Читать книгу: «Raspberry Pi® a fondo para desarrolladores», страница 11

Capítulo

4

Interfaz con los componentes electrónicos

Este capítulo ofrece al lector los conocimientos prácticos de electrónica básica necesarios para lograr que sus circuitos electrónicos y la plataforma RPi trabajen armoniosamente. El capítulo comienza describiendo determinados componentes y equipos que pueden resultar muy útiles para desarrollar y depurar circuitos electrónicos. Continúa con una guía introductoria práctica sobre diseño y análisis de circuitos, donde se anima al lector a ponerse manos a la obra y construir los circuitos y emplear el equipamiento descrito al principio del capítulo. El capítulo prosigue con una relación de los componentes más típicos que se emplean con la interfaz GPIO (General Purpose Input/Output, entrada/salida de propósito general) del RPi, incluidos diodos, condensadores, transistores, optoacopladores, conmutadores o interruptores y puertas lógicas. Por último, también se analizan los principios básicos de la conversión ADC (Analog-to-Digital Conversion, analógico-digital), ya que dichos conocimientos serán necesarios en el capítulo 9 para construir circuitos que se comuniquen con los sensores analógicos del RPi.

Materiales necesarios para este capítulo:

❏Componentes usados en este capítulo (siempre que se vaya a trabajar sobre él): la lista completa se facilita al final del mismo.

❏Digilent Analog Discovery (versión 1 o 2), o bien tener a mano un multímetro digital, generador de señal y osciloscopio.

Puede encontrar más detalles sobre este capítulo en la dirección:

www.exploringrpi.com/chapter4/.

NOTA Ningún capítulo puede sustituir a varios libros de texto completos sobre electrónica digital y analógica. No obstante, hay conceptos que el lector debería manejar con solvencia antes de conectar componentes electrónicos a la cabecera GPIO del Raspberry Pi, puesto que las configuraciones incorrectas podrían arruinar la placa con suma facilidad. En próximos capítulos nos apoyaremos mucho en los conceptos electrónicos descritos en este; sin embargo, no es estrictamente necesario asimilar completamente su contenido antes de seguir adelante. Más importante aún es saber que este capítulo está presente como referencia de los conceptos electrónicos básicos que se mencionarán en capítulos venideros.

Cómo analizar nuestros circuitos

A la hora de desarrollar circuitos electrónicos para la plataforma RPi, resulta útil tener las siguientes herramientas para analizarlos antes de conectarlos a la E/S del RPi. De este modo reducimos las probabilidades de dañar la placa. En particular, es realmente útil contar con un multímetro digital y un osciloscopio de señal mixta.

NOTA El lector debe analizar cuidadosamente los componentes incluidos en esta lista. Asegúrese de hacer sus deberes y busque asesoramiento independiente antes de adquirir cualquiera de los productos. Ninguno de ellos está en la lista como resultado de acuerdo o petición comercial alguna. Todos los precios son aproximados y se dan en dólares debido a la fluctuación de la moneda. En todo caso, muchos sitios web ofrecen envíos internacionales y facilitan los precios también en euros.

Multímetro digital

Un multímetro digital o DMM (Digital Multi-Meter) es una herramienta prácticamente imprescindible para medir voltajes, intensidad de corriente y resistencia/continuidad en los circuitos del RPi. Si aún no tiene uno, intente comprar un modelo que presente las características siguientes:

❏Apagado automático. Útil para ahorrar batería.

❏Selección automática de rango. Es vital que podamos seleccionar diferentes rangos de medidas. Los medidores de gama media a menudo ofrecen la funcionalidad de selección automática del rango de medidas, lo cual permite reducir el tiempo exigido para realizar las mediciones.

❏Comprobación de continuidad. Esta funcionalidad debería producir un pitido audible a menos que haya una ruptura en el conductor, o bien una resistencia excesiva.

