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SIMULACIÓN ELECTRÓNICA CON
KTECHLAB
PRINCIPIOS BÁSICOS Y SIMULACIÓN DE CIRCUITOSVersión 0.1
Este cuaderno ha sido realizado por José Luis Gálvez López ([email protected]) utilizando OpenOffice Writer. Toda la obra está bajo una licencia Creative Commons de Reconocimiento-Compartir Igual 2.5. El software y dispositivos a los que se hace referencia están sujetos a las licencias respectivas de sus dueños o autores.
P No imprimir si no es necesario. Protejamos el Medio Ambiente.
Índice de contenido1 ITRODUCCIÓN................................................................................................................................3
1.1 ¿Qué es KTechlab?.....................................................................................................................31.2 Arranque....................................................................................................................................3
2 SIMULACIÓN DE CIRCUITOS......................................................................................................42.1 Interfaz.......................................................................................................................................42.2 Componentes.............................................................................................................................52.3 Instrucciones generales..............................................................................................................52.4 Simulación de circuitos..............................................................................................................6
2.4.1 Asociación serie y paralelo de resistencias........................................................................62.4.2 Asociación serie de condensadores...................................................................................62.4.3 Carga y descarga de un condensador.................................................................................72.4.4 Rectificador de M. O. con filtro por condensador.............................................................72.4.5 Amplificador no inversor...................................................................................................82.4.6 Puerta NAND a transistor..................................................................................................82.4.7 Conversor BDC natural a BCD Aiken...............................................................................92.4.8 Báscula RS.........................................................................................................................92.4.9 Astable con transistores....................................................................................................102.4.10 Astable con 555..............................................................................................................10
2.5 Subcircuitos..............................................................................................................................102.6 Carencias y errores...................................................................................................................12
2.6.1 Carencias..........................................................................................................................122.6.2 Errores..............................................................................................................................122.6.3 Wiki..................................................................................................................................12
1 ITRODUCCIÓN
1.1 ¿Qué es KTechlab?KTechlab es un entorno de desarrollo integrado para el tratamiento de circuitos electrónicos analógicos, digitales y microprogramados básicos. Es una aplicación en código abierto, ideada principalmente para ser utilizada en educación o por aficionados.
En este manual se trabajará con la versión 0.3 bajo Ubuntu 8.04. Para más información puede visitar la web oficial de Ktechlab.
1.2 ArranqueAl arrancar KTechlab se podrá crear un nuevo archivo haciendo clic en la opción Nuevo (New)o mediante el teclado con Ctrl + n. Aparecerá una ventana como la que se muestra a continuación.
En ella se puede elegir una de entre las siguientes opciones:
● Ensamblador (Assemble Code): permite escribir el programa en lenguaje ensamblador, con la opción de su paso a lenguaje máquina, para diferentes microcontroladores PIC.
● C: para programar el microcontrolador utilizando lenguaje C.
● Circuito (Circuit): permite la simulación de circuitos electrónicos.
● Diagrama de flujo (FlowCode): para programar el microcontrolador utilizando un diagrama de flujo.
● Microbe: es un lenguaje de programación similar al BASIC.
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2 SIMULACIÓN DE CIRCUITOS
2.1 Interfaz
Seleccionando la opción Circuit nos aparece la siguiente interfaz, cuyas zonas principales se describen seguidamente.
1. Proyecto (Project): visualiza la pestaña de proyecto con sus diferentes archivos.
2. Componentes (Components): visualiza la ventana con todos los componentes electrónicos disponibles, organizados por tipos.
3. Elementos de flujo (Flow Parts): visualiza la ventana con todos los componentes de diagramas de flujo disponibles, organizados por tipos.
4. Ventana de componentes: es la que aparece por defecto al seleccionar la opción Circuit.
5. Mensajes (Messages): despliega la ventana de mensajes del sistema.
6. Osciloscopio (Oscilloscope): despliega la ventana de visualización del osciloscopio.
7. Barra de estado: muestra distintas características del estado del sistema.
8. Visor de símbolos (Symbol Viewer): despliega la ventana??
9. Ayuda contextual (Context Help): despliega la ventana con el texto de ayuda del componente seleccionado.
10. Editor de características (Item Editor): despliega la ventana con las características del componente seleccionado para que puedan ser editadas.
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11. Zona de trabajo: donde se montará el esquema a simular.
2.2 ComponentesEn la ventana de componentes aparecen un listado con todos los elementos que podrá disponer el circuito a simular. Estaán reagrupados en la siguientes siete categorías:
● Fuentes (Sources): elementos de excitación del circuito, como baterías fuentes de señal, fuente fija de tensión, etc.
● Componentes discretos (Discrete): componentes como resistencias, bobinas, condensadores, diodos, etc.
● Interruptores (Switches): con diferentes tipos de interruptores.
● Salidas (Outputs): contiene elementos para visualizar los estados del circuito, como instrumentos de medida, LEDs, visualizadores de siete segmentos, etc.
