Proyecto: Regulador PWM con 555

PWM son siglas en inglés que significan Pulse Width Modulation o Modulación de ancho de pulso en español.

La modulación de ancho de pulso está formada por una señal de onda cuadrada que no siempre tiene la misma relación entre el tiempo que esta en alto y el tiempo que está en bajo.

La variación de ancho de pulso consiste en variar los tiempo de encendido y apagado, es decir Ton y Toff. Al cambiar el valor de un PWM, en realidad se están modificando estos tiempos.

Lo cierto es que al variar el ciclo de trabajo de una señal PWM, lo que estamos haciendo es variar su tensión media.

Cunado una señal media de tensión atraviesa ciertos componentes electrónicos, puede hacer que su comportamiento cambie. Por ejemplo, los LED, los motores de corriente continua o ventiladores, incluso altavoces y zumbadores.

Si tenemos un LED conectado a este regulador, podemos variar el brillo con el que se enciende el LED variando la señal a través del potenciómetro.

Si le enviamos una señal de 100% de ciclo de trabajo, el LED se encenderá con toda su potencia y por tanto con todo su brillo. Si lo sometemos a una señal del 50% del ciclo de trabajo, el LED se encenderá con la mitad de su brillo.

Otra opción puede ser controlar la velocidad de un motor de corriente continua, por ejemplo los que usan algunos ventiladores de PC, aunque se puede usar con cualquier motor de corriente continua.

Cuando varía el ciclo de trabajo, varía la velocidad ya que varia la tensión media en el bobinado del motor. Con un ciclo de trabajo de 100%, el motor girará a la máxima velocidad. Al reducir el ciclo de trabajo, se reducirá la velocidad.

Circuito:

Se utiliza:

• Una resistencia de 1 K 1/4 W
• Un potenciómetro o preset de 500 K
• Dos capacitores 10 nF
• Un circuito integrado NE555
• Dos diodos 1N4148
• Un transistor mosfet IRFZ44N
• Una fuente de alimentación de 12v (Corriente de acuerdo al consumo)
• Un disipador para TO-220 (*)

Notas:

Entre GND y VCC: Tensión de alimentación
Entre VCC  y PWMOUT: Carga a conectar 

El circuito se puede alimentar con una fuente 12V DC (De acuerdo a la tensión de funcionamiento de la carga) y la corriente de la misma deberá ser de acuerdo al consumo de la carga que se desea conectar.
(*)Se deberá colocar un disipador al mosfet si se desea utilizar el circuito con un consumo mayor a 1A.

Ejemplo de placa: 





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Proyecto: Controlador LED RGB controlado por tensión

Existen multitud de modelos en el mercado de controladores de tiras LED RGB. Estos se utilizan para controlar con totalidad el color, el brillo, distintos efectos y velocidad de transición.

En este caso traigo un circuito de lo más básico, que permitirá controlar solo el color y brillo de los LEDS variando la tensión aplicada a los mismos.

Circuito:

Se utiliza:

• Tres resistencias de 1 K 1/4 W
• Tres potenciómetros o presets de 10 K
• Tres transistores TIP122
• Un conector de 4 pines para tira de LED RGB
• Una fuente de alimentación de 12v 5Amax
• Tres disipadores para TO-220 (opcional de acuerdo al consumo)

Notas:

El circuito se alimenta con una fuente 12V DC y la corriente de la misma deberá ser de acuerdo al consumo de la tira LED (Hasta 5A como máximo).
Si se desea mayor consumo deberá reemplazar los transistores por otros de la corriente adecuada.
Se deberán colocar disipadores a cada transistor si se desea utilizar el circuito con un consumo mayor a 1A.

Ejemplo de placa: 

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Corriente alterna y corriente contínua

Corriente alterna

Se denomina corriente alterna (abreviada CA en español y AC en inglés, de alternating current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente. 
Su polaridad se invierte periódicamente, haciendo que la corriente fluya alternativamente en una dirección y luego en la otra
La forma de oscilación de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una oscilación senoidal, puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de oscilación periódicas, tales como la triangular o la cuadrada.

                                

                                                Onda senoidal (señal periódica)

Durante un instante de tiempo un polo es negativo y el otro positivo, mientras que en el instante siguiente las polaridades se invierten tantas veces como ciclos por segundo (hertz) posea esa corriente. No obstante, aunque se produzca un constante cambio de polaridad, la corriente siempre fluirá del polo negativo al positivo, tal como ocurre en las fuentes de Corriente Continua (Tomando el sentido contrario por convenio).

