INTRODUCCIÓN.

Si queremos conocer el intervalo de tiempo entre dos eventos, necesitamos disponer de un controlador de tiempos, el dispositivo al que nos referimos es un cronómetro. El cronómetro no es un simple contador, cuando nos planteamos construir un cronómetro hemos de pensar en las funciones y prestaciones que requiere dicho dispositivo y buscar la mejor forma de alcanzar el objetivo, superando las dificultades que en cada momento nos planteará su construcción.

Un dato importante para empezar, es decidir cuanto tiempo hemos de controlar, de esto depende el número de dígitos a usar. En nuestro caso queremos que alcance las milésimas de segundo, por supuesto esto significa un máximo de 999 milésimas. El estudio de un contador digital de tres dígitos de 000 a 999 con el que podamos contar en ascendente, nos exige obtener una señal de reloj como base de tiempos para la sincronía del equipo con otros posibles equipos, también es conveniente disponer de otras dos frecuencias, para acelerar una puesta a punto y los pulsadores de inicio, reinicio (reset) y memoria, como ya se describirá más adelante.

Recomendamos al lector interesado en este proyecto que, antes de seguir se asegure de disponer de los CI’s de la familia CMOS por su disponibilidad en el actual mercado, ya que no encontrar alguno de los dispositivos suele ser causar decepción.

PROPÓSITO DEL PROYECTO.

Vamos a construir pequeño contador de intervalos de tiempo para medir distintos eventos como, acontecimientos deportivos por ejemplo, es decir, un cronómetro. Construiremos un cronómetro con el que podamos tomar muestras entre dos lapsos de tiempo.

En principio, puesto que el contador se va a iniciar siempre desde 000, estamos hablando de milésimas de segundo, utilizaremos el esquema básico del contador de tres dígitos de bajo coste, presentado en otro proyecto en este enlace. Los CI’s son el contador CD4553B, el decodificador CD4511B (para tres dígitos), como se puede apreciar en la siguiente descripción, un biestable CD4013B tipo D que nos permitirá cierta operatividad de control y tres transistores PNP para pilotar los tres displays. 

Para construir un cronómetro, utilizaremos dos CI’s de alta escala de integración (LSI), el 4553B contiene tres contadores BCD con flanco de disparo negativo que, están internamente sincronizados en cascada. Sus cuatro cerrojos (latch) en la salida de cada contador permiten almacenar la cuenta de cada contador. De modo que esta información es multiplexada por un divisor de tiempo incorporado, proporcionando un único número BCD o dígito a la vez. El dígito de salida seleccionado, proporciona el control al display. Por otra parte, mediante el condensador externo C se crea un oscilador en el mismo dispositivo proporcionando el reloj de exploración de baja frecuencia (de 400Hz), al derivador que selecciona la salida del multiplexor. Todas las salidas son compatibles TTL.

El CI 4511B, es un decodificador de BCD a siete segmentos, con alta capacidad de salida (hasta 25 mA) cuya cápsula alberga entradas invertidas para el test de segmentos (LT), inhibidor de cerrojo (LE) o estrobo y blanking (BL) para modular la intensidad de encendido o apagado del display. Se deben utilizar resistencias limitadoras, para controlar el consumo y no destruir el CI, su salida puede controlar un display de cátodo común por ej. como el LTS367P.

El CI 4013B es un dispositivo con doble biestable (Flip-Flop) tipo D que ya conocemos de otros proyectos y descrito con anterioridad en estas páginas. En este caso, utilizamos uno de sus biestables de modo que, se configura como un célula R-S para producir los pulsos necesario de ‘Set’ y ‘Reset’ mediante la ayuda de dos pulsadores.

El CI 4033B, este dispositivo contiene un contador decimal completo, con salidas ya decodificadas a siete segmentos para pilotar un display de siete segmentos, con reset y una salida de acarreo, la cual utilizaremos para realizar contadores de décadas en cascada, disponemos de la entrada de RBI y salida RBO además de la patilla de prueba (testeo) de segmento LT. Utilizaremos éste CI por su sencillez y por que no necesita de las típicas resistencias limitadoras de consumo para cada unos de los segmentos ya que las tiene incorporadas.

El CI 4518B es un doble contador de décadas BCD cuyo diagrama interno se corresponde con la imagen de la derecha, en esta se muestra uno de los dos divisores independientes idénticos que alberga la misma cápsula. Su función en este proyecto es dividir por 100 la frecuencia para obtener la frecuencia base de 1Hz. está montado en cascada utilizando su terminal de cuarto orden (D) como acarreo, sus dos terminales de reset se unen entre sí, de modo que, la salida del diferenciador formado por el condensador C3 y resistencia R3 (pulso proporcionado por el biestable) se utilizará para la puesta a cero al principio de cada conteo.

