Electrónica. Trucos y secretos

8. Elegir un alimentador

Para alimentar un circuito sin dañarlo, debemos ajustar correctamente la tensión aplicada y comprobar que el generador elegido pueda proporcionar la corriente necesaria.

Para alimentar un circuito correctamente, sin dañarlo, es preciso comprobar que:

• la tensión proporcionada sea correcta;

• exista suficiente corriente.

La alimentación de un circuito la proporciona un generador, término con el cual se designa a un alimentador, una batería, un panel solar o cualquier objeto capaz de proporcionar corriente y tensión.

La tensión proporcionada por el generador y la solicitada por el circuito deben coincidir. Si la tensión del alimentador es inferior a la tensión requerida por el circuito, este no funcionará.

Si queremos alimentar un dispositivo eléctrico que necesita tres baterías de 1.5 V con una única batería, difícilmente el dispositivo dará señales de vida. Si conectáramos el dispositivo a cuatro o cinco baterías, correríamos el riesgo de quemarlo.

Por lo general es posible y recomendable proporcionar una tensión ligeramente inferior a la solicitada para obviar errores de medida de los instrumentos y tolerancias de los componentes. Si el circuito necesita 5 V y lo alimentan con un alimentador de laboratorio, conviene ajustarlo a 4.9 V. Debido a la tolerancia de los componentes y a posibles disipaciones y pérdidas, aunque el circuito reciba una tensión ligeramente superior (por ejemplo, 5.1 – 5.3 V), no quedará dañado, si bien es absolutamente recomendable no hacerlo. Si el circuito incluye chips lógicos, hay que comprobar cuál es su tensión de alimentación máxima y respetarla para no dañar los componentes.

Figura 2.21 – Para poder funcionar, todos los dispositivos necesitan una tensión adecuada.

Para hacernos una idea de lo que podría ocurrir, retomamos la analogía hidráulica para los circuitos. Supongamos que el alimentador es una cascada de agua y que el circuito está representado por el aspa de un pequeño molino. Si la rueda del molino es demasiado grande, la cascada no conseguirá llenarla para que se mueva. En cambio, si la cascada es demasiado alta y la rueda del molino es muy pequeña, la caída del agua dañará o destruirá completamente la rueda. La altura correcta de la cascada será la misma que el diámetro de la rueda, por lo que:

la tensión de alimentación correcta de un dispositivo electrónico debe coincidir con la nominal.

Figura 2.22 – Para hacer que la rueda del molino se mueva, la cascada de agua debe tener la altura adecuada.

Cada dispositivo eléctrico consume una determinada cantidad de corriente. Si le proporcionamos poca corriente, el circuito no funcionará o se encenderá de manera incorrecta. Retomemos una vez más la metáfora acuática e imaginemos que nos encontramos a la orilla del río Po. Por el río circula una gran cantidad de agua porque tiene un gran caudal (1540 m³/s). Sumergimos un tubo en el río y extraemos agua para hacer rodar las aspas de nuestro molino. El tubo se llenará completamente de agua para que la rueda del molino trabaje.

Figura 2.23 – Un río con un gran caudal puede proporcionar toda el agua necesaria.

Ahora imaginemos que estamos a la orilla de una pequeña y poco llena zanja de riego en Lodi, municipio de la Lombardía. Si las abejas nos lo permiten, tratamos de sumergir el tubo en el agua, al cual esta vez le costará llenarse: la rueda del molino no girará. A diferencia de lo que sucede con la tensión, tener un alimentador que puede proporcionar una corriente mayor no representa ningún problema para su circuito, es más, a veces es preferible. Durante el funcionamiento normal, el circuito absorberá una determinada cantidad de corriente, por ejemplo, 100 mA. Si nuestro generador (alimentador o batería) tiene una capacidad superior, funcionará como un depósito de corriente: seguramente podrá proporcionar la corriente necesaria y, además, conseguirá hacer frente a demandas imprevistas debidas a accionamientos de motores, relés o conmutaciones varias.

En mi laboratorio tengo un alimentador regulable donde puedo configurar la tensión y la corriente según las necesidades. Para encender un circuito que funciona a 5 V y que requiere 1 A de corriente, debo ajustar la regulación de la tensión exactamente a 5 V (o un poco menos). Si elevara la tensión por encima del nivel indicado, correría el riesgo de dañar el circuito. Este tipo de alimentadores tiene también una regulación para la corriente. Si la corriente se ajusta a 0 A, el circuito está alimentado, pero no funciona, aunque la tensión sea correcta, porque no llega corriente. Es como si hubiera puesto mi tubo en un torrente seco. Si elevamos la corriente unas decenas de miliamperios, el circuito podría empezar a encenderse. Si la corriente no basta, algunos dispositivos podrían no funcionar bien. Si aumentamos la corriente, el circuito funcionará correctamente.

