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Capítulo 2: Electrónica Básica - Componentes de Electrónica – 2001 Autor: ING: Jorge J: Ferrero Bajado de www.profesormolina.com.ar

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CAPITULO 2 ELECTRÓNICA BÁSICA: (Conceptos preliminares para usar la computadora sin riesgos) Herramientas, accesorios e instrumental. Componentes de Electrónica. Diodos, Transistores, Circuitos Integrados. Como se usan estos componentes para conectar la computadora al mundo exterior. Actividades propuestas para el taller.

OBJETIVOS: Al completar este tema usted podrá: Comprender los conceptos de tensión, corriente y resistencia.

Aplicar la Ley de Ohm para cálculos sencillos.

Identificar y utilizar las herramientas fundamentales de un

Laboratorio Didáctico de Electrónica.

Utilizar diodos, leds, transistores y optoacopladores.

Construir fuentes estabilizadas de corriente continua.

Construir dispositivos sencillos para detectar señales digitales

provenientes de la computadora.

Construir dispositivos sencillos para introducir señales digitales en

la computadora.


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Electrónica Básica - Componentes de Electrónica Antes que nos imaginemos que desde un principio “que esto es demasiado compli-cado”, diremos que los conceptos de electrónica necesarios para la comprensión de nuestro curso son muy simples; es más, en su mayoría se trata de temas de física o matemáticas. He considerado conveniente incluir en este capítulo todos aquellos conceptos que nos serán útiles a lo largo del curso, partiendo prácticamente desde cero. Sepan disculpar aquellos que ya tienen una formación al respecto, y no dejen de revisar todo el apunte del tema para asegurarse que en realidad conocen todos los puntos aquí tratados. Conceptos de tensión (voltaje), corriente y resistencia. Ley de Ohm Como no podía ser de otra manera, toda la electrónica pasa por los conceptos sencillos de tensión, corriente y resistencia. Recordemos que la tensión, o diferencia de potencial entre bornes de la fuente, es lo que impulsa la circulación de electrones a través de un conductor, en un circuito cerrado. Este movimiento de electrones tiene una estrecha relación con la corriente que circulará por el conductor, a la que se opone, a su vez, la resistencia del mismo. Es muy conveniente, para comprender estos conceptos, pensar en el símil hidráu-lico del tanque de agua elevado cuya presión hace circular el agua por las cañerías de una casa, en el cual la altura del tanque (a mayor altura, mayor presión de agua) equivale a la tensión de nuestra fuente; el caudal de agua equivale a intensidad de la corriente que circula, y las pérdidas de carga de la cañería equivalen a la resistencia eléctrica que limita el pasaje de la corriente. Estos tres parámetros se relacionan entre sí mediante la conocida Ley de Ohm, que dice que la tensión V es igual al producto de la corriente I por la resistencia R:

Dado que en muchas oportunidades deberemos hacer cálculos que involucren estos parámetros, es interesante recordar este triángulo mnemotécnico, que nos da cual-quiera de los tres parámetros en función de los otros dos.

Los circuitos típicos a resolver serán del tipo:

Notar que ambos circuitos son idénticos, y aunque estamos más habituados al de la derecha, en Electrónica usaremos principalmente el de la izquierda. Notar igual-mente que en la figura de la izquierda queda definido el sentido de circulación de la corriente, por el potencial “+5V” indicado, que en la figura de la derecha queda definido por el símbolo de la batería. Nosotros vamos a usar el de la izquierda, como dijimos, porque por un lado tiene menos líneas que dibujar, pero lo más

V = I×R

I RI

R = V/I

V

R

VI

RVI = V/R

R=10 Ohm

V =5 Volts I

V=+5 Volt

R=10 Ohm

Tierra = 0 Volt

I


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importante es porque queda perfectamente definido el potencial positivo, y además el potencial cero, o masa, o tierra, que es muy importante en Electrónica.

En algunos casos deberemos averiguar la corriente, como en las figuras anteriores, en otros la resistencia, (conocida la corriente) pero siempre utilizaremos la Ley de Ohm. Es de destacar que estos circuitos son de corriente continua (es decir, constante en función del tiempo), tal como la que produce una batería de automóvil, una pila de linterna o una fuente de corriente continua como la que carga el teléfono celular. Con relación a las resistencias, se pueden presentar algunas situaciones de cálculo para las que será muy útil el siguiente cuadro: Finalmente, es interesante hacer algunos comentarios referentes a los aspectos constructivos de las resistencias: Básicamente hay dos tipos de resistencias: las resistencias fijas y las resistencias variables. Las resistencias se miden en ohms, kilohms o megohms, y este valor es su característica más importante, pero también son importantes su disipación, que se expresa en wats y determina la máxima corriente que puede circular por la resistencia, y la tolerancia, que es un porcentaje que indica el máximo error relativo que esa resistencia puede tener en su valor. Las resistencias fijas que más se usan, son las de película de carbón, por ser las más baratas aunque tienen tolerancias más altas. Su tamaño depende de la disipación, según se observa en la siguiente figura:

