sábado, 4 de junio de 2016

Conexión de entradas / salidas (Elementos de protección y potencia para las salidas digitales "1")



Bajo este rebuscado título esperamos poder describir las opciones de que disponemos, para conectar cargas a las salidas digitales de nuestras placas o microcontroladores.


El objetivo es evitar daños por exceso de corriente, y protegerlas en caso de problemas derivados por cruces u otros agentes externos, los cuales si no lo prevemos de antemano, podrían dañar nuestras instalaciones con la consecuente inutilización temporal de nuestro sistema domótico.


Como ya comentamos en el  artículo
anterior referido a las salidas digitales, una placa como puede ser Arduino UNO, está sujeta a unas limitaciones en cuanto a la intensidad que puede suministrar (o soportar), tanto por cada salida como en total por la suma de todas ellas. Recordamos que son de 40 mA. por salida individual, y de 300 mA. por la suma de todas ellas a 5 Vcc. y de 50 mA. a 3,3 Vcc.


Aclararé en este punto, que este artículo está destinado a conocer los conceptos básicos del hardware, que todos deberíamos de tener en consideración antes de emprender nuestros proyectos, por lo que no se explicará la manera de configurarlos en Souliss. Si bien, a partir de este articulo (recordemos que estamos en el nivel básico), empezaremos a publicar ejemplos prácticos, (ya tenemos unos cuantos perfilados), para poder seguirlos sin el peligro de quemar nuestras placas, por desconocimiento de las normas especiales de la física eléctrica.

Una vez dicho esto vamos a ir entrando en materia.



Capítulo 1

Conexión de un led.



El primer ejemplo y más sencillo, será el de encender un led.


Se trata de una de las conexiones más sencillas de realizar, sin embargo lo que vamos a intentar, es que se entienda por qué se debe de realizar así, y qué sentido tiene conectar una resistencia, así como enseñar a calcularla para que a partir de estas nociones, tengamos claro cada paso que vayamos haciendo por sencillo y evidente que nos parezca.


Como vimos en el artículo de salidas digitales, cada una de ellas nos puede proporcionar una tensión de salida negativa o positiva, por lo que dependiendo de la programación y de la función que le queramos dar a nuestra aplicación, lo conectaremos de una de las dos maneras definidas en el dibujo siguiente.


 
 
También deberíamos de saber las características de funcionamiento de nuestro led. Seguidamente os muestro una tabla para los leds más estándar, pero debéis de tener en cuenta que por ejemplo un led de alta luminosidad tiene otras características de tensión y consumo, por lo que cada cual deberá de adaptar o buscar los datos del que pretenda utilizar.


Para calcular la resistencia utilizaremos una formula basada en la ley de Omh.


Si partimos de la base de ley de Omh la cual es:


R = V / I


Siendo:


R = La resistencia a calcular en ohmios Ω


V = La tensión del circuito en voltios V


I = La intensidad del circuito en amperios A



Necesitamos averiguar el valor de la resistencia que incorporaremos, para que esta pueda asumir la tensión sobrante entre la suministrada (5V), y la que puede consumir el led (2V por ejemplo).


Para calcularlo utilizaremos la ley de Omh, con ella calcularemos la resistencia del circuito, pero en este caso particular lo que nos interesara es calcular la resistencia para la tensión diferencial, es decir la tensión de salida de la placa “V” menos la tensión consumida por nuestro led “Vled”.



Así nuestra formula deberá de quedas como sigue:


R = (V – Vled) / I




Siendo:


R = el valor de la resistencia a calcular en Ω.


V = la tensión de alimentación de la salida (V)


Vled = la tensión máxima admisible por el led (V)


I = Intensidad máxima admisible por el led (en amperios A)


Explicada ya la fórmula, podremos empezar a calcular el valor de la resistencia. En este caso calcularemos como ejemplo la necesaria para un led de color rojo, por lo tanto, la fórmula quedaría según lo siguiente;


R = (5 – 2,2) / 0,02 = 140 Ω


Siendo la intensidad máxima admisible de 20 mA, deberemos de pasar esta medida a amperios, obteniendo 0,02 A. Esta es la cifra que podreis observar en la formula anterior.


Ahora deberíamos de verificar qué resistencia normalizada del mercado se acerca más a nuestro cálculo
.


Observamos que los valores más cercanos son las de 120 y 150 Ω, ante lo cual siempre escogeremos la de valor más elevado, no obstante vamos a ver mediante la ley de Omh, que pasaría utilizando cada una de ellas.


La tensión que le llegará al led la calcularemos utilizando de nuevo la ley de Omh; R = V / I


Que despejada para averiguar la intensidad quedarías así:


V = (R x I)


Con esto averiguaríamos la tensión que consumirá la resistencia, por lo tanto el resto hasta llegar a los 5 V que nos suminsitra nuestra placa, será la tensión que destinada a encender del led.

Así nuestra formula final será:


Vled = V – (R x I)


En el primer caso (120 Ω) la alimentación que recibiría el led sería de:


5 – (120 x 0,02) = 2,6 V


Y en el segundo caso (150 Ω):


5 – (150 x 0,02) = 2 V


Además podríamos calcular la tensión que dispondríamos si utilizásemos la siguiente resistencia normalizada que sería la de 180 Ω.

5 – (180 x 0,02) = 1,4 V


Descartaremos la resistencia de 120 Ω ya que una tensión de 2,6 está por encima de los 2,2 V de tensión máxima admisible por el led.


Optaríamos por la resistencia de 150 Ω, ya que 2 V, es justo la tensión media aconsejada por el fabricante.


Y en caso de no disponer de la resistencia óptima de 150 Ω, y sí que tuviésemos a mano una de 180 Ω, la podríamos utilizar suministrando 1,4 V, con lo que el led se iluminaría por debajo del nivel óptimo, pero no lo dañaría en absoluto.






Como habréis observado, el consumo del led lo hemos calculado a 20 mA, y cada salida digital nos puede proporcionar hasta 40 mA, por lo que no tendríamos problemas relacionados con el consumo.


 



Pero si en un proyecto vamos a utilizar varios leds para informarnos de un estado en concreto, podríamos optar (para rebajar el consumo) por no tenerlo siempre encendido, es decir, podríamos provocar un parpadeo no visible al ojo humano. 


Probar a encenderlo una quinta parte del tiempo, 1 ms de cada 5 ms, ahorrando así una quinta parte del consumo.
Otra opción puedes ser configurarlo como intermitente (cosa que llamará más nuestra atención), podríamos encenderlo 5 ms de cada segundo, con lo que habríamos reducido el consumo en 200 veces.

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