8.7: Intermitente LED Flyback de larga duración CMOS 555

PARTES Y MATERIALES

• Dos pilas AAA
• Clip de Batería (Radio Shack catálogo # 270-398B)
• U1, U2 - CI temporizador CMOS TLC555 (Radio Shack catálogo # 276-1718 o equivalente)
• Q1 - 2N3906 Transistor PNP (Catálogo Radio Shack #276 -1604 (paquete de 15) o equivalente)
• Q2 - 2N2222 Transistor NPN (Catálogo Radio Shack #276 -1617 (paquete de 15) o equivalente)
• D1 - Diodo emisor de luz rojo (Radio Shack catálogo # 276-041 o equivalente)
• D2 - Diodo emisor de luz azul (Radio Shack catálogo # 276-311 o equivalente)
• R1 - 1.5 MΩ 1/4W 5% Resistor
• R2 - 47 KΩ 1/4W 5% Resistor
• R3, R5 - 10 KΩ 1/4W 5% Resistor
• R4 - 1 MΩ 1/4W 5% Resisto
• r
• R6 - 100 KΩ 1/4W 5% Resistor
• R7 - 1 KΩ 1/4W 5% Resistor
• C1 - Capacitor de tantalio de 1 µF (Catálogo Radio Shack # 272-1025 o equivalente)
• Condensador de Disco Cerámico C2 - 100 pF (Catálogo Radio Shack # 272-123)
• Condensador electrolítico C3 - 100 µF (Catálogo Radio Shack 272-1028 o equivalente)
• L1 - 200 µH Choke o inductor (El valor exacto no es crítico, ver final del capítulo)

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 16: Título “Respuesta transitoria del inductor”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, capítulo 16: Título “¿Por qué L/R y no LR?”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: Título “El amplificador de emisor común”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 9: Título “Descarga Electrostática”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, capítulo 10: Título “Multivibradores monoestables”

Objetivos de aprendizaje

• Aprende otro modo de operación para el 555
• Cómo manejar piezas ESD
• Cómo usar un transistor para una puerta simple (inversor de transistor de resistencia)
• Cómo los inductores pueden convertir energía usando flyback inductivo
• Cómo hacer un inductor

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

¡NOTA! Este proyecto utiliza una parte sensible a la estática, la CMOS 555. Si no usa protección como se describe en el Volumen 3, Capítulo 9, Descarga Electrostática, corre el riesgo de destruirla.

Este experimento en particular se basa en otro experimento, “Diodo de conmutación” (Volumen 6, capítulo 5). Vale la pena revisar esa sección antes de proceder.

Esta es la última de la serie de luces LED de larga duración. Han demostrado cómo usar un CMOS 555 para destellar un LED, y cómo aumentar el voltaje de las baterías para permitir un LED con más caída de voltaje que las baterías que se van a usar. Aquí estamos haciendo lo mismo, pero con un inductor en lugar de un condensador.

El concepto básico se adapta de otro invento, el Joule Thief. Un ladrón de joule es un simple oscilador de transistor que también utiliza contragolpe inductivo para encender un LED de luz blanca de una batería 11/2, ¡y el LED necesita al menos 3.6 voltios para comenzar a conducir! Al igual que el ladrón de joule, es posible usar 11/2 voltios para que este circuito funcione. Sin embargo, ya que un CMOS 555 está clasificado para 2 voltios como mínimo 11/2 voltios no se recomienda, pero podemos aprovechar la extrema eficiencia de este circuito. Si quieres conocer más sobre el ladrón joule se puede encontrar mucha información en la web.

Este circuito también puede accionar más de 1 o 2 LEDs en serie. A medida que aumentan los números de LEDs disminuye la capacidad de las baterías para durar una larga duración, ya que la cantidad de voltaje que puede generar el inductor depende algo del voltaje de la batería. Para los fines de este experimento se utilizaron dos LEDs disímiles para demostrar su independencia de caída de voltaje del LED. La alta intensidad del LED azul pantanea el LED rojo, pero si miras de cerca encontrarás que el LED rojo está en su máximo brillo. Puedes usar prácticamente cualquier color de LEDs que elijas para este experimento.

Generalmente, el alto voltaje creado por el contragolpe inductivo es algo que hay que eliminar. Este circuito lo usa, pero si cometes un error con la polaridad de los LEDs el LED azul, que es más sensible a la ESD, probablemente morirá (esto ha sido verificado). Un pulso incontrolado de una bobina se asemeja a un evento ESD. El transistor y el TLC555 también pueden estar en riesgo.

El inductor en este circuito es probablemente la parte menos crítica en el diseño. El término inductor es genérico, también se puede encontrar este componente llamado choke o coil. También funcionaría una bobina de solenoide, ya que ese es también un tipo de inductor. Así lo haría la bobina de un relé. De todos los componentes que he usado, este es probablemente el menos crítico que me he encontrado. En efecto, las bobinas son probablemente el componente más práctico que puedes hacer tú mismo que existe. Cubriré cómo hacer una bobina que funcione en este diseño después de la Teoría de Operación, pero la parte que se muestra en la ilustración es un estrangulador de 200µH que compré a un minorista de electrónica local.