Divisor de Tensión

Conexiónparalelo

Resistencias en serie Resistencias Variables

Conexión serie

Resistencias en paralelo


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Las tolerancias pueden ser en estas resistencias de ± 20, ± 10, ± 5 % o 1 %. Los valores de las resistencias se codifican con colores, según se muestra en la siguiente figura:

En la figura anterior, si los colores de izquierda a derecha son marrón, negro, naranja, oro, su valor se debe leer como 10 x 103 = 10.000 Ohm ó 10 kΩ, con una tolerancia de ± 5 %. Instrumental y accesorios de un pequeño laboratorio de electrónica: Deseo poner mucho énfasis en la importancia que tiene, para el proceso enseñanza-aprendizaje, experimentar cada uno de los puntos que hayamos estudiado en teoría. No hay otro camino para aprender, ya sea electrónica, informática (hardware) o programación (software). En una primera instancia nos puede parecer que armar nuestras propias experien-cias de laboratorio es algo muy complejo y peor aún, muy caro. Nada más errado que esto. Los elementos mínimos que se necesitan para sacar muy buen provecho de este curso son muy baratos, y en su mayoría son elementos reutilizables que nos quedan para experiencias posteriores. Los elementos de consumos (resistencias, led´s, etc), son todavía más económicos. A continuación damos un listado de elementos mínimos para integrar nuestro pequeño laboratorio. Los indicados en los puntos 6 y 7 no son en realidad impres-cindibles, pero se dan por si deseamos armar un laboratorio en nuestro colegio.

Disipación Diámetro (mm) Largo (mm) 1 /8 W 2 3 ¼ W 2 6 ½ W 3 9

Tolerancia Multiplicador Segundo Valor Primer Valor

TABLA DE COLORES Color Valor Multiplicador Negro 0 1

Marrón 1 10 Rojo 2 100

Naranja 3 1.000 Amarillo 4 10.000

Verde 5 100.000 Azul 6 1.000.000

Violeta 7 10.000.000 Gris 8 100.000.000

Blanco 9 1.000.000.000

Tolerancias: Sin color: ± 20 % Color Plata ± 10 % Color Oro ± 5 %


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Elementos que componen el laboratorio mínimo: En cuanto a herramientas, pueden utilizarse herramientas económicas, del tipo de las que se venden en las importadoras, pero tener cuidado pues, por el mismo precio, hay calidades muy diferentes. Se recomienda adquirir:

3) Juego de destornilladores: Es necesario un par de pequeños de pequeños destor-nilladores, uno de punta plana y otro de punta philips (en cruz). El juego de destornilladores cuesta entre $ 2 y $ 5.

4) Otro elemento muy útil es el "experimentador" o "breadboard", pues permite armar y probar circuitos de relativa complejidad sin necesidad de hacer soldaduras.

5) Una pequeña fuente de corriente continua. Inicialmente se recomienda una batería de 9 V (son las prismáticas, con los bornes + y - en el mismo extremo), adquiriendo además el correspondiente conector para poderla conectar al experimentador del punto anterior. Con respecto a esta fuente, al comenzar a trabajar con el puerto paralelo, se requiere en realidad una de 5 V. Para esto tenemos tres alternativas: a) Usar la misma batería con un regulador 7805 (elemento que lleva a 5 V los 9 de la batería) montado sobre el experimentador. Se indica la

1) Pinza de punta (recta o doblada): En la primera figura de la derecha se muestra una pinza de punta recta. Permite trabajar y manipular los pequeños componentes electró-nicos. Hay de varios tamaños; conviene utilizar una de tamaño pequeño (como la palma de la mano).

2) Alicate: Puede verse en la segunda figura de la derecha.

Se utiliza para cortar alambre de cobre, y si tiene una hendidura en sus filos (conveniente), sirve para pelar cables delgados. Localmente se consigue un juego de cuatro (alicate, punta recta, punta doblada y punta plana) por $ 8.- y es de calidad bastante aceptable.