❏Lecturas con media cuadrática verdadera (true RMS). La mayoría de multímetros de bajo coste promedian las mediciones de corriente/voltaje AC(~). Los multímetros con RMS verdadera, por su parte, procesan las lecturas realizando el cálculo de la media cuadrática verdadera de la señal, lo que les permite tener en cuenta las distorsiones en las formas de onda al tomar las lecturas. Esta característica resulta útil para analizar equipos controlados por fase, dispositivos de estado sólido, dispositivos motorizados, etc.

❏Otras opciones útiles. Las opciones siguientes no son estrictamente necesarias, pero sí resultan útiles: pantalla retroiluminada, soporte para mediciones, pantallas con dígitos grandes, mayor número de dígitos significativos, conectividad con PC (idealmente optoaislada), sonda de temperatura y comprobador de diodos.

❏Carcasa. Busque una carcasa plástica de buena calidad y resistente a los golpes, preferiblemente con protección de caucho o goma.

Generalmente, la mayoría de las características anteriores se encuentran disponibles en DMM de gama media, con buenos niveles de precisión (1% o mejor), elevadas impedancias de entrada (> 10 MΩ) y aceptables rangos de medición. Por su parte, los multímetros de gama alta ofrecen sobre todo mediciones más rápidas y con mayor precisión. Algunos pueden incorporar funciones como medición de capacitancia, frecuencia, temperatura mediante sensor de infrarrojos, humedad y ganancia de los transistores. Algunas de las marcas más conocidas son Fluke, Tenma, Agilent, Extech y Klein Tools.

Osciloscopios

Los DMM estándar son una herramienta versátil que nos facilita la medición de voltajes, corriente y resistencias promedio. Los osciloscopios, por su parte, no miden más que el voltaje, pero nos permiten observar sus cambios a lo largo del tiempo. Generalmente podemos ver dos o más formas de onda de voltaje de manera simultánea, que son capturadas dentro de un determinado ancho de banda y un número concreto de muestras analógicas (memoria). El ancho de banda define el rango de frecuencias de señal que un osciloscopio es capaz de medir con precisión; por lo general al punto de 3 dB, es decir, la frecuencia en la que la amplitud de una onda senoidal es ~30% más baja que su verdadera amplitud. Para lograr resultados precisos, el número de muestras analógicas debe ser múltiplo del ancho de banda (lo veremos más tarde cuando discutamos el teorema de Nyquist). Los osciloscopios modernos emplean un valor cuatro o cinco veces el ancho de banda. Así, un osciloscopio de 25 MHz debe tomar un mínimo de 100 millones de muestras por segundo. Tanto el ancho de banda como el número de muestras analógicas tienen una gran influencia en el precio del osciloscopio.

En el mercado encontramos varios osciloscopios económicos de dos canales, por ejemplo: Owon PDS5022S 25 MHz (200 $), Siglent SDS1022DL 25 MHz (325 $,

con más funcionalidad), Rigol DS1052 50 MHz (325 $) y Owon SDS6062 60 MHz

(349 $). A medida que sube el ancho de banda también lo hacen los precios, siendo normales cantidades de más de 1.500 $ por un osciloscopio de 300 MHz. Las series de osciloscopios Agilent de almacenamiento digital (DSOX) y de señal mixta (MSOX) entrarían en el rango de precios medio-alto, con un coste entre 3.000 $ (100 MHz) y 16.000 $ (1 GHz). Los osciloscopios de señal mixta ofrecen también herramientas para análisis de bus digital.

El Digilent Analog Discovery con Waveforms (véase la figura 4-1) se ha usado para comprobar todos los circuitos de este libro. El Analog Discovery (así como el muy parecido Analog Discovery 2) es un osciloscopio digital USB, generador de formas de onda, generador de patrones digitales y analizador lógico para el entorno Windows. El nuevo software Waveforms 2015 es compatible con Linux (incluidas las plataformas ARM) y Mac OS X. El Analog Discovery suele costar entre 259 y 279 $. Si usted es un principiante, o bien está tratando de refrescar sus conocimientos, es un aparato realmente bueno para el precio que tiene.

