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Oscilador biestableProyecto final física III
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1/1/2015201
5
Instituto tecnológico de santo domingo
Área de ciencias básicas
Física III
Sección 04
Oscilador biestable
Luciano Sbriz
Leanny Polanco 1054233
Jesé Quezada Martínez 1053361
Melvin Casado Pimentel 1055673
31-03-15
Tabla de contenido Introducción......................................................................3
Marco teórico....................................................................4
Objetivos..........................................................................6
¿En qué consiste?.............................................................6
Cálculos y presentación de resultados...........................13
Conclusiones...................................................................15
Bibliografía.....................................................................16
Introducción
Oscilador biestable Marco teórico
Protoboard o breadbord
Es una especie de tablero con orificios, en la cual se pueden insertar
componentes electrónicos y cables para armar circuitos. Como su nombre lo
indica, esta tableta sirve para experimentar con circuitos electrónicos, con lo
que se asegura el buen funcionamiento del mismo.
Estructura del protoboard: Básicamente un protoboard se divide en tres
regiones:
A) Canal central: Es la región localizada en el medio del protoboard, se
utiliza para colocar los circuitos integrados.
B) Buses: Los buses se localizan en ambos extremos del protoboard, se
representan por las líneas rojas (buses positivos o de voltaje) y azules (buses
negativos o de tierra) y conducen de acuerdo a estas, no existe conexión
física entre ellas. La fuente de poder generalmente se conecta aquí.
C) Pistas: La pistas se localizan en la parte central del protoboard, se
representan y conducen según las líneas rosas.
Resistencias
Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso
por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de
circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o
consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga,
resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica.
Capacitores Electrolíticos
El capacitor electrolítico es un elemento polarizado, por lo que sus
terminales no pueden ser invertidas. Generalmente el signo de polaridad
viene indicado en el cuerpo del capacitor.
El inconveniente que tienen estos capacitores es que el voltaje permitido
entre sus terminales no es muy alto. Si fuera necesario cambiar
este capacitor, se debe buscar uno de la misma capacidad y con un voltaje
igual o mayor al del capacitor dañado
Transistores NPN
Es un transistor bipolar NPN de baja potencia de uso general.
Sirve tanto para aplicaciones de amplificación como de conmutación. Puede
amplificar pequeñas corrientes a tensiones pequeñas o medias; por lo tanto,
sólo puede tratar potencias bajas (no mayores de medio Watts). Puede
trabajar a frecuencias medianamente altas.
Objetivos///////////////////////
¿En qué consiste?
Un Oscilador biestable, astable o multivibrador biestable es un circuito
básico conformado por transistores, resistencias y capacitores que se
compone de dos estados fundamentales con salidas lógicas de 0 y 1:
Estado 1: Q1 conduce, Q2 en corte
Un astable tiene dos estados, y ambos son inestables, de forma que el
circuito alterna continuamente uno con otro. Empecemos por el estado 1.
Al comienzo del estado 1:
Q1 está en conducción.
Q2 está en corte.
C1 está cargado positivamente con un potencial de Vcc - 0.7.
C2 está cargado negativamente (el terminal + está a menos tensión que el -)
con un potencial de -0.7V.
Como Q2 está en corte vamos a considerar que no pasa corriente por sus
terminales. Así imaginariamente sacamos Q2 del circuito. Como Q1 está en
conducción, su unión Base-Emisor es como un diodo polarizado en directo
(sustituimos esta unión por un diodo); y al estar saturado suponemos que la
pérdida de tensión Emisor-Colector es mínima
C2 va a cargarse a través de R4 y la base de Q1. Así pues C2, que empezó
con -0.7V va a cargarse hasta Vcc-0.7V (no llega a Vcc porque 0.7V es la
caída de tensión B-E de Q1). Y además esta carga será muy rápida porque
R1 y R4 serán de un valor muy bajo comparadas con R2 y R3.
Mientras tanto C1, que partía con Vcc-0.7 voltios positivos, ahora está
conectado del revés. Así que empieza a descargarse (o a cargarse
negativamente, da igual) a través de R2. Esta carga será más lenta. Desde
los Vcc-0.7 hasta... en teoría hasta -V (pongo el menos para indicar que está
invertido), pero no va a llegar ahí. Porque cuando C1 alcanza los -0.7V, su
terminal + está a masa y el - tiene ya 0.7V, y este último está conectado a la
base de Q2. ¿Qué pasa cuando a un NPN le aplicamos a su base 0.7 voltios
más que a su emisor?
La tensión BE de Q2 es 0.7 más o menos, mientras la tensión en la base esté
por debajo de ese valor no va a conducir. En el momento en que se alcanza
esa tensión ya sí conduce. La base de Q2 queda polarizada a través de R2.
