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24 Electrónica Digital

Durante muchos años los electrónicos funcionaron en un solo mundo; el mundo analógico, el mundo continuo, el mundo donde las tensiones son realmente acumulación de electrones en un dispositivo y las corrientes son realmente electrones que circulan por un punto de un circuito. Pero filosóficamente el mundo analógico, el de la variación continua de los parámetros de un circuito (tensión, corriente, potencia, energía etc.) no existe. En efecto;  por un cable pueden circular 15 electrones o 16 electrones por segundo. No pueden circular 15,5 electrones porque el electrón en la mínima parte de cantidad de electricidad que se conoce y no puede existir medio electrón.

Pongámonos de acuerdo entonces en que la continuidad absoluta de la materia no existe porque la materia es discontinua por naturaleza. Pero en la electrónica analógica jamás podemos controlar los circuitos de modo que por ejemplo sobre un capacitor tengamos la posibilidad de generar una carga de 11.894.525 o de 11.894.526 electrones. Tal vez podamos conseguir que un capacitor este cargado con 1 Coulomb (Es alrededor de 6,24150962915265×1018 veces la carga de un electrón) o con 1,001 C pero muy difícilmente logremos una precisión mayor al 1 por 1.000.

La electrónica digital opera de un modo totalmente distinto. En cada punto de un circuito existen solo dos estados: alto o bajo pudiendo asignarse diferentes potenciales a cada estado, pero una ves establecidos esos potenciales ya no se pueden cambiar. Aunque el parámetro eléctrico puede tener una amplia variación. Por ejemplo se puede decir que en el colector de un transistor habrá un estado alto si hay mas de 2,5V y un estado bajo si hay menos de 2,5V aunque habitualmente existirá prácticamente 0V para bajo y 5 V para un estado alto (o 3,3V en los nuevos componentes).

  • Es decir que un circuito analógico toma la señal y opera con los infinitos valores que ella puede tomar, ignoremos el hecho que no existe un potencial menor a la carga de un electrón, porque es un valor tan chico que se lo puede considerar nulo.
  • En cambio en un circuito digital se trata de que las señales tenga un estado bajo cercano a cero por ejemplo y un estado alto cercano a 5V que es el valor clásico para los circuitos lógicos mas comunes. A todos los estados intermedios se los considera como bajos o altos de acuerdo a cual se parezcan más.

Solución analógica y soluciones digitales

Resolvamos un problema simple como ejemplo de los dos tipos de circuitos con los conocimientos adquiridos hasta aquí. Generar iluminación variable de cero a un valor máximo utilizando diodos leds. Es decir una linterna de leds pero que como novedad tiene un potenciómetroo una llave que ajusta el nivel de luz.

Ya sabemos que los leds requieren una fuente de corriente para su excitación. Y además sabemos que el colector de un transistor es una fuente de corriente ya que la corriente de colector es beta veces la corriente de base del transistor. Es decir que podemos proponer el siguiente circuito para solucionar el problema de la iluminación variable.

Fig.1 Circuito de una linterna de brillo ajustable

Fig.1 Circuito de una linterna de brillo ajustable

Nuestro circuito es un simple transistor excitado por base a través de R3 que limita la corriente de base e indirectamente la de colector a través del beta. 

Las dificultades de este circuito son:

  • Los leds deben conectarse en serie y por lo tanto se requiere una batería de 6V es decir que se requiere una linterna de 4 elementos por lo menos (los led de alta luminosidad tienen una barrera de 1,8V. 
  • El otro problema es que no es muy estable con la temperatura porque depende del beta y el beta varía con la temperatura.
  •  Tampoco es fácil determinar el nivel de brillo por lo que habría que realizar una escala en el potenciómetro en función de la corriente de colector marcada del 0 al 100%.

Uno de los circuitos digitales podría ser el mostrado en la figura 2 construido básicamente con los tres leds pero conectado en una disposición totalmente diferente.

Fig.2 Linterna a led digital

Fig.2 Linterna a led digital

Observe que esta linterna se alimenta con una batería de 3V es decir que es una linterna de 2 elementos. Posee 3 diodos blancos de alta eficiencia (como la linterna analógica) pero en este caso conectados a una llave J1 de las llamadas dip-swich (llave de predisposición) de muy pequeñas dimensiones, compatible con una linterna.

Observe que cada led se puede encender con un resistor de 180 Ohms en serie (7 mA) o de 100 Ohms en serie (14 mA) o los dos en paralelo generando el máximo brillo de 21 mA. Y si se desea más luz se enciende el segundo led en las mismas condiciones o el tercero también en las mismas condiciones.

