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UN CONMUTADOR ELECTRÓNICO

de gran número de vías

 

Introducción.

Como en mecánica la conmutación electrónica si es fija y simple, está limitada por número de vías que es posible explorar y para ciertas aplicaciones que necesitan una automatización total, es preferible y conveniente abandonar la mecánica para pasar a la electrónica. Una vez superado el primer paso, se pueden conseguir muchas soluciones, por eso vamos a detallarlo en este artículo.

La conmutación.

El proyecto actual como su titulo indica, se trata de un conmutador electrónico que nos entregará una señal por una única salida, la cual podemos elegir a nuestra voluntad mediante una número concreto de pulsos de reloj o pulsos manuales. Trataremos dos versiones, una simple y posteriormente en la ampliación, una un tanto más completa y amplia.

fig. 1 - Contador divisor por 12 con el 74LS92. Diagrama de fases del divisor por 12 con el 74LS92.Patillaje del 74LS92 Cuando en un proyecto necesitamos disponer de un conmutador, sencillamente adaptamos uno de los conmutadores rotativos comerciales, no obstante si lo que queremos es utilizar uno electrónico que sea económico y nos ofrezca una señal digital de salida, deberemos pensar en el presente prototipo y veremos que es capaz de proporcionarnos lo que necesitamos.

El proyecto que presentamos aquí, utiliza circuitos integrados comerciales muy conocidos y que por su divulgación están al alcance de la mayoría, nos estamos refiriendo a los circuitos integrados de la serie TTL, concretamente utilizaremos un circuito integrado popular el 74LS93, es cierto que se pueden utilizar otras familias de CI como los CMOS, en cuyo caso se deben utilizar los equivalentes adecuados. 

Empecemos por estudiar el circuito integrado 74LS92, se trata de un dispositivo que está compuesto por 4 contadores de estado o flip-flop principal-secundario (también llamados Mester-Slave), conectados internamente, que permiten al usuario la realización de divisores por 2, 6 y 12, ambos tienen un 'master reset' común, además de un reloj individual para un  flip-flop y otro común para los otros tres flip-flop, esto hace a este dispositivo muy versátil, ya que mediante la adecuada combinación las entradas y salidas de estas básculas, nosotros podemos conseguir según nos interese una diversidad de contadores o divisores por cifras que podemos escoger entre las 2, 5 y 12 además de por 4, 5, 7, 9, 11.

Pero vayamos a continuar con el tema que nos hemos propuesto. A la salida de este circuito integrado 74LS92, dispondremos de cuatro señales binarias (DCBA u 8421), con estas señales podremos acometer la segunda parte de este proyecto, ahora observemos la figura que presenta el símbolo y el contador o divisor por doce con su diagrama de fases.

Divisor por 16 con el 74LS42 o el 74HC42 (cont7493.gif) Diagrama de fases del divisor.Patillaje del divisor 74LS93Este contador o divisor, tiene la particularidad de que al llegar a la cuenta de 12, vuelve a reiniciar la nueva cuenta. Para nuestras pretensiones tendremos que utilizar un divisor diferente que nos permita cuentas hasta por 16, lo que nos dará más posibilidades o salidas, hemos optado por el circuito integrado 74LS93, el cual internamente también está constituido por 4 flip-flop idénticos a los descritos en el 74LS92

En la figura 2, podemos ver el símbolo y esquema de montaje del 74LS93 como divisor por 16 y su diagrama de fases, las resistencias R1 y R2 se deben conectar al positivo para evitar oscilaciones parásitas  indeseadas.

Ya tenemos descrita la parte del proyecto (el decodificador de la señal) que, nos permitirá escoger entre todas, la salida que será habilitada como activa. Hacemos referencia a la posibilidad de utilizar otro divisor en cascada, es decir conectado a la salida D para aumentar (hasta 32) las posibles salidas.

La segunda parte del proyecto, contempla la posibilidad de utilizar un nuevo decodificador (driver o separador), para seleccionar una de las diez salidas, como la activa.

Cápsula y patillaje del 74HC42El circuito integrado que hemos considerado como el más adecuado es el 74LS42, que pertenece a la gama de decodificadores y concretamente éste es un decodificador de binario a 1 de 10, es decir una salida de BDC a decimal, lo que cumple con las prestaciones previstas. Por cierto, si no encontráramos en el mercado este circuito integrado por que esté obsoleto, no hay inconveniente en sustituirlo por el más actual 74HC42 u otro equivalente si es el caso.

En la figura 3, se aprecia el patillaje del 74HC42, en la siguiente figura 4, representa el esquema de conexionado del conjunto de ambos circuitos integrados en nuestro proyecto.

Conexionado del proyecto conmutador electrónico
Fig. 4 conexionado del conmutador a 10 descrito.

