Lección 7

EL CIRCUITO TEMPORIZADOR

El circuito electrónico que más se utiliza tanto en la industria como en circuitería comercial, es el circuito temporizador o de retardo, dentro de la categoría de temporizadores, cabe destacar el más económico y también menos preciso consistente en una resistencia y un condensador, a partir de aquí se puede contar con un sinfín de opciones y posibilidades. En este tutorial se tratarán unos tipos sencillos para adquirir conocimiento de cómo conseguir un retardo en un sistema que no requiera gran precisión y terminaremos por analizar un temporizador de mayores prestaciones y precisión.

Cuando necesitamos un temporizador, lo primero que debemos considerar es la necesidad de precisión en el tiempo, base muy importante para determinar los elementos que vamos a utilizar en su concepción y diseño.

Como se ha mencionado anteriormente un temporizador básicamente consiste en un elemento que se activa o desactiva después de un tiempo más o menos preestablecido. De esta manera podemos determinar el parámetro relacionado con el tiempo que ha de transcurrir para que el circuito susceptible de temporizarse, se detenga o empiece a funcionar o simplemente cierre un contacto o lo abra.

EL MÁS SENCILLO.

El más simple de los retardos, requiere de una resistencia de cierto valor y un condensador de considerable capacidad.

Veamos, se necesita un retardo en una máquina cizalla de corte, la cual conlleva cierto riesgo de accidentar al operario que la maneja.

  1. Necesitamos un sistema de seguridad para que sólo cuando el operario esté fuera de peligro, la cuchilla pueda bajar.

  2. Otro sistema de seguridad, consiste en producir un retardo y al mismo tiempo un sonido o luz intermitente de aviso.

El primer caso, se puede lograr con la combinación de unos fines de carrera y un par de pulsadores, localizados fuera del recorrido de la cuchilla y sus alrededores.

Para el segundo punto, podemos optar por un diodo rectificador D1, una resistencia R1 y un condensador C1. El montaje sumamente sencillo se muestra en la figura 1.

fig001.jpg Temporizador
Fig. 1

El diodo D1 se encarga de rectificar la corriente proporcionada por un secundario de un transformador o simplemente de la red a la que se conectará el equipo al que se ha de controlar, para lo cual deberá observarse las precauciones básicas y elementales a la hora de seleccionar los diferentes elementos mencionados, respetando un margen de seguridad en la tensión a la que se someterán en el montaje.

A continuación se intercala la resistencia R1 que será la responsable directa del tiempo de carga del condensador, es decir, a mayor valor ohmico le corresponde un mayor tiempo de carga del condensador.

El siguiente elemento, el condensador, debe escogerse de una considerable capacidad cosa muy determinante, pero sin perder de vista la tensión a la que se verá sometido, para evitar que se perfore y quede definitivamente inservible. A la hora de elegir el condensador, es conveniente considerar su tamaño y siempre que sea posible debería optarse por un modelo electrolítico (de ahí el uso del diodo), como digo electrolítico debido esencialmente a la mayor capacidad y menor tamaño, cosa que en algunos casos no es posible, utilizando en tal caso uno de los no polarizados industriales de unos 8 a 12 µf y por seguridad 400V, los que suelen utilizar en los motores de las lavadoras o frigoríficos.

Bien, veamos que ocurre cuando se aplica una tensión a la figura 1 a, la corriente al atravesar el diodo D1, se rectifica a media onda, esto la reduce aproximadamente a la mitad, esta tensión se enfrenta al paso de la resistencia R1, que le restringe su paso a un valor previsto por el diseñador.

A la salida de R1, la tensión se precipita para cargar el condensador C1, que es el camino que menor resistencia le ofrece y, ese tiempo de carga, justamente es el tiempo que se pretende controlar, ya que durante ese tiempo de carga, la corriente no fluirá más allá del condensador. Hay que tener en cuenta que el tiempo de carga, no representa más que dos tercios (2/3) de la capacidad total de C, rebasada la cual, la corriente empezará a fluir hacia el siguiente elemento conductor que encuentre, terminando así el retardo.

