Sistema Digital de Control del Nivel de Agua

Introducción
Desde hace varios años, la mano del hombre ya no es tan necesaria para poder controlar todos aquellos
equipos y artefactos que utilizamos diariamente ya sea como por ejm. El alumbrado público controlar la
calefacción, controlar el llenado de un pozo con agua, etc. Hoy en día, existe la posibilidad de que ciertos
sistemas específicos puedan controlar y/o efectuar el manejo por si solos (Automático).
Los elementos necesarios, mediante los cuales se puede obtener los efectos deseados sin la intervención de la
mano del hombre se denominan sensores o actuadotes. Dependiendo de la variación de la magnitud que
controlen podemos tener el siguiente listado básico: El Termostato (Actúa con los cambios de temperatura),
Interruptor Crepuscular (Actúa con los cambios de luz solar), Temporizador (Actúa con los cambios del
tiempo), Hidronivel (Actúa con los cambios de fluidos), etc.
Los beneficios obtenidos por el usuario de estos sistemas de control automático son: Confort (comandar
sistemas o artefactos desde cualquier lugar por medio de un control o en forma automática, seguridad (crear
situaciones de simulación de personas dentro de una propiedad o simplemente un alarma, y el ahorro de
tiempo (simplificando las tareas diarias.)
Presentación
En el siguiente proyecto titulado Sistema Digital de control de nivel de Agua o simplemente Hidronivel, se
tratara sobre un sistema de control automático que con el cual nosotros como usuarios, podremos mantener un
control sobre el nivel de llenado de agua de un tinaco (pozo elevado), de tal manera que cuando el pozo este
lleno se detenga un hidrobomba o bomba periférica para el llenado de pozos, para así evitar el sobrellenado
del mismo sin que se desperdicie el agua, por otro lado, una vez que el agua se agote del pozo, hará que se
active la hidrobomba nuevamente para el llenado del pozo, cumpliendo el siglo de llenado de un pozo
elevado, pero en este caso sin la intervención del hombre.
Además de lo antes mencionado se ha implementado un circuito extra censará (detectar) el nivel de agua del
aljibe (cisterna) de donde se extraerá el agua para el tinaco.
Al realizar este proyecto, que por más sencillo que parezca se han tenido presentes pautas y conocimientos en
lo que se refiere a circuitos Digitales (Específicamente Puertas Lógicas) los cuales he adquirido en esta
prestigiosa institución, impartidos por docentes capacitados de la especialidad, que sin duda han sido de gran
utilidad para la realización del mismo.
Se detallara paso a paso de cómo se llego a la conclusión y culminación de este proyecto que es de utilidad y
de gran importancia para nuestros hogares.
Sistema Digital de Control de Nivel de Agua.
Hidronivel.
El hidronivel es un sistema muy complejo y antiguamente muy sencillo cuya finalidad es, como su mismo
nombre lo indica, la de controlar el nivel de líquidos en un depósito, pozo, etc.
Podemos destacar dentro del ámbito del hidronivel dos tipos:
• Hidroniveles mecánicos.
• Hidroniveles electrónicos.
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HIDRONIVELES MECÁNICOS
Este tipo de hidroniveles se basa simplemente en lo descrito a continuación:
Son elementos sencillos y clásicos para detectar niveles en recipientes de un cierto tamaño como depósitos,
cisternas, arquetas, albercas, pozos abiertos etc. Económicos y de fácil instalación ya que solo hay que
descolgarlo en el interior del recipiente.
Cuando el nivel del agua esta bajo, existe una boya colocada que hace que la llave de paso del agua se abra
mediante un sistema de polea situada en lo alto del depósito.
Con forme el agua va aumentando su nivel, la boya irá cerrando la llave de paso del agua, hasta que llegue el
momento que el nivel sea el máximo de agua y por tanto la llave estará totalmente cerrada impidiendo el paso
del agua.
Si el nivel de agua en el depósito o pozo disminuye, la boya abrirá nuevamente la llave de paso del agua,
llenando nuevamente el depósito.
Existen otro tipo de hironiveles mecánicos como:
Detector de nivel neumático.
Se trata de un detector de presión muy sensible. Se rosca a la parte superior de un tubo, el otro extremo queda
abierto y posicionado a la altura deseada de detección. Cuando el líquido subiendo tapona el extremo abierto,
el aire en el interior del tubo se comprime y hace actuar un contacto conmutado. El tubo lo pone el usuario de
acuerdo con el liquido a detectar y puede ser de metal, plástico, vidrio, acero etc.
Es un dispositivo útil, seguro y muy económico para cualquier liquido, agresivos, viscosos, alimenticio, acido.
Es muy usado en la industria química y las depuradoras.
Control de nivel por desplazamiento
El cono del controlador debe estar expuesto al material a detectar. Cuando el talud se pone en contacto con el
cono ejerce contra éste una presión progresiva desplazando el conjunto cono−varilla y actuando un
interruptor. Al vaciarse el péndulo recupera la posición normal y deja de actuar el interruptor.
Control de nivel de membrana
Estos controladores se basan en un interruptor accionado por una membrana. La membrana debe estar
expuesta al material a controlar. A medida que el material entra en el silo se amontona y cubre la membrana,
la presión que ejerce la obliga a retroceder presionando el mecanismo que acciona un interruptor. Este
interruptor sirve para la puesta en marcha o paro de señales visuales, acústicas o los mecanismos de carga y
descarga en silos y recipientes
HIDRONIVELES ELÉCTRONICOS
Los circuitos de hidroniveles eléctricos se han ido fabricando desde los más simples con transistores hasta
otros más complejos y por tanto más seguros y con un funcionamiento más exacto.
