Temporizadores y explicación de la base de tiempo RC

Una de las cosas que me fascina de la electrónica es cuando puedes hacer cosas realmente útiles con unos pocos componentes, hasta ahora todo lo que hemos visto nos ha llevado a poder crear un conmutador con solo un transistor, una resistencia y un relé pero ¿podemos hacer aún más útil este diseño tan sencillo?

Creo que con ingenio, trabajo y perseverancia nada es imposible, aunque no necesitaremos mucho esfuerzo para lograr el objetivo de hoy sino solo añadir un capacitor a nuestro circuito y obtendremos un conmutador con retardo bien sea para activación o para desactivación, sólo necesitamos comprender el principio de funcionamiento y lo demás será fácil.

En electrónica la variable tiempo juega un papel fundamental, el tiempo de respuesta de un dispositivo, el tiempo que debe tener un semiciclo para ser considerado un bit, el tiempo que se establece para sincronizmo (frecuencia de reloj), generación de señales entre muchas otras aplicaciones que hacen impresindible conocer no solo el comportamiento de nuestros diseños en el tiempo sino también cómo podemos aprovechar el tiempo para hacer diseños optimos.

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Existen ciertas circunstancias operacionales en las que se requiere que exista un retardo entre el momento en que se acciona una señal de activación y el tiempo en el que el dispositivo responde a esta señal, cuando la señal es de desactivación se le llama retardo de apagado y tambien se suele llamar TOFF, cuando la señal es de activación se llama retardo de encendido y también es conocida como TON.

Hoy en día es posible encontrar en el mercado conmutadores con retardo programable, son útiles pero también costosos, para efectos de nuestros estudios sobre electrónica vamos a ver cómo podemos fabricar un conmutador con retardo usando una base de tiempo RC.

podemos ver una imágen de contactores, fuente: Pixabay

Componente de tiempo RC (Resistencia-Capacitor).

Lo primero que vamos a considerar es el principio de funcionamiento de un capacitor, para ello recordaremos lo expuesto en el artículo Componentes Pasivos que escribí hace ya algún tiempo, de el extraemos que "...se trata de dos placas metálicas que no se tocan entre sí pero pueden almacenar cargas..."

Ahora, para los propósitos de este artículo vamos a despreciar los efectos de campo eléctrico, filtración e impedancia que presenta un capacitor dentro de un circuito y nos limitaremos a verlo como un "embase" en el cual podemos almacenar cargas eléctricas, algo muy parecido a una batería o lo que sería equivalente a un tanque (capacitor) en el cual deseamos almacenar agua (cargas).

Haciendo esta analogía vamos a considerar lo que se necesita para almacenar agua en un tanque:

• El tamaño del tanque que en este caso sería la capacidad en Faradios del capacitor.
• Un flujo de agua que en este caso sería un flujo de corriente, mientras mayor sea el flujo mayor será la rapidéz de llenado y viceversa.
• La tubería por la cual fluiría el agua que en este caso sería el conductor que une los componentes.
• Y por último una válvula que pueda regular el flujo de agua haciéndolo mas grande o más pequeño, para este fin en términos eléctricos podríamos usar una resistencia ya que según su magnitud se limitará la corriente que la atravieza.

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Uso cosas conocidas y fáciles de comprender para intentar dar una ilustración más cómoda de lo expuesto pero si lo hace ver más confuso por favor dejame saberlo en los comentarios para tomarlo en cuenta en el futuro.

Si deseamos saber cuanto tiempo tardará el tanque en llenarse completamente necesitaríamos conocer la cantidad de flujo de agua y el tamaño del tanque y con esto podríamos hacer una estimación, interpolando esto a nuestro caso podríamos conocer el tiempo de carga de un capacitor si conocemos la capacidad en faradios y la resistencia en ohmios.

Así tenemos que el tiempo de carga de un capacitor tc es apróximadamente tc = RC.

Si conozco lo valores de R y de C puedo conocer también este tiempo, por ejemplo una resistencia de 1k y un condensador de 1mF darían una constante de tiempo de 1segundo porque tc=1E+3*1E-3=1

Cuando pasamos el interruptor el capacitor comienza a cargarse limitado por el valor de la resistencia colocada, algo importante que se puede ver en la gráfica es que aunque cálculamos 1segundo como tiempo de carga el punto máximo se consigue con más tiempo, sin embaro en 1 segundo (para los valores dados a RC) se obtiene un nivel de voltaje considerado como efectivo, por eso mencioné que logramos una aproximación de tiempo en lugar de un valor exacto, sin embargo esa aproximación es lo suficientemente útil para usarla en la mayoría de las aplicaciones.

Pero... ¿Qué tiene que ver la carga de un capacitor con el retardo en la activación de un elemento? para comprender esto volvamos al la ilustración del tanque de almacenamiento de agua, para ello vamos a abrir al tanque un agujero en la parte superior y conectaremos un tuvería que suministrará agua a un segundo lugar.

Podemos ver en la ilustración que no habrá flujo de agua hacia el segundo embase hasta que el nivel del primero alcance el agujero que interconecta los dos tanques, en este caso el primer tanque se convierte en un retardador para el llenado del segundo y el segundo tanque solo comenzará a llenarse después que el primero haya cumplido su tiempo de llenado.

Ocurre lo mismo en el circuito, no habrá suficiente corriente circulando hasta que el capacitor esté cargado. Ahora vamos a poner una base de tiempo de 10 segundos reemplazando la resistencia de 1k por una de 10k y vamos a añadir un transistor como conmutador que encienda un LED, intentaré capturar cada instante de tiempo hasta que se obtenga el encendido completo del LED.

Dos segundos luego de pasar el interruptor y el LED Aun no muestra ninguna intensidad de luz

A los 4 segundos aparece una luz tenue

A los 8 segundos el LED emite una luz pero esta aun es deficiente

A los 10 segundos la luz es más intensa y la curva comienza a hacerse más horizontal

A los 15 segundos se ha alcanzado el valor máximo y el LED emite su máximo brillo

Cuando usamos la constante de tiempo RC lo que estamos calculando es el tiempo que el capacitor tarda en alcanzar un 70% de su almacenamiento considerando que ese 70% es suficiente para la activación de un circuito posterior, es por eso que al mirar la curva no obtenemos el valor máximo a los 10 segundos sino despues, a los 10 segundos se obtiene el 70% pero es importante señalar que a partir de ahí la curva comienza a convertirse más en una recta horizontal.

Observamos que de 0 a 10 segundos subió de 0 a 7V, es decir, 7V en 10Segundos pero de 10 a 15 segundos solo subió 2 voltios adicionales, dado que a partir del 70% de carga el proceso de carga se vuelve más lento se toma como suficiente ese 70% para calcular una base de tiempo.

Hasta aquí otra entrega que espero les sea de mucha utilidad, muy agradecido de todo corazón por permitirme ser parte de esta comunidad y por todo el apoyo brindado. Quedo atento a los comentarios.

Lecturas recomendadas

• Albert Paul Malvino, Principios de electrónica, Sexta edición.
• Robert L. Boylestad, Electrónica: Teoría de Circuitos.
• Timothy J. Maloney, Electrónica Industrial, dispositivos y sistemas.