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Laboratorio Integrado de Ingeniería Industrial
Práctica 5
Práctica 5. Circuitos digitales: control del nivel de un depósito
1. Objetivos
• Conocer el funcionamiento de sistemas de control digital.
• Conocer el funcionamiento y la utilidad de los circuitos integrados de tecnología digital.
• Saber diseñar e interpretar los circuitos digitales para el control de sistemas reales.
2. Circuito de control automático de nivel
2.1. Próposito del circuito
En esta práctica se calculará, montará y verificará un circuito de control automático de nivel de
un tanque de agua basado en lógica binaria. El objetivo del circuito es mantener el nivel de líquido
que hay en un tanque entre los niveles máximo y mínimo, teniendo en cuenta que el tanque tiene un
tubo de salida por el que se puede demandar más o menos agua, y un tubo de entrada, procedente de
una bomba, que permite llenar el tanque. La Figura 1 representa el esquema de planta con el tanque,
su salida, la bomba y el circuito de control. El motor de la bomba de llenado será gobernado por la
salida del circuito de control, de forma que cuando el nivel del tanque descienda del nivel mínimo,
se active la bomba y esta llene el tanque hasta alcanzar el nivel máximo, momento en el que la
bomba debe parar.
Figura 1. Esquema de la planta de control de nivel.
2.2. Descripción del circuito
El esquema completo del circuito de control de nivel se puede ver en la Figura 2. El elemento
principal del circuito es un circuito integrado representado en el esquema como IC1, que se
compone de cuatro puertas NAND, representadas como IC1A a IC1D. Para cada puerta se indican los
números de los terminales concretos de entrada y salida que se utilizan del circuito integrado,
considerando que se usa un 74HC132. Además, este circuito integrado necesita conectarse a la
fuente de alimentación de 5V, a través de sus terminales 7 y 14, lo que se representa en la parte
inferior en el esquema con las etiquetas IC1-VCC y IC1-GND.
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Figura 2. Esquema del circuito de control de nivel.
Las puertas IC1B y IC1C forman un biestable RS, cuya salida Q se activa (5V) con un pulso de
nivel bajo (0V) en la entrada S, y se desactiva (0V) con un pulso de nivel bajo (0V) en la entrada R.
La salida Q del biestable tiene el valor complementario de Q. La puerta IC1A se utiliza como un
simple inversor lógico, de forma que en su salida (S) hay un valor complementario al de su entrada
S, es decir, si S esta a nivel alto (5V), en S habrá un nivel bajo (0V), y viceversa. Finalmente la
puerta IC1D se utiliza para crear un oscilador de onda cuadrada junto con R5 y C2, de forma que el
diodo LED D6 se encenderá intermitentemente cuando la línea Q esté a nivel alto.
Las entradas S de IC1A y R de IC1C se conectan directamente a las sondas metálicas que sirven
para detectar los niveles de agua en el tanque. Dado que el circuito integrado 74HC132 está
fabricado con tecnología MOS, las corrientes que se requieren en sus entradas son muy pequeñas.
Por eso las entradas pueden detectar correctamente los niveles de tensión alto (5V) y bajo (0V)
aunque esas tensiones se apliquen a través de una resistencia de alto valor, como la que puede tener
un líquido como el agua. En la parte inferior del depósito se debe colocar la sonda correspondiente a
la línea común o referencia de 0V, etiquetada como COM en el esquema. Mientras que el nivel esté
por encima del nivel mínimo, el líquido conectará la sonda COM con la sonda MIN,
proporcionando en esta un nivel bajo próximo a 0V. Además, cuando el líquido alcance o supere el
nivel máximo, el líquido también conectará la sonda COM a la sonda MAX generando en esta un
nivel bajo. Para garantizar que en las entradas S y R hay un nivel alto (5V) cuando el agua no
conecta la sonda COM con las sondas MIN o MAX porque el nivel es muy pequeño, se utilizan las
resistencias R2 y R4. Estas resistencias pueden ser de valor alto por el hecho comentado
anteriormente de que las corrientes de entrada a las puertas MOS son muy pequeñas.
El resto de componentes conectados a las entradas S y R, esto es R1, R3 y D1 a D4, tienen como
misión proteger las entradas de las puertas de IC1. Mientras que R1, R3 limitan las corrientes pueden
circular por las sondas MIN y MAX, los diodos D1 a D4 evitan que a las entradas de las puertas
puedan llegar tensiones superiores a Vcc+0,7V=5,7V, o inferiores a 0-0,7V=-0,7V, ya que en esos
casos conducen los diodos: D1 o D3 para tensiones superiores, D2 o D4 para tensiones inferiores.
