miércoles, 17 de junio de 2009

Un teclado electrónico de combinación usando Flip Flop 4013

Este es un proyecto de facil implementación usando dos circuitos flip flop Cmos del tipo 4013 (Tipo D) , algunas resistencias (10 K) , condensadores y un teclado de calculadora , la idea es memorizar una clave de 4 números , los cuales deben ser marcados en la secuencia correcta para activar (o desactivar) otros circuito de control que habilite o desabilite una alarma, cerradura electronica ,etc.
De equivocarse la secuencia o marcarse mas dígitos no se tendrá señal en la salida y es más se puede hacer que suene una alarma por uso indebido.
La caracteristica del flip flop tipo D es que transfiere el dato (1 u 0) que se tenga en su entrada D en el momento de llegar el pulso de reloj , marcado como ck ,cuando este pulso de clock se pone alto el dato presentado en la entrada D pasa a la salida Q.
Aprovechando esta caracteristica construiremos una secuencia de 4 pulsos que pasarán de flip flop en flip flop hasta la salida final deseada.
De las 10 teclas numericas usaremos solo 4 , por supuesto marcadas con los nùmeros de nuestra clave , las otras 6 o más se conectan en paralelo , pero su misión es resetear todo el circuito anulando la operacion , se usan para control solo las teclas correspondientes a la clave que se utilizará.
Supongamos que mi clave sea 4321 entonces la tecla numerica 4 se pone en la entrada de clock del primer FF D, como esta entrada permanece inicialmente siempre conectada a "1" este primer pulso de Clok llevará la salida Q del primer FF a alto , ahora en la entrada del segundo FF D tenemos ya un "1" , la segunda tecla a usar , es decir la tecla 3 , estará en su entrada de clock y al pulsarse dará el nivel de reloj necesario para pasar el "1" anterior al Q del segundo FF D , de la misma manera haremos con las teclas 2 y 1,todas ellas habilitan el clock de su respectivo FF D y van llevando el "1" desde el primer FF hasta el último , si hubiera un error el sistema se deshabilita por aparecer un pulso de reset que limpia los registros , el circuito es muy sencillo para experimentar , los 4013 son muy baratos ,aqui en Perú cuestan 1 sol (0.30 ctvs de dolar) podemos colocar diodos led con sus resistencias en cada salida q para ir viendo el avance de los pulsos , cuando se consigue la clave necesaria tendremos un "1" en la salida, con esto podemos prender una luz,activar el electroiman de una cerradura electrica de puerta , si se coloca en el pin 4 de un oscilador 555 lo habilita, si esta salida se pone en un Flip Flop tipo T con un pulso se prende , con el siguiente se apaga con lo que se puede activar o desactivar una alarma , el circuito es facil de probar en el protoboard , las resistencias son de 10 k y el condensador electrolítico , como en los circuitos anteriores bypassea los ruidos.
Hagan click en la imagen para verla en su tamaño real.
Las caracteristicas y pines del 4013 son la siguientes:

38 comentarios:

^^ dijo...

Hola Jorge, interesante articulo, como podria modificarse para lograr que se tenga un temporizador programable que genere un beep y que al ingresar incorrectamente la clave dispare una alarma?
Muchas gracias!

Jorge Flores Vergaray dijo...

Hola , bueno el temporizador programable habria que hacerlo por separado , dependiendo de la exactitud podria usarse un timer 555 con un juego de resistencias de alta precision para el tiempo deseado , la salida del ultimo FF dispararia el temporizador ,cuidado que la salida es mdesde cero a uno por tanto el temporizador debe dispararse con la subida , si es el 555 que se dispara con la bajada habria que poner un transistor inversor cuyo colector este amarrado a la pata 2 de 555 para q lo dispare.
Tambien observas que las teclas no usadas al ser presionadas cada una de ellas resetean todos los FF y anulan el avance logrado si lo hubiera.Se puede usar esta misma señal de reset para disparar un monostable 555 cuya salida de pata 3 se vaya a la pata 4 de otro oscilador astable 555 funcionando a una frecuencia de 1 Khz que es la de mayor sensibilidad para el oido humano, al dispararse el mono habilita al astable y hace sonar un parlante con la frecuencia de 1 Khz el tiempo que se le ha dado al monostable

fredy dijo...

hola Jorge soy nuevo por aqui soy estudiante de nivel medio superior y apenas entramos en estos temas y este fue mi proyecto me gusto el circuito que tienes pero yo le quiero poner un zumbador en caso de que la clave sea incorrecta y si es correcta le queria poner una contra electrica o usted que me sugeriria hacer soy nuevo y no entiend0 muchas cosas hojala me dejaras tu correo para que me pudieras ayudar muchas gracias hasta luego.

