS14 que acta como monoestable redisparable.

Un detector de paso por cero que se activa la salida cuando la tensin alcanza un valor de cero. La misin de dicho circuito es proporcionar el cebado del triac, cuando dicha circunstancias es requerida desde el instante del cruce por la senoide de entrada logra dos efectos:

a) Cebar el triac, en el momento necesario conmutar una corriente de baja magnitud(el transistor y optoacoplador).

b) Inducir interferencias hasta la red y otros circuitos debido al bajo valor de corriente conmutada.

Un circuito de control de puerta que activa la salida cuando coinciden en su nivel activo al detector de paso por cero y la salida del comparador.

Una etapa de salida que entrega la seal de disparo al triac y que proporciona limitacin de corriente de salida (optotriac) y la carga resistiva.

6.4.2 DISPARADOR DE TRIGGER - SCHMITT

Este tipo de entrada utiliza un circuito umbral especifico que produce histresis, una caracterstica que proviene la conmutacin errtica entre estados cuando tensin de disparo que varia muy lentamente se encuentran en la cercana de un nivel crtico. Esto permite que se produzcan disparos fiables incluso cuando la entrada est variando tan lentamente a 1 voltio/segundo.

Figura 2. Grfica del voltaje de salida contra el voltaje de entrada de un disparador trigger-schmitt.

3.

La figura 2, muestra el voltaje de entrada contra el voltaje de salida de un disparador trigger- schmitt TT tpico. A medida que aumenta el voltaje de entrada, la salida permanece a un nivel bajo o valor de 0, hasta que el voltaje de entrada tenga un valor aproximado de 1.8V

En este umbral superior, la salida salta al valor lgico 1. Cuando el voltaje de entrada cae, la salida no regresa al valor lgico 0, sino hasta que el voltaje de entrada tenga un valor menor que el umbral inferior, que es aproximadamente de 0.8V. La diferencia entre el umbral superior e inferior recibe el nombre de histresis del disparador de schmitt TTL es de alrededor de un 1V.

6.4.3 USO DE UN DISPARADOR DE SCHMITT PARA CONVERTIR UNA ONDA IRREGULAR EN CUADRADA.

Figura 3. Uso del disparador schmitt, para obtener una onda cuadrada a partir de una onda senoidal.

El hecho de que el disparador trigger-schmitt, tenga histresis es la razn por la que puede utilizarse para obtenerse una onda cuadrada a partir de otra onda como la senoidal.

Conforme aumenta el voltaje de entrada y sobrepase el umbral superior, el voltaje de salida cambia de estado. El estado no cambiar de nuevo hasta que el voltaje de entrada tenga un valor menor que el voltaje umbral inferior.

Ntese que el voltaje de entrada slo desciende hasta 0.7V, con respecto a tierra. Esto se debe a que la parte inferior de la onda senoidal ha sido recortada por los diodos de recorte, se emplea una resistencia limitadora de corriente para introducir la onda senoidal.

La habilidad del disparador schmitt, para producir una onda cuadrada a partir de una senoidal puede emplearse para seales de reloj de 60Hz a 120Hz, muy precisa a partir de la red de energa elctrica.

4.

Figura 4. Usos del disparador schmitt, para obtener ondas cuadradas

Las compaas generadoras de energa elctrica deben de mantener con gran precisin la frecuencia de 60Hz de la red. Esta frecuencia puede emplearse con gran facilidad en aplicaciones digitales. La figura 4, muestra los tres mtodos para convertir una onda senoidal de corriente alterna en una onda cuadrada digital con niveles TTL.

6.4.4 RELOJ CON DISPARADOR TRIGGER-SCHMITT

Figura 5. Seal de reloj con un disparador schmitt. 5.

Un reloj es un oscilador, se le conoce con el nombre de multivibrador astable, y se utiliza en un circuito digital. La figura 5, muestra un reloj sencillo construido a partir de un disparador schmitt 74LS14. Cuando el punto A, tiene un nivel alto o 1 lgico el condensador se cargar a travs de la resistencia de 1K( y la entrada TTL, como se indica la figura 5. Cuando el voltaje del condensador alcanza el umbral superior del disparador trigger-schmitt, la salida del inversor cae a un voltaje 0V, o nivel lgico 0. Esto hace que el condensador se descargue a travs de la resistencia de 1K(, como se indica en la figura 5b.

Cuando el voltaje en el condensador desciende hasta el umbral inferior, la salida del inversor cambia de nuevo a 1 lgico, completando con esto un ciclo de reloj. Ntese que el condensador se carga con mayor rapidez que cuando se produce la descarga.

La frecuencia del reloj depende de la constante de tiempo RC de carga y descarga. -4

6.69 x 10

F = -----------------

C

El oscilador con disparador de trigger-schmitt se puede construirse con el CMOS 74C14. Al emplear un inversor CMOS, la impedancia de entrada es muy grande alrededor de unos 10M(, los significa que la entrada no acta como de suministro.

