Pasos para construir un circuito electrónico

¿Qué es un circuito y por qué necesitamos construir un circuito?

Antes de entrar en detalles sobre cómo se diseña un circuito, sepamos primero qué es un circuito y por qué necesitamos construir un circuito.

Un circuito es cualquier bucle a través del cual se transporta la materia. En un circuito electrónico, la materia transportada es la carga por la electrónica y la fuente de estos electrones es el terminal positivo de la fuente de tensión. Cuando esta carga fluye desde el terminal positivo, a través de la espira, y llega al terminal negativo, se dice que el circuito se ha completado. Sin embargo, este circuito consta de varios componentes que afectan al flujo de carga de muchas maneras. Algunos pueden obstaculizar el flujo de carga, otros simplemente almacenan o disipan la carga. Algunos requieren una fuente de energía externa, otros suministran energía.

Puede haber muchas razones por las que necesitemos construir un circuito. A veces podemos necesitar que se encienda una lámpara, que funcione un motor, etc. Todos estos dispositivos -una lámpara, un motor, un LED- son lo que llamamos cargas. Cada carga requiere una determinada corriente o tensión para iniciar su funcionamiento. Esta tensión puede ser una tensión continua constante o una tensión alterna. Sin embargo, no es posible construir un circuito sólo con una fuente y una carga. Necesitamos unos cuantos componentes más que ayuden al flujo adecuado de la carga y procesen la carga suministrada por la fuente de forma que fluya una cantidad adecuada de carga hacia la carga.

Un ejemplo básico - Fuente de alimentación de CC regulada para hacer funcionar un LED

Veamos un ejemplo básico y las reglas paso a paso para construir el circuito.

Planteamiento del problema: Diseña una fuente de alimentación de CC regulada de 5 V que pueda utilizarse para hacer funcionar un LED, utilizando como entrada la tensión de CA.

Solución: Todos debéis conocer la fuente de alimentación de CC regulada. Si no es así, dejadme que os dé una breve idea. La mayoría de los circuitos o dispositivos electrónicos necesitan una tensión continua para su funcionamiento. Podemos utilizar simples pilas para suministrar la tensión, pero el principal problema de las pilas es su limitada vida útil. Por eso, la única forma que tenemos es convertir el suministro de tensión de CA de nuestras casas en la tensión de CC necesaria.

Todo lo que necesitamos es convertir esta tensión de CA en tensión de CC. Pero no es tan sencillo como parece. Así que vamos a tener una breve idea teórica sobre cómo se convierte la tensión alterna en tensión continua regulada.

Diagrama de bloques de ElProCus

La teoría del circuito

  1. La tensión de CA de la fuente de alimentación a 230 V se reduce primero a CA de baja tensión mediante un transformador reductor. Un transformador es un dispositivo con dos devanados -primario y secundario- en el que la tensión aplicada a través del devanado primario aparece a través del devanado secundario en virtud del acoplamiento inductivo. Como la bobina secundaria tiene un número menor de vueltas, la tensión en el secundario es menor que la tensión en el primario en un transformador reductor.
  2. Esta baja tensión de CA se convierte en una tensión de CC pulsante mediante un puente rectificador. Un puente rectificador es una disposición de 4 diodos colocados en forma de puente, de manera que el ánodo de un diodo y el cátodo de otro están conectados al terminal positivo de la fuente de tensión y, del mismo modo, el ánodo y el cátodo de otros dos diodos están conectados al terminal negativo de la fuente de tensión. Además, los cátodos de dos diodos se conectan a la polaridad positiva de la tensión y el ánodo de dos diodos se conecta a la polaridad negativa de la tensión de salida. En cada medio ciclo, el par de diodos opuesto conduce y se obtiene una tensión continua pulsante a través de los rectificadores de puente.
  3. La tensión continua pulsante así obtenida contiene ondulaciones en forma de tensión alterna. Para eliminar estas ondulaciones se necesita un filtro que filtre las ondulaciones de la tensión continua. Se coloca un condensador en paralelo a la salida, de forma que el condensador (debido a su impedancia) permite que las señales de CA de alta frecuencia pasen a través de él y se deriven a la tierra, mientras que la señal de baja frecuencia o de CC queda bloqueada. Así, el condensador actúa como un filtro de paso bajo.
  4. La salida producida por un filtro de condensador es la tensión continua no regulada. Para producir una tensión continua regulada se utiliza un regulador que desarrolla una tensión continua constante.
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Así que pasemos a diseñar un sencillo circuito de alimentación regulada AC-DC para accionar un LED.