De lo expuesto, se puede asegurar que la corriente que atraviesa el circuito, recorre dos caminos; uno el representado por la línea de trazos (Ic) durante los primeros 2/3 de carga, y otro, el de la salida (Id). La salida puede conectarse a un relé que se encargará de producir el efecto deseado conectar/desconectar, según lo previsto. Este sistema se estuvo utilizando hasta los años 70 en cierto control de los ferrocarriles de España, en el sistema de seguridad llamado 'hombre muerto'

Este caso digamos que es el directo, también se puede utilizar una forma más, digamos sofisticada, a esta se conecta el relé RL, en serie con la resistencia R1, a la cual se le calculará su valor, de manera que la corriente que la atraviese, active el relé sólo cuando el condensador C, se haya cargado. la tensión de trabajo del relé deberá ser la que corresponda a la tensión nominal de alimentación del circuito, para evitar que se queme cuando se active mediante la corriente de paso en carga.

En ambos circuitos, se percibe que el control no es tal, ya que la carga del condensador se ve influenciada por muchos imponderables, además de poco fiable. Se necesita un mayor control y rango de tiempos.

La solución puede estar en los transistores que permiten un mayor control de los diferentes parámetros. Debido al control de ganancia y paso de corriente que nos permite el transistor y mediante un montaje adecuado, podemos lograr una mejora en los tiempos y por lo tanto más fiabilidad, al utilizar condensadores más pequeños. Véase en la figura 2, la báscula formada por T1 y T2 a los que se ha añadido un tercer transistor para mejorar la carga del relé a su salida. El funcionamiento de la báscula determina mediante el ajuste de los potenciómetros P1 y P2 los tiempos de basculamiento obteniendo un mejor control de amplitud del tiempo de retardo.

No obstante y a pesar de lograr una considerable reducción en la capacidad de los condensadores, lo que conlleva una mayor seguridad y control, no es bastante fiable en algunos casos y la industria necesitaba algo más compacto que le dotara de tiempos mas largos y fiables. Esto se lograría mediante el circuito integrado temporizador µA555.


Fig. 2

EL TEMPORIZADOR µA 555

555.gif    fig700

Creo que es hora de que utilicemos un circuito integrado, en la industria se viene utilizando desde los años 70, uno muy popular que además de sencillo es muy eficaz y versátil a la hora de producir temporizaciones, estoy hablando del socorrido µA555PC, que nos permite construir un temporizador mediante unos pocos componentes de bajo coste. Su estabilidad con la temperatura es de 0'005 % por grado centígrado. Aquí, se describen de forma simple algunos aspectos de este CI. En otro manual, se entrará con mayor detalle.

Veamos el esquema teórico en la figura 3 en la versión como monoestable y en la figura 4, con el modo astable .

fig703

Fig. 3

fig704

Fig. 4

Aplicando una señal de disparo, el ciclo de temporización se inicia y una báscula interna le inmuniza frente a futuras señales de disparo. Al aplicar una señal de reposición (rest), el ciclo de retardo se interrumpe dándose por finalizada la temporización. Entre sus características más importantes, hay que destacar el amplio margen de control de tiempo desde microsegundos a horas. 

Funcionando como astable o monoestable, el ciclo de trabajo es capaz de proporcionar 200 mA de corriente en su salida.

Funcionamiento monoestable

En el apartado anterior vimos cómo producir un retardo o temporización, la referida figura 3 esta aquí, el esquema que se presenta es bastante sencillo y corresponde a un montaje monoestable, el cual se caracteriza por el modo de conexión de la patilla 2, Disparo, la cual debe permanecer en nivel alto, hasta el momento de empezar la temporización, hemos de hacer notar que esta patilla, debe ser repuesta a su nivel alto, antes de terminar la temporización, si se quiere ampliar el retardo, para evitar disparos fortuitos que variarían el tiempo previsto. 

La salida es capaz de entregar una corriente de 200 mA máximo, en caso de necesitar mas corriente, utilizar un relé con contactos que soporten una mayor corriente. Mientras la patilla de disparo esté a nivel alto, la salida patilla 3, permanecerá a nivel bajo, esto debe tenerse en cuenta, para un mejor aprovechamiento del dispositivo.

