Diseño de Circuitos Electrónicos

Microcontroladores

El microcontrolador es el cerebro de nuestro proyecto:

Los sensores son los sentidos de nuestro sistema:

Los sensores (Entradas) captan el ambiente, los microcontroladores procesan los datos y los actuadores aplican una acción en el ambiente (Salidas). El primer microcontrolador en hacerse popular en el uso comercial es el legendario PIC, y toda su familia es el tradicional que saben todos los que saben y se programa en lenguaje Ensamblador.

¿Cómo está conformado el PIC?

En las Datasheet solemos tener el diagrama de bloques del microcontrolador (contenido descargable en la página de RITSA):

¿Qué otros tipos de PIC existen?

• PIC modernos: Se pueden considerar tres grandes gamas de MCU PIC en la actualidad: los básicos (Linebase), los de medio rango (Mid Range) y los de alto rendimiento (High Performance). Los PIC18 son considerados de alto rendimiento y tienen entre sus miembros a PIC con módulos de comunicación y protocolos avanzados (USB, Ethernet, Zigbee, por ejemplo).
• Clones del PIC: Son empresas que se dedican a clonar los PIC´s de Microchip.
• PIC inalámbricos (rfPIC): Comunicación inalámbrica UHF para aplicaciones RF de baja potencia.
• PIC para procesado de señal (dsPIC): Son los primeros PIC con bus de datos inherente de 16 bits.
• PIC de 32 bits (PIC32): Microchip Technology lanzó en noviembre de 2007 los nuevos microcontroladores de 32 bits con una velocidad de procesamiento de hasta 1.6 DMIPS/MHz con capacidad HOST USB. Sus frecuencias de reloj pueden alcanzar los 80MHz a partir de cuarzos estándares de 4 a 5MHz gracias a un PLL interno. Funcionan a 3.3V en sus puertos de entrada y salida, aunque el fabricante indica que salvo en los pines con función analógica, en la mayoría se toleran tensiones de hasta 5V. Disponen de una arquitectura optimizada con alto grado de paralelismo y núcleo de tipo M4K y una elevada capacidad de memoria RAM y FLASH ROM. Todo ello hace que estos MCUs permiten un elevado procesamiento de información.

El siguiente microcontrolador que se popularizó es el ATmega de ATMEL Es tan conocido por la plataforma de Hardware libre Arduino. A continuación se muestra el diagrama a bloques del ATmega328PB (Datasheet descargable en el sitio web). La empresa ESPRESSIF SYSTEMS presentó al mundo a la familia del ESP32, un chip famoso por su co-procesador para entrar en modo Deep Sleep y por sus módulos Wi-Fi 2.4 GHz y Bluetooth incorporados. Se puede encontrar montado en placas como el clásico Arduino:

Con la electrónica las oportunidades son infinitas

Vamos a empezar con una breve explicación y tomaremos el ya clásico ARDUINO UNO, veremos sus entrañas y cómo está formado íntimamente. Nos apoyaremos en el software EAGLE.

¿Qué es necesario saber antes de ser un auténtico CRACK en diseño de circuitos electrónicos?

Para convertirnos en un auténtico crack en el diseño y análisis de circuitos iremos desde lo más simple pero elemental a lo más complejo. Los circuitos actuales constan de una gran cantidad de elementos electrónicos, entre los cuales se encuentran: resistores, diodos, capacitores, inductores, amplificadores operacionales, microcontroladores, sensores, actuadores, y un largo etcétera. ¿Los conocemos todos?… Pues tendremos que conocerlos poco a poco. También debemos tomar en cuenta que los dispositivos electrónicos generalmente se conforman de circuitos individuales con su funcionamiento específico, como lo pueden ser fuentes de alimentación, convertidores analógicos/digitales, etapas de telecomunicaciones, y otro largo etcétera, es decir, subsistemas que se interconectan para crear sistemas más grandes.

Te presentamos la siguiente secuencia:

Esquemático en EAGLE de un viejo conocido, el ARDUINO UNO: NOTA: Podrás descargarte completito este circuito en esta página para que te encante analizar sus partes y componentes. El esquemático consiste en el circuito armado e interconectado, y los símbolos no son a escala; cada elemento se representa mediante un símbolo simplificado.

Board (o “tablero”) en EAGLE:

En el Board (o placa de circuito) podremos apreciar el tamaño REAL de los elementos (¡te estamos hablando a escala milimétrica!). Recordemos que esta será la placa sobre la cual estarán montados y soldados TODOS los elementos electrónicos de nuestro circuito. Acá es donde trazaremos las pistas que unirán a cada patita o pad de nuestros elementos. Notemos que en el Board podemos distinguir capas como muchos otros CAD (Computer-Aided Design), por ejemplo, las pistas rojas son la capa Top, las pistas azules la capa Bottom, los agujeros verdes son los Pads, y los agujeros amarillos son las Vías (cada capa se puede ver por separado en EAGLE). ¿Qué lograremos obtener después de tener nuestra placa BOARD y montar (soldar) todos los elementos? Un circuito funcional: Pero debemos aprender a gatear antes de caminar y luego volar a la estratósfera del diseño de circuitos. Empezaremos por lo más básico (el Kinder de la electrónica).

Ley de Ohm

Expliquemos de manera sencilla: La corriente es la cantidad de electrones por unidad de tiempo que atraviesa un material conductor. Se mide en Amperios [A]. NOTA: los electrones en la imagen se mueven hacia el lado positivo de la batería por la ley de cargas (cargas distintas se atraen). Los electrones tienen carga negativa y por eso su magnitud (positiva) se toma de manera opuesta al flujo. El voltaje (o tensión eléctrica) es la diferencia de potencial entre dos puntos, por ejemplo, la diferencia de potencial entre el positivo y negativo de una batería será el voltaje de salida de dicha batería. Otra manera de comprender esta magnitud es como la “fuerza” con la que los electrones serán “empujados” a través del conductor. Se mide en Voltios [V]. La resistencia eléctrica es el valor de oposición al paso de corriente eléctrica. Distintos materiales poseen distinto valor de resistencia. Existen elementos conductores (baja resistencia), aislantes (alta resistencia) y existen los semiconductores (resistencia variable). Los tres grupos son extremadamente importantes para la electrónica. La resistencia eléctrica se mide en Ohmios [Ω]. La ley de Ohm consta de una ecuación lineal que parte del origen (ya que si la tensión es cero, la corriente es cero). Ahora miren qué lindo y satisfactorio es entender que la pendiente de la recta es la Resistencia. Claro, cuando hablemos de elementos reactivos como capacitores e inductores la cosa no será tan sencilla.

Diodo

A continuación se describe el funcionamiento de un diodo clásico: Existen muchos tipos de diodo para nuestras aplicaciones electrónicas:

Transistores

Dopaje del silicio: Funcionamiento del Mosfet: Funcionamiento del BJT:

Amplificadores operacionales

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