6.4.5 MONOESTABLES

Los monoestables son dispositivos multivibradores que slo tienen un nico estado estable. Normalmente un monoestable se encuentra en su estado estable, cambiando a su estado inestable slo cuando se dispara. Una vez disparado, el monoestable permanece en su estado inestable durante un determinado intervalo de tiempo, volviendo a continuacin a su estado estable. El tiempo que este dispositivo permanece en el estado inestable determina la anchura del pulso de su salida.

Figura 6. Monoestable bsico formado por compuertas.

6.

En la figura 6, se indica un monoestable bsico formado por una compuerta lgica y un inversor. Cuando se aplica un impulso a la entrada de disparo(trigger), la salida de la compuerta G1, pasa a un nivel bajo. Esta transicin de nivel alto a bajo se acopla por medio del condensador a la entrada del inversor G2. La presencia de un aparente nivel bajo en G2, hace que su salida pase a nivel alto.

Este nivel alto se realimenta a la compuerta G1, manteniendo su salida a nivel bajo. Hasta este punto, el impulso de disparo ha hecho que la salida del monoestable ~Q, sea un nivel alto. El condensador comienza inmediatamente a cargarse a travs de la resistencia R, hasta alcanzar su tensin mxima. La velocidad de carga esta determinada por la constante de tiempo RC.

6.4.6 MONOESTABLES NO REDISPARABLES

Figura 7. Funcionamiento de un monoestable no redisparable

Un monoestable no redisparable no responder a ningn impulso de disparo adicional, desde el momento en que se pasa a su estado inestable hasta que retorna a su estado estable. En otras palabras ignora cualquier impulso de disparo que ocurra antes que termine el perodo inestable. El tiempo que permanece el monestable en su estado inestable da la anchura del impulso de salida.

La figura 7, presenta un monoestable no redisparable, disparado por intervalos (a) mayores y (b) menores que su anchura de impulso, en el segundo caso los impulsos adicionales se ignoran.

El circuito integrado con referencia TTL 74LS121, es un monoestable no redisparable, esta previsto para conectarse a R y C externos. La s entradas A1 y A2 y B son de activacin para el disparo. La entrada RINT, est conectada a una resistencia interna de temporizacin de 2K(.

7.

Figura 8. Smbolo lgico del monoestable no redisparable 74121.

Cuando no se utiliza ningn componente de temporizacin externo y la resistencia de temporizacin interna RINT, se conecta a la fuente VCC.

Figura 9. Tres maneras de ajustar la anchura de los impulsos utilizando el monoestable 74LS121.

Caracterstica de la figura 9, se produce un impulso tpico de unos 30 ns de anchura. La anchura del impulso se puede ajustar entre 30 ns y 28 segundos utilizando componentes externos. La figura 9b, muestra una conexin de una resistencia interna 2K(, y un condensador externo. La figura 9c, ilustra la conexin de una resistencia y un condensador externo.

La anchura del impulso de salida se ajusta mediante los valores de la resistencia (RINT y REXT variable) y del condensador de acuerdo con la siguiente relacin:

Tw = 0.7 R. C ext

La resistencia R puede ser interna RINT y como Rext. Cuando R se expresa en K( y C ext en picofaradios (pF), la anchura del impulso se obtiene en (nS). 8.

6.4.7 MONOESTABLE REDISPARABLES

Un monoestable redisparable puede ser disparado antes de que retorne a su estado estable. El resultado del redisparo es una ampliacin de la anchura del impulso, como se indica en la figura 10.

Figura 10. Funcionamiento del monoestable redisparable.

El circuito integrado 74LS122 es un ejemplo de un monoestable redisparable con estrada de borrado (Clear). Tambin est diseado para aadir R y C externas como se indica en la figura 11. La entrada como A1, A2, B1 y B2 son entradas de activacin de disparo.

Figura 11. Smbolo lgico del monoestable redisparable.

Sin ningn componente adicional se obtiene un impulso de unos 45 nS de anchura. Se puede conseguir impulsos ms anchos mediante el uso de componentes externos. La frmula general general para calcular los valores de estos componentes para una determinada anchura del impulso (tW) es:

0.7

TW = 0.32 RCext( 1 + ------ )

R

9.

Donde 0.32 es una constante determinada por el tipo particular del monoestable, R, se expresa en K( y puede ser tanto la R interna como la externa, el condensador se expresa en picofaradios (pF) y tW en nanosegundos (nS). La resistencia interna vale 10K(.

Figura 12. Circuito de control AC, con SCR con disparo digital.

La figura 12, se observa el circuito de control de compuerta formado por el circuito del diodo zener, los circuitos integrados 74LS14 y 74LS123.

Figura 13. Estructura interna de los integrados 74LS14 y 74LS123

10.

