El arranque en frío puede dañar tus circuitos electrónicos, pero aquí te digo una forma de protegerlos

El arranque en frío puede dañar tus circuitos electrónicos, pero aquí te digo una forma de protegerlos

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Introducción

¿Has notado que cuando conectas un eliminador o cargador al contacto de la pared salta una chispa?

Este fenómeno se debe a que los capacitores del eliminador están descargados y en este estado se comportan como un corto circuito.

Este corto circuito se puede expandir hasta tus circuitos electrónicos disminuyendo su vida útil o de otros circuitos que pudiesen estar conectados a ellos.

En mi laboratorio tengo una fuente de alimentación y un osciloscopio que cuando los conecto a la energía eléctrica se esperan un cierto tiempo antes de ponerse en modo activo.

Ambos son aparatos bastante costosos y delicados y por lo mismo se autocuidan del fenómeno del arranque en frío (es decir, cuando los capacitores de su fuente de alimentación están descargados ).

La fuente de alimentación espera dos segundos antes de conectar la tensión a mis circuitos después de que presioné el botón de encendido, y el osciloscopio hace lo propio esperando más o menos ese mismo tiempo para comenzar a trabajar.

¿Has escuchado esos “clicks” dentro de dispositivos como los que te he mencionado? Bueno, pues no es otra cosa que el circuito de retardo al arranque, y es el que los protege tanto a ellos como a los circuitos que nosotros les conectamos del arranque en frío.

Este circuito, circuito de retardo al arranque, parece ser un circuito bastante complejo y caro, ¡pero no lo es! Sigue leyendo para que sepas cómo construir el tuyo con componentes que ya tienes en tu laboratorio o taller, ¡incluyendo al famosísimo 555!.

Temporizador On-delay (On-delay timer)

El principio de operación es simple: esperar una cantidad de tiempo a partir de que conectamos el arrancador a la energía eléctrica para que habilite la tensión hacia el circuito que deseamos proteger.

En la automatización industrial a este circuito se le llama on-delay timer (temporizador con retardo al inicio)

Un temporizador on-delay tiene una entrada de disparo y un contacto que se activa cuando el tiempo programado expiró a partir de la activación en la entrada de disparo.

Temporizador on-delay clásico.

Con esta configuración, un circuito activa el tiempo y otro circuito es habilitado cuando el tiempo expiró.

Nuestra solución se basa en este principio, pero con dos ligeras modificaciones.

Arrancador On-delay (On-delay starter)

Aquí la idea es que la señal de disparo se active en el preciso momento en que conectamos al arrancador a la energía eléctrica; es decir, no existirá un circuito de disparo externo, sino que éste estará integrado al propio arrancador.

Por otro lado, la tensión que recibirá el circuito bajo protección será la misma que la de la entrada. Esto es, mientras que en un on-delay timer común y corriente la señal de disparo puede ser un pulso de 5V y la carga quizás sea algún monstruo de 220V y 100A, en nuestro circuito si la tensión de entrada es de 12VDC, entonces la tensión de salida también será de 12VDC y la corriente limitada por el tamaño del relevador de salida.

El corazón del circuito es un 555 configurado en modo monoestable, es decir, un pulso de entrada genera un pulso de salida.

555 en configuración monoestable (one-shot).

Sin embargo debemos tener en cuenta algunas consideraciones, porque como ya lo dije, el pulso negativo de inicio (de alto a bajo) debe darse de manera automática cuando el arrancador es energizado; esto es, no tendremos un botón o interruptor de disparo, como en los circuitos clásicos.

Circuito

Retardo al arranque (on-delay starter). Diseñado en KiCAD.

Para lograrlo he tenido que agregar dos redes RC más: R1/C1 en la señal de disparo (pin 2), y R2/C3 en la terminar de reset (pin 4). Para retardos de 0.5 segundos o más no deberías cambiar estos valores.

RV1/R3/C5 es la red RC principal la cual establece el retardo al inicio (en los pines 6 y 7). El tiempo de retardo lo obtienes con la expresión: t=1.1*R*C, donde R está en Ohms y C en Faradios.

