Un poco de electrónica digital: Selector entre nueve valores de dos señales cada una

Continuando con la entrada anterior, el problema de usar chips de puertas es que para 9 señales hacen falta 1 inversor, 5 chips de puertas AND de 4 entradas y 3 chips de puertas OR de 2 entradas, muchos chips, cuando existen algunos que ya incluyen dentro el circuito básico del selector, y usando chips cuádruple selector de 2 entradas, con 3 chips lo tenemos resueltos. El esquema del circuito sería este:

A al izquierda las entradas de alimentación de los chips, sus condensadores de desacoplo, y el interruptor, arriba las nueves señales a conmutar cada una entre dos valores, y a la derecha los tres selectores con sus 9 salidas. Evidentemente si se desean usar 6 señales solo es necesario quitar el último chip. El circuito se monta en una pequeña placa, con unos pocos puentes marcados en rojo:

Un poco de electrónica digital: Selector entre dos señales, doble CIC en una N64

En los foros de "El otro lado" alguien ha montado un selector de región para la N64 de la forma mas sencilla posible con dos CIC. Os lo cuento un poco.

Nintendo y Sega desde sus primeras consolas quisieron proteger las máquinas y los juegos, de forma que solo arrancaran juegos desarrollados en una zona geográfica determinada en máquinas vendidas en esa zona. Definieron varias zonas, Europa, USA y Japón principalmente, pero conforme avanzaban la expansión de las ventas se definieron otras adicionales como Ásia Pacífico o Latinoamérica.

Nintendo desde el comienzo de la NES usaba la combinación de dos chips, uno en la consola y otro en el cartucho. Al arrancar la máquina el CIC del cartucho envía a la máquina una clave cifrada, el CIC de la consola genera el suyo, los compara y si coinciden la maquina arranca, si no quedaba con pantalla negra. El CIC enviaba una señal de bloqueo a la máquina, pero en los primeros se descubrió que simplemente levantando esa pata no se producía el bloqueo, por lo que en las NES solo hay que cortar una pata del chip,y en las SNES se levanta una pata. Esto fue descubierto relativamente pronto, por lo que algunos juegos usan otro sistema y cuando no reciben una señal adecuada no se ejecutan directamente. En las siguientes máquinas se mejoró bastante, por lo que cada vez era mas difícil el desbloqueo.

Para evitar todos los posibles problemas, lo que se ha echo mas recientemente es, usando ingeniería inversa, decodificar el programa del CIC, y reemplazarlo por otro chip diferente, normalmente un microcontrolador PIC, que se comporte igual y así engañar siempre a la máquina.

Para este montaje es necesario disponer de un poco mas de conocimientos y poder grabar el programa del PIC. Para la N64 se ha descubierto la forma de reemplazar el chip, pero hay aficionados que pensaron otro enfoque, si dispones de una placa japonesa y otra europea por ejemplo, quitas el CIC de la europea y se lo pones a la Japonesa, y mediante unos selectores decides cual de los dos chips quieres utilizar. En la N64por ensayo y error se ha detectado que hay 5 líneas que se comportan diferente según la región, 2, 5, 6, 8 y 28, aunque según otros son 9 líneas 1, 2, 5, 6, 8, 13, 15, 19 y 28, siendo el resto comunes a ambos chips.

Lo que se hace es levantar esas patas del CIC de la placa, y soldar hilos a todas las patas, los 9 necesarios se llevan a una serie de interruptores, y el resto se llevan a las patas del otro CIC. El montaje requiere 9 interruptores de 1 circuito, o 5 de dos circuitos, y aun usando interruptores de 4 circuitos requiere 3, y todos deben estar al mismo lado siempre para que esto funcione. El montaje para cinco líneas sería algo así:


Esto se puede hacer de varias formas usando electrónica digital y un solo interruptor, voy a poner una muy básica, un circuito selector de dos señales con un solo interruptor de dos posiciones un circuito usando dos puertas AND, cuyo resultado se mezcla usando una OR. Solo hay que repetir el resultado para todas las señales que se desee utilizar:

La señal que usaremos son los 5 voltios o la masa, ponemos ambas a los lados del interruptor, y según su posición obtenernos una u otra. Esta señal se invierte a la salida del interruptor, y ya tenemos las dos señales que necesitamos, una con el voltaje o masa, y la otra con su inversa, la que esté a 5 voltios será la activa en cada momento.

Disponemos de las dos señales a seleccionar, 1A y 1B, se une la A con la señal directa en una puerta AND, y la B con la inversa en otra, de esta forma aunque siempre se generan ambas señales, solo una de las dos aparece en la salida de las puertas. Solo resta unir las dos salidas, podemos hacerlo directamente, pero es mejor usar una puerta OR para ello, de esta forma no solo en el punto C tendremos la señal existente en el punto A o el B según la posición del interruptor, sino que mantiene los niveles adecuados siempre, no es buena idea en general unir las salidas de dos puertas directamente para mezclarlas, aunque en este caso solo una de las dos estará siempre activa, por lo que no deben producirse interferencias.

Solo hay que repetir las dos puertas AND y la OR para cada señal que deseemos usar, aunque hay chips que ya montan este tipo de multiplexores, electrónica discreta y sencilla, aunque es posible usar una EPROM (aunque sea una memoria, realmente son solo puertas), o una GAL o un CPLD, aunque para todo esto ello hace falta un programador.

Lógica progamable (III): Ejemplo sencillo, síntesis de una GAL en lugar de 4 puertas

Este ejemplo espero que sea sencillo de entender, aunque requiere saber un poco de electrónica digital, pero no creo que sea difícil de entender. voy a hacer un diseño con tres puertas, y luego reemplazarlos por una GAL, el caso es extrapolable a cualquier tamaño de circuito.

Disponemos de cuatro señales de entrada, que llamaremos A, B, C y D. Voy a hacer un circuito que haga lo siguiente, sume el producto de A con B con el contrario del producto de C con D. El esquema sería el siguiente:



Necesitamos dos puertas AND, una NOT y una OR, por tanto usaremos tres chips, uno con 4 puertas AND del que usaremos solo 2, otro con 4 puertas NOT del que usaremos solo una, y otro con 8 puertas NOT del que usaremos solo una.

Seguro que mas de uno se pone y lo desarrolla con un solo tipo de puertas usando álgebra de Boole, ya que siempre se puede reducir AND a NOR y al contrario OR a NAND, pero eso es cargarse el ejemplo, y a mi me salen de todas formas 5 puertas mínimo.

Esto se puede simplificar usando un solo chip con una pequeña GAL con al menos 5 celdas AND/OR, usando solo una línea de código:

Pin A,B,C,D entrada ;
Pin S Salida;

S = (A AND B)  OR (NOT(C AND D));


Un solo chip y una ecuación en una línea de Abel, Verilog o VHDL, y a correr. Lo puedo meter en un chip de los que se fabriquen hoy día, y si mañana dejan de hacerlo, busco otro chip, le meto mi línea y a funcionar.