De esta figura 4, si no conectamos el 74LS93 y en las entradas ABCD del 74HC42 conectamos un conmutador deslizante de los llamados mini-dip, podemos así mismo utilizar el decodificador, para practicar los números binarios en BCD a la entrada y  obtener la salida en decimal la dirección prevista.

A continuación, se dispone de las imágenes de la placa del circuito eléctrico e impreso del proyecto, en el circuito eléctrico se puede apreciar la existencia de un puente por la cara de los componentes para evitar complicar en exceso dicho circuito.

Vista superior del circuito eléctrico

Proyecto terminado, vista superior.


Máscara de cobre del circuito impreso.

Fig. 5 Circuito impreso

Si tuviéramos la posibilidad de encontrar en el comercio un conmutador rotativo codificado en BCD, como el mostrado en la figura 6, sería ideal para obtener el verdadero sentido de conmutador selector de direcciones.


Fig. 6 Preselector rotativo

Llegados a este punto, es evidente que a las salidas (0, 1, 2, 3,... 9) del decodificador, la señal que obtenemos es una señal o pulso con el que de forma directa poco podemos hacer, así que nos servirá para activar un dispositivo (derivador) con el cual nos permita gobernar el elemento de potencia que deseemos.

Para gobernar elementos digitales, podemos utilizar un circuito integrado separador como conmutador electrónico, estamos hablando del CD4016 o el similar CD4066 conocidos como conmutadores bilaterales, ambos disponen de cuatro conmutadores. Abajo se muestra su estructura y símbolo. Se dispone de información en este enlace, sobre este dispositivo. 


Fig. 7 Conmutador bilateral CD4016

Como decíamos, si conectamos las salidas (0, 1, 2, 3,... 9) del decodificador la señal a las entradas (2, 4, 8 y 10) de éste circuito integrado, las señales que queremos conmutar las podremos conectar indistintamente a las patillas (1 y 13) del primer conmutador o las restantes (3 y 5, 6 y 9, 11 y 12) que son idénticas. 


Actualización. 04-10-2004

En esta ampliación avanzaremos un paso más en el que podremos alcanzar un conmutador de 256 posiciones con circuitos digitales discretos, considerando que la versión para microcontrolador se describirá en su momento, con mayores posibilidades. 

Como decíamos, necesitamos que el conmutador se active simultáneamente para un funcionamiento a nivel de tensión bajo y que un sistema de interfase deberá estar adjunto en el caso de utilización con niveles de tensión o corriente elevados, que en definitiva es bastante simple.

Conmutadoress de 10 y 16 vias.Es fácilmente realizable, con circuitos integrados de la serie TTL o sus equivalentes en CMOS, un conmutador de diez vías como el de la imagen de la derecha.

Una señal manual (un pulsador) o de reloj, ataca un contador 7490 cuyas salidas codificadas en BCD (Binario Código Decimal) se aplican a un 7442 decodificador BCD a decimal. Las diez salidas del CI 7442 pasan sucesivamente a 0 durante el ancho del impulso de la señal de reloj o período, esto se reproduce mientras se apliquen las señales de reloj o pulsos manuales al contador 7490. Mediante un circuito auxiliar se puede aplicar un teclado para entrar la posición deseada.

En caso de que 10 vías no sean suficientes, realizar un conmutador de 16 vías según el mismo principio es fácil de realizar con la ayuda de un contador de 4 bits como el 7493 que en este caso se aplicará al 74154 un  decodificador similar al 7442 pero que, dispone de 6 vías suplementarias más, igualmente independientes, se puede apreciar en la parte inferior de la imagen. 

A partir de estos elementos como base, podemos conectar muchos de ellos en cascada, aumentando considerablemente el número de vías rápidamente de forma exponencial, el conjunto pronto tomas proporciones que no se pueden ignorar y se hace imprescindible simplificar el circuito al máximo. Nos proponemos realizar un circuito conmutador de 100 vías y le damos solución con circuitos integrados estándar que mantienen nuestra atención.

El circuito.

El primer paso, consiste en realizar un una matriz de diez líneas y diez columnas con dos 7442, que debemos codificar mediante la ayuda de una matriz de puertas OR, pero preferimos un segundo sistema, por obstrucción (strobe). Para la finalización del artículo, desarrollaremos la primera solución realizando un conmutador de 256 vías. 

Conmutador 100 vias. 
Pulsar para obtener imagen ampliada.Ahora, volvamos a la segunda solución, en la que utilizaremos diez CI 7442 que representan 100 salidas independientes. Estos CI pueden estar controlados por el mismo 7490, es decir, que todas las entradas ABCD pueden estar conectadas a las salidas del CI 7490.