Recordemos que a estas alturas C2 se había cargado completamente hasta
Vcc-0.7. Pues cuando Q2 pasa a conducción conecta a masa el terminal + de
C2, mientras el - sigue aplicado a la base de Q1. Es como si se aplicara el
condensador, invertido, a Q1. La base de Q1 recibe de golpe -(Vcc-0.7) que
lo lleva inmediatamente al corte. Pudiendo incluso provocar una ruptura de
la unión por avalancha. En estas condiciones entramos al estado 2.
Estado 2: Q1 en corte, Q2 conduce
Tal como hicimos para el estado 1, vamos a describir las condiciones
iniciales del estado 2. Que son las del párrafo anterior.
Al comienzo del estado 2:
Q1 está en corte.
Q2 está en conducción.
C1 está cargado negativamente con un potencial de -0.7V.
C2 está cargado positivamente con un potencial de Vcc - 0.7.
Haciendo lo mismo que antes, vamos a eliminar Q1 del circuito y vamos a
sustituir Q2 por un diodo y un puente:
Vemos que C1 va a ir desde -0.7V hasta los Vcc-0.7V, rápidamente pues R1
es pequeña.
C2 va a (des)cargarse lentamente a través de R3 desde los Vcc-0.7V hasta -
0.7V. Porque cuando llegue ahí Q1 va a conducir, va a llevar a masa el + de
C1 y va a aplicar a la base de Q2 toda la carga de C1 invertida, llevándolo al
corte. Y provocando el estado 1 de nuevo.
Vemos que cuando eso pase tendremos:
Q1 está en conducción.
Q2 está en corte.
C1 está cargado positivamente con un potencial de Vcc - 0.7V.
C2 está cargado negativamente con un potencial de -0.7V.
Que son justamente las condiciones iniciales que dimos para el estado 1. Así
el ciclo se repite indefinidamente.
Calcular los componentes
Para empezar, nos interesa que los condensadores se cargen por R1 y R4
más rápidamente de lo que se descargan por R2 o R3. Porque cuando ocurra
la transición queremos que el otro ya esté cargado. Así que R1 < R2 y R4 <
R3. Por simplicidad haremos R1 = R4. Pero no nos interesa que la corriente
que fluye Emisor-Colector durante la carga queme los transistores.
Dependiendo de la tensión de alimentación, un valor entre 100ohm y 1k
estaría bien. Recordad cumplir las condiciones anteriores.
El tiempo que tarda en conmutar del estado 1 al estado 2 viene dado por lo
que le lleva a C1 descargase desde los Vcc-0.7V hasta los -0.7V. Lo hace a
través de R2, y usando la ecuación de carga de un condensador tenemos:
Donde:
Tensión inicial: V0 = Vcc-0.7
Tensión en bornes: E = - Vcc
Tensión final: V = -0.7
Este último valor es el que suele darse habitualmente. La aproximación tiene
un margen de error que es menor cuanto mayor sea la tensión de
alimentación. Con 5V el error es de un 10%, como es del mismo orden que la
tolerancia de los componentes se admite tal aproximación.
Límites
Transistores: Cuando el transistor que estaba en corte pasa a conducir,
aplica a la base del otro una tensión negativa de -(Vcc-0.7V). La tensión
inversa de ruptura de la unión BE viene a ser -5 voltios. Si alimentamos este
circuito con más de 5V fácilmente la superaríamos. Para evitar esto a veces
se colocan dos diodos en la base de Q1 y Q2 que permitan la carga pero
impidan que circule corriente en sentido inverso.
Condensadores: Para un cerámico o uno de poliester no hay problema, pero
en un electrolítico invertir los terminales para cargarlo del revés puede
destruirlo. Si bien es cierto que aquí sólo se llegan a cargar invertidos hasta
los 0.7V.
Tiempo: El tiempo viene determinado por la capacidad de C1 y C2 así como
por R2 y R3. Mientras más altos sean estos valores más durará cada estado.
Pero si usamos unos condensadores demasiado grandes, puede que tengan
demasiadas pérdidas y el circuito no empiece a oscilar. Igualmente para las
resistencias, si aumentamos demasiado el valor de R2 por ejemplo, puede
que no pase corriente bastante para polarizar la base de Q2 una vez se
alcance la tensión de disparo. Si no puede llevarlo a conducción, no se
alcanzará nunca el estado 2. Si se necesitan retardos mayores se puede
optar por transistores darlington, aunque dado el coste de los condensadores
de la capacidad necesaria es mejor optar por otros temporizadores como el
NE555 o el CD4060.
