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INSTITUTO SALESIANO DE FORMACIÓN TÉCNICA LEÓN XIII
INSTITUTO SALESIANO DE FORMACIÓN
TÉCNICA LEÓN XIII
E02 - Electrónica II
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INSTITUTO SALESIANO DE FORMACION TÉCNICA LEON XIII 1
ELECTRÓNICA II (E02) Ing. Carlos Cortés
I. OBJETIVOS
1. Conocer, comprender y manejar las características de las diferentes familias lógicas.
2. Manejar aplicaciones con circuitos digitales.
3. Aprender a probar y montar circuitos electrónicos digitales.
4. Identificar los componentes básicos y más usados en la
implementación de circuitos digitales.
5. Realizar un proyecto donde se asocien los conceptos aprendidos durante el curso.
II. TEMARIO
Electrónica II es una asignatura enfocada en los circuitos digitales, el
entendimiento de sus conceptos básicos y principios de funcionamiento de los componentes más utilizados.
1. Introducción
En este capítulo se estudia los conceptos básicos de un circuito digital, el concepto de álgebra de Boole y sistemas de numeración. Los conceptos
teóricos se reforzaran con prácticas de laboratorio.
2. Circuitos Lógicos Básicos
En este capítulo se estudia los elementos lógicos, las compuertas lógicas
y sus respectivas tablas de verdad, las funciones lógicas y los circuitos lógicos reales, estos últimos reforzados con prácticas laboratorio.
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3. Redes Combinatorias
En este capítulo se estudia los conceptos de redes combinatorias y los
componentes más usados en estas últimas, aprovechando los conceptos vistos al momento se estudia la forma de construir circuitos como
sumadores y comparadores con compuertas lógicas.
4. Introducción a Circuitos Secuenciales
En este capítulo se realiza una introducción a los diferentes elementos de memoria digitales y sus usos más comunes. Se enfoca en el uso de
Flip-Flop y sus aplicaciones reforzando con prácticas de laboratorio.
5. Multivibradores
En este capítulo se enfatiza el aprendizaje del funcionamiento del
integrado IC555. Se estudiara sus diferentes configuraciones y aplicaciones. El trabajo de este capítulo esta reforzado con prácticas de
laboratorio.
La Tabla 1 relaciona los temas que se van a trabajar en esta asignatura con su respectiva intensidad horaria y cronograma.
TEMA HORAS SEMANA
1. Introducción 4 1
¿Qué es un circuito digital?
¿Qué es un circuito lógico?
Señales Digitales
2. Circuitos Lógicos Básicos 16 2-5
Compuertas / Puertas Lógicas
Tablas de Verdad
Funciones Lógicas
Familias Lógicas
Encapsulados de Circuitos Integrados
Parcial Teórico-Práctico 4 6
3. Redes Combinatorias 8 7-8
Conversión de números
Sumadores
Comparadores
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4. Introducción a Circuitos Secuenciales 8 9-10
Flip-flop
5. Multivibradores 8 11-12
IC 555
Aplicaciones con circuitos digitales
6. Proyectos Finales 12 13-15
Examen Final 4 16
Tabla 1
III. METODOLOGÍA
El curso se desarrollará principalmente con exposiciones teórico-
prácticas del profesor, con alta participación de estudiantes (preguntas, anotaciones, exposiciones). Se realizarán prácticas de laboratorio en la
sala de electrónica en las que el estudiante deberá trabajar de forma activa en el desarrollo de montajes electrónicos prácticos, trabajos y
tareas.
El curso se enfoca en la utilización de dispositivos electrónicos digitales, las diferentes tecnologías utilizadas y las referencias más importantes
en los circuitos lógicos. De igual forma se pondrá especial atención en la depuración de errores en circuitos digitales.
IV. EVALUACIÓN
DESCRIPCIÓN % SEMANA
Examen 1 25
Examen 2 35
Proyectos (Laboratorios, trabajo en clase) 25
Trabajos de investigación, tareas 15
Tabla 2
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V. DESARROLLO DE LA ASIGNATURA
1. Introducción
¿Qué es un circuito digital?
Existen dos clases de circuitos, los análogos y los digitales. La diferencia
fundamental entre ellos es la forma de interpretar las señales. En la figura se observa tanto la forma de onda de una señal análoga como la
de una señal discreta.
¿Qué es un circuito lógico?
Un circuito lógico es aquel que maneja la información en forma de “1” y “0”, es decir dos niveles de voltaje o dos estados diferentes. En la figura
se puede observar una señal digital.
