Protección de circuitos - Polaridad inversa

Los circuitos electrónicos necesitan electricidad para funcionar. Esta electricidad proviene generalmente de fuentes externas las cuales tienen una polaridad concreta, lo que significa que la salida de la fuente tendrá un conector con un polo negativo y otro positivo.

La mayoría de los componentes electrónicos no tienen ningún tipo de protección frente a conexiones diferentes para las que están diseñados, por lo que muchos de estos se dañan. Sin embargo, existen circuitos muy sencillos que permiten proteger los dispositivos de conectarlos erróneamente.

A continuación veremos 3 tipos de circuitos que previenen de alimentar un circuito con polaridad inversa y, por tanto, evitan que los dispositivos se dañen.
  • Diodo en serie
  • Relé
  • MOSFET

Protección con diodo en serie

En el primer tipo de circuito utilizamos un diodo que solo permite circular la corriente en un único sentido. Es el más simple y el más barato, sin embargo debemos tener en cuenta ciertas limitaciones.

Dependiendo del modelo el diodo nos presenta, en polaridad directa, una caída de tensión entre 0.7 V y 1 V, por lo tanto con circuitos de baja tensión puede suponer grandes pérdidas o incluso que nuestros dispositivos no funcionen. Esta tensión se denomina Vth.

La otra desventaja es que un diodo es capaz de soportar cierta tensión negativa durante muy poco tiempo, posteriormente este se rompe de manera permanente y habría que sustituirlo por uno nuevo.
Diodo polarizado correctamente (izquierda), y polarizado en inversa (derecha)

Como podemos ver en la simulación, cuando el diodo está polarizado correctamente, a la salida del diodo obtenemos la tensión de la fuente de tensión continua menos 0.7 V.
Por lo tanto: Vout = Vcc - Vth.

Por otro lado, cuando colocamos la fuente al revés se observa como el diodo queda polarizado de manera inversa y, por lo tanto, no deja pasar la corriente. Sin embargo, esto no mantiene la fuente desconectada del circuito y puede causar efectos no deseados sobre el mismo.


Protección con relé
La protección con relé es muy útil cuando queremos tener totalmente separado nuestra protección del circuito que queremos proteger, ya que de ninguna manera la tensión de alimentación en polaridad errónea circulará por el circuito.

Pese a esta ventaja no es la protección más utilizada debido al coste de los relés y el gran tamaño que los mismos ocupan.

Circuito de protección con relé
Lo ideal es conectarlo de tal manera que si se polariza correctamente el relé no tenga que cambiar de posición cada vez que se conecte la alimentación.

Como se observa en la imagen, en caso de conectarse con la polaridad invertida el relé cambia de posición y se enciende un LED indicando que la polaridad es errónea.


MOSFET

Actualmente es el modo de protección más utilizado. Estos dispositivos son pequeños y económicos y, además, pueden soportar grandes tensiones en polaridad inversa.

Para esta aplicación seguiremos el principio y las ecuaciones que vimos sobre MOSFETS.
MOSFET activado (izquierda), MOSFET desactivado (derecha)

Como podemos ver en la ilustración, cuando la fuente se polariza correctamente el MOSFET queda activado y por tanto cierra el circuito en la parte de tierra. No obstante, en el segundo circuito con la fuente invertida se observa como el MOSFET está desactivado y, además, se enciende el LED indicando que la conexión no es correcta.

En este caso, al igual que en el circuito con diodo, el circuito que queremos proteger no queda completamente desconectado cuando se polariza incorrectamente.




Electrónica de potencia - Rectificador media onda monofásico

Primero vamos a definir qué significa el término rectificador en el mundo de la electrónica de potencia. Un rectificador consiste en convertir la corriente alterna en corriente continua, debido a ello en muchos sitio podemos encontrar que se refieren a ellos como conversor CA-CC (AC-DC en inglés) y ese es el objetivo de todos los modelos de rectificador, sin embargo unos lo hacen de mejor o peor manera o como debemos decir en electrónica de potencia, con mayor eficacia.



En el mundo de la electrónica de potencia uno de los circuitos más simples es el rectificador media onda monofásico. Este circuito nos permite entender cómo afecta un dispositivo electrónico a una corriente de tipo alterna y será la base para entender otro tipo de circuitos de rectificación.


Este circuito cuenta con una carga pura resistiva, esto quiere decir que donde nos interesa obtener la rectificación estará basado únicamente por una resistencia. Esta resistencia va a determinar la corriente que circula por nuestro circuito.


Por otro lado encontramos un diodo, el diodo rectificador, colocado en polarización directa y va a ser el encargado de eliminar la parte negativa de la señal alterna. Como sabemos, un diodo solo conduce cuando la tensión  es superior a la tensión de unión, dependiendo del diodo estos valores pueden ir de 0V a 1V.

El resultado gráfico de este circuito es el siguiente.


Como ya habíamos dicho la señal queda recortada en la parte negativa, podemos ver la señal original (rojo) y la señal recortada o de salida (verde).