Mi descripción del funcionamiento (mi "programa fuente") es la síntesis del circuito, y luego cuando genero (lo que podemos llamar "compilar") es el desarrollo interno del circuito. Solo tengo que mantener mi definición, y generar (que no compilar) el circuito específico para el chip que quiero usar, y si cambia el chip solo tengo que volver a generar mi definición.

Lógica progamable (II): ¿que es eso del HDL?

Los dispositivos lógicos necesitan configurarse, y la forma de hacerlo es usando un lenguaje similar a los de programación denominados genéricamente HDL, Hardware Description Language o Lenguaje de DESCRIPCION de Hardware, y subrayo el DESCRIPCION ya que no se comportan como lenguajes normales de programación.

Un ejemplo típico de la diferencia, usando C, para intercambiar dos variables entre si se usa una auxiliar, y si queremos cambiar el contenido de la variable A por el de la variable B, usando como auxiliar la C debemos introducir 3 líneas:

C = A;
A = B;
B = C;

Sin embargo en un HDL como Verilog o Abel, que usan la sintaxis del C, las variables no existen, solo existen señales, y para intercambiar una señal A y una señal B se usa:

A = B;
B = A;

En VHDL, para evitar el uso de la asignación y dejar claro que no son variables sino señales se usaría

A <= B;
B <= A;

Ambas sentencias se ejecutan SIMULTANEAMENTE, no secuencialmente, que es la gran diferencia en este tipo de lenguajes, estamos configurando un chip, por tanto todo se ejecuta a la vez, a no ser que expresamente lo sincronicemos con una señal de reloj.

El lenguaje por excelencia para esto es VHDL, basado en la sintaxis del ADA y que gusta mas a los electrónicos, pero es igual de ponente que Verilog, basado en C y que suele gustar mas a los programadores, o ABEL, también basado en C, que se suele usar mas en la definición de chips mas pequeños como las GAL, en el que el hardware puede definirse usando ecuaciones lógicas o tablas de verdad, y no requiere grandes recursos para generar el hard.

Lógica progamable (I): Que es y porque usar una FPGA no es ir contra el espítiru del retro

Voy a contar lo que es una FPGA, y espero que se entienda que usarlas no es ir contra el retro, sino que son los dispositivos que va a salvar a la larga nuestra afición.

Comienzo explicando que es un transistor de forma sencilla de entender, pero quiero advertir que la siguiente explicación no es técnica sino para que se entienda, si sabes como funciona un transistor sáltatelo (o ríete sin piedad).

Un transistor explicado de la forma mas sencilla posible es como una resistencia variable que se controla por una señal.
Un transistor tiene tres patas, colector, base y emisor. En su comportamiento como amplificador, si disponemos de una fuente de alimentación que proporciona 30 voltios y la conectamos al colector, y por la base introducimos una señal cuyo voltaje varía entre 0 y 3 voltios, en el emisor aparece una señal idéntica, pero amplificada en el rango de 0 a 30 voltios.

Pero también pude funcionar de otra manera, como conmutador. Si en el colector tenemos una fuente de 5 voltios, y en la base aplicamos menos de 2 voltios, en el emisor no hay corriente, pero si ponemos entre 2 y 5 voltios en el emisor aparecen los 5 voltios de la fuente. De esta manera el transistor se comporta como un interruptor controlado por una señal externa.

Los transistores pueden disponer de varias entradas de base, o combinarse varios entre entre sí, y de esta forma se forman las puertas lógicas, según la familia (TTL, CMOS, RTL, etc.) se varía su tipo y la forma de combinar los transistores para formar las puertas lógicas. Las tres puertas básicas son:

• NOT de una entrada, un inversor, si en su entrada hay 0 voltios en su salida hay 5, y si en su entrada hay 5 voltios en su salida hay cero.
• AND con dos entradas, si ambas son de 5 voltios hay 5 voltios en su salida, en cualquier otro caso hay 0.
• OR con dos entradas, si en alguna de las dos o en ambas hay 5 voltios en su salida hay 5 voltios, y 0 voltios si ambas son cero.

Luego hay combinaciones, NAND y NOR añaden una puerta NOT a la salida, XOR combina AND y OR, etc.

Una puerta por tanto es una combinación de transistores, diodos, resistencias y condensadores, se puede usar directamente estos componentes como en la segunda generación de ordenadores.

Tener que usar tantos transistores era muy complejo, por lo que con el nacimiento de los circuitos integrados se introdujeron en chips, agrupando los componentes en puertas.

Aun simplificando el diseño con las puertas, hacía falta un buen puñado de ellas para formar los procesadores, y se consiguió unir un montón de puertas en un chip. Un procesador es un chip en el que hay un montón de puertas lógicas en su interior, podemos hablar de miles (hoy día de millones), que se comportan de una forma organizada para que en función de sus entradas aparezca una salida. Por tanto los procesadores son combinaciones preestablecidas de puertas lógicas. A esto se le llama lógica cableada, ya que las puertas han sido cableadas entre sí y no se puede alterar.

Tras la memoria de vídeo debe existir algo que tome el valor de la memoria y lo convierta en una señal de vídeo que entienda un monitor, para lo que existen unos chips auxiliares que con un criterio de temporización muy estricto leen la memoria, a partir de ella generan los puntos para el barrido de la pantalla y la envían a la salida de vídeo. En un ordenador antiguo eso se hacía con chips, entre 15 y 30 chips se dedicaba solo a esto, en un ZX80 por ejemplo hay un montón de chips para esto (en total 21 chips entre procesador, rom, memoria, etc). De aquí surgieron los chips gráficos, que simplificaban esto agrupando todos los componentes en un solo chip, por eso en un ZX81 hay muchos menos chips (4 en total), todos se agruparon en la ULA (agrupa 17 chips en su interior).

Alrededor del procesador se ubica la memoria, y para el acceso a la misma se requiere de unas puertas que habiliten los chips de memoria a usar en cada momento, en función de las señales del procesador, en un gomas son los 4 chips que están en la parte superior, entre la ULA y el procesador. Pero en los modelos posteriores se unieron estos 4 chips en uno solo, agrupando las funciones se consigue reducir el número de chips.

El problema que encontraron los diseñadores es que para estos nuevos chips que combinaban otros hacía falta hacer diseños específicos, y pronto buscaron soluciones para desarrollar un chip genérico con muchas puertas lógicas, que se pudiera configurar de forma sencilla y así en lugar de desarrollar chips a medida, lo que era caro, se diseñaron chips genéricos con las puertas sin enlazar entre sí, que se configuraban para combinarse en la forma que deseara el fabricante de ordenadores, por lo que se simplificó y abarató mucho el diseño de estos nuevos chips.

Los primeros se debían configurar en fábrica durante su producción, lo que se llama "programación con máscara" (programación como sinónimo de configuración, no hay un programa en su interior, solo puentes que conectan las puertas). La ULA del spectrum es un ejemplo de este tipo de chips configurados en fábrica.