El elemento encargado de presentar los dígitos es un dispositivo formado por ocho diodos LED, siete de los cuales están dispuestos en forma de ocho [8] y el octavo diodo que se dispone en una de las dos esquinas inferiores, como punto decimal. Los display se fabrican con dos características diferentes cuando los ánodos de sus diodos están unidos se les llaman de ánodo común y cuando son los cátodos los unidos, se llaman de cátodo común como el LTS367P. Ver las imágenes de la derecha de un display de ánodo o cátodo común.

Como señal de reloj, utilizaremos un cristal de cuarzo como el mostrado a la izquierda, para así obtener una alta precisión, esto además nos permitirá sincronizar este dispositivo con otros equipos que soporten un módulo de tiempos. Sin embargo, puede adaptarse el proporcionado por el proyecto ‘base de tiempos’ modificado, en esta ocasión debemos extraer además de 1Hz, las frecuencias de 10Hz y 100Hz.

EL ESQUEMA.

El esquema de principio se muestra a continuación, presenta un módulo contador de tres dígitos, formado por los CI de la serie CMOS 4553B y 4511B, que se han descrito anteriormente, éstos se encargan de mostrar las cifras de la cuenta que se realice. Este circuito en si mismo es un contador de tres dígitos. No obstante, nos hemos planteado que el alcance del cronómetro sea incluso para intervalos de decenas de segundo, lo que implica la necesidad de añadir dos dígitos con sus respectivos contadores y demás.

Fig. 9 Esquema del cronómetro de segundos de 3 dígitos.

Por lo que además al módulo anterior, mediante los dos dígitos adicionales se dispondrá de dos display que se encarguen de las comentadas unidades y decenas de segundo. Por lo tanto, utilizaremos la salida de acarreo [C.O.] del CI 4553B, para atacar la entrada de los dos CI contadores del tipo 4033B que se conectarán en cascada entre si, a su respectivas salidas conectaremos dos nuevos display, también de cátodo común para presentar ambas cifras, este CI como ya se ha comentado incorpora internamente las resistencias limitadoras de corriente de los segmentos, lo que ahorra bastante espacio físico y componentes.

El motivo por el cual no es el circuito definitivo, se debe a que queremos un contador de segundos de 5 dígitos. En la siguiente figura se muestra el esquema completo del cronómetro que se menciona, en este esquema se pueden apreciar todos los elementos que intervienen y la disposición de cada componente. Luego discutiremos sus funciones.

Fig. 10  Esquema general del cronómetro de 5 dígitos

CONSTRUCCIÓN.

Procederemos a motar en una primera fase, el diodo 1N4007 de la línea de alimentación, los zócalos de los CI 4060B y el 4518B, el LED rojo, la resistencia de 470Ohmios y el transistor NPN BC557, el cristal de cuarzo y los condensadores de 15pf, el de 22pf, el ajustable de 2 a 22pf y la resistencia de 10MOhms, son 11 componentes. Todas las resistencias son de 1/4 de vatio, usaremos los condensadores cerámicos.

Si todo se ha realizado como se debe, en la patilla 14 del 4518B, deben aparecer los impulsos de reloj como se discute más abajo. En ese caso, instale los 4 zócalos de 16 y el de 14 pines en sus respectivos emplazamientos, observe el esquema y localice su sitio en la placa de circuito impreso. A continuación, los tres transistores PNP tipo BC388 o similar y los 5 displays.

Si no se presentan los impulsos en el terminal 14 del CI 4518B, revise y asegúrese de los contactos y que las pistas no se crucen. Si por fin todo ha ido bien, dispondrá de un cronómetro electrónico con las características de uno comercial.

LOS COMPONENTES.

Los componentes que necesitamos en este proyecto vienen referenciados en el propio esquema, no obstante esta es la lista:

1 – 4060B – CI CMOS, divisor de 14 estados con oscilador.
1 – 4013B – CI CMOS, doble flip-flop tipo D.
1 – 4511B – CI CMOS, decodificador BCD a 7 segmentos, distribuidor.
1 – 4518B – CI CMOS, doble divisor BCD.
1 – 4553B – CI CMOS, contador BCD de 3 dígitos.
2 – 4033B – CI CMOS, contador decimal a 7 segmentos.
5 – LTS367P – Display cátodo común de siete segmentos.
1 – Cx – Cristal de cuarzo de 32768KHz, procedente de un reloj de pulsera.
1 – R1 – Resistencia de 10Mega Ohms, 1/4 de vatio, ver esquema.
4 – T1,,T4 – Transistores PNP del tipo BC338 o simliar.
3 – P1,P2,P3 – Pulsadores normalmente abiertos (NO).
1 – S1 – Conmutador de 1 circuito dos posiciones.
3 – Resistencias de 10K Ohms, 1/4 de vatio, ver esquema.
2 – C3 – Condensadores cerámicos de 100nf o 0’1µF.
1 – C2 – Condensador cerámico de 1k o 0’001µF.
1 – C4 – Condensador cerámico de 22pf.
1 – C5 – Condensador cerámico de 15pf.
1 – C6 – Condensador ajustable de 2 a 22pf.
3 – LED – Diodo LED rojo de 5 m/m. ver esquema.
6 – Zócalos DIL de 16 patlilas.
1 – Zócalo DIL de 14 patlilas.
7 – Resistencias de 470 Ohms o un array resistivo de 470 Ohms 1 común.
3 – Resistencias de 4k7 Ohms, 1/4 de vatio, ver esquema.
1 – Diodo 1N4007, ver esquema.

