Controladores básicos (Drivers).

Drivers, dispositivos controladores de puerto.

Introducción.

Aunque el título puede ser muy pretencioso, no debemos perder de vista que los microcontroladores siendo un dispositivo muy importante en la mayoría de equipos actuales, no pueden manejar tensiones e intensidades más allá de los 5V y 50mA, aproximadamente. Es tan cierto como que, cuando el sistema que controla dicho micro, requiere de una potencia mediana a gran potencia, a todos nos recuerda la necesidad de disponer de un elemento, driver o manejador de potencia para mover el sistema bajo control. Veremos distintos medios de construir un driver o manejador de potencia.

Un simple driver.

La mayoría de dispositivos eléctricos y electrónicos requieren tensiones y corrientes que destruirán los circuitos digitales, por tanto, en términos generales, debemos confiar dicha labor a los llamados circuitos controladores o drivers.

Normalmente una salida de un microcontrolador, puede tener tres estados (alto, bajo y alta impedancia), naturalmente al proyectar un driver tenemos que tener en cuenta este detalle. De modo que, en primer lugar se debe proteger la patilla de salida del microcontrolador, mediante una resistencia, limitando la corriente que circulará por dicha patilla, para hacer muy general el dispositivo que vamos a proyectar, consideraremos que la corriente máxima de la salida estará entorno a los 20mA y la tensión no mayor de los 5V. Con estos datos, podemos asegurarnos que el driver será útil para la mayoría de los microcontrolador que podamos a manejar.

Fig. 1

Tengamos en cuenta el concepto de sumidero/fuente que, veremos a medida que avanzamos. Como siempre, un ejemplo ilustrará lo que referimos, en la imagen anterior, una salida digital típica de conducción de bajo consumo, tenemos dos ejemplos en la izquierda el microchip, se comporta como un sumidero o drenador, absorbiendo la corriente procedente de la alimentación Vs y a la derecha el microchip se comporta como fuente o generador de la corriente que encenderá el LED.

En este tutorial, veremos los circuitos controladores con la combinación de transistores bipolares y MOSFET de potencia que, los utilizaremos como interruptores eléctricos.

Cuando cerramos un interruptor puesto en la línea, de una luz del hogar, decimos que suministra como una «fuente» la tensión. Sin embargo, si el interruptor lo conectamos del lado del neutro después de la carga, entonces decimos que el voltaje se «hunde» como por un sumidero.

El circuito conductor más común para controlar una carga, se compone de un transistor NPN bipolar. Uniremos la masa analógica y la masa digital. La tensión digital será de 5V (VCC), un estado alto digital «H» serán 5V y un bajo digital «L» es cero voltios (VSS), esto quiere decir que un estado Alto, entregará 5V en el interior del chip, mientras que un Bajo, será conectado a masa en el interior del chip. El tercer estado digital, se conoce flotante y está abierto tanto a VCC como a VSS, presenta una alta impedancia.

A continuación, abordaremos distintos métodos. En la figura que sigue, tenemos una entrada alta, procedente de un dispositivo digital, mediante R1 limitaremos la corriente (normalmente entre 1K y 5KΩ) que, atacará la base del transistor Q1, entre base-emisor del transistor Q1, provoca un flujo de corriente en el circuito de colector-emisor a través de la carga. Si consideramos una corriente de 5mA a través de R1 y una ganancia en Q1 de 110, la corriente de colector puede llegar a los 550mA dependiendo de la carga. Cuanto mayor sea la ganancia del transistor bipolar, tanto mayor será la corriente colector-emisor.

Fig. 2

Del anterior párrafo, se desprende que si utilizáramos un transistor darlington, que tienen una ganancia muy alta y por tanto requieren menor corriente de base. Gracias a su mayor b (beta). Si cada transistor (del darlington) tiene una ganancia de 100, la ganancia total sería de 100 X 100 = 10000, con esto obtendremos una mayor corriente de colector-emisor. Tanto en este ejemplo como el anterior, se puede considerar al transistor como un sumidero de la corriente de la carga.

Fig. 3

En este ejemplo hemos utilizado un transistor darlington NPN, también se aprecia un diodo entre emisor-colector, este se debe aplicar para prevenir las sobretensiones, producidas en las cargas inductivas que puedan destruir el transistor. Como precaución añadida, es conveniente disponer un diodo en paralelo a cualquier carga inductiva.

Fig. 4

CONMUTAR UN MOSFET.