Luego se diseñaron chips cuyas puertas podían enlazarse aplicando una señal eléctrica, por lo que los fabricantes de ordenadores compraban los chips en blanco y los configuraban con un "programador", similar a uno para las EPROM (nuevamente ni en estos ni en las EPROM hay un programa, se usa programar como sinónimo de configurar). Así nacieron las PAL (Programable Array Logic, matriz lógica programable) con un conjunto de puertas AND sin configurar y las PLA (Programable Logic Array, lógica programable en matriz), en las que había un conjunto de puertas AND y OR, ambos sistema se podían configurar solo una vez quedando fijas para siempre, y luego surgieron las GAL (Generic Array Lógic, matríz lógica genérica) que son un tipo de PLA que se pueden borrar y volver a configurar varias veces, hay GAL que añaden flip-flop a la salida para conseguir una lógica mas flexible.

En estos dispositivos las vías entre las puertas (esto nuevamente es una simplificación para que se entienda) dispone de un tipo especial de diodo, que mediante una corriente mas alta de los habitual se puede polarizar en sentido directo o inverso, una vez configurados pueden permitir o impedir el paso de la corriente a su través, por lo que se cablea el dispositivo.

Hoy día los dispositivos lógicos modernos son las FPGA y sus hermanas pequeñas las CPLD. En ambos dispositivos disponemos de una enorme matriz de puertas, que podemos unir como se desee, formando cualquier combinación de puertas lógicas, por lo que reemplazan directamente a las PAL, PLA y GAL con ventajas, ya que no hay planos AND/OR, sino puertas genéricas que podemos combinar como deseemos. Pero al ser de gran tamaño, pueden configurarse para reemplazar a cualquier chip, incluyendo los procesadores con sus miles de puertas.

En su interior no se ejecuta un programa que simule un comportamiento, sino que hay un circuito electrónico operativo, que es igual al de los chips a los que reemplaza, solo que usa otro tipo de componentes.

Tras toda esta explicación, que espero seguir ampliando, lo que deseo es que penséis que una FPGA o un CPLD no emulan nada, sino que son chips iguales a los demás, solo que se pueden configurar de millones de formas diferentes, pudiendo reemplazar a cualquier otro chip existente. Esto les hace ser el futuro de nuestra afición, si un chip deja de fabricarse se puede reemplazar por uno de estos dispositivos (eso ya pasa en muchas placas arcade), que es un reemplazo fiel del original, aunque internamente no tenga la misma estructura, el resultado es que si deseamos arreglar un Spectrum con la ULA estropeada, o si el procesador 6502 de nuestro Apple II muere, podemos reemplazarlo por algo que hará exactamente lo mismo, no emulando sino reemplazando al original.

Contrucción de un PONG casero (I)

En los foros de Va de Retro un usuario montó uno, y nos hemos picado a comprar todos los chips diferentes que encontremos y montar varios modelos propios del foro, para que cualquiera pueda tener el suyo.

La idea de base es montar tres tipos de Pong diferentes, con todos los esquemas y la información disponibles para que todos puedan montar el suyo, pero solo se hará una producción de placas del primer modelo que montaremos, el Pong básico, el resto cada uno deberá montárselo personalmente. Creo que al final seremos once los que lo montaremos, ya hemos pedido el chip básico necesario para ello, el AY-3-8500, pero si alguien quiere una placa que lo diga en el foro, aproximadamente en un mes la pondré en producción.

Los tres modelos que voy a montar son los siguientes:

• MODELO A: Pong básico en blanco y negro con salida de AV y sonido. Usaré el montaje estándar del AY-3-8500, un cristal de 2Mhz y un chip harán el circuito del reloj, y la fuente será con un regulador 7806, todo muy sencillo y básico. Pero tras comentarios de unos y otros se han suscitado ya dos variantes y algunas ampliaciones:
• Variante Base: Pong en una sola caja, con los mandos externos o incluidos en la misma, una sola placa de circuito con todo.
• Variante Mini: Pong en dos cajas, en cada una lleva un mando y una parte del circuito, así en dos cajitas pequeñas unidas por un cable tienes todo el pong montado.
• Opción de salida con el campo en gris, una paleta en negro y otra en blanco, en una plaquita adicional con dos chips.
• Opción de salida en color.
• Opción de entrada de pistola
• Opción de interruptores de pulsación suave en lugar de con interruptores.
• Opción de mandos sin hilos.
• MODELO B: Pong multi-cartucho, que reproduce uno de los denominados "programables", consolas en las que el cartucho no tiene el programa, sino un chip con el juego en sí. Tendrá varios chips en una sola placa, una para cada juego, y se podrá elegir el juego con un selector, en lugar de ir poniendo cartuchos, así el diseño es mas sencillo. El diseño incluye además de los selectores del juego a lanzar, los selectores estándar de velocidad o dificultad y un teclado numérico. Hay que considerar que este pong usaba un mando de dos direcciones, no solo podía mover la paleta (o el muñequito del juego) arriba y abajo, sino que podía mover la paleta por toda la pantalla. Este pong tendrá también alguna variante:
• Opción de entrada de pistola
• Opción de interruptores de pulsación suave en lugar de con interruptores.
• Opción de mandos sin hilos.
• MODELO C: Pong usando un procesador, un PIC o similar, en el que podemos poner los juegos de los chips que no encontremos, o variantes de los existentes.
• Opción de mandos sin hilos.

Seguiré en próximas entradas con una introducción al chip AY-3-8500 y los esquemas del modelo A.

Electrónica de Andar por Casa, Artículo 8: Fuentes de alimentación (II)

Artículo publicado en el número 7 de RetroWiki Magazine

FUENTES DE ALIMENTACION II

En el anterior artículo vimos las dos primeras partes de una fuente de alimentación, el transformador y el rectificador, seguimos con las fuentes en esta entrada.

 

3 - Filtrado

Tras la rectificación, tenemos una señal contínua positiva, pero pulsante, ya sea con media onda o con onda completa. El objetivo es filtrar el máximo de ondulación de la señal en esta fase, para que en la regulación se obtenga una señal contínua de buena calidad. Muchas fuentes económicas no disponen de regulador, muchos de nuestros equipos, como los Spectrum o las consolas de Sega externamente tienen los tres primeros pasos, dejando la regulación para el interior de la máquina. 

El elemento que necesitamos para el filtro es un condensador, cuando recibe corriente en la parte de subida de la onda la almacena en su interior, y cuando la corriente baja libera lo almacenado, de esta forma se consigue mantener una corriente contante en la salida

Vemos en azul la corriente tras el condensador, y en rojo punteado la del regulador, cuando sube la corriente el condensador de carga, cuando baja se descarga poco a poco, hasta que el nivel de la corriente es igual al restante en el condensador, luego vuelve a subir. Con esto no tenemos una salida plana perfecta, pero si muy poco ondulada, contra mayor sea el condensador menos ondulada será la señal.

4 - REGULADOR

Una vez disponemo de una señal mas o menos adecuada, lo siguiente es usar un regulador que nos proporcione el voltaje que necesitamos, lo mas estable posible. Para ello este tipo de fuentes lineales lo que hacen es partir de un voltaje superior, y bajarlo al que buscamos, de esta forma se aseguran de que hay una corriente suficiente en la entrada para proporcionar una salida estable.