Es decir que se obtienen tres posibilidades de iluminación por led por 3 leds son 9 posibles brillos y el apagado completo que es el décimo con todos los cursores hacia abajo.

Esto es un sistema digital. No hay brillos intermedios pero los brillos que se consiguen tienen una elevada estabilidad y es fácil determinar el nivel de brillo deseado entre los 10 niveles propuestos.

El único problema es que hay que pensar en que llave pulsar (en el WB Multisim que numero apretar entre el 1 y el 6) para mover las llaves a la posición correcta. Por supuesto esto es complejo para un humano pero muy sencillo para un microprocesador de los mas baratos que reemplazaría a las llaves de ajuste manual por dos botones, uno para aumentar el brillo y otro para bajarlo. 

Pero este sistema tiene un problema oculto. La corriente por los leds se ajusta con resistores y en ellos se transforma energía en calor cuando solo deseamos transformar energía en luz. Pero esto tiene solución en el mundo digital y una solución muy ingeniosa que arrastra una multitud de soluciones para la iluminación, el audio, el video, y la radio, se llama modulación PWM.

La modulación PWM

Como siempre no hay mejor modo de entender un problema electrónico que con un ejemplo hidráulico. Para mantener un tanque lleno de agua se puede recurrir a dos sistemas.

  • Uno es totalmente analógico. Un flotante cierra o abre una válvula en función del nivel de agua del tanque. Todos sabemos que una válvula semicerrada reduce el caudal pero suele producir calentamiento en el lugar donde la cañería se achica para reducir el caudal y esa perdida es una reducción indeseada del rendimiento.
  • Otro método es realizar un control del nivel cada minuto y de acuerdo al nivel dejar la entrada totalmente abierta por un tiempo largo o corto. Es decir que el agua entra en un chorro de 1 segundo y permanece sin entrar 59 o puede entrar 59 segundos y estar cerrada uno o algún caso intermedio. Este ultimo modo tiene un mejor rendimiento porque la válvula nunca esta abierta a medias. Está totalmente abierta o totalmente cerrada. Es un sistema llamado PWM o modulación por ancho de pulso (Power Wide Modulation).

En electrónica solo cambian los tiempos pero el sistema es el mismo. Si quiero cargar un capacitor para que tenga una tensión determinada solo debo armar un circuito muy simple. 

Fig.3 Carga PWM manual de un capacitor

Fig.3 Carga PWM manual de un capacitor

El circuito es simplemente un resistor de 10K que carga a un capacitor de 1 uF desde una fuente de 12V o lo descarga a masa. El comando lo realiza Ud. con la tecla espaciadora luego de picar sobre el tablero de dibujo por una ves con el boton de la izquierda del mouse. Recuerde que si cambia algo en el osciloscopio el control queda sobre él y debe volver a picar en el tablero para recobrar el control del pulsador.

Vamos a jugar un juego llamado control PWM. Mirando el osciloscopio Ud. debe conseguir que la tensión sobre el capacitor sea de 1 V la mayor parte posible del tiempo.

Ahora vamos a automatizar el sistema para que Ud. no tenga que estar manejando el pulsador. El circuito se modifica según la figura 4.

Fig.4 Sistema automatizado de control de tensión

Fig.4 Sistema automatizado de control de tensión

Por ahora el sistema automatizado no es realimentado simplemente Ud. ajusta el periodo de actividad del generador observando el osciloscopio para ajustar la tensión en 1V. En nuestro caso esto se consigue con un periodo de actividad del 6%.

Observe que hay dos resistores cuando la tensión del generador de funciones esta alta (12V) en realidad aplicando nuestros conocimiento de teoría de los circuitos podemos asegurar que todo ocurre como si el capacitor se cargara desde una fuente Norton de 8,16V a través de un resistor de 3,2 Kohms. En cambio cuando el generador está a potencial bajo el circuito es simplemente un capacitor cargado descargándose sobre un resistor de 10K.

Linterna digital de alto rendimiento

Vamos a analizar el rendimiento de una sola sección de led de nuestra linterna digital cuando está trabajando a brillo bajo es decir con el circuito indicado en la figura 5.

Fig.5 Potencia consumida de fuente en el máximo de brillo por led

Fig.5 Potencia consumida de fuente en el máximo de brillo por led

Ahora vamos a tratar lograr un mayor brillo del led pero trabajando con un pulso que dure el 10% del tiempo de una señal rectangular de 1 KHz. 