Pasos para construir el circuito

Paso 1: Diseño del circuito

Para diseñar un circuito, tenemos que tener una idea de los valores de cada componente que se necesita en el circuito. Veamos ahora cómo diseñamos un circuito de alimentación de corriente continua regulada.

1. Decide el regulador que vas a utilizar y su tensión de entrada.

Aquí necesitamos tener una tensión constante de 5V a 20mA con la polaridad positiva de la tensión de salida. Por ello, necesitamos un regulador que proporcione una salida de 5V. Una elección ideal y eficiente sería el regulador IC LM7805. Nuestro siguiente requisito es calcular la tensión de entrada necesaria para el regulador. Para un regulador, la tensión de entrada mínima debe ser la tensión de salida sumada por un valor de tres. En este caso, para tener una tensión de 5V, necesitamos una tensión de entrada mínima de 8V. Establezcamos una entrada de 12V.

regulador 7805 por Flickr
regulador 7805 por Flickr

2. Decide el transformador que vas a utilizar

Ahora la tensión no regulada que se produce es una tensión de 12V. Éste es el valor eficaz de la tensión secundaria necesaria para un transformador. Como la tensión primaria es de 230V RMS, al calcular la relación de vueltas, obtenemos un valor de 19. Por tanto, tenemos que conseguir un transformador de 230V/12V, es decir, un transformador de 12V, 20mA.

Transformador reductor por Wiki
Transformador reductor por Wiki

3. Decide el valor del condensador del filtro

El valor del condensador de filtro depende de la cantidad de corriente consumida por la carga, la corriente de reposo (corriente ideal) del regulador, la cantidad de ondulación admisible en la salida de CC y el periodo.

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Si el pico de tensión en el primario del transformador es de 17V(12*cuadrado2) y la caída total en los diodos es de (2*0,7V) 1,4V, el pico de tensión en el condensador es de unos 15V aproximadamente:

∆V = VpeakCap- Vmin

Según lo calculado, Vpeakcap = 15V y Vmin es la tensión mínima de entrada del regulador. Por tanto, ∆V es (15-7)= 8V.

Ahora, la capacitancia, C =( I*∆t)/ ∆V,

Ahora, I es la suma de la corriente de carga más la corriente de reposo del regulador e I = 24mA (la corriente de reposo es de unos 4mA y la de carga de 20mA). También ∆t = 1/100Hz = 10ms. El valor de ∆t depende de la frecuencia de la señal de entrada y aquí la frecuencia de entrada es de 50 Hz.

Así, sustituyendo todos los valores, el valor de C resulta ser de unos 30microfaradios. Por tanto, seleccionemos un valor de 20microFarad.

Un condensador electrolítico por Wiki
Un condensador electrolítico por Wiki

4. Decide la PIV (tensión inversa de pico) de los diodos que se van a utilizar.

Como la tensión de pico en el secundario del transformador es de 17V, la PIV total del puente de diodos es de aproximadamente (4*17), es decir, 68V. Así que tenemos que conformarnos con diodos con una PIV de 100V cada uno. Recuerda que la PIV es la tensión máxima que se puede aplicar al diodo en su condición de polarización inversa, sin provocar su ruptura.

Diodo de unión PN by nojavanha
Diodo de unión PN por Nojavanha

Paso 2. Dibujo del circuito y simulación

Ahora que ya tienes una idea de los valores de cada componente y del diagrama completo del circuito, vamos a dibujar el circuito utilizando un software de construcción de circuitos y a simularlo.

En este caso, nuestro software elegido es Multisim.