Por ejemplo, si RV1+R3=100KOhms y C5=47uF, entonces el tiempo de retardo es de 5.17 segundos.

En mi prototipo tengo que RV1+R3=19.2KOhms, con lo cual el retardo teórico es de: 1.1*(19.2K)*(47u)=0.996 segundos. Este valor es muy parecido a lo que medí:

La señal azul es la tensión de entrada aplicada al circuito, mientras que la señal amarilla es la tensión que sale del circuito. ¡Las matemáticas funcionan!

En la siguiente imagen podemos ver la carga del capacitor C5 cuando aplicamos tensión al circuito. Cuando ésta llega a 9V (lo cual son 2/3 de 12V) la salida del 555 (pin 3) se activa:

La señal azul es la tensión en el capacitor C5, mientras que la señal amarilla es la tensión que sale del circuito.

Y hablando de la terminal de salida, pin 3, observa que utilicé un transistor PNP para Q1. Esto es así porque lo que queremos es que la salida se mantenga en bajo mientras el tiempo transcurre, y una vez transcurrido la salida pase a alto.

Básicamente lo que hace el transistor PNP es invertir la señal de salida del 555. En un circuito monoestable normal la salida se pone en alto mientras el tiempo transcurre, pero nosotros deseamos lo contrario, de ahí la necesidad de invertir la polaridad.

El diodo D1 está ahí para asegurar que Q1 se active únicamente cuando la salida del 555 esté en bajo. R1 polariza a Q1 en su zona no activa por la misma razón.

Finalmente tenemos al relevador de salida, K1. Observa que su terminal Común (pin 2) está conectada a los propios 12V. Esto es, el común recibe los 12V y cuando el tiempo ha transcurrido y Q1 energiza su bobina (pin 3), entonces el contacto normalmente abierto (pin 4) hace contacto con los 12V de entrada y los entrega a la carga.

La terminal común del relevador está conectada a la alimentación del circuito.

En la siguiente imagen podemos ver el comportamiento del circuito cuando la tensión de entrada es inestable. Esta es la segunda razón por la cual diseñé y construí este circuito:

La señal azul es la tensión inestable de entrada aplicada al circuito, mientras que la señal amarilla es la tensión que sale del circuito.

Prototipos

En la siguiente imagen puedes ver el primer prototipo de este circuito en una tarjeta de prototipos:

Y en esta imagen el mismo circuito pero ya en un circuito impreso prototipo:

Vista del lado del cobre. La diseñé en una sola cara para que su fabricación casera sea muy simple.

Y aquí está lo que el artista imaginó (cuando las mande fabricar de manera profesional así se verán):

Diseño, ruteado y renderizado hechos en KiCAD. Sus dimensiones son de 52 mm por 36.5 mm.

¿Qué sigue?

  1. Puedes modificar la tensión de trabajo del circuito cambiando la tensión del relevador. Debería trabajar desde 5 hasta 15V sin mayor inconveniente. Si lo haces calcula un valor para R5 de tal manera que al LED le lleguen unos 5 mili amperes. Quizás también sea necesario modificar R4 para asegurar una correcta polarización de Q1.
  2. Puedes modificar los tiempos del retardo cambiando RV1, R3 y C5. Mi recomendación aquí es que mantengas muy bajo el valor de C5, y de ser necesario, aumentar el de RV1. Un valor muy grande para C5 hará que éste tarde mucho en descargarse, lo que significa que este arrancador no podrá protegerte cuando la tensión de entrada se conecte y desconecte muy rápido.
  3. El ancho de las pistas del riel de alimentación (VCC y GND) deberá estar acorde a la corriente que el circuito deba proporcionar.
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Fco. Javier Rodríguez
Escrito por:

Fco. Javier Rodríguez

Soy Ingeniero Electrónico con 20+ años de experiencia en el diseño y desarrollo de productos electrónicos de consumo y a medida, y 12+ años como profesor. Egresado de la UNAM, también tengo el grado de Maestro en Ingeniería por la misma universidad. Mi perfil completo lo puede encontrar en: https://www.linkedin.com/in/fjrg76-dot-com/

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