Dependiendo del tipo de display, puede utilizarse un zócalo por cada display, lo que nos servirá en caso de necesidad de cambiar uno, aunque no es muy habitual. Necesitaremos una batería de 12V y 1A/h y un regulador de 5V, lo que nos dará una autonomía de alrededor de 10 horas. Estos componentes los puede adquirir en su comercio habitual.

DISCUSIÓN.

En el primer paso, mediante un frecuencímetro, debería asegurarse que en la patilla 7, del IC 4060 tiene 200.000 ciclos, esto es necesario y de ello depende la exactitud de los pulso de reloj y del cronómetro final (este es el motivo por el que se ha optado por el uso de un cristal de cuarzo). Mediante el retoque del condensador variable, se conseguirá su ajuste, se aconseja realizar el ajuste con un destornillador de plástico, sin partes metálicas. La resistencia de 10MOhms, nos ayudará a estabilizar el oscilador. Cuando se obtengan los 200KHz en el pin 7, a la salida del 4518 [pin 14] dispondrá de una frecuencia de reloj de 1000Hz/segundo.

Con esta frecuencia observará que, los segmentos de los dos primeros dígitos (de las fracciones de segundo), parpadean. Para ver el valor almacenado en un momento dado, debe actuar sobre el pulsador P3, en ese momento se inhibe la salida a los displays y se visualizará la muestra contenida en el contador. Sin embargo esta acción, no detiene el cronómetro que sigue su curso, solamente muestra la cuenta que había en el contador en el momento de pulsar P3, cuando suelte P3, seguirá la cuenta normalmente.

El diodo 1N4007, es sencillamente una protección, el transistor T1 (NPN BC388) y el LED asociado, nos indicará de forma visual la llegada del impulso de entrada.

El CI 4013B, cumple dos funciones al mismo tiempo. Mediante el pulsador P1, iniciamos (Set) el biestable RS y los contadores desde cero [0], el nivel bajo llega a los terminales de reinicio (reset) de los dos dígitos más significativos (las unidades y decenas). Con el pulsador P2, producimos un pulso que recorre dos caminos, por una parte provoca un reinicio del propio biestable y a si mismo a los dos reset del CI 4518, el del 4060 y el reset maestro del CI 4553, a través del condensador C1.

Por otra parte, a través de una resistencia conectada al positivo, se proporciona un nivel alto al terminal LE [10] del CI 4553, permitiendo al dispositivo realizar su cometido y presentar el resultado de la cuenta mediante los visualizadores, con el inevitable parpadeo que se ha mencionado con anterioridad. Por ese motivo disponemos del pulsador P3 que, normalmente está abierto (nivel alto), en el momento de pulsar P3, el nivel en LE es bajo, bloqueando el normal paso de la cuenta hacia los visualizadores mientras el pulsador siga cerrado, es como la memoria de la cuenta ya que no cambiará hasta que se abra el contacto de P3.

Esto se puede modificar, mediante el conmutador S1, con sólo cambiar la posición a masa y cuando nos interese volviéndolo al positivo, para que presente la nueva muestra o intervalo de tiempo cronometrado.

Es de notar que entre el display de las décimas y el de las unidades se debe conectar, bien el punto decimal del display de las unidades o un diodo LED con una resistencia de 470 Ohmios para separar las unidades de las décimas, lo que los anglosajones llaman ‘colon’.

Si se ha seguido el montaje como se ha descrito, el proyecto debe ser todo un éxito. En otro caso, revise todas las conexiones y verifique cada paso si es necesario. Por cierto, el display de las decenas de minuto cuenta hasta 9, si queremos contar en tiempo real, debe contar hasta 5, emplazamos al lector a encontrar el modo de conectar dicho CI para lograr que cuente 59:999 minutos. La siguiente es una vista del proyecto en funcionamiento.

Fig. 11

Las hojas de datos de los dispositivos descritos en este artículo, puede encontrarlas en las páginas de los fabricantes.

CD4033B
CD4013B
CD4060B
CD4511B
CD4518B
MC14553