¿Qué ocurriría si lleváramos la corriente hasta 15 A? ¿Explosionaría todo? ¡Por supuesto que no! Sería como si hubiéramos sumergido nuestro tubo en el Po: el tubo se llena del todo y el molino tiene toda el agua que necesita, y toma del río solo cuanto precisa para funcionar.

Únicamente existe una contraindicación a la acción de proporcionar una corriente mayor de la necesaria: en caso de cortocircuito, el generador suministrará toda la corriente disponible y, por tanto, se podría ocasionar un daño proporcional a la corriente aplicada. ¡Corrientes de 10 o más amperios pueden provocar que los componentes se disipen o explosionen! Cuando alimenten un circuito, valoren siempre la corriente que absorbe. Si lo han creado ustedes, deberían saber cuánto absorberá y, si se dan cuenta de que el alimentador proporciona más de lo previsto, apáguenlo enseguida y vuelvan a controlar el circuito. Los circuitos electrónicos (no de potencia) no absorben más de unas decenas, como máximo centenares de miliamperios.

Figura 2.24 – Alimentador de laboratorio con corriente y tensión regulables.

9. Resolver un circuito electrónico simple

Resolvemos el circuito electrónico más simple, formado por un generador y una resistencia, y obtenemos la corriente que circula por la malla.

El circuito más sencillo es aquel formado por un generador conectado a una simple carga. Aunque aparentemente parezca inútil, esta configuración es muy común para resolver cualquier tipo de circuito. Cuando simplificamos una red de resistores, al final obtenemos una única resistencia equivalente que nos sirve para determinar la corriente absorbida en total por el circuito.

Figura 2.25 – Circuito formado por un generador de tensión conectado a un resistor (1). La tensión proporcionada por el generador se aplica directamente al resistor (2).

Consideremos un simple generador de tensión conectado a un resistor, como se muestra en la figura 2.25. Los dos elementos forman una única malla. La tensión proporcionada por el generador es la misma que se aplica a los extremos del resistor, el cual, con su valor, mediante la ley de Ohm, fijará el valor de la corriente que circula en el circuito. El valor de la resistencia determinará la corriente que pasa por el circuito. Si la resistencia fuera un circuito abierto (resistencia infinita), no pasaría corriente. Si sustituimos la resistencia por un cortocircuito (0 Ω), tendremos una corriente infinita. Un generador de tensión ideal ofrece una tensión estable, mientras que la corriente depende de aquello que le conectemos y, por tanto, no presenta ninguna dificultad para proporcionar una corriente infinita. Un generador real, en cambio, podría dañarse. Los alimentadores de laboratorio normalmente prevén la posibilidad de limitar la corriente suministrada para evitar que pueda causar daños al circuito.

Supongamos que conocemos la tensión V proporcionada por el generador y el valor de R. Para determinar la corriente, podemos observar que la tensión es la misma aplicada directamente a los terminales del resistor, por lo que podemos utilizar de forma inmediata la ley de Ohm:

Si nos imaginamos que tenemos un generador que proporciona 12 V y que le conectamos una resistencia de 1 kΩ, la corriente será igual a:

Si, en cambio, queremos obtener una corriente determinada, podemos invertir la fórmula para que obtenga el valor de R:

Ahora imaginemos que volvemos a tener el generador de 12 V y que queremos que circule por el circuito una corriente equivalente a 100 mA:

Figura 2.26 – Circuito formado por un generador de corriente conectado a un resistor (1). La corriente proporcionada por el generador pasa por el resistor conectado (2).

De igual forma, podemos repetir los cálculos para un generador de corriente, aunque en un caso real es algo más difícil de encontrar (lo encontramos fabricado con un transistor dentro de circuitos concretos o integrados). El generador de corriente proporciona una corriente específica y fija, mientras que en sus extremos podemos encontrar cualquier tensión, impuesta por la carga que conectaremos. Al otro lado del generador de tensión, conectándole una resistencia infinita (circuito abierto), la tensión será infinita, mientras que, si conectamos una resistencia nula (cortocircuito), la tensión será nula.

Con relación a la figura 2.26, supongamos que conocemos la corriente I proporcionada por el generador y el valor de R. Para determinar la tensión, observamos que la corriente que sale del generador entra directamente en los terminales de la resistencia, por lo que podemos utilizar inmediatamente la ley de Ohm:

V = I × R

Si nos imaginamos que tenemos un generador que proporciona 1 A y que le conectamos una resistencia de 10 Ω, la tensión será igual a:

I = 1 A × 10 Ω = 10 V

Si, en cambio, queremos obtener una tensión específica, podemos invertir la fórmula para obtener el valor de R:

Pensemos ahora que volvemos a tener el generador de 1 A y que queremos tener una tensión igual a 10 V en los extremos de la resistencia R:

10. Adaptar un divisor de tensión

Creamos un divisor de tensión estudiando su comportamiento cuando le conectamos una carga resistiva.