Figura 4-1: La aplicación Waveforms generando una señal y

mostrando la respuesta desde el circuito físico.

NOTA El lector tiene disponible un vídeo del propio autor sobre el Analog Discovery en la página web de este capítulo: www.exploringrpi.com/chapter4. Muestra tres aplicaciones diferentes para mediciones con Analog Discovery: análisis analógico de un diodo rectificador, cómo usar el generador de patrones analógicos y el analizador lógico para investigar el comportamiento de un biestable de tipo JK (JK flip-flop), así como el uso del analizador lógico y su intérprete I2C para conectarse con el bus I2C del BeagleBone Black I y analizar su comportamiento. El análisis realizado sería igual en la plataforma RPi.

Analog Discovery se ha utilizado para generar todas las gráficas del osciloscopio que se pueden ver en este libro, ya que todos los ejemplos se han implementado mediante circuitos reales. El rango está limitado a dos canales, con 5 MHz por canal y 50 millones de muestras por segundo, tanto para el generador de formas de onda como para el osciloscopio diferencial. Como tal, el Analog Discovery está destinado principalmente a estudiantes y aficionados, pero también puede resultar útil para hacerse a la idea de las funcionalidades "imprescindibles" que exigiremos a nuestros futuros equipos, más costosos.

Existen otros osciloscopios USB de señal mixta, como los de PicoScope, que van de 160 a 10.000 $ (www.picotech.com), o los DSO de BitScope, que van de 150 a 1.000 $ (www.bitscope.com) y que son compatibles con Linux. Sin embargo, si nos basamos en las características disponibles en la actualidad en los osciloscopios USB, podría resultar adecuado económicamente un osciloscopio de banco, que disponga de un analizador lógico USB (como el Saleae Logic de www.saleae.com) para proporcionar funcionalidad de modo mixto.

NOTA The BitScope Micro (145 $) es una versión especial del BitScope realizada específicamente para el RPi. Similar al Analog Discovery, se trata de un osciloscopio bicanal (20 MHz), analizador lógico (6 canales) y analizador de espectro. El BitScope Micro está diseñado para conectarse directamente con el RPi y se puede utilizar para crear una plataforma independiente, o bien conectada a una red local, para medición y adquisición de datos. Además, incluye librerías de software que podemos utilizar para desarrollar nuestras propias aplicaciones de adquisición de datos. Para más información diríjase a bitscope.com/pi/.

Principios básicos de los circuitos

Los circuitos electrónicos están formados por componentes que se pueden clasificar genéricamente en pasivos y activos. Los componentes activos, como transistores, son aquellos capaces de controlar el flujo de la corriente de manera adaptativa, mientras que los pasivos, por ejemplo resistencias, condensadores o diodos, no pueden. El desafío a la hora de construir circuitos consiste en dar con un diseño apropiado a partir de los componentes adecuados. Por fortuna podemos apoyarnos en varias ecuaciones para análisis de circuitos.

Voltaje, intensidad de la corriente, resistencia y la ley de Ohm

La ecuación más importante que debemos aprender es la que expresa matemáticamente la ley de Ohm. Es muy sencilla en apariencia:

V = I × R

donde:

❏El voltaje (V), que se mide en voltios (V), es la diferencia de potencial eléctrico (energía) que provoca el flujo de la corriente eléctrica en el circuito. En este caso, el símil del agua resulta útil para visualizar el voltaje. Muchas casas tienen un depósito en su azotea o piso superior, conectado por las cañerías a los grifos. El agua fluirá de manera instantánea cuando abramos un grifo debido a la altura del depósito y la fuerza de gravedad de la tierra. Si el grifo estuviese a la misma altura que la parte superior del depósito, el agua no fluiría puesto que carecería de energía potencial respecto a aquél. El voltaje se comporta de una forma muy similar. Cuando el voltaje a un lado de un componente, por ejemplo una resistencia, es mayor que al otro lado, la corriente eléctrica es capaz de fluir a través de dicho componente.