Periodo (P): Lapso de tiempo donde la señal repite sus valores.

Ciclo: Conjunto de valores que toma en un periodo.

Frecuencia (F): Velocidad con la que varía la señal. Es la inversa del periodo (F = 1 / P) y se mide en Hertz (Hz).

Fase: es la abscisa correspondiente a un punto cualquiera de la señal.

Valores característicos:

Energía y Potencia eléctrica

Energía eléctrica (E)

Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos cuando se los pone en contacto por medio de un conductor eléctrico.

La ambigüedad de tal definición radica en que la energía no puede definirse como toda magnitud básica de la física. Simplemente se usa su concepto y en el caso de la energía eléctrica, es aquello que “gastan” los dispositivos eléctricos y electrónicos para cumplir su función. 

La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como la energía lumínica dentro de una lámpara o led , en energía mecánica en la punta de eje de un motor o en energía térmica (calor) en una estufa eléctrica. 

La energía eléctrica es eso que “cargan” las cargas eléctricas dentro de una fuente de alimentación o pila para luego descargar en las diferentes partes de un circuito eléctrico o electrónico para funcionar. 

Potencia eléctrica (P)

El concepto desarrollado anteriormente tiene el problema de la poca practicidad para el desarrollo de análisis cuantitativos, ya que el consumo o gasto de energía es acumulativo. imaginemos que tenemos un motor eléctrico girando permanentemente. Este motor está convirtiendo la energía eléctrica en varias formas de energía diferentes (energía cinética al gira y energía térmica ya que eleva su temperatura al funcionar). Pero si quisiéramos cuantificar el consumo de energía de dicho motor, tendríamos el problema de que dicho consumo depende claramente de cuanto tiempo lo tengamos funcionando, ya que la energía se va transformando y consumiendo a medida que el motor gira. 

Por esta razón y para independizarnos del factor tiempo, aparece el concepto de potencia eléctrica que no es ni más ni menos que la cantidad de energía consumida o entregada por unidad de tiempo.

En el sistema métrico internacional, la unidad de medida es el watt, y 1W es igual a un Joule de Energía por segundo. 

Si tuviésemos por ejemplo 1 led de 1W de potencia, estaríamos ante un led que “gasta” un Joule de energía en cada segundo en que se mantiene encendido. 

Así una fuente de alimentación de 1W es capaz de “entregarle” a las cargas eléctricas que la atraviesan, un Joule por segundo. 

Puede demostrarse que en cualquier componente de un circuito, la potencia eléctrica (ya sea entregada o consumida) es igual a la diferencia de potencial (tensión) entre sus bornes, multiplicada por la corriente que lo circula, es decir: 

P = V * I 

Tensión o diferencia de potencial

Se conoce como potencial eléctrico al trabajo que debe realizar una fuerza eléctrica para mover una carga positiva unitaria de un punto hacia otro. Puede decirse, por lo tanto, que el trabajo a concretar por una fuerza externa para mover una carga desde un punto referente hasta otro es el potencial eléctrico. De esta manera el potencial en un punto bajo la influencia de un campo eléctrico se puede definir como el trabajo que hay que realizar para movilizar una carga eléctrica infinitamente lejana (infinitamente lejana, no es ni más ni menos que fuera del campo eléctrico en cuestión) hasta ese punto.

Ahora bien, en el marco de un circuito eléctrico, el potencial eléctrico existente en un punto refleja la energía que tienen las cargas eléctricas (electrones) al pasar por el punto en cuestión. Cuando la unidad de carga va recorriendo el circuito, pierde energía mientras pasa por los distintos componentes. Dicha pérdida de energía tendrá diferentes manifestaciones a través de trabajos como la iluminación que aparece en una lámpara o el movimiento que se logra en un motor, por citar dos posibilidades. Para recuperar la energía, la carga debe pasar nuevamente por un generador de tensión.