Si conectamos dos resistencias en serie, estamos creando un divisor de tensión, un circuito que sirve para dividir la tensión y reducirla según las necesidades. El divisor se necesita cuando queremos obtener una tensión de 3 V a partir de una batería de 9 V. Pero la tensión extraída por un divisor es muy delicada, en el sentido de que ,si la utilizamos como referencia o para obtener una tensión de alimentación, será influida por aquello que le conectaremos. Por lo general, la tensión definida por el divisor se toma de un búfer que no modifica el equilibrio del divisor. Veamos cómo podemos configurar un divisor para obtener una tensión deseada y qué ocurre cuando le conectamos una carga o un circuito que alimentar (representado por una simple resistencia).

El circuito que analizaremos está formado por un generador de tensión y dos resistencias en serie. Según los casos que se presentan, podemos proceder de distintas maneras. Podemos:

• calcular la tensión en los extremos de dos resistencias conocidas;

• adaptar las resistencias para obtener tensiones específicas;

• adaptar las resistencias para obtener tensiones específicas y una absorción de corriente determinada.

Figura 2.27 – Esquema eléctrico de un divisor de tensión conectado a una batería de 12 V.

Empezamos con el primer caso, en el cual suponemos tener un generador de tensión de 12 V conectado a una serie de dos resistencias: R₁ de 10 kΩ y R₂ de 2.2 kΩ. Para determinar la tensión a los extremos de los dos resistores, simplificamos la red de resistencias y obtenemos la resistencia equivalente. Con dos simples resistencias en serie, la operación es sencillísima y basta con sumar sus valores.

Figura 2.28 – Esquema eléctrico equivalente para la resolución del divisor de tensión.

Sumamos las dos resistencias:

R_eq = R₁ + R₂ = 10 000 + 2200 = 12 200 Ω

Con relación al circuito equivalente mostrado en la figura 2.28, calculamos con la ley de Ohm la corriente que circula en la única malla presente:

Regresamos ahora al circuito mostrado en la figura 2.27: la corriente l pasa por ambos resistores y provocará una caída de tensión a los extremos de ambos componentes que podemos obtener aplicando la ley de Ohm:

V₁ = I × R₁ = 0.98 mA × 10 000 = 9.83 V

Realizamos el cálculo para comprobar también la V₂:

V₂ = I × R₂ = 0.98 mA × 2200 = 2.16 V

La suma de V₁ y V₂ debería dar como resultado 12 V, es decir, la tensión aplicada por el generador. Debido a las aproximaciones introducidas en los cálculos, su suma no es precisamente 12 V. Pueden observar que la tensión aplicada por el generador se divide proporcionalmente entre el valor de las resistencias existentes. Si R₁ y R₂ hubieran sido iguales, a sus extremos habríamos encontrado exactamente la mitad de la tensión de alimentación. En el segundo caso presentado, queremos obtener una tensión determinada utilizando el divisor. Supongamos que queremos obtener 5 V a los extremos de R₂. Para determinar el resto del circuito, necesitamos otra variable. Vamos a tratar de calcular el valor que deberían tener R₁ y R₂ en serie (el valor de R de la figura 2.28):

R_tot = R₁ + R₂ = 10 kΩ

De este modo, vinculamos la corriente que circulará en la malla, que podemos calcular con la ley de Ohm:

Después, obtenemos R₂:

Podemos obtener R₁ por la diferencia:

R₁ = R_tot – R₂ = 10 000 – 4166 = 5834 Ω

Estos valores muy concretos no se encuentran en el mercado y tendremos que aproximarlos con los valores comerciales más parecidos. Para obtener exactamente 5 V a los extremos de R₂, tendremos que realizar más de un intento. Por ejemplo, podríamos utilizar para R₁ una resistencia de 5.6 kΩ y para R₂ elegir un valor de 3.9 kΩ. Si volvemos a realizar los cálculos, obtendríamos en este caso una V₂ igual a 4.93 V, un valor aceptable. A menudo podemos tener la tentación de utilizar un divisor de tensión como si fuera un regulador de tensión. Desafortunadamente, cuando conectamos otro circuito a su salida, estamos modificando el circuito y, si no estamos atentos, podríamos tener una sorpresa desagradable. Consideremos un divisor similar al que acabamos de adaptar, que proporciona 5 V a los extremos de la resistencia R₂. Este divisor, que se muestra en la figura 2.29, está formado por dos resistencias ideales con valores de 700 Ω para R₁ y 500 Ω para R₂.

Figura 2.29 – Divisor de tensión con una carga conectada.