El experimentador es un tablero de plástico con una serie de agujeros conectados eléctricamente entre sí. Insertando los componentes en los agujeros, y teniendo en cuenta cómo están estos conectados, se puede armar el circuito que uno desee. En las figuras de la derecha se observa el aspecto y la construcción de este dispositivo. Los que se consiguen localmente en el mercado tienen por lo general dos líneas longitudinales, (en x y en y) en lugar de una sola co-mo se muestra en las figuras. En la figura superior se observa el experimentador con sus agujeros, y en la inferior las uniones eléctricas. Costo: $ 7 a $ 9.-


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forma de construirla en la actividad Nº 3 del capítulo 2 (costo: inferior a $ 1); b) Usar la fuente de la computadora, para lo cual es necesario instalar un fusible y dos bornes en la parte posterior de la PC para poder hacer las conexiones. Se indica la forma de construirla en la actividad Nº 2 del capítulo 4. (Costo: inferior a $ 3, más un poco de trabajo personal); c) Construir una fuente regulada alimentada desde la red mediante un transformador. Requiere un poco más de trabajo, y en particular trabajar con soldaduras de estaño, que puede representar alguna dificultad para quien nunca trabajó con soldaduras (pero buena oportunidad para comenzar!) Costo: inferior a los $ 12.-

6) Multímetros o testers: Hay en la actualidad en el mercado una gran oferta de multímetros, con precios desde $ 5 hasta $ 500 y más. Los multímetros eran todos analó-gicos, o "de agu-ja" hasta hace u-nos 15/20 años, que comenzaron a salir los digitales, con principios de medición completa-mente electrónicos. Hoy en día si bien todavía se consiguen los analógicos, lo más sensato es adquirir uno digital, por su mayor precisión, comodidad de lec-tura, robustez, etc. El aspecto exterior de ambos multímetros es el que se observa en las figuras precedentes.

Parámetro medido Parámetro medido Item Rango

Rango de medición Item Rango

Rango de medición

200mV 100µV a 200mV 20V 10mV a 20V 2V 1mV a 2V 200V 100mV a 200V

20V 10mV a 20V

Tensión Alterna (AC-V) 750V 1V a 750V

200V 100mV a 200V 200mA 100µA a 200mA

Tensión Continua (DC-V)

1000V 1V a 1000V

Corriente Alterna (AC-A) 20A 10mA a 20ª

20µA 10nA a 20µA 2000pF 1pF a 2000pF 20mA 10µA a 20mA 20nF 10pF a 20nF

200mA 100µA a 200mA 200nF 100pF a 200nF

Corriente Continua (DC-A)

20A 10mA a 20A 2µF 1nF a 2µF 200-ohm 0.1-ohm a 200-ohm

Capacitancia

20µF 10nF a 20µF 2k-ohm 1-ohm a 2k-ohm 2KHz 1Hz a 2KHz

20k-ohm 10-ohm a 20k-ohm Frecuencia

20KHZ 10Hz a 20KHz 200k-ohm 200-ohm a 200k-ohm Temperatura -50°C a +1000°C

2M-ohm 1k-ohm a 2M-ohm hFE Mide el hFE del the transistor.

20M-ohm 10k-ohm a 20M-ohm Diodos Mide la caída de tensión en conducción directa.

Resistencia

200M-ohm

100k-ohm a 200M-ohm Logica Muestra un "alto" o un "bajo".

En la tabla anterior se han incluido todas las funciones de un tester digital muy completo. En general los de calidad intermedia, tanto analógicos como digitales, miden solamente tensión continua y alterna, corriente continua y resistencia, y tal vez con menores rangos de medición, pero estos parámetros son suficientes para un pequeño laboratorio de electrónica. Tal vez en una primera etapa conviene comprar un tester digital de $ 5 (Se vende en super-


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mercados), pero debemos estar conscientes que adquirimos un producto de baja calidad, con los riegos consabidos. Aún así, para nuestro curso es suficiente.

7) Soldadores para estaño y soporte para soldador: (No imprescindible para el curso) Uno de los mayores dolores de cabeza para los debutantes de la

electrónica, lo constituye la soldadura de estaño de los componentes a su tarjeta de soporte o circuito impreso. No se darán detalles en este punto sobre las técnicas para soldar, sino sólo los detalles de la herramienta utilizada. El soldador recomendado debe tener entre 25 y 40 W de potencia calorífica, y su punta idealmente debe ser "cerámica" no de cobre. También es recomendable disponer de un soporte para el soldador, que evita muchos accidentes y además posee una esponja esencial para mantener limpia la punta. El soldador de punta cerámica mediana, más el soporte de soldador cuesta en el orden de los $ 12.-

Nota: Precios en Pesos o Dólar al Público al mes de Junio del 2001. Componentes de electrónica básica que se utilizarán durante el curso Hemos visto ya las resistencias, cuando hablamos de la Ley de Ohm. Debemos ver además algunos pocos componentes adicionales, que son los que utilizaremos en los circuitos con que experimentaremos. Diodos y Leds Un diodo es para la corriente como una calle de una mano única es para los automóviles. Actúa como conductor de la corriente cuando se conecta el polo + de la batería a su ánodo y el polo - a su cátodo, pero actúa como un aislante cuando estas conexiones se invierten. El diodo es el elemento más simple del grupo de los semiconductores, al igual que los diodos LED; dentro de este grupo es más complejo el transistor, y mucho más sofisticados, son los circuitos integrados.

