Componentes electrónicos externos para Microcontroladores ( PARTE 4 )

El Transistor: El Cimiento de la Era Digital

Si tuviéramos que elegir el componente que revolucionó la historia moderna y permitió que la tecnología diera un salto de gigante, sin duda sería el transistor. Se puede decir, sin temor a equivocarse, que es el bloque de construcción fundamental de toda la electrónica actual.

Un poco de historia: El fin de las "Válvulas de Vacío"

Antes de la invención del transistor en diciembre de 1947 por los físicos John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley en los Laboratorios Bell (lo que les valió el Premio Nobel), las computadoras y radios utilizaban válvulas o tubos de vacío.

Figura 1.1.- Comparativa de tamaño entre los antiguos tubos de vacío y los transistores modernos.

Los tubos de vacío hacían el mismo trabajo que un transistor (controlar el flujo eléctrico), pero tenían enormes desventajas:

• Eran del tamaño de un foco o bombilla de luz.

• Consumían muchísima energía y generaban un calor extremo.

• Se quemaban con mucha facilidad, como un filamento de luz convencional.

Para que te des una idea: la ENIAC, una de las primeras computadoras de la historia, utilizaba casi 20,000 tubos de vacío, pesaba 27 toneladas y ocupaba una habitación entera. ¡Y hoy en día, el microcontrolador de tu proyecto contiene miles de transistores microscópicos en un espacio menor al de una uña! El transistor llegó para cambiarlo todo: un dispositivo semiconductor, pequeño, frío, rápido, eficiente y sumamente duradero.

¿Por qué es vital para un programador de microcontroladores?

Los pines de un microcontrolador PIC o AVR son delicados; usualmente solo pueden entregar un máximo de 20mA a 25mA de corriente a un voltaje de 5V. Si intentas conectar directamente un motor DC, un relé (relevador) o una tira de LEDs de alta potencia, quemarás el pin del microcontrolador de forma instantánea.

Figura 1.2.- Diagrama típico de un transistor funcionando como interruptor electrónico controlado por un microcontrolador.

Aquí es donde entra el transistor: el microcontrolador envía una señal de corriente muy pequeña a la Base del transistor, y este activa el paso de una corriente mucho mayor entre el Colector y el Emisor para alimentar la carga pesada.

Utilidad y Aplicaciones Reales en el Laboratorio

Cuando estés en tu mesa de trabajo diseñando prototipos para tu blog, el transistor se convertirá en tu "navaja suiza" electrónica. Estas son sus tres aplicaciones más comunes en los laboratorios prácticos:

1. Conmutación (Modo Interruptor Digital)

Es el uso estrella al programar chips. Configurado en sus zonas de Corte (completamente apagado, actúa como un interruptor abierto) y Saturación (completamente encendido, actúa como un interruptor cerrado).

Figura 1.3.- Diagrama típico de un transistor funcionando como interruptor digital.

• Aplicación en el laboratorio: Activar desde el código un zumbador (buzzer), encender bombillas de corriente alterna mediante un relé, o controlar el sentido de giro de un motor pequeño.

2. Amplificación de Señales de Sensores

Muchos sensores analógicos caseros que construimos en el laboratorio generan corrientes o voltajes tan sumamente diminutos que el convertidor analógico-digital (ADC) de nuestro microcontrolador apenas los puede detectar.

Figura 1.4.- Diagrama típico de un transistor funcionando amplificador.

• Aplicación en el laboratorio: El transistor toma esa pequeña variación de señal en su base y la amplifica en su colector a niveles que el PIC o AVR puede leer e interpretar con total precisión.

3. Control de Velocidad y Brillo (Modo Lineal / PWM)

Si combinamos la programación de señales PWM (Modulación por Ancho de Pulso) de nuestro microcontrolador con un transistor de potencia, podemos regular de manera fluida cuánta energía pasa hacia una carga.

Figura 1.4.- Diagrama típico de un transistor funcionando amplificador.

• Aplicación en el laboratorio: Diseñar un dimer para controlar la intensidad de brillo de una lámpara de alta potencia o regular la velocidad exacta de un motor de corriente continua.

Ejemplos Reales: El Transistor en la Programación y el Laboratorio

Para entender el verdadero potencial del transistor, veamos cómo interactúa el hardware (el circuito en el protoboard) con el software (las instrucciones que programamos en el microcontrolador).

Ejemplo 1: Activación de un Relé (Control de un Foco de 220V AC)

Imagina que quieres programar un sistema de domótica para encender las luces de tu casa. Un pin de tu microcontrolador jamás podría soportar la corriente de la bobina de un relé, ni mucho menos el voltaje de la red eléctrica.

El Circuito en el Laboratorio:

Conectamos un pin digital del microcontrolador (por ejemplo, el pin RB0 en un PIC o el pin PB0 en un AVR) a través de una resistencia de 1 kohm a la Base de un transistor de propósito general como el 2N2222A. El relé se conecta al Colector, y el Emisor va directo a GND.

Figura 1.5.- Diagrama típico de un transistor funcionando con un microcontrolador.

El Código (Ejemplo en C): Para encender el foco, solo necesitamos mandar un "1" lógico (5V) para saturar el transistor. Para apagarlo, mandamos un "0" lógico (0V) para llevarlo a corte.

Figura 1.6.- Codigo en C de un transistor funcionando con un microcontrolador AVR.

Ejemplo 2: Control de Velocidad de un Motor DC mediante PWM

Si solo quisiéramos encender o apagar un motor, usaríamos el método anterior. Pero, ¿qué pasa si estás construyendo un robot o una pequeña máquina CNC y necesitas que el motor gire más rápido o más lento? Aquí utilizamos la técnica PWM (Modulación por Ancho de Pulso).

El Circuito en el Laboratorio: Utilizamos un transistor de potencia, como el TIP120 (un transistor tipo Darlington que soporta más corriente) o un MOSFET de potencia como el IRFZ44N. Lo conectamos al pin del microcontrolador que tenga la función de hardware CCP/PWM.

Figura 1.7.- Control de velocidad de motor DC por PWM.

Conclusión Final

Como has podido ver a lo largo de esta guía, los componentes externos no son elementos aislados; son la extensión física que le permite a tus líneas de código interactuar con el mundo real. Sin el resistor, tu microcontrolador estaría desprotegido; sin el capacitor, su energía sería inestable; y sin el transistor, sería incapaz de mover un solo engrane o encender una lámpara.

Dominar el uso e instalación de estos tres dispositivos en tu protoboard es el verdadero punto de partida para cualquier desarrollador de sistemas embebidos.

¡Ahora es tu turno de experimentar en el laboratorio! Consigue un par de transistores 2N2222A, arma tus primeros circuitos de prueba y cuéntanos en los comentarios qué proyectos tienes en mente controlar con tu microcontrolador. ¡Nos vemos en el próximo tutorial de Artes Electrónicas Pachani!

Quinta parte Componentes electronicos externos Microcontrolador

¡Espero que esta información te sea de gran utilidad como referencia para los próximos laboratorios prácticos! Si tienes alguna duda sobre cómo leer un capacitor o qué transistor elegir, deja tu comentario aquí abajo. ¡Nos vemos en el próximo tutorial!

Bibliografia

1.- Apuntes de circuitos I y II; Facultad de Tecnologia; dictado por el Licenciado Marques ;[Fecha cursada año 2013 en semestres seguidos].

2.-Manual del taller: INTRODUCCIÓN AL MICROCONTROLADOR PIC18F4550; M.C. Jesús Medina Cervantes; se encuentra libre bajo licencia http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/mx/ [Fecha consultada 23 de febrero 2017] .