Mediante este principio de esquema, podemos trazar un temporizador que encienda o apague una luz con un retraso de tiempo que vendrá calculado mediante la siguiente formula: 

T = 1.1*Ra*C

fig705

Fig. 5

En la figura 5, se presenta el esquema que cumple con las exigencias descritas, con un retraso en el enciendo o apagado, de un diodo led. El circuito como se menciona, puede utilizarse tanto para el encendido como para el apagado de un diodo led o una lámpara, así mismo mediante un relé, se puede poner en marcha o parar un motor. En las figuras, se pueden cambiar el diodo led, por un relé para dotar si es necesaria de mayor potencia a la salida.

En el caso de necesitar encender el led durante un tiempo previsto, dicho led se conectará entre la salida, patilla 3 y la masa o negativo, permaneciendo encendido hasta transcurrido el tiempo establecido desde el impulso de disparo, figura 6, un pulso de puesta a cero (PAC) en el reset reiniciará el retardo. Una posible aplicación de seguridad, emitir una señal de alarma durante un período de tiempo desde que se da la señal corte, hasta que baja la cuchilla de la cizalla, evitando así accidentes laborales. 

fig706

Fig. 6

En el segundo caso, o sea, necesitamos que el led, permanezca apagado durante un tiempo desde que se aprieta un pulsador y permanezca apagado hasta que vuelva a pulsarse. En este caso se conectará el led entre el Vcc de la alimentación y la patilla 3 de salida, ver figura 7. Una aplicación sería que no se abra la puerta del garaje hasta que se le de la señal y pasado ese tiempo se cierre de nuevo hasta la siguiente señal de apertura.

fig707

Fig. 7

Estos son dos ejemplos bastante corrientes y que pueden ponerse en práctica en cualquier momento por parte del alumno o del profesional en las labores habituales con total seguridad. Como se verá, la resistencia Ra, es conveniente ponerla del tipo ajustable para que sea más práctico el montaje. En la figura 8, se muestran las señales de disparo flanco de subida, t el tiempo de retardo y de salida del esquema monoestable.

fig708

Fig. 8

Funcionamiento astable.

En este caso es la figura 9, la que nos presenta el esquema básico de este modo de funcionamiento. Puede ser interesante conocer su funcionamiento como astable (también llamado redisparable ya que eso es lo que hace, produciendo así cierta frecuencia), ya que uniendo sus terminales 2 y 6, el circuito se auto dispara y trabaja como multivibrador.

Es de destacar que, el comportamiento de este esquema, a grandes rasgos, genera una señal cuadrada en el tiempo, es decir, en la salida, el usuario dispone de una señal cuadrada con un ciclo de completo que viene determinado por la formula:

F = 1/T = 1.44 / [C*(Ra+2*Rb)]

fig709

Fig. 9

El condensador C1 se carga a través de Ra+Rb y se descarga a través de Rb. De esta forma, dimensionando adecuadamente los valores de Ra y Rb, se pueden modificar a voluntad el ciclo de trabajo (duración estado alto - duración estado bajo), ver figura 9.

La señal cuadrada tendrá como valor alto = Vcc y como valor bajo = 0V (aproximadamente). Si se desea ajustar el tiempo que está a nivel alto y bajo al 50%, se deben aplicar las fórmulas:

            Salida a nivel alto: T1 = 0.693*(Ra+Rb)*C
              Salida a nivel bajo:
T2 = 0.693*Rb*C

En la figura 10, se presenta las señales del circuito astable con un ciclo del 50%. La duración del estado alto depende de Ra y Rb, mientras que la duración del estado bajo, depende de Rb.

fig710

Fig. 10

En alguna aplicación muy concreta, puede aprovecharse esta particularidad que ofrece el montaje astable, al producir un ciclo alto-bajo del 50%, lo que nos permitirá (dimensionando adecuadamente los valores de las resistencias y el condensador), disponer de un período activo seguido de otro período inactivo, ambos lo suficientemente largos según nuestras necesidades.

