viernes, 25 de julio de 2014

SORTEO AGOSTO 2014

ANUNCIO DE NUEVO SORTEO PARA ESTE MES DE AGOSTO 2014

No ha pasado todavía un año desde mi primer sorteo, cuando tenía 20.000 suscriptores en mi canal de youtube. Ahora, pronto, seremos 80.000. Para celebrarlo, volveré a hacer otro sorteo con prácticamente las mismas bases, pero ahora los regalos tienen más "sustancia"... y además habrán dos ganadores, pues serán dos los regalos.

¿Os suenan los inventos de esta foto?








Premio 1: Un desoldador por vacío, el que monté en el vídeo. Funcionando perfectamente desde entonces.

Premio 2: Fuente Laboratorio 0-30 voltios, 4 amperios. Cortocircuitable y con función de limitación de intensidad. Nueva y en perfecto estado.

 

El sorteo será a nivel mundial y para aquéllos que estén suscritos a mi canal de Youtube. Haré en agosto un vídeo a propósito para este sorteo contando los detalles del mismo, cómo participar, etc.

P.D. Seguro que nos vemos antes de este sorteo en el próximo capítulo 11 del tutorial de electrónica básica, que estoy a punto de terminar.

80.000 abrazos.

viernes, 27 de junio de 2014

Tutorial de Electrónica Básica. 10. Circuitos Integrados

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ÍNDICE

01. Definición. Qué es un circuito integrado
02. Historia.
03. Clasificación según su construcción
     3.1. Monolíticos
     3.2. De película delgada o gruesa
     3.3. Híbridos
04. Clasificación según el tipo
     4.1. Según la función: Analógicos y digitales
     4.2. Según la escala de integración
05. Saber lo esencial de un circuito integrado. El Datasheet
06. Encapsulados. Zócalos.
07. Reconocer el orden de los terminales en un circuito integrado.
08. Algunas funciones típicas de los circuitos integrados
     8.1. Propósito general
     8.2. Memorias
     8.3. Microcontroladores / Microprocesadores
09. Ejemplo de utilización de un circuito integrado: Pequeño amplificador de 
     audio

10. RINCÓN DE LA TEORÍA. El EFECTO LARSEN.

11. El vídeo




Circuitos integrados, también conocidos como chips o "IC" abreviatura del inglés: Integrated Circuit



1. Definición. Qué es un circuito integrado.

Un circuito integrado es una pequeña superficie o pastilla (chip) hecha con material semiconductor en la que se construye un circuito electrónico que puede constar desde unos pocos componentes hasta miles o incluso millones de ellos. Este chip -al igual que otros semiconductores: Transistor, diodo, triac, etc.- va protegido por un encapsulado, y de él asoman los terminales o pines para ser conectado al circuito que lo incorpore.
 


2. Historia.

La necesidad de miniaturizar los equipos fue la que propició el invento del circuito integrado. Casi de forma simultánea fueron al menos tres personas las que hicieron realidad este componente:

- Jack Kilby, trabajaba para la empresa Texas Instruments, se le ocurrió integrar seis transistores en una única pastilla semiconductora para hacer un circuito oscilador con el mínimo tamaño. 

- Werner Jacobi, un ingeniero alemán que también contribuyó a la expansión y auge de los c.integrados.

- Rober Noyce, uno de los fundadores de la empresa Intel, fue de los primeros en comercializar un circuito integrado. También fundó la conocida empresa "Fairchild Semiconductor".

Desde entonces y hasta hoy, estos primeros (y "sencillos") circuitos integrados han visto mejorar sus prestaciones en una carrera meteórica. Se han solucionado infinidad de problemas que tenían estos primeros c.integrados, y sobretodo, se ha conseguido un proceso de fabricación que permite hacer cantidades ingentes, lo que permite un precio final bastante bajo, teniendo en cuenta lo complejo y costoso del diseño de uno de estos circuitos integrados



3. Clasificación según su construcción

3.1. Monolíticos
A esta clase pertenecen la gran mayoría. Como su nombre deja ver, constan de un sólo cristal de semiconductor en donde van todos los componentes. Tienen la limitación de que sólo sirven para potencias reducidas (del orden de uno o pocos W).

Circuito 555, típico representante de fabricación en formato monolítico


3.2. De película delgada o gruesa.
Para potencias mayores que los monolíticos, también ocupan mas espacio aunque siguen siendo de tamaño mas reducido que el equivalente con componentes "discretos". Se entiende por componente "discreto" aquél "de toda la vida", es decir, componentes por separado, clásicos: resistencias, condensadores, transistores, diodos, bobinas...

 
3.3. Híbridos
Es una combinación de los dos anteriores. Los circuitos híbridos se usan también para potencias relativamente altas, como los amplificadores de audio. La conocida serie STK pertenece a esta categoría.

Circuito integrado HIBRIDO



4. Clasificación según el tipo

4.1. Según la función: Analógicos y digitales

- Analógicos: Tratan señales de tipo analógico. Por ejemplo, amplificadores, osciladores, procesadores de señal (audio, vídeo, señal de radio, datos, tensiones que equivalen a una magnitud física...).

Suelen tener una función concreta y definida, aunque a menudo tienen cierta flexibilidad en su uso según qué componentes se asocien a ellos: A sus terminales se conectan una serie de componentes externos, discretos. Según la disposición y el valor de estos componentes discretos, el integrado se comportará de una manera u otra. Ejemplo de esto son los circuitos operacionales.

- Digitales: Emulan el álgebra de boole, por lo tanto en lugar de trabajar con cualquier valor de tensión como los analógicos, funcionan mas bien con dos tensiones bien diferenciadas que simulan ser el "1" y el "0". Así, se puede establecer una correspondencia entre cada uno de estos dos valores de tensión y el álgebra de Boole:

0: Falso, no conectado, tensión cero
1: Verdadero, conectado, tensión 5 voltios

Estos integrados digitales llevan en su interior muchos transistores que simulan el 1 y el 0 según conduzcan o no.