Jorge Flores Vergaray dijo...

como observas en el circuito las teclas no usadas al ser presionadas cualquiera de ellas se van a tierra y resetean todos los FF y anulan el avance logrado si lo hubiera. Se puede usar esta misma señal de reset para disparar un monostable 555 cuya salida de pata 3 se vaya a un transistor que active el zumbador como alarma de intento falso , y si es correcta en la ultima salida de los FF iria un transistor con un relay en su colector, al llegar a la ultima estapa correctamente su salida se va a lata y conmuta el transistor que activa un relay que energiza una cerradura electrica , de la misma manera que en los edificios de varios pisos podemos abrir la puerta principal mediante un interruptor , lo que se hace es activr una cerradura electrica que tiene un electroiman que "jala" el seguro un tiempo para que la puerta se pueda abrir

estudiante dijo...

profesor y si consiguiera un zumbador de 9-12 volts y un electroiman tambien de ese voltaje no necesitaria los relay ni el transistor?

Jorge Flores Vergaray dijo...

el transitor de potencia es necesario porque los circuitos cmos solo pueden dar poquisima corriente de salida , por seguridad digamos 5 mA para encender un led como aviso, generalmente se pone una resistencia de 2.2 k para activar el led, los zumbadores y relays requieren mucha mas corriente y no pueden ser activados directamente por un cmos a riesgo de destruirse

estudiante dijo...

aaa muchas gracias ..
es que como apenas vamos entrando en esto de electronica no sabia para que era un relay y me puse a investigar y ya me quedo un poco claro empezaremos a hacer esquemas el miercoles mi equipo y yo y vamos a ir planeando todo espero que pueda seguir contando con usted muchas gracias.

estudiante dijo...

per0 profes0r n0 entiend0 una parte que suponiend0 que la clave sea incorrecta y se valla al 555 que pasara osea yo le dare el tiempo que yo quiera y despues dejara de sonar la alarma en el siguiente cambio de reloj o como se volveran a resetear....y lo mismo es para cuand0 la clave sea correcta despues de que se active la cerradura durara un tiempo el circuito cerrda y al siguiente cambio de 555 se quedara abierto de nuevo? me podria explicar que pasara gracias

Jorge Flores Vergaray dijo...

En cuanto a la alarma por fallo de tecla la alarma se programa en forma independiente con el 555 en su forma monostable usando T= 1.1 RC donde R y C son las resistencias de temporizacion , con esto podedemos hacer que la alarma dure 1 seg , 2 seg , etc , esto es independiente de la secuencia que se sigue en las teclas , si se han equivocado y suena la alarma el circuito del FF se resetea y se comienza de nuevo se puede ir introduciendo teclas en un nueva secuencia pero el 555 sigue sonando / alarma) en el momento de equivocarse de nuevo si eso sucediera, la alarma vuelve a dispararse y vuelve a bloquearse el circuito.
En cuanto a la llegada una vez alcanzado el ultimo digito la salida se pone en alta y se queda allai , la unica forma de bajarla es reseteando, por ello ls cerraduras electricas tienen su propio interruptor temporizado que abre y cierra el electroiman un tiempo definido para abrir el seguro un tiempo y hacer que la puerta se vuelva a cerrar sola y volver a poner el seguro , en caso de una simulacion hay que tener eso en cuenta, una vez llegado el ultimo "1" en el FF este debe disparar otro temporizador para que active el electroiman de la puerta un corto tiempo

estudiante dijo...

y profesor ok y que pasa si yo pongo esos mismos digitos de la clave pero en otra secuencia suponiendo mi clave es : 1,2,3,4 y yo tecleo 4321 no estan conectados a reset que pasa?