La energía (E) que el generador cede al circuito durante su funcionamiento es directamente proporcional a su diferencia de potencial (V) y a la carga, q (C), que pone en movimiento: 

E = q * V

Donde:

E es la energía cedida por el generador medida en Joule (J)

q es la carga eléctrica (cantidad de electrones) medida en Coulomb(C)

V es la diferencia de potencial eléctrico medida en Volts o Voltios(V)

Por lo tanto la diferencia de potencial es:

V = E / q

Es decir : 

1V = 1J / 1C

Esta idea, lleva a pensar que dentro de un circuito eléctrico, las cargas (electrones) nunca se gastan, sino que se mueven dentro del mismo y que lo que realmente sucede es que a medida que lo recorren se van descargando para volver a “energizarse” dentro de la fuente de alimentación.

Circuito eléctrico

Un circuito eléctrico es la conexión de dos o más componentes que contiene una trayectoria cerrada. Dichos componentes pueden ser resistencias, fuentes, interruptores, condensadores, semiconductores o cables, por ejemplo: Cuando el circuito incluye componentes electrónicos, se habla de circuito electrónico.

Entre las partes de un circuito eléctrico, se pueden distinguir los conductores (cables o pistas de cobre que unen los elementos para formar el circuito), los componentes (dispositivos que cumplen una función determinada dentro del circuito), los nodos(puntos del circuito donde concurren dos o más conductores) y las ramas o mallas(conjunto de los elementos de un circuito comprendidos entre dos nodos consecutivos).

Los circuitos eléctricos pueden clasificarse según el tipo de señal (corriente directa o corriente alterna), el tipo de configuración (serie, paralelo o mixto), el tipo de régimen (corriente periódica, corriente transitoria o permanente) o el tipo de componentes (circuito eléctrico o circuito electrónico).

La representación gráfica del circuito eléctrico se conoce como diagrama electrónico o esquema eléctrico. Dicha representación exhibe los componentes del circuito con pictogramas uniformes de acuerdo a ciertas normas, junto a las conexiones (sin que éstas se correspondan con las ubicaciones físicas).

La confección de dicho esquema es fundamental para la construcción de un circuito eléctrico, ya que representa el primer paso a seguir. De lo bien elaborado que esté depende el funcionamiento del circuito, por eso es muy importante revisarlo más de una vez y hacer pruebas en la teoría antes de proceder a la realización de un circuito impreso (en el caso de los circuitos electrónicos).

Configuración de circuitos:

Corriente eléctrica

En nuestra definición anterior (Tensión/Diferencia de Potencial.) dijimos que dentro de un circuito eléctrico, las cargas eléctricas, se mueven saliendo por el borne positivo de la fuente de alimentación, para recorrerlo completamente y así volver al borne negativo de la misma.

Así a la cantidad de carga eléctrica que circula por unidad de tiempo en cualquier parte del circuito que estemos analizando la definimos como intensidad de corriente eléctrica o simplemente “corriente”. 

Los electrones se desplazan de un átomo a otro y se mueven siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de alimentación.

La corriente eléctrica está definida por convención en dirección contraria al desplazamiento de los electrones (del punto con mayor voltaje, al de menor voltaje, o sea, positivo a negativo).

En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio o coulomb (símbolo C) y la unidad de corriente, también llamada Intensidad se expresa en C/s (coulomb sobre segundo), unidad que se denomina AMPERIO (A).
Es decir, una corriente de 1 ampere digamos que se trata de una carga eléctrica de 1 Coulomb por segundo.

Los submúltiplos del amperio son miliamperios (mA) (1/1000 de amperio), y microamperios (uA) (1’000.000 de amperio). 

Las pequeñas corrientes utilizadas en electrónica, se expresan generalmente en miliamperios (mA) o en microamperios (uA). Un mA = 10^(-3) amp. 1 uA = 10^(-6) amp y 1 amp = 10^(-3) amp = 10^(-6) uA.

Definición cuantitativa:

Cuantitativamente, una corriente (I), se define como la relación de transferencia de carga eléctrica (Q) por unidad de tiempo. Por lo tanto el promedio es:

Corriente (I) = carga total transferida  (Q) dividido por el  tiempo transcurrido (T).

La unidad práctica de carga (sistema mks), es el Coulomb, que corresponde a la carga transportada aproximadamente de 6,28 x 10^18 (6,28 billon de billones) de electrones.

Flujo de corriente eléctrica 
(movimiento de electrones)

  Flujo de corriente eléctrica
(por convención)

Clasificación de materiales eléctricos

Materiales conductores

Son aquellos materiales que poseen más electrones libres en su estructura atómica, siendo aptos para conducir la corriente eléctrica. 
Un objeto hecho de un material conductor permitirá que se transfiera una carga a través de toda la superficie del objeto. Si la carga se transfiere al objeto en un lugar determinado, esta se distribuye rápidamente a través de toda la superficie del objeto.

