Conocer Arduino Uno – Clase 10 – Disparando una carga con el uso de un relé (parte 1)

Como ya se ha dicho, las puertas de un Arduino proporcionan una cantidad muy pequeña de energía, es decir, una corriente muy baja, suficiente sólo para alimentar un LED o polarizar la base de un transistor. Por lo tanto, es necesario utilizar un circuito auxiliar para accionar cargas más altas, y esto es lo que se muestra a continuación. 

Si acabas de llegar, asegúrate de revisar las primeras lecciones accediendo a la sección Arduino.

Pero, antes de ir al circuito en sí, hay que conocer tres nuevos elementos que son:

  • Relé;
  • Diodo;
  • Transistor.

Si has hecho todas las clases hasta ahora deberías haber notado que Arduino requiere un conocimiento muy amplio y envolvente:

  • Programación;
  • Eléctrico;
  • Electrónico;
  • Mecánico;
  • Internet e Intranet.

Así, en esta clase estudiaremos un poco más de electromecánica que es el relé y la electrónica que implica un conocimiento sobre los semiconductores que son los diodos y los transistores. 

Saber un poco más sobre Relay

Es un dispositivo de conmutación y electromecánico utilizado por el hombre durante mucho tiempo, y ciertamente el más antiguo de los tres que se estudian en esta clase.

La siguiente figura muestra una imagen simplificada de un relé.

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Un relé consiste en un material de núcleo ferroso (2 en la figura de arriba) que recibe una bobina (1 en la figura de arriba) de alambre de cobre, tenga en cuenta que la bobina no es más que una secuencia de vueltas de este alambre alrededor del núcleo.

Cuando la bobina es impulsada por una corriente eléctrica, genera un campo magnético que transformará su núcleo en un imán temporal, es decir, será un imán mientras haya corriente corriendo a través de la bobina. Este núcleo transformado en imán por la corriente que pasa por la bobina atrae la armadura del relé (3) que cerrará los contactos (4) y los mantendrá cerrados mientras el núcleo ejerza una atracción sobre la armadura (3), es decir, mientras haya corriente pasando por la bobina (1).

La figura siguiente muestra la conexión de un relé con la bobina excitada, obsérvela cuidadosamente.

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Cuando se interrumpe la corriente que pasa a través de la bobina(1), el núcleo (2) deja de comportarse como un imán y libera el refuerzo(3), interrumpiendo así el contacto(4), observe cuidadosamente la figura de abajo.

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Nótese que de esta forma podemos comandar la carga que en el caso de una lámpara, pero por supuesto, podría ser cualquier otra cuyo consumo sea soportado por el relé con una llave que sólo soporte el consumo de la bobina que en general es menor que el consumo de la carga principal, pero que en la mayoría de los casos el relé todavía puede ofrecer algún riesgo a la placa Arduino para su consumo, por lo que es interesante seguir utilizando un sistema independiente para alimentar esta bobina que se mostrará en detalle en la siguiente lección.

Relé de tres puntos

Se diferencia de la anterior por tener dos contactos:

El normalmente cerrado: que permanece un contacto cerrado mientras la bobina no está energizada y se abre cuando la bobina está energizada.

El normalmente abierto: que se cierra cuando la bobina está energizada al mismo tiempo que se abre el contacto normalmente cerrado. 

La siguiente figura muestra un relé de este tipo, que en realidad es más común en las tiendas especializadas. Observe que se muestra tanto en el estado en el que las bobinas están energizadas como en el estado en el que las bobinas están sin energía corriendo a través de sus bobinas.

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Tenga en cuenta que mientras que el primer relé ofrecía la posibilidad de activar o desactivar una carga, ofrece la posibilidad de desactivar una carga al mismo tiempo que se activa una carga al mismo tiempo.

A continuación, entraremos en el estudio de los otros dos componentes utilizados en el circuito, que son los diodos y los transistores, pero para una mejor comprensión y aprendizaje de este componente es importante recordar qué es conductor, semiconductor y aislante, vamos.

Materiales conductores

Son materiales que ofrecen una resistencia muy baja al paso de una corriente eléctrica, una resistencia que puede considerarse inexistente cuando la fuente está a pocos metros de la carga.

Materiales aislantes

Son materiales que ofrecen una resistencia muy alta al paso de la corriente eléctrica, lo que impide el paso de la corriente, es decir, no permiten el paso de la corriente eléctrica.

Semiconductores

En resumen, podemos decir que un semiconductor es algo que se encuentra entre un material conductor y un material aislante, es decir, es un material que tiene un valor típico de conductividad y resistencia eléctrica que se sitúa entre la conductibilidad de un material conductor y la no conductibilidad y un material considerado aislante.

El cristal de silicio más utilizado en la electrónica se encuentra en la naturaleza de forma no pura, por lo que es difícil controlar la naturaleza de estos cristales, por lo que se aplica un proceso de purificación de este cristal.

Una vez alcanzado el nivel de pureza deseado, las impurezas se inyectan en este cristal de forma controlada con la intención de generar electrones libres o huecos. Este proceso se llama dopaje.  Las impurezas que se utilizan en un proceso de dopaje pueden ser de naturaleza donante o de naturaleza aceptante.

Naturaleza donante: son átomos de materia que tienen 5 electrones en su capa de valencia (fósforo y antimonio), creando así un cristal negativo (N) porque la impureza insertada en el cristal produce un electrón libre en la capa de valencia cuando se somete a una pequeña diferencia potencial.