Este último circuito integrado, con sus posibilidades, nos puede servir en muchos casos, pero ya que somos perseverantes y son muchos los caso en los que los tiempos a controlar deben ajustarse al tiempo real, debemos pensar en un circuito con mayores garantías de lo que hemos visto hasta ahora.

Puede encontrar más información sobre el circuito 555 en el tutorial descrito en este enlace.

Hasta aquí, hemos tratado de alguna forma los principios de los temporizadores, desde lo más rutinario, que normalmente no utilizaremos, por lo obvio que resulta su falta de seguridad, hasta el más popular de los circuitos integrados, como el µA555, con sus dos vertientes de monoestable, en el caso de necesitar disparar el retardo por cualquier medio y astable, en el caso de necesitar un multivibrador o generador de frecuencias.

En esta parte, vamos a dar un paso más en la maraña de posibilidades que se nos pueden presentar para trazar un temporizador o disparador con una señal, retardo de tiempo programado.

En un principio, nos proveeremos de un circuito integrado de la familia CMOS, utilizaremos éste, porque el margen de tensión para su alimentación y bajo consumo, es bastante ancho con respecto al de otras familias. El circuito integrado en cuestión el CD4093, se trata de 4 puertas NAND (NO-Y) de 2 entradas, que es muy popular y económico, cuyas patillas y tabla de la verdad, se pueden ver en la figura 11, obsérvese la particularidad de las puertas NAND, siempre que una entrada se encuentre a nivel 0, la salida se encontrará a nivel 1.

fig711
A B S
0 0 1
0 1
1 1 0
Tabla de la verdad

Fig. 11           

Bien, otra particularidad no muy conocida de las puestas lógicas es, su capacidad de amplificación, que si bien es de baja ganancia y corriente de salida, no impide que la podamos utilizar en modo amplificador analógico, como vamos a hacer en este ejemplo, aunque como siempre sin entrar en pormenores y formulas para un estudio exhaustivo ya que, no es el caso. 

Función Monoestable

Pongámonos en marcha, tomemos una de las 4 puertas disponibles en el 4011B y conectaremos la patilla 1 entrada a la patilla 14 que, es el positivo de alimentación, la otra entrada patilla 2,  por un lado la conectaremos a la unión de una resistencia R1 y el terminal positivo de un condensador electrolítico C1, el polo negativo del mismo a masa o negativo de la alimentación, el otro extremos de la R1 lo conectamos al positivo de alimentación, como se aprecia en la figura 12.

Cuando a la entrada E, le aplicamos un impulso, en la salida, patilla 3, podemos comprobar que tenemos un pulso de cierta duración, que viene determinado por R1 (50k<R1<1M) y el condensador C1 (100pf<C1<1µf), véase la figura 12.

fig712

Fig. 12

Se debe amplificar esta señal mediante un transistor, con una resistencia de R2=10k en la base y otra en el emisor de 1k, donde se obtendrá la salida no invertida. El motivo por el cual se debe utilizar este transistor separador, es precisamente para evitar cargar en exceso la salida de la puerta provocando un desequilibrio en su normal funcionamiento y sobre todo por que la corriente de salida de estas puertas es muy baja.

fig713 - Monoestable con transistor de salida.

Fig. 13

En cuanto a la patilla 1 de la puerta que, ahora tenemos conectada al positivo de alimentación, si la desconectamos y la tiramos a masa temporalmente, mediante una resistencia R3 (10k), nos sirve como control de inicio de la temporización, véase la figura 13.

Función astable

Ahora, vamos a proceder con el conexionado de la puerta como funcionamiento multivibrador o astable, el cual producirá una frecuencia dentro de los márgenes de la familia CMOS, entre los 0'1 Hz. y los 20MHz. En este caso, la disposición de la patilla 1, nos servirá como bloqueador de la oscilación, cuando la dejemos puesta a masa por medio de R3. Cuando la queramos habilitar, la pondremos a nivel 1 conectándola al +Vcc, lo que hará que entre en oscilación. 

Si la habilitación y deshabilitación la producimos de forma controlada con una frecuencia baja, se comportará como una portadora, produciendo lo que llamamos trenes de impulsos. Véase la figura 14.