❏La intensidad de la corriente, o simplemente corriente (I), medida en amperios (A), es la magnitud del flujo de carga eléctrica. Para seguir con la analogía del agua, la corriente sería el propio movimiento (flujo) del agua (carga eléctrica) del depósito (mayor energía potencial) causado instantáneamente al abrir un grifo (con un potencial menor). Recuerde que el grifo también tiene potencial y que el agua fluirá hasta el desagüe de la pila a menos que esté al nivel del suelo (técnicamente, "tierra", ground o GND por sus siglas en inglés, empleadas en electricidad y electrónica). Para poner en contexto la intensidad de la corriente, cuando construimos circuitos para conectarlos a la cabecera GPIO del RPi, estos suelen manejar una intensidad drenaje-fuente de solo 3 mA (miliamperios, o la milésima parte de un Amperio).

❏La resistencia (R) se mide en ohmios (Ω, letra omega mayúscula) y mide la oposición que se enfrenta al paso de la corriente. Una resistencia es un componente discreto que reduce el flujo de corriente disipándola en forma de energía (en inglés esta energía no es energy sino power, de ahí la letra P de la ecuación siguiente). Esta disipación ocurre de forma lineal y se mide en watios (W). Su valor viene dado por la ecuación: P = V × I , o bien integrando la ley de Ohm: P = I2 R = V2 ⁄ R. La energía se disipa en forma de calor, y todas las resistencias tienen un rango máximo en su capacidad de disipar calor. Las resistencias más comunes de hojas metálicas o de carbón disipan entre 0,125 y 1 W, y su precio crece significativamente a medida que estos valores se aproximan a o superan los 3 W. Para finalizar con la analogía del agua, la resistencia sería la fricción entre el agua y la cañería, que ocasionaría un calentamiento y una reducción del flujo de líquido. La resistencia se puede incrementar aumentando la superficie por la que el agua debe circular mientras que la luz de la cañería se mantiene constante, por ejemplo situando pequeñas cañerías dentro de la principal.

Como ejemplo, si el lector debe comprar una resistencia que limite el flujo de corriente a 100 mA mientras usa una fuente de alimentación de 5 V, como se puede ver en la figura 4-2, ¿qué resistencia debería adquirir? La corriente atravesará la resistencia con un voltaje, VR, de 5 V puesto que es el único componente del circuito. Por la ley de Ohm sabemos que VR = IR × R, así que la resistencia valdrá R = VR ⁄ (IR = 5 V) ⁄ (100 mA) = 50 Ω. La energía disipada por la resistencia se puede calcular a partir de las ecuaciones generales P = VI = I 2 R = V 2 ⁄ R , y resulta ser de 0,5 W.

Figura 4-2: (a) Circuito de ejemplo para la ley de Ohm. (b) Ejemplo de divisor de voltaje.

Una resistencia de hojas metálicas, de valor fijo y de agujeros pasantes, con una tolerancia (precisión) del 1 %, cuesta 0,1 $ para una tasa de disipación (power rating) de 0,33 W, y 0,45 $ para 1 W. Debemos tener mucho cuidado con la tasa de disipación de las resistencias que utilizaremos en nuestros circuitos, puesto que las que no cumplan las especificaciones pueden explotar. Una resistencia de 30 W costará unos 2,5 $ y puede llegar a estar extremadamente caliente. Así pues, hay que tener presente que no todas las resistencias se fabrican igual.

