En numerosas ocasiones nos encontramos con que queremos conectar sensores industriales a nuestro microcontrolador. Sensores inductivos, barreras fotoeléctricas, encoders, etc. El mundo de los sensores industriales es inmenso. En otras ocasiones, aunque no habitualmente, nos encontramos que queremos darle señales con órdenes a un autómata que se ocupa de otra parte del proceso. También nos encontramos en ocasiones que queremos trabajar con algún dispositivo que trabaja a una tensión distinta que la de nuestro microcontrolador. Para todo esto nos valemos de los optoacopladores. Es una manera rápida y fiable de hacer una conversión de niveles de tensión y de aislar dos circuitos.

Cuál es la idea de esta placa

Esta placa está pensada para optoacoplar, como la mayoría de nuestras placas, un puerto entero de 8 bits. Gracias a esta placa conseguimos un aislamiento galvánico en un puerto y así poder trabajar con dispositivos de diferentes tensiones. Esto nos dá la ventaja de que en caso de conexionado erróneo la placa del microcontrolador no sufra daños.

Aislamiento galvánico

El aislamiento galvánico permite aislar partes de un sistema eléctrico. Con un correcto aislamiento galvánico el ruido o picos eléctricos que sufre una parte del mismo no se verá reflejada en la otra.

Para hacer un correcto aislamiento galvánico hay que tener unos pocos conocimientos de electricidad. Lo primero que debemos saber es que en los centros transformadores el cable del neutro esta conectado a tierra. Esto produce que, aunque a mucha distancia, la linea de tierra y de neutro están unidas. Teniendo esto en cuenta sólo existe una manera de conseguir un correcto aislamiento galvánico. Habrá que usar como mínimo una fuente con transformador, NO conmutada, la cual no tenga conectada a tierra la parte negativa. De esta manera las tensiones que hay en esa fuente de alimentación no están referenciadas a nada solo entre sí y no tendrán ningún camino de conexión con las de la otra parte del circuito. Lo mas recomendable es usar dos fuentes de alimentación de transformador que no estén aterrizadas (con su parte negativa puesta a tierra). De esta manera, en el caso de fallo en alguna de las fuentes y que esta se conecte a la tierra accidentalmente, seguirá habiendo aislamiento galvánico.

¿Por qué debemos usar fuentes de transformador con parte negativa no conectada a tierra?

La respuesta es sencilla: el el caso de usar fuentes conmutadas, que actualmente son muy populares por su bajo coste, éstas tienen su polo negativo conectado a tierra. Estaríamos en el mismo caso de usar una fuente de transformador con negativo conectado a tierra. En este caso, en el supuesto que se produjera ruido electromagnético o una descarga elevada que dañase el circuito, ese ruido o esa señal eléctrica de la descarga dañará la otra parte del circuito o meterá espúreos en la señal. Esto es muy importante en el caso de trabajar con señales analógicas en las que queramos que la tensión sea muy estable; o en el caso de meter motores haciendo ciclos de arranque/paro que meten ruido en las lineas eléctricas.

Sensores industriales

En el encabezado del artículo menciono que con esta placa podemos conectar un sensor industrial. En el mundo de los dispositivos industriales nos encontramos principalmente que trabajamos con dos tensiones distintas: una de $24V$ y otra de $12V$. La mayoría de los que he trabajado van a $12V$, esto es una gran ventaja. $12V$ es una tensión de seguridad. Esto quiere decir que con esta tensión no se puede electrocutar a nadie con un uso normal. Usando dispositivos industriales que funcionen a 12V podremos montar máquinas en las que los hombres puedan tener contacto con las partes metálicas sin riesgo alguno a sufrir una descarga.

¿Por qué están importante para nosotros el uso de sensores industriales?

En primer lugar, la robustez. Los sensores industriales están pensados para usar en la industria en las peores condiciones: polvo, humedad, golpes... En el caso de usarlos en algún aparato casero o en el que se los trate con un poco de cuidado se vuelven eternos.

Otro de los motivos es que siempre existirán repuestos compatibles que nos permitan sustituir los sensores en caso de avería.

El último pero no por ello menos importante: la gran variedad de sensores que crece día a día. En el mercado nos podemos encontrar con sensores diversos:

- Interruptores de posición

-Control de fluidos

-Codificadores rotativos

-Células fotoeléctricas

-Detectores inductivos

-Detectores capacitivos

-Ultrasonidos

-...