Existe una gran variedad de hidroniveles electrónicos dependiendo de su funcionamiento, es que, se dará el
tipo de líquido adecuado para su aplicación. Así pues tenemos los siguientes:
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Control de nivel óptico
Control de nivel óptico para líquidos no conductivos. Se trata de un pequeño sensor de nivel para líquidos
transparentes. El sensor emite hacia fuera una luz infrarroja, que se refleja en su propia punta semiesférica y
vuelve al interior. Cuando esta sumergido la luz se refracta hacia afuera y no la detecta él mismo. Es muy útil
para depósitos y tuberías bajo presión, y para conectar directamente a autómatas.
Control de nivel por vibración
Control de nivel por vibración para líquidos con salida relé. Dispone de un diapasón que queda introducido en
el recipiente. Este diapasón esta vibrando a una frecuencia fija determinada, al contacto con el producto, altera
la vibración y este cambio es detectado por el circuito electrónico de control. Se conecta en serie con la carga
y lleva un piloto indicador de estado.
Interruptor de nivel conductivo
Este elemento sensor además de el electrodo de contacto con el agua, lleva toda la electrónica incorporada en
su interior. Los dos electrodos que asoman por el extremo tienen corriente alterna de baja tensión. Es muy útil
para depósitos y tuberías bajo presión, y para conectar directamente a autómatas.
Control de nivel por ultrasonidos
Este medidor de nivel se instala sobre la superficie del producto a medir, sólido o liquido, emite una onda
sónica que rebota en el producto y devuelve el eco a la sonda. Esta evalúa el tiempo transcurrido y calcula la
distancia. Dado que la velocidad del sonido en el aire varía con la temperatura, la sonda lleva un sensor de
temperatura que compensa los cambios.
A continuación se hará una breve descripción y funcionamiento de los componentes y/o dispositivos
electrónicos empleados en la realización del proyecto antes mencionado:
RESISTORES
Se denominan resistores a los componentes electrónicos diseñados para presentar cierta resistencia u
oposición al paso de la corriente eléctrica, determinada entre dos puntos de un circuito. En otros casos, como
en las planchas, calentadores, etc., los resistores se emplean para producir calor aprovechando el Efecto Joule.
Es frecuente utilizar la palabra resistencia como sinónimo de resistor.
Los resistores de potencia pequeña, empleados en circuitos electrónicos, van rotulados con un código de
franjas de colores. Para caracterizar un resistor hacen falta tres valores: resistencia, corriente máxima y
precisión.
La corriente máxima de un resistor viene condicionada por la máxima potencia que puede disipar su cuerpo.
Esta potencia se puede identificar visualmente a partir del diámetro sin que sea necesaria otra indicación. Los
valores más corrientes son 0.25 W, 0.5 W y 1 W.
Los otros datos se indican con un conjunto de rayas de colores sobre el cuerpo del elemento. Son tres, cuatro o
cinco rayas; dejando la raya de tolerancia (normalmente plateada o dorada) a la derecha, se leen de izquierda a
derecha. La última raya indica la tolerancia (precisión). De las restantes, la última es el multiplicador y las
otras las cifras.
El valor se obtiene leyendo las cifras como un número de una, dos o tres cifras; se multiplica por el
multiplicador y se obtiene el resultado en Ohmios (). El coeficiente de temperatura únicamente se aplica en
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resistencias de alta precisión (<1%).
Las resistencias son componentes eléctricos pasivos en los que la tensión instantánea aplicada es proporcional
a la intensidad de corriente que circula por ellos. Su unidad de medida es el ohmio ().
Se pueden dividir en tres grupos:
Resistencias lineales fijas: su valor de resistencia es constante y está predeterminado por el fabricante.
Resistencias variables: su valor de resistencia puede variar dentro de unos límites.
Resistencias no lineales: su valor de resistencia varia de forma no lineal dependiendo de distintas magnitudes
físicas (temperatura, luminosidad, etc.).
CONDENSADORES
En Electricidad y Electrónica, un condensador, a veces denominado con el anglicismo capacitor, es un
dispositivo formado por dos conductores ó armaduras, generalmente en forma de placas o láminas, separados
por un material dieléctrico, que sometidos a una diferencia de potencial adquieren una determinada carga
eléctrica.
Los condensadores son componentes pasivos diseñados con el fin de almacenar energía electrostática o
presentar una capacidad eléctrica determinada.
A esta propiedad de almacenamiento de carga se le denomina capacidad, y en el Sistema internacional de
unidades se mide en Faradios (F), siendo un faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus
armaduras a una diferencia de potencial de 1 voltio, estas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio.
La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los condensadores, por lo que en la
práctica se suele indicar la capacidad en µF = 10−6 Faradios, nanoF = 10−9 Faradios y picoF = 10−12
Faradios.
Los súper condensadores (EDLC) son la excepción, están hechos de carbón activado, para conseguir una gran
área relativa y tienen una separación entre las "placas" de moléculas. Así se consiguen capacidades del orden
de cientos o miles de faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el Reloj Seiko Kinetic, con una
capacidad de 1/3 de Faradio. También se pensó en utilizar estos condensadores en un coche híbrido de
carreras, aunque después se descartó. No obstante, se han utilizado en el prototipo Acura DN−X.
Igual que en las resistencias nos vamos a encontrar con condensadores:
−Condensadores fijos: su valor capacitivo no se puede alterar.
−Condensadores variables: se puede modificar su capacidad dentro de unos márgenes determinados.
En cuanto al aspecto constructivo, tanto la forma de las placas o armaduras como la naturaleza del material
dieléctrico es sumamente variable. Así tenemos condensadores formados por placas, usualmente de aluminio,
separadas simplemente por aire, por materiales cerámicos, mica, poliéster, papel ó incluso por una capa de
óxido de aluminio obtenido por medio de la electrolisis.
