Ejercicios prácticos con Electrónica

5.6 Conmutación de corriente alterna (CA)
Problema

Necesitamos un transistor capaz de conmutar voltajes de corriente alterna (CA).

Solución

Un TRIAC (TRIode for Alternating Current, triodo para corriente alterna) es un interruptor semiconductor diseñado específicamente para conmutación en CA.

Ni los BJT ni los MOSFET son útiles para la conmutación en CA. Solo podrían hacerlo si dividiéramos las mitades positiva y negativa del ciclo y conmutáramos cada una con su propio transistor. Así las cosas, parece mucho más sensato utilizar un TRIAC, que podemos ver como una pareja de diodos conmutables conectados en sentidos opuestos.

La Figura 5-10 muestra cómo usar un TRIAC para conmutar una gran carga de CA usando solo un pequeño interruptor de corriente. Un circuito como este se utiliza a menudo de forma que un pequeño interruptor mecánico de baja potencia sea capaz de conmutar una gran CA.

Figura 5-10. Conmutación de CA usando un TRIAC.

Conmutación de altos voltajes de CAEl voltaje de 110-220 V de CA que llega a los enchufes de nuestras casas mata a miles de personas cada año. Es capaz de provocarnos quemaduras y de llegar a detener nuestro corazón. Por tanto, rogamos al lector que no intente realizar los circuitos que se explican aquí a menos que esté absolutamente seguro de que es capaz de hacerlo con total seguridad.Vea también el Ejercicio 21.12.

Análisis

Cuando pulsamos el interruptor, una pequeña corriente (del orden de las decenas de miliamperios) fluye hacia la puerta del TRIAC. El TRIAC conducirá la corriente, y seguirá haciéndolo hasta que la CA cruce los 0 V nuevamente. Esto ofrece el beneficio de que la potencia se interrumpe cuando el voltaje está muy próximo a cero, lo que reduce los picos de potencia y el ruido eléctrico, que de otro modo ocurriría si conmutáramos cargas inductivas como pueden ser los motores.

Sin embargo, la carga se puede activar todavía en cualquier punto del circuito, y generar de paso un ruido considerable. Los circuitos con cruce de curvas en el punto cero (Zero-Cross Circuits) o circuitos zero-crossing (vea el Ejercicio 5.9) se utilizan para esperar hasta que la señal de CA pase nuevamente por el valor 0 V antes de activar la carga, con lo que se reduce aún más el ruido eléctrico.

Véase también

Vea el Ejercicio 1.7 sobre la CA.

Para más información sobre los relés de estado sólido usando TRIAC, vea el Ejercicio 11.10.

Los TRIAC suelen venir en encapsulado TO-220. Para los esquemas de patillas, vea el Apéndice A.

5.7 Cómo detectar luz usando transistores
Problema

Deseamos medir el nivel de luminosidad usando algún componente distinto de una fotorresistencia o un fotodiodo.

Solución

Un fototransistor es, básicamente, un BJT ordinario con una superficie transparente en su parte superior que permite que la luz alcance el silicio propiamente dicho del transistor. La Figura 5-11 muestra cómo es posible utilizar un fototransistor para producir un voltaje de salida que varíe de acuerdo con los cambios en el nivel de luminosidad que le llegue.

Figura 5-11. Uso de un fototransistor.

Cuando la fotorresistencia reciba una gran cantidad de luz, se activará y conducirá corriente, tirando del voltaje de salida hacia los 0 V. En un entorno de oscuridad completa, el transistor estará apagado, no se conducirá corriente y el voltaje de salida subirá hasta igualar el voltaje de alimentación en los 5 V.

Análisis

Algunos fototransistores parecen transistores ordinarios con tres patillas y una parte superior transparente, mientras que otros, como TEPT5600, usado en la Figura 5-11, se presentan con un encapsulado similar al de un LED, con patillas para emisor y colector, pero no para la base. En los fototransistores que parecen LED, la patilla más larga suele corresponder al emisor. Los fototransistores prácticamente siempre son dispositivos NPN.

Como elemento sensor de luz, el fototransistor es más sensible que un fotodiodo y responde más rápido que una fotorresistencia. Los fototransistores poseen la ventaja frente a las fotorresistencias de que estas están hechas de sulfuro de cadmio y algunos países tienen restricciones a la importación de dispositivos que contengan dicho material.

Véase también

La salida del circuito de la Figura 5-11 se puede conectar directamente a la entrada analógica de un Arduino (Ejercicio 10.12) para registrar lecturas de luz como alternativa al uso de una fotorresistencia (Ejercicio 12.3 y Ejercicio 12.6).