Existen las llamadas puertas lógicas, que son la unidad básica en electrónica digital (dedicaré un capítulo a las puertas lógicas). Hay integrados que contienen varias puertas lógicas en su interior, y es el usuario quien conecta estas puertas por medio de los terminales del circuito integrado.

El siguiente dibujo es un circuito integrado "7408" que incorpora cuatro puertas "and". Emulando el Álgebra de Boole, la salida de cada puerta sólo es "verdad" si ambas entradas son verdad:

Circuito 7408, consta de cuatro puertas "AND" de dos entradas cada una.


Otro tipo de integrado digital, ya mas avanzado, son las memorias, los microprocesadores, multiplexores y demultiplexores, codificadores y decodificadores...



4.2. Según la escala de integración

Un circuito integrado, atendiendo al número de componentes que contenga en su interior, puede ser:

SSI. Short Scale Integration: Es la escala menor. Comprende hasta unos 100 transistores.

MSI. Medium Scale Integration: Hasta 1000 transistores

LSI. Large Scale Integration: Hasta 10.000 transistores, lo que permite implementar mas de 1000 puertas lógicas. Con esto ya se puede hacer un circuito que realice operaciones concretas, como un display digital, una calculadora básica, un driver...

VLSI. Very Large Scale Integration: Hasta 100.000 transistores. Esta escala de integración hizo posible la miniaturización y simplificación de la electrónica de consumo. El concepto "portátil" comienza a hacerse realidad.

ULSI. Ultra Large Scale Integration: Hasta 1.000.000 de transistores.

GLSI. Gyga Large Scale Integration: Más de 1.000.000 de transistores. Los microprocesadores con esta escala de integración son realmente potentes y son la base de los actuales ordenadores, tablets, smartphones, etc.




5. Saber lo esencial de un circuito integrado: El datasheet

Como con el resto de semiconductores (transistor, diodo, triac, tiristor) hallaremos en datasheet la información mas relevante de un circuito integrado. Lo mas importante es:

- Qué función realiza
- Orden y función de las patillas o terminales
- Configuraciones (cuando proceda, y no siempre)

Por ejemplo, tenemos a continuación la información del conocido circuito 555 en versión LM555 (National Semiconductor) en datasheet donde podemos ver dos de las doce páginas de información. Allí se describe para qué sirve este integrado, sus características principales, el orden y función de los terminales...





Internet puede ser nuestro aliado para obtener esta información. Basta con poner en un buscador el código del circuito para que aparezcan páginas con información.
6. Encapsulados. Zócalos

Como ocurre con todos los semiconductores, el verdadero componente va recubierto de una envoltura protectora que se conoce como "encapsulado", que suele ser de plástico o cerámico. Hay gran variedad de formatos y encapsulados para circuitos integrados, incluyendo el formato SMD que se usa de forma casi exclusiva para los dispositivos modernos como ordenadores y smartphones. 

Los encapsulados mas comunes son:

DIP (Dual In line Package)

Los terminales van dispuestos en dos hileras paralelas a ambos lados del integrado. El número de patillas puede variar desde un mínimo de 8 (cuatro a cada lado) hasta 64 patillas (32 a cada lado) como es el caso de los microprocesadores de algunos electrodomésticos como TV, los antiguos vídeos...

Circuito integrado DIP

Este encapsulado es de los más antiguos, se usa en integrados de baja y media escala de integración. El integrado se inserta en el circuito impreso por el lado de los componentes de la misma forma que un componente discreto, y se sueldan sus terminales por el lado de las pistas de cobre.

Para este encapsulado existe la opción de usar un zócalo de modo que no se suelda el integrado sino que se acopla a dicho zócalo, lo que hace más rápida y cómoda la operación de poner/quitar el integrado en el circuito, además de evitar el stress de la soldadura. Esto es muy útil para circuitos integrados programables ya que tienen que ser retirados del circuito para programarlos.

Zócalos para circuitos integrados DIP


SIP (Single In line Package)

También es uno de los primeros formatos de encapsulado, y al igual que el DIP, se usa en pequeña y mediana escala de integración. Constan de una sola hilera de terminales (de 4 a 24). Se fijan al circuito igual que los DIP: Por el lado de los componentes y soldando sus terminales por el lado del cobre.

Encapsulado SIP
 
Los dos encapsulados anteriores son los mas sencillos de manejar por el aficionado, pues se sueldan en un circuito como un componente más, además, la distancia entre terminales es relativamente grande, lo que hace que su soldadura/desoldadura no sea problemática. 

A continuación veremos unos cuantos formatos más de encapsulado, ya no tan fáciles de manejar, pues son SMD (montados en superficie), es decir, se sueldan directamente en el lado del cobre y sus terminales están bastante próximos, lo que hace necesaria una gran pericia para manipularlos y en ocasiones disponer de estaciones de soldadura específicas.


SOIC (Small Outline Integrated Circuit)

Recuerdan al formato DIP, pero éstos son para montaje SMD. También se les conoce como "alas de gaviota" por la forma de sus terminales.
Encapsulado SOIC

SOJ (Small Outline J-Lead)

Sus terminales recuerdan la letra "J" y de ahí su nombre. 
Este encapsulado se utiliza para hacer memorias DRAM

Encapsulado SOJ




TSOP (Thin Small Outline Package)

Se utilizaron inicialmente para hacer módulos de memoria SIMM, ahora también forman módulos de memoria DRAM. Este encapsulado tiene terminales con la forma de "ala de gaviota", como las SOIC.