Jorge Flores Vergaray dijo...

Buena pregunta no sonaria la alarma pero tampoco avanzaria la cuenta , si te das cuenta lo unico que hace el circuito es llevar el "1" de la primera etapa a la salida de la cuarta etapa, si no se presionan las teclas correctas que en este caso tienen numeros esta secuencia no se cumple, por ejemplo puedes poner si has grabado 1234 poner 44444444 y no pasa nada, no suena la alarm pero tampoco el circuito se activa

estudiante dijo...

hola profesor:
hoy hize este circuito en un protob0ard para ver si funcionaba y despues pasarlo en una tabla fenolica per0 n0 funciono conecte los flp flop a vcc y a tierra y no pasa nada revize todas mis conecciones y al parecer estoy bien puse las resistencias correctas y t0d0 mej0r primer0 lo pazare a un programa (multisim) para probarlo alguna cosa que me pueda decir que me falto o me haga falta?
gracias

Jorge Flores Vergaray dijo...

Ya eso ocurre siempre la primera vez q uno arma circuitos , son 2 integrados pin 14 a +Vcc y pin 7 a tierra,prueba uno por uno entre ck clock que es pin 3 u 11 y tierra pon la resistencia de 10 k en la salida Q que seria el 1 o el 13 pon un led en serie con una resistencia de 2.2 k para no consumir corriente excesiva y ver si se prende el led, se resetea previamente poniendo 4 0 10 a tierra,el led conectado a Q debe estar apagado, cuando la entrada al clock se conecta un instante a +Vcc que es lo que hace cada pulsador simula un pulso positivo de clock y se enciende el led es deecir aparece un "1" este uno es el que va pasando de etapa en etapa hasta llegar al cuarto FF, anda probando uno por uno para saber que no te estas equivocando.
No te confies mucho en los simuladores los circuitos hay que probarlos en la practica y etapa por etapa para ir avanzando seguro no te olvides de no sobrecargar las salidas Q con una resistencia menor a 2.2 K para el led

estudiante dijo...

ya lo experimente en un programa y en cuanto le pongo vcc se prende los led q2 y q4 entonces le pong0 reset y ya se apagn t0d0s y cuando estoy poniend0 mi clave uno por un0 se ve como van recorriendo prende primero q1,q2,q3 y luego n0 le apret0 nada y solito prende el q4 .. que pasa?

Jorge Flores Vergaray dijo...

No te confies del simulador, es un circuito muy sencillo , se llama Flip Flop tipo D, busca la teoria de funcionamiento en internet, estos FF solo se activan POR UN PULSO DE RELOJ POSITIVO, cuando esto ocurre lo unico que hacen es transferir el valor logico de su entrada D a la salida Q , es decir si en la entrada hay un cero y se da un pulso positivo en Ck ese cero se transfiere a Q y si en la entrada hay un uno y se da un pulso positivo en Ck ese uno se transfiere a Q, si no hay pulso de clock positivo el FF no responde, los simuladores no son muy confiables en circuitos no convencionales como este , prueba de dos en dos ( cada chip tiene 2 FF) y luego los pones en cascada si lo analizas te daras cuenta que es un circuito muy sencillo

estudiante dijo...

hola ya lo volvi a hacer en el simulador y ya funciono es que como son interruptores quedaba el boton siempre pasando corriente y solo es un pulso asi que lo bajo y lo subo para que me de el pulso...
lo que quiero hacer es a esa salida ponerle un 555 y hacer los calculos para que me de 10 segund0s y al siguiente cambio mandarlo a un reset en los flip flop. pero como le hago?

estudiante dijo...

y otra cosa para probar los leds en el prot0b0ard van a tierra o como pongo los leds?
gracias

estudiante dijo...

sigue sin funcionarme lo hize en un protoboard y nada solo se calienta mi integrado ya revise solo conecte una 4013 para probar con dos y todo lo e conectado bien le revize bien pero exepto los leds si van a tierra o ese es mi error ?
gracas.

estudiante dijo...

y aparte en el programa que lo simulo le puse unos leds de una sola"patita" se llaman probe y ahi si sirven

Jorge Flores Vergaray dijo...

