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TALLER 6
CIRCUITOS
APRENDIZ:
JOHN QUINTERO
MANTENIMIENTO DE EQUIPOS DE COMPUTO, DISEÑO E
INSTALACIÓN DE CABLEADO ESTRUCTURADO
SENA
20-11-2013
MEDELLIN
1- ¿En qué dispositivos se encuentran los circuitos integrados?
Entre los circuitos integrados más utilizados tenemos reguladores de tensión, el
temporizador 555, los amplificadores operacionales, las puertas lógicas...y
existen chips muy complejos, como el denominado microprocesador, que
constituye el “cerebro” de los ordenadores y está formado por más de 40 millones
transistores.
Se utilizan circuitos integrados en más aparatos de los que creemos:
electrodomésticos (lavadoras, frigoríficos, hornos programables…), dispositivos
para grabar o reproducir imágenes y sonidos (videocámaras, televisores,
equipos de música…), ordenadores, etc.
2- ¿Qué son circuitos monolíticos, híbridos de capa fina e híbridos
de capa gruesa?
Circuito integrado monolítico: Circuito de una sola pieza, en el cual todos sus
elementos se han formado en el mismo momento sobre un sustrato
semiconductor, dentro del cual está formado al menos uno de los elementos.
Tiene una estructura monocristalina, es decir que su material semiconductor es
el cristal. Está constituido por una capa fina de aluminio depositado llamada
metalización, la cual hace las veces de los hilos conductores o de las conexiones
de los circuitos impresos usados en el ensamble de elementos discretos. Un CI
monolítico es una laminilla de silicio tratado, por esto se le llama chip. Existen
algunos de estos circuitos aislados por un dieléctrico para realizar la separación
entre elementos en el sustrato.
Circuito integrado híbrido de capa fina: Son muy similares pero además
contienen componentes difíciles de fabricar con tecnología monolítica. Muchos
conversores A/D y conversores D/A se fabricaron en tecnología híbrida hasta
que los progresos en la tecnología permitieron fábrica resistores precisos.
Circuito integrado híbrido de capa gruesa: Se apartan bastante de los
circuitos monolíticos. De hecho suelen contener circuitos monolíticos sin
cápsula, transistores, diodos, etc., sobre un sustrato dieléctrico, interconectados
con pistas conductoras. Los resistores se depositan por serigrafía y se ajustan
haciéndoles cortes con láser. Todo ello se colocan en capsulas plásticas o
metálicas, dependiendo de la disipación de energía calórica requerida. En
muchos casos la cápsula no está “moldeada”, sino que simplemente se cubre el
circuito con una resina epoxi para protegerlo.
3- ¿Qué significan las siglas: SSI, MSI, LSI, VLSI, ULSI, GLSI?
SSI: SSI es acrónimo del inglés Small-Scale Integration, traducido al español
como “integración a baja escala” y hace referencia a los primeros circuitos
integrados que se desarrollaron. Cumplían funciones muy básicas, como puertas
lógicas y abarcan desde unos pocos transistores hasta una centena de ellos. Es
decir, pequeño nivel: de 10 a 100 transistores.
Los circuitos SSI fueron cruciales en los primeros proyectos aerospaciales, y
viceversa, ya que los programas espaciales como Apolo o el
misil Minuteman necesitaban dispositivos digitales ligeros. El primero motivó y
guio el desarrollo de la tecnología de circuitos integrados, mientras que el
segundo hizo que se realizara una producción masiva.
Estos programas compraron prácticamente la totalidad de los circuitos
integrados desde 1960 a 1963, y fueron los causantes de la fuerte demanda que
originó un descenso de los precios en la producción de 1000 dólares la unidad
(en dólares de 1960) hasta apenas 25 dólares la unidad (en dólares de 1963).
MSI: A finales de los 60 se introdujeron dispositivos que contenían cientos
de transistores cada chip, llamados MSI, “Integración a Media Escala” (MediumScale Integration). Es decir el MSI es el nivel medio que abarca de 101 a 1.000
transistores.
Económicamente eran circuitos atractivos porque mientras producirlos costaba
ligeramente más que los dispositivos SSI, permitieron fabricar sistemas
electrónicos más complejos utilizando placas impresas más pequeñas, menos
trabajo al ensamblarlos (ya que contenían menos chips) y otras ventajas.
LSI: (Large Scale Integration), “Integración a grande escala” abarca de 1.001 a
10.000 transistores.
VLSI: VLSI es la sigla en inglés de Very Large Scale Integration, traducido al
español como “integración en escala muy grande”, que abarca desde 10.001 a
100.000 transistores.
La integración en escala muy grande de sistemas de circuitos basados
en transistores en circuitos integrados comenzó en los años 1980, como parte
de las tecnologías de semiconductores y comunicación que se estaban
desarrollando.
Los primeros chips semiconductores contenían sólo un transistor cada uno. A
medida que la tecnología de fabricación fue avanzando, se agregaron más y más
transistores, y en consecuencia más y más funciones fueron integradas en un
mismo chip. El microprocesador es un dispositivo VLSI. El sucesor natural del
LSI fue VLSI (varias decenas de miles de compuertas en un solo chip). Hoy en
día, los microprocesadores tienen varios millones de compuertas en el mismo chip.
ULSI: (Ultra Large Scale Integration), “Integración ultra larga en escala” abarca
de 100.001 a 1.000.000 transistores.
GLSI: (Giga Large Scale Integration) “Integración giga grande en escala” abarca
más de un millón de transistores.
4- ¿Qué son circuitos integrados analógicos y digitales?
Circuitos integrados analógicos: Los circuitos integrados analógicos más
comúnmente constituyen una parte de las fuentes de alimentación, los
instrumentos y las comunicaciones. En estas aplicaciones, los circuitos
integrados analógicos amplifican, filtran y modifican señales eléctricas. En los
teléfonos celulares, amplifican y filtran la señal de entrada de la antena del
teléfono. El sonido codificado en la señal tiene un nivel de baja amplitud, después
de que el circuito filtra la señal sonora de la señal de entrada, el circuito amplifica
la señal de sonido y lo envía al altavoz de tu teléfono celular, lo que le permite
escuchar la voz en el otro extremo.
Circuitos integrados digitales: Los circuitos integrados digitales se utilizan
principalmente para construir sistemas informáticos, también se producen en los
teléfonos celulares, equipos de música y televisores. Los circuitos integrados
digitales incluyen microprocesadores, microcontroladores y circuitos lógicos.
Realizan cálculos matemáticos, dirigen el flujo de datos y toman decisiones
basadas en principios lógicos booleanos. El sistema booleano utilizado se centra
en dos números: 0 y 1. Por otro lado, el sistema de base 10, el sistema de
numeración que aprendes en la escuela primaria, se basa en 10 números: 0, 1,
3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9.
5- ¿Quién fue el inventor de los circuitos integrados?
El primer circuito integrado fue desarrollado en 1959 por el ingeniero Jack
Kilby (1923-2005) pocos meses después de haber sido contratado por la
firma Texas Instruments. Se trataba de un dispositivo de germanio que
integraba seis transistores en una misma base semiconductora para formar
un oscilador de rotación de fase.
Al mismo tiempo que Jack Kilby, pero de forma independiente, Robert Noyce
(1927-1990) desarrolló su propio circuito integrado, que patentó unos seis meses
después. Además resolvió algunos problemas prácticos que poseía el circuito de
Kilby, como el de la interconexión de todos los componentes; al simplificar la
esctructura del chip mediante la adición del metal en una capa final y la
eliminación de algunas de las conexiones, el circuito integrado se hizo más
adecuado para la producción en masa.
6- Realizar una investigación en la red internet de los siguientes
circuitos integrados: lm555, lm7808, lm7905, lm317, lm337
(dibujar la distribución de sus pines).
CIRCUITO INTEGRADO LM555.
La principal utilización del circuito integrado 555 es la obtención de retardos de
tiempo con precisión. Posee terminales destinados al disparo y al reset para las
aplicaciones que así lo requieran.
Descarga desde esta página la hoja de datos del LM555:
http://www.ladelec.com/datasheet/LM555.pdf
Este circuito integrado puede utilizarse entre otras cosas para el diseño de:
-Circuitos monoestables.
- Osciladores astables.
- Generador de rampas de tensión.
- Detector de desaparición de impulsos.
- Circuitos moduladores de impulsos.
- Temporizadores secuenciales.
- Osciladores controlados en tensión.
Sus características más destacadas son:
- Trabaja con tiempos desde microsegundos a horas.
- Puede funcionar en modo astable o monoestable.
- Ciclo de trabajo ajustable.
- Corrientes de salida de +-200mA.
- Compatible con TTL con Vcc=5V.
- Muy estable con la temperatura 0.005% por ºC.
- Tensión de alimentación entre 4.5 y 18V.
Aplicaciones.
En la mayor parte de las aplicaciones, el número de componentes exteriores es
mínimo, tanto por su constitución interna como por su alta corriente de salida.
Puede controlar directamente relés y diodos Led.
Funcionando como monoestable necesita una resistencia y un condensador,
siendo éstos los que determinan el tiempo de retardo.
La frecuencia del oscilador astable queda fijada mediante dos resistencias y un
condensador.
Estas dos son las aplicaciones fundamentales, sin embargo, existen otras
muchas. De algunas de ellas se ha incluido el esquema eléctrico, así como un
diagrama de las señalas obtenidas durante el funcionamiento.
Imagen pines.
CIRCUITO INTEGRADO LM7808.
En la mayoría de las aplicaciones se requiere una tensión fija y estable de un
determinado valor. La línea de reguladores ideales para este tipo de necesidades
es la conocida como LM78XX. Las primeras letras y dos números corresponden
a la denominación, mientras que las dos últimas XX deben ser reemplazados por
la tensión de salida requerida. Las tensiones disponibles de observan en la
siguiente tabla:
Número
LM7805
LM7806
LM7808
LM7809
LM7812
LM7815
LM7818
LM7824
LM7830
Tensión de salida
5 Voltios
6 Voltios
8 Voltios
9 Voltios
12 Voltios
15 Voltios
18 Voltios
24 Voltios
30 Voltios
Cada uno de estos dispositivos posee sólo tres terminales, uno corresponde a
la entrada de tensión no regulada, otro es la salida regulada y el restante es la
masa, común a ambos. En cuanto al encapsulado, conviene aclarar que, si bien
están disponibles en varios tipos, generalmente se los suele encontrar en el
encapsulado del tipo TO-220, correspondiente a una corriente de salida de 1
amper.
Finalmente la corriente que este tipo de dispositivo es capaz de entregar:
Para un LM7805 ésta adopta un valor de 2 amperios. Si, en cambio, se trata de
un LM7808 a un 7815 ésta es de 1,5A, mientras para reguladores de tensión
superiores la corriente es de 1,2A. Es importante aclarar que estos valores son
válidos cuando se utiliza un disipador adecuado y cuando la tensión de entrada
no es superior en más 15 voltios con respecto a la de salida. Es decir que VentVsal<15V. Igualmente veremos algunos métodos para obtener mayor corriente
de salida de estos dispositivos.
Otra característica importante de esta línea es la protección térmica y contra
corriente excesiva: cuando la corriente que atraviesa al integrado adquiere un
valor demasiado elevado o cuando su temperatura es excesiva, el integrado
disminuye la tensión de salida en forma automática a cero. Debido a estas
últimas características estos dispositivos son casi indestructibles.
En resumen, con unos pocos componentes es posible fabricar, mediante el uso
de reguladores de tensión, una fuente de tensión fija con una salida tipo de 1,5A,
cuya salida no varía en más de 15mV para cualquier condición. Este tipo de
fuente es más que suficiente para la mayoría de las aplicaciones electrónicas.
Reguladores de tensión negativa.
Hasta ahora hemos conocido los reguladores fijos cuya tensión de salida es
positiva con respecto a masa. Sin embargo, también existe la serie análoga a la
LM78XX, de similares características, cuyas tensiones de salida son negativas
con respecto a tierra. Dicha serie es la 79XX. Donde nuevamente las X son
reemplazadas por los valores anteriormente mencionados.
Las características de esta serie son similares a la anterior en lo que respecta a
regulación de carga, de línea, rechazo al rizado y corriente de salida. La única
diferencia, además claro está de ser reguladores de tensión negativa, en la
distribución de pines en el encapsulado.
Imagen pines LM 7808.
CIRCUITO INTEGRADO LM7905.
Imagen pines.
CIRCUITO INTEGRADO LM317.
El LM317 es un regulador de tensión ajustable de tres terminales, capaz de
suministrar en condiciones normales 1.5 A, en un rango que va desde 1,2 hasta
37 Voltios. Es uno de los primeros reguladores ajustables de la historia; el primero
que salió fue el LM117, y más tarde el LM137 el cual tenía una salida negativa;
después le siguió el LM317 siendo notablemente popular.
Características.
Para su empleo solo requiere dos resistores exteriores para conseguir el valor
de salida. De hecho la línea de carga y regulación es mejor que en los
reguladores fijos. Además de las mejores características respecto a los
reguladores fijos, dispone de protección por limitación de corriente y exceso de
temperatura, siendo funcional la protección por sobrecarga, incluso si el terminal
de regulación está desconectado. Normalmente no necesita condensadores
mientras esté a menos de 15 centímetros de los filtros de alimentación. Dado
que es un regulador flotante y solo ve la entrada a la salida del voltaje diferencial,
se puede utilizar para regular altas tensiones mientras no se supere el diferencial
de entrada/salida (40V).
La tensión entre la patilla ajuste y salida es siempre de 1,25 voltios (tensión
establecida internamente por el regulador), y en consecuencia la corriente que
circula por el resistor R1 es: IR1 = V / R1 = 1,25/R1
Esta misma corriente es la que circula por R2. Entonces la tensión en R2: VR2
= IR1 x R2. Si se sustituye IR1 en la última fórmula se obtiene la siguiente
ecuación: VR2 = 1,25 x R2 / R1.
Como la tensión de salida es: Vout = VR1 + VR2, entonces: Vout = 1,25 [V] +
(1,25 x R2 / R1)[V] simplificando (factor común) Vout = 1,25(1+R2 / R1) [V]
De esta última fórmula se ve claramente que si modifica R2 (resistencia variable),
se modifica la tensión Vout
En la fórmula anterior se ha despreciado la corriente (IADJ) que circula entre la
patilla de ajuste (ADJ) y la unión de R1 y R2. Esta corriente se puede despreciar,
tiene un valor máximo de 100 uA y permanece constante con la variación de la
carga y/o de la tensión de entrada.
Con el propósito de optimizar la regulación, el resistor R1 se debe colocar lo más
cercano posible al regulador, mientras que el terminal que se conecta a tierra del
resistor R2 debe estar lo más cercano posible a la conexión de tierra de la carga.
Fuente con LM317.
Con el propósito de optimizar el funcionamiento del regulador se pueden
incorporar al diseño algunos elementos adicionales:
Se pone un condensador C1 de 220 o 4.700 μF en la patilla de entrada (IN) si el
regulador se encuentra alejado del bloque que se encarga de la rectificación.
Seguido de este se coloca un condensador cerámico de 100 nF con propósito
de mejorar el rechazo del rizado.
Se pone un condensador C3 de 1 uF de tantalio o 220 μF electrolítico en la patilla
de salida (OUT) con el propósito de mejorar la respuesta a transitorios.
Para tener control de la tensión que va a entregar el regulador, se pone un
potenciómetro de 5 kilo ohmios entre masa, y la patilla de ajuste del regulador.
Se pone un resistor de aproximadamente 240 ohmios en paralelo entre la patilla
de ajuste y salida del regulador.
Notar que la nomenclatura usada para identificar las resistencias en el esquema,
es la opuesta a la utilizada en las explicaciones de la sección anterior.
Imagen pines LM317.
CIRCUITO INTEGRADO LM337.
El LM337 es un regulador de tres terminales de voltaje negativo capaz de
entregar 100 mA y un rango de salida de 1.2 a 37 volts. Requiere solo dos
resistores para fijar la tensión de salida, además las regulaciones de línea y de
carga
son
mejores
que
la
de
los
reguladores
fijos.
Además de su mejor rendimiento sobre los reguladores fijos, el LM337 ofrece
una protección completa contra sobrecarga. Incluyendo en el chip un limitador
de corriente y protección contra sobrecarga térmica. Todas las protecciones de
sobrecarga permanecen funcionales aun cuando la terminal de ajuste esté
desconectada.
Características.
* Salida ajustable hasta 1.2 volts.
* Salida de corriente garantizada a 100 mA.
* Regulación de línea típicamente 0.01 % / volts.
* Regulación de la carga típicamente 0.1 %.
* Límite de corriente constante con la temperatura.
* Elimina la necesidad de almacenar mucho voltaje.
* Encapsulado estándar de tres terminales.
* Rechazo de rizado de 80 db.
Generalmente solo un simple capacitor sólido de salida (de tantalio) es necesario
solo si el dispositivo se encuentra alejado de los filtros capacitores de entrada en
cuyo caso se utiliza una derivación a la entrada. Se puede agregar un mayor
capacitor a la salida para mejorar la salida transitoria. El terminal de ajuste puede
ser derivado para lograr altos rangos de rechazo de rizado, los cuales son
difíciles de lograr con reguladores de tres terminales.
Además de reemplazar a los reguladores fijos, el LM337 es muy útil en una
amplia gama de aplicaciones. Como el regulador está “flotando” y ve solo el
voltaje diferencial de entrada salida, se puede entregar varios cientos de voltios
siempre que no exceda el voltaje diferencial máximo de entrada salida.
Se convierte en un regulador ajustado conmutado simple, en un regulador de
salida programable o conectando un resistor fijo entre el ajuste y la salida, el
LM337 puede ser usado como un regulador de corriente de precisión.
Alimentación con apagado electrónico puede ser obtenido conectando a masa el
terminal de ajuste, el cual programa la salida a 1.2 voltios donde la mayoría carga
un poco de corriente.
El -LM337 es encapsulado en una envase TO-92 tipo transistor. El LM337 tiene
un rango de operación desde los -25 ºC a 125 ºC.
Aplicaciones típicas.
En operación el LM337 tiene una referencia de tensión interna de precisión que
desarrolla una tensión nominal de -1.25 voltios, VREF, entre la salida y la
terminal de ajuste. La tensión de referencia aparece a través del
resistor programado , R1. Como VREF es constante, existe una corriente
constante, I1 a través del resistor programado. La tensión de salida está dada
entonces por
Vo = VREF + ( I1 + IADJ ) R2
= VREF + ( VREF R2 / R1 ) + IADJ R2
= VREF ( 1 + R2 / R1 ) + IADJ R2
Nótese que si VREF, R1, R2 e IADJ son constantes, entonces Vo también es
una constante.
A menudo se utiliza un capacitor de paso de entrada. Para casi todas las
aplicaciones, es adecuado un capacitor de disco de 0.1ðF o uno sólido de tantalio
de 1 ðF. Este capacitor corta las variaciones de alta frecuencia que ocurren en
los circuitos adjuntos.
Aunque el LM337 es estable sin capacitores de salida, como en cualquier circuito
retroalimentado, ciertos valores de capacitancia externa pueden provocar
oscilaciones excesivas conocidas como timbrado. Este se produce con
capacitancias entre 500 y 5000 ðF. Un capacitor de tantalio sólido de 1 ðF ( o
electrolítico de aluminio de 25 ðF ) en la salida reduce este efecto y asegura la
estabilidad.
Imagen pines LM337.