Encapsulado TSOP

PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier)

Los terminales aparecen ahora por los cuatro lados del chip. El chip puede ser cuadrado o rectangular. Los terminales tienen forma de J para ahorrar espacio. Pueden tener más de 100 terminales. Existen zócalos para este tipo de encapsulado.
Encapsulado PLCC


QFP (Quad Flat Package)

Una variante del anterior, ahora los terminales vuelven a tener forma de "ala de gaviota" en lugar de forma de "J". Los hay desde unos pocos pines (terminales) hasta más de 200. Se sueldan con una pasta especial y también existe la opción del zócalo para este encapsulado.
Encapsulado QFP


PGA (Pin Grid Array)

En este encapsulado la novedad consiste en que los pines o terminales del chip van por debajo (y no a los lados), lo que reduce notablemente el espacio. Es el formato típico de los microprocesadores.
Encapsulado PGA

BGA (Ball Grid Array)

Parecido al anterior, la mejora consiste en que en lugar de terminales con forma de pin, son de forma esférica. Esto permite aumentar el número de pines sin aumentar el volumen del integrado ni disminuir mucho la distancia (ya bastante reducida) entre pines.
Encapsulado BGA


Hay muchos mas formatos de encapsulado que los aquí expuestos, y además, surgen nuevos formatos con frecuencia debido al gran avance de estas tecnologías.




7. Reconocer el orden de los terminales en un c.integrado

A la hora de hacer alguna medición en un pin concreto de un integrado, o simplemente por conocer el orden de dichos pines, vamos a ver cómo reconocer en que orden van dispuestos.

Lo más práctico y fiable es el la hoja de especificaciones o datasheet

En circuitos con:

encapsulado DIP:

Orden de los pines (terminales) en un circuito integrado DIP, SIP y SMD

En el dibujo sobre estas líneas vemos una señal en un extremo del chip (el chip mas a la izquierda). A veces esta señal es una muesca o hendidura, otras veces es un punto impreso en el encapsulado. Esta señal marca el pin número 1. A continuación, siempre en sentido contrario a las agujas del reloj, iremos contando progresivamente 2, 3, 4 hasta llegar al final de la hilera.

A continuación subimos a la otra hilera de pines y ahora numeramos de derecha a izquierda. Iremos numerando siempre en sentido contrario a las agujas del reloj. Y así hasta llegar al pin más de la izquierda.


encapsulado SIP

En el mismo dibujo anterior, el chip del centro es de tipo SIP.
Aquí es bastante intuitiva la cosa: Mirando hacia nosotros el chip por la parte que pone su código, numeramos de izquierda a derecha, empezando por la patilla "1" tal como si estuviésemos leyendo.


Tipos SMD

Para los restantes tipos de encapsulado (chip a la derecha del dibujo), suele haber una marca en una esquina que determina el pin número uno. También aquí, en sentido contrario a las agujas del reloj, iremos numerando.



8. Algunas funciones típicas de los circuitos integrados

8.1. Propósito general

No hay prácticamente función o trabajo que no pueda hacer un circuito integrado. Se diseñan para cualquier propósito. Los hay que realizan funciones básicas, tales como amplificadores, osciladores, contadores, divisores de frecuencia, comparadores, funciones lógicas, interpretación de melodías musicales; y también los hay que realizan funciones mas complejas e incluso una función completa por sí misma, como el control de una calculadora, un receptor de ondas de radio, alarmas, el control de un GPS, un mando a distancia codificado...


8.2. Memorias

Como los circuitos integrados están basados en miles o millones de componentes y uno de los componentes más fáciles de incluir es el transistor, esto lo hace candidato ideal para hacer memorias con ellos, ya que un transistor puede emular la lógica de boole que está basada en el código binario (ceros y unos) según el transistor adopte uno u otro de los dos estados que le son caracteristicos: En corte (no conduce) o en saturación (conduce).

Cada día se hacen memorias con más y más capacidad. Hace unos pocos años, los PC tenían unas pocas K de memoria. El mismo Bill Gates dijo: "Con 640 Kb de RAM se debería poder hacer cualquier cosa". Hoy, cualquier ordenador tiene varios miles de veces mas memoria RAM. Por ejemplo, dos GB (que hoy ya no es nada espectacular) son unas 3000 veces mas memoria que 640 Kb...

Y nada parece indicar que la carrera de mejora en las memorias se vaya a detener...

Módulo de memoria con ocho chips


 
8.3. Microcontroladores / Microprocesadores

Otro uso por excelencia para los circuitos integrados. De no ser por ellos no existirían los ordenadores tal y como los conocemos en la actualidad. 

Los primeros ordenadores (sin circuitos integrados) ocupaban habitaciones enteras e incluso la planta entera de un edificio, toda llena de electrónica "clásica", y con un consumo digno de una pequeña central. Así eran los primeros ordenadores, y no tenían la potencia de los actuales, ni mucho menos...

Microprocesador actual



9. Práctica con un circuito integrado: Pequeño amplificador de audio

En el vídeo del siguiente enlace, de la colección "circuitos útiles", podemos hacer un circuito práctico basándonos en un circuito integrado como componente principal.

Pequeño amplificador de sonido con circuito integrado LM386



10. Rincón de la Teoría. El EFECTO LARSEN

También conocido como Realimentación o -del inglés- "feedback".
Es un fenómeno que ocurre en la naturaleza y también puede suceder en los equipos electrónicos.

Este fenómeno ocurre cuando un hecho "A" favorece que se produzca otro hecho "B", y a su vez el hecho "B" favorece que se produzca el hecho "A", y así se establece un bucle que va en aumento hasta que algún límite impide que vaya a más.

Esto tiene especial importancia en el mundo del sonido. Todos hemos escuchado de un escenario ese potente y molesto pitido. Decimos que hay "acople", nombre con el que también se conoce este fenómeno.