Para la hoja de especificaciones del TEPT5600, vea http://bit.ly/2m8vhS0.

5.8 Cómo aislar señales por seguridad y para eliminación de ruido
Problema

Por motivos de seguridad o de aislamiento del ruido, deseamos que una señal fluya de una parte a otra de un circuito sin que exista conexión eléctrica.

Solución

Utilice un optoacoplador, que consiste en un LED y un fototransistor sellados en un solo encapsulado opaco.

La Figura 5-12 muestra cómo utilizar un optoacoplador. Cuando se aplica un voltaje a través de los terminales positivo (+) y negativo (-), se establece un flujo de corriente a través del LED, que se enciende e ilumina el fototransistor y activa el transistor. Esto lleva el voltaje de salida a prácticamente 0 V. Cuando el LED no está alimentado, el transistor permanece apagado y su R1 levanta el voltaje de salida hasta los 5 V.

Lo importante aquí es que la parte izquierda del circuito carece de conexión eléctrica con la parte derecha. La conexión es puramente óptica.

Figura 5-12. Un optoacoplador.

Análisis

Cuando el transistor que actúa como sensor es un TRIAC (vea el Ejercicio 5.6) el dispositivo se conoce como optoaislador, en lugar de optoacoplador. En este caso, el TRIAC de baja potencia situado dentro del optoaislador se puede usar para conmutar CA usando otro TRIAC de mayor potencia, como podemos ver en la Figura 5-13. Este circuito se suele denominar SSR (Solid State Relay, relé de estado sólido), ya que realiza una función muy parecida a la de un relé en conmutación de CA, pero sin necesidad de partes móviles.

Figura 5-13. Diseño de un SSR.

La conmutación de CA es peligrosaNo se debe trabajar nunca con voltajes altos a menos que se sepa muy bien lo que se está haciendo y se conozcan en profundidad todos los riesgos que ello implica. Vea el Ejercicio 21.12 para más información sobre cómo trabajar con voltajes elevados.

La resistencia R1 sirve para limitar el flujo de corriente hacia la puerta del optoaislador, mientras que R2 mantiene el MT1 del TRIAC desactivado hasta que un haz de luz proveniente del encendido del LED active el TRIAC del optoaislador. R3 y C1 forman un filtro reductor del ruido de RF que en caso contrario se produciría durante la conmutación. Observe que tanto R3 como C1 deben estar homologados para aceptar el pico de voltaje de CA (se deben usar dispositivos de 400 V).

El encapsulado MOC3032 contiene también un conmutador zero-crossing que evita que el TRIAC se active hasta que la CA supere los 0 V. Esto reduce mucho las interferencias generadas durante la conmutación del circuito.

Véase también

Para el uso de optoaisladores en circuitos SSR, vea el Ejercicio 11.10.

Para la hoja de especificaciones del MOS3032, vea http://www.farnell.com/datasheets/2151740.pdf. Para los relés que también permiten aislar la parte de control de la de potencia, vea el Ejercicio 6.4.

5.9 Introducción a los circuitos integrados
Problema

Deseamos saber más sobre los circuitos integrados (CI) y cómo usarlos.

Solución

Los CI estarán involucrados en la práctica totalidad de los proyectos que vayamos a desarrollar. Tanto si es un microcontrolador, como si es un chip especial para controlar un motor, un receptor de radio o un amplificador de audio, lo más probable es que haya un chip para él. Tiene poco sentido construir un circuito a partir de transistores y otros componentes si podemos usar un solo CI para la misma tarea. A lo largo del libro vamos a ver numerosos tipos de CI.

Los CI se presentan en formas y tamaños muy diferentes. La Figura 5-14 muestra una selección de CI.

Figura 5-14. Una selección de circuitos integrados (CI).

Análisis

Los CI tienen desde tres hasta varios centenares de patillas. A menudo encontramos los mismos CI básicos disponibles con encapsulados muy diferentes, tanto SMD como de agujero pasante. Esto puede resultar muy útil si planeamos realizar el prototipado de nuestro diseño en una placa de pruebas sin soldadura antes de producirlo usando componentes SMD.

Otra forma de utilizar SMD en una placa de pruebas sin soldadura consiste en utilizar una placa de conexión. Estas placas nos permiten soldar los componentes SMD en su superficie y, luego, conectarlas en la placa de pruebas. Podemos ver un ejemplo de esto en la Figura 18-5.

Los CI se identifican por su número de componente, que a menudo resulta difícil de leer, así que parece buena idea etiquetar la bolsa en la que se suelen adquirir.