El mas sencillo es usando un diodo Zenner, que tiene la particularad de que el voltaje en su salida es siempre el mismo, mientras en su entrada tenga un voltaje igual o superior. Vemos como el voltaje de entrada se aplica a una resistencia, y el diodo Zenner entre su salida y masa estabilizará su salida, manteniendo la cirriente contante en el voltaje Zenner del diodo. Estos diodos se compran para un voltaje determinado.

Este tipo es muy sencillo, pero admite poca corriente, por ello se usa un sistema en el que el diodo pilota un transistor, que compara el voltaje de la entrada desde el diodo con el que tenemos en la salida del filtro, y se justa la corriente para que coincida (esta esplicación es muy de andar por casa, pero es suficiente). En el esquema vemos que la corriente de entrada se ubica en el colector del transistor, su base la pilota el diodo Zenner, y la salida es el voltaje regulado.

Podemos emplear una mejora importante, en lugar del Zenner ubicamos una referencia de tensión, un circuito mas preciso que solo el diodo, y si en lugar del transistor directamente ubicamos entre ambos un comparador, que compare el voltaje de la entrada con el voltaje del zenner, y en su salida nos de la regulación a aplicar, que pilotará el transistor. Esto ya nos complica mas el diseño, y no voy a entrar en mas detalles, con que se entienda esto es suficiente en este nivel, pero tenemos la ventaja de que se venden estos montajes ya listo para funcionar, por lo que usaremos un regulador encapsulado para nuestra fuente, que proporciona mejor regulación, estabilidad, protección contra sobretensión y sobrecalentamiento. 

Hay varios chips que hacen esto, pero la serie 78XX es la mas usada. Solo debemos reemplazar XX por el voltaje que deseemos en la salida, y tendremos un regulador de ese voltaje con un solo componente, por ejemplo nuestras máquinas usan en general un regulador 7805, para proporcionar los 5 voltios en la salida, solo debe tener por lo menos 1’5 voltios mas de los que vamos a regular, por lo que la salida del filtro debe proporcionar por lo menos 6’5 voltios o mas, aunque usualmente se usan de 9 a 12 voltios.

De los tres pines, el de la izquierda es la entrada de corriente, el central es la masa, y el de la derecha es la salida. Para mejorar la estabilidad y el filtrado de la corriente, se suelen añadir unos condensadores en la entrada y la salida, usando este esquema:

Seguiremos en la próxima entrada con el esquema completo de la fuente para poder montarnos una en casa de forma económica.

José Antonio Vaqué Urbaneja, podeis
contactar conmigo en mi mail

Electrónica de Andar por Casa, Artículo 7: Fuentes de alimentación (I)

Artículo publicado en el número 6 de RetroWiki Magazine

 

FUENTES DE ALIMENTACION (I)

Vamos a ver cómo funciona una fuente de alimentación, que es algo que necesitan todos los aparatos que utilizamos, y nos permitirá efectuar algunos arreglos básicos. Actualmente se usan fuentes conmutadas, mucho más eficientes, pero como los aparatos que usamos son antiguos, se usan en casi todos fuentes lineales, menos eficientes pero más sencillas de entender. Nuestros aparatos usan principalmente 5 voltios en continua, aunque se usan otros voltajes como +12, -12 o -5 voltios. Para obtenerlos se parte de los 220Voltios en alterna de los enchufes (en España, o de los 110Voltios en algunos paises), por lo que hay que pasar por una serie de fases:

Cada aparato tiene una parte en su interior y otra fuera, por ejemplo la NES o el Dragón solo tienen el transformador externo, el Spectrum tiene hasta el filtro externo, y los MSX suelen llevar todo en su interior. Además hay aparatos que usan varias corrientes a la vez, como el C64 que se alimenta externamente con 9v en alterna por un lado con un transformador, y por otro lado 5 voltios en continua para lo que incluye hasta el regulador externo. Vamos a ver una sencilla fuente de alimentación que nos proporcione 5 voltios y 1 amperios en continua filtrados y regulados.

1 - TRANSFORMADOR

El primer paso es convertir los 220V (o 110V en otros países) en  un voltaje más bajo, el regulador necesita normalmente 2 voltios más de los que va a regular para su funcionamiento,  por lo que necesitamos 7 voltios o más, lo usual es entre 9 y 12 voltios. Para ello usaremos un transformador de 9 voltios 1 amperio,  con entrada a 200V en alterna nos proporciona 9V en alterna en su salida. Al ser corriente alterna, el voltaje efectivo que nos proporcionará realmente será el producto del voltaje de salida por raíz de dos 1’4142), por tanto el voltaje real serán 9Voltios, y el efectivo serán 12’7 voltios, más que suficiente para nuestra fuente.

En el esquema vemos que en la entrada hay una onda de corriente alterna, y en la salida la misma onda, pero de menos altura. No están a escala, la salida es 25 veces menor que la entrada.

2 – CONVERSOR A CONTINUA

La siguiente etapa convierte la alterna en continua, para lo que usaremos diodos, que solo dejan pasar la corriente en un sentido. Hay dos formas generales de conectarlos, en forma de media onda o en onda completa.

El rectificador de media onda es sencillo, se usan dos diodos, uno en cada línea de salida (realmente se puede usar uno solo en cualquiera de las dos líneas), su función es dejar pasar solo la parte positiva de la corriente, cortando la negativa, como vemos en el siguiente gráfico:

En los puntos verdes está la salida del transformador, y en los rojos los de salida de los diodos, debajo vemos la forma de onda en dichos puntos. Como vemos disponemos de una corriente pulsante, pero solo positiva siempre, eliminando la semionda negativa. Esto es suficiente para convertir la alterna en continua, pero hay otro sistema mejor usando cuatro diodos, el llamado rectificador de onda completa:

Durante la parte positiva del ciclo, dos diodos conducen normalmente como en el rectificador de media onda, pero durante la parte negativa estos dos diodos cortan la corriente, pero los otros dos, montados en sentido inverso, si que dejan pasar la corriente pero cambiando las líneas, por lo que siempre hay una onda positiva en la salida. Lógicamente este tipo de rectificador es más eficiente, aunque más caro al usar el doble de diodos. Hay una variante con solo dos diodos, pero usa un transformador con toma central.

Este tipo de rectificador es tan usado, que se vende con los cuatro diodos encapsulados en un chip, denominado puente rectificador,  con dos patas para la entrada de alterna, y dos patas para las salidas positiva y negativa. Ya sea con cuatro diodos o con el puente de diodos, es el sistema preferido en nuestros retro aparatos.

Seguiremos en la próxima entrada con las otras dos fases de la fuente y pondré el esquema completo para poder montarnos una.

Jose Antonio Vaqué Urbaneja,

podéis contactar conmigo en mi mail

Electrónica de Andar por Casa, Artículo 6: Montajes básicos 1

Artículo publicado en el número 5 de RetroWiki Magazine

MONTAJES

Hasta ahora no hemos visto más que componentes y algo de teoría, y vimos como usar un polímetro, y ahora vamos a hacer unos montajes básicos, que nos ayudarán a empezar a entender los circuitos y a manejarnos con los componentes. Solo indico tres circuitos muy sencillos en esta entrada, en la próxima veremos ya algo con transistores.

