El circuito más versátil desde los ’50.

INTRODUCCIÓN.

El circuito electrónico que más se utiliza, tanto en la industria como en circuitería comercial, es el circuito de retardo de tiempos o temporizador, dentro de la categoría de temporizadores, cabe destacar el más económico y también menos preciso consistente en una resistencia y un condensador, como ya veremos, a partir de aquí se puede contar con un sinfín de opciones y posibilidades. En este manual se tratarán unos tipos sencillos para adquirir conocimiento de cómo conseguir un retardo en un sistema que no requiera gran precisión y terminaremos por analizar un temporizador de mayores prestaciones y sobre todo precisión.

 Cuando necesitamos un temporizador, lo primero que debemos considerar es la precisión en el tiempo de retardo, es una base muy importante para determinar los elementos que vamos a utilizar en su concepción y diseño.

Como se ha mencionado anteriormente un temporizador básicamente consiste en un elemento que activa o desactiva una carga después de un tiempo preestablecido más o menos largo. De esta manera podemos determinar el parámetro relacionado con el tiempo que ha de transcurrir para que el circuito susceptible de programarse, se active o desactive o lo que es lo mismo, simplemente cierre o abra un contacto.

EL  RETARDO MÁS SENCILLO.

El más simple de los retardos y tal vez el menos preciso, requiere de una resistencia de cierto valor y un condensador de considerable capacidad, ambos dependerán en gran manera de la tensión a la que se conecte el dispositivo.

Veamos, se necesita un retardo en una máquina cizalla de corte, la cual conlleva cierto peligro y riesgo de accidentar por descuido, al operario que la maneja. Debemos instalar un sistema de seguridad para evitar en lo posible cualquier accidente.

Necesitamos un sistema de seguridad que cumpla entre otros al menos con los siguientes requisitos:

1. – Que sólo cuando el operario esté fuera de peligro, la cuchilla de la cizalla pueda bajar.
2. – Dicho sistema de seguridad, ha de producir un retardo mínimo antes de la bajada de la cuchilla.
3. – Se dotará de un sonido y una fuente de luz intermitente de aviso que potencie la seguridad.

El primer paso, se puede lograr con la combinación de unos interruptores, colocados de forma estratégica, llamados finales de carrera y un par de pulsadores, localizados en la cercanía del recorrido de la cuchilla o sus accesos.

Para el segundo punto, podemos optar por un diodo rectificador D1, una resistencia R1 y un condensador C1. El montaje sumamente sencillo se muestra en la figura 01 y debajo la descripción.

Fig. 1

El diodo D1 se encarga de rectificar la corriente proporcionada por el secundario de un transformador a la que se conectará el equipo que, se ha de controlar, para lo cual deberá observarse las precauciones básicas y elementales a la hora de seleccionar los diferentes elementos mencionados, respetando un margen de seguridad de la tensión a la que se someterán los componentes del montaje.

Aún teniendo la tensión continua se necesita el diodo D1 para evitar la descarga de retorno, a continuación, se intercala la resistencia R1 que será la responsable directa del tiempo de carga del condensador electrolítico, es decir, a mayor valor resistivo le corresponde un mayor tiempo de carga del condensador. Para no entrar en cálculos empíricos, es cuestión de realizar unas pruebas o ensayos para averiguar la resistencia que en principio debe dejar pasar una corriente muy baja, dependiendo de la capacidad de C1.

El siguiente elemento, el condensador C1, debe escogerse de una considerable capacidad, cosa muy determinante, pero sin perder de vista la tensión, si utilizáramos la tensión de red de 220V, la tensión de C1 debe estar sobre 400V o mayor a la que se verá sometido, para evitar se caliente o perfore quedando inservible definitivamente. Un condensador de los que se utilizan en los motores de las lavadoras o los frigoríficos será el adecuado.

A la hora de elegir el condensador, es conveniente considerar su tamaño y siempre que sea posible debería optarse como se ha mencionado por un modelo electrolítico (de ahí el uso del diodo) debido esencialmente a la mayor capacidad y menor tamaño, cosa que en algunos casos no es posible, utilizando en tal caso uno de los no polarizados industriales de unos 8 a 12 µf y repito, por seguridad >400V, para una tensión de red de 220V.