Los condensadores suelen usarse para:
• Baterías, por su cualidad de almacenar energía
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• Memorias, por la misma cualidad
• Filtros
• Adaptación de impedancias, haciéndoles resonar a una frecuencia dada con otros componentes
• Demodular FM, junto con un diodo
DIODOS
Un diodo es un dispositivo que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección. De forma
simplificada, la curva característica de un diodo (I−V) consta de dos regiones, por debajo de cierta diferencia
de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito
cerrado con muy pequeña resistencia eléctrica.
Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de
convertir una corriente alterna en corriente continua.
Diodo pn ó Unión pn
Los diodos pn son uniones de dos materiales semiconductores extrínsecos tipos p y n, por lo que también
reciben la denominación de unión pn. Hay que destacar que ninguno de los dos cristales por separado tiene
carga eléctrica, ya que en cada cristal, el número de electrones y protones es el mismo, de lo que podemos
decir que los dos cristales, tanto el p como el n, son neutros. (Su carga neta es 0).
Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (Je).
Al dispositivo así obtenido se le denomina diodo, que en un caso como el descrito, tal que no se encuentra
sometido a una diferencia de potencial externa, se dice que no está polarizado. Al extremo p, se le denomina
ánodo, representándose por la letra A, mientras que la zona n, el cátodo, se representa por la letra C (o K).
Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo
ser la polarización directa o inversa.
Este diodo tiene un amplio margen de aplicaciones: circuitos rectificadores, limitadores, fijadores de nivel,
protección contra cortocircuitos, demoduladores, mezcladores, osciladores, bloqueo y bypass en
instalaciones fotovolcaicas, etc..
LED
Un diodo LED, acrónimo inglés de Light Emitting Diode (diodo emisor de luz) es un dispositivo
semiconductor que emite luz monocromática cuando se polariza en directa y es atravesado por la corriente
eléctrica. El color depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo, pudiendo variar
desde el ultravioleta, pasando por el espectro de luz visible, hasta el infrarrojo, recibiendo éstos últimos la
denominación de diodos IRED (Infra−Red Emitting Diode).
El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia
que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar
coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida.
Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el LED; el voltaje
de operación va desde 1,5 hasta 2,2 voltios aproximadamente, y la gama de intensidades que debe circular por
él va desde 10 hasta 20 mA en los diodos de color rojo, y de 20 a 40 mA para los otros LEDs
Tecnología LED/OLED
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En directa, todos los diodos emiten una cierta cantidad de radiación cuando los pares electrón−hueco se
recombinan, es decir, cuando los electrones caen desde la banda de conducción (de mayor energía) a la banda
de valencia (de menor energía). Indudablemente, la frecuencia de la radiación emitida y, por ende, su color,
dependerá de la altura de la banda prohibida (diferencias de energía entre las bandas de conducción y
valencia), es decir, de los materiales empleados. Los diodos convencionales, de silicio o germanio, emiten
radiación infrarroja muy alejada del espectro visible. Sin embargo, con materiales especiales pueden
conseguirse longitudes de onda visibles. Los diodos LED e IRED, además tienen geometrías especiales para
evitar que la radiación emitida sea reabsorbida por el material circundante del propio diodo, lo que sucede en
los convencionales.
TRANSISTOR
El término transistor es la contracción de transfer resistor, es decir, de resistencia de transferencia. El
Transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que se utiliza como amplificador o conmutador
electrónico. Es un componente clave en toda la electrónica moderna, donde es ampliamente utilizado
formando parte de conmutadores electrónicos, puertas lógicas, memorias de ordenadores y otros dispositivos.
En el caso de circuitos analógicos los transistores son utilizados como amplificadores, osciladores y
generadores de ondas.
Es el sustituto de la válvula termoiónica de tres electrodos o triodo.
En los transistores bipolares, una pequeña señal eléctrica aplicada entre la base y emisor modula la corriente
que circula entre emisor y colector. La señal base−emisor puede ser muy pequeña en comparación con la
emisor−colector. La corriente emisor−colector es aproximadamente de la misma forma que la base−emisor
pero amplificada en un factor de amplificación "Beta".
El transistor se utiliza, por tanto, como amplificador. Además, como todo amplificador puede oscilar, puede
usarse como oscilador y también como rectificador y como conmutador on−off.
El transistor también funciona, por tanto, como un interruptor electrónico, siendo esta propiedad aplicada en la
electrónica en el diseño de algunos tipos de memorias y de otros circuitos como controladores de motores de
DC y de pasos.
Tipos de transistor
Existen distintos tipos de transistores, de los cuales la clasificación más aceptada consiste en dividirlos en
transistores bipolares o BJT (bipolar junction transistor) y transistores de efecto de campo o FET (field effect
transistor). La familia de los transistores de efecto de campo es a su vez bastante amplia, englobando los
JFET, MOSFET, MISFET, etc.
La diferencia básica entre ambos tipos de transistor radica en la forma en que se controla el flujo de corriente.
En los transistores bipolares, que poseen una baja impedancia de entrada, el control se ejerce inyectando una
baja corriente (corriente de base), mientras que en el caso de los transistores de efecto de campo, que poseen
una alta impedancia, es mediante voltaje (tensión de puerta).
Transistores bipolares (BJT − Bipolar Junction Transistor)
Se puede tener por tanto transistores PNP o NPN. Tecnológicamente se desarrollaron antes que los de efecto
de campo o FET.
El transistor PNP es complemento del NPN de forma que todos los voltajes y corrientes son opuestos a los
del transistor NPN.