Fig. 5

Estas son dos conexiones de un MOSFET canal N y un MOSFET canal P, aquí, la resistencia R1 de 100K, es necesaria para bloquear la carga que queda en el terminal de puerta (G).

Fig. 6

En la anterior figura, se muestra un control básico utilizando un transistor MOSFET de canal N. Como ya sabemos, a diferencia de los transistores bipolares, los MOSFETs son dispositivos que funcionan con voltaje, no con corriente. Una carga eléctrica (voltaje) en la puerta (G) en relación con la fuente (S) encenderá el dispositivo. En este caso, se comporta como un sumidero.

Fig. 7

En este ejemplo, utilizamos un MOSFET canal P de potencia, en el que el terminal fuente (S) está conectado directamente al positivo de la alimentación, mientras el bipolar Q1 está cortado, por tener su base un nivel de tensión de 0V (o cercana a cero voltios), lo que pone una tensión en colector (C), cercana a +Vcc, Q2 permanece cortado. Sin embargo, cuando el micro entregue 5V a la base de Q1, éste conmutará, cayendo su colector (C) a 0V, entonces Q2 encenderá y también la carga. La resistencia de colector dependiendo de VCC, puede estar entorno a los 10KΩ, para limitar el consumo de colector.

Resumiendo.

Hasta el momento, hemos visto una serie de circuitos operadores con transistor bipolar y circuitos MOSFET, todos ellos tienen el mismo defecto, que comparten el ser conectados eléctricamente a los circuitos digitales de baja tensión con los circuitos de alta tensión. Este defecto, lo podemos evitar mediante el uso de opto-acopladores, para cortar o aislar totalmente la conexión de las fuentes de alimentación de alto voltaje y la alimentación digital.

DRIVERS OPTO-ACOPLADOS.

Como se indica en el párrafo anterior, podemos separar las fuentes de alimentación de voltaje superior, aislando totalmente los circuitos digitales de baja tensión. Podremos cambiar la polaridad de las tensiones de alimentación altas, sin tener en cuenta el circuito digital, negativo común a masa si es necesario.

Fig. 8

Este es un opto-acoplador u opto-aislador básico. El nivel de tensión en el punto de Vo es en VCC con S1 abierto. Cuando S1 se cierra, la luz del diodo emisor de luz D1 incide sobre la base de Q1 provocando que, conduzca a tierra como un interruptor. El voltaje en el punto Vo caerá a cero.

El transistor Q1 es, un foto-transistor bipolar NPN y tanto el LED y el transistor son a menudo un dispositivo físico. Como se puede apreciar, el circuito de entrada no tiene conexión eléctrica alguna con el circuito de salida, estando aislada varios miles de voltios, véase las hojas de datos del fabricante.

Fig. 9

El transistor de salida de un 4N25, es todavía un dispositivo de baja potencia, con una VCC máxima de 30 Voltios y corriente de colector de 150mA, por lo que para manejar cargas mayores, debemos utilizar los componentes de mayor potencia.

Fig. 10

Para manejar un transistor darlington NPN de potencia, con una ganancia de 1000, se necesita muy poca de corriente de base para conmutar el opto-acoplador. Por ejemplo, el TIP120 tiene una corriente de base (Ib) máxima de 150 mA mientras que el 4N25 tiene una corriente máxima de colector de 150 mA, R2 puede estar entre 5K6 y 10KΩ.

Fig. 11

En este ejemplo, conmutamos un MOSFET de canal N, la carga en modo «sumidero». R3 puede ser de 100KΩ.

Fig. 12

En estos dos ejemplos se separa el suministro de VCC totalmente de los circuitos digitales. De hecho, podríamos haber hecho esto mismo con todos los circuitos con opto-acoplador. Veamos, un P-MOSFET de potencia con la carga en modo «fuente», R6 será de 10K y la VCC está limitada a 30 voltios, debido al 4N25, esto puede cambiar si se utiliza otro opto-acoplador.

Fig. 13

Los opto-acopladores pueden solucionar una gran cantidad de problemas entre los que se cuentan: interferencias, descargas indeseadas, desacoplo de tensiones entre circuitos y muchos más. Es bastante habitual interponer un circuito separador (74HCT244 o similar) entre las entradas y salidas de un sistema controlador por ordenador, como puede ser la salida de un puerto paralelo (puerto de impresora), cuando lo queremos utilizar para un control externo al PC.

Esto es todo, por este simple tutorial, como siempre, los comentarios serán bien recibidos.