"sigue sin funcionarme lo hize en un protoboard y nada solo se calienta mi integrado ya revise solo conecte una 4013 para probar con dos y todo lo e conectado bien le revize bien pero exepto los leds si van a tierra o ese es mi error ?"

Si te calienta el cmos es que posiblemente lohayas dañado, esos circuitos son delicados y a veces la electricidad estatica de la mano puede afectarlos , quizas pusistes un led a la salida sin la resistencia limitadora de corriente o una resistencia muy baja, por precaución su salida la trabajamos máximo en unos 5 mA cuando le ponemos led para noexigir mucha corriente , solo para notar un brillo debil en los leds, te dije que para 5 voltios se pueden poner 2.2 K en serie con el led a la salida Q de cada FF del 4013 , e conecta la salida Q en serie con la resistencia 2.2K y el led y de alli a tierra , entonces con salida alta del FF se prende el led y con salida baja se apaga, los led de los simuladores no te confies , y si no traen resistencia limitadora peor,voy a tratade poner un circuito testeador del 4013
Primero confirma de funciona tu secuencia, de ali a la salida hacemos que dispare un timer 555 con su buzzer , algo asi he publicado hoy y cuando este cae dispara otro timer de corta duracion que mediante un inversor producira un corto pulso de bajada que reseteara el circuito

estudiante dijo...

hola profes0r...
no me queda esto de los flip flop estuve revizando mi circuito como 100 veces y nada
lo que pasa que el primer digito si da cuando le pongo en numero prende el led pero el segundo ya n0 prende y por obia nignuno de los 3 restantes entonces pues la entrada D2 la puse a corriente y entonces si prende es como si no sirviera la entrada de D2 con la salida de alguna q que pasa?

Jorge Flores Vergaray dijo...

"D2 la puse a corriente y entonces si prende es como si no sirviera la ..."

¿Has revisado tus conexiones? si la salida de Q de la primera estapa esta alta y enciende el led es un "1" lógico, popr tanto debe ser sensado por la segunda etapa a no ser que tenga una caida de tension muy fuerte ,estas seguro de haber conectado la entrada S2 a la salida de Q anterir?, espero no hayas puenteado la salida Q directamente a +Vcc o a tierra porq eso arrina el integrado , revisa tus conexiones, en todo caso desconecta el led por si este esta cargando al circuito , lo de los leds ea solo para ver que habia un cambio de estado pero a veces cargan al flip flop , entonces se les haceuna toma mediante un transistor para pedir una cargaminima , en todo caso puedo subir la forma de alimentar los leds de prueba pero el circuito esta bien , desde que funciona en tu simulador tambien debe funcionar aqui

piter10 dijo...

Antes que todo.. muchas gracias por compartir el circuito!

la verdad es que lo he estado probando primero en un simulador y a la salida del ultimo flip flop.. le conecte un diodo LED, entre esta salida y la tierra, el problema es que apenas hago funcionar el vcc.. el led enciende sin esperar ningun pulso de reloj... conecte un osciloscopio a la salida del FF.. y me muestra que apenas le conecto la fuente.. la salida se activa.. sin necesidad de activar el reloj, apreto el reset.. y la señal se baja.. y luego funciona todo bien.. pero por que motivo? se me podria activar la señal sin activar el pulso reloj?? algun cable mal conectado??
De ante mano muchas Gracias!! Saludos!h

Jorge Flores Vergaray dijo...

Hola Piter
Lo que ocurre es la aparición de un pulso fantasma por conmutación de la fuente, y claro para los que no tienen mucha experiencia en el armado de circuitos sorprende, cuando conectas cualquier fuente sobre un circuito inactivo se produce un gran pulso debido a que los condensadores internos de los circuitos estan descargados, esto ocurre en todo circuito, la fuente debe estar "desacoplada", es decir debe tener al menos un condensador electrolítico entre el+ y el - en la placa o protoboard donde estan los integrados; a veces se obvia esto en los diagramas de circuitos porque se sobreentiende que por experiencia cada uno lo hace, pero es algo de debemos aprender y luego ya no olvidamos.
Debes poner un condensador electrolitico de unos 220 uF entre el + y - de tu fuente en la placa o el proto, lo mas cercano a los integrados, muchos ponemos dos condensadores uno al comienzo de los integrados y otro donde terminan si hay varios, tambien se acostumbra poner un condensador ceramico de unos 0.001uF de buen voltaje al costado de estos condensadores de desacoplo para bypassear cualquier pulso que se meta a la placa por la linea de alimentación y dispare el circuito.
Cuando uno trabaja con pilas o baterias casi no ocure esto, pero en las fuentes conversoras de voltaje si.
Entonces la solución es desacoplar la fuente de alimentacion poniendo condensadores electroliticos de 220uF o 470uF entre el positivo y negativo de tu placa o ptrotoboard.