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Para encontrar el circuito PNP complementario:
1. Se sustituye el transistor NPN por un PNP.
2. Se invierten todos los voltajes y corrientes.
Los transistores bipolares se usan generalmente en electrónica analógica. También en algunas aplicaciones de
electrónica digital como la tecnología TTL o BICMOS.
Los MOSFET tienen en común con los FET su ausencia de cargas en las placas metálicas así como un solo
flujo de campo. Suelen venir integrados en capas de arrays con polivalencia de 3 a 4Tg. Trabajan,
mayormente, a menor rango que los BICMOS y los PIMOS
Un transistor de juntura bipolar está formado por dos junturas PN en un solo cristal semiconductor, separados
por una región muy estrecha. De esta forma quedan formadas tres regiones:
• Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un
metal.
• Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
• Colector, de extensión mucho mayor.
La técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial.
Funcionamiento
En su funcionamiento normal, la juntura base−emisor está polarizada en directa, mientras que la
base−colector en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, que por ser muy
angosta, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector.
TRANSFORMADORES
Es un dispositivo eléctrico que funciona bajo el principio de inducción electromagnética; sirve para
transformar la tensión, intensidad e impedancia de un circuito. El transformador solo funciona con corriente
alterna; puede funcionar con corriente continua siempre y cuando este acoplado a un circuito pulsante u
oscilante.
El transformador básico consiste de dos bobinas eléctricamente aisladas y enrolladas sobre un núcleo común.
La energía eléctrica se transfiere de una bobina a otra por medio de acoplamiento magnético. La bobina que
recibe la energía de la fuente alterna, se llama primario y la bobina que proporciona a la carga se le llama
devanado secundario.
Un transformador cuyo voltaje secundario sea superior al primario se llama transformador elevador. Si el
voltaje secundario es inferior al primario este dispositivo recibe el nombre de transformador reductor. El
producto de intensidad de corriente por voltaje es constante en cada juego de bobinas, de forma que en un
transformador elevador el aumento de voltaje de la bobina secundaria viene acompañado por la
correspondiente disminución de corriente.
RELAY O RELÉ ELECTROMAGNÉTICO
Al relé electromagnético lo podemos definir como un componente con contactos, los cuales son accionados
mediante un sistema de placas, actuando bajo la fuerza de un circuito electromagnético, el cual provoca su
apertura o cierre.
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CARACTERÍSTICAS GENÉRICAS
• CORRIENTE DE EXCITACIÓN: Es la corriente necesaria que necesita el relé para que funcione.
• TENSIÓN NOMINAL: La tensión para la cual esta diseñado el relé.
• TENSIONES DE TRABAJO: Son las tensiones máximas y mínimas a las que el relé funciona.
• CONSUMO NOMINAL DE LA BOBINA: La corriente que pasa por el relé cuando se le aplica la
tensión nominal.
CIRCUITOS INTEGRADOS
Un circuito integrado es una pastilla o chip en la que se encuentran todos o casi todos los componentes
electrónicos necesarios para realizar alguna función. Estos componentes son transistores en su mayoría,
aunque también contienen resistencias, diodos, condensadores, etc.
El primer circuito integrado o chip fue desarrollado en 1958 por el ingeniero Jack Kilby, justo meses después
de haber sido contratado por la firma Texas Instruments. Se trataba de un dispositivo que integraba seis
transistores en una misma base semiconductora.
Atendiendo al nivel de integración − número de componentes − los circuitos integrados se clasifican en:
• SSI (Small Scale Integration) pequeño nivel: inferior a 12
• MSI (Medium Scale Integration) medio: 12 a 99
• LSI (Large Scale Integration) grande : 100 a 9999
• VLSI (Very Large Scale Integration) muy grande : 10 000 a 99 999
• ULSI (Ultra Large Scale Integration) ultra grande : igual o superior a 100 000
En cuanto a las funciones integradas, los circuitos se clasifican en dos grandes grupos:
• Circuitos integrados analógicos.
Pueden constar desde simples transistores encapsulados juntos, sin unión entre ellos, hasta dispositivos
completos como amplificadores, osciladores o incluso receptores de radio completos.
• Circuitos integrados digitales.
Pueden ser desde simples son puertas lógicas (Y, O, NO) hasta los más complicados como los
microprocesadores.
Circuitos Integrados TTL
Acrónimo Inglés de Transistor−Transistor Logic o "Lógica Transistor a Transistor". Tecnología de
construcción de circuitos electrónicos digitales, en los que los elementos de entrada de la red lógica son
transistores, así como los elementos de salida del dispositivo.
Las características de la tecnología utilizada, en la familia TTL, condiciona los parámetros que se describen en
sus hojas de características según el fabricante:
Su tensión de alimentación característica se halla comprendida entre los 4.75 V y los 5.25 V como se ve un
rango muy estrecho debido a esto, los niveles lógicos vienen definidos por el rango de tensión comprendida
entre 0.2 V y 0.8 V para el estado L (bajo) y los 2.4 V y Vcc para el estado H (alto).
La familia original TTL se indica con los números 54/74.
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TTL de bajo consumo (54L/74L).
Esta familia se distingue por su bajo consumo de potencia (L=LOW POWER). Ello se consigue aumentando
significativamente los valores de las resistencias de polarización de los diferentes transistores, con lo que se
disminuye la corriente que circula por el sistema y con ello la potencia disipada. Si la potencia disipada en una
puerta típica de la familia 54/74 es de 10 mW la de la puerta equivalente en la versión 54L/74L es de 1 mW.