Componentes

Estos son todos los que usaremos, marco con una “T” cuando se usa en todos los montajes, y con un número el número del montaje en que se usa

• (T)     Placa de prototipos sin soldaduras
• (T)     Cablecillos para puentes
• (T)     Pila de 9 voltios, con un conector apropiado
• (1,2)  Diodo LED rojo
• (1,2)  Resistencia 220Ohm, ¼ de watio
• (2)     Potenciómetro de 100K Ohm
• (3)     Diodo 1N4004 o similar

Montaje de circuitos de pruebas

Usaremos muy pocas cosas para estos montajes, pero lo principal es una base para hacerlos que nos evite problemas. Podemos montar los circuitos soldando los cables directamente, o incluso uniendo con cinta aislante, pero una forma sencilla y económica es una placa de prototipos sin soldaduras, como esta:

Los puntos van unidos entre sí en grupos de 5, los bordes marcados como “+” y “–“ lo están en la imagen en grupos horizontales, mientras que os interiores marcados como “a” hasta “l” lo están verticalmente. Los bordes externos se suelen usar como alimentación (por eso se marcan como  “+” y “–“), mientras que el interior se usa para el circuito. Los chips se deben ubicar con una fila de patitas en un lado del centro (fina “e”), y la otra fina en el otro lado (fila “f”), así dispondremos de todas las patas conectadas, dejando filas libres para otros componentes o cables, y sin cortocircuitarse entre sí ninguna. Para unir el resto usaremos cablecillos pelados con la punta estañada preferentemente, aunque sin abusar de estaño para que entren. Estas placas las hay de mucho tamaños, yo tengo una muy pequeña, suficiente para cualquier circuito de los que vamos a hacer.

Para alimentar nuestros circuitos podemos usar muchas cosas, pero lo más sencillo es usar una pila de 9Voltios, que proporciona suficiente corriente y voltaje para cualquiera de estos voltajes.

(1)    Encender un LED

El primer circuito siempre es el más sencillo, vamos a encender un LED. En estos componentes el terminal mas largo es el ánodo, que se conecta al lado positivo, mientras el terminal más corto es el cátodo que va al negativo. También la cabeza redonda del LED tiene una pequeña muesca en el lado del cátodo, pero recuerda que es un diodo, si lo conectas al contrario no lucirá. Los diodos LED funcionan con corrientes muy pequeñas, alrededor de 2voltios, por lo que si partimos de 9 voltios, debemos reducir el voltaje, para ello conectaremos en serie con el diodo una resistencia de 220Ohm, suficiente para protegerlo. El circuito que usaremos será el que se presenta a continuación. Por convención, para los cables de alimentación hay que usar el color rojo para el polo positivo, y el negro para el negativo. Los dos puentes necesarios están marcados con un hilo verde y otro morado. 

Podéis probar varias cosas, a cambiar el sentido del LED, veréis que no luce pero no se estropea, podéis poner la resistencia antes o después del LED, viendo que no afecta, y podéis jugar con una resistencia más grande, veréis que el LED luce menos, y si os pasáis dejará de lucir. Si os quedáis cortos con la resistencia, en lugar de lucir mas se quemará el LED.

Luego coge el tester y a medir, primero los voltajes entre el polo negativo de la pila (punto d) y los puntos a, b y c del circuito, viendo como se comporta. Después podéis medir la resistencia para ver como en un circuito en varios puntos, midiendo entre a y b, entre b y c, entre a y c, y la resistencia total entre a y d. Medir con y sin la pila en el circuito, y veréis como afecta su resistencia interna al mismo.

(2)    Manejo de un potenciómetro

Añadiremos uno de 100K a nuestro circuito, y veremos como va cambiando la cantidad de luz del LED al girarlo. El montaje es muy sencillo, solo hay que cambiar el puente que va al polo negativo, intercalándolo con el potenciómetro. En ellos, el terminal central es el que varía, siempre sobre los dos laterales que son indiferentes, en uno aumenta y en el otro disminuye el voltaje, y siempre la resistencia del potenciómetro variará entre cero y su valor como máximo (en el nuestro entre 0 y 100K Ohm), dependiendo de la posición del mando giratorio.. Podéis ver como responde conectando al punto A o al punto B del potenciómetro. Incluso se puede usar ambos para controlar que uno aumente y el otro disminuya. 

Luego coge el tester y a medir, en este circuito lo mas interesante es voltaje y resistencia entre los puntos c y d variando el potenciómetro lentamente para ver como va cambiando el valor de la señal, ya que entre estos dos puntos es donde mas se ve afectados el circuito por el potenciómetro, pero no dejéis de medir en todos los puntos, aprender cosas con la práctica es interesante.

(3)    Manejo de un Diodo

Sabemos que los diodos permiten que la corriente circule en un sólo sentido, por lo que podemos usar el circuito anterior para probarlo, conectando el diodo en uno u otro sentido, el LED lucirá o no. Para ello usaremos este circuito. En el hemos añadido un diodo del tipo de baja corriente, un 1N4004 o similar. Los diodos tienen una banda que marca el cátodo, por tanto es sencillo instalarlos. Podéis probar a conectarlo en sentido contrario, y el LED no lucirá.

En este circuito poco podemos medir, pero si que hay una cosa interesante, para ver si un diodo funciona, lo que se hace es poner el tester en modo medición de resistencias, y ver como se comporta la misma si medimos poniendo el terminal rojo en el punto c y el negro en el d, y luego al contrario. Vemos que la resistencia varía entre una pequeña y una muy grande, teóricamente infinita. Esto es por que el tester pone entre sus puntas una corriente, y por la ley de Ohm, conociendo la corriente que envías y la intensidad que circula, puedes conocer la resistencia en ese punto. Pero a una resistencia le da igual la polaridad de la corriente, pero no a un diodo, que no dejará pasar la corriente si circula en sentido inverso, por lo que la resistencia será infinita, pero dejará pasar casi toda en sentido directo, por lo que la resistencia interna será baja (la caída de voltaje será de 0.7 Voltios si el diodo es de cilicio, y de 0.2 Voltios si es de germanio).

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Electrónica de Andar por Casa, Artículo 5: El polímetro

Artículo publicado en el número 4 de RetroWiki Magazine

Electrónica de andar por casa, by javu61

El nombre correcto del aparato del que hablaré debe ser multímetro o polímetro, ya que sirven para efectuar múltiples tipos de medición, pero se les conoce como tester, y es el instrumento básico para la electrónica.

El tester, herramienta básica de la electrónica

Es un instrumento portátil para medir directamente magnitudes eléctricas activas (voltaje o tensión o potencial, amperaje o corriente) y pasivas (resistencias), e indirectamente puede medir otras variables como la capacidad de un condensador. Las medidas pueden realizarse para corriente continua o alterna, y en varios márgenes de medida para cada una. Los primeros eran analógicos, pero hoy día son digitales, salvo los que pretenden tener aspecto retro.