Frecuencia: Así como hay un límite superior del periodo, también hay un
límite inferior. Puede pasar que queramos un periodo tan bajo que usemos
condensadores y resistencias muy pequeños. Entonces al conectar el circuito
se cargarán ambos casi al instante, para dos los transistores. Así el circuito
queda en un estado estable y no oscila. Por no hablar de que a esas
frecuencias si oscilara sería muy inestable, variando la frecuencia sólo con
acercar o alejar la mano. Si queremos frecuencias de MHz tendremos que
usar otros osciladores, a ser posible sintonizados por un cristal de cuarzo.
Fijar el estado inicial
Si el circuito es perfectamente simétrico no oscilará, porque está equilibrado.
Pero eso nunca pasa porque los componentes tienen tolerancias e
imperfecciones. No hay dos resistencias del mismo valor ni dos transistores
con la misma ganancia. Son estas diferencias las que rompen la simetría y el
circuito empieza a oscilar.
Pero son diferencias microscópicas y dependen de tantos factores que no las
podemos controlar: temperatura, carga residual de los condensadores,
longitud de las patillas, soldaduras, grosor de las pistas de cobre, etc. Así
que nunca sabemos de qué lado empezará.
Para hacer que siempre empiece del mismo lado tenemos que romper
nosotros la simetría para favorecer un transistor frente al otro. Lo más
sencillo es alterar el valor de los componentes para que un condensador se
cargue antes que el otro. Lo malo es que el Duty Cycle (la fracción entre el
tiempo en off y el tiempo en on) nunca será del 50%, porque al favorecer
nosotros una de las posiciones, los ciclos de carga y descarga ya no durarán
lo mismo.
La única forma de hacer que ambos ciclos duren lo mismo (salvo pequeñas
diferencias) y que siempre empiece por el mismo sitio es forzándolo
nosotros: en lugar de poner el interruptor en la alimentación, ponerlo en la
base de algún transistor.
Nada más alimentar el circuito llegará a un estado que dependerá de dónde
hayamos puesto el interruptor. Y no hará nada más, porque esta incompleto.
Cuando pulsemos el interruptor el circuito oscilará partiendo de ese estado
inicial que siempre será el mismo. La desventaja es que siempre habrá un
consumo de corriente aunque el interruptor esté apagado.
Ejemplo:
Los materiales a utilizar son:
Cantidad Componente Valor
2 Resistencias 15 KΩ
2 Resistencias 330 Ω
2 Transistores NPN 2N2222
2 Capacitores Electrolíticos 100 µF
2 LEDs Rojo y Verde
1 Batería 9 voltios
1 Protoboard N/A
Si se desea variar la frecuencia se puede cambiar el valor del capacitor:
entre menor sea la capacitancia mayor será la frecuencia.
Las resistencias de 15K también afectan la frecuencia: a mayor resistencia
menor será la frecuencia.
Cálculos y presentación de resultados.Lo que queremos demostrar al realizar el proyecto con la fórmula……………..
Son las pruebas de variación en la resistividad y capacitancia para ver cómo
se genera una gráfica exponencial al momento y tiempo de carga del
capacitor.
Los datos que fuimos recolectando son los siguientes:
Tabla 1
Pruebas Ra Ca t=Ra*Ca*LN(
2)1 300 0.0001 0.020794422 900 0.0001 0.062383253 1500 0.0001 0.103972084 2100 0.0001 0.145560915 2700 0.0001 0.187149746 3300 0.0001 0.228738577 3900 0.0001 0.27032748 4500 0.0001 0.311916239 5100 0.0001 0.3535050610 5700 0.0001 0.39509389
Tabla 2
Pruebas Rb Cb t=Rb*Cb*LN(2)
1 300 0.0001 0.020794422 300 0.005 1.039720773 300 0.01 2.079441544 300 0.05 10.39720775 300 0.1 20.79441546 300 0.5 103.9720777 300 1 207.9441548 300 5 1039.720779 300 10 2079.4415410 300 15 3119.16231
Al momento de realizar las gráficas obtuvimos:
Grafico tabla 1:
0 2 4 6 8 10 120
2
4
6
8
10
12
T(RC)
t=Ra*Ca*LN(2)
Pruebas
Tie
mpo
Al variar la resistencia y mantener la capacitancia fija obtenemos una gráfica
lineal debido a que la resistencia no
Grafico tabla 2
0 2 4 6 8 10 120
2
4
6
8
10
12
T(RC)
t=Rb*Cb*LN(2)
Tie
mpo
Al variar la capacitancia y mantener la resistencia fija obtenemos una gráfica
exponencial esto es debido a que al aumentar la capacidad de almacenar
corriente tardara un mayor tiempo e
Conclusiones
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Bibliografía