Se ha ido otro ciclo escolar (el lugar ha donde se ha ido lo pongo a su consideración, amable lector), lo que implica que el pseudo nerd está de vacaciones una vez más. Estas vacaciones estoy dispuesto a pasármela bomba y para ello debo armar unos cuantos circuitos que me permitirán disfrutar de mi hobby favorito (es decir, experimentar con hardware relacionado a videojuegos) de una forma plena y ante todo confiable. Con confiable me refiero a tratar de evitar, en la medida de lo posible, que se presente alguna falla en alguno de los circuitos.
Los LED son dispositivos que, como su nombre lo indica, emiten luz. Son muy útiles para visualizar o transmitir información de forma inalámbrica cuando hay línea de vista entre el emisor y receptor. Últimamente se han hecho populares gracias a las lámparas de mano y juguetes chinos que los emplean. Tienen una alta durabilidad, además de que son muy eficientes como fuentes de luz, a pesar de que la luz que irradian suele ser focal y tener un ángulo de apertura muy agudo. Si bien, en términos de iluminación son muy eficientes (comparados contra las lámparas incandescentes o fluorescentes), en términos electrónicos son voraces. El consumo de corriente que suele tener un LED a su máximo nivel de luminosidad suele ser mayor a los 20[mA]. Puede parecer poco, pero el consumo del adaptador de controles de Super NES a Dreamcast suele ser de 3.5[mA], lo cual, para estándares de electrónica actual es elevado.
El problema de voracidad de los LED se incrementa cuando se desea emplear más de un LED. Un display de siete segmentos puede llegar a consumir más de 100[mA] si no se emplean las resistencias limitadoras adecuadas. Además, una práctica muy empleada por los estudiantes de electrónica (e incluso por los profesionales del ramo) es conectar de forma directa a las terminales de los circuitos lógicos varios LED que les permitan visualizar información. A pesar de que se empleen resistencias limitadoras, al hacer esto existe una alta probabilidad de dañar el circuito lógico, sobretodo si se emplean familias de bajo consumo de corriente. Los circuitos lógicos de colector abierto no tienen este inconveniente.
Una técnica recomendada para conectar un LED a la terminal de un circuito lógico consiste en armar un driver muy rudimentario, con un transistor bipolar de juntura. Es posible emplear cualquier transistor, incluso es recomendable emplear transistores digitales (que tienen resistencias de polarización internas). En mi caso, suelo emplear transistores como el MPS3904 (que es tipo NPN) o el MPS3906 (el complementario PNP), que suelen tener una muy buena respuesta en frecuencia (comparados con otros transistores como el famoso BC548/BC558) y además son muy baratos.
Cuando el nivel lógico en la entrada es bajo (0[V]), circula una mínima corriente por la base del transistor, lo que provoca que el transistor se comporte como un circuito abierto, por lo que no circula corriente por el LED y éste no enciende. Cuando el nivel lógico en la entrada es alto (5[V]), circula corriente a través de la base, el transistor se comporta como un circuito corto y circula corriente a través del LED, por lo que éste enciende. Quizás parezca una complicación innecesaria, pero en este caso el LED consume la corriente directamente desde la fuente de alimentación y no desde la terminal del circuito lógico.
La configuración empleada en este driver se llama colector común, aunque en este caso en particular también se le conoce como emisor seguidor, ya que en la salida del emisor tenemos una copia de la señal que se aplica en la base del transistor. La característica de esta configuración es que la ganancia de voltaje es unitaria, pero la ganancia en corriente es muy alta.
Al armar circuitos electrónicos siempre se tienen en cuenta varios factores, como son el diseño del circuito (lo que implica cálculos y en algunos casos simulaciones), el enrutamiento de las conexiones (ya sean alambradas o pistas de circuito impreso), la disponibilidad de materiales y sus posibles reemplazos. Al terminar de armar un circuito siempre se suele probar, verificando que a la salida del circuito se obtengan las señales deseadas. Si las pruebas fallan en ese aspecto, es cuando se suele hacer una inspección más rigurosa en cada una de las etapas del circuito.
Sin embargo, al probar un diseño en el que me encuentro trabajando noté algo que me desconcertó. Las salidas lógicas del circuito eran adecuadas y coherentes en tiempos con lo que había diseñado. Es decir, el circuito funcionaba "bien". Hasta aquí, todo hubiera sido grandioso, de no ser que el objetivo del circuito era reducir el consumo de corriente en un sistema que emplea varios LED, ya que la capacidad de la fuente de alimentación del circuito es relativamente limitada.
Una técnica para disminuir el consumo de energía en un arreglo de LEDs consiste en encenderlos de forma intermitente, a una frecuencia relativamente alta. El objetivo es que en un momento dado un solo LED se encuentre encendido, de tal suerte que en cualquier momento la fuente sólo tiene que lidiar con el consumo de un sólo LED.
Por ejemplo, supongamos que se desean encender cuatro LEDs con una corriente de 20[mA] para que otorguen un brillo muy alto. Si se encendieran los cuatro LEDs al mismo tiempo, se tendría un consumo de 80[mA], lo cual es demasiado. Sin embargo, si se encienden los cuatro LEDs en secuencia a alta frecuencia, a pesar de que sólo se tiene un consumo de 20[mA], al ojo humano parecerá que los cuatro LEDs están encendidos al mismo tiempo. La frecuencia mínima que permite emplear esta técnica es de 24[Hz], si se emplea una frecuencia menor se notará un parpadeo en la iluminación de los LEDs. Una frecuencia de 100[Hz] a 200[Hz] suele ser muy adecuada, ya que permite obtener el efecto de encender todos los LEDs al mismo tiempo, sin estresar al circuito secuenciador (que a mayor frecuencia, consume más corriente).