Saludos

piter10 dijo...

Muchisimas gracias por su respuesta y sobre todo por su tiempo dedicado!.. Saludos!!

Amarilys dijo...

Hola muy buenas noches me parece muy interesente este proyecto y me gustaria hacerlo para presentarlo en la universidad ya q soy estudiante de ingenieria entonces era para saber si asi tal cual como esta funciona o es necesario agregarle algo mas..
Se le agradece una pronta respuesta. muchas gracias

Jorge Flores Vergaray dijo...

Si claro, el detalle de los rebotes a los schits mecanicos se resuelve desacoplando las fuentes con condensadores electroliticos, lee los comentarios anteriores sobre los problemas q se presentaron, es un circuito simple, va llevando el "1" logico de etapa en etapa, es un FF tipo D a la salida se puede poner un transistor con un relay para una alarme, etc, cualquier problema escribes, prueba primero solo un FF y luego le añades el siguiente

Amarilys dijo...

ah okis muchas gracias.. este fin de semana lo voy a montar en el protoboard y cualquier problema que se me presente yo le escribo x aki muchisimas gracias nuevamenta y q tenga una linda noche

Amarilys dijo...

Hola feliz tarde yo monte este proyecto en un protoboard y le conecte en la salida un diodo led pero tengo un problema, el led siempre esta encendido y cuando pulso cualquier tecla de la clave este se apaga, para ver si me podria ayudar gracias..

Jorge Flores Vergaray dijo...

Ya eso ocurre siempre la primera vez q uno arma circuitos , son 2 integrados pin 14 a +Vcc y pin 7 a tierra,prueba uno por uno entre ck clock que es pin 3 u 11 y tierra pon la resistencia de 10 k en la salida Q que seria el 1 o el 13 pon un led en serie con una resistencia de 2.2 k al menos a la salida de FF para no consumir corriente excesiva y ver si se prende el led, se resetea previamente poniendo 4 0 10 a tierra, el led conectado a Q debe estar apagado, cuando la entrada al clock se conecta un instante a +Vcc que es lo que hace cada pulsador simula un pulso positivo de clock y se enciende el led es deecir aparece un "1" este uno es el que va pasando de etapa en etapa hasta llegar al cuarto FF, anda probando uno por uno para saber que no te estas equivocando.
Evitar resistencia menor a 2.2 K para el led si usas 5 V, entonces con salida alta del FF se prende el led y con salida baja se apaga.
Si las conexiones estan bien hechas todas las entradas estan a cero por la resistencia de 10 k, cada tecla de codigo lo unico que hace es poner un "1" y correrlo.
Otro problema es la aparición de un pulso fantasma por conmutación de la fuente, y claro para los que no tienen mucha experiencia en el armado de circuitos sorprende, cuando conectas cualquier fuente sobre un circuito inactivo se produce un gran pulso debido a que los condensadores internos de los circuitos estan descargados, esto ocurre en todo circuito, la fuente debe estar "desacoplada", es decir debe tener al menos un condensador electrolítico entre el+ y el - en la placa o protoboard donde estan los integrados.
Debes poner un condensador electrolitico de unos 220 uF entre el + y - de tu fuente en la placa o el proto, lo mas cercano a los integrados, muchos ponemos dos condensadores uno al comienzo de los integrados y otro donde terminan si hay varios, tambien se acostumbra poner un condensador ceramico de unos 0.001uF de buen voltaje al costado de estos condensadores de desacoplo para bypassear cualquier pulso que se meta a la placa por la linea de alimentación y dispare el circuito.

alvazul dijo...