a) Con esta polarización el diodo D1 no conduce y la corriente que circula por el circuito es I = 0

b) Con esta polarización el diodo D2 conduce, y la corriente I debe ser limitada por la resistencia R1, de manera que I1 = 5 / R1

I1

c) Cuando se aplica al circuito una tensión de corriente alterna (AC), el diodo conduce sólo en el semi-ciclo en que el ánodo queda polari-zado positivamente, y en este caso, la corriente debe igualmente ser limitada por la resistencia R2


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Aspectos constructivos y simbología del diodo: El diodo más común tiene un tamaño similar al de una resistencia de ½ Watt con un alambre en cada extremo para hacer las conexiones, tal como se observa en la parte central de la figura anterior. Los diodos por lo general vienen identificados por números, precedidos de "1N". Por ejemplo, un tipo de diodo muy común es el 1N4148, que tiene encapsulado plástico y puede conducir corrientes del orden de 1 A. Cuando los diodos soportan corrientes mayores, vienen encapsulados en metal, y pueden conducir corrientes de hasta algunas decenas de amperes. Notar que, para el encapsulado plástico, el cátodo es identificado por una raya o franja de color generalmente plateado, colocada próxima a él. Algunos diodos tienen impresa una flecha similar a la indicada en la parte b de la figura anterior, que determina igualmente en forma inequívoca cual es el cátodo y cual el ánodo. Diodos LED. Detección de salidas digitales del puerto paralelo Existe un tipo particular de diodos, que se ilumina cuando la corriente pasa por él, que recibe el nombre de diodo LED (Light Emitting Diode). Su forma es diferente, ya que en un extremo tiene forma de burbuja, a los efectos de que el mismo encapsulado sirva de lente sencillo para amplificar la luz que emite. En tal encap-sulado, que es el más común, el cátodo es el alambre más corto, que a su vez se co-rresponde con un corte o chanfle en la base circular del LED. Por otra parte, el ánodo corresponde al alambre de conexión más largo. El brillo del LED es proporcional a la intensidad de la corriente que pasa por él, pero una corriente excesiva obviamente lo puede dañar, por lo que cualquier circuito que lleve LEDs, debe llevar resistencias para limitar la corriente que circulará por él. En este punto nos vamos a detener por su importancia, dado que con mucha frecuencia usaremos LEDs para determinar si una cierta línea digital se encuentra en 1 o en 0. El LED puede utilizarse, como acabamos de mencionar, para detectar el estado lógico de una determinado pin o línea de salida del puerto paralelo de la PC. Aunque todavía no sabemos qué es "una línea de salida del puerto paralelo", lo tomemos como que es un punto de conexión que puede tener un potencial de 5 V (como el borne positivo de una fuente) cuando hay un 1 lógico, o de 0 V cuando en él hay un 0 lógico. Además, esta suerte de fuente o batería de 5 V, puede entregar una corriente máxima de 0,001 A = 1 mA (este valor es conservador; algunos autores admiten hasta 7 mA). Para complicar un poco más esta parte, diremos que la misma línea de salida, cuando está en un 0 lógico, puede recibir hasta una


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corriente máxima de 0,01 A = 10 mA (este valor es conservador; algunos autores admiten hasta 15 mA). Veamos en la figura de que se trata todo esto: Notemos que en ambas figuras el LED enciende, por cuanto tiene aplicado un potencial positivo a su ánodo y negativo a su cátodo. Sin embargo, en la figura de la izquierda, la fuente es el puerto paralelo, y éste no puede entregar más de 1 mA, que obviamente debe ser limitado por R1. En la figura de la derecha, la fuente es externa al puerto paralelo, y en este caso, el puerto recibe una corriente desde afuera, que aquí puede llegar hasta 10 mA, que también debe ser limitada por R1. Ahora bien, cuando por un LED circula 1 mA, prácticamente no se nota su luminiscencia, ya que para él ésta en una corriente muy baja. Consecuentemente, para encender un LED con un 1 lógico, es necesario amplificar la salida mediante un transistor como se verá más adelante. En la segunda figura, con 10 mA, se nota perfectamente la luminiscencia del LED encendido, de manera que en las primeras pruebas usaremos esta disposición para detectar las salidas lógicas del puerto, por ser más sencillo su conexionado (solo una resistencia y un LED). Claro que de esta forma deberemos tener presente que si el LED está apagado hay un 1 lógico y viceversa. Finalmente, veamos cómo se calcula R1. Por supuesto, se usa la Ley de Ohm, de la misma forma que hicimos en la parte b) de la figura de la página 8, pero con una pequeña diferencia: en aquel caso, hemos despreciado la caída de potencial que se produce en el diodo, pues en los diodos comunes, está por debajo de los 0,7 V (aunque en rigor debió ser considerada). En los diodos LED esta caída de potencial ronda los 1,6 V, la que debe ser considerada de esta forma:

Observar en la figura que la caída de potencial en el LED tiene sentido opuesto al de la fuente, por lo que la ILED será: ILED = (5 - VLED) / R1 Como usaremos el esquema en que el puer-to recibe corriente, ILED será de 0,01 A, y como VLED = 1,6 V, entonces R1 será: R1 = 340 Ohm Adoptaremos resistencias de 330 Ohm, que es el valor que se obtiene comercialmente.

Transistores

del puerto paralelo

al puerto paralelo

Con un 1 lógico seilumina el LED (I max = 1 mA)

Con un 0 lógico se ilumina el LED (I max = 10 mA)

(LED)

ILED

- +


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El transistor es un dispositivo semiconductor que permite que una corriente peque-ña controle una gran corriente. Esto hace al transistor una herramienta muy útil para amplificar señales débiles, o para controlar el encendido y/o apagado de dis-positivos que consumen mucha corriente y que por este motivo no pueden ser conectados en forma directa al elemento de control.

En la figura de la izquierda vemos los símbolos esquemáticos de los dos tipos de transistores más comunes, el NPN y el PNP. Como vemos, tienen tres "patitas" o alambres para el conexionado, que reciben el nombre de colector, base y emisor. La

corriente de control (la más débil), circula a través la base y el emisor, mientras que la corriente controlada (la más importante) circula a través del colector y emisor. Hay muchos tipos de transistores y para aplicaciones de lo más variadas, pero los más comunes son los denominados de tipo bipolar, y corresponden a los esquemas dados en la figura. La "CARGA" indicada en las figuras puede ser el LED referido anteriormente. En la figura de la izquierda tenemos concretamente el ejemplo en el modo en que el puerto paralelo entrega corriente, controlando un LED, para que éste encienda con un 1 lógico consumiendo no más de 1 mA del puerto paralelo. Por supuesto, deberemos colocar además una resistencia en serie con la carga (no indicada en la figura) para que limite la corriente del LED a no más de 20 mA (de esta forma no hay problemas, y lo veremos bien brillante). También se observa en la figura la resistencia colocada en serie con la base, que se elige de acuerdo con las características del transistor, y para limitar a 1 mA la corriente del puerto paralelo. Su cálculo no es complejo pero no lo veremos aquí. El valor de esta resistencia está en el orden de los 3000 a 4000 Ohm. Con esta disposición comprobaremos que podemos no sólo controlar un LED con el puerto paralelo, sino también otros elementos, como los relés, que a su vez nos permiten manejar cargas importantes, por ejemplo el encendido y apagado de resistencias eléctricas de un horno eléctrico. Notar en la figura anterior, que el puerto entrega corriente y se conecta la carga aplicando un 1 lógico con el puerto paralelo (figura de la izquierda) o recibe corriente y se conecta la carga aplicando un 0 lógico con el puerto paralelo (si se utiliza la disposición indicada en la figura de la derecha). Esta diferencia se debe a la forma de trabajo de los transistores NPN y PNP, en cuanto al sentido de circulación de la corriente por ellos. Relés (Relays) Cuando la corriente que se desea controlar es demasiado grande para hacerlo con un transistor, o no es conveniente hacerlo mediante transistores (los transistores que manejan grandes potencias son caros o tal vez difíciles de conseguir), se recurre entonces a los relés.

Q3NPN

Base Q5PNP

Colector

Emisor

Colector

Base

Emisor

Fuente Fuente

CARGA

CARGA

Línea (Pin) del Puerto Paralelo

(0 = ON) Línea (Pin) del Puerto Paralelo

(1 = ON)


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Los relés son sencillamente switches o interruptores comandados por el flujo producido por una bobina electromagnética, al ser ésta energizada mediante una corriente eléctrica. Los contactos de un relé pueden conectar o interrumpir fácilmente 10 A, mientras que su bobina se activa con corrientes del orden de los 100 mA, que a su vez ya puede manejarse sin problemas con un transistor.

En la figura no se han dibujado los contactos del relé, ya que no hay continuidad eléctrica entre éstos y el circuito dibujado (solo se relacionan mediante el flujo magnético). El objeto de colocar el diodo en para-lelo con la bobina, es proteger al tran-sistor de la corriente inversa que ori-gina la bobina cuando se interrumpe la alimentación del circuito.