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Los circuitos lógicos se usan hoy en día para equipos de
comunicaciones, control, entretenimiento y en especial en la construcción de procesadores, siendo este último el que más desarrollo
le ha aportado a la electrónica y la computación.
2. Circuitos Lógicos Básicos
Compuertas o Puertas Lógicas
Es la unidad básica sobre la que se diseña un sistema digital. Pueden
poseer una o más entradas y una sola salida. Su salida es una función que puede tomar el valor de 1(H) o 0(L).
Las compuertas lógicas básicas son: NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR o
EXOR, EQUI o EX NOR.
Tablas de Verdad
A continuación se muestra las diferentes formas de representar las compuertas anteriormente nombradas y sus respectivas tablas de
verdad. A través de las tablas de verdad se puede conocer teóricamente el comportamiento de la compuerta lógica, en función de los niveles de
las entradas. De igual forma se puede observar el símbolo correspondiente a cada compuerta y su función lógica.
Compuerta NOT
Símbolo Tabla de Verdad Función
A S
0 1
1 0
AS
Figura 1
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Compuerta AND
Símbolo Tabla de Verdad Función
A B S
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
BAS
Figura 2
Compuerta OR
Símbolo Tabla de Verdad Función
A B S
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
BAS
Figura 3
Compuerta NAND
Símbolo Tabla de Verdad Función
A B S
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
BAS
Figura 4
Compuerta NOR
Símbolo Tabla de Verdad Función
A B S
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
BAS
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Figura 5
Compuerta EX-OR o XOR
Símbolo Tabla de Verdad
A B S
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
BABABAS
Figura 6
Compuerta EQUI o EX-NOR
Símbolo Tabla de Verdad
A B S
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 1
BABAS
Figura 7
Familias Lógicas
Existen dos familias principales en las compuertas lógicas, ellas son la familia TTL y la CMOS. La diferencia entre ellas radica en la tecnología
con que son construidas y los voltajes con que trabajan. Por ejemplo las compuertas de la familia TTL comúnmente se alimentan con voltajes
entre –5V y 5V, o entre 0V y 5V. Por otro lado las compuertas de la familia CMOS se alimentan con voltajes entre 0V y de 3V a 15V.
Otras diferencias importantes son los niveles de voltajes que reconocen como estado de verdadero (1) o falso (0). En la figura que se presenta a
continuación se observa esta diferencia entre compuertas tanto en la entrada como en la salida de las mismas.
Encapsulados de Circuitos Integrados
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Encapsulado DIP o DIL (Dual In Line)
Figura 8
Este puede ser cerámico (marrón) o de plástico (negro). Un dato importante en todos los componentes es la distancia entre patillas que
poseen, en los circuitos integrados es de vital importancia este dato, así en este tipo el estándar se establece en 0,1 pulgadas (2,54mm). Se
suelen fabricar a partir de 4, 6, 8, 14, 16, 22, 24, 28, 32, 40, 48, 64 patillas, estos son los que más se utilizan.
Otra norma que también suele cumplirse se refiere a la identificación de
la numeración de las patillas o pines: la patilla número uno se encuentra
en un extremo señalada por un punto o una muesca en el encapsulado y se continua la numeración en sentido anti-horario (sentido contrario a
las agujas del reloj), mirando al integrado desde arriba. Por regla general, en todos los encapsulados aparece la denominación del
integrado, así como, los códigos particulares de cada fabricante.
Encapsulado Flat-Pack
Figura 9
Se diseñan para ser soldados en máquinas automáticas o semiautomáticas, ya que por la disposición de sus patillas se pueden
soldar por puntos. El material con el que se fabrican es cerámico. La numeración de sus patillas es exactamente igual al anterior. Sus
terminales tienen forma de ala de gaviota. La distancia entre patillas es
de 1,27mm, la mitad que en los DIP.
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Encapsulado SOIC (Small Outline Integrated Circuit)
Figura 10
Circuito integrado de pequeño contorno. Son los más populares en los
circuitos de lógica combinatoria, tanto en TTL como en CMOS. También la terminación de las patillas es en forma de ala de gaviota. Se sueldan
directamente sobre las pistas de la placa de circuito impreso, en un área denominada footprint. La distancia entre patillas es de 1,27mm (0,05").
La numeración de los pines es exactamente igual a los casos anteriores.