Fig714a   fig714b

Fig. 14a        y         14b

Esta forma de conseguir realizar un temporizador o un oscilador controlados, puede servirnos en multitud de casos, pero sigue siendo muy ineficiente, me explico, no tenemos un control del tiempo real transcurrido, es muy poco fiable, no se puede decir que sea exacto. Para lograr controlar los tiempos de retardo con una precisión de centésimas de segundo o mejor, tenemos que servirnos de la tecnología digital en su forma más natural, es decir mediante una señal de reloj.

Llegados hasta aquí, debo recomendar la lectura del tutorial 'base de tiempos', que se encuentra en el apartado de glosarios, del mismo autor.

En dicho tutorial o manual, se trata de forma simple cómo generar una señal de reloj con alta precisión, realizada mediante un cristal de cuarzo de uso cotidiano, así obtendrá una serie de señales patrón, de forma económica tanto para el profesional como para el estudiante.

Siguiendo dicho estudio, podemos construir un contador, como el descrito en la lección 6, donde se aborda la construcción de un contador con preselección, lo que nos permite fijar una cuenta máxima con dicho preselector, pasada la cual, el contador se pone a cero de forma automática, dando una señal de salida y vuelve a iniciar la cuenta, si así se desea. O por el contrario, habilitando la patilla adecuada del contador, puede contar a la baja o descontar desde una cuenta preseleccionada, pero eso se describe como se ha dicho en la lección 6.

El circuito temporizador digital tiene que cubrir las mismas prestaciones que los analógicos y además obtener la máxima exactitud posible, lo que le confiere unas posibilidades adecuadas para la mayoría de los casos.

Algo más arriba, hemos tratado la forma de realizar un temporizador o un oscilador controlados, que puede servirnos en multitud de casos, también vimos que no es muy eficiente, por falta de un control del tiempo real transcurrido, es por esto  muy poco fiable. Vamos a utilizar la tecnología digital para conseguir una señal de reloj, es decir, una señal de 1herzio/segundo, para a partir de ella lograr una temporización con la mayor fiabilidad posible.

Si ha leído el tutorial 'base de tiempos', que se encuentra en el apartado de glosarios, puede seguir con mas facilidad lo que sigue, ya que apoyándose en una señal de reloj, podemos construir un contador, como se describe en la lección 6, donde se aborda la construcción de un contador con preselección, lo que nos permite fijar una cuenta máxima con dicho preselector, pasada la cual, el contador se pone a cero de forma automática, dando una señal de salida y vuelve a iniciar la cuenta, si así se desea. O por el contrario, habilitando la patilla adecuada del contador, puede contar a la baja o sea descontar desde una cuenta preseleccionada.

Veamos como conseguir lo propuesto en el apartado anterior. En principio, tomaremos la base del contador descrito como hemos dicho, en la lección 6 (en el esquema de la figura 8), vemos la forma de conexión del circuito integrado 74HCTLS192 junto a tres puertas NAND de dos entradas, mediante las cuales conseguiremos que el contador así dispuesto, avance o retroceda en su cuenta dependiendo de la posición del conmutador C up/dw, dispuesto a tal efecto.

Dos de las tres puertas NAND, se utilizan para direccionar el modo de cuenta arriba (avanzando) o abajo (retrocediendo), el efecto se logra con la tercera puerta conectada como inversor, al unir sus dos entradas al contacto común del conmutador de cuenta C up y al mismo tiempo a las entradas libres de estas dos puertas. La salida de cada puerta NAND se conecta una a Eu y la otra a Ed del 74HCTLS192, observar que ambas son complementarias entre si, ya que es condición necesaria. 

La cuenta puede iniciarse en cualquier punto, incluso diferente de 0(cero), es decir, podemos preestablecer el punto de conteo y la dirección de la cuenta según nos convenga en cada caso, mediante los mini-dips de preselección MD. 

Bien, ahora fijémonos en las dos salidas del 74LS192, me refiero a las Sc (salida de acarreo) y Sb (salida de borrado), aquí en estas dos patillas, esta la clave del temporizador. Veamos.

