Cómo hacer un relevador con retardo al inicio con el 555 (incluye PCB)

¿Qué es?

Un relevador con retardo al inicio (o en inglés On-delay timer) es un dispositivo que activa su carga después de transcurrido un tiempo; esto es, la carga no es activada inmediatamente cuando le aplicas energía al relevador, sino un tiempo programado después.

En mi artículo sobre evitar el arranque en frío en nuestros circuitos electrónicos explico que cuando los capacitores de una fuente de alimentación están completamente descargados se comportan como un cortocircuito cuando aplicas energía por primera vez; este cortocircuito puede propagarse hasta los componentes delicados de tu circuito, dañándolos. Lo ideal es que tu circuito no reciba energía sino hasta que los capacitores se hayan cargado completamente. El circuito que presento en el artículo hace precisamente eso; y el que te presento hoy también te servirá para el mismo propósito y muchos otros más.

Tiempo después de haber diseñado el circuito en mi artículo conocí de un timer chino barato que más o menos hacía lo mismo (aquí). En mi diseño encontré que de vez en cuando la carga se activa de inmediato, mientras que el timer chino siempre retarda la activación. Estudiando el circuito chino pude descubrir el secreto: la resistencia y el capacitor que establecen el tiempo de retardo están intercambiados respecto a lo que comúnmente encontramos. ¿Qué significa ese cambio? Te lo explico a continuación.

El circuito

Y para entender su funcionamiento debemos recordar cómo funciona el 555.

El 555 y su efecto de memoria

Comencemos por ver qué necesita el 555 para activar o desactivar su salida. 

• Para activar la salida del 555 necesitamos aplicar un voltaje por debajo de 1/3 de la tensión de alimentación en su terminal 2, TR(igger). Por ejemplo, si estamos alimentando al 555 con 12V (VCC=12V), entonces cualquier tensión por debajo de 4V hará que la salida (pin 3) pase a alto. Y gracias al flip-flop (memoria de 1 bit) del 555, la salida se mantendrá en alto hasta que algo pase en la terminal 6, THR(eshold).
• Para desactivar la salida del 555 necesitamos aplicar un voltaje por arriba de 2/3 de la tensión de alimentación en su terminal 6, THR(eshold). Por ejemplo, si estamos alimentando al 555 con 12V (VCC=12V), entonces cualquier tensión por encima de 8V hará que la salida (pin 3) pase a bajo. Y gracias al flip-flop (memoria de 1 bit) del 555, la salida se mantendrá en bajo hasta que algo pase en la terminal 2, TR(igger).

¿Cómo funciona el retardo?

Por favor nota que las terminales 2 y 6 (TR y THR) forman un nodo entre ellas y la red RC (C1 y RV1). Esto significa que ambas entradas estarán recibiendo la misma tensión al mismo tiempo y será el valor de esta tensión la que determine si la salida va a alto o bajo.

La tensión proviene del nodo con la terminal (-) del capacitor C1 y una terminal del potenciómetro RV1. Y aquí viene lo interesante: cuando aplicamos tensión al circuito (en J1) las terminales 2 y 6 del 555 están ambas recibiendo VCC volts, lo cual significa, como ya expliqué, que la salida va a bajo.

Luego C1 comienza a cargarse a través de RV1, y mientras esto pasa la tensión en su terminal (-) empieza a disminuir lentamente acercándose a 0V. Cuando la tensión en esta terminal cae por debajo de 1/3 de VCC, entonces la salida pasa a alto, los contactos del relevador se cierran y la carga es activada. Así de simple.

Fue muy inteligente haber colocado al capacitor en la parte alta de la red RC ya que esto asegura que su terminal (-) siempre presentará VCC volts cuando le aplicamos energía al circuito.

¿Porqué la terminal (-) del capacitor presenta VCC volts al inicio?

Recién lo expliqué en la introducción: un capacitor descargado es un cortocircuito, por lo que cuando pones VCC volts en su terminal (+), entonces la terminal (-) también observa VCC. Esta condición cambia conforme el capacitor se carga. En esta aplicación el cortocircuito es bueno; en otras aplicaciones puede ser terrible.

Variante (para evitar los arranques en frío)

En el circuito que te he presentado puedes conectar cualquier cosa en las terminales de salida; sin embargo, para la aplicación donde queremos evitar los arranques en frío (retrasar la llegada de VCC a nuestro circuito) necesitamos que VCC llegue a la terminal C(ommon) del relevador, y que VCC salga por la terminal NO (Normally Open):

Los problemas del timer chino

A pesar de que esta solución es brillante, la implementación del timer chino tiene muchos problemas:

• C1 y RV1 son fijos; peor aún:
  • RV1 es del tipo preset multivuelta y no existe una forma visual de escoger el tiempo de retardo, tendrás que utilizar prueba y error.
  • No puedes reemplazar a RV1 con facilidad debido a que dos de sus terminales están soldadas a una plasta de cobre (plano de tierra en la cara inferior) que requiere mucho calor para derretir la soldadura.
• No existe una ranura de protección entre la terminal C(ommon) y las terminales de la bobina del relevador. Dependiendo de la carga conectada podrían presentarse arcos eléctricos o carbonizaciones. Peor aún, el plano de tierra inferior está peligrosamente cerca de la terminal de alta tensión C(ommon).
• Las pistas que van de las terminales del relevador (NO, C y NC) hacia el conector de salida son muy delgadas como para soportar 10A o 15A. Además tienen la máscara antisoldante, lo cual evita que puedas reforzarlas con estaño.
• El conector de salida es muy pequeño para recibir cable o alambre de calibre grande (que soporte hasta 10A/15A).
• La bobina del relevador es para 12VDC y, por lo tanto, la alimentación del circuito (VCC) es también tiene que ser de 12VDC. Imagina que tu aplicación final usa 5 o 6 o 9 o 15VDC como tensión de activación; en estos casos esta tarjeta no te servirá.
• Si necesitas tiempos de retardo mayores deberás cambiar al capacitor C1 por uno más grande; y entre más grande el capacitor, mayor será tanto su volumen como la distancia entre sus terminales. Esta tarjeta no está preparada para ello.

¿Cómo los resolví?

Diseñé mi propio circuito impreso (PCB) pensando en mis propias necesidades (y las de ustedes, por supuesto) sorteando todos los errores que vi en la tarjeta china. Y de hecho hice dos versiones, una para fabricación casera y otra para fabricación profesional. En cualquier caso:

• Diