Los circuitos integrados CMOS digitales ofrecen una infinidad de posibilidades de aplicaciones como bloques básicos para proyectos. De hecho, funciones simples como la de osciladores, divisores de frecuencia, monoestable, conductores de relés, llaves sin ruidos son algunos ejemplos de bloques que pueden ser elaborados con los circuitos integrados de la serie 4000. En este artículo damos una selección de aplicaciones para los circuitos de esta serie.
Recordamos que los circuitos integrados de la familia 4000 pueden ser alimentados con tensiones en el rango de 3 a 15 V y que su velocidad máxima de operación depende de esta alimentación.
Así, una función típica operará con 3 MHz de velocidad máxima cuando se alimenta con 5 V y esta velocidad aumentada a 6 o 7 MHz con alimentación de 12 V.
Por otro lado, la corriente que puede ser drenada o suministrada en la salida depende de la alimentación y es de 2,25 mA típicamente para una alimentación de 10 V. Las corrientes quiescentes de la mayoría de los dispositivos de esta familia están alrededor de 0,1 uA.
Alertamos aún a los lectores para no tocar directamente en los terminales de los componentes de esta familia ya que son sensibles a las descargas estáticas.
Los circuitos suministrados sirven de base para proyectos y eventualmente deben tener los valores de resistores y condensadores alterados para obtener el funcionamiento deseado conforme a la aplicación.
1. Doblador de Tensión
El circuito mostrado en la figura 1 puede doblar una tensión continua en el rango de 5 a 15 V pudiendo ser utilizado como fuente de polarización, ya que la corriente de salida disponible es de algunos microampères.
En la configuración básica utilizamos dos puertos del 4049 como oscilador y otros 4 como un buffer-amplificador digital. Otras funciones CMOS que pueden ser conectadas como inversores tales como los 4001 y 4011 pueden ser empleadas en la misma configuración con la diferencia de que tendremos sólo dos puertas como amplificadores digitales.
Los capacitores son electrolíticos con tensiones de trabajo un poco más grandes que las usadas en la alimentación.
2. Prueba de Siervos
Con la configuración mostrada en la figura 2 podemos generar pulsos intervalados de 20 ms con duración entre 1 y 2 ms sirviendo para la prueba de servos, como los usados en equipos de control remoto y aplicaciones relacionadas con robótica y mecatrónica.
Eventualmente resistores y capacitores deben tener sus valores optimizados para alcanzar la franja exacta de tiempos necesaria para las pruebas. La alimentación debe realizarse con tensión de 5 V o según el tipo de señal requerido por el servo en prueba.
3. VCO con el 4046
El circuito integrado CMOS 4046 consiste en un PLL que contiene un VCO interno bastante versátil. En el circuito de la figura 3 mostramos cómo este PLL puede ser usado para obtener un oscilador controlado por la tensión aplicada al pin 9 a través de un potenciómetro.
Dependiendo de la aplicación, esta tensión puede ser suministrada por un circuito externo. El circuito tiene dos salidas con señales de frecuencias múltiples y la frecuencia central es dada por el valor del condensador C1.
Este capacitor puede asumir valores entre 200 pF y 470 nF típicamente.
4. Oscilador con el 4047
El oscilador mostrado en la figura 4 produce señales rectangulares de sus frecuencias y complementarias. La frecuencia de la señal generada depende de R y C según la fórmula dada junto al diagrama.
El límite de frecuencia generado es alrededor de 7 MHz para una alimentación de 12 V. El valor mínimo de C recomendado es de 100 pF. La alimentación del circuito se puede hacer con tensiones de 3 a 15 V, recordando que influye en la frecuencia máxima de oscilación.
5. Mezclador digital
Con el circuito mostrado en la figura 4 señales de audio de dos canales de sistemas de sonido estéreo se encienden rápidamente por la frecuencia del oscilador 4093 para mezclar.
Las señales de cada canal aparecen en sus salidas pudiendo ser aplicadas en la entrada de amplificador único. La frecuencia de conmutación debe ser superior a 50 kHz para que no aparezcan ruidos en la salida.
En el caso de un filtro de paso bajo, debe añadirse al circuito para eliminar el componente de conmutación que pueda estar presente en las señales de salida. Los cables de entrada y salidas de señales deben ser todos blindados. Las señales son de pequeña intensidad con amplitud que no debe superar la tensión de alimentación del circuito.
6. Selector de Audio
La configuración mostrada en la figura 6 permite la selección por toque en un interruptor de presión de las señales de 4 entradas. La señal seleccionada aparece en la salida.
El circuito integrado 4052 que consiste en un MUX / DEMUX opera en la configuración para señales analógicas con tensión de -5 V en el pin 7 que requiere el empleo de fuente simétrica para alimentación.
Las señales de entrada son de pequeña intensidad con una amplitud siempre inferior a 5 Vpp. La conmutación de las señales puede también ser hecha por medio de lógica.
7. Puerto AND utilizando OR
En la figura 7 tenemos el modo de usar tres puertos NOR para obtener una configuración lógica AND de dos entradas. Esta configuración puede ser útil para el caso de necesitar la función y no disponer de un circuito para el propósito.
8. Puerta NOR usando AND
La figura 8 muestra cómo es sencillo de obtener un puerto NOR usando un puerto AND y algunos elementos pasivos externos, en el caso de los diodos y una resistencia. Esta configuración puede ser útil en el caso de que necesite la función indicada y sólo haya disponibles puertos AND como el de un 4011.
a. Biestable de toque
El circuito mostrado en la figura 9 es una llave de tacto biestable con dos puertas NAND de un 4011. El toque del sensor X1 conmuta el circuito que cambia de estado, permaneciendo así hasta un nuevo toque.
La sensibilidad depende de las resistencias de 10 M y 15 M que eventualmente pueden ser alteradas conforme a la aplicación. El sensor consta de dos planchas de metal que se deben tocar simultáneamente.
9. Flip-Flop R-S
En la figura 10 mostramos cómo obtener un flip-flop Set-Reset o Reset-Set usando dos puertos NAND de un circuito integrado 4011. Se trata de una configuración útil para una improvisación o aprovechamiento de las puertas en un proyecto.
10. Oscilador con Ciclo Activo programable
El ciclo activo del oscilador mostrado en la figura 11 puede ser programado por la elección apropiada de las resistencias de 220 k ohms y 22 k ohms. Con los valores indicados tenemos un ciclo activo que es del 10%, o sea, el tiempo en que la salida permanece en el nivel alto es 1/10 del tiempo del ciclo total.
Los valores de los resistores se pueden cambiar en una amplia gama de valores para obtener el ciclo activo deseado. La frecuencia central de operación del circuito es dada por el condensador C1 que puede asumir valores entre 1 nF y 470 nF para aplicaciones comunes.
11. Oscilador rectangular 4093
Una de las configuraciones más versátiles de oscilador usando circuitos CMOS es la que se muestra en la figura 14 y que hace uso de uno de los cuatro puertos disparadores de un 4093. La frecuencia depende de R y C. C tiene valores en el rango de 100 pF a 100 uF mientras que R tiene valores a partir de 1 kohms. La señal tiene un ciclo activo de aproximadamente el 50% y la frecuencia máxima de operación para una alimentación de 12 V está en torno a 5 MHz.