● Lógica (Logic): con las puertas lógicas básicas y sondas de entrada y salida para dar y visualizar, respectivamente, niveles lógicos.
● Conectores (Connections): diferentes elementos de conexión de los componenentes de un circuito.
● Circuitos integrados (Integrated Circuits): incluye diferentes tipos de Cis y el microcontrolador PIC.
2.3 Instrucciones generalesSeguidamente se indican las instrucciones generales para comenzar a trabajar.
● Posicionado de componentes: la forma más usual de dibujar un circuito es primeramente posicionar los diferentes componentes en la zona de trabajo para después conectarlos eléctricamente. En aquellos circuitos con muchos componentes, es importante dejarlos bien colocados, ya que una vez conectados, si se mueven, las conexiones pueden volverse ilegibles. Para llevar un componente a la zona de trabajo basta con seleccionarlo con un clic y arrastrarlo hasta la misma. Si desea llevar varios componentes del mismo tipo, dé sobre el mismo un doble clic y a continuación haga tantos clic en la zona de trabajo como componentes desee. Para abandonar este modo deberá hacer clic con el botón secundario.
● Rotación: los componentes pueden girarse, una vez seleccionados, a partir de los botones de Giro positivo (Rotate CounterClockwise) y Giro negativo (Rotate Clockwise) de la barra de herramientas o haciendo clic con el botón secundario del ratón sobre el componente y seleccionando el ángulo deseado dentro de la opción Rotación (Orientation) en el menú emergente.
● Conexión: para conectar los distintos componentes existen dos modos, automático y manual, que pueden ser seleccionados desde la opción de menú Modo de conexionado (Roting Mode) dentro de Herramientas (Tools). En el modo automático deberá acercar el puntero del ratón, en forma de flecha, hacia la patilla del componente a conectar hasta que el puntero cambie a una cruz. En ese momento haga clic, arrastre hasta la patilla del otro componente y suelte el botón para que aparezca el hilo conector. En el modo manual el conector irá apareciendo mediante clics sucesivos. También es posible conectar dos
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conectores entre sí, o una patilla a otro conector.● Borrado: para borrar un componente bast con seleccionarlo y pulsar la tecla de suprimir
(Supr o Del). Si lo que se desea es borrar una conexión se selecciona mediante un clic cerca del conector, arrastrar hasta el mismo hasta que su color cambie, soltar el ratón y pulsar la tecla de suprimir.
● Cambio de valores: para cambiar los valores por defecto con los que aparece un componente basta con seleccionarlo y observar en la barra de herramientas los cuadros de edición. También es posible hacer esto mismo desplegando la ventana Editor de características (Item Editor).
● Insertar texto o dibujos: la opción Dibujar (Draw) permite insertar texto, líneas, elipses y rectángulos.
● Simulación: por defecto la opción de simulación está activada, pudiendo ser pausada mediante pulsando F10 o mediante la opción correspondiente dentro de Herramientas (Toolls) del menú.
● Visualización: con el fin de ver niveles lógicos, de tensión, de intensidad o formas de onda que proporcione el circuito, se conectarán los elementos de salida apropiados. Los elementos de medida indicarán sus valores directamente, mientras que las sondas lógicas, de tensión o de corriente se observarán desplegando la ventana del osciloscopio.
2.4 Simulación de circuitosPara presentar la simulación de circuitos, seguidamente se muestran varios ejemplos clásicos de circuitos analógicos y digitales, cuyo montaje se aconseja para para que el lector vaya tomando soltura en el manejo de la aplicación.
2.4.1 Asociación serie y paralelo de resistencias
Con este ejemplo se observa como aumenta o disminuye la corriente en cada uno de los circuitos cuando se conecta o desconecta una resistencia en serie o en paralelo. Para ello se han utilizado sendos conmutadores, cuyo estado cambia al hacer clic sobre los recuadros S1 y S2, y sendos amperímetros para observar el valor de la corriente en cada momento.
2.4.2 Asociación serie de condensadoresEn este circuito puede comprobarse como se distribuye la tensión en función de los valores de la capacidad de cada condensador. Para una correcta simulación deberá abrir los interruptores S1 y S2 para descargar los condensadores, variar las capacidades deseadas y cerrar S2 y S1 en este orden.
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2.4.3 Carga y descarga de un condensadorEn el circuito de la izquierda se ha utilizado una sonda de tensión para observar la carga y descarga del condensador. El conmutador S2 permitirá la carga o descarga en función de su posición. En la superior el condensador se carga a través de la resistencia de la derecha y en la inferior se descarga a través de ambas resistencias. El pulsador S permitirá descargr completamente el condensador en cualquier momento. Para observar las variaciones de la tensión se despliega la ventana del osciloscopio e interactuamos con el circuito. En la siguiente imagen podemos observar, de izquierda a derecha un proceso de carga interrumpido bruscamente por la pulsación
sobre S1, seguido de un nuevo proceso de carga y otro de descarga. Obsérvese como el proceso de descarga es más lento que el de carga debido a la mayor resistencia, 1 kΩ en la carga y 2 kΩ en la descarga.
