SIMULACIÓN ELECTRÓNICA CON

KTECHLAB 

PRINCIPIOS BÁSICOS Y SIMULACIÓN DE CIRCUITOSVersión 0.1

Este cuaderno ha sido realizado por José Luis Gálvez López (digigalos@yahoo.es) utilizando OpenOffice Writer. Toda la obra está bajo una licencia Creative Commons de Reconocimiento-Compartir Igual 2.5. El software y dispositivos a los que se hace referencia están sujetos a las licencias respectivas de sus dueños o autores.

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Índice de contenido1 ITRODUCCIÓN................................................................................................................................3

1.1 ¿Qué es KTechlab?.....................................................................................................................31.2 Arranque....................................................................................................................................3

2 SIMULACIÓN DE CIRCUITOS......................................................................................................42.1 Interfaz.......................................................................................................................................42.2 Componentes.............................................................................................................................52.3 Instrucciones generales..............................................................................................................52.4 Simulación de circuitos..............................................................................................................6

2.4.1 Asociación serie y paralelo de resistencias........................................................................62.4.2  Asociación serie de condensadores...................................................................................62.4.3 Carga y descarga de un condensador.................................................................................72.4.4 Rectificador de M. O. con filtro por condensador.............................................................72.4.5 Amplificador no inversor...................................................................................................82.4.6 Puerta NAND a transistor..................................................................................................82.4.7 Conversor BDC natural a BCD Aiken...............................................................................92.4.8 Báscula RS.........................................................................................................................92.4.9 Astable con transistores....................................................................................................102.4.10 Astable con 555..............................................................................................................10

2.5 Subcircuitos..............................................................................................................................102.6 Carencias y errores...................................................................................................................12

2.6.1 Carencias..........................................................................................................................122.6.2 Errores..............................................................................................................................122.6.3 Wiki..................................................................................................................................12

1 ITRODUCCIÓN

1.1 ¿Qué es KTechlab?KTechlab   es   un   entorno   de   desarrollo   integrado   para   el   tratamiento   de   circuitos   electrónicos analógicos,  digitales  y  microprogramados  básicos.  Es  una  aplicación en  código abierto,   ideada principalmente para ser utilizada en educación o por aficionados.

En este manual se trabajará con la versión 0.3 bajo Ubuntu 8.04. Para más información puede visitar la web oficial de Ktechlab.

1.2 ArranqueAl arrancar KTechlab se podrá crear un nuevo archivo haciendo clic en la opción Nuevo (New)o mediante el teclado con Ctrl + n. Aparecerá una ventana como la que se muestra a continuación.

En ella se puede elegir una de entre las siguientes opciones:

● Ensamblador (Assemble Code): permite escribir el programa en lenguaje ensamblador, con la opción de su paso a lenguaje máquina, para diferentes microcontroladores PIC.

● C: para programar el microcontrolador utilizando lenguaje C.

● Circuito (Circuit): permite la simulación de circuitos electrónicos.

● Diagrama de flujo (FlowCode): para programar el microcontrolador utilizando un diagrama de flujo.

● Microbe: es un lenguaje de programación similar al BASIC.

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2 SIMULACIÓN DE CIRCUITOS

2.1 Interfaz

Seleccionando la opción Circuit nos aparece la siguiente interfaz, cuyas zonas principales se describen seguidamente.

1. Proyecto (Project): visualiza la pestaña de proyecto con sus diferentes archivos.

2. Componentes (Components): visualiza la ventana con todos los componentes electrónicos disponibles, organizados por tipos.

3. Elementos de flujo (Flow Parts): visualiza la ventana con todos los componentes de diagramas de flujo disponibles, organizados por tipos.

