Objetivos
Material requerido.
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Uno con leche ,gracias. |
Los voltajes estabilizados
En las sesiones previas, hemos hablado repetidamente de que nuestros Arduinos utilizan requieren una tensión estable de 5V para funcionar, en el caso de los UNOs y Megas y de 3.3V en el caso del DUE, y como es habitual en todas ellas hemos supuesto que nuestra alimentación es estable, inmutable, perfecta sin altibajos y que filtra con perfecta habilidad cualquier variación que entre por la línea.
Pero como ya tiene claro los seguidores habituales de estas páginas, la vida real rara vez es como los cuentos de la universidad, y en la práctica podéis encontraros de todo.
Por eso, y porque no se puede ser un Arduinero de pro sin acabar queriendo montar tus propios circuitos electrónicos para echar a andar alguna chapuza que tienes entre manos, vamos a tener que mancharnos las manos de grasa con los conceptos básicos de las fuentes de alimentación, sus manías sus características y sus necesidades.
Hasta ahora siempre hemos usado para alimentar nuestros circuitos en Prometec.net, una línea USB que sacamos del PC y que alimenta nuestros Arduinos, pero aunque muchos quizás no os hayáis dado cuenta (O lo habéis visto tantas veces que al final resulta invisible) los Arduinos tienen una segunda entrada para una fuente de alimentación externa (Si, esa redondita al lado del USB).
En el último capítulo, el del módulo WIFI ESP8266, nos hartamos a comentar que Arduino carecía de la potencia suficiente para alimentarlo correctamente y usamos, un poco como de pasada, una fuente de protoboard, para esconder el problema bajo la alfombra.
Pero claro está, al final los problemas tienen la fastidiosa manía de resurgir y por eso ha llegado el momento de tratar el tema de las fuentes de alimentación. Y ya que estamos, que sea desde el principio.
Esta sesión no es imprescindible para quienes queráis simplemente jugar con Arduino en un entorno controlado, pero antes o después quienes queráis desarrollar proyectos, vais a necesitar fuentes de alimentación que atiendan correctamente las necesidades de estos.
Así que poneros cómodos, que vamos a tocar una parte teórica mínima (Poco, prometido) pero siguiendo la costumbre de la casa veremos algunos conceptos imprescindibles, sin los cuales no se puede tener una mínima comprensión de este asunto. A cambio las ideas que veáis aquí son de aplicación poco menos que universal, pues no hay nada que se enchufe que no lleve una fuente de alimentación.
Alterna y continúa
Todos sabéis que la corriente de los enchufes, a donde conectáis vuestros ordenadores, cafeteras y demás artilugios eléctrico/electrónicos es alterna de 220V en Europa y de 110 en América.
- No estoy muy seguro de que esto sea cierto en Sudamérica, quizás algún seguidor de esa parte del mundo nos lo pueda confirmar.
Y también sabéis (Porque nos hemos hartado a decíroslo) que nuestro estimado Arduinillo funciona a 5V de continua. ¿Y, queridos amigos, como demonios se hace la conversión de una en otra?
Además desde fuera es bastante fácil de entender que si metes los dedos en un enchufe se produce una sensación bastante desagradable que te hace desear no repetirla muy a menudo. Sin embargo 5V no se notan aunque los muerdas, ¿Cómo se hace para modificar el nivel de tensión?
Empezaremos diciendo que la corriente que recibimos de las compañías eléctricas es en forma de corriente alterna o CA, mientras que la mayoría de la electrónica digital necesita corriente continua o CC.
Esto significa que la tensión (El voltaje) nos es constante en el enchufe sino que varía de forma cíclica entre valores positivos y negativos pasando ordenadamente por todos los estadios intermedios, por contraposición a la corriente continua CC, que no varía.
Típicamente se representa de esta forma gráfica:
En vertical se representa el valor de la tensión eléctrico y en horizontal el tiempo. La gráfica muestra como una señal alterna, en azul, varia su tensión de forma cíclica a lo largo del tiempo, mientras que el equivalente de tensión continúa CC, en rojo, tiene un valor estático, sin variación.
- En la alterna surge la cuestión del periodo, que es el tiempo transcurrido entre dos puntos iguales. Por ejemplo entre dos ceros crecientes. Pero en la práctica se suele usar el inverso del periodo que es la frecuencia, 50Hz en Europa y 60Hz en América, que mide el número de periodos o ciclos por segundo.
Veamos, esto…, una pregunta. Con lo fácil que resulta entender la continua… ¿a que maldito pringado se le ocurrió complicar todo con la corriente alterna? ¿Es que nos odia? ¿Tiene alguna ventaja la CA con respecto a la CC, o solo es por marear?
A la primera pregunta, la respuesta es que se le ocurrió a Tesla, que menos mal que no tenía estudios porque si no acaba con nosotros (Un tío listo el Nicola Tesla, y no, no creo que nos odiase).
Y respecto a las ventajas, la CA tiene muchas ventajas frente a la CC.