El aparato se basa en la ley de Ohm, una de las bases de la electrónica, que es muy sencilla, dice que el voltaje que circula por un punto es el producto de la intensidad de la corriente en el punto y la resistencia existente en dicho punto, lo que relaciona las tres magnitudes básicas de la electricidad:

V = I . R   ↔   I = R / V (corregida errata)  I = V / R   ↔    R = V / I      (Ley de Ohm)

Ampliación sobre lo publicado: Aunque creo que la definición anterior es suficiente para nuestros propósitos, para ser mas precisos hay que decir que el voltaje es la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito, por lo que en lugar de hablar del voltaje en un punto hay que decir que la diferencia de potencial existente entre dos puntos es el producto de la intensidad que circula entre dichos puntos y la resistencia existente entre dichos puntos. Por eso para medir voltajes hay que poner siempre una punta en un punto de masa y la otra en el punto del circuito a medir.

El aparato internamente solo es un voltímetro o un amperímetro, y dispone de una batería interna, por lo que puede generar una corriente de valor conocido cuando lo necesita, y aplicando la fórmula calcula la magnitud a medir.

También hay que saber que solo saben medir corriente continua, por lo que las mediciones en alterna las realiza a través de un conversor, y solo dan medidas del valor eficaz de la corriente, que no coincide exactamente con la que pasa por el punto.

Descripción del aparato

Aunque hay varios diseños, todos son básicamente iguales. Constan de una pantalla de aguja o digital en la que se presenta la medida, una ruleta para seleccionar el tipo de medición a efectuar, y varias tomas para las puntas de prueba, una es siempre negra que representa la masa del aparato, en ella siempre se introduce el cable negro, otra es roja para medir voltajes/resistencias, y las restantes sirven para medir intensidades, el cable rojo se introduce en una de esas tomas según el tipo de medida que deseemos. Pero si alguno tiene uno como el de la foto, que me lo diga, mi padre tenía uno de estos y es el que yo usaba cuando di mis primeros pasos en el tema, y me gustaría tener uno así.

Pueden tener entradas adicionales para medir, la más común mide transistores, formada por un conjunto de 8 agujeros en los que se introducen las patas de los transistores, pero los hay con entradas de sondas de temperatura, de medición de condensadores, o de otras mediciones. Pueden tener iluminación de la pantalla, o un botón Hold para fijar la lectura y poder verla al quitar las sondas.

La ruleta está dividida en 5 zonas, con varias escalas en cada zona, la de resistencias-diodos, la de voltaje en continua, la de voltaje en alterna, la de intensidad en continua, y la de intensidad en alterna, aunque hay aparatos que solo tienen dos selectores, uno de Voltios-Ohmios-Amperios y otros de Continua-Alterna, y la escala se ajusta automáticamente.

Mediciones de resistencias

Para medir el valor de una resistencia, primero debemos poner la ruleta en la escala de resistencias apropiada, conectar el cable rojo a la toma de voltios/Ohmios, y luego tocar con las puntas de las sondas los alambres que salen de la resistencia. Nos debe dar en la pantalla el valor de la misma, siempre teniendo en cuenta que las resistencias se fabrican con una tolerancia, por tanto una del 10% de 800Ohmios puede dar un valor de entre 820 y 880 (corregida errata) 720Ohmios y 880Ohmios, aunque normalmente no se van tanto.

Si la resistencia está en un circuito, al medir no mediremos su valor, sino el valor de la resistencia del circuito, que se verá afectada por el resto de componentes, por eso para medir hay que levantar una pata de la resistencia. Si medimos fuera del circuito, un error común es sujetar la resistencia con las manos, esto es lo mismo de antes, la piel humana tiene una resistencia que alterna el valor de la medida. Podéis hacer la prueba simplemente sujetando las puntas con los dedos y variando la escala, encontrareis la resistencia de la piel, y si apretáis las sondas con los dedos veréis que varía.

Mediciones de continuidad

Para medir la continuidad, y saber si hay conexión entre dos puntos, o si un cable está roto, mediremos la resistencia. Si hay continuidad la resistencia será muy baja, cero o cercana a cero, por lo que solo debemos usar la escala mas baja de resistencia y medirla. La mayoría de los tester modernos tienen una posición específica para ello, marcada con el símbolo de diodos, ya que también se usa para comprobarlos. En esta posición, el tester emitirá un pitido si hay continuidad, por lo que nos ahorramos estar mirando la pantalla, y es muy cómodo. Esta es una de las mediciones básicas y mas utilizadas del aparato, de hecho con esta medición y la de voltajes tenemos resueltas la mayoría de nuestras mediciones, tanto en nuestros aparatos como en la electrónica general.

Mediciones de voltaje

Para medir el voltaje de una fuente, ponemos el tester en posición voltios en la escala apropiada, conectar el cable rojo a la toma de voltios/Ohmios, y ponemos la punta negra en un lugar del aparato que sea masa, y la roja en el punto en que queramos medir, en la pantalla aparecerá el valor del voltaje en dicho punto. Un error común es no poner la masa adecuadamente, y un accesorio útil es una pinza de cocodrilo, para fijar el cable de masa y medir más cómodamente en el aparato.

Para medir el voltaje de un alimentador, introducimos el cable rojo en el conector, y tocamos con el negro el exterior. Si la medición es positiva, eso quiere decir que el interior del conector da voltaje positivo, y el exterior negativo (positivo al centro). Si la medición es negativa, quiere decir que el interior del conector es negativo, y el exterior positivo (negativo al centro). Esto se representa con este símbolo en las fuentes, en este caso el centro es positivo y el exterior negativo.

Mediciones de amperaje

Para medir el amperaje hay que complicar un poco el tema, ya que lo que se mide es la corriente que atraviesa el aparato, debe efectuarse en serie con lo que medimos, no en paralelo. Ponemos el tester en posición amperios en la escala apropiada, conectar el cable rojo a la toma de amperios apropiada, y ponemos las dos puntas del aparato haciendo un puente entre lo que se quiere medir. Por ejemplo para medir el consumo de un aparato, hay que desoldar un hilo del conector de alimentación, y puentear con el teste ese hilo, cuando encendamos el aparato, la corriente que atraviesa el tester es la que consume el aparato, dándonos la lectura en la pantalla, como veis no es muy complicado, pero hay que modificar algo el circuito a medir, para que el aparato pueda tomar la lectura de la corriente. Con esto podemos saber cuanto consume realmente nuestros aparatos, ya que las fuentes suelen ir sobredimensionadas para evitar problemas, o para poder enchufar otros periféricos al aparato.


El siguiente capítulo empezamos con la electrónica analógica, y lo dedicaré a las fuentes de alimentación.

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Electrónica de Andar por Casa, Artículo 4: Transistores

Artículo publicado en el número 3 de RetroWiki Magazine

Electrónica de andar por casa, by javu61

Transistores

Si emparedamos tres cristales en forma pnp o npn, tenemos un transistor, ya intuitivamente pensamos que es la unión de dos diodos. Los tres terminales se denominan colector, base y emisor, siendo siempre la base el conectado al cristal central.

