Proyecto de un circuito electrónico
Diseño
paso a paso para elaborar una placa PCB
Explicamos cómo se procede para desarrollar un circuito considerando
a) La tarea que tiene que hacer
b) La elección de los componentes
c) El diseño de la placa PCB
En
nuestro caso, el desarrollo consiste en fabricar 10 circuitos ( pediremos 10
placas y los correspondientes componentes ) que , mediante un interruptor
sonoff , abra una puerta de una cancela, o la misma puerta de la casa.
En realidad, si abrimos el interruptor wifi, podemos abrir el abrepuerta, modificando la salida del relé interno, pero esto no es lo ideal. Como la puerta de la casa es algo importante, es importante la seguridad y, en determinados caso, estos dispositivos se quedan "encendidos". No es frecuente pero puede ocurrir.
El circuito a diseñar cuenta con un circuito monoestable de forma que al recibir la alimentación ( del dispositivo WIFI ) , genera una señal de 2 segundos que actúa sobre un relé para que se alimente el abrepuertas. Después de los 2 segundos, el abrepuertas no está alimentado y no corre peligro de quemarse, en caso de algún problema del dispositivo WIFI.
Partes del circuito
Nuestro proyecto está constituido por
- Fuente de alimentación
- Circuito monoestable con un 555
- Circuito de salida ( relé )
Elementos que demandan mas energía
En el diseño debemos considerar la optimización de recursos, esto es, no podemos poner un transformador de salida 2A, si sólo vamos a consumir 200 mA. La diferencia sería bajar tamaño de la placa y tener un mejor precio. Por tanto, tenemos que tener en cuenta el consumo global para empezar por nuestro primer componente, el transformador. Veremos un análisis previo tomando en cuenta los componentes de mayor consumo. Mostramos datos tomados en la web tme.eu
Vamos a empezar por un relé LEG 1A 12, que si miramos en sus características nos dice que la resistencia de la bobina es 400 Ohms y la corriente nominal de sólo 30 mA.
Tenemos otros dos valores interesantes
* El valor máximo de Pick-Up ( enganche ) es la tensión aplicada a la bobina necesario para activar los contactos del relé.
* El valor mínimo de tensión Drop-Out ( abandono ) es la tensión por debajo de la cual, los contactos del relé se abren.
Esto está muy bien porque permite elegir un transformador pequeño. Además solo nos cuesta 33 céntimos.
Mostraremos ahora datos de transformadores con salida 15 voltios ( tiene que ser 15, porque al usar el regulador 7812, nos indica que la entrada debe ser al menos 14,5 voltios ).
TS2/053 -> Salida 70 mA. precio 2,31 ( pocas unidades en existencia en el momento de visitar la web tme )
Por otro lado, si buscamos la combinación de un relé de menor tensión,
podemos incorporar transformadores de menor precio.
Tenemos el transformador BVEI3023058 a un precio de 1,54 € , con existencias en la web, y salida de 200 mA. En este caso, el circuito regulador que debemos tomar es el 7805, que necesita los 7,5 voltios de entrada y el relé de 5 voltios demanda una corriente de 72 mA. Por tanto, ese conjunto de tres componentes será la base de nuestro diseño
En la siguiente tabla, se muestra parte de las características del 7805.
Vemos en al tabla, que los datos se dan para una salida de Io = 500 mA, ( mas que suficiente para nuestro propósito ) y dentro de la misma, se manejan una entradas de Vi entre 7 y 8 voltios como valores mínimos.
Desarrollo del proyecto
1º Crear un monoestrable con un 555. En la práctica que se hizo anteriormente veíamos que el 555 trabajaba de forma que encendía y apagaba un LED ( intermitente ). A esto se llama circuito astable, porque el 555 cuando llega a un estado ( encendido ) cambia a otro pasado un tiempo y vuelve a su estado inicial pasado otro tiempo t2.
Ahora vamos diseñar el 555 para que, al aparecer un pulso de disparo,
esté un breve tiempo activado para pasar para siempre al estado off.
El circuito debe quedar parecido al que se muestra. Tener en cuenta que ahora tenemos una patilla de disparo ( trigger ), donde vamos a poner un pulsador ( en proteus buscar button ). Cuando se actua sobre el pulsador, en el osciloscopio vemos una subida al estado monoestable, para luego volver a su estado estable ( estado off )
El tiempo que permanece con salida alta se calcula como
Ton = ln(3) * R * C
En el circuito esos componentes son R3 y C1.
Comprobar que el resultado teórico coincide con el mostrado por el osciloscopio. Para ello, pasar la base de tiempo a 200 mS
Pero no vamos a estar ahí para pulsar el pulsador, no ?. Hay que idear algún sistema que provoque esa señal de activación, y para ello no apoyamos en el comportamiento de un condensador.
El 555 necesita un pulso rápido de bajada. Esto se consigue con una resistencia de 27 K y un condensador de 1 microfaradio.
Proteus no va a poder simular este proceso de un pulso rápido, por ello vamos a montarlo en una placa. Pedimos una fuente de alimentación, cables y los componentes para comprobar que esto funciona antes de seguir con el proceso completo
Mostramos el circuito completo para simular físicamente
Mostramos una imagen de cómo quedaría la prueba con el 555 en modo monoestable
2º Desarrollo de la fuente de alimentación. En este caso tomamos el circuito visto en el tema de fuentes , que mostramos a continuación
Tenemos que asegurarnos que la tensión de rizado está dentro de unos valores admisibles, y esto, como vimos , viene dado por la expresión:
En nuestro caso, tenemos que la corriente es la corriente del relé ( 72 mA ) mas la corriente de control del 7805 , mas otras del 555 que no consideramos, por ser muy pequeñas comparadas con la del relé. Tomando 80 mA como valor de I, una frecuencia de 100 KHz y el condensador de 470 µF, el valor de la tensión de rizado es 80/(100*0,47)= 1,7 voltios
Para que regule el 7805 es necesario que la mínima sea 7 voltios. Estamos bajando demasiado la tensión. Un condensador tres veces superior, hará que la tensión de rizado sea tres veces inferior, por tanto, el condensador debe tener un valor aproximando de 1500 µF.
Una buena opción es el ED1A152MNN1020
3º Desarrollar el circuito completo en proteus en una sola placa y subir el archivo gerber a jlcpcb. Hacer un cálculo de lo que cuesta fabricar la placa si pedimos 10 unidades.
Si en el pedido caben mas placas en el formato de 100x100, calcular el precio por placa. Por ejemplo, si usamos la opción "Panel By JLCPCB" y conseguimos meter 2 placas en una, tendremos 20 placas en total y el precio será mucho menor.
Cuidado. Cuando trabajamos con bobinas y se produce un corte de corriente, el campo magnético genera una corriente en bornes de la bobina que puede perjudicar el 555. Para evitar que se estropee, hay que poner un diodo en paralelo con la bobina. Dejamos que el alumno medite cómo lo tiene que conectar.
4ºEn una hoja de cálculo, especificar los campos adecuados para hacer un presupuesto de la placa PCB. Tenemos que añadir las unidades que necesitamos, la referencia, el precio, etc.
* En tme, tomar el precio para un pedido de c