El ahorro de potencia se paga con una pérdida en la velocidad: de los 10 nsg de tiempo de retardo típicos en la
familia original se pasa a unos 33 nsg de retardo en esta familia.
TTL Schottky (54S/74S).
Esta serie proporciona unos tiempos de conmutación menor, gracias a la incorporación de diodos Schottky
que evitan que los transistores entren en saturación, disminuyendo el tiempo que tarda el transistor en entrar y
salir de la conducción. El retardo típico es de 3 nsg. Y la disipación de potencia de 19 mW.
TTL Schottky de bajo consumo (54LS/74LS).
Esta familia proporciona un compromiso entre velocidad y baja disipación de potencia utilizando altos valores
de resistencias y transistores de tipo Schottky. La disipación de potencia típica de una puerta es de 2 mW y el
retardo de propagación de 10 nsg.
Schottky avanzada y Shottky de bajo consumo avanzada (AS/ALS).
Estas tecnologías suponen versiones avanzadas de las series S y LS. La disipación de potencia estática típica
es de 8,5 mW para l serie AS y 1 mW para la serie ALS. Los tiempos de retardo de propagación típicos son de
1,5 nsg para AS y 4 nsg para ALS. Existe una versión AS que se denomina F o FAST (rápida).
Compuertas Lógicas.
Una compuerta Lógica es un dispositivo electrónico de dos estados lógicos (0 y 1) o niveles, cuya salida esta
determinada por el tipo de función y la condición inmediata de sus entradas.
Tipos de Compuertas
Básicamente tenemos siete tipos de compuertas las cuales son:
♦ Compuerta OR (CI 7432)
♦ Compuerta AND (CI 7408)
♦ Compuerta NOT o INVERSOR (CI 7404)
♦ Compuerta NO o NO INVERSOR (CI 7407)
♦ Compuerta NOR (CI 7402)
♦ Compuerta NAND (CI 7400)
♦ Compuerta OR EXCLUSIVO (CI 7486)
FLIP−FLOP
Siendo los Flip−Flop las unidades básicas de todos los sistemas secuenciales, existen cuatro tipos: el RS, el
JK, el T y el D. Y los últimos tres se implementan del primero pudiéndose con posterioridad con cualquiera de
los resultados confeccionar quienquiera de los restantes.
Todos pueden ser de dos tipos, a saber: Flip−Flop activado por nivel (FF−AN) o bien Flip−Flop
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maestro−esclavo (FF−ME). El primero recibe su nombre por actuar meramente con los "niveles" de amplitud
0−1, en cambio el segundo son dos FF−AN combinados de tal manera que uno "hace caso" al otro.
Un circuito flip−flop puede mantener un estado binario indefinidamente (Siempre y cuando se le este
suministrando potencia al circuito) hasta que se cambie por una señal de entrada para cambiar estados. La
principal diferencia entre varios tipos de flip−flops es el número de entradas que poseen y la manera en la cual
las entradas afecten el estado binario.
Flip−Flop RS
Tiene tres entradas, S (de inicio), R (reinicio o borrado) y C (para reloj). Tiene una salida Q, y a veces
también una salida complementada, la que se indica con un círculo en la otra Terminal de salida. Hay un
pequeño triángulo en frente de la letra C, para designar una entrada dinámica. El símbolo indicador dinámico
denota el hecho de que el flip−flop responde a una transición positiva (de 0 a 1) de la señal de reloj.
Su unidad básica (con compuertas NAND o NOR) se dibuja a continuación que, como actúa por "niveles" de
amplitud (0−1) recibe el nombre de Flip−Flop RS activado por nivel (FF−RS−AN). Cuando no se especifica
este detalle es del tipo Flip−Flop RS maestro−esclavo (FF−RS−ME).
Símbolo de un Flip− Flop RS
Circuito flip−flop básico con compuertas NOR
Para analizar la operación del circuito de la figura anterior se debe recordar que la salida de una compuerta
NOR es 0 si cualquier entrada es 1 y que la salida es 1 solamente cuando todas las entradas sean 0. Como
punto de partida asúmase que la entrada de puesta a uno (set) es 1 y que la entrada de puesta a 0 (reset) sea 0.
Como la compuerta 2 tiene una entrada de 1, su salida Q´ debe ser 0, lo cual coloca ambas entradas de la
compuerta 1 a 0 para tener la salida Q como 1. Cuando la entrada de puesta a uno (set) vuelva a 0, las salidas
permanecerán iguales ya que la salida Q permanece como 1, dejando una entrada de la compuerta 2 en 1. Esto
causa que la salida Q´ permanezca en 0 lo cual coloca ambas entradas de la compuerta número 1 en 0 y así la
salida Q es 1. De la misma manera es posible demostrar que un 1 en la entrada de puesta a cero (reset) cambia
la salida Q a 0 y Q´ a 1. Cuando la entrada de puesta a cero cambia a 0, las salidas no cambian.
Cuando se aplica un 1 a ambas entradas de puesta a uno y puesta a cero ambas salidas Q y Q´ van a 0. Esta
condición viola el hecho de que las salidas Q y Q´ son complementos entre si. En operación normal esta
condición debe evitarse asegurándose que no se aplica un 1 a ambas entradas simultáneamente.
Un flip−flop tiene dos entradas útiles. Cuando Q=1 y Q´=0 estará en el estado de puesta a uno (o estado 1).
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Cuando Q=0 y Q´=1 estará en el estado de puesta a cero (o estado 0). Las salidas Q y Q´ son complementos
entre si y se les trata como salidas normales y de complemento respectivamente. El estado binario de un
flip−flop se toma como el valor de su salida normal.
Bajo operación normal, ambas entradas permanecen en 0 a no ser que el estado del flip−flop haya cambiado.