El conjunto funciona de la siguiente manera: Cuando se envía un 1 lógico por el pin del puerto paralelo, circula una pequeña corriente por la base del transistor, pero que es suficiente para establecer la corriente desde +FUENTE a tierra, pasando por la bobina electromagnética del relé, el colector y el emisor del transistor. Al pasar la corriente por la bobina del relé, se cierran los contactos del mismo, poniendo en funcionamiento el dispositivo que se desea controlar. Cuando se aplica un 0 lógico por el pin del puerto paralelo, el transistor deja de conducir, cesa de circular corriente a través de la bobina del relé y se abren los contactos de éste, desconectando el dispositivo controlado. Durante el corto tiempo que dura la desconexión, la energía que se encontraba almacenada en la bobina, provoca la circulación de la corriente a través del diodo, pero no a través del transistor, evitándose en consecuencia que éste se pueda dañar. Interruptores. Generación de entradas lógica (1´s y 0´s) para la computadora Un elemento muy sencillo y de mucho uso son los interruptores, que como lo indica su nombre se utilizan para interrumpir (o establecer) la corriente en un determinado circuito. Hay una gran variedad de interruptores, pero el que utilizaremos para nuestros circuitos de corriente continua (de poca tensión (5 a 12 V) y de poca corriente (0,01 a 0,2 A)) es uno denominado tact-switch. El tact-switch viene de dos contactos o de cuatro contactos; es un elemento muy pequeño (5 x 5 mm el de cuatro contactos), apto para colocar en el experimentador. Es de accionamiento externo (no automático), cierra cuando se presiona y abre si se deja de presionar. Esta forma de operar se designa también como normalmente abierto. El aspecto del Tact Switch de cuatro contactos, visto desde arriba, es el que se observa en la figura de la izquierda, y en los circuitos esquemáticos habi-tualmente encontraremos un símbolo como el S2 de la figura de la derecha.

FUENTE

Bobina electromagnética del Relé

DIODO

Línea (Pin) del Puerto Paralelo

1 = ON

S4S2


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Estos pequeños interruptores nos resultarán de mucha utilidad para generar 1´s y 0´s lógicos, lo que se logra en forma sencilla con los siguientes circuitos:

El circuito de la izquierda indica con claridad que si no está accionado el Tact Sw, el pin del puerto por el que deseo in-gresar la señal queda conectado a los + 5V, a través de la resistencia de 10 KΩ. Los pines de entrada del puerto paralelo, "vistos desde afuera" tienen una muy alta impe-dancia (podemos pensarla como una resis-tencia) interna, de manera que la circulación de corriente a través de la resistencia de 10 KΩ sumada a la impedancia interna de los pines del puerto, provoca la circulación de una corriente muy baja a través de la

resistencia de 10 KΩ (algunos microamperes). Si fuesen 10 µA los que circulan por la resistencia de 10 KΩ, la caída de potencial a través de ella sería de 10.000 Ω x 0,00001 A = 0,1 V es decir que el puerto tendría aplicados 4,9 V, lo que es considerado por la computadora como un 1 lógico. Cuando se acciona el tact sw, el pin del puerto paralelo queda conectado directa-mente a tierra, y esta situación es considerada como un 0 lógico por la computadora. La resistencia de 10 KΩ limita la corriente de la fuente que en esta situación queda conectada a tierra, de manera que la fuente debe erogar sólo I = 5 V / 10.000 Ω = 0,0005 A lo que no constituye ningún problema para la fuente, cualquiera sea su tipo. Planteadas las cosas de esta manera, fun-cionan sin inconvenientes. Pero las moder-nas PC tienen puertos bidireccionales, que significa que el mismo pin puede usarse como entrada o como salida, conforme la función que se le asigne mediante software. En esta situación, o si nos equivocamos en la conexión del pin y conectamos el tact switch a un pin de salida en lugar de entrada, entonces estaremos poniendo en cortocircuito a tierra un pin que tiene una tensión de 5 V con lo que seguramente provocaremos un daño permanente a nuestra tarjeta del puerto paralelo. Para prever esta eventualidad, es muy conveniente utilizar el segundo circuito presentado en la página anterior, cuya única diferencia consiste en haber intercalado una resistencia de 1000 Ω a la entrada del pin, y que limitará la corriente a 5 mA si ese pin del puerto paralelo actúa como salida y simultánea-mente acciono el tact switch. Optoacopladores. Aislamiento de señales de entrada En muchas aplicaciones de control mediante computadora, nos encontraremos fre-cuentemente con que deberemos ingresar en la PC, señales que pueden ser