Realimentación. Efecto Larsen


En el dibujo vemos cómo se produce este fenómeno:

a) Por ejemplo, la voz del cantante es captada por el micrófono

b) La señal del micrófono se envía al amplificador y actúa sobre los altavoces

c) El sonido proveniente de los altavoces actúa de nuevo sobre el micrófono, que vuelve a enviar la misma señal al amplificador y de ahí a los altavoces...

d) Y se repite el proceso en un bucle, originando ese molesto pitido cuya intensidad y frecuencia dependerá de muchos factores: Distancia entre micro y altavoces, direccionalidad del micro, curva de respuesta del equipo...


Cómo evitar el efecto Larsen:

- Usar micrófonos direccionales
- No dirigir el micrófono a los altavoces
- Situar los micrófonos lejos de los altavoces
- El micrófono, siempre detrás de los altavoces
- Si se dispone de ecualizador, atenuar la banda de frecuencia a la que se produce el acople.
- Reducir el volumen del equipo




11. El vídeo



miércoles, 4 de junio de 2014

Circuitos Útiles. 05. Fuente de laboratorio 0-30V 4A





Una herramienta imprescindible en el laboratorio o taller de electrónica es una fuente de alimentación que nos proporcione distintos voltajes con la cual podemos hacer muchos trabajos. La otra opción es utilizar pilas y/o baterías, opción que puede valer ocasionalmente para salir del paso, pero muy engorrosa (y cara) a largo plazo.

Fuentes hay de muchas clases, con más o menos prestaciones. Esta fuente que propongo no es de las más evolucionadas, pero tampoco es de las más básicas. Digamos que está a medio camino.



1. Prestaciones:

Tensión de salida regulable, en un margen de 0 a 30 voltios

Cortocircuitable: No se rompe por cortocircuitar la salida

Función de limitación de intensidad: No sólo podemos ajustar qué voltaje de salida queremos, también podemos poner un límite a la intensidad que circulará. Esto es muy útil para determinados experimentos en donde no se puede permitir que la intensidad supere cierto valor. La limitación de intensidad también nos permite ejercer la prudencia a la hora de alimentar algún dispositivo que no sabemos cómo va a reaccionar en caso de que haya alguna avería (por ejemplo, un transistor cruzado). Si sabemos que un equipo funcionando normalmente consume 0.5 amperios, pues regulamos a 0.7 amperios. Nadar y guardar la ropa...

Intensidad máxima de 4 Amperios... o un poco más.

Dos instrumentos para monitorizar la salida (Voltios y Amperios)

Una de las cualidades de los circuitos que traigo a esta sección de mi canal es que son circuitos comprobados. Internet está lleno de circuitos que van de mano en mano y nadie parece molestarse en comprobarlos. Especialmente en el capítulo "Fuentes de Alimentación" sobretodo en las más avanzadas. Pues bien: Esta fuente la he estado utilizando durante 35 años, por lo que creo que está bastante probada...



2. Diagrama de bloques



El diagrama de la imagen contiene las cuatro partes funcionales:

- Entrada, con los componentes de entrada de corriente
- Circuito: La parte mas importante, la fuente en sí.
- Sistema refrigerador de Q1
- Salida, incluyendo los dos instrumentos



3. Esquema circuito

Esquema definitivo. FUENTE DE LABORATORIO 0-30V 4A

Si algún detalle del esquema que hay sobre este párrafo no coincide con algo dicho el vídeo, se debe tomar este esquema como válido y definitivo. Algunos detalles que veréis que -a veces- no coinciden son:

- Intensidad máxima: En el vídeo digo en numerosas ocasiones que es de 3.5 amperios (debido a un error en intensidad en el polímetro amarillo). La intensidad real máxima es de poco más de 4 amperios. Casi un amperio más que lo dicho en algunas partes del vídeo.

- La resistencia R2: En el vídeo hablo de un montaje en paralelo de dos resistencias. Lo definitivo es una sola resistencia de 0,22 ohmios.

Aclarado esto, seguimos:

A la izquierda, la entrada de corriente, que puede ser a 220 ó 125 voltios.
Contiene los elementos típicos: Fusible (1 amp), interruptor y lamparita de neón. Después, dos transformadores. El principal (arriba) con un secundario de 24 voltios y un mínimo de 4 amperios. Y otro pequeño transformador con secundario de 9 voltios y mucha menos potencia, vale uno de tan solo 50 mA. Este segundo transformador se usa para crear una tensión de referencia con la cual la fuente puede estabilizar la tensión.

Inmediatamente después, el clásico puente de diodos rectificadores y un condensador de filtro para eliminar el rizado.

Arriba, en el centro, Q1, Q2 y Q3 se encargan de regular la tensión y la intensidad. Q1 es un transistor de potencia y va montado en un disipador para evacuar el calor que se genera sobretodo si se le pide mucha corriente a la fuente.

Q4 y el potenciómetro P1 que polariza su base se encargan de regular la intensidad máxima que puede circular hacia la carga. Q5 y su potenciómetro P2 por su parte sirven para regular la tensión de salida.

El potenciómetro ajustable R4 sirve para fijar la tensión máxima de salida de la fuente (30 voltios). Se ajusta al terminar de montar la fuente y no suele ser necesario tocarlo más.

R2 es muy importante: Determina la intensidad máxima que puede entregar la fuente. Cuanto más bajo sea su valor, más corriente entrega la fuente. Para obtener 2 amperios R2 debe ser de 0.47 ohmios. Si bajamos su valor a 0,22 ohmios la intensidad subirá al doble, unos 4 amperios.

Sin embargo, no podemos disminuir el valor de R2 para obtener más intensidad en la fuente, de forma "gratuita". Esa mayor intensidad pasa factura y necesitamos hacer algunos cambios para que la fuente no se rompa.