La aplicación de un 1 momentáneo a la entrada de puesta a uno causará que el flip−flop vaya a ese estado. La
entrada de puesta en uno debe volver a cero antes que se aplique un uno a la entrada de puesta a cero. Un 1
momentáneo aplicado a la entrada de puesta a cero causará que el flip−flop vaya al estado de borrado (o
puesta a cero). Cuando ambas entradas son inicialmente cero y se aplica un 1 a la entrada de puesta a uno o se
aplica un 1 a la entrada de puesta a cero mientras que el flip−flop este borrado, quedaran las salidas sin
cambio. Cuando se aplica un 1 a ambas entradas de puesta a uno y puesta a cero, ambas salidas irán a cero.
Este estado es indefinido y se evita normalmente. Si ambas salidas van a 0, el estado del flip−flop es
indeterminado y depende de aquella entrada que permanezca por mayor tiempo en 1 antes de hacer la
transición a cero.
Realización del Proyecto
Para proceder a diseñar el sistema de control automático es necesario tener en cuenta ciertas condiciones de
operación de circuito, en otras palabras como queremos que sea el funcionamiento del circuito.
El sistema de control de nivel tiene que tener sensores de agua de modo que puedan detectar si hay o no agua
en el recipiente para que opere; para esto tenemos que colocar terminales en el recipiente que al hacer o no
contacto con el agua envíe un voltaje a un circuito al circuito Lógico el cual tendrá la función de recibir las
señales enviadas por los sensores y procesarlas para dar una salida y determinar si encenderá o apagará a la
bomba.
De esto hemos obtenido los cinco terminales claves para el funcionamiento del hidronivel:
El primer Terminal es el de masa, el cual, es colocado en el fondo del recipiente con el fin de que el líquido
haga masa.
El segundo Terminal es el denominado máximo, el cual, se colocara en el lugar determinado por nosotros para
que sea el nivel máximo al que nosotros queremos llenar el recipiente.
El tercer Terminal es el denominado medio, el cual, se colocara a mitad del pozo, este solo indicara el nivel
medio de llenado del pozo.
El cuarto Terminal es el denominado mínimo, el cual, también será colocado a nuestro gusto para indicar el
nivel mínimo de líquido.
El quinto Terminal es el comparador, el cual, será colocado en la cisterna para detectar si hay agua o no en
este, si no hubiera este envía un voltaje haciendo que el circuito no funcione, para que el motor no se active
este sirve de protección para la hidrobomba.
De otro modo diremos que cuando haya liquido en el recipiente, habrá conducción, al haber conducción
circulara voltaje negativo a traves de los terminales antes mencionados, a esto, diremos que es un pulso
negativo Cero (0).
Al contrario de esto, cuando no hay liquido, no habrá conducción, al no haber conducción, no habrá voltaje
entre los terminales, entonces diremos que es un pulso positivo uno (1).
Dicho esto obtenemos las Condiciones de Operación del Diseño:
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• Queremos que se encienda el motor, cuando el nivel máximo y mínimo sean 1.
• Queremos que se apague el motor, cuando el nivel máximo y mínimo sean 0.
• Cuando el motor este encendido y el nivel mínimo sea 0 el motor deberá de apagarse, sólo si el nivel
máximo cambia a 0.
• Cuando el motor este apagado y el nivel máximo es igual a 1, el motor sólo deberá de encenderse cuando la
condición nivel mínimo sea igual a 1.
Estas condiciones se observan mejor en la siguiente tabla, en al cual se muestran los cambios de estado entre
las para las dos posibles condiciones de secuencia.
Máximo
0
1
1
Mínimo
0
0
1
Salida
0
1
1
En esta tabla podemos ver la condición no importa puesto que la condición en la que el nivel mínimo sea 0 y
el nivel máximo se considera inexistente por obvias razones, para que nuestro circuito funciones tiene cumplir
la condición de Cuando llegue al nivel máximo se detenga la bomba, pero cuando disminuya siga detenida
hasta el momento de que el nivel mínimo, esté el liquido por debajo de este para que se cumpla esta condición
habría que integrarle un circuito que mantenga este estado binario, para ello utilizaremos un FLIP−FLOP.
Antes de empezar a diseñar nuestro esquema del circuito lógico tenemos que analizar el funcionamiento de los
terminales de entrada, los detectores.
Analizaremos el funcionamiento del sensor de nivel mínimo. Como podemos ver, una de las condiciones que
no se podrán llevar a cabo es el que el nivel máximo este conduciendo y el nivel mínimo no, puesto que dicha
situación resulta imposible, así que partiendo de eso, diremos que el sensor de nivel mínimo será el que
encienda la bomba sólo si este deja de conducir, es decir cuando el agua deje de hacer contacto con él,
situación que es la señal para llenar de nuevo nuestro tinaco.
Ahora veamos que sucede con nuestro nivel máximo, como ya habíamos hecho mención anterior, este sensor
podrá o no podrá estar en ON, sin ningún problema con la lógica del sistema, para cualquier combinación
posible excepto una que es la que se puede apreciar en la siguiente tabla de verdad.
Máximo
0
1
1
Mínimo
0
0
1
Salida
0
1
1
La función del nivel máximo es contraría a la del nivel mínimo, es decir el nivel máximo apagará el motor de
la bomba para evitar un posible desbordamiento de líquido, el nivel máximo esta por debajo del borde el
tinaco, por lo que en el momento en el que el agua haga contacto con el este conducirá e indicara al sistema
lógico la orden de reset, es decir apaga la bomba.