Estando en la función de conteo hacia arriba, cuando la cuanta llega a 9, la salida Sc, se pone en nivel H (alto) y permanece así hasta que el contador pasa a 0 (cero), lo que sirve para pasar una unidad de cuenta al posible contador siguiente de las decenas. En cambio en la función de regresión o conteo hacia a 0, la salida Sb, no se activa hasta que dicha cuenta no pasa por 0, descontando una unidad en el contador de la anterior década si es que existe.

Para comprender mejor lo expuesto en el párrafo anterior, vamos a considerar que tenemos un contador como el descrito con dos dígitos, lo que supone poder contar 100 unidades, desde 00 hasta 99, además, el contador lo hemos preseleccionado de manera que cuente desde 00 hasta 99.

Cada vez que le llega un impulso de conteo a la patilla de entrada Eu, el display nos muestra en el primer dígito que cambia de 0 a 1 en el primer paso, de 1 a 2 en el segundo y así sucesivamente, pero qué ocurre cuando llega a 9. Que cuando rebasa dicha cuenta por llegar un nuevo impulso, el contador pasa de nuevo a 0, lo que hace que la patilla de salida Sc, envíe a su vez un impulso de la misma duración que el de entrada hacia el siguiente contador, propagando de esta forma la cuenta más allá de 9, reflejándose en el segundo dígito que hasta ahora marcaba 0 y pasa a su vez a marcar 1 (una decena).

El conjunto de los dos dígitos del display muestran sucesivamente 00, 01, 02, 03, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 10 y así continúa mientras le lleguen impulsos de conteo a la puerta de entrada. Qué ocurre cuando la cuenta llegue a 99, sencillamente la salida Sc del segundo contador nos dará un nivel alto durante el paso del impulso de 99 a 00 que es el siguiente número a mostrar, reiniciándose la cuenta.

Bien, llegados a este punto, aprovecharemos este impulso de la salida Sc del segundo contador, para mediante una resistencia, conectada a la base de un transistor activar la carga que deseemos aplicar a su salida. Dado que el primer dígito del contador también dispone de una salida Sb, esta se aplicará a través de la resistencia adecuada a la base del transistor que activará la carga puesta en su colector al pasar el contador de 99 a 00.

Se deduce que la carga del transistor dispuesto se activará cada 100 impulsos de reloj o lo que es lo mismo 100 segundos, ahora bien, si queremos que las cuentas nos salgan redondas y ya que hablamos de tiempo, sería interesante que los pulsos a contar se consideren minutos, es necesario poner el segundo contador en 6 mediante los preselectores y de esta forma, contará 60 segundos cada vez que pase por 00, tanto si cuenta como si descuenta. Se dispone de un pulsador Clear, para reponer la cuenta y digo reponer debido a que la cuenta como se indica puede empezar desde el punto que se desee.

Es conveniente ver la siguiente figura, para aclarar las dudas.

fig.715
Fig. 15

Este modo de aplicación de un contador digital para producir un temporizador, sin duda es más complejo que cualquiera de los descritos anteriormente, no obstante hemos de convenir en que, a la hora de utilizarlo resultará más flexible, más fiable y exacto que cualquiera de aquellos. Esta forma, nos permite preestablecer con total precisión, los tiempos de retardo necesarios para cada necesidad, además de permitirnos una visión directa, mediante la presentación gráfica con unos dígitos dispuestos a tal efecto, lo que podemos apreciar en la siguiente figura 16, en la que se puede apreciar el transistor Tr de salida con el relé Rc de carga y su diodo D1de seguridad, para evitar la destrucción del transistor.

fig716.gif
Fig. 16

Espero que haya quedado claro el tema, no obstante si el lector no entiende o le necesita aclarar algún punto, puede ponerse en contacto con nosotros y le atenderemos de forma personalizada. Por cierto, el relé que activará el transistor, tan sólo se activa por un instante, es decir, durante el ancho del impulso de conteo, esto se soluciona añadiendo un pequeño circuito (como los descritos en anteriores lecciones), que mantenga dicho estado de activación durante un período conveniente, según la necesidad que tengamos.
 

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Creado: ago. 21, 2000
 Revisado:     15/04/10
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