ADVERTENCIA ¿Por qué no se debe conectar el electrodo positivo de una fuente de alimentación (voltaje) a su electrodo negativo sin interponer una resistencia? Porque se produciría un cortocircuito, que es la manera más rápida de dañar un dispositivo delicado como el RPi. Los cables de conexión son, por su propia naturaleza, buenos conductores de la electricidad y ofrecen muy poca resistencia. Un rollo de cable de 100 m y 0,6 mm de sección tiene una resistencia total de 5 Ω. Por lo tanto, conectar 15 cm de cable entre la alimentación de 3,3 V del RPi y su terminal GND (tierra) dejaría pasar teóricamente 433 A (I = V / R = 3,3 V / 0,0076 Ω). En la práctica, esto no ocurrirá, pero la corriente máxima disponible bastaría para dañar el RPi. Asimismo, recuerde que los LED carecen de una resistencia interna fija, de manera que se comportan en cierto modo como cortocircuitos cuando están conectados en polarización directa (forward-biased). Por este motivo, prácticamente siempre es necesario usar resistencias limitadoras de corriente con los LED.

División de voltaje

Si modificamos el circuito de la figura 4-2(a) añadiéndole otra resistencia en serie (véase la figura 4-2(b)), ¿qué le ocurriría?

❏Como las resistencias está colocadas en serie, una detrás de otra, la resistencia total a la corriente que fluye por el circuito es la suma de dos valores: RT = R1 + R2.

❏El voltaje debe caer a través de las dos resistencias, así que podemos decir que Valimentación = VR1 + VR2. El voltaje que cae a través de cada resistencia es inversamente proporcional al valor de la misma. Este circuito se llama divisor de tensión.

Supongamos que hay que calcular sobre el papel el voltaje en el punto X de la figura 4-2(b) si R1 = 25 Ω y R2 = 75 Ω. La resistencia total en el circuito es RT = 25 + 75 = 100 Ω, y la caída total de voltaje a través de las resistencias debe ser de 5 V. Por lo tanto, según la ley de Ohm, la corriente que fluye por el circuito es I = V / R = 5 V / 100 Ω = 50 mA. Si la resistencia de R1 es de 25 Ω, entonces la caída de voltaje a través de VR1 = I × R = 0,05 A × 25 Ω = 1,25 V, y a través de VR2 = I × R = 0,05 A × 75 Ω = 3,75 V. Es fácil ver que la suma de ambos voltajes da 5 V. Este resultado obedece a la ley de Kirchhoff, que indica que la suma de las caídas de voltaje en un circuito en serie es igual al total del voltaje aplicado al mismo.

Para responder completamente a la pregunta: en este circuito, el voltaje cae en 1,25 V a través de R1, y 3,75 V a través de R2. Así pues, ¿cuál es el voltaje en X? Para saberlo debemos medir X respecto a otro punto. Si medimos X respecto al electrodo negativo de la fuente de alimentación, la caída de voltaje es VX en la figura 4-2(b), y es la misma que la caída de voltaje a través de R2, es decir, 3,75 V. Sin embargo, sería igual de válido preguntarse cuál es el voltaje en X respecto del electrodo positivo. En ese caso sería el negativo de la caída de voltaje a través de R1 (como X está a 3,75 V respecto al polo negativo y el positivo está a +5 V respecto al negativo). Por lo tanto, el voltaje en X con respecto al polo positivo de la fuente de alimentación es de −1,25 V.

Para calcular el valor de VX en la figura 4-2(b), la regla del divisor de voltaje se puede generalizar del siguiente modo:

Podemos utilizarla para determinar un voltaje VX, pero desgraciadamente esta configuración es muy limitada en la práctica, puesto que muy probablemente el circuito al que conectemos esta fuente de alimentación, VX, tenga en sí mismo una resistencia (o carga). Esto alteraría la característica de nuestro circuito divisor de voltaje, modificando el voltaje en VX. Sin embargo, la mayoría de los circuitos divisores de voltaje suelen ser circuitos de entrada con impedancias de entrada muy grandes y, por tanto, con un mínimo impacto sobre VX.