Encapsulado PLCC (Plastic Lead Chip Carrier)
Figura 11
Se emplea en técnicas de montaje superficial pero, generalmente,
montados en zócalos, esto es debido a que por la forma en J que tienen sus terminales la soldadura es difícil de verificar con garantías. Esto
permite su uso en técnicas de montaje convencional. Se fabrican en material plástico. En este caso la numeración de sus patillas varía
respecto de los anteriores. El punto de inicio se encuentra en uno de los lados del encapsulado, que coincide con el lado de la cápsula que acaba
en chaflán, y siguiendo en sentido anti-horario. La distancia entre terminales es de 1,27mm.
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3. Laboratorio – Comparador Binario
Monte el circuito de la figura. Una vez este montado y su profesor lo haya revisado proceda a alimentar el circuito con fuente de 5V.
Varíe las entradas del circuito de tal forma que utilice todas las combinaciones posibles y llene la tabla de verdad que se presenta a
continuación.
A B M m i
0 0
0 1
1 0
1 1
Describa con sus palabras cuál es la función del circuito:
_________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________
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__________________________________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
4. Laboratorio - Medición de parámetros de compuertas cmos y ttl
Monte el circuito de la figura. Una vez este montado y su profesor lo
haya revisado proceda a alimentar el circuito con fuente de 5V. Varíe el potenciómetro y verifique que el led de la salida prenda y apague.
Figura 1.
Una vez verificado el correcto funcionamiento del circuito proceda a
medir el voltaje con el multímetro en el punto indicado en la figura. Varíe lentamente el potenciómetro y tome las siguientes medidas:
Voltaje en el que el led se apaga: _________
Voltaje en el que el led se prende: _________
Ahora cambie la compuerta 74ls04 por una CD4069 y tome las mismas
medidas:
Voltaje en el que el led se apaga: _________ Voltaje en el que el led se prende: _________
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Ahora alimente la compuerta CD4069 con 15V y tome las mismas
medidas:
Voltaje en el que el led se apaga: _________
Voltaje en el que el led se prende: _________
Nota: Recuerde siempre leer las hojas de especificaciones de los componentes antes de montar los circuitos y realizar las mediciones.
5. Redes Combinatorias
Conversión de Números
Antes de entrar en detalle en la construcción de circuitos combinatorios es necesario entender como convertimos números binarios a decimales
y viceversa.
Para entender como convertir un número decimal a binario veamos el
siguiente ejemplo donde se pretende encontrar la representación binaria del número decimal veintinueve (29):
Figura 12
El proceso consiste en dividir el número al que pretendemos encontrarle
su representación binaria entre 2. En el caso del ejemplo dividimos el 29 entre 2, después ese resultado lo volvemos a dividir entre 2, en este
caso el 14, después se vuelve a dividir entre 2, y así sucesivamente hasta que el último resultado es 1 o 0. Para conformar el número binario
nos devolvemos en el sentido de la flecha empezando por el último resultado y siguiendo con los residuos de las diferentes divisiones, en
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este caso los números están en negrilla. Para el caso del ejemplo la representación binaria del número 29 es 11101.
Para practicar se puede realizar el proceso con los siguientes números y verificar los resultados:
Número Respuesta
30 11110
36 100100
7 111
9 1001
17 10001
Tabla 3
Para el caso contrario, es decir cuando se quiere transformar un número
binario en un número decimal se realiza el siguiente proceso:
Si el número binario es X5X4X3X2X1X0 siendo X0 el bit menos significativo y X5 el bit más significativo la conversión se de hace de la siguiente
forma:
Número decimal = X5*25 + X4*24 + X3*23 + X2*22 + X1*21 + X0*20
Para aclarar observe el siguiente ejemplo:
Transforme el siguiente número binario en número decimal: 101001
101001 = 1*25 + 0*24 + 1*23 + 0*22 + 0*21 + 1*20 = 1*32 + 0*16 + 1*8 + 0* 4 + 0*2 + 1*1
= 32 + 0 + 8 + 0 + 0 + 1 = 41
Para practicar realice los siguientes ejercicios y compare con las
respuestas dadas:
Número Respuesta
000111 7
101010 42
011011 27
001001 9
110110 54
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Tabla 4
Sumador
La tabla de verdad de una sumador de un bit es la siguiente:
Tabla 5
El circuito que implementa dicha tabla de verdad es:
Figura 13
Restador
La tabla de verdad de un restador de un bit es la siguiente:
A B Carry In (Co) Salida Carry(C')
0 0 0 0 0
0 0 1 1 0
0 1 0 1 0
0 1 1 0 1
1 0 0 1 0
1 0 1 0 1
1 1 0 0 11 1 1 1 1
SALIDASENTRADAS
A B Carry In (Co) Salida Carry(C')
0 0 0 0 0
0 0 1 1 1
0 1 0 1 1
0 1 1 0 1
1 0 0 1 0
1 0 1 0 0
1 1 0 0 01 1 1 1 1
SALIDASENTRADAS
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Tabla 6
El circuito que implementa dicha tabla de verdad es:
Figura 14
Comparador
La tabla de verdad de un comparador de un bit es la siguiente:
Tabla 7
Donde I es la salida cuando las entradas son iguales, M la salida que indica cuando A es mayor que B, y m que indica cuando A es menor que
B.