Bien, veamos que ocurre cuando se aplica una tensión al diodo D1, de la figura 01, la corriente se rectifica a media onda al atravesarlo, esto la reduce a la mitad aproximadamente, esta tensión se encuentra la resistencia R1, que le restringe su paso a un valor calculado para un paso de corriente de unos pocos mA (miliamperios).

Fig. 2 Curvas de carga.

A la salida de R1, la tensión se precipita para cargar el condensador C1, que es el camino que menor resistencia le ofrece y, ese tiempo de carga, justamente es el tiempo que se pretende controlar, ya que durante ese tiempo de carga, la corriente no fluirá más allá de la unión R1-C1. Hay que tener en cuenta que el tiempo de carga (constante de carga), no representa más que dos tercios (2/3) de la capacidad total, rebasada la cual, la corriente empezará a fluir hacia el siguiente elemento conductor que encuentre, en nuestro caso puede tratarse de un relé.

De lo expuesto, se puede asegurar que la corriente que atraviesa el circuito, recorre dos caminos; uno el representado por la línea de trazos (Ic) durante los primeros 2/3 de carga, y otro, el de la salida (Id) en la figura 01. La salida puede conectarse a un relé que se encargará de producir el efecto deseado conectar/desconectar, según lo necesario.

Este caso digamos que es el directo, también se puede utilizar una forma más sofisticada, a ésta se conecta el relé en serie con la resistencia R1, la cual reduce su valor, de manera que se active el relé mediante la corriente de paso para la carga.

En ambos casos, se percibe que el control no es tal, ya que la constante de carga del condensador se ve influenciada por muchos parámetros, por lo además poco fiables. Se necesita un mayor control y rango de tiempos para un mejor control y seguridad.

Como se desprende de este montaje que si bien es sencillo, su flexibilidad y precisión se ven muy comprometidos.

Multivibrador Astable.

Un multivibrador astable, es una modificación de un multivibrador biestable, el cual a su vez, se basa en un monoestable. Un multivibrador astable, está constituido básicamente por unos pocos componentes y dos transistores acoplados por dos condensadores. En el esquema de la figura 03, observamos un multivibrador astable, los valores de los dos condensadores de 100µf y los de R2 y R3 son de 15KW ambas, a una tensión de trabajo de 5V, el ciclo del multivibrador astable es de 1 segundo por cada medio ciclo, el tiempo de ciclo o período total, es de 2 segundos aproximadamente. La frecuencia a que opera el circuito es el reciproco del período o sea, 0’5Hz. Observar que en los puntos marcados como Q y Q, se obtiene una señal complementaria, muy útil en muchos proyectos, Q=1 cuando Q=0 y viceversa.

Fig. 3

La frecuencia de reloj y ciclo completo podrán ser ajustados fácilmente por los valores de los dos condensadores de acoplamiento de los transistores o sus resistencias de carga. Hay una limitación sin embargo en esto: la frecuencia que opera sólo es aproximada; no es muy exacta y está sujeto a la dependencia con el envejecimiento de los componentes con el tiempo.

EL INTERMITENTE COMO RETARDO.

La solución, puede estar en los transistores que, permiten un mayor control de los diferentes parámetros, como son las corrientes y tensiones de disparo. Véase el intermitente formado por T1 y T2 en la figura 04, el filp-flop o báscula formada por estos transistores T1 y T2 (transistores NPN universales), a los que se ha añadido un tercer transistor T3, separador de etapas para independizar la carga del relé a su salida. Mediante el ajuste de los tiempos por los potenciómetros P1 y P2 se determina de basculamiento del flip-flop obteniendo un mejor control y amplitud de los tiempos de retardo.