Estos cambios son tres:

1. El transformador principal, que puede ser de dos amperios para una versión de fuente de dos amperios (con R2 = 0,47 ohmios) ahora deberá ser mayor (así como su precio) para poder suministrar esos 4 amperios (con R2 = 0,22 ohmios).

2. Para una versión de fuente de 2 amperios es suficiente con la acción del disipador de Q1. Para cuatro amperios hay que forzar aire para que el disipador se enfríe. Esa tarea la hará un ventilador de 80cm x 80cm (220v) activado por un termostato fijado en el disipador de Q1. Cuando la temperatura supere los 100ºC el termostato se activa y pondrá en marcha el ventilador

3. El transistor Q2 (BD137) debe llevar ahora un disipador pequeño, pues sin él, este transistor se rompe cuando a la fuente se le piden los 4 amperios.

El único ajuste que tiene este circuito es sobre R4, que sirve para determinar la tensión máxima de salida. Procedimiento: Conectamos la fuente, accionamos P1 (potenciómetro de tensión) a máximo. Ahora regulamos R4 hasta obtener una lectura de 30 voltios.



4. Componentes

La lista de componentes:

1 Tupper de tamaño apropiado
5 Patas de goma para la base del tupper
1 Transformador 220V/24V en 4A
1 Transformador 220V/9V, con 50mA es suficiente
1 Clavija de red tipo empotrable
1 Portafusibles tipo empotrable con fusible de 1A
1 Circuito impreso de 15 x 9 cm
4 Separadores de nylon (tubitos para soporte del circuito impreso)
1 Disipador para transistores con encapsulado TO3
1 Ventilador 220V 80 x 80 cm
4 Tornillos de nylon de 30x4 mm
12 tuercas de nylon M4
1 Termostato para 100ºC
1 Amperímetro de 4A
1 Voltímetro para 30V
2 Bananas (Tanto la base como los conectores, una roja y otra negra)
1 Interruptor empotrable
1 Lamparita de neón

Para el circuito:

Q1. Transistor 2N3055
Q2. Transistor BD137
Q3. Transistor MC140
Q4 y Q5. Transistores BC167 (también vale el BC237)

D1. Diodo 1N5408
D2 a D5. Puente rectificador para 4A mínimo
D6. Diodo 1N4007
D7. Diodo zener de 8V2

C1. Condensador electrolítico 220µ/25V
C2. Idem, 2200µ/50V
C3. Idem, 47µ/50V
C4 y C5. Condensador cerámico 820 pf 63V

R1. Resistencia 470 ohm, 1/4W
R2. Resistencia vitrificada 0,22 Ohm, 10W
R3. Resistencia 1K, 1/4W
R4. Potenciómetro ajustable 3K
R5. Resistencia 82 ohm, 1/4W
R6. --
R7. --
R8. Resistencia 10K, 1/2W
R9. Resistencia 1K, 1/2W
R10. Resistencia 47 Ohm, 1/2W
R11. Resistencia 10K, 1/2W

P1. Potenciómetro Lineal 4.7K (ó 5K)
P2. Potenciómetro Lineal 220 Ohm

CN1 a CN9: 9 conectores, 3 son de 3 vías, 6 serán de dos vías.

Y además:

Tornillos, arandelas y tuercas.
Cable, para hacer las conexiones.



5. Información extra sobre los componentes

Aquí comentaré los componentes que tengan algo especial que ver.



- Transformador 220V/24V en 4A

  
Es el componente mas caro del proyecto por su importante tamaño. No podemos usar una fuente conmutada para obtener los 24V ya en continua (cosa que sopesé) pues estas fuentes dejan de entregar corriente a la más mínima que se produce un cortocircuito.

Una fuente de laboratorio debe entregar corriente en toda condición, incluso en cortocircuito.



 - Transformador 220V/9V de unos 50 mA en el secundario.



 Este pequeño transformador puede ser del tipo para circuito impreso, más cómodo que el formato aéreo (con cables). Sirve para producir la tensión de referencia. No tiene que entregar apenas potencia, por lo que es suficiente con que el secundario entregue 50 mA.







- Disipador para transistores con encapsulado TO3



Hecho en aluminio, permitirá a Q1 disipar el calor generado cuando se le pida mucha intensidad a la fuente. Ya lleva los agujeros para fijar el transistor así como los terminales del mismo. También fijaremos aquí el termostato.






- Ventilador 220V 80 x 80 cm


Para refrigerar el disipador anterior. Es de 80 x 80 cm y funciona a 220V (también habrá versión en 125V según país). Importante será comprobar en qué dirección sale el aire. No funciona todo el tiempo (sería una opción sencilla, pero ruidosa) sino activado por un termostato fijado en el disipador anterior. Dejad espacio suficiente para ubicarlo en el tupper y no cometer el error de que choque con otra cosa.

Se verá en el vídeo que el ventilador se monta alineado con el disipador y separado unos tres centímetros. La función de este ventilador es doble: Por un lado evacua el calor del interior del tupper, por otro, ese aire lo hace incidir sobre el disipador de Q1 enfriándolo a niveles seguros si el termostato detecta unas condiciones severas de funcionamiento.


- Tornillos de nylon de 30x4 mm y tuercas de M4


En ocasiones interesa unir dos cosas pero manteniendo un distinto potencial eléctrico. En otras ocasiones lo que interesa aislar es diferencia de temperatura (como este caso).

La tornilleria de nylon cumple muy bien este cometido de aislamiento eléctrico y térmico.

Se vende en tiendas de electrónica y ferreterías industriales.

Harán falta cuatro tornillos y 12 tuercas, (3 tuercas para cada tornillo). Gracias a este tornillo aislante, el disipador de Q1 no comunicará su calor al tupper, cosa que sí haría un tornillo metálico convencional, lo que con el tiempo haría deformarse al tupper.