10 K

Entrada al pindel puerto

paralelo

SIN APRETAR = 1 APRETANDO = 0 Tact Switch

10 K Entrada al pin

del puertoparalelo

SIN APRETAR = 1 APRETANDO = 0 Tact Switch


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portadoras de sobretensiones indeseadas, como puede ser por ejemplo, los transitorios originado en el accionamiento de cualquier tipo de motor. Para evitar este peligro, y para hacer más segura la comunicación con la PC, es muy recomendable el uso de optoacopladores que, como su nombre indica, significa acoplar (las señales) mediante la luz. El optoacoplador es un sencillo circuito en el que se ha integrado un diodo luminiscente (un diodo similar al LED) y un transistor cuya base es sensible a la luz del diodo en lugar de una pequeña corriente como se ha visto. De esta forma, cualquier variación de la señal de

entrada, provocará una variación en la luz producida por el diodo, la que a su vez, mediante el transistor, producirá una señal a la salida, con una forma de variación igual a la de la entrada, pero que no tiene ninguna conexión eléctrica con ella. Este es un modo muy conveniente de aislar la computadora del mundo exterior, y puede utilizarse tanto para las señales que entran como para las señales que salen de la PC. El 4N25 es un tipo de optoacoplador que se consigue en el comercio local, a un costo no superior a los $ 0,50 la unidad. Estabilizadores de tensión El estabilizador de tensión "del 2000", es un sencillo circuito integrado de sólo tres patitas: una entrada, una salida y la conexión a tierra. Lo extraordinario de este integrado, es que si le aplicamos de 7 a 15 V de continua en la entrada, nos entrega 5 V estables a la salida. Sólo se le debe agregar un par de capacitores como se indica en la siguiente figura para lograr un funcionamiento estable. Como si fuera poco, su costo es menor a $ 1.- Todas estas cualidades lo hacen sumamente útil para nuestros propósitos, ya que nos permite construir excelentes fuentes de corriente continua, con un gasto mínimo. El 7805 viene en dos tipos de empaques, en función de la corriente que pueden

manejar: el TO-220 admite hasta 400 mA sin disipador de calor, y hasta 1 A con disipador. El disipador de calor es simplemente una chapa de aluminio plana o en forma de U, con un agujero para sujetarla fuertemente mediante tuerca y tornillo al 7805 (TO-220) que tiene también un agujero con este fin. Cualquiera de estos reguladores puede usarse para construir

Entrada de señal Sin conectar

Salida de señal aislada

78L05 (TO-092) (Visto desde arriba)

Salida + 5V Máx 1 A c/ disipador Máx 400 mA s/ disip.

Salida + 5V Máximo 100 mA No admite disipador de calor


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nuestra fuente de corriente continua de 5 V estabilizados, aunque se deben tener presente algunos "consejos prácticos": La fuente más sencilla y económica, será sin duda el 78L05 alimentado con una batería de 9 V. Esto funciona bien y es suficiente para las aplicaciones didácticas sencillas que veremos a lo largo de este curso. El 78L05 también funciona con los capacitores indicados en el esquema del 7805. No conviene colocar el 7805 en la batería de 9 V pues tiene mayor consumo interno y agotará muy rápido la batería. Es necesario aclarar que el 7805 (y también el 78L05) disipan tanto más calor (en el orden de 5 mA sin carga) cuanto más alta es la tensión de entrada por encima de los 6V. En consecuencia el 78L05 anda bien para alimentarlo con una batería de 9 V, pero si usamos una fuente rectificadora que nos entrega 12 o 15 V de continua, entonces debemos usar el 7805 con disipador de calor.


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Actividades Propuestas para el Laboratorio - Taller del

Capítulo 2 Actividad Nº 1 Arme en el experimentador el circuito que se muestra en la figura de la derecha. Utilice dos valores para R1: 330 Ω y 1 KΩ. Calcule en cada caso el valor de ILED. Observe el brillo del LED que tiene en cada caso. Saque Ud. las conclusiones y anótelas. Considere la caída de tensión en el LED VLED = 1,6 V Actividad Nº 2 Utilizando el mismo esquema de la actividad Nº 1, coloque en serie dos resisten-cias de 330 Ω en el lugar de R1. Calcule ILED y observe el brillo del LED. Luego coloque dos resistencias de 1 KΩ en paralelo, calcule ILED y observe el brillo del LED. Repita el procedimiento para dos resistencias de 1 KΩ conectadas en serie. Actividad Nº 3 Construcción de una fuente estabilizada en 5 V alimentada con una batería de 9 V: Es conveniente que construyamos ahora nuestra fuente estabilizada de 5 V, para que las posteriores actividades sean ya encaradas en la misma tensión que debemos usar al conectarnos a la computadora. Sobre el experimentador arma-