4. Ventana de componentes: es la que aparece por defecto al seleccionar la opción Circuit.

5. Mensajes (Messages): despliega la ventana de mensajes del sistema.

6. Osciloscopio (Oscilloscope): despliega la ventana de visualización del osciloscopio.

7. Barra de estado: muestra distintas características del estado del sistema.

8. Visor de símbolos (Symbol Viewer): despliega la ventana??

9. Ayuda contextual (Context Help): despliega la ventana con el texto de ayuda del componente seleccionado.

10. Editor de características (Item Editor): despliega la ventana con las características del componente seleccionado para que puedan ser editadas.

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11. Zona de trabajo: donde se montará el esquema a simular.

2.2 ComponentesEn la ventana de componentes aparecen un listado con todos los elementos que podrá disponer el circuito a simular. Estaán reagrupados en la siguientes siete categorías:

● Fuentes  (Sources):  elementos de excitación del circuito, como baterías fuentes de señal, fuente fija de tensión, etc.

● Componentes   discretos  (Discrete):   componentes   como   resistencias,   bobinas, condensadores, diodos, etc.

● Interruptores (Switches): con diferentes tipos de interruptores.

● Salidas  (Outputs):   contiene   elementos   para   visualizar   los   estados   del   circuito,   como instrumentos de medida, LEDs, visualizadores de siete segmentos, etc.

● Lógica  (Logic):  con las puertas lógicas básicas y sondas de entrada y salida para dar y visualizar, respectivamente, niveles lógicos.

● Conectores  (Connections): diferentes elementos de conexión de los componenentes de un circuito.

● Circuitos   integrados  (Integrated   Circuits):   incluye   diferentes   tipos   de   Cis   y   el microcontrolador PIC.

2.3 Instrucciones generalesSeguidamente se indican las instrucciones generales para comenzar a trabajar.

● Posicionado de componentes: la forma más usual de dibujar un circuito es primeramente posicionar   los   diferentes   componentes   en   la   zona   de   trabajo   para   después   conectarlos eléctricamente. En aquellos circuitos con muchos componentes, es importante dejarlos bien colocados,   ya   que   una   vez   conectados,   si   se   mueven,   las   conexiones   pueden   volverse ilegibles. Para llevar un componente a la zona de trabajo basta con seleccionarlo con un clic y arrastrarlo hasta la misma. Si desea llevar varios componentes del mismo tipo, dé sobre el mismo   un   doble   clic   y   a   continuación   haga   tantos   clic   en   la   zona   de   trabajo   como componentes desee. Para abandonar este modo deberá hacer clic con el botón secundario.

● Rotación: los componentes pueden girarse, una vez seleccionados, a partir de los botones de Giro positivo (Rotate Counter­Clockwise) y Giro negativo (Rotate Clockwise) de la barra de herramientas o haciendo clic con el botón secundario del ratón sobre el componente y seleccionando el ángulo deseado dentro de la opción  Rotación  (Orientation) en el menú emergente.

● Conexión:   para   conectar   los   distintos   componentes   existen   dos   modos,   automático   y manual,  que pueden ser seleccionados desde la  opción de menú  Modo de conexionado (Roting Mode) dentro de Herramientas  (Tools). En el modo automático deberá acercar el puntero del ratón, en forma de flecha, hacia la patilla del componente a conectar hasta que el puntero cambie a  una cruz.  En ese momento haga clic,  arrastre  hasta   la patilla  del  otro componente y suelte el botón para que aparezca el hilo conector. En el modo manual el conector   irá   apareciendo   mediante   clics   sucesivos.   También   es   posible   conectar     dos 

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conectores entre sí, o una patilla a otro conector.● Borrado: para borrar un componente bast con seleccionarlo y pulsar la tecla de suprimir 

(Supr o Del). Si lo que se desea es borrar una conexión se selecciona mediante un clic cerca del conector, arrastrar hasta el mismo hasta que su color cambie, soltar el ratón y  pulsar la tecla de suprimir.

● Cambio   de   valores:   para   cambiar   los   valores   por   defecto   con   los   que   aparece   un componente basta con seleccionarlo y observar en la barra de herramientas los cuadros de edición.   También   es   posible   hacer   esto   mismo   desplegando   la   ventana  Editor de características (Item Editor).