- Termostato para 100ºC


Muy usados en cafeteras, vaporetas y dispositivos que deben detectar temperaturas de unos 90-100ºC (ebullición del agua), este termostato nos viene de maravilla para mantener a Q1 dentro de unos márgenes de temperatura seguros.

Se puede reciclar de un viejo electrodoméstico o si no, en una tienda de repuestos. No lo suelen tener en tiendas de electrónica.

Este termostato lleva una lámina de un material llamado "bimetal" que, cuando se alcanza la temperatura para la cual están hechos, se curva, y al hacerlo se activa (o se desactiva) el contacto eléctrico. Si la temperatura cae por debajo de su valor nominal -pasados unos segundos- el termostato se desactiva. Con estos ciclos de conexión-desconexión el disipador de Q1 se mantiene a temperaturas razonables.

Este termostato no actúa (o actúa muy de vez en cuando) si la intensidad que se está pidiendo a la fuente es menor de 3A.


- Voltímetro y Amperímetro 



Para monitorizar el funcionamiento de la fuente y el dispositivo que conectemos a ella. Se podrían haber usado displays digitales, de hecho, son un poco más baratos, pero quería mantener la sencillez en esta fuente. 

Y estos instrumentos analógicos son muy precisos y fiables con el paso del tiempo.

No es necesario calibrarlos ni hacer ningún circuito especial. Simplemente se conectan en la salida de la fuente y muestran fielmente las distintas magnitudes. El voltímetro se conectará en paralelo, mientras que el amperímetro irá en serie, por ejemplo, en el polo positivo. Hay que respetar la polaridad. Si nos equivocamos, la aguja intentará marcar "al revés", se desplazará hacia la izquierda topando con el principio de la escala, aunque este error no los romperá.

En el vídeo veremos un truco para poder utilizar un amperimetro de 2A para medir 4A. Se trata de conectar en paralelo con el amperímetro una resistencia (conocida como "shunt") de un valor muy preciso, y modificar la escala impresa del instrumento con tipp-ex y rotulador.



- Conectores o clavijas de conexión



Estos conectores o clavijas de conexión permiten conectar rápidamente dispositivos de dos o más vías. Usaremos nueve. En la foto, tres clavijas de dos vías. En el circuito impreso he rotulado para qué es cada una. De izda a derecha: salida, amperímetro y voltímetro.

También he rotulado la polaridad de cada clavija de conexión. 






7. Montaje

Lo mejor es ver el vídeo, aquí pondré un "guión" de montaje:

- Tener todos los materiales a mano.

- Hacer los agujeros en el tupper (o caja) para poner todos dispositivos:

Tapa inferior:
  Patitas de goma
  Transformador
  Circuito impreso

Delante:
  Interruptor general
  Piloto neón
  Voltímetro
  Amperímetro
  Potenciómetros de tensión e intensidad
  Bananas de salida de corriente

Detrás:
  Clavija red
  Portafusibles
  Ventilador
  Disipador

- Poner esos dispositivos aunque sea momentáneamente para comprobar que quedan bien y no interfieren entre ellos.

- Montar el circuito impreso. 
    Primero, situar los componentes
    Segundo, soldar sus terminales
    Tercero, conectarlos entre sí.

Circuito terminado, con los 9 conectores numerados de CN1 a CN9

Sobre estas líneas, una foto con el circuito terminado. Hay nueve conectores numerados de CN1 a CN9. Se detallan a continuación:

CN1: Al secundario (24V) del transformador principal. No hay polaridad
CN2: Al primario del transformador principal. Con este conector llevaremos esos 220V al pequeño transformador T2 que está en el circuito impreso. También desde este conector llevaremos 220V al conector CN3 que dará servicio al conjunto termostato-ventilador que están conectados en serie.
CN3: Ver CN2
CN4: A emisor, base y colector de Q1.
CN5: Al potenciómetro de tensión (P1)
CN6: Al potenciómetro de intensidad (P2)
CN7: Al voltímetro
CN8: Al amperímetro
CN9: Salida de la fuente.


- Recomiendo desmontar las cosas que pusimos en el tupper y hacer una prueba de la fuente. Corregir cualquier error o problema

- Volver a montar las cosas en el tupper

- Ir conectando las cosas entre sí.

- Tapar la fuente. Ya está terminada.



8. Prueba y uso

Con esta fuente te olvidarás de problemas y averías. Es cortocircuitable. Pero no al estilo de las conmutadas, que CORTAN la corriente. Esta fuente aguanta entregando la corriente que hayas fijado con el potenciometro limitador de intensidad, sin romperse.

Algunos usos típicos:

Reparación: No necesitas pilas ni baterías para hacer funcionar los equipos. Puedes monitorizar el consumo del equipo con el amperímetro de la fuente. La función de limitación de intensidad te permite evitar que circule una corriente excesiva si algo anda mal.

Diseño de circuitos: Puedes obtener las tensiones de alimentación desde esta fuente.

Prueba de dispositivos, en general: Motores, lámparas, componentes electrónicos,...

Cargador de baterías: Puedes cargar baterías de muy distintos voltajes simplemente seleccionando la tensión correcta. La función de limitación de intensidad viene muy bien aquí, pues nosotros (y no la propia batería) seremos quienes decidimos a qué intensidad se carga la batería



9. El vídeo



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domingo, 4 de mayo de 2014

Tutorial de Electrónica Básica. 09. Los reguladores de tensión




Función de un regulador de tensión.

Una fuente de alimentación clásica y sencilla como la del siguiente esquema proporciona una tensión determinada. Por ejemplo, 12 voltios. Se utiliza un transformador de 9V porque, al rectificarla, se eleva en un factor de "raíz de dos", es decir, aproximadamente 1,41. Con lo cual esos 9V suben hasta poco más de 12.