En un transistor hay dos zonas de difusión de electrones, pero esta vez el terminal central, la base, permite controlar las diferencias de potencial entre esas dos zonas, controlando la cantidad de corriente que puede atravesar entre colector y emisor. Es como tener una tubería controlada por una compuerta, podemos dejar pasar más o menos agua, en función de lo que abramos la compuerta. Podemos pensar también en un transistor como una resistencia variable, cuyo valor de resistencia controlamos por la corriente que se recibe por un tercer hilo. De hecho, realmente el nombre de transistor es una contracción de los términos “transfer resistor” (resistencia de transferencia).

El transistor bipolar fue ideado en 1947 en los laboratorios Bell, una de las principales empresas de telefonía americanas,  labor por la que recibieron el Nobel de Física en 1956 John Bardeen, Walter Houser y William Bradford, aunque en 1930 ya se había descubierto el transistor de efecto de campo, pero no se descubrió la forma de usarlos ni un sistema de fabricación masivo apropiado, por eso se considera el del 47 el pionero.

Tipos de transistor, encapsulados

Los transistores tienen cuatro usos principales: como amplificadores, como osciladores, como conmutadores o como rectificadores.

Existen muchos tipos de transistor por su forma de fabricación, los iniciales fueron los de contacto puntual, los tres cristales se unían por presión entre sí, y la forma de uno era triangular, por lo que el contacto era en la punta, pero eran delicados, un golpe los podría romper, por lo que fueron reemplazados por los de unión bipolar, que son los habituales, pero podemos encontrar los unipolares de efecto de campo o JFET, los uniunión UJT, los MOSFET, y otros.

Por las señales que manejan se suelen clasificar en: de propósito general, de potencia, de media potencia, amplificadores, de alta frecuencia, aunque hay otros más especializados.

Los transistores tienen siempre tres patillas, pero pueden encontrarse en varios encapsulados diferentes, cada uno tiene los terminales en una posición, por ejemplo los de potencia tienen el colector directamente conectado a la carcasa (el primero de la figura), por eso solo tienen 2 terminales visibles. Siempre hay que verificar la configuración cuando reemplazamos un transistor por otro equivalente, por si tiene una configuración diferente de patillas. La carcasa puede ser metálica para los de más potencia, para mejorar la disipación térmica y poder acoplarles un disipador, y de plástico en el resto de los casos.

El transistor como amplificador

Una pequeña corriente originada en la aguja de un tocadiscos, aplicada a la base de un transistor, puede controlar una corriente mayor desde una fuente de alimentación aplicada a su colector, replicando la misma señal pero con mayor potencia en su salida por el emisor. La gran ventaja del transistor es su velocidad de respuesta muy rápida, y su linearidad, la señal de salida es una réplica bastante fiel a la original.

Cada transistor soporta una corriente de entrada y controla una potencia, normalmente una señal pequeña de entrada puede controlar una corriente mediana, si queremos más potencia, podemos montar varios transistores en cadena, de forma que cada uno aumente la potencia por si mismos. Para evitar distorsión no se suelen usar más de dos o tres transistores en cadena.

Tipos de amplificador

Si se emplean para amplificar señales audibles se denomina amplificadores de audio o de baja frecuencia. Los amplificadores pueden ampliar tensión (voltaje) o potencia (corriente o intensidad). Los amplificadores de potencia pueden ser de clase A, B, AB o C dependiendo de si la amplificación es en todo el ciclo,  en un semi-ciclo o en menos de un semi-ciclo. Otra clasificación es dependiendo del terminal que se conecte a masa, el montaje se denomina de emisor, base o colector común.

Emisor común: la señal se aplica a la base, se extrae por el colector, y el emisor es común a la masa de la señal de entrada y de salida. Se amplifica tanto tensión como corriente, con alta impedancia de entrada.	Base común: La señal se aplica al emisor, se extrae por el colector, y la base es común a la masa de la señal de entrada y de salida. Se amplifica solo en tensión con baja impedancia de entrada.	Colector común: La señal se aplica a la base, se extrae por el emisor, y el colector es común a la masa de la señal de entrada y de salida. Se amplifica solo corriente, y aumenta la impedancia de salida.

El transistor como regulador

Si deseamos disponer de una corriente regulada a un voltaje determinado, podemos usar un diodo zener para proporcionar una referencia de corriente constante, y comparando la disponible en la entrada del colector con dicha referencia, podemos controlar a un transistor a través de su base para que a su salida proporcione el voltaje deseaso. Si necesitamos más potencia, usaremos varios transistores en cadena para la regulación. En próximas entregas revisaremos las fuentes de alimentación, no perdamos de vista que siempre podemos ampliar la potencia que entrega el regulador con un transistor.

Transistores en conmutación

Cuando un transistor recibe corriente, esta debe alcanzar un mínimo para que este comience a dejar pasar la corriente, por debajo de este punto se dice que el transistor esta en corte. Cuando la corriente alcanza un nivel, el transistor conduce entrando en saturación. De esta forma el transistor se comporta como un interruptor, controlado por la corriente que recibe. En electrónica digital se usan estos dos estados únicamente para indicar cero o uno, inicialmente usando relés, luego lámparas, y ahora se usan transistores, ya que su velocidades de conmutación (tiempo que pasa desde que se aplica una señal hasta que cambia la salida) es mucho más elevada, inalcanzable por los relés o las lámparas.

Fototransistores y transistores emisores de luz

De igual manera que los diodos, existen transistores que pueden ser sensibles a la luz, especialmente a la infrarroja, lo que excita la base haciendo de controlador del transistor, sin necesidad de aplicar corriente a dicha base. Estos componentes son más sensibles a la luz que los diodos, y como una pequeña corriente puede activar el paso a su través de una mayor, son muy usados en los sensores luminosos. Se usan mucho junto a un LED para detectar si algo interrumpe el haz de luz que genera el diodo, por ejemplo los ratones de bola detectan el giro de la misma moviendo unas ruedas perforadas en su interior, y contando el número de agujeros sabe la velocidad y cantidad del movimiento. Este montaje lo suelen usar algunos mandos, como en la palanca central de las Nintendo-64

Los transistores también pueden emitir luz, aunque para esto suelen ser más empleados los diodos por su mayor sencillez, y aunque hoy día todos usamos los monitores TFT, estos no se basan en el mismo principio, sino que los transistores controlan pequeñas pantallas de cristal líquido, similares a las de las calculadoras y relojes, por eso necesitan retroiluminación para que se vean. Los televisores LED modernos usan diodos, por lo que ya no requieren retroiluminación, mejorando la luminosidad de la imagen y su ángulo de visión.

El siguiente capítulo empezamos con la electrónica analógica, y lo dedicaré a las fuentes de alimentación.

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Electrónica de Andar por Casa, Artículo 3: Componentes

Tercer artículo publicado en el número 2 de RetroWiki Magazine

Electrónica para andar por casa por javu61. Componentes

Fe de erratas

En la primera entrega de esta serie, al hablar de las fuente del PC, dije “Si medimos voltajes en esa fuente, entre el cable rojo y el negro hay 5V, entre el amarillo y el negro hay 12V, y entre el rojo y el negro hay 7V”, debía poner “entre rojo y AMARILLO hay 7V”.