remos el circuito de la figura de la izquierda, debemos insertar en las barras + y - los cables rojo y negro del conector de la batería de 9 V. Como este cable es muy fino, debemos sujetarlo firme-mente (mejor si pudiéramos sol-darlo) a un cable más grueso ó alambre fino, como para poder sacarlo y ponerlo fácilmente del experimentador muchas veces, ya

que si la batería se deja permanentemente conectada, se descargará. Una buena alternativa, es incluir un tact switch en el circuito de la batería, antes de derivar el capacitor C1. Los valores que usaremos para los capacitores serán: C1 = 0,33 µF y C2 = 0,1 µF. En el punto 1 del 78L05, deberíamos medir 5 V con respecto a tierra, cuando la batería está conectada. Es conveniente armar este circuito en un extremo del experimentador, en el menor espacio posible, para dejar el experimentador libre para las otras experiencias que haremos sobre él.

(LED)

ILED

- +

Batería 9 V

VLED


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Actividad Nº 4 Arme el circuito dado en la actividad Nº 1, sólo con la resistencia de 330 Ω y la fuente de 5 V. Observe el brillo que tiene el led. Actividad Nº 5 Verificación del efecto de amplificación de un transistor. Armar en el experi-mentador el circuito que se reproduce a continuación. Observar que ambos circuitos son idénticos.

El transistor 2N3904 visto desde arriba, se identifica como se muestra en la figura. Debemos tener precauciones y no confundirnos, pues de lo contrario podemos dañar el tran-sistor. Recordemos, entonces que esta configuración corresponde a la vista del transistor tal como lo vemos en el

experimentador, es decir, desde arriba. Una vez armado el circuito, verificaremos que al apretar S1, encenderá el LED con una buena intensidad, de manera que por él deben estar circulando en el orden de los 20 mA. Sin embargo, en el circuito de la base, estamos en el orden de los 2,5 mA (si se desprecia la caída de potencial en el transistor). O sea que estamos comandando el encendido del LED con 2,5 mA, que es una corriente bien admitida por el puerto paralelo de la computadora, y de esta forma podríamos detectar un 0 o un 1 lógico directamente desde el puerto con el LED (y el transistor, por supuesto). Debe destacarse que en lugar del LED puede colocarse un relé tal como se ha visto en teoría, con lo que pueden manejarse cargas mucha más importantes aún.

C E

B


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Actividad Nº 6 Utilización de un optoacoplador para aislar la salida de la PC del exterior Armando el circuito de la figura en el mismo experimentador en que hemos armado la fuente regulada de 5V a partir de la batería, podemos comprobar sencillamente como trabaja el optoacoplador. La tensión de +9 V indicados es evidentemente la de nuestra batería, y los +5 V, corresponden a la tensión de salida del 7805. El transistor T1 se coloca para manejar una carga tal como el LED D1, o un relé, un pequeño servomotor etc. En el lugar del interruptor S1, se puede colocar un pin del puerto paralelo, donde un 0 lógico equivaldrá a cerrar S1. Veamos como funciona: Si S1 está abierta, el punto 1-2 está aislado de tierra y el diodo del 4N25 no conduce. (Si con el pin del puerto paralelo aplico un 1 lógico al punto 1-2, o sea 5V, tenemos exactamente la misma situación: el diodo del 4N25 no conduce). Si no conduce el diodo del 4N25, tampoco lo hace su transistor, luego la base del transistor T1 tiene un potencial alto (por estar unida a los +9 V mediante R3) y en este caso T1 sí conduce, (circuito colector - emisor) por lo que el LED enciende, en correspondencia con el 1 lógico simulado por S1. Si S1 está cerrada, el diodo del 4N25 conduce, como así también su transistor, quedando la base del T1 puesta a tierra lo que hace que T1 deje de conducir a través del colector - emisor, apagándose en consecuencia el LED.


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Listado de materiales necesarios para las actividades del Laboratorio Taller

Capítulo 2 - 5 resistencias de 330 Ω, tolerancia 5 %, disipación ¼ watt - 5 resistencias de 470 Ω, tolerancia 5 %, disipación ¼ watt - 5 resistencias de 1 KΩ, tolerancia 5 %, disipación ¼ watt - 2 resistencias de 10 KΩ. - 1 capacitor cerámico de 0,1 µF - 1 capacitor electrolítico de 10 µF - 5 LED´s de diferentes colores, 5 mm de diámetro - 1 Experimentador - 1 batería de 9 V - 1 conector para batería de 9 V - 2 tact switch o interruptores dobles (tienen cuatro patitas) - 2 transistores 2N3904 - 1 optoacoplador 4N25 - 1 estabilizador de tensión 78L05

4 - capitulo 2

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