El generador conectado a las resistencias es de 12 V. Vamos a imaginar que queremos utilizar este sencillo circuito para alimentar otro circuito al que denominamos genéricamente carga. Para simplificar las cosas, nos imaginamos que conectamos una resistencia R_L con un valor de 1 kΩ. De forma totalmente ingenua, esperaremos encontrar a sus extremos 5 V, pero desgraciadamente las cosas no funcionan así. Al introducir la resistencia de carga, hemos modificado el circuito: ¡ya no es una simple malla! La corriente que salía del generador y pasaba por R₁ y después por R₂ ahora se encuentra con una encrucijada y, después de R₁, debe dividirse y discurrir un poco por R₂ y un poco por la carga. El hecho de haber añadido la R_L ha modificado la resistencia equivalente del circuito y, por tanto, la corriente total será distinta, así como las tensiones V₁ y V₂. Vamos a realizar algún cálculo. En primer lugar, obtenemos la nueva resistencia equivalente, proporcionada por el paralelo de R₂ y R_L, después en serie con R₁:

La corriente que sale del generador:

La tensión V₂ será proporcionada por la corriente l multiplicada por el paralelo de R₂ y R_L:

Un valor muy distinto al previsto de 5 V. Si modificamos el valor de R_L, vemos que el valor de V₂ cambia de forma notable. Traten de insertar fórmulas en una hoja de cálculo para ver qué le ocurre a la tensión V₂ cuando R_L cambia. Pueden consultar algunos resultados en la tabla 2.4.

Tabla 2.4 – Variación de la tensión a los extremos del divisor con distintas cargas.

Podemos observar que, cuanto mayor es la carga, menor será la corriente absorbida y la tensión V₂ permanecerá más cercana al valor que hemos supuesto de 5 V. El problema surge del paralelo entre R₂ y R_L: como hemos visto en páginas anteriores, la resistencia equivalente de una conexión en paralelo está fuertemente influenciada por el componente con el valor menor. Si queremos tener un divisor que modifique poco las tensiones asignadas, debemos reducir el valor de las resistencias que lo componen. Esto hará que aumente la corriente absorbida por el circuito y tendremos que buscar un equilibrio entre la carga que deseamos conectar y los elementos del divisor. Por este motivo, los divisores de tensión se utilizan rara vez como solución para alimentar circuitos, pues se prefieren circuitos que utilicen diodos Zener u otros tipos de reguladores.

Si aun así se ven obligados a utilizar un divisor resistivo, pueden utilizar un procedimiento empírico que define cómo se elegiría la R₂ en función de la carga que se deba conectar.

La carga está definida en términos de tensión y corriente absorbida. En tal caso, imaginemos que tenemos una carga con:

• tensión de alimentación de 3 V;

• corriente de alimentación requerida de 100 mA.

Nos referimos a la figura 2.29, donde esta vez el generador tendrá una tensión de 5 V. El procedimiento que hay que seguir es este:

1. al conocer la corriente que fluye por la carga (I_L), obtenemos empíricamente la I₂, de manera que sea igual al 10 % de I_L;

2. si sabemos la I₂ y conocemos cuál es la tensión que se debe aplicar a la carga, obtenemos la R₂, también denominada bleeder resistor o resistencia de purga;

3. obtenemos la corriente que pasa por R₁ a partir de la suma de I_L y I₂;

4. si conocemos I₁ y la tensión a los extremos de R₁, ya podemos determinar R₁.

Vamos a realizar algún cálculo. Determino la I₂:

I₂ = 10% I_L = 0.1×0.1 = 0.01 A = 10 mA

Obtengo el valor de R₂:

Redondeo el valor de R₂ eligiendo el valor comercial que se acerque más al calculado:

R₂ = 330 Ω

Vuelvo a calcular la I₂ utilizando el valor correcto de R₂:

Ahora calculo la corriente que pasa por R₁ teniendo en cuenta el nodo formado por el divisor y la carga:

I = I₂ + I_L = (0.0091 + 0.1)A = 0.1091 A

Por último, obtengo el valor de R₁ teniendo en cuenta la diferencia de potencial a sus extremos (V – V_LOAD) y la corriente I que la atraviesa:

En lugar de R₁, puedo utilizar una resistencia de 19 o 15 Ω, o bien buscar otra del 1 % con el valor exacto.

Una vez consideradas las corrientes en juego, debo elegir adecuadamente la potencia de los componentes que voy a utilizar. A continuación pueden ver el cálculo de las potencias disipadas por las dos resistencias:

P₁ = I² × R₁ = (0.1091)² × 19 = 0.226 W P₂ = I₂² × R₂ = (0.0091)² × 330 = 0.027 W

Para R₁ deberíamos utilizar un resistor de 0.5 W como mínimo (de hecho, es preferible utilizar el doble del valor calculado). Para R₂ podemos utilizar un resistor común de 0.25 W.