Altavoces

Muchos de nuestros equipos usan por lo menos un  altavoz interno, o por lo menos el de la tele. El más usual es de bobina móvil, consiste en una bobina enrollada sobre un imán, el cual está unido a un cono de cartón. Al pasar la corriente variable por la bobina, genera un campo magnético, que atrae o repele al imán fijo, haciendo vibrar el cartón, esta vibración es la que oímos. Hay otros dos tipos poco usados por su baja calidad sonora, salvo en auriculares, los piezoeléctricos cambian bobina e imán por un cristal de cuarzo, que vibra al aplicar corriente. Los más planos son los electrostáticos, se comportan como un condensador, una placa es fija y la otra se mueve en función de la carga almacenada. Un altavoz tiene dos propiedades, la potencia máxima que soporta, y su resistencia interna en Omnios, lo más habitual es encontrarlos de 8 Omnios. En la imagen el altavoz de un Spectrum, y el símbolo general de un altavoz en electrónica.

Pilas y baterías

Aunque no son muy propias de los ordenadores, salvo para mantener la fecha o la configuración, si se usan mucho en las G&G, o en máquinas como el Cambridge Z88, la última idea de Sinclair. Una pila es un generador de energía eléctrica, a partir de una mezcla de dos componentes bañados que al reaccionar liberan electrones, bañados en un líquido conductor, generalmente un ácido. Las baterías usan la misma tecnología, pero si les suministramos energía, son capaces de revertir la reacción, regenerándose. Por desgracia esta propiedad no es eterna, van quedando restos que no reaccionan, por lo que al final se pierde la propiedad de recarga.

Semiconductores

La base de la electrónica moderna son los dispositivos semiconductores, que han reemplazado con ventaja a los antiguos tubos termoiónicos, llamados también tubos de vacío o lámparas, que se denominaban según como se manejaban en diodos, tríodos o pentodos habitualmente. Funcionaban según el efecto Edison, aunque este nunca supo por que se producía, lo patentó al igual que cientos de otras cosas. El efecto se produce calentando un filamento de una bombilla, y recogiendo los electrones que se producen en uno o varios terminales.

Cuando a un cristal de un material semiconductor, generalmente se usan para ello el silicio o el germanio, se le añaden ciertas impurezas (lo que se denomina dopar) como arsenio o galio, estos se integran en la estructura cristalina, unos aportan  un electrón más (tipo p, positivos o electrones) o uno menos (tipo n, negativos o huecos). Esto altera la conductividad del cristal. Si unimos dos cristales de diferente tipo, en la zona de unión se produce una difusión de electrones entre ambos, creando una zona con un potencial eléctrico, que la corriente puede atravesar o no dependiendo de ciertos factores.

Si unimos dos cristales diferentes tenemos un diodo (dos terminales), si empaquetamos tres cristales tenemos un transistor (por no confundir con las lámparas tríodo). Si empacamos varios transistores tenemos una puerta o una memoria, y si juntamos muchas puertas y memorias tenemos un microprocesador.

Diodos

Un diodo se comporta como una válvula de un solo sentido en una tubería o en nuestras propias venas, deja pasar un líquido cuando viaja en una dirección, pero cerrándose para que no retorne en dirección contraria.

Un diodo es la unión de un cristal de tipo p y un cristal del tipo n, a los que aplicamos dos hilos conectores denominados ánodo (A) y cátodo (K) respectivamente. En la zona de unión, el potencial eléctrico permite el paso de la corriente cuando se aplica el positivo al ánodo (cristal positivo)  y el negativo al cátodo (cristal negativo) en lo que se denomina polarización directa, lo que hace disminuir el potencial de la zona de unión, pero impide el paso de la corriente cuando circula en el sentido contrario (polarización inversa) al aumentar el potencial de esa zona. No voy a explicar más detalladamente por qué pasa esto por no complicar más la explicación, pero seguro que los interesados encontrarán información en Internet.

De esta manera podemos usar un diodo para filtrar la alterna y dejar solo la continua, o para proteger un componente evitando que reciba corriente contraria a la que espera.

Rectificadores

Cuando queremos pasar de alterna a continua, usaremos un montaje con diodos que nos filtre la parte negativa (o la positiva si necesitamos corriente negativa) de la alterna. Existen varias maneras de montar un rectificador, las veremos al hablar de las fuentes, pero existe un montaje de cuatro diodos en puente muy usado, que venden ya encapsulados en un solo componente.

Diodos Zener

Cuando un diodo conduce, es que existe una corriente mínima entre sus terminales, y solo soportan una corriente máxima, si estrechamos estos límites al máximo obtenemos un diodo Zener, que proporciona una corriente de salida muy definida y muy estable, tanto que se usa como referencia de tensión para las fuentes de alimentación.

Foto diodos y diodos luminosos

La teoría de la relatividad especial, publicada en 1905, fue pronto bien acogida por la comunidad científica, pero era difícil de probar, las primeras pruebas se obtuvieron en 1919, pero a la hora del Nobel de física, el comité no quiso arriesgarse con una teoría que pudiera ser refutada, por eso se lo concedieron en 1921 a Einstein por su estudio del efecto fotoeléctrico. Cuando un metal absorbe un fotón luminoso, la energía que gana puede hacer que un electrón se libere. Esta es la base de las células solares, y el fenómeno se produce sobre todo en los semiconductores, por eso las placas se realizan con silicio. Estos tipos de diodos se denominan foto diodos.

Pero al contrario, en los diodos LED (Light-Emitting Diode o diodo emisor de luz),  las impurezas que se añaden pueden hacer que en polarización directa, los electrones se recombinen con los huecos, liberando energía en forma de fotones. Dependiendo de la energía de ese fotón será de uno u otro color. Como el área que genera la luz es muy pequeña, se añade una lente para amplificarla, por eso los LED se ven bien de forma frontal, pero muy poco si se miran lateralmente.

Hay diodos LED de luz visible (blancos, rojos, amarillos, verdes o azules normalmente), o de luz infrarroja (usados en los mandos a distancia),  también existen LED normales o de alta luminosidad, y también se pueden comprar en montaje bicolor o tricolor, estos unen dos o tres diodos en un montaje en ánodo o cátodo común.

Los diodos LED trabajan en polarización directa en un rango muy estrecho de tensiones, consumiendo entre 10 y 20 miliamperios (0’01 a 0’02 Amperios), por lo que para poder alimentarlos desde 5 o 12 Voltios, se les añade una resistencia en serie que limite la corriente que los atraviesa, lo que depende del color del diodo, siendo generalmente sobre los 2voltios si son rojos, naranjas, amarillos o verdes, y sobre los 3’5Voltios para los azules y blancos. Conociendo estos dos datos, y el voltaje de alimentación, podemos usar esta fórmula para calcular el valor de la resistencia que debemos usar:  

Si unimos varios diodos en serie, debemos tener en cuenta que el voltaje que necesitan es la suma de los que necesita cada uno de ellos, por tanto V _diodo será V_d1 + V_d2 + … + V_dn

El siguiente capítulo lo dedicaré a los transistores, y luego empezaremos con las fuentes de alimentación.

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