Figura 4-3: (a) Varios potenciómetros y el esquema de un circuito que usa una fuente

de voltaje variable. (b) Un ejemplo de circuito divisor de corriente.

La figura 4-3(a) muestra una resistencia variable, o potenciómetro y un circuito asociado donde se utiliza como único divisor de voltaje. La resistencia entre los terminales, patas o pines, 1 y 3 es un valor fijo, 10 kΩ en el caso del potenciómetro multivuelta. Sin embargo, la resistencia entre el 3 y el 2 (terminal variable o wiper pin) va de 0 a 10 kΩ. Por tanto, si la resistencia entre los terminales 2 y 3 es de 2 kΩ, la resistencia entre el 1 y el 2 será de 10 kΩ-2 kΩ = 8 kΩ. En tal caso, el voltaje de salida, Vout, será de 1 V y se podrá variar entre 0 y 5 V girando el pequeño tornillo del potenciómetro con una herramienta adecuada.

División de corriente

Si el circuito se modifica como en la figura 4-3(b) y se introducen dos resistencias en paralelo, obtenemos un divisor de corriente. La corriente eléctrica seguirá el camino que le ofrezca menos resistencia; así, si R1 = 100 Ω y R2 = 200 Ω, una mayor proporción de corriente atravesará R1. ¿Cuánta, exactamente? En este caso, la caída de voltaje a través de R1 y R2 es de 5 V en ambos casos. Por tanto, la corriente I1 será I = V / R = 5 V / 100 Ω = 50 mA, y la corriente I2, I = 5 V / 200 Ω = 25 mA. Así pues, por la resistencia de 100 Ω pasa el doble de corriente que por la de 200 Ω. Claramente, la corriente prefiere el camino de menor resistencia.

La ley de Kirchhoff de la corriente establece que la suma de las corrientes a la entrada de un nodo es igual a la suma de las corrientes a la salida del mismo. Esto significa que IS = I1 + I2 = 25 mA + 50 mA = 75 mA. La regla del divisor de corriente se puede expresar de modo general como sigue:

y

Sin embargo, esto requiere que conozcamos el valor de la corriente I (IS en este caso) que llega al nodo. Para calcular IS directamente, debemos calcular la resistencia equivalente (RT) de dos resistencias en paralelo, del siguiente modo:

o

Esto da 66,66 Ω en la figura 4-3(b). Por lo tanto, IS = V / R = 5 V / 66,66 Ω = 75 mA, que resulta consistente con los cálculos iniciales.

La potencia suministrada por la fuente: P = VI = 5 V × 0,075 A = 0.375 W. El resultado sería igual a la suma de la potencia disipada por R1 = V2 / R = 52 / 100 = 0,25 W y R2 = V2 / R = 52 / 200 = 0,125 W, lo que da un total de 0,375 W. Esto confirma la ley de la conservación de la energía.

Cómo implementar circuitos del RPi en una placa de pruebas

La placa de pruebas es una plataforma magnífica para el prototipado de circuitos y funciona perfectamente con el RPi. La figura 4-4 muestra una placa de pruebas

y describe cómo podemos utilizar los dos buses de potencia horizontales con 3,3 y 5 V. La cabecera GPIO del RPi está formada por pines macho, lo que significa que, normalmente, necesitaremos conectores hembra relativamente caros para cablear los circuitos. Hay disponibles numerosas placas de extensión del RPi GPIO, como la Adafruit Pi T-Cobbler Plus, que podemos ver en la figura 4-4, para la conexión de placas de pruebas. Resuelven el problema de tener que unir los conectores machos del RPi usando cables hembra con jumper, proporcionan una conexión muy estable y nos permiten usar cable de conexión de bajo coste en nuestros circuitos. Debemos extremar la precaución a la hora de conectar al RPi el extremo correspondiente del cable de una placa de extensión GPIO porque, como no están polarizados, es fácil conectarlos al revés.