El circuito que implemente la anterior tabla de verdad es:
A B I M m
0 0 1 0 0
0 1 0 0 1
1 0 0 1 01 1 1 0 0
ENTRADAS SALIDAS
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Figura 15
VI. CIRCUITOS SECUENCIALES
1. Circuito combinacional
Circuito cuya salida depende solamente de la combinación de sus entradas en el momento que se está midiendo la salida.
2. circuito secuencial
Circuito donde hay realimentación de alguna de las salidas en alguna de
las entradas, es decir, la salida depende de una salida anterior o de un instante antes.
¿Qué es realimentación?
Es una salida conectada a una entrada del mismo circuito. Muchas veces
da un efecto de memoria. Ejemplo:
Figura 16
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3. flip-flop set-reset (ff-sr-nor)
Figura 17
S R Q Q’
Set 1 0 1 0
Reset 0 1 0 1
Memoria 0 0 Qo Qo
Prohibido 1 1 0 0
Tabla 8
4. flip-flop set-reset (FF-SR-Nand)
Figura 18
S' R' Q Q'
Set 0 1 0 1
Reset 1 0 1 0
Memoria 1 1 Qo Qo
Prohibido 0 0 1 1
Tabla 9
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5. flip-flop j-k (ff-jk)
A continuación se muestra diferentes tipos de FF-JK:
Flip-Flop disparo por nivel
Figura 19
Flip-Flop disparo por borde ascendente
Figura 20
Flip-Flop disparo por borde descendente
Figura 21
Tabla de Verdad
La tabla de verdad presentada a continuación se refiere a un FF-JK como el de la siguiente figura:
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Figura 22
ENTRADAS SALIDAS
Preset Clear Reloj (CLK) J K Q Q'
0 0 X X X 1* 1*
0 1 X X X 1 0
1 0 X X X 0 1
1 1 0 0 Qo Qo'
1 1 0 1 0 1
1 1 1 0 1 0
1 1 1 1 Qo' Qo
Tabla 10
Contador de 3 bits
A continuación se puede ver un ejemplo de un contador de 3 bits hecho con FF-JK:
Figura 23
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Figura 24
6. Laboratorio - Divisor de frecuencia
Divisor entre 2
Haga el montaje del circuito de la siguiente figura:
Recuerde que el voltaje de alimentación es máximo 5V.
1. En la entrada In coloque una señal cuadrada periódica de frecuencia 1 kHz. Con el osciloscopio mire la señal de la entrada In y la señal de
la salida 1 Out1 al mismo tiempo y dibuje lo que ve a continuación:
2. Ahora con el mismo montaje mire con el osciloscopio la señal de la
salida 1 (Out1) y de la salida 2 (Out2), y dibuje lo que observa a continuación:
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3. Diga con sus propias palabras ¿Qué hace el circuito montado?
_________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________________________
____________________________________________________________
Contador de tres bit
Monte el circuito de la siguiente figura:
En sus palabras explique que hace el circuito del montaje:
__________________________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________
____________________________________________________________
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VII. MULTIVIBRADORES
1. El Temporizador
El circuito electrónico que más se utiliza en la industria 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.
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 simple de los retardos, requiere de una resistencia de cierto valor
y un condensador de considerable capacidad. Se necesita un retardo en una máquina cizalla de corte, la cual conlleva cierto riesgo de accidentar
al operario que la maneja. Necesitamos un sistema de seguridad para que sólo cuando el operario esté fuera de peligro, la cuchilla pueda
bajar. 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, una resistencia y un condensador.
Sin embargo hay una forma más fiable y sencilla de construir un temporizador, esa es la forma que se va a estudiar, aprovechando el
integrado IC555.