La distribución de la carga es el resultado del movimiento de electrones. 

Los materiales conductores permiten que los electrones sean transportados de partícula a partícula, ya que un objeto cargado siempre va a distribuir su carga hasta que las fuerzas de repulsión globales entre electrones en exceso se reduzca al mínimo. De este modo, si un conductor cargado es tocado a otro objeto, el conductor puede incluso transferir su carga a ese objeto.

La transferencia de carga entre los objetos se produce más fácilmente si el segundo objeto está hecho de un material conductor.

Ejemplo: Oro, plata y cobre. 

Materiales semiconductores

Son los materiales con un número intermedio de electrones libres.
Por ejemplo el silicio y el germanio, los cuales son buenos aislantes cuando están en estado cristalino puro, pero conducen la electricidad cuando se sustituyen solo algunos átomos del cristal con otros, como arsénico o boro, mediante la técnica conocida como dopado del material. 
Ejemplo: El Germanio y el Silicio dopados con otros materiales como indio, galio, Etc. Estos son los mas utilizados para la fabricación de diodos, transistores y circuitos integrados.

Materiales aisladores

Son los materiales que poseen muy pocos electrones libres para transportar corriente. 

Los aislantes son materiales que impiden el libre flujo de los electrones de átomo a átomo y de molécula a molécula. Si la carga se transfiere a un aislante en un lugar determinado, el exceso de carga permanecerá en la posición inicial de la carga. Las partículas del aislante no permiten el libre flujo de electrones; posteriormente la carga rara vez se distribuye de manera uniforme por la superficie de un material que sea aislante.

Mientras que los aislantes no son útiles para la transferencia de carga, tienen un papel crucial en experimentos electrostáticos y manifestaciones. Los objetos conductores son a menudo montados sobre objetos aislantes. Esta disposición de un conductor en la parte superior de un aislante evita que la carga sea transferida desde el objeto conductor con su entorno evitando así accidentes como los cortocircuitos o que nos electrocutemos. Esta disposición nos permite entonces manipular un objeto conductor, pero sin tocarlo.
Ejemplo: La goma, el vidrio, los plásticos o polímeros Etc.

El 555

El 555 es un circuito integrado (chip) que se utiliza en una variedad de temporizadores y se aplica en la generación de pulsos y de oscilaciones.
Puede ser utilizado para proporcionar retardos de tiempo, como un oscilador, y como un circuito integrado flip-flop. Sus derivados proporcionan hasta cuatro circuitos de sincronización en un solo paquete.

Sus características más destacables son:

• Temporización desde microsegundos hasta horas.
• Modos de funcionamiento:
  • Monoestable.
  • Astable.
• Aplicaciones:
  • Temporizador.
  • Oscilador.
  • Divisor de frecuencia.
  • Modulador de frecuencia.
  • Generador de señales triangulares.

Especificaciones generales del 555:

Descripción de las patillas del temporizador 555


• GND (normalmente la 1): es el polo negativo de la alimentación, generalmente tierra (masa).

• Disparo (normalmente la 2): Es donde se establece el inicio del tiempo de retardo si el 555 es configurado como monoestable. Este proceso de disparo ocurre cuando esta patilla tiene menos de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez. 

Fuente y generador de tensión

Fuente y generador de tensión

La fuente o generador de tensión es la encargada de entregar una determinada tensión a un circuito, pueden ser de AC o DC, el termino "fuente" se utiliza para tensión DC y el de "generador" para tensión AC. 

Las fuentes de tensión son circuitos que convierte la corriente alterna AC que encontramos en el hogar (110 ó 220 V), en corriente continua DC, además cambia o reduce la tensión entregando según la necesidad del circuito que vamos a alimentar.

Los generadores de tensión  transforman la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si se produce mecánicamente un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz (F.E.M.). Este sistema está basado en la ley de Faraday. Aunque la corriente generada es corriente alterna, puede ser rectificada para obtener una corriente continua (fuente de tensión). 

El proceso inverso sería el realizado por un motor eléctrico, que transforma energía eléctrica en mecánica.
En electrónica lo utilizado es la fuente de tensión.