Fig.6 Led excitado por pulsos

Fig.6 Led excitado por pulsos

Como se puede observar durante el 10% del tiempo se produce una corriente por el led de 200 mA lo cual involucra una potencia instantánea de 200 mA x 3V es decir 600 mW pero que al durar solo el 10% del tiempo significa un consumo de energía de la pila de solo 60 mW es decir prácticamente lo mismo que antes pero con una sensación de brillo 10 veces mayor. Si se requiere el mismo brillo se puede lograr un consumo 10 veces menor. Nota: existe un efecto de saturación luminosa que hace que el incremento de brillo no llegue a los valores calculados linealmente.

Este efecto se utiliza en los controles remotos de TV para lograr alcances superiores a los 10 metros utilizando dos diodos infrarrojos.

Circuitos analógicos y digitales

Conocemos la diferencia entre un circuido digital y un circuito analógico pero no sabemos como encarar el problema matemáticamente y el porque debemos entender como se opera matemáticamente con números binarios.

Construcción de un termométro analógico para automóvil

Suponga que Ud. debe construir un control de temperatura para indicar si un motor sobrepasa un valor peligroso. Puede resolver el problema tanto con circuitos binarios como decimales. Veamos el primer caso en forma práctica.

Necesitamos un sensor adecuado que puede ser una termocupla, un termistor o algunos componentes especiales para medir temperatura. Pero como siempre nosotros queremos usar componentes clásicos tales como un diodo 1N4148 o un transistor BC548. Ud. puede pensar que estoy totalmente loco y que un transistor amplifica y un diodo rectifica y no son usables como medidores de temperatura. Y sin embargo no es así: un transistor o un diodo, si se lo sabe usar, es un excelente medidor de temperatura ya que la variación de tensión de juntura con la temperatura de un semiconductor es una constante para cada material. En la figura 7 se puede observar el circuito básico del medidor de temperatura de un motor.

Fig.7 Circuito básico del control de temperatura de motor

Fig.7 Circuito básico del control de temperatura de motor

Q1 es el sensor; y el amplificador es decir que es todo al mismo tiempo y por supuesto debe ir montado en la tapa o el block del motor con grasa siliconada. La indicación del tester es justamente la tensión de colector a 27 ºC de temperatura; pero si queremos ver como cambia la tensión de colector con la temperatura debemos activar otro tipo de simulación del Worbench que es el barrido en temperatura.

Haciendo Simulate > analyses > temperature sweeps aparece una pantalla como la indicada en la fig. 7 en donde se llena con la temperatura de partida (start) del análisis (0ºC en nuestro caso) y final (stop) del análisis (100ºC en nuestro caso). Luego hay que ir a la solapa output para que aparezca la pantalla que mostramos en la figura 8.

Fig.8 Pantalla de elección de parámetros

Fig.8 Pantalla de elección de parámetros

En el espacio de la izquierda están todos los puntos del circuito que pueden se elegidos como variable de salida (el que queremos representar en función de la variación de temperatura). Los marcados como $1, $2, $3 y $4 son los nodos del circuito de los cuales seleccionamos el $3 que corresponde al colector (esto se averigua dando doble pulso con el botón de la izquierda del mouse sobre el circuito). Luego se pulsa add (adicionar) y la variable queda marcada en zona derecha como variable de salida. Luego se presiona en “simulate” y aparece la pantalla que indicamos en la figura 9.

Fig.9 Variación de la tensión de colector con la temperatura

Fig.9 Variación de la tensión de colector con la temperatura

En principio el gráfico parece algo confuso porque tiene sobre los ejes al tiempo y a la tensión de colector. Pero es así porque en algunos circuito además de variar la continua puede haber un cambio a medida que trascurre el tiempo. La línea roja marcada con los triángulos es la temperatura de partida de 0ºC y la línea negra la temperatura final de 100 ºC. A la derecha se puede observar la tensión de colector con un triangulito rojo marcando la tensión a 2.

Nos queda la resolución practica del circuito ya que lo que presentamos es solo la idea básica. En principio la tensión de colector no puede se de 12V porque nos obliga a usar directamente la tensión de batería del auto y no hay nada mas variable y peligroso que la tensión de batería de un vehículo porque trae pulsos, ruido y cambia de 12V a 13,5V, según el estado de carga de la batería. Por lo tanto elegimos 9 volt porque esa tensión corresponde a un regulador fijo. 

Luego está el problema de la variación de tensión de colector entre cero y 100 ºC que varía muy poco, solo 1,2V. Esto se soluciona dándole mas ganancia al transistor de modo que entre 0 y 100 ºC se genere una diferencia de 3V. En la figura 10  se puede observar el circuito modificado.