● Insertar texto o dibujos: la opción Dibujar (Draw) permite insertar texto, líneas, elipses y rectángulos.

● Simulación:   por   defecto   la   opción   de   simulación   está   activada,   pudiendo   ser   pausada mediante  pulsando  F10  o  mediante   la   opción   correspondiente  dentro  de  Herramientas (Toolls) del menú. 

● Visualización: con el fin de ver niveles lógicos, de tensión, de intensidad o formas de onda que   proporcione   el   circuito,     se   conectarán   los   elementos   de   salida   apropiados.   Los elementos de medida indicarán sus valores directamente, mientras que las sondas lógicas, de tensión o de corriente se observarán desplegando la ventana del osciloscopio.

2.4 Simulación de circuitosPara presentar la simulación de circuitos, seguidamente se muestran varios ejemplos clásicos de circuitos analógicos y digitales, cuyo montaje se aconseja para para que el lector vaya tomando soltura en el manejo de la aplicación.

2.4.1 Asociación serie y paralelo de resistencias

Con este ejemplo se observa como aumenta o disminuye la corriente en cada uno de los circuitos cuando se conecta o desconecta una resistencia en serie o en paralelo. Para ello se han utilizado sendos conmutadores,  cuyo estado cambia al  hacer  clic sobre  los recuadros S1 y S2,  y sendos amperímetros para observar el valor de la corriente en cada momento.

2.4.2  Asociación serie de condensadoresEn este circuito puede comprobarse como se distribuye la tensión en función de los valores de la capacidad de cada condensador. Para una correcta simulación deberá abrir los interruptores S1 y S2 para descargar los condensadores, variar las capacidades deseadas y cerrar S2 y S1 en este orden.

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2.4.3 Carga y descarga de un condensadorEn el circuito de la izquierda se ha utilizado una sonda de tensión para observar la carga y descarga del condensador. El conmutador S2 permitirá la carga o descarga en función de su posición.   En   la   superior   el   condensador   se carga a través de la resistencia de la derecha y en la inferior se descarga a través de ambas resistencias. El pulsador S permitirá descargr completamente   el   condensador   en   cualquier momento. Para observar las variaciones de la tensión   se   despliega   la   ventana   del osciloscopio e interactuamos con el circuito. En la siguiente imagen podemos observar, de izquierda   a   derecha   un   proceso   de   carga interrumpido   bruscamente   por   la   pulsación 

sobre S1, seguido de un nuevo proceso de carga y otro de descarga. Obsérvese como el proceso de descarga es más lento que el de carga debido a la mayor resistencia, 1 kΩ en la carga y 2 kΩ en la descarga.

2.4.4 Rectificador de M. O. con filtro por condensadorEn   el   circuito   se   han   utilizado   tres sondas   de   tensión   para   observar   las señales de entrada, verde, la del diodo, amarilla, y la de salida, roja. Además se ha añadido el interruptor S para ver el efecto   del   filtro   en   C   sobre   el rectificador   de   media   onda.   En   la siguiente   figura   puede   observarse   las 

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señales que muestra el osciloscopio con S cerrado.

2.4.5 Amplificador no inversorAmplificador no inversor con ganancia 11 de ensión.

2.4.6 Puerta NAND a transistor

En este ejemplo se explica el comportamiento de una puerta lógica NAND a transistor, lógica TTL. Basta que uno o los dos conmutadores estén a nivel bajo para que el transistor permanezca en corte y la salida sea un alto. En el circuito se ha añadido el símbolo lógico de la puerta NAND para comprobar  que  su  funcionamiento es   idéntico  al  del  circuito.  El  nivel   lógico  de   las   sondas  de entrada se cambia mediante un clic en el cuadrado sombreado correspondiente.