Hola jorge una consulta yo tengo una cerradura electrónica de 9 a 12 V como puedo conectarla de tal manera que cuando yo escriba la clave se abra, se pone directo en la salida de CI o tengo que hacer un circuito para aumentar la corriente.A y otra cosa como lo hago para que cuando alguien pulse cuatro dígitos erróneos a los de la clave me suene una alarma,eso Muchas gracias.

Jorge Flores Vergaray dijo...

"como puedo conectarla de tal manera que cuando yo escriba la clave se abra, se pone directo en la salida de CI "
Este es un circuito muy simple de desplazamiento con FF tipo D lo que hace cada tecla de la clave deseada es dar un pulso de reloj a su correspondiente FF, como vemos el primer FF esta en uno y si se aprieta la tecla correcta este pulso de clock hace avanzar la cuenta y su salida estra ahora en "1" lo que es esperado por el segundo FF y asi sucesivamente hasta llegar al 4to FF que es el fin de las 4 teclas correctas, la salida en "1" del ultimo FF es de muy baja corriente por ser un IC cmos, por tanto lo mas común es amplificarla con un transistor de uso general como el 2N222 previa resistencia de base de al menos 1 K, en el colector estrá un relay con su correspondiente diodo en inversa como está en muchos de los post de este blog, con esto conseguimos que al final de la cuenta se active el relay y haga sonar una sirena p encienda una luz , etc, para desactivarlo basta apretar cualquier tecla incorrecta.
Sobre de hacer sonar una alarma con 4 teclas incorrectas se tendria que poner un contador en la entrada reset de los FF, si miras bien el circuito observaras que las teclas incorrectas estan en paralelo con la entrada reset de todos los FF, de tal manera que al apretar cualquiera de ellas se anula todo y se debe empezar de nuevo, se podria poner la entrada de un 555 temporizador seguido de un oscilador y parlante, la bajada de estas teclas erradas dispararian al 555 y sonaria una alarma un tiempo deseado

alvazul dijo...

Hola jorge yo de nuevo, mi pregunta es como el teclado electronico funciona a corriente continua como lo puedo hacer para conectarlo a una cerradura de 9 A 12V de corriente alterna si enviarme el circuito o la explicacion a mi correo: alvarobkn@hotmail.com por favor eso.
Muchas Gracias.

luis fernando dijo...

Buenas espero que este muy bien y antes quiero agradecerle por la gran ayuda y mi pregunta es para que sirve el "set"? por qué se pone en tierra? Muchas gracias por su atencion

Jorge Flores Vergaray dijo...

"mi pregunta es para que sirve el "set"? por qué se pone en tierra?"
En los Flip Flops hay dos pines para setear o resetear la salida a veces para establecer una condición inicial.
En el circuito poniendo un pulso alto en la entrada Set la salida se vá a "1" lógico, de igual manera si ponemos un pulso positivo en el entrada reset la salida se vá a cero.
En este circuito ponemos a tierra las entradas al set porque queremos que los cambios se den solamente por las entradas de clock, por eso onhabilitamos las entradas de seteo poniendolas a tierra.
Sin embargo usaremos la entrada reset todas amarradas a las teclas no usadas o que no pertenecen a la clave escogida de tal manera que al pulsar una tecla errada todas las entradas de reset reciben un pulso y todas las salidas se van a cero anulando el proceso.

luis fernando dijo...

Muchas gracias por la ayuda aunque quede un poco confundido pero podria decirse que set altera la entrada D? y D que funcion cumple? y D y set son entradas?

Garzon dijo...

Profesor buenas noches.
Estoy interesado en realizar un proyecto con estas caracteristicas, me gustaria que se mostrara en los displays los digitos que se estan marcando, pero en realidad no se como se haria, pues a penas estoy en el 3 semestre de ingenieria electronica.
le agradeceria de antemano que me pudiera dar una ayudita.
Gracias, un saludo desde Colombia

Allan dijo...

Hola que tal queria hacer una pregunta. yo quiero conectar una cerradura electrica a un protoboard osea cuando ponga la clave en el protoboard la cerradura tendria que abrirse.
Como puedo conectarlos???