Los CI con más de tres patillas suelen llevar un pequeño punto cerca de la patilla 1. Si no fuera así, habrá una pequeña muestra para indicar cuál es la parte superior del CI. La numeración de las patillas continúa entonces hacia abajo por el CI hasta su parte inferior, pasa a la primera patilla de la parte derecha, y sigue por ese lado. Para observar algunos ejemplos de la distribución esquemática de las patillas de varios CI, vea el Apéndice A.

Véase también

Podemos encontrar una lista de los CI usados en este libro en la sección “Circuitos integrados” en la página 414.

Capítulo 6
Interruptores y relés
6.0 Introducción

Los interruptores mecánicos permiten conmutar (permitir el paso o cerrar) el flujo de corriente con solo pulsar o accionar un botón o interruptor. Son mecanismos tan sencillos que no precisan otra explicación que la propia descripción de los diferentes tipos disponibles, así como la indicación de sus limitaciones.

Los relés son muy anteriores a los transistores como dispositivos que permiten utilizar una pequeña corriente para conmutar una mucho más grande. Sin embargo, su flexibilidad y la separación de la parte de control de la de conmutación hacen que se continúen usando en la actualidad.

6.1 Conmutación/interrupción de la electricidad de forma mecánica
Problema

Deseamos comprender el funcionamiento de un interruptor o conmutador.

Solución

El funcionamiento de un interruptor o conmutador básico consiste en unir mecánicamente dos contactos de metal. La Figura 6-1 muestra el posible funcionamiento de esto.

Cuando actuamos sobre el pulsador, comprime el resorte de metal hasta que entra en contacto con la parte superior de la lámina metálica en la base del propio conmutador.

Figura 6-1. Construcción mecánica de un pulsador.

Análisis

Hay varias cosas que pueden convertir la conmutación en algo menos simple de lo que cabría esperar.

1. Cuando se conmutan altas tensiones pueden aparecer arcos (chispazos) justo antes de que los dos contactos se toquen, e incluso más antes de que se separen por completo. Esto provoca calor y puede dañar los contactos.

2. Cuando se conmutan grandes corrientes con cualquier voltaje, existe el peligro de que los contactos se suelden en el punto de unión mientras permanecen juntos. Esto impediría que el interruptor abriera nuevamente el circuito.

3. Una corriente continua elevada que atraviese un conmutador hará que los contactos, que ofrecen una resistencia muy baja, se calienten y provocará, así, el acortamiento de la vida útil del mecanismo.

4. A menudo, los contactos producen lo que se conoce como rebote de conmutador. Fenómeno que consiste en la creación y liberación consecutiva de múltiples contactos rápidamente antes de estabilizarse. Esto puede ocasionar problemas cuando se utiliza junto a la conmutación por software. En el Ejercicio 12.1 veremos cómo podemos implementar un sistema de eliminación de rebotes eficaz para un pulsador.

Por estas razones, los interruptores presentan un voltaje y una corriente operativos máximos, y a menudo separan los valores máximos para CA y CC.

Véase también

Para un análisis de los diferentes tipos de conmutador/interruptor, vea el Ejercicio 6.2.

6.2 Conozca sus conmutadores/interruptores
Problema

Queremos conocer los tipos de conmutadores disponibles y cómo usarlos.

Solución

La Figura 6-2 muestra una selección de conmutadores/interruptores.

Figura 6-2. Una selección de conmutadores/interruptores.

Los conmutadores son, de izquierda a derecha:

• Un pulsador táctil. Este es probablemente el conmutador más utilizado en productos comerciales. Existen pulsadores de bajo coste aptos para su montaje en placas de circuito impreso (PCB).

• Un pulsador para montaje en paneles o consolas. Muy útiles para proyectos únicos, ya que son fáciles de instalar en un agujero practicado sobre un panel o carcasa.

• Un interruptor deslizante. Moviendo el deslizador establecemos una conexión del contacto central con las patillas izquierda o derecha.

• Microinterruptor. La palanca basculante y los agujeros de montaje facilitan su acoplamiento a un montaje mecánico. Gracias a su palanca basculante, se pueden accionar sin aplicarles mucha fuerza. Estos conmutadores son fiables y duraderos, y se suelen instalar en hornos microondas para apagar el horno cuando se abre la puerta.

• Un interruptor basculante o de palanca. Son interruptores clásicos para encendido/apagado.

Análisis

Si estamos diseñando un proyecto, lo más probable es que estemos utilizando algún tipo de microcontrolador, en cuyo caso nos bastará con utilizar un simple pulsador. Aun en el caso en que podríamos querer usar un conmutador para seleccionar entre dos opciones, lo más probable es que acabemos usando un par de pulsadores y algún tipo de panel que nos notifique la opción seleccionada.