Respecto a la etapa de salida, el transistor MOSFET Q1 se utiliza para activar el motor de
corriente continua M, que mueve la bomba de llenado del tanque, cuando la salida Q del biestable
está a un nivel alto de 5V. Así, R6 y R7 se deben calcular para que Q1 conduzca cuando en Q hay
5V, teniendo en cuenta la tensión necesaria en la puerta de transistor. El diodo rectificador D5 anula
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la corriente inversa que puede generar el motor en su parada, para proteger al transistor Q1.
Además, el condensador C3 se pone para posibles interferencias de corriente del motor en el
circuito.
Finalmente cabe mencionar que la función de C1 es filtrar las posibles variaciones en la tensión
de alimentación que se aplica al circuito integrado IC1 para garantizar su correcto funcionamiento.
2.3. Funcionamiento del circuito
Teniendo en cuenta los aspectos comentados en el apartado anterior, el funcionamiento global
del circuito es el siguiente.
En condiciones normales, se puede considerar que el tanque tiene un nivel de agua entre los
niveles mínimo y máximo establecidos. Cuando se extrae mucha agua del tanque abriendo la
válvula de vaciado, el nivel del tanque baja por debajo del nivel mínimo, por lo que la sonda MIN
deja de estar conectada a la sonda COM y a 0V, y así la entrada S se queda a un nivel de tensión
alto de 5V a través de R2. Este nivel es invertido por IC1A, de forma que la entrada S del biestable
pasa a nivel bajo, forzando a que la salida Q del biestable queda a nivel alto de 5V.
Mientras que Q está a nivel alto, el transistor Q1 conduce y el motor M de la bomba se activa,
de forma que el tanque comienza a llenarse. Al subir el nivel, la sonda MIN se conecta a la sonda
COM, S pasa a tener un nivel bajo de 0V, y S toma un nivel alto de 5V. Pero Q mantendrá el nivel
alto, y el tanque sigue llenándose.
En el momento en que el nivel de agua del tanque alcance la sonda MAX, esta se conecta a la
sonda COM, y la entrada R del biestable adquiere un nivel de tensión bajo de 0V. En este momento,
la salida Q del biestable pasa a un nivel bajo de 0V, y el transistor Q1 se corta y el motor M de la
bomba se para. De esta forma, el nivel de llenado del tanque no supera el nivel máximo.
Mientras que la salida Q del biestable está a nivel alto, además de activarse la bomba, se activa
el oscilador basado en la puerta IC1D y el LED D6 se enciende intermitentemente para indicar que la
bomba está en marcha.
2.4. Ciruitos integrados con puertas NAND
Hay dos circuitos integrados muy populares con 4 puertas NAND con entradas de Trigger de
Schmitt: el CI 74HC132 y el CI 4093B (véase datasheets de la práctica). En esta práctica, se
empleará el 74HC132. A continuación se muestran las características y esquemas de conexión de
los dos circuitos integrados.
74HC132:
VCC=2-6V, típico 5V.
VP=2,7V (para VCC=4,5V).
VN=1,6V (para VCC=4,5V).
VOH=VCC
VOL=0V.
IOMAX=25MA
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4093B:
VCC=5-15V, típico 5V.
VP=2,9V (para VDD=5V).
VN=1,5V (para VDD=5V).
VOH=VDD
VOL=0V.
2.5. El biestable RS
El circuito secuencial básico es el biestable o flip-flop. Por circuito secuencial, se conoce a
aquellos circuitos con memoria donde las salidas son función de la historia pasada del circuito
(estado anterior), además valor actual de las entradas.
El flip-flop RS posee una salida Q con dos estados estables: 1 y 0. Normalmente, también suele
tener una salida complementaria Q (Q). Este componente dispone de dos entradas: SET, que pone a
1 la salida, y RESET, que pone a 0 la salida. Es muy empleado como elemento básico de memoria,
ya que pueden almacenar 1 bit de información.
El flip-flop RS, fundamentalmente se puede construir de dos maneras: mediante puertas NOR o
mediante puertas NAND. Para esta práctica, se va describir la construcción del biestable mediante
puertas NAND, ya que el circuito integrado a emplear en el control del nivel del depósito es el
74HC132.
La Figura 3 muestra la implementación de un biestable RS mediante NAND junto con su tabla
de la verdad. Las entradas R y S son activas por 0 (nivel bajo) y cuando R y S valen 0 a la vez, las
dos salidas Q y Q. valen 1. Esta situación no se emplea.
R1
Vcc
Q
Set
Q
Reset
Vcc
R
S
Qt
Qt+1
Qt+1
1
1
q
q
q
0
1
x
0
1
1
0
x
1
0
0
0
q
1
1
R2
Figura 3. Implementación de un biestable RS mediante NAND y su tabla de la verdad
2.6. Elección de componentes y cálculos
En principio se utilizará un circuito integrado 74HC132 para las puertas lógicas NAND con
entrada con Trigger de Schmitt.
