Este es uno de los circuitos integrados de la familia CMOS que destaca por su gama de servicios públicos sirviendo, por esta razón, para una multitud de proyectos. En este artículo explicamos cuál es el 4093 y qué puede hacer en términos de versatilidad de proyectos.
De hecho, el circuito integrado 4093 es tan versátil que publicamos en los Estados Unidos un libro entero al respecto. El libro llamado CMOS Projects and Experiments – using the 4093 fue uno de nuestros mayores éxitos, tanto que ya estamos preparando una versión en español, en la época en que republicamos este artículo (2019).
El circuito integrado 4093 que puede presentar varios sufijos, dependiendo del fabricante pertenece a la familia CMOS de circuitos lógicos digitales (vea en el sitio varios artículos sobre el tema). El 4093 se compone de 4 puertos de activación (Schmitt Triggers) que se pueden utilizar de forma independiente.
El circuito integrado 4093 se puede alimentar con tensiones de 3 a 15 V que consumen una corriente típica de 0,5 mA con alimentación de 10 V. En la figura 1 tenemos la cubierta DIL de este componente con su pinaje.
Para entender cómo funciona el 4093, será interesante analizar cómo funciona un disparador NAND.
Los disparadores NAND
Al igual que cada circuito de lógica digital, el 4093 funciona con sólo dos niveles de señales que interpreta como 0 o 1, o LO y HI (bajo y alto). Por supuesto que hay aplicaciones en las que podemos hacerle trabajar a niveles intermedios, que veremos más adelante.
Así, en la función lógica convencional NAND (no E) representada en la figura 2, la señal que aparece en la salida depende de las señales aplicadas a la entrada y todo sólo puede ser 0 o 1.
El nivel cero (0) se representa por la tensión de 0 V o tierra del circuito, mientras que el nivel uno (1) está representado por la tensión positiva de la alimentación o + Vcc. Dependiendo de estos niveles tendremos en la salida también 0m o 1, es decir, 0 V o +Vcc según la combinación de niveles aplicados a la entrada.
Para ello tenemos la tabla mostrada en la figura 3, con 4 posibilidades.
Tenga en cuenta que para tres combinaciones de señales en la entrada tendremos el nivel 1 en la salida, es decir, Vcc, y sólo uno donde las entradas son ambas 1 (+ Vcc) en las que la salida va a cero.
En una puerta convencional, los valores de tensión de entrada aplicados al circuito deben tener límites bien establecidos y la transición de un nivel a otro en la salida es más o menos lenta. Por lo tanto, suponiendo que en el circuito de la figura 4, la entrada B está en el nivel de 0 V, vamos a aumentar gradualmente la tensión.
Luego viene un instante cuando el circuito no reconoce esta tensión de entrada como de nivel bajo y comienza a reconocerlo como de nivel alto.
En este punto, la salida pasa a través de una transición que va desde el nivel alto al nivel bajo, es decir, pasando de + Vcc a 0 V. En una puerta convencional este proceso es lento y en cierto modo indefinido, pero si el circuito tiene una configuración especial, con fuerte retroalimentación interna, puede hacer la transición en puntos definidos y de una manera muy rápida con la curva mostrada en la figura 5.
Según esta curva, a medida que aumentamos el tensión en la entrada, nada ocurre hasta que se alcanza el punto VP cuando el componente comienza a reconocer este tensión como 1, y no más cero, ocurriendo una transición en la salida. Por otro lado, la tensión de entrada en el Nivel 1 (+Vcc) y empezando a caer lentamente, también tenemos un punto donde el componente deja de reconocerlo como 1, y comienza a verlo como 0, y se produce una nueva transición en la salida.
Esta tensión, llamada Vn, es diferente del Vp, lo que nos lleva a un gráfico donde la "subida" es diferente de la "bajada". Esta diferencia da como resultado lo que llamamos una característica de "histéresis" y que es un punto prominente en este circuito, diferenciándolo de los otros.
La frecuencia máxima de funcionamiento depende de la tensión de alimentación.