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2. IC 555
Figura 25
El LM 555 es un circuito integrado que incorpora dentro de si dos
comparadores de voltaje, un flip-flop, una etapa de salida de corriente, divisor de voltaje resistor y un transistor de descarga. Dependiendo de
como se interconecten estas funciones utilizando componentes externos es posible conseguir que dicho circuito realiza un gran numero de
funciones tales como la del multivibrador astable y la del circuito monoestable. El diagrama de bloques interno se puede apreciar en la
hoja de datos del LM 555.
Los circuitos multivibradores son utilizados para generar ondas digitales de forma continua o discontinua controlada por una fuente externa. Un
multivibrador astable es un oscilador cuya salida varia entre dos niveles de voltaje a una razón determinada por el circuito RC. Un multivibrador
monoestable produce un pulso que comienza cuando el circuito recibe la
señal o disparo, la duración del pulso es controlada por el circuito RC.
Si se observa el diagrama de bloques antes mencionado se nota que la red de resistencias que forman el divisor de voltaje fija en 1/3 Vcc y 2/3
Vcc los puntos de comparación de los dos comparadores internos. Dependiendo de las señales que se aplican desde el exterior se puede
lograr que los comparadores cambien de estado a diferentes niveles de voltaje, lo cual provoca que el Flip-Flop cambie el estado de salida y/o
active el transistor de descarga. Los circuitos de este experimento muestran como se logran dos funciones distintas con un mismo circuito
integrado simplemente variando las conexiones externas.
A continuación se reseña la función de cada terminal del circuito integrado:
Pin #1: Tierra o terminal común Pin #2: Disparo (Trigger). Aplicando un voltaje menor que 1/3 Vcc el
comparador cambia de estado, hace set al flip-flop y este a su vez
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hace que el voltaje de salida sea alto. Cuando el voltaje de salida esta alto el transistor de descarga esta ON.
Pin #3: Salida Pin #4: Preset. Aplicando un voltaje bajo se consigue interrumpir el
intervalo temporizador (timing cycle).
Pin #5: Voltaje de control. El voltaje conectado a este terminal varia los valores de referencia, 2/3 Vcc y 1/3 Vcc, de los comparadores del
circuito. Pin #6: Umbral (Theshold). Cuando se le aplica un voltaje mayor que
2/3 Vcc se hace reset del flip flop haciendo así el voltaje de salida bajo. Cuando el Vo de salida esta bajo el transistor de descarga esta
ON. Pin #7: Transistor de descarga. Cuando se activa esta transistor hay
un paso de baja resistencia entre las patas 7 y 1. Pin #8: Vcc. Entrada de alimentación de todo el circuito integrado.
Figura 26
Operación Monoestable
En este modo de operación el integrado funciona como un vibrador de
un solo disparo. El condensador externo se mantiene descargado por el transistor del IC555. Una vez se aplica un pulso de voltaje negativo
menor a 1/3 de Vcc en el terminal 2, el flip-flop interno es levado a su estado de set, lo cual libera el corto circuito en el condensador y lleva la
salida a voltaje alto.
El voltaje en el condensador se eleva de forma exponencial durante un
tiempo de t=1.1*RA*C, al final del cual el voltaje se iguala a 2/3 de Vcc. Luego el comparador lleva el flip-flop a su estado de reset, lo cual
descarga inmediatamente el condensador y lleva la salida a cero. Es importante notar que a pesar que los niveles de voltaje para los
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disparos son directamente proporcionales al voltaje de la fuente de alimentación, el tiempo del monoestable es independiente del voltaje.
Figura 27
Figura 28
Durante el tiempo del monoestable cuando la salida esta en alto, la aplicación de otros pulsos de disparo en el terminal 2 del IC555 no van a
afectar el circuito. Sin embargo la salida del circuito puede forzada a cero con la aplicación de un pulso negativo en el terminal de reset (4).
Es recomendado que cuando la función de reset no va a ser usada en el
circuito esta entrada se conecte a Vcc, para de esa forma evitar un disparo falso.
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Operación astable
En este modo el circuito funciona como un vibrador de auto-disparo, es decir, no necesita una entrada externa para activar un cambio de nivel
en la salida. Cuando el LM555 se conecta como se muestra en la figura
29 el circuito funciona como un circuito astable.
Figura 29
La salida del circuito será una señal cuadrada cuya frecuencia depende de Ra, Rb y C. La señal de salida se puede ver en la figura 30. La
segunda señal allí presentada es la señal de voltaje sobre el condensador C.
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Figura 30
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