El circuito lógico tiene la misión de recibir las señales enviadas por los sensores y procesarlas para dar una
salida y determinar si encenderá o apagará a la bomba, este circuito tendrá la necesidad de ser un circuito
secuencial es decir cuando el nivel del agua este por arriba del mínimo al ir subiendo o por arriba del nivel del
mínimo cuando venga bajando. Para estas condiciones de funcionabilidad crearemos un circuito a partir de
compuertas lógicas, puesto que el hacerlo con un jk implicaría tal vez de una lógica un poco más compleja y
lo que se desea es que sea económico y que funcione bien.
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Así que mas adelante se simulará la acción de dicho arreglo lógico.
Circuito Electrónico del Sistema.
Diagrama esquemático.
Funcionamiento.
En primer lugar partiendo del sensor, del pozo y la cisterna sin líquido, luego en segundo lugar la cisterna
llena (pozo aun vacío), en tercer lugar pozo y cisterna llenos y en cuarto lugar cuando el nivel de agua
descienda en el pozo, tenemos que:
♦ Cuando las entradas (terminales del pozo), no estén en conducción, no habrá circulación de
voltaje entre estos (Voltaje negativo), lo cual tenemos: A la entrada existe siempre un Pulso
Positivo −nivel alto o estado lógico 1−, lo cual en la primera compuerta AND (nivel de agua
alto y bajo) tendremos (entradas), en los pines 1 y 2 los estados 1 1 respectivamente, a la
salida de la compuerta AND obtendremos (según la tabla de verdad) el estado 1. Además del
pin 2 de la compuerta AND o del punto o Terminal alto va conectado una compuerta
inversora, teniendo en su entrada (Pin 1) el nivel 1 y a su salida (Pin2) el nivel 0, este nivel es
entregado a la entrada de la compuerta OR, al pin 5. en este caso las compuertas OR están
conectadas de manera tal que forman un FLIP−PLOP RS, y según la tabla de verdad de este,
teniendo en cuenta que la primera entrada del Filp−Flop (pin 3) el cual es el estado 1 y la
segunda entrada (pin5) es 0, obtenemos a su salida (pin 4) el estado 1, esta salida va
conectada al pin 4 de la segunda compuerta AND. Por otro lado tenemos el Terminal de la
cisterna sin conducción, y que va conectada a una compuerta inversora, en el pin 3 de la
inversora habrá el estado 1 y a su salida (pin4) el estado 0, esta va conectada a la segunda
compuerta AND en el pin 5, obteniendo el la salida el estado 0, con lo cual no habrá tensión
en este punto, al no haber tensión, no le llegara voltaje al resistor conectado a la salida de la
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segunda compuerta AND, este no le enviara la tensión necesaria al transistor con lo cual no
cerrara el circuito que activa el motor, en este caso formado por el transistor Q1 la R1, R2,
D1, D2 y el Relay, ya que no le llegara el voltaje necesario para que entre en funcionamiento
el Relay y así activar la bomba de agua.
♦ Por otro lado tenemos los visualisadores de nivel de agua, que como su mismo nombre lo
indica, sirven o cumplen la función de que nosotros podamos visualizar el nivel de agua en el
pozo y la cisterna. Como se podrá observar en el diagrama, en el Terminal de nivel de agua
Bajo hemos conectado a una compuerta inversora (pin 5) teniendo presente que no hay
liquido, habrá el estado 1 y a su salida (pin 6) el estado 0, este va conectado a un resistor (R3)
que forma parte de un pequeño amplificador conformado por Q2, D3, R4, como no hay
tensión en el resistor, no enviara voltaje a la base del transistor con lo cual no cerrara el
circuito y por ende no encenderá el Diodo LED. Lo mismo sucede con el resto de
visualizadores conectados en los terminales de nivel de agua (Medio, Alto y el de la cisterna)
cada uno de los cuales están conectado también una compuerta inversora en la entrada de
estos.
♦ Cuando el nivel de agua de la cisterna este por encima del Terminal, este ya habrá entrado en
conducción, indicando pues que existe tención negativa o estado 0 en este punto, el Terminal
de la cisterna en conducción, y que va conectada a una compuerta inversora, en el pin 3 de la
inversora habrá el estado 0 y a su salida (pin4) el estado 1, esta va conectada a la segunda
compuerta AND en el pin 5, obteniendo el la salida el estado 1, con lo cual habrá tension en
este punto, al haber tensión, le llegara voltaje al resistor conectado a la salida de la segunda
compuerta AND, este limitara la tensión necesaria a la base del transistor con lo cual
amplificara la corriente de entrada cerrara el circuito que activa el motor, enviando tensión a
los diodos (Led y Diodo Switch) y al Terminal del relay al llegarle el voltaje necesario hará
que funcione el Relay y así activar la bomba de agua. El diodo LED cumple la función de
visualizar el nivel de agua de la cisterna, la R2 limita la tensión para el Led y polariza al
Transistor Q1.
♦ En el momento en que el primer Terminal (nivel bajo) del pozo entra en conducción con el
agua, tendremos en la entrada de la primera compuerta AND (Pines 1 y 2) estado 0, el nivel
alto aun se encuentra el estado 1, obteniendo en la salida el estado 0, como no ha habido
cambios en el Terminal de nivel alto tenemos entonces a la salida de las compuertas OR
(Flip−flop) el estado lógico N, quiere decir que no habrá cambios (si estaba e nivel 0 seguirá
en ese nivel, si estaba en nivel 1 igual seguirá) con esto tenemos que seguirá en
funcionamiento el motor.