- La primera es que es más fácil de transmitir a distancias grandes (Desde una central por ejemplo) con pérdidas muy inferiores a el equivalente en CC.
- Sería imposible montar una red de distribución eléctrica moderna con continua, por las pérdidas de transporte (Algo que podría cambiar en las redes del futuro si los superconductores de temperatura ambiente llegan alguna vez a desarrollarse)
- Es muy fácil modificar la intensidad de una señal de CA mediante un artilugio que conocéis de sobra, llamado transformador. En cambio es caro y molesto convertir el nivel de una señal CC.
- A tensiones equivalentes la alterna es capaz de desplegar una potencia superior (léase a proporcionar trabajo) que la CC, especialmente cuando es trifásica (Luego hablamos).
- Otra es que la CA es menos peligrosa en caso de accidente que la continua.
Por si todo esto fuera poco, las centrales eléctricas suelen usar inmensas maquinas rotatorias para generar electricidad lo que produce sin esfuerzo corriente alterna:
Las espiras internas del rotor cortan el campo magnético externo en el que giran e induce una corriente eléctrica proporcional al Angulo entre estas y el campo magnético (Otra idea de Tesla) Por eso la intensidad de la corriente generada aumenta y disminuye siguiendo el giro del rotor y en los primeros 180º genera corriente positiva y negativa en ella otra media vuelta.
Entrar en los intríngulis de la corriente alterna está fuera de los objetivos y posibilidades de estas humildes sesiones, pero quienes crean que en realidad Tesla nos odiaba, se convencerán aún mas de ello cuando sepan que en la practica la corriente alterna no se genera a escala industrial mediante una única onda, o fase, si no que se generan tres ondas desfasadas 120º, también llamada corriente alterna trifásica:
Normalmente, la corriente que suministran las compañías eléctricas es trifásica como sabe cualquier electricista industrial, pero a nivel doméstico nos entregan una única fase.
Lo que hay que recordar de todo esto, es que la corriente que recibimos en los enchufes es alterna de una tensión dada: 125V, 220V, o 380V.
- Cuando decimos que una señal es de 220V y 50Hz, no significa que el pico de la onda sea de 220V (en realidad es bastante más) significa que 220V es la tensión eficaz equivalente de una corriente continua que produjese el mismo trabajo.
Variando la amplitud de alterna
Dado que toda la electrónica digital usa corriente CC, tendremos que convertir la alterna que nos suministra la compañía eléctrica a CC. Ya solo nos falta saber cómo.
Lo primero es disminuir la tensión de entrada de 220V a algo más próximo a los 5V que usamos en la electrónica, y para eso se usan los transformadores.
Un transformador es una maquina estática que mediante inducción magnética reduce o aumenta la amplitud de la tension alterna
Un transformador es básicamente un acoplamiento electromagnético entre dos circuitos eléctricos que incluyen un arrollamiento del hilo conductor alrededor de un núcleo ferromagnético común.
A cada una de las vueltas que el hilo da al núcleo ferromagnético se la llama espira y a la acción de dar vueltas devanado (Toma ya). La relación entre la tensión de entrada y la de salida depende directamente de las intensidades de estas y del número de espiras que incluye cada circuito eléctrico.
Los transformadores son una tecnología estable y con más de 100 años de práctica. Son bien conocidos y hay una industria que te los suministra de todos los tipos y tamaños que podáis imaginar y además no suelen ser caros (Salvo que empecemos con caprichos, claro)
Es relativamente fácil encontrar transformadores de 220 o 125 a 12V, probad en eBay y lo comprobareis.
- Nota importante: Los transformadores solo funcionan con corriente alterna. No sirven para transformar continua. El efecto de inducción electromagnética funciona exclusivamente con señales variables y no estáticas.
Convirtiendo CA en CC
El fundamento de esta conversión es un viejo conocido nuestro: Los diodos. Los LEDs no. Los diodos. Si recordáis de capítulos previos los LEDs son diodos diseñados para emitir luz, pero un diodo es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente en una única dirección.
- Como os habréis percatado cada vez que hayáis conectado un LED al revés.
Fijaros en este circuito:
Si inyectamos una señal alterna a un circuito a través de un diodo, resultará que suprimiremos la parte negativa, ya que el diodo no conducirá mientras la tensión sea negativa. La salida es una corriente variable con jorobas, que nunca baja de 0V.
A esto se le llama rectificador de media onda, pero esto es una chapuza, ya que desperdiciamos la mitad de la señal alterna, y aquí, solo nos valen las soluciones elegantes.
Y algún anónimo benefactor de la ciencia se le ocurrió esta sencilla solución:
Es como un laberinto para ondas negativas, hagan lo que hagan salen convertidas en positivas. La mitad de la onda, porque lo es y la otra mitad porque la engañamos. No me digáis que no es un truco guapo. Con 4 diodos (que no valen nada) montamos un circuito en el que forzamos una onda variable, pero siempre positiva. Guay, estas son las soluciones que nos gustan.