Fig.10 Circuito modificado completo

Fig.10 Circuito modificado completo

Como se puede observar la base se alimenta desde un divisor de baja impedancia conectado al regulador de 9V. Esto garantiza que toda la variación de la tensión de base emisor (diodo en directa) queda aplicada al resistor de emisor y es amplificada en el colector según la relación Rc/Re en este caso 1000/33 = 30 veces sin considerar la resistencia intrínseca de emisor.

Hay que asegurarse que la resistencia de entrada por base del transistor es mucho más alta que la resistencia interna del divisor de tensión R5-R4. Esto significa que debe utilizarse un transistor BC548 de categoría C que tiene un beta promedio de 600. Así la resistencia de entrada por base, es beta veces la resistencia de emisor que se puede estimar en 33 Ohms y da un valor de 600 x 33 = 19.800 Ohms, despreciable frente a los 140 Ohms del divisor.

La ganancia del transistor se ajusta cambiando el valor de la resistencia de emisor por intermedio del resistor R8+R9. Podemos asegurar que la resistencia promedio de emisor es de unos 33 Ohms que debe sumarse a la resistencia intrínseca de emisor que puede estimarse en unos 50 Ohms. El valor total de intrínseca mas extrínseca es de unos 83 Ohms. La ganancia del transistor será 1000/83 = 12 y la variación de tensión de colector será igual a la de emisor 250 mV x 12 = 3V que es el valor deseado.

Un simple tester colocado en colector no podría indicar la temperatura del transistor según el grafico de la figura 11.

Fig. 11 Tabla definitiva de variación con la temperatura

Fig. 11 Tabla definitiva de variación con la temperatura

Lo primero que notamos es que la tensión alta corresponde a una temperatura baja y además para saber a que temperatura se encuentra el transistor se debe buscar el valor en la tabla. 

  1. Agregando R3+R7+R6 como retorno del tester y conectándolo adecuadamente se puede lograr que la indicción sea directa predisponiéndolo en la escala de 3V (clásica de los tester de aguja) pero leyendo en la escala de 0 a 10 como si fuera de 0ºC a 100 ºC.
  2. Para el ajuste solo se necesita una mezcla de agua y hielo granizado en partes iguales aproximadamente que debe agitarse para que la temperatura se establezca en cero grado cuando el granizado casi desaparece. Allí se sumerge el transistor sonda de temperatura y se ajusta R7 para que el tester indique 0V en la escala de 0-3V.
  3. Luego debe llevar el transistor a un recipiente con agua hirviendo y ajustar R8 para que indique plena escala (3V). Volver a realizar el ajuste de 0 y otra ves el de 100 ºC y el termómetro está terminado. Y podemos decir sin temor a equivocarnos que es el mas barato del mundo ya que el único componente con algún valor es el tester que puede costar unos 3 U$S. Digamos un costo total de 5 U$S para un instrumento muy útil, que puede salvar el motor de su auto, o ayudarlo en su taller para medir la temperatura de los disipadores.

¿Y la digitalización? Para digitalizar este instrumento se agregó el conector J2. De allí se debe tomar tensión y enviarla a la sección digital del sistema. En este caso R3+R6+R7 no se utilizan porque el sistema digital se encargará de optimizar la lectura.

En la próxima lección vamos a explicar paso a paso como es el sistema digital que nos permite mostrar el valor de la temperatura en un display de cuarzo liquido.

Conclusiones

En esta lección comenzamos a explorar el campo de los circuitos digitales que son el futuro de la electrónica y el mayor escollo para los reparadores de todo tipo de equipo.

Yo considero que es así porque los reparadores no entienden realmente como funciona un sistema digital. Tratan de reparar un sistema digital como si fuera analógico y eso es lo peor que pueden hacer. Vayamos a algo tan elemental como reparar un falso contacto. En un sistema analógico se golpean los componentes del equipo uno por uno tratando de encontrar el componente sensible al golpe o movimiento; ya que la consecuencia del golpe es una distorsión en la imagen del TV o un ruido en el parlante. En un sistema digital lo que se escucha o se ve puede tener una demora de unos mS y no hay acción y reacción. Además los equipos digitales suelen tener circuitos de corrección de errores que pueden esconder falsos contactos momentáneos hasta cierto limite de tiempo. Los equipos digitales se reparan (incluyendo los falsos contactos) con un conocimiento profundo de su funcionamiento y eso pretendemos de Ud. que aprenda a reparar equipos digitales como lo que son y no por similitud con un equipo analógico.

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