Veamos, como funciona este montaje, la clave de este circuito se basa en que los dos transistores T1 y T2 conducen en oposición y en saturación, es decir, T1 conduce en saturación, la única condición es que mientras tanto T2 no ha de conducir y viceversa, cuando T2 entra en conducción lo hará en saturación de forma abrupta o sea lo más rápidamente posible, llevando al corte al transistor T1, esta es la función de una báscula, uno sube el otro baja.

Así pues, cuando alimentamos el circuito, consideremos inicialmente que, el transistor T1 está en saturación, la tensión en su colector será 0V, V1=VCC, esto descargará C1, acto seguido la base de T2 a través de P1 y R2 será positiva y esto hace bascular al transistor T2 que, entrará en saturación, llevando la tensión de colector de T2 a 0V provocando al mismo tiempo que vuelva a reiniciarse el sistema.

Mientras T1 conduce, C2 se estará cargando con la constante de tiempo R3·C2, este tiempo es el que determina la conducción de T1. Así mismo cuando esté conduciendo T2 se cargará C1 con su constante R2·C1 y este será el tiempo de conducción de T2. Si los valores de las resistencias R2 y R3 difieren, así lo harán los tiempos de conducción de T1 y T2, pudiendo controlar estos tiempos dentro de ciertos límites mediante los respectivos potenciómetros P1 y P2.

El tiempo puede así mismo, incrementarse algo más cambiando los valores de los condensadores C1 o C2.

Fig. 4 Temporizador

Los tiempos alcanzados con este sistema, tienen bastante fiabilidad, no obstante añadiremos que, suelen ser cortos, unas pocas horas, si se aumenta mucho el valor de los condensadores, entonces se pierde fiabilidad, debido a su alta tolerancia. Por lo tanto, siendo este un factor a tener en cuenta no se debe olvidar el corto control de tiempo que ofrece.

El trasfondo de este tipo de temporizador consiste en el uso de la bascula, como es sabido una bascula puede construirse también por ejemplo mediante dos puertas NAND y dado que una puerta de este tipo tiene bajo consumo y su alta impedancia de entrada, nos podemos aprovechar y realizar un temporizador de una mayor exactitud y ya que estamos por que no utilizar puertas CMOS, por su alta fiabilidad y las bajas perdidas, por cuyas características hacen más apropiado su uso para estas exigencias.

Fig. 5 Retardo

En la figura 05, se presenta el esquema de un temporizador un tanto especial, se ha empleado un circuito integrado de cuatro puertas trigger Schmitt, además se emplean resistencias de alto valor resistivo, con lo que se obtienen retardos prolongados en cada temporizador de los cuatro de que consta, otra particularidad es que al utilizar un ‘buzzer’ nos entrega un tono que varía según el estado de temporización. El retardo generado por N1, empieza al cerrar el pulsador y suele ser largo, pasado el tiempo la salida de N1 presenta un estado alto que activará al segundo retardo formado por N2, el cual genera un retardo mediano, a su salida esta señal activa a N3 que es un oscilador de baja frecuencia sobre 2k/c, con el que se modula, si vale la expresión al oscilador formado por la última puerta N4, un oscilador de baja frecuencia sobre 30 o 40 ciclos. La combinación de ambas frecuencias dará un variado matiz sonoro.

Con este tutorial, creemos que se puede dar por concluido, al menos por el momento el tema de retardos mediante transistores, básculas, flip-flop y semejantes circuitos. Ahora abordaremos las posibilidades de un viejo conocido.

EL UA555.

El circuito integrado temporizador 555 es introducido alrededor del 1971 y es presentado por la compañía Signetics Corporations como el SE/NE555, lo llamaron ‘IC la Maquina del Tiempo’. Han pasado más de 35 años de esto y aún sigue teniendo vigencia demostrando su gran versatilidad y fácil adaptación en multitud de aplicaciones. En los últimos diez años algunos fabricantes han dejado de fabricar estos contadores de tiempo, debido a la competencia u otras razones. Con todo, otras compañías, como la NTE (una subdivisión de Philips) ha tomado el relevo, otros sin embargo han creado la versión en CMOS, por su menor consumo.