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• IC1: Circuito integrado 74HC132.
Como se ha comentado en el apartado 2.1, las corrientes de entrada a las puertas lógicas MOS
es muy pequeña, y el valor de las resistencias de las etapas de entrada no es crítico. Para un correcto
funcionamiento se pueden coger estos valores para los componentes de entrada:
• D1 a D4: Diodo de señal 1N4148.
• R1 y R3: Resistencias de 10KΩ.
• R2 y R4: Resistencias de 1MΩ.
La resistencia R8 se debe calcular para limitar la corriente del diodo LED D6 teniendo en
cuenta que la salida de una puerta lógica del circuito integrado 74HC132 puede dar una corriente de
25mA como máximo, y que el valor de tensión de nivel alto es VCC=5V. Considerando que la
intensidad del LED es ILED=15mA, y su tensión de polarización directa es VF=2,2V se tiene:
VCC = R8 · I LED + VFLED
R8 =
5 − 2,2
= 187Ω → 220Ω
0,015
Para determinar los valores de R5 y C2 del oscilador de onda cuadrada hay que conocer la
expresión que relaciona el periodo de la onda con esos componentes. Con IC1D se dispone de un
oscilador en el que el condensador C2 se carga y descarga continuamente a través de R5, formando
la onda que se muestra en la Figura 4. En esta gráfica se consideran los valores de alimentación y de
umbral que el fabricante indica en las hojas de características del circuito integrado 74HC132 (ver
apartado 2.4).
Figura 4. Formas de onda en el oscilador de onda cuadrada.
La expresión que da la duración del periodo se determina a partir de las de las ecuaciones de
carga y descarga del condensador, considerando que la constante de tiempo es τ=R5·C2.
2,7 = 4,5 + (1,6 − 4,5)e −Tc / τ → Tc = 0,48·τ 
 ⇒ T = Tc + Td = τ
−Td / τ
1,6 = 0 + ( 2,7 − 0)e
→ Td = 0,52·τ 
Si como periodo se escoge T=1s, y se elige C2=10µF, se tiene:
R5 =
T
1
=
= 100 KΩ
C 2 10·10 −6
Así, para el circuito del LED se tienen estos valores:
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• D5: Diodo LED verde L53SGD.
• R5: Resistencias de 100KΩ.
• R8: Resistencias de 220Ω.
• C2: Condensador polarizado de 10µF y 50V.
Como cuestionario previo, los alumnos deben calcular las resistencias de polarización R6 y R7
para la puerta del transistor MOSFET Q1. Para ello, hay que considerar la tensión de umbral de la
puerta del transistor y fijar una corriente para R6 y R7 (emplead un valor de I67=2mA), ya que la
corriente de puerta de un MOSFET es 0. El MOSFET empleado es el BS170, de canal N, cuyas
principales características son: VGST=2,1V, IDMAX=500mA, RDSON=1,2Ω.
Como diodo de protección D5 se utilizará un diodo rectificador 1N4007. Así, para el circuito
del transistor se tienen estos valores:
• Q1: MOSFET BS170.
• R6 y R7: valores a calcular por los alumnos.
• D5: Diodo rectificador 1N4007.
• M: Motor de 5-6V de C.C.
• C3: Condensador 470µF.
Finalmente, para los condensadores de filtro de alimentación de circuitos integrados, como es
el caso del condensador C1, se suele tomar un valor entre 47nF y 100nF.
• C1: Condensador 100nF, 50V.
3. Experimentos
• Realizar el cálculo de las resistencias R6 y R7.
• Comprobar que funciona el circuito tal y como se ha descrito en la práctica.
• Medir los niveles de tensión entrada y salida de las puertas A, B, C y D.
• Realizar los cálculos de R5 y C2 para que el LED parpadeé más rápidamente, por ejemplo
cada 0,5s, y visualiza la señal de tensión del condensador con el osciloscopio.
• Medir la tensión de la puerta del MOSFET y la corriente por el motor.
• Determinar la resistencia máxima que puede haber entre la sonda COM y la entrada MAX (o
MIN) para que las entradas detecten el nivel. Se puede hacer con el potenciómetro y
resistencias de valores altos 100kΩ, 1MΩ, etc.
• Modificar el circuito para incluir un pulsador de emergencia, con un terminal conectado a 5V,
que al ser pulsado pare la bomba. Se pueden usar más puertas lógicas.
• Lo mismo de antes, pero para un pulsador que encienda la bomba.
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