Fuente de tensión

La tensión de red pública (110 ó 220Vac) alimenta un transformador, que se encarga de convertirla a la tensión requerida por el circuito o sistema que se va a ser alimentado. El transformador alimenta al puente de diodos, ingresando a través de la pata marcada con una virgulilla (~), o en otros casos (AC) y la de la esquina opuesta.
El puente de diodos invierte todos los semiciclos negativos a semiciclos positivos, desapareciendo la tensión negativa, entregando los semiciclos positivos a través de la pata marcada con un mas (+), Y la pata de la esquina contraria, va a tierra (GND)

Leyes de Kirchhoff

Las leyes de Kirchhoff son dos igualdades que se basan en la conservación de la energía y la carga en los circuitoseléctricos. 

Conceptos previos:

• Nodo: Es un punto en común a 2 o más elementos. También mencionamos como nodo a algún punto del circuito que se quiera destacar. Por ejemplo para marcar un potencial.

• Nudo o unión: Es un punto común a 3 o más elementos.

• Rama: es toda conexión serie de uno o más elementos entre dos puntos.

• Lazo: Es toda trayectoria cerrada del circuito.

• Malla: Es aquel lazo que no puede dividirse y que no contiene otro lazo. Según la definición, toda malla es un lazo pero no a la inversa. También se cumple que una rama no puede ser común a más de dos mallas. En la práctica suele llamarse malla a todo lazo aunque estrictamente no lo sea.

 

Leyes

1) Ley de nodos o nudos

 Esta ley también es llamada ley de corrientes y nos dice que:

En cualquier nodo, la suma de la corriente que entra en ese nodo es igual a la suma de la corriente que sale. De igual forma, La suma algebraica de todas las corrientes que pasan por el nodo es igual a cero.

I1 + I3 = I4 + I2

I1 - I2 + I3 - I4 = 0

O sea:

2) Ley de mallas

Esta ley es llamada también ley de tensiones y nos dice que:

En toda malla la suma de todas las caídas de tensión es igual a la tensión total suministrada. De forma equivalente, En toda malla la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico es igual a cero.

 En la malla I: 

VR1 + VR3 - V = 0

 En la malla II:

 VR2 + VR4 - VR3 = 0  En general: 

Como VR = IR * R, se puede sustituir en las ecuaciones anteriores si no se tiene el dato de las tensiones sobre las resistencias. Utilizando Ley de nodos y Ley de mallas se pueden calcular todas las variables faltantes.

Ley de Ohm y Ley de Joule

Ley de Ohm

Esta ley relaciona los tres componentes que influyen en una corriente eléctrica, como son la intensidad (I), la diferencia de potencial o tensión (V) y la resistencia (R) que ofrecen los materiales o conductores.

La Ley de Ohm establece que "la intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo", se puede expresar matemáticamente en la siguiente fórmula o ecuación:

I = V / R

 Donde, empleando unidades del Sistema internacional de Medidas , tenemos que:

• I = Intensidad en amperios (A)

• V = Diferencia de potencial en voltios (V)

• R = Resistencia en ohmios (Ω).

Léase: La intensidad (en amperios) de una corriente es igual a la tensión o diferencia de potencial (en voltios) dividido o partido por la resistencia (en ohmios).

De acuerdo con la “Ley de Ohm”, un ohmio (1 Ω) es el valor que posee una resistencia eléctrica cuando al conectarse a un circuito eléctrico de un voltio (1 V) de tensión provoca un flujo o intensidad de corriente de un amperio (1 A).

La resistencia eléctrica, por su parte, se identifica con el símbolo o letra (R) y la fórmula general (independientemente del tipo de material de que se trate) para despejar su valor (en su relación con la intensidad y la tensión) derivada de la fórmula general de la Ley de Ohm, es la siguiente:

R = V / I

 Léase: La resistencia a una corriente (en ohmios) es igual a la tensión o diferencia de potencial (en voltios) dividido o partido por la intensidad (en amperios).

Una forma sencilla de recordar esta ley es formando un triángulo equilátero, donde la punta de arriba se representaria con una V (voltios), y las dos de abajo con una I (intensidad) y R (resistencia) respectivamente, al momento de cubrir imaginariamente cualquiera de estas letras, en automático las restantes nos indicarán la operación a realizar para encontrar dicha incógnita. Ejemplo: si tapamos la V, R e I  estarán multiplicandose para encontrar el valor de V; de igual forma si cubrimos R, quedará V/I al descubierto para encontrar la incógnita R.