Los conmutadores basculante y deslizante han quedado relegados al papel de interruptores de encendido, aunque en ocasiones los podemos encontrar en los circuitos haciendo de selectores.

Los conmutadores de palanca (y otros interruptores) están disponibles en una variedad de configuraciones. Entre otras encontramos las descritas con las siglas DPDT, SPDT, DPST y SPST. Estas letras son las abreviaciones de:

• D: doble (Double).

• S: sencillo (Single).

• P: polo (Pole).

• T: posición (Throw).

Es decir, un conmutador DPDT sería: Double Pole, Double Throw (dos polos, dos posiciones). La palabra polo (pole) se refiere al número de elementos de conmutación separados que se controlan desde una sola palanca mecánica. Así, un conmutador de doble polo, Double Pole, puede encender/apagar dos cosas juntas. Por su parte, un conmutador Single Throw solo puede abrir o cerrar un contacto (o dos, si se trata de uno de tipo Double Pole). Por último, un conmutador Double Throw puede hacer que el contacto común se conecte a uno de dos contactos diferentes. La Figura 6-3 muestra algunas de estas configuraciones.

Como se puede apreciar en la Figura 6-3, cuando dibujamos el esquema de un conmutador de doble polo, es habitual dibujarlo como dos interruptores (S1a y S1b) y conectarlos con una línea de puntos para indicar que están unidos mecánicamente.

El tema se complica más aún debido a la existencia de tres o más polos en un conmutador, así como por el hecho de que los conmutadores de doble posición a menudo saltan y no permanecen en ninguna de las posiciones. También podrían tener una posición central de apagado en la que el contacto común no esté conectado con ningún otro contacto.

Otro tipo de conmutador que podemos encontrar es el giratorio. Este tipo presenta un pomo giratorio que se puede situar en varias posiciones. Por ejemplo, en un multímetro es el tipo de conmutador que usamos para seleccionar el rango de medición. Sin embargo, dichos conmutador no se suelen usar muy a menudo. Los codificadores rotatorios conectados a un microcontrolador (Ejercicio 12.2) son la forma más moderna de realizar una selección usando un pomo de control giratorio.

Figura 6-3. Conmutador de lengüeta con un imán y sin él en sus proximidades.

Véase también

Para utilizar conmutadores con un Arduino o Raspberry Pi, vea el Ejercicio 12.1.

6.3 Conmutación usando electromagnetismo
Problema

Queremos que algo se encienda cuando le acercamos un imán.

Solución

Un interruptor de lengüeta está constituido por un par de contactos situados en paralelo, muy cerca uno del otro, pero sin tocarse. Los contactos están incluidos en una cápsula de cristal y cuando les aproximamos un imán se acercan uno al otro, con lo que cierran el conmutador.

La Figura 4-6 muestra un conmutador de lengüeta con un imán y sin él en sus proximidades.

Figura 6-4. Conmutador de lengüeta con un imán y sin él en sus proximidades.

Análisis

Los conmutadores de lengüeta se encuentran a menudo como parte de alarmas de detección de intrusos en puertas y ventanas. Un imán fijo se instala en la puerta, y el conmutador de lengüeta, en el marco. Cuando la puerta se abre, el imán se aparta del conmutador y la alarma se dispara.

Véase también

Los conmutadores de lengüeta se encuentran también en los relés de lengüeta, pero en la actualidad se utilizan muy poco.

6.4 Redescubriendo los relés
Problema

Deseamos saber más sobre los relés electromecánicos y cómo usarlos.

Solución

Un relé electromecánico consta de dos partes: una bobina, que actúa de electroimán, y un conmutador, que cierra el contacto cuando el electroimán se carga de energía. La Figura 6-5 muestra el esquema general de un relé, junto con un relé de tipo terrón de azúcar y su correspondiente diagrama de patillas.

Figura 6-5. Un relé.

Análisis

Aunque anticuados hasta cierto punto, los relés se siguen utilizando en la actualidad. Sirven igualmente para conmutación en CC y en CA, y se pueden conectar fácilmente a un microcontrolador.

Si desmontamos un relé, probablemente veremos algo parecido a lo que se muestra en la Figura 6-6.

Figura 6-6. El interior de un relé.

Aquí podemos ver claramente la bobina que forma el electroimán, que, cuando recibe el flujo de corriente, crea un campo magnético que mueve los contactos que se ven en la parte superior.

El electroimán de un relé es una gran bobina de hilo conductor, que produce, cuando se la libera, un pico de voltaje que se debe amortiguar usando un diodo (vea el Ejercicio 11.9).