Sin embargo, al medir el consumo del circuito me llevé una muy desagradable sorpresa, ya que era de 60[mA]. Evidentemente algo estaba muy mal, pues el consumo esperado era de unos 28[mA] (considerando corrientes de polarización de transistores, circuitos integrados y el consumo del propio LED). En mi circuito estaba empleando compuertas de bajo consumo, de la familia HCT. La familia HCT se caracteriza por ser compatible con la familia LS, pero empleando una corriente que ronda los 20[uA], mientras que las compuertas LS tienen un consumo aproximado de 3[mA]. Existen variaciones en el consumo de corriente, sobretodo si los circuitos se encuentran en conmutación de estados a alta frecuencia.
Procedí a probar uno de los circuitos que estaba empleando, un SN74HCT32N (una compuerta OR) de la marca Texas Instruments. Si bien, el circuito entregaba la tabla de verdad de forma correcta, al medir su consumo de corriente encontré al culpable del problema. El circuito tenía un consumo aproximado a los 40[mA]. Este valor de corriente evidenciaba la inminente falla de la compuerta en el corto plazo, ya que era indicio de corrientes de fuga muy altas en el interior del circuito.
En este punto decidí suspender el armado del circuito y procedí a probar todos los circuitos integrados que tengo. Descarté cuatro circuitos integrados que tenían corrientes de polarización mayores a los 5[mA]. Noté que todos los circuitos HCT de la marca Texas Instruments tenían corrientes de polarización relativamente elevadas, de entre 1[mA] y 3[mA]. Dichos circuitos los compré en la tienda AG Electrónica, principal proveedor de circuitos electrónicos en la Ciudad de México.
Había tenido conocimiento de casos donde dicha empresa comercializaba lotes de circuitos rechazados de los controles de calidad de los fabricantes, además de vender falsificaciones de varios circuitos. En casos concretos, las quejas principales eran de PLD's de la familia GAL (en el caso de los lotes defectuosos) y transistores de alta frecuencia marca Toshiba (en el caso de las falsificaciones). En el caso de mis circuitos tengo incertidumbre, ya que pueden ser circuitos HCT auténticos pero defectuosos o bien, falsificaciones de la familia LS matriculadas como HCT.
Sea cual sea el caso no hay mucho que se pueda hacer al respecto, ya que dicha empresa no otorga garantías en circuitos integrados.
Hace un par de años, compré unas compuertas lógicas de la familia HCT marca Goldstar (antes de unirse a Lucky para hacer LG) y han tenido un rendimiento impecable, además de que su consumo de corriente es de apenas 18[uA] a pesar de ser componentes con fecha de manufactura de febrero de 1995. Y hace muchos años (1999), cuando estudiaba en la vocacional compré mis primeros circuitos integrados en la tienda Steren, unas compuertas TTL de la familia LS marca Motorola (antes de convertirse en ON Semiconductor) y aún sobreviven. Su consumo de corriente es de apenas 1.5[mA] y han soportado un par de sobrecargas y mucho uso rudo.
Los circuitos de la familia LS tienen como ventajas el ser muy baratos, fáciles de conseguir y de manipular. Sin embargo su consumo de energía es muy elevado para los estándares actuales. Por otro lado, las familias de circuitos con tecnología CMOS suelen tener un consumo de energía muy reducido, pero su disponibilidad y su manejo suelen representar un problema. Existe una familia discontinuada de circuitos lógicos que en lo particular me agrada mucho, es la familia CD40. Son circuitos CMOS de bajo consumo, que admiten voltajes de polarización desde los 3[V] hasta los 15[V]. Esto les brinda una gran flexibilidad, ya que pueden emplearse tanto en lógica de bajo voltaje (3.3[V]) como en lógica de 12[V] (muy empleada en electrónica de potencia y manejo de relevadores). Los inconvenientes de esta familia son su escasa disponibilidad en el mercado, su manejo delicado, su incompatibilidad en terminales con la familia LS (que es bastante más popular) y su baja velocidad. Sin embargo, es muy difícil hallar falsificaciones de esta familia lógica, además de que es imposible matricular un circuito LS y hacerlo pasar por CD40, ya que las terminales no son compatibles.
Mi recomendación es que si van a armar circuitos pequeños o donde el consumo de corriente no sea un factor a considerar, es preferible utilizar la familia LS. Si por otra parte se desea hacer un proyecto que requiera de muchos circuitos integrados, con voltajes de alimentación distintos a 5[V] y con un consumo reducido de energía, es preferible la familia CD40 (similar a las familias HEF40 y HCF40). También recomiendo probar el consumo de corriente de cada circuito integrado que adquieran ANTES de utilizarlo en algún proyecto. Si es posible, pidan la prueba en el establecimiento donde adquieran el circuito. Si el consumo del circuito integrado es excesivo (superior a los parámetros establecidos en la hoja de datos) y no cuentan con garantía, lo mejor es descartar el circuito, de lo contrario puede provocar fallas en el corto plazo y dañar otras partes del proyecto. Hay que tomar conciencia que es preferible perder un poco de dinero, que comprometer el funcionamiento de un circuito, ya que si un circuito falla pueden ocurrir varias cosas:
- Si se trata de un proyecto escolar, obtendremos una mala nota.
- Si se trata de un proyecto en el trabajo podemos obtener desde un regaño hasta perder nuestro empleo.
- Si se trata de un proyecto personal nos frustraremos un rato.
- Si se trata de un sistema de control, podemos provocar un siniestro.
- Si se trata de un soporte de vida, alguien puede morir.