A esto se le llama puente rectificador de diodos y seguro que tenéis varias docenas por casa sin saberlo.
Dado que la electrónica digital se suele llevar bastante mal con las variaciones de la tensión de referencia(Es una manía que tienen), necesitamos suavizar esa jorobas de tensión que vemos en el gráfico. Y para eso se inventaron los filtros.
Condensadores y Filtros
Hay un componente electrónico ampliamente utilizado que hasta ahora habíamos evitado, porque no había llegado su momento, pero ahora sí que le toca, son los condensadores.
- El nombre inglés, es capacitor y no es raro encontrar a quien los llama capacitores en español.
El gráfico muestra el simbolo del condensador, dependiendo de que tenga o no polaridad.
La capacidad de un condensador se mide e Faradios (Que es algo enorme) o más frecuentemente, en microfaradios µF o incluso picofaradio pF en honor de Michael Faraday.
Un condensador es un componente electrónico capaz de almacenar energía en un campo eléctrico que luego puede ir devolviendo de acuerdo a ciertas condiciones. Es el equivalente a un depósito de agua en aquel símil entre electricidad y agua.
El depósito se va llenando mientras fluye el agua. Cuando este flujo cesa, el depósito, se va vaciando poco a poco hasta que se acabe el agua. EL truco es que como en el agua, el vaciamiento no es instantáneo, sino que necesita un cierto tiempo.
Por eso diseñando adecuadamente la capacidad y el tiempo de descarga podemos suavizar la caída del flujo de agua o del flujo de tensión en una señal variable como la que vimos con el puente de diodos.
Fijaros en este circuito:
Cuando metemos una sinusoide al transformador, este rebaja el nivel de tensión, después el puente de diodos rectifica la señal, y por último el condensador suaviza mucho la forma de onda, aplanada hasta extremos que dependen básicamente de la capacidad del condensador.
Con un adecuado filtro de condensador, podemos dar por buena la corriente de salida de un circuito así y utilizarlas para alimentar nuestros circuitos aunque en la práctica nunca haremos esto, si no que usaremos un regulador integrado de tensión.
Reguladores de tensión
Aunque el circuito descrito arriba es la base de todos los alimentadores de tensión que usáis para vuestra electrónica, el diseño de los filtros de salida para eliminar el rizado o ripple de la onda de salida (La parte que se separa de ser perfectamente plana) se puede complicar dependiendo de lo que queramos hacer con la salida.
En la práctica el circuito anterior es siempre imprescindible pero al final se coloca unos circuitos integrados con que se encargan de estabilizar perfectamente la tensión de salida. A estos circuitos se les llama reguladores de tensión y nos los venden hechos y os conviene acostumbraros a ellos porque son muy prácticos.
Vuestros Arduinos incluyen uno de estos reguladores, junto a la toma de corriente:
Un regulador de tensión es un circuito integrado diseñado con el objetivo de mantener una salida estable de tensión, dentro de un margen amplio de variaciones de la tensión de entrada, y su símbolo es:
Podéis usar un regulador como el anterior con eso valores de condensadores para estabilizar un rango amplio, dependiendo de los XX del nombre LM78XX, Para regular 5V necesitas un LM7805, y si es para 12V se llama LM7812 y adivina como se llama para regular 3V, pues si, LM7803.
Estos familia de reguladores son capaces de estabilizar grandes variaciones en la entrada manteniendo fija la salida a su valor nominal hasta aproximadamente un amperio, aunque para ello necesitaríamos un disipador.
- Hay que tener en cuenta que para garantizar la salida estable necesita que la tensión de entrada sea por lo menos unos 3V mayor que la de salida.
- Es importante saber también que estos circuitos no están pensados para ahorrar energía sino para mantener estable la salida, lo que significa que su rendimiento energético es un asco y se calientan mucho. No es buena idea usar uno de estos si piensas alimentar tu circuito con baterías.
- Si la cuestión energética es un factor importante, deberías considerar las fuentes conmutadas.
Así pues, el diagrama de un alimentador de tensión completo sería algo así:
En la que podéis ver las fases marcadas como: transformador, Rectificación, Suavizado y Regulación. Este es el esquema completo típico, de uno de los alimentadores de vuestros teléfonos móviles, o tabletas. Y no suele compensar montártelo ya que para una intensidad de digamos un Amperio, te los venden hechos por unos pocos euros.
- Si os pongo este esquema al principio, la desbandada hubiera sido de antologia. Sin embargo fijaros que no hay en el nada que no conozcais ya.
En la práctica, casi cualquier circuito que montes usara un regulador o más de estos para estabilizar la tensión. Si echas un vistazo a internet encontraras montones de circuitos para regulación de tensión de distintas características, pero la base fundamental es lo que hemos visto aquí.
Quedaros con este circuito que lo usaremos en la proxima sesion:
Resumen de la sesión