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2.4.7 Conversor BDC natural a BCD AikenEl circuito genera la siguientes ecuaciones de conversión:

S0 = D S1=BC'D+B'C+A S2=BD'+BC+A S3=BD+BC+A

2.4.8 Báscula RSEl circuito se corresponde con una báscula RS con puertas NOR. Para mayor claridad se ha añadido un texto descriptivo y la  tabla de verdad utilizando las herramientas de dibujo (draw).

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2.4.9 Astable con transistoresEl   esquema   muestra   el circuito típico de un astable con transistores. 

En   ambas   salidas   se   han conectado   sendas   sondas lógicas,  azul y verde,  para observar   las   formas   de onda   que   pueden observarse   en   la   siguiente imagen.

2.4.10 Astable con 555Configuración   típica   del   555   para   su funcionamiento astable.

2.5 SubcircuitosUn subcircuto es una macro que el propio usuario puede crear a partir de los componentes que ofrece la aplicación, para luego ser empleado como un componente más. A continuación se explica paso a paso como crear un sub­circuito semi­sumador.

1. Se dibuja el circuito y sus salidas y entradas se unen a conexiones externas (External conexión).

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2.   Se   selecciona   todo   el   conjunto,   se   da  un   clic   al   botón  derecho,   se   hace   clic   en  Crear   un subcircuito (Create Subcircuit) y se pone el nombre (Semisumador en nustro caso).

3.  En el  apartado Subcircuitos  (Subcircuits)  de la  ventana de componentes,  aparecerá  como un nuevo dispositivo que podrá ser utilizado como bloque tantas veces como se desee.

4. Ahora el subcircuito está listo para poder ser utilizado como cualquier otro dispositivo las veces que sea necesario. En el siguiente esquema se muestra un sumador completo a partir de dos semi­sumadores.

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2.6 Carencias y erroresEn  la   actualidad   la  versión  0.3  de  Ktechlab  es  una  de   las  mejores   aplicaciones   libres  para   la simulación de circuitos electrónicos a nivel básico. Sin embargo, aún posee carencias importantes y algunos   errores   que   esperamos   sean   solucionados   en   versiones   futuras.   En   este   aspecto,   las autoridades educativas de cada país podrían impulsar de manera   decisiva el  desarrollo de esta aplicación, dada su utilidad en distintas etapas educativas.

A continuación se indican las carencias más importantes y los errores detectados.

2.6.1 Carencias● Osciloscopio: su carencia principal es la de no mostrar lo valores, tanto de tensión como de 

tiempo, lo que impide tomar medidas en las señales.

● Interfaz en español: según aparece en la  Wiki oficial, esta carencia será subsanada en la versión 0.3.7.

● Potenciómetro: tienen una variación lineal fija que no puede modificarse.

● Lógica:   se   echa   en   falta   un  generador   de  palabras   de   al  menos  8  bits,   que  pueda   ser programado en hexadecimal y cuyas salidas puedan ejecutarse de modo cíclico o paso a paso.

● Instrumentos de medida: además del voltímetro y el amperímetro para cc haría falta un polímetro para medir resistencias tensiones o corrientes tanto en continua como en alterna.

● Subcircuitos: una vez creados no pueden abrirse.

● Circuitos aritméticos: hace falta incluir al menos un sumador de 4 bits con entrada y salida de conexión en cascada.

2.6.2 Errores● Valor 100  μ: al poner este valor, en resistencias, bobinas o condensadores,  se bloquea el 

programa.

● IC   555:   no   funciona   correctamente   como   monoestable   y   las   formas   de   onda   en   el condensador en el funcionamiento astable no son cuadradas.

● Nuevo proyecto:   al   seleccionar   la  opción  New Proyect   la  aplicación  no  puede  cerrarse normalmente.

2.6.3 WikiEl proyecto posee una wiki en inglés, donde se pueden encontrar multitud de circuitos. Se trata de un espacio web donde todos los usuarios pueden participar y subir sus propios diseños. Es una buena forma de colaborar para quienes no son programadores y desean divulgar sus trabajos para que sirva de ayuda a otros usuarios.

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