Aunque actualmente se dispone de la versión CMOS de este circuito integrado implementada por Motorola MC14555, el tipo estándar todavía está disponible y se utiliza sobre todo, no obstante ha habido muchas mejoras y variaciones en el trazado del circuito. Pero todos los tipos son pin-a-pin compatibles. Cada vez que veo, este contador de tiempo 555 usado en circuitos electrónicos avanzados y de alta tecnología, me sorprende. Es poco menos que increíble.

En este tratado particular demostraremos, cómo es exactamente el contador de tiempo 555 y cómo puede utilizarlo correctamente por sí mismo o conjuntamente con otros dispositivos de estado sólido sin el requisito de un grado de ingeniería por su parte. Este circuito contador de tiempo utiliza un manojo de transistores, diodos y resistencias y por esta compleja razón utilizaremos un simplificado diagrama de bloques (pero más exacto) para explicar la organización interna de los 555. Así pues, da comienzo lentamente lo descrito arriba.

Fig.6

En la figura anterior se muestra el esquema de bloques interno de este circuito integrado y su encapsulado más habitual DIL se ve en la figura 09. El suministro de corriente, cuando la salida es ‘alta’, típicamente es 1 mA (mili-amperio) o menos. El monoestable inicial que cronometra la exactitud del tiempo está típicamente dentro del 1% de su valor calculado y la tendencia de variaciones en la tensión de suministro despreciables (0.1%/V). Así, pueden ignorarse las variaciones del suministro a largo plazo, y la variación de temperatura es sólo 50ppm/°C (0.005%/°C).

Todos los CI temporizadores cuentan con un condensador externo para determinar el alto-bajo de los intervalos de tiempo de los pulsos de salida. Como usted recordará de su estudio de electrónica básica, un condensador ( C) toma un período finito de tiempo para cargar o descargar a través de una resistencia (R). Esos tiempos están claramente definidos y pueden calcularse con dichos valores de resistencia y capacidad.

Fig. 7

El circuito básico de carga RC se muestra en la fig. 06. Asumiendo inicialmente el condensador sin carga. Cuando el interruptor está cerrado, el condensador empieza a cargarse a través de la resistencia. El voltaje por el condensador sube de cero al valor del voltaje de DC aplicado. La curva de carga para el circuito se muestra en fig. 08. El tiempo que emplea el condensador para cargar al 63.7% del voltaje aplicado, es conocido por la constante de tiempo (t). Ese tiempo puede calcularse con la expresión simple:

t = R x C

Sea una resistencia de valor 1MW y un condensador de una capacidad de 1µf (microfaradio), la constante de tiempo en este caso será:

t = 1.000.000 x 0’00.000.1 = 1 segundo.

Asumamos además que el voltaje aplicado son 6 voltios. Esto significa que tomará una constante de tiempo para la tensión del condensador cercana al 63.2% del voltaje aplicado. Por consiguiente, el condensador se cargará a aproximadamente a 3.8 voltios en un segundo.

Fig. 8 Curva de carga.

El µA555CT, es un dispositivo que puede configurarse como monoestable o biestable, según el esquema aplicado, nos permite construir un simple temporizador mediante unos cuantos componentes de bajo coste. En la imagen de la figura 09, se ve el encapsulado de 8 patillas en dos filas (‘dual in-line’).

Fig. 9 NE/SE555

En la figura siguiente, (perteneciente a la web de williamson-labs (muy lograda), puede apreciarse el funcionamiento del 555 como temporizador, esta es la formula que responde al circuito, T = 1.1 x R x C (donde T en segundos y C en faradios).

Veamos el esquema en la figura 10.

Fig. 10

Este último circuito nos puede servir en muchos casos que demanda la industria a diario. Pero si tuviéramos la necesidad de una mayor fiabilidad en que los tiempos a controlar deben ajustarse al tiempo real, debemos pensar en un circuito con mayores garantías de lo que hemos visto hasta ahora, basado en la tecnología digital. Pero esto es materia de otra lección que se aborda en la base de tiempos, lo que nos permitirá retardos en tiempo real.