TEORÍA DE OPERACIÓN

Tanto los capacitores como los inductores almacenan energía. Los capacitores intentan mantener un voltaje constante, mientras que los inductores intentan mantener una corriente constante. Ambos resisten al cambio a su aspecto respectivo. Esta es la base para el transformador flyback, que es un circuito común utilizado en circuitos CRT antiguos y otros usos donde se necesita alta tensión con un mínimo de alboroto. Cuando cargas una bobina un campo magnético se expande a su alrededor, básicamente es un electroimán, y el campo magnético es energía almacenada. Cuando la corriente se detiene este campo magnético colapsa, se crea electricidad a medida que el campo cruza los cables en la bobina.

Este circuito utiliza dos multivibradores astables. El primer multivibrador controla el segundo. Ambos están diseñados para la corriente mínima, así como el inversor hecho usando Q1. Ambos osciladores son muy similares, el primero ha sido cubierto en experimentos anteriores. El problema es que permanece encendido, o es alto, 97% de las veces. En los circuitos anteriores utilizamos el estado bajo para encender el LED, en este caso el alto es lo que enciende el segundo multivibrador. El uso de un inversor de transistor simple diseñado para una corriente extra baja resuelve este problema. Esta es en realidad una familia lógica muy antigua, RTL, que es la abreviatura de lógica de transistores de resistencia.

El segundo multivibrador oscila a 68.6 kHz, con una onda cuadrada que ronda el 50%. Este circuito utiliza exactamente los mismos principios que se muestran en el Intermitente LED de Piezas Mínimas. Nuevamente, las resistencias prácticas más grandes se utilizan para minimizar la corriente, y esto significa un condensador realmente pequeño para C2. Esta onda cuadrada de alta frecuencia se utiliza para encender y apagar Q2 como un simple interruptor.

La Figura 1 muestra lo que sucede cuando el Q2 está conduciendo, y la bobina comienza a cargarse. Si Q2 se quedara encendido entonces resultaría un cortocircuito efectivo a través de las baterías, pero como esto es parte de un oscilador esto no sucederá. Antes de que la bobina pueda alcanzar su corriente máxima Q2 cambia, y el interruptor está abierto.

La Figura 2 muestra Q2 cuando se abre, y la bobina está cargada. La bobina intenta mantener la corriente, pero si no hay trayectoria de descarga no puede hacer esto. Si no hubiera trayectoria de descarga es la bobina crearía un pulso de alto voltaje, buscando mantener la corriente que fluía a través de ella, y este voltaje sería bastante alto. Sin embargo, tenemos un par de LEDs en la ruta de descarga, por lo que el pulso de las bobinas va rápidamente a la caída de voltaje de los LEDs combinados, luego volca el resto de su carga como corriente. Como resultado no se genera un alto voltaje, sino que hay una conversión al voltaje requerido para encender los LEDs.

Los LED son pulsados, y la curva de luz sigue la curva de descarga de la bobina bastante de cerca. Sin embargo, el ojo humano promedia esta salida de luz a algo que percibimos como luz continua.

PARTES Y MATERIALES

• 26 pies (8 metros) de cable magnético 26AWG (catálogo de Radio Shack #278 -1345 o equivalente)
• Tornillo de 6/32X1.5 pulgadas, un tornillo M4x30mm o un clavo de diámetro similar cortado a medida, acero o hierro, pero no inoxidable
• Tuerca de bloqueo a juego (opcional)
• Cinta transparente (opcional, necesaria si se usan tornillos)
• Super Pegamento
• Soldador, Soldar

Como se ha mencionado anteriormente, esta no es una pieza de precisión. Los inductores en general pueden tener una gran varianza para muchas aplicaciones, y este específicamente puede estar apagado en el lado alto una gran cantidad. El objetivo aquí es mayor a 220µH.

Si está usando un tornillo, use una capa de la cinta transparente entre las roscas y el cable. Esto es para evitar que las roscas del tornillo corten en el cable y cortocircuiten la bobina. Si está utilizando una contratuerca colóquela en el tornillo a 1” (25mm) de la cabeza del tornillo. Comenzando alrededor de 1” desde un extremo del cable, use el pegamento para adherir el cable en la cabeza del clavo o tornillo como se muestra. Deja que el pegamento se fije.

Enrolle el cable prolijamente y firmemente 1” de la longitud del tornillo, nuevamente pegándolo en su lugar con súper pegamento. (Figura anterior). Puedes usar un taladro de velocidad variable para ayudar con esto, siempre y cuando tengas cuidado. Como todos los electrodomésticos, puede morderte. Sostenga el cable firme hasta que el pegamento se asiente, luego comience a enrollar una segunda capa sobre la primera. Continúe con este proceso hasta que se use todo el cable excepto el último 1", usando el pegamento para adherir ocasionalmente el cable hacia abajo. Organice el cable en la última capa de manera que el segundo conductor del inductor esté en el otro extremo del tornillo lejos del primero. Agrupe esto por última vez con el pegamento. Dejar secar completamente.

Toma suavemente una cuchilla afilada y desecha el esmalte de cada extremo de los dos cables. Estañe el cobre expuesto con el soldador y la soldadura, y ahora tiene un inductor funcional que se puede utilizar en este experimento.

Así es como se veía el que hice: Figura a continuación.

Las conexiones mostradas se están utilizando para medir la inductancia, la cual funcionó bastante cerca de 220µH.