Fuente regulada de 5 VDC para prácticas con circuitos TTL
Fuente regulada de 5 VDC para prácticas con circuitos TTL
Introducción
En el desarrollo de las prácticas de Sistemas Lógicos Programables, una de las condiciones fundamentales para trabajar con circuitos digitales de tecnología TTL es disponer de una alimentación estable de 5 VDC.
Para facilitar el desarrollo de las experiencias de laboratorio se ha diseñado y construido un pequeño módulo regulador basado en el circuito integrado LM7805, cuya función es recibir una tensión continua de entrada y entregar una tensión regulada de aproximadamente 5 VDC.
El módulo ha sido diseñado con dimensiones compatibles con un protoboard, de manera que pueda conectarse directamente a éste y utilizarse como fuente de alimentación para los diferentes circuitos lógicos que se desarrollarán durante la asignatura.
Objetivo del módulo
El objetivo principal de este circuito es proporcionar a los estudiantes una fuente de alimentación sencilla y estable para realizar las prácticas con circuitos digitales.
El módulo permite disponer de:
- +5 VDC regulados para la alimentación de circuitos TTL.
- GND como referencia común del circuito.
- Una entrada VIN para conectar una fuente de tensión continua externa.
- Indicadores LED para verificar visualmente la presencia de tensión de entrada y salida.
- Conexión directa a un protoboard mediante sus terminales.
De esta manera, el estudiante no necesita construir una fuente de alimentación diferente para cada práctica. El mismo módulo puede reutilizarse durante el desarrollo de las diferentes experiencias de laboratorio.
Circuito regulador basado en LM7805
El elemento principal del circuito es el regulador de tensión LM7805.
Este dispositivo pertenece a la familia de reguladores lineales de tensión positiva y está diseñado para proporcionar una salida nominal de:
El funcionamiento básico consiste en aplicar una tensión continua superior a la tensión de salida requerida en la entrada del regulador. El LM7805 se encarga internamente de mantener la salida próxima a 5 V mientras las condiciones de funcionamiento se encuentren dentro de sus límites.
Funcionamiento del circuito
La tensión de entrada se conecta al terminal VIN. Antes de llegar al regulador se encuentra el LED indicador de entrada, acompañado por su resistencia limitadora.
El LM7805 recibe esta tensión por su terminal de entrada y regula la tensión disponible en su salida.
En la salida se encuentra un segundo LED, cuya función es indicar visualmente que los 5 VDC están presentes.
Los condensadores C1 y C2 contribuyen a mejorar la estabilidad del regulador y al filtrado de las variaciones de tensión.
En el circuito implementado se utilizan:
| Componente | Valor | Función |
|---|---|---|
| U1 | LM7805 | Regulación a 5 V |
| R1 | 1 kΩ | Limitación de corriente del LED de entrada |
| R2 | 330 Ω | Limitación de corriente del LED de salida |
| C1 | 330 nF | Filtrado/desacoplamiento de entrada |
| C2 | 100 nF | Desacoplamiento de salida |
| D1 | LED | Indicador de tensión de entrada |
| D2 | LED | Indicador de 5 V de salida |
Indicadores de funcionamiento
Una característica sencilla pero útil del módulo es la incorporación de dos indicadores luminosos.
LED de entrada
El primer LED permite comprobar visualmente que existe tensión aplicada al terminal VIN.
La corriente que circula por este LED queda limitada mediante la resistencia R1.
LED de salida
El segundo LED se encuentra conectado a la salida de 5 V y permite verificar que el regulador está entregando tensión.
La resistencia R2 = 330 Ω limita la corriente del LED de salida. De manera aproximada, considerando una caída de tensión de unos 2 V en el LED:
por lo que:
Esta corriente permite obtener una indicación luminosa adecuada sin exigir una corriente elevada al regulador.
Alimentación de los circuitos TTL
La principal aplicación de este módulo dentro de la asignatura será la alimentación de los circuitos integrados de tecnología TTL.
Los circuitos TTL tradicionales, como los pertenecientes a la familia 74LS, utilizan una alimentación nominal de aproximadamente 5 V.
Por esta razón, disponer de una fuente regulada independiente facilita considerablemente el montaje y las pruebas de circuitos como:
- compuertas lógicas;
- flip-flops;
- contadores;
- registros de desplazamiento;
- decodificadores;
- circuitos secuenciales;
- máquinas de estados;
- y otras aplicaciones digitales desarrolladas durante las prácticas.
El módulo se conecta al protoboard y, a partir de sus terminales de +5 V y GND, se puede alimentar el circuito que se encuentre en desarrollo.
Diseño físico del módulo
Una de las características importantes de este proyecto es que no se trata solamente de una simulación.
El circuito fue diseñado como una pequeña placa PCB de propósito educativo, considerando desde el principio su utilización junto con protoboards.
Su distribución permite identificar fácilmente:
- VIN: entrada de alimentación.
- GND: referencia de alimentación.
- +5V: salida regulada.
- LED indicador de entrada.
- LED indicador de salida.
- Conector para la alimentación externa.
- Pines de conexión para el protoboard.
De esta manera, el módulo puede permanecer como una herramienta reutilizable durante las diferentes prácticas de la asignatura.
El LM7805 como regulador lineal
El funcionamiento interno del LM7805 es considerablemente más complejo que el circuito externo mostrado en el esquema.
Internamente incorpora diferentes bloques encargados de establecer una tensión de referencia, comparar la tensión de salida y controlar el elemento de paso.
El fabricante representa este funcionamiento mediante un diagrama de bloques:
Entre las características incorporadas en este tipo de regulador se encuentran mecanismos de protección frente a situaciones como sobrecorriente y exceso de temperatura.
Sin embargo, esto no significa que pueda conectarse cualquier tensión de entrada sin considerar la disipación térmica. Al tratarse de un regulador lineal, la diferencia entre la tensión de entrada y los 5 V de salida se transforma principalmente en calor.
La potencia disipada puede aproximarse mediante:
Por ejemplo, si se alimentara el regulador con 12 V y el circuito consumiera 100 mA:
Por ello, durante las prácticas será importante considerar tanto la tensión de entrada como el consumo de los circuitos conectados.
Uso durante las prácticas
Este módulo formará parte de la infraestructura reutilizable de las prácticas de Sistemas Lógicos Programables.
La idea es que los estudiantes puedan conservar el módulo y utilizarlo posteriormente para alimentar diferentes circuitos. Así, una misma fuente regulada puede acompañar las prácticas de:
Fuente de 5 V → reloj → flip-flops → contadores → registros → decodificadores → máquinas de estados → aplicaciones digitales
Esto permite que las diferentes prácticas no sean circuitos aislados, sino que puedan aprovechar módulos construidos anteriormente.
Por ejemplo, una vez construida y comprobada la fuente de alimentación, ésta podrá utilizarse posteriormente para alimentar el generador de reloj basado en NE555, los contadores asíncronos y síncronos y, posteriormente, circuitos más complejos como secuenciadores y máquinas de estados.
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