Aceptando la naturaleza: se insertan átomos de materia que tienen 3 electrones en su capa de valencia (aluminio y galio), creando así un cristal positivo (P), ya que la impureza insertada en el cristal produce un hueco en la capa de valencia que aceptará un electrón libre cuando se somete a una pequeña diferencia de potencial.

Es exactamente la unión del cristal positivo con el cristal negativo lo que hace posible que todo sea electrónico lo que existe en los días actuales, con toda la certeza de que si no fuera por esto nos detendríamos en el tiempo de la válvula y aún así haríamos imposible todo lo que está allí.

Abajo hay una imagen de una unión de cristales de P y N que no es más que un diodo que estudiaremos a continuación.

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No te preocupes si todo esto te parece un poco confuso, a medida que progreses en tus estudios verás que todo se aclarará. Todo lo que se ha dicho sobre los semiconductores y para que usted tenga la noción de cómo polarizar un diodo para que conduzca la corriente o la polarización correcta de un transistor para que funcione como un seccionador interruptor para energizar la bobina de un relé como será en la próxima lección. 

Saber un poco más sobre Diodo

El diodo es el ejemplo más simple del uso del cristal positivo y negativo, es decir, nada más que la unión de un cristal negativo con un cristal positivo, como se muestra en la figura siguiente. Es un simple dispositivo de estado sólido: el diodo semiconductor de unión.

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Tenga en cuenta que cuando el diodo está polarizado inversamente, es decir, el cristal tipo P se enciende en el lado negativo de la fuente y el cristal tipo N en el lado positivo de la fuente no permite el paso de la corriente eléctrica, mientras que cuando invertimos la situación al encender el cristal tipo P en el lado positivo de la fuente y el cristal tipo N en el lado negativo de la fuente, decimos que está polarizado directamente y permitirá el paso de la corriente eléctrica.

Es esta característica la que convierte al diodo en uno de los componentes más utilizados en el mundo de la electrónica, ya que actúa como rectificador de corriente, es decir, transforma la corriente alterna en corriente continua, permitiendo así conectar un ordenador a la toma de corriente de su hogar, el televisor, en definitiva, cualquier aparato electrónico de pequeño tamaño que pueda depender de los diodos para poder conectarse a la red eléctrica que alimenta a hogares, empresas e industrias existentes en cualquier parte del mundo.

Saber un poco más sobre el transistor bipolar

Haciendo una analogía podemos decir que un transistor bipolar sería como si conectáramos dos diodos, pero, Cátodo con Cátodo y o Ánodo con Ánodo.

En la figura 1 tenemos un sándwich de cristal que forma la estructura del transistor PNP donde tenemos dos cristales positivos y un relleno de cristal negativo, por esta razón PNP. Pero vale la pena decir que esto es sólo una analogía no empleada como un transistor de ninguna manera. Pues, el propio transistor tiene el cristal de su base mucho más estrecho que los cristales que forman el emisor y el colector, como un sándwich en sí mismo, donde en general el relleno es siempre más fino.

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La Figura 2 que se muestra a continuación hace una analogía de los diodos conectados Ánodo con Ánodo que representa un transistor NPN bipolar y las explicaciones aquí son las mismas que las dadas anteriormente. Mira de cerca la figura y será fácil de entender.

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La siguiente es la imagen más realista de un sándwich de cristal que representa primero el transistor NPN y luego el PNP y como se puede ver la base es mucho más delgada que el emisor y el colector.

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A continuación tenemos uno de los símbolos más utilizados para representar estos dos tipos de transistores bipolares y en general son estos símbolos los que se encuentran en los digramas.

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Polarización de transistores bipolares

El transistor es un componente polarizado, es decir, tiene la forma correcta de encenderlo para que funcione correctamente como se muestra a continuación.

Polarización de un transistor NPN

Transmisor base: debe estar polarizado en la dirección directa, es decir, el transmisor debe estar conectado al terminal negativo de la fuente y la base al terminal positivo de la fuente.

Base del colector: debe estar polarizada en sentido contrario, la base debe ser negativa con respecto al colector y el colector debe estar conectado al terminal positivo de la fuente.

Nótese que este proceso de colocar la base positiva en relación al transmisor y negativa en relación al colector consiste en el proceso de conectar la base al terminal positivo de la fuente a través de una resistencia. 

Eche un vistazo a la siguiente figura que muestra esta conexión:

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Polarización de un transistor PNP

La estación base: debe estar polarizado en la dirección directa, es decir, el transmisor debe conectarse al terminal positivo de la fuente y la base al terminal negativo de la fuente.

Base del colector: debe estar polarizado en la dirección opuesta, la base debe ser positiva en relación al colector y el colector debe estar conectado al terminal negativo de la fuente.

Nótese que este proceso de colocar la base negativa en relación con el transmisor y la base positiva en relación con el colector consiste en el proceso de conectar la base al terminal negativo de la fuente a través de una resistencia. 

Eche un vistazo a la siguiente figura que muestra esta conexión:

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Nota: Nota que el enfoque de este curso es estudiar la polarización de un transistor como interruptor de llave y nada más, y esta es sólo una de las funciones que el transistor bipolar puede realizar, pero, este es el enfoque que nos interesa en este momento.

No se preocupe si todo esto le parece un poco confuso en la próxima lección, entrará en práctica con la polarización de transistores bipolares para que funcione como un interruptor de llave y verá que todo se vuelve mucho más claro.

Esta clase ha llegado a su fin, hasta el próximo buen estudio.

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