En este punto, se presenta el problema de la selección de un circuito integrado 7442 donde las salidas deben ser utilizadas (pues, todas las entradas de los 7442 están conectadas en paralelo) y queremos conmutar al mismo tiempo las salidas, es decir, una sola salida de las 100 debe estar a 0 lógico.

Luego hace falta bloquear (obstruir) nueve de los diez CI 7442. Cuando el que esté en servicio haya terminado de explorar sus salidas debe bloquearse y permitir al siguiente circuito integrado realizar su propia exploración.

El CI 7442 presenta la particularidad que si se aplican los números binarios entre el 10 (1010)  y el 15 (1111) a sus entradas, todas las salidas permanecen a 1 lógico, luego para bloquear un CI 7442 basta con dirigirle uno de estos números. Por ejemplo,  si nosotros obligamos a las entradas C y D a restarle el nivel lógico 1, observaremos en la tabla de verdad del CI 7442 que no puede ver los números binarios 12, 13, 14 y 15 en función de las entradas A y B o sea 1100, 1101, 1110 y 1111. <>/p>

En nuestro caso, necesitamos autorizar la exploración de un sólo decodificador a la vez, por lo que hace falta que utilicemos un CI 7442 suplementario que haga la función de maestro. El cual autoriza en efecto las transferencias de 4 Bits de información ABCD del 7490, sobre un sólo CI 7442 de los diez, los otros nueve verán un 1 lógico en sus entradas C y D. En cuanto a las entradas A y B, todo ocurre como en las entradas correspondientes al circuito en curso de conmutación.

Por otra parte, a la salida del CI 7442 maestro, la señal se invierte y se aplica a una de las entradas de dos puertas NAND. Recordemos que la salida de una NAND es 0 lógico si las dos entradas son 1 lógico y 1 lógico si al menos una de las dos está a 0 lógico.

Así, sobre nueve de las diez salidas del CI 7442 maestro, tenemos un 1 lógico y tras los inversores correspondientes seguidos de las puertas NAND en serie con la información de C y D. Por consiguiente, tendremos 0 lógico, cualquiera que sea el nivel de las salidas C y D del CI 7490. Las salidas de ambas puertas NAND están a 1 lógico y el CI 7442 estará bloqueado.

En ladécima salida del CI 7442 maestro tendremos un 0 lógico, después de la inversión a la entrada de las NAND tendremos un 1 lógico. La información de salida del CI 7490 podrá entonces ser transferida al CI 7442, pero no se debe olvidar de invertir la señal, pues la puerta NAND representa una inversión ella misma, para restablecer su nivel necesita dos inversiones. Tenemos previsto esta inversión antes de la puerta NAND, luego tendremos lo previsto.

El CI 7442 maestro, es gobernado por un CI 7490 que recoge sus pulsos de reloj de la salida D del primer CI contador 7490. Así, cada vez que el primer CI 7490 cuenta nueve y vuelve a 0, su salida D pasa de 1 a 0 lógico, este pulso negativo es contado por el segundo CI 7490 que obliga a avanzar un nuevo paso al CI 7442 maestro, liberando el funcionamiento de un nuevo CI 7442, el ciclo llega justo a 100 y retorna instantáneamente a 0 lógico.

El reloj puede estar constituido sin dificultad por un 555. Las salidas de los CI 7442, se pueden utilizar para encender diodos LED con un consumo de 20mA. Como se ha indicado es posible realizar un interfase con un transistor u otro medio en función del estado necesario de los circuitos a conmutar. El conjunto se puede construir sin excesivas precauciones antiparásitas, obteniendo un funcionamiento perfecto desde la puesta en tensión.

Para terminar, en el caso de 16 líneas y 16 columnas, y puede extraer en cada período de reloj una línea y una columna que estén a 0 lógico al mismo tiempo, lo que permite disponer de 256 combinaciones distintas. Podemos aislar estos dos estados 0 con la ayuda de una puerta NOR (7402), cuyo comportamiento es: si una o más entrada esta a 1 lógico, la salida estará a 0 y sólo si ambas entradas están a 0 lógico la salida estará a 1 lógico.

Por consiguiente, sólo la puerta donde las dos entradas estén a 0 lógico tendrá su salida a 1 lógico y no habrá ni una sola más de las 255 puertas en ese estado por cada período de reloj.

Es posible que tengamos problemas con algún 74154 ya que están al límite de sus posibilidades, pues sus salidas están conectados a más de 10 entradas y sus características sólo garantizan para 10 entradas TTL estándar. Es posible utilizar los equivalentes en CMOS como 74HC154, que admiten un mayor número de puertas conectadas (al rededor de 4000) a sus salidas y un menor consumo además de ser más actuales.

Creada el: 19-08-2004
Actualizada el: 23-05-2005
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