Ventana de Multisim
Ventana Multisim

A continuación se indican los pasos para dibujar un circuito con Multisim y simularlo.

  1. En tu panel de Windows, haz clic en el siguiente enlace: Inicio >>> Programas -> National -> Instruments -> Circuit design suite 11.0 -> multisim 11.0.
  2. Aparece una ventana del software multisim con una barra de menús y un espacio en blanco que se asemeja a una protoboard, para dibujar el circuito.
  3. En la barra de menús, selecciona colocar -> componentes
  4. Aparece una ventana con el título "seleccionar los componentes"
  5. Bajo el título "Base de datos" - selecciona "Base de datos maestra" en el menú desplegable.
  6. En el apartado "Grupo" - selecciona el grupo deseado. Si quieres ir por una fuente de tensión o de corriente o por una tierra. Si quieres ir por cualquier componente básico como una resistencia, un condensador, etc. Aquí primero tenemos que colocar la fuente de alimentación de CA de entrada, por lo tanto selecciona Fuente ->Fuentes de alimentación -> CA_energía. Una vez colocado el componente (haciendo clic en el botón "ok"), ajusta el valor de la tensión RMS a 230 V y la frecuencia a 50Hz.
  7. Ahora, de nuevo en la ventana de componentes, selecciona básico, luego transformador, y después selecciona TS_ideal. Para un transformador ideal, la inductancia de ambas bobinas es la misma, para conseguir la salida tenemos que cambiar la inductancia de la bobina secundaria. Ahora sabemos que la relación de la inductancia de las bobinas del transformador es igual al cuadrado de la relación de vueltas. Como la relación de vueltas necesaria en este caso es de 19, tenemos que ajustar la inductancia de la bobina secundaria a 0,27mH. (La inductancia de la bobina primaria está en 100mH).
  8. En la ventana de componentes, selecciona básico, luego diodos, y luego selecciona el diodo IN4003. Selecciona 4 diodos de este tipo y colócalos en una disposición de puente rectificador.
  9. En la ventana de componentes, selecciona básico, luego Cap _Electrolítico y selecciona que el valor del condensador sea de 20microFarad.
  10. En la ventana de componentes, selecciona potencia, luego Regulador de tensión y, a continuación, selecciona "LM7805" en el menú desplegable.
  11. En la ventana de componentes, selecciona diodos, luego selecciona LED y en el menú desplegable, selecciona LED_verde.
  12. Utilizando el mismo procedimiento, selecciona una resistencia con el valor de 100 ohmios.
  13. Ahora que tenemos todos los componentes y tenemos una idea del esquema del circuito, vamos a ponernos a dibujar el esquema del circuito en la plataforma multi sim.
  14. Para dibujar el circuito, tenemos que hacer las conexiones adecuadas entre los componentes utilizando cables. Para seleccionar los cables, ve a Colocar y luego a Cablear. Recuerda que debes conectar los componentes sólo cuando aparezca un punto de unión. En multisim, los cables de conexión se indican con color rojo.
  15. Para obtener una indicación de la tensión a través de la salida, sigue los pasos indicados. Ve a Lugar, luego a 'Componentes', luego a 'Indicador', luego a 'Voltímetro', y luego selecciona el primer componente.
  16. Ahora tu circuito está listo para ser simulado.
  17. Ahora haz clic en "Simular" y luego selecciona "Ejecutar".
  18. Ahora puedes ver que el LED de la salida parpadea, lo que se indica con las flechas que se vuelven de color verde.
  19. Puedes verificar si obtienes el valor correcto de tensión en cada componente colocando un voltímetro en paralelo.
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Un diagrama completo del circuito simulado
Un completo diagrama de circuito simulado por ElProCus

Ahora ya tienes una idea sobre el diseño de una fuente de alimentación regulada para cargas que requieren una tensión continua constante, pero ¿qué pasa con las cargas que requieren una tensión continua variable? Te dejo con esta tarea. Además, cualquier consulta sobre este concepto o proyectos de electricidad y electrónica Por favor, aporta tus ideas en la sección de comentarios más abajo.

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