♦ Cuando el nivel de agua sobrepase el Terminal de nivel Alto, en los pines 1 y 2 de la primera
compuerta AND habrán los estados 0 0 respectivamente, a la salida de la esta obtendremos el
estado 0. Teniendo en cuanta el primer inversor su entrada (Pin 1) el nivel 0 y a su salida
(Pin2) el nivel 1, este nivel es entregado a la entrada de la compuerta OR, al pin 5, teniendo
en cuenta que la primera entrada del Flip−Flop (pin 3) el cual es el estado 0 y la segunda
entrada (pin5) es 1, obtenemos a su salida (pin 4) el estado 0, esta salida va conectada al pin 4
de la segunda compuerta AND. Por otro lado tenemos el Terminal de la cisterna en
conducción, y que va conectada a una compuerta inversora, en el pin 3 de la inversora habrá
el estado 0 y a su salida (pin4) el estado 1, esta va conectada a la segunda compuerta AND en
el pin 5, obteniendo el la salida el estado 0, con lo cual no habrá tensión en este punto,
entonces no entra en funcionamiento el Relay y así desactivar la bomba de agua.
♦ Pero cuando el nivel de agua desciende en los pines 1 y 2 de la primera compuerta AND
habrán los estados 0 y 1 respectivamente, a la salida de la esta obtendremos el estado 0.
Teniendo en cuanta el primer inversor su entrada (Pin 1) el nivel 1 y a su salida (Pin2) el nivel
0, este nivel es entregado a la entrada de la compuerta OR, al pin 5, teniendo en cuenta que la
primera entrada del Filp−Flop (pin 3) el cual es el estado 0 y la segunda entrada (pin5) es 0,
obtenemos a su salida (pin 4) el estado N (o sea 1), esta salida va conectada al pin 4 de la
segunda compuerta AND. Por otro lado tenemos el Terminal de la cisterna en conducción, y
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que va conectada a una compuerta inversora, en el pin 3 de la inversora habrá el estado 0 y su
salida (pin4) seguirá manteniendo el ultimo estado (0) por lo que ya se explico de que el
FLIP−FLOP Tiene la peculiaridad de mantener el ultimo estado aunque se varíe uno de los
terminales, esta salida va conectada a la segunda compuerta AND en el pin 5, obteniendo el la
salida el estado 0, continuando la bomba apagada.
♦ Para culminar, cuando desciende por completo el agua, debajo del nivel mínimo, en los pines
1 y 2 tendrán los estados 1 y 1 respectivamente, a la salida de la compuerta AND
obtendremos) el estado 1. Además del pin 2 de la compuerta AND que va conectado una
compuerta inversora, teniendo en su entrada (Pin 1) el nivel 1 y a su salida (Pin2) el nivel 0,
este nivel es entregado a la entrada de las compuertas OR, al pin 5, teniendo en cuenta que la
primera entrada del Filp−Flop (pin 3) el cual es el estado 1 y la segunda entrada (pin5) es 0,
obtenemos a su salida (pin 4) el estado 1, esta salida va conectada al pin 4 de la segunda
compuerta AND. el pin 3 de la primera inversora habrá el estado 0 y a su salida (pin4) el
estado 1, esta va conectada a la segunda compuerta AND en el pin 5, obteniendo el la salida
el estado 1, reseteando el Flip−Flop con lo cual habrá tensión en este punto y el motor entra
nuevamente en funcionamiento.
Más claro gráficamente:
En la imagen anterior se muestra el funcionamiento del circuito sin agua en la cisterna y el pozo.
En la imagen se muestra el funcionamiento del circuito con agua en la cisterna y sin agua en el pozo.
En la figura anterior, el agua va aumentando, sobrepasa el nivel bajo, y continua activado el motor,
visualizador bajo encendido.
En la Fig. anterior el nivel de agua ya sobrepaso el nivel medio, aquí no ocurren cambios solo en el
visualizador del mismo nivel (se enciende)
En la fig. anterior el nivel de agua esta por encima del detector, el motor se desactiva, el visualizador de este
nivel se activa.
En la fig. anterior el agua empieza a descender debajo del nivel Alto pero no ocurren cambios, el motor
continua apagado, el visualizador se apaga.
Así se repite el ciclo de funcionamiento del sistema.
Valores Para los componentes:
♦ G−AND (1 Y 2) CIRCUITO INTEGRADO 7408
♦ G−OR (1 Y 2) 7402
♦ G−NOT (1, 2 , 3, Y 4) 7404
♦ Transistores Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 − BC548
♦ Resistores R2, R4, R6, R8, R10 − 1K
♦ Resistores R3, R5, R7, R9, R11 − 220
♦ Diodos D1 ,D2, D3, D4 − 1N4004
♦ Diodos D6, D7 ,D8, D9, D10, D11 − LED'S
♦ Diodo D5 − 1N4148
♦ Condensador C1 − 2200F
♦ Relay
Presupuesto:
15
− 3 Circuitos Integrados (7402, 7408 y 7404) 09.00
− 5 Resistores − 1 k 00.50
− 5 Resistores − 220 00.50
− 1 Resistor − 1.2 K 00.10
− 1 Condensador 2200F 02.00
− 6 LED 01.80
− 1 Diodo − 1N4148 00.50
− 4 Diodos − 1N4004 01.00
− 5 Transistores − BC548 02.50
− 1 Transformador − 220/3−0−3 12.00
− 1 Relay 05.00
− Placa impreso 02.00
− Acido ferrico 03.00
− Otros 05.00
Total 44.90
Aplicaciones.
♦ Básicamente el uso que se le da es domestico, para llenado de pozos en el hogar.
Ventajas
1.− Comodidad para estar revisando el aljibe al momento de arrancar el motor de la bomba.
2.− Hacer que el llenado del tinaco sea de manera automática sin la necesidad de nosotros conectar dicha
bomba.
3.− Un precio bastante bajo.
Electrónica
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