Pero son 12 voltios... en vacío. Cuando se conecta una carga a esa fuente la tensión "cae", disminuye. Y tanto más cuanto más consumo tenga esa carga.

Esto puede no tener importancia en algunas situaciones, por ejemplo si vamos a alimentar una luz, un motor en según que aplicaciones, etc. Pero si necesitamos alimentar un circuito electrónico que necesite una tensión estable para que dicho circuito funcione también de forma estable, necesitaremos que la tensión sea constante independientemente del consumo.

Cuando una fuente tiene esta característica de entregar una tensión constante se dice que es una fuente "estabilizada".

Esta función de estabilización se confiaba a una serie de componentes que se añadían a la fuente (haciéndola mas compleja), tales como diodos zener, resistencias, condensadores...

Hoy, esto es posible sin necesidad de recurrir a cálculos ni a diseñar circuitos: Basta con añadir uno de los reguladores de tensión que veremos en este capítulo para conseguir tanto regulación como estabilización.

Lo anterior, por supuesto, sin salirse de unos limites: Si sometemos a una fuente a un consumo excesivo (cortocircuito) la estabilización deja de actuar y en su lugar debería entrar en funcionamiento un sistema de protección contra cortocircuito... en caso de que la fuente tenga tal sistema de protección. En caso contrario, la fuente simplemente aguanta, o se rompe.



La familia 78xx y 79xx

Con estos componentes la función de estabilización está ahora muy simplificada. Tienen tres terminales:

1. La entrada de la tensión que vamos a regular
2. Un terminal común para la entrada y la salida
3. La salida con la tensión ya regulada y estabilizada.




La familia de componentes 78xx y 79xx son reguladores estabilizadores que, con sólo tres terminales, hacen todo el trabajo. Realmente son circuitos integrados, pues en su interior está implementado un verdadero circuito.

El código 78xx y 79xx nos dice dos datos primordiales acerca de este circuito:

la serie 78 es para reguladores de tensión positiva (los más comunes)
la serie 79 es para reguladores de tensión negativa.

Los 78xx son los más usados, para fuentes sencillas, o no tan sencillas, pero que siempre usan tensiones positivas respecto de un "cero", "negativo" o "masa".

Los segundos (79xx) se utilizan para regular tensiones negativas. Por ejemplo, en el caso de una fuente simétrica: Hay una tensión positiva, un cero y una tensión negativa. Pues bien, para la tensión positiva usaríamos un 78xx, mientras que para la tensión negativa habría que usar un 79xx.

Lo podemos ver en este ejemplo de fuente simétrica:

Fuente de alimentación simétrica.
78xx para el positivo, 79xx para el negativo













Voltajes disponibles

Las dos "xx" del código del regulador nos dicen qué tensión nos proporciona ese regulador. Los hay para distintas tensiones normalizadas que cubren un buen rango. Estos valores son los siguientes:

Tensión salida Voltios    Regulador positivo         Regulador negativo
5                                        7805                           7905
6                                        7806                           7906
8                                        7808                           7908
9                                        7809                           7909
10                                      7810                           7910
12                                      7812                           7912
15                                      7815                           7915
18                                      7818                           7918     
24                                      7824                           7924

Al parecer, hay catálogos o fabricantes que hablan de reguladores para 3.3 voltios (7833) y para 27 voltios (7827) pero yo no los he encontrado en ninguna tienda. Lo habitual son los valores de la tabla anterior.

En el siguiente dibujo vemos como se usan estos reguladores:

Fuente clásica con un 7812 a la salida.











NOTA IMPORTANTE: Para que estos circuitos funcionen correctamente, la tensión a la entrada deberá ser -como mínimo- igual o superior a la tensión de salida + 2 voltios. Por ejemplo, si vamos a usar un 7805 debemos poner en su terminal de entrada al menos 7 voltios. Si vamos a usar un 7812, la entrada debería ser al menos de 14 voltios.

Lo mismo para los reguladores 79xx negativos.

En el código de estos reguladores pueden aparecer letras al principio: Son relativas al fabricante o a series determinadas.




Prestaciones

Estos dos enlaces nos llevan a las dos primeras páginas de las especificaciones de un 78xx

Características de un 78xx. Página 1 
Características de un 79xx. Página 2


Sobre las tensiones que pueden ofrecer estos reguladores ya vimos en el punto anterior las distintas opciones, desde 5 hasta 24 voltios.

En cuanto a la intensidad máxima que soporta la familia 78xx, como mínimo tenemos asegurado 1 amperio.

Los 78Sxx funcionan de la misma manera, pero la "S" en su código nos dice que aguantan hasta 2 amperios.

Los 78Txx con una "T" en su código nos dice que aguantan hasta 3 amperios

Es aconsejable dotar a los 78xx de un disipador térmico, especialmente si lo vamos a hacer trabajar en la mitad superior de su corriente máxima. Por ejemplo, para un 78xx que aguanta 1 amperio, si la corriente va a ser mayor de 500 mA deberíamos poner un disipador.

Para los 78Sxx y los 78Txx siempre deberíamos usar un disipador.

Regulador con disipador, que evita la rotura al disipar el calor generado























Como podemos ver en el datasheet, lamentablemente, no podemos aplicar cualquier tensión a la entrada de un regulador para obtener la deseada. El valor límite a la entrada de un 78xx es de 35 voltios excepto para el 7824 que es de 40 voltios. Por encima de esa tensión corremos el riesgo de romperlo. No hay que olvidar el detalle importante de que la tensión de entrada será -como mínimo- superior en dos voltios al voltaje de salida.




Aplicaciones, ejemplo práctico

Tienen muchas aplicaciones, y gracias a la variedad de tensiones disponibles son elementos muy a tener en cuenta. Hay varias tensiones que son muy interesantes por el gran uso que se hace de ellas.