En estos circuitos podemos realizar varios cálculos. Uno de los mas habituales es calcular la tensión y la corriente en continua que cae en la resistencia de carga

[1]

Donde debemos tener en cuenta que Vmax no es el valor rms de la señal si no el valor pico. Por lo tanto si por ejemplo tenemos 220V de rms vamos a tener una tensión pico de

[2]

Por lo tanto por ejemplo si tenemos una tensión de 220 Vrms podemos calcular la tensión en la resistencia de carga de tal manera que 


Por otro lado podemos calcular la corriente en forma de continua (DC), simplemente utilizamos la ley de ohm.

Por ejemplo si tenemos una resistencia de 10 ohmios podemos calcular directamente la corriente

[3]
Y de la misma manera podemos calcular la resistencia para que pase una cierta corriente, por ejemplo 1.5 amperio.


Otro dato importante es la potencia absorbida por la resistencia (P). Esto se calcula a través de 

[4]
Y podemos calcular Vrms a través de las siguiente ecuaciones

[5]

Es muy importante no confundir el Vrms de la fuente de alterna (Vin) con el Vrms resultante de la rectificación. Por lo tanto, en el mismo ejemplo de antes con una fuente de 220 Vrms y sabiendo que tenemos un Vmax de 311 V podemos calcular Vrms


Y por tanto podríamos calcular la corriente rms con la ley de ohm

[6]

Y de esta manera ya podemos calcular la potencia con la ecuación [4] ,que depende directamente de valor de la resistencia. Por ejemplo si tenemos una resistencia de 10 Kohm











Electrónica de Potencia - MOSFET. Conexiones y uso con Arduino.

Primero vamos a definir qué es un MOSFET. Un MOSFET es un dispositivo electrónico de tres pines semiconductor que se usa generalmente como conmutador de corriente y amplificador de señales.

Este dispositivo tiene una puerta llamada GATE, encargada de controlar el estado del MOSFET. Es un dispositivo controlado por tensión, por lo tanto, aplicando una cierta tensión en GATE, cambiaremos el estado del MOSFET.

Tiene otros dos pines denominados Drain (D) y Source (S).

Existen dos tipos de MOSFET, PNP (Canal P) y NPN (Canal N). 

Proyecto Rotae - Velocímetro y distancia recorrida mostrado en un TFT, sensor Hall y Arduino (Parte 1)

  En proyecto nos marcamos como objetivo crear un velocímetro con diferentes funciones. Queremos que sea capaz de medir la velocidad, registrar un espacio.

  En esta primera parte nos vamos a centrar sobretodo en el funcionamiento del sensor del efecto hall y en mostrarlo por la pantalla.

  En la segunda parte añadiremos varias funciones como, un cronometro y para e iniciar la cuenta de distancia, GPS, etc.


INTRODUCCIÓN



 La idea es muy sencilla, el sensor de efecto hall detecta el giro completo de una de las ruedas, contando el tiempo de vuelta y lo que recorre la rueda tenemos la velocidad.

  Esta velocidad es mostrada al usuario en la pantalla TFT, además en esta pantalla vamos a mostrar la distancia recorrida.

Programando microcontrolador ARM: 6 - Estructura física GPIO y conectar LED para el blink (stm32f103c8)

Esta vez vamos a ver que posibilidades nos dan los pines GPIO y vamos a ver como conectar el LED de los tutoriales anteriores.

Empezando por el principio, vamos a estudiar como están construidos internamente los pines GPIO, centrándonos en el output.
Una salida nos proporciona tres diferentes modos:
  • Push-pull
  • Open-drain
  • Desconectado

Programando microcontrolador ARM: 5 - Blink por referencia a registros (stm32f103c8)

En este tutorial vamos a ver como podemos escribir los registros ayudándonos de la biblioteca del microcontrolador que nos ofrece el fabricante.

Además vamos a organizar un poco el código añadiendo funciones.


Registros por referencia.

Cómo ya vimos para escribir en los registros podemos pasar un numero hexadecimal que en su formato binario equivale a los bits del registro.

Por ejemplo cuando escribíamos lo siguiente.
//Reset en el pin 13. Pone el pin a 0.
GPIOC -> BSRR |= 0x20000000;

Programando microcontrolador ARM: 4 - Primer programa, blink con registros de memoria (stm32f103c8)

Este primer ejercicio consiste en aprender y practicar el comportamiento mas básico que podemos obtener en nuestro ARM. Y es el punto de partida para posteriormente ampliar nuestros conocimientos sobre la programación de un microcontrolador ARM y así poder hacer cosas más complejas.


STM32f103
A través de los registros de memoria encenderemos y apagaremos un LED. Para ello usaremos los pines digitales que disponemos en nuestro microcontrolador.


¿Qué son los registros de memoria?

Todos los microcontroladores tienen una porción de memoria reservada exclusivamente para el funcionamiento del microcontrolador. Estas porciones de memoria se denominan registros.

El microcontrolador observará el estado y la información de esas cedas de memoria para funcionar de un modo u otro. El fabricante a través de los documentos que nos facilita nos indica todos los registros que tenemos disponibles, ademas de como escribir en ellos y como usarlos. Necesitamos tener esta información debido a que no todos los microcontroladores tienen las mismas posiciones de memoria ni se configuran de igual manera.