Funciones:
• Rango de tensión de alimentación: 3 a 15 V
• Frecuencia máxima: 5 MHz
• Corriente de reposo: 0,5 mA
• Corriente máxima de salida (drenaje o alimentado) – 2,3 mA (tip)
• Umbral positivo: 5,9 V (10 V)
• Umbral negativo: 3,9 (10 V)
Aplicaciones:
Cientos de proyectos que utilizan el 4093 se pueden encontrar en el sitio web del autor, simplemente escribiendo 4093 en la " search " de la homepage.
a) Circuito monoestable
En la figura 6 tenemos un circuito simple de monoestable con el 4093.
En este circuito una de las entradas se mantiene positiva, pero podemos utilizar el 4093 como inversor uniendo de las dos entradas en esta configuración. El pulso de entrada debe ser compatible con CMOS y el tiempo obtenido se calcula mediante la fórmula situada junto al diagrama. El resistor R puede tener valores entre 50k y 1 M ohms típicamente y el capacitor depende del tiempo deseado pudiendo alcanzar 1 000 uF.
b) Generador de señales rectangulares
El circuito mostrado en la figura 7 genera una señal rectangular a partir de señales de otras formas de onda. Este circuito funciona con el umbral Vp de cualquier señal de forma de onda, generando pulsos en los puntos donde la entrada excede el valor de disparo. El circuito es directo, mostrado en la figura 7.
Para una señal de entrada triangular, tenemos la forma de onda generada como se muestra en la figura 8.
El límite de funcionamiento de este circuito depende de la tensión de alimentación en unos pocos megahercios con 10 V.
c) Oscilador rectangular
La configuración de la figura 9, sin duda, es la más popular para el 4093, encontrándose en multitud de proyectos.
La frecuencia exacta de la señal rectangular generada se puede encontrar a través de la fórmula junto al diagrama, pero podemos trabajar con una fórmula simplificada.
T = 0,7 x R x C
Esta fórmula ayuda en proyectos menos comprometidos porque tiene en cuenta la tolerancia de los componentes utilizados.
d) Pulsador de sonido
El circuito mostrado en la figura 10 genera una señal de audio de buena potencia en un altavoz de 10 cm pesado.
Tanto la frecuencia del sonido como la repetición de los pulsos se pueden ajustar en los trimpots. La alimentación se puede hacer con tensiones de 6 a 12 V y la corriente está en el orden de unos pocos cientos miliamperes.
e) Generador de señales
El circuito mostrado en la figura 11 genera señales en una amplia banda de frecuencias, sirviendo como un excelente inyector de señal para la prueba e incluso como un transmisor sin bobinas.
La alimentación se puede hacer por las pilas, porque el consumo es muy bajo. La señal rectangular generada es rica en armónicos, permitiendo el uso del aparato en pruebas de circuito de RF.
f) Intermitente luminoso
El circuito en la figura 12 genera pulsos luminosos cuya frecuencia se puede ajustar en el trimpot. Este circuito se puede controlar con un microcontrolador, operando como un shield.
En esta aplicación se muestra una pequeña lámpara incandescente como una carga, pero pueden ser utilizados los LEDs de alta potencia en serie con resistores de valores apropiados. La corriente máxima controlada con el transistor indicado puede ser de hasta 3 A, si el transistor está equipado con un radiador de calor.
g) Activación de relé
En la figura 13 mostramos cómo activar un relé intermitentemente usando un 4093.
Con el transistor indicado, el relé puede tener corrientes de hasta 100 mA.
h) Clock CMOS
En la figura 14 tenemos el circuito final de este artículo, un Clock para excitar lógica CMOS, por ejemplo, secuencial 4017.
La frecuencia máxima, que depende de la tensión de alimentación puede llegar a 1 o 2 MHz. La señal generada es rectangular y su frecuencia puede fijarse en función de los componentes (vea oscilador 4093) o ajustarse en un trimpot, en un sistema secuencial, por ejemplo.
Las otras puertas del 4093 se pueden utilizar en otros osciladores o funciones de búfer, como en este ejemplo. El circuito se puede utilizar como shield para microcontroladores.