El circuito integrado 74LS123, es un doble monoestables redisparable que se dispara con la aplicacin del flanco ascendente del pulso sincronismo a su entrada al (pin 2), representado en la figura 13. El tiempo ( de este pulso esta dado por la constante 0.1uF y el potenciometro P1. Cuando el potenciometro este en 0, la resistencia del circuito es de 5K6, este valor hace que el flanco ascendente del pulso este muy cerca del cruce por cero de la onda senoidal.

Figura 14. Etapas del circuito de control de disparo digital

La salida del primer monoestable (pin 13), se aplica al entrada del segundo monoestable (pin 9). Esta salida se inicia con el flanco de bajada del primero y su tiempo de duracin t2, depende del valor 0.2uF y la resistencia de 3K3. La salida negada del (pin 12), monoestable redisparable del 74LS123 se lleva a la compuerta del trigger- schmitt (pin 9). Este pulso se aplica a la base del transistor Q1.

6.4.8 FORMAS DE ONDA DEL CIRCUITO DE DISPARO DIGITAL

Figura 15. Formas de onda de la salida de los pines de los integrado 74LS14 y 123

11.

6.5 DESARROLLO DE LA ACTIVIDA NUMERO SEIS

A) PREINFORME

1. Investigar sobre las caractersticas elctricas en DC y AC, de los circuitos integrados 74LS14 y 74LS123.

2. Analizar el funcionamiento del circuito propuesto de la figura 13.

3. Debe de tener presente los ngulos de disparo y conduccin a 50, 75, 120 .

4. Los circuitos deben de traerlos armados en cada seccin de los laboratorios que les sirve como preinforme y tiene un valor del 40%.

DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD1. Armar el circuito de la figura 13.

a) Identificar cada una de las etapas de circuito de disparo digital con TRIAC.

b) Instalar el transformador 506, con 12 VAC el puente rectificador y la etapa de potencia con 20 VAC en los puntos A y B.

c) Instalar la fuente de 5VDC, para alimentar los integrados 74LS14 y 74LS123.

d) Variar el potenciometro de 500K( para el disparo del circuito en los siguientes ngulos 50, 75 y 120

e) Medir y dibujar las formas de onda en cada uno de los siguientes terminales:

f) Terminal TP1 y TP8g) Terminal TP2 y TP8h) Terminal TP3 y TP8i) Terminal TP4 y TP8j) Medir los voltaje de polarizacin del transistor Q1 VCE:_______ ; VBE: _______

k) Medir y dibujar la forma de onda del voltaje entre nodo y ctodo VAK: __________ entre los terminales TP6 y TP7 con el ngulos de disparo de 25.

l) Medir y dibujar el voltaje carga VRL:____________ entre los terminales TP5 y TP6 con el ngulo de conduccin de 50.

m) Dibujar las formas de onda en cada uno de los terminales y ngulos de disparo y conduccin de 75 y 120.

n) Terminal TP1 y TP8o) Terminal TP2 y TP8p) Terminal TP3 y TP8q) Terminal TP4 y TP8.

r) Medir y dibujar las formas de onda de los voltaje entre nodo y ctodo entre los terminales TP6 y TP7 con los ngulos de disparo 75 VAK:__________ V y 120 VAK:___________V.

s) Medir y dibujar el voltaje de carga para los ngulos de conduccin 75 VRL:__________ V y 120 VRL:____________V. En los terminales TP5 y TP6.

INFORME

Deben de presentar:

a) 12.b) Clculos y mediciones realizadas en los circuitos.(25%)

c) Hacer una sntesis del funcionamiento del circuito.(25%)

d) Resolver las preguntas de la evaluacin. (25%)

e) Sacar las conclusiones generales. (25%).

EVALUACION

1. Explique. Por qu motivo la seal del terminal TP1 sale recortada?.

2. Qu sucede con el voltaje de la carga resistiva cuando se varia el potenciometro P1 de 500K(?.

3. Enumere algunas aplicaciones del circuito de disparo digital.

4. Cul es funcin del optoacoplador en el circuito de disparo digital?.

5. Cul es la frecuencia del oscilador de la figura 13?.

6. Explique la diferencia que existe entre monoestables redisparables y no redisparable.

7. Calcular los elemento del circuito como la resistencia y condensador exterior Rext y Cext utilizando los tiempos de impulso de la figura 9.

8. Explicar la diferencia entre los siguientes 74LS122 y 74LS123.13.

LIMITADOR DE CORRIENTE C.C DE ALIMENTACION

COMPARADOR

DISPARADOR TRIGGER-SCHMITT

MONOESTABLE REDISPARABLE

DETECTOR DE PASO POR CERO

ETAPA DE SALIDA

OPTOACOPLADOR - TRIAC

TP1

Rb

Q1

TP7

A

B

74C14

DETECTOR POR CRUCE DE CERO

ETAPA DE SALIDA

Puntos A B = 20VAC