Colores de los cables de los sensores

Como último apunte acerca del tema de los sensores, una nota que creo os será de utilidad en el caso de que empecéis a usar sensores industriales. Estos sensores, al ser industriales, está estandarizado todos sobre ellos, de ahí que se puedan volver a encontrar para ser sustituidos con facilidad. Y como no, está estandarizado el color de sus cables. Desde mi punto de vista no atiende a un sistema demasiado obvio o que se corresponda con una estandarización conocida, es más, se parece más a una estandarización de cableado eléctrico que a uno de electrónica, pero bueno es un estándar que hay que cumplir y os lo indico bajo estas líneas por si necesitáis comentar alguno.

Marrón: Positivo

Azul: Negativo

Negro: Normalmente abierto (NO)

Blanco: Normalmente cerrado (NC)

Expliquemos un poco esta placa

Consta de ocho optoacopladores que aíslan un puerto de un microcontrolador galvánicamente. Sólo funciona en una dirección, que viene marcada por las flechas de la parte inferior.

Foto 1: Placa terminada

Podemos adaptar las tensiones a las que trabaja sustituyendo únicamente los array de resistencias.

Un detalle muy a tener en cuenta es el conexionado los LEDs. Están funcionando para que, si se conecta a un microcontrolador, éste drene la corriente y que no tenga que dar la corriente para excitar los LEDs. Esto implicara que los LEDs se encenderán cuando la salida se ponga a cero.

Los transistores están en modo emisor común. Esto nos permite deshacer la inversión creada del lado de los LEDs. Valiéndonos de este truco, hacemos que la placa sea transparente para el usuario, reflejándose un 1 lógico en la salida cuando se pone un 1 lógico a la entrada.

Datos sobre el chip CNY74

LED

$$I_{f(typ)} = 50mA$$

$$I_{f(max)} = 60mA$$

$$V_{f(tip)} = 1.25V$$

$$V_{f(max)} = 1.6V$$

Fototransitor

$$V_{CE(sat)} = 0.3V$$

Vamos a trabajar como si esta placa la usásemos para captar señales provenientes de sensores que trabajan a $12V$ y fuesen a excitar un microcontrolador que trabaje a $5V$.

Calculo de la resitencia del led

Como se explica en la placa de Outputs el cálculo se hará con la formula:

$$R = \frac{V_{CC} - V_f}{I_f}$$

Aquí debemos tener en cuenta también la caída que se produce en la unión $V_{CD}$ del transistor de salida del sensor, que es de aproximadamente $0.7V$ teniendo en cuenta que éste trabaja entre corte y saturacion:

$$\frac{12V – (0.7V + 1.25V)}{60mA} = 167 \Omega$$

$167 \Omega$ sería la resistencia mínima para no romper el LED.

Como no queremos forzar demasiado los LEDs, usaremos una R de $220 \Omega$. Además tenemos un montón de ellas y es un valor que también tenemos en array.

$$\frac{12V - 0.7V - 1.25V}{220 \Omega} = 46mA$$

Medido con el polímetro en un montaje de prueba por esta resistencia pasan $46.2mA$.

La potencia disipada por esta resistencia sería:

$$P = 46.2mA^2 \cdot 220 \Omega = 0.469W$$

Para un correcto funcionamiento, esta resistencia será de $220 \Omega$, $^1/_2 W$

Cálculo de la resistencia de colector del transistor

$$I_C = \frac{V_{CC} - V_{CE}}{R}$$

Tomando una $I_C$ de $10mA$, valor típico usado en sistemas de electrónica trabajando en corte/saturacion tenemos:

$$R = \frac{5V - 0.3V}{10mA} = 470 \Omega$$

Como no queremos que la placa consuma demasiado, vamos a subir esta resitencia, reduciendo así el consumo total de la placa. Tomaremos, por tanto, un valor de $1 K\Omega$:

$$I_C = \frac{5V - 0.3V}{1 K\Omega} = 4.7mA$$

Medido con el polímetro, por esta resistencia pasan 4.8mA. La potencia será de:

$$P = 4.8mA^2 \cdot 1 K\Omega = 0.022W$$

Este valor nos permite usar una resistencia de bajo valor de potencia. Normalmente las resistencias comerciales que vende son de $0.25 W$.

Estos valores fueron puestos a prueba en una máquina que trabaja 24 horas al dia, 365 dias al año, así que está más que comprobado que son valores fiables.

Estos valores fueron escogidos con el fin de reducir el consumo de la placa. Estos consumos son calculados para un LED. Para calcular el consumo total de la placa habría que multiplicarlos por 8, es decir por cada una de las salidas.