2.4.4 Rectificador de M. O. con filtro por condensadorEn el circuito se han utilizado tres sondas de tensión para observar las señales de entrada, verde, la del diodo, amarilla, y la de salida, roja. Además se ha añadido el interruptor S para ver el efecto del filtro en C sobre el rectificador de media onda. En la siguiente figura puede observarse las
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señales que muestra el osciloscopio con S cerrado.
2.4.5 Amplificador no inversorAmplificador no inversor con ganancia 11 de ensión.
2.4.6 Puerta NAND a transistor
En este ejemplo se explica el comportamiento de una puerta lógica NAND a transistor, lógica TTL. Basta que uno o los dos conmutadores estén a nivel bajo para que el transistor permanezca en corte y la salida sea un alto. En el circuito se ha añadido el símbolo lógico de la puerta NAND para comprobar que su funcionamiento es idéntico al del circuito. El nivel lógico de las sondas de entrada se cambia mediante un clic en el cuadrado sombreado correspondiente.
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2.4.7 Conversor BDC natural a BCD AikenEl circuito genera la siguientes ecuaciones de conversión:
S0 = D S1=BC'D+B'C+A S2=BD'+BC+A S3=BD+BC+A
2.4.8 Báscula RSEl circuito se corresponde con una báscula RS con puertas NOR. Para mayor claridad se ha añadido un texto descriptivo y la tabla de verdad utilizando las herramientas de dibujo (draw).
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2.4.9 Astable con transistoresEl esquema muestra el circuito típico de un astable con transistores.
En ambas salidas se han conectado sendas sondas lógicas, azul y verde, para observar las formas de onda que pueden observarse en la siguiente imagen.
2.4.10 Astable con 555Configuración típica del 555 para su funcionamiento astable.
2.5 SubcircuitosUn subcircuto es una macro que el propio usuario puede crear a partir de los componentes que ofrece la aplicación, para luego ser empleado como un componente más. A continuación se explica paso a paso como crear un subcircuito semisumador.
1. Se dibuja el circuito y sus salidas y entradas se unen a conexiones externas (External conexión).
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2. Se selecciona todo el conjunto, se da un clic al botón derecho, se hace clic en Crear un subcircuito (Create Subcircuit) y se pone el nombre (Semisumador en nustro caso).
3. En el apartado Subcircuitos (Subcircuits) de la ventana de componentes, aparecerá como un nuevo dispositivo que podrá ser utilizado como bloque tantas veces como se desee.
4. Ahora el subcircuito está listo para poder ser utilizado como cualquier otro dispositivo las veces que sea necesario. En el siguiente esquema se muestra un sumador completo a partir de dos semisumadores.
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2.6 Carencias y erroresEn la actualidad la versión 0.3 de Ktechlab es una de las mejores aplicaciones libres para la simulación de circuitos electrónicos a nivel básico. Sin embargo, aún posee carencias importantes y algunos errores que esperamos sean solucionados en versiones futuras. En este aspecto, las autoridades educativas de cada país podrían impulsar de manera decisiva el desarrollo de esta aplicación, dada su utilidad en distintas etapas educativas.
A continuación se indican las carencias más importantes y los errores detectados.
2.6.1 Carencias● Osciloscopio: su carencia principal es la de no mostrar lo valores, tanto de tensión como de
tiempo, lo que impide tomar medidas en las señales.
● Interfaz en español: según aparece en la Wiki oficial, esta carencia será subsanada en la versión 0.3.7.
● Potenciómetro: tienen una variación lineal fija que no puede modificarse.
● Lógica: se echa en falta un generador de palabras de al menos 8 bits, que pueda ser programado en hexadecimal y cuyas salidas puedan ejecutarse de modo cíclico o paso a paso.
● Instrumentos de medida: además del voltímetro y el amperímetro para cc haría falta un polímetro para medir resistencias tensiones o corrientes tanto en continua como en alterna.
● Subcircuitos: una vez creados no pueden abrirse.
● Circuitos aritméticos: hace falta incluir al menos un sumador de 4 bits con entrada y salida de conexión en cascada.
2.6.2 Errores● Valor 100 μ: al poner este valor, en resistencias, bobinas o condensadores, se bloquea el
programa.
● IC 555: no funciona correctamente como monoestable y las formas de onda en el condensador en el funcionamiento astable no son cuadradas.
● Nuevo proyecto: al seleccionar la opción New Proyect la aplicación no puede cerrarse normalmente.
2.6.3 WikiEl proyecto posee una wiki en inglés, donde se pueden encontrar multitud de circuitos. Se trata de un espacio web donde todos los usuarios pueden participar y subir sus propios diseños. Es una buena forma de colaborar para quienes no son programadores y desean divulgar sus trabajos para que sirva de ayuda a otros usuarios.
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