1) Podemos utilizar un 7805 para cargar un móvil, ya que un teléfono móvil se carga a esta tensión.

2) Con un 7812 podemos recrear la tensión que ofrece una batería



Comprobar un regulador

En todos los capítulos en que se habla de un componente dedico un apartado para comprobar o medir dicho componente con el fin de saber si está en buen estado.

Lo mejor para estar seguros de que un regulador está bien es hacerlo trabajar en las condiciones propias. Aplicaremos a su terminal de entrada una tensión dos o tres voltios por encima de la del regulador (pero menor de 35 voltios). El negativo lo conectamos a su terminal 2 común. Y mediremos entre el terminal 2 y el terminal 3 la tensión, que deberá ser la correspondiente a ese regulador. Mejor aún si ponemos una carga adecuada a ese voltaje, sin excedernos en el consumo, claro está.

Si resulta ser un 79xx procederemos igual pero teniendo en cuenta que trabaja con tensiones negativas: Conectamos el cero o positivo a su terminal 2 común. El negativo a regular lo conectaremos a su terminal 1 de entrada. Aquí hay que observar la misma regla que en el caso de un regulador positivo: Esa tensión de entrada será -como mínimo- dos o tres voltios mas negativa que la tensión correspondiente del regulador. Si por ejemplo es un 7909, la tensión será de -11 voltios minimo (respecto del terminal común 2). A la salida en el terminal 3 deberíamos tener 9 voltios negativos respecto del terminal 2.

En el minuto 06:12 del vídeo se muestra como trabaja un 7805. En realidad esto sería también una forma de comprobar que dicho 7805 está bien.



Reguladores ajustables: El LM317 (+) y LM337 (-)

Los reguladores vistos hasta ahora eran fijos, es decir, ofrecen una tensión determinada. 

El LM317 nos permite obtener una tensión regulada variable (acoplándole un potenciómetro) en un rango entre 1.2 y 37 voltios, con una intensidad máxima de 1.5 amperios. El circuito es el siguiente:


Regulador variable: LM317 (positivo) y LM337 (negativo)





















En el datasheet podéis ver otras características interesantes de este circuito.

También hay una versión de este circuito para tensiones negativas: El LM337 (abajo en el dibujo anterior).



Rincón de la Teoría
El efecto DOPPLER.

Lo que se oye en el 13:27 del vídeo es un ejemplo del efecto doppler. Cuando el vehículo se aproxima, el claxon suena más agudo. Cuando se aleja, suena mas grave. Pero eso sólo lo percibe el observador inmóvil. El conductor que va en el vehículo oye el claxon con una frecuencia fija.

¿Que está sucediendo?

Cuando un objeto que emite un sonido está en movimiento, ¿La velocidad del objeto y del sonido, se suman?

La respuesta es: No.

La velocidad del sonido es constante para un medio dado. Lo que ocurre con los objetos en movimiento (respecto del observador) es que cuando el objeto se aproxima, las ondas de sonido se comprimen, es decir, al observador llegan mas ondas por unidad de tiempo, lo que equivale a que la frecuencia es mayor. Cuando el objeto se aleja respecto del observador, llegan menos ondas por unidad de tiempo al observador, las ondas se expanden, lo que equivale a que la frecuencia será menor.

Y esto es proporcional a la velocidad del objeto que se mueve, hasta el punto que esta variación de frecuencia puede servirnos para deducir la velocidad del objeto.

He puesto el ejemplo del sonido, pero el efecto doppler se da en cualquier fenómeno oscilatorio que se propague en forma de onda, por ejemplo, las radiaciones electromagnéticas, incluyendo la luz. Cuando un objeto se aproxima hacia nosotros, su luz "corre" hacia el azul (frecuencia mayor), mientras que si ese objeto se aleja de nosotros, su luz "corre" hacia el rojo. Esto, a velocidades reales no se percibe a simple vista, pero sí con instrumentos de medida muy precisos.

Este efecto doppler es usado en Astronomía, y de hecho fue el que puso en guardia a los astrónomos acerca de un curioso fenómeno estelar: Todas las galaxias ofrecen un efecto doppler de corrimiento hacia el rojo. Es decir, se alejan de nosotros. Pero sería muy pretencioso pensar que nuestro planeta es un punto privilegiado o especial en el cosmos. Enseguida se dieron cuenta: No es que todo se aleje de nosotros, sino que todo se aleja de todo. Es como si dibujamos puntos en un globo desinflado y a continuación lo inflamos. No hay ningún punto especial, pero todos creen ser especiales porque ven como los demás puntos se alejan de ellos.

Como en una explosión.

Y de ahí, a la Teoría del Big Bang: Si todo se aleja de todo en el Universo, ¿Qué pasa si rebobinamos atrás en el tiempo?: Pues que todo se acerca a todo. Es decir, toda la materia del universo estuvo reunida en un punto minúsculo antes de suceder "la gran explosión" o Big Bang que dio origen al universo conocido.

Dejando de lado la veracidad o no de esta teoría (que está mas que aceptada y comprobada por la comunidad científica), este efecto Doppler puede explotarse también en la vida cotidiana.

Una de las aplicaciones mas conocidas probablemente no sea muy popular: Es el famoso "radar" de tráfico que permite saber a qué velocidad circulas. Se basa en ondas de radar que inciden sobre el vehículo a medir. El vehículo hace rebotar esas ondas, pero le imprimen un cambio (efecto doppler) según la velocidad de ese vehículo. Cuando esas ondas vuelven al emisor, el cambio de frecuencia es analizado por medio de ecuaciones matemáticas implementadas en el circuito de ese radar, y la velocidad es obtenida de forma bastante fiable... siempre y cuando los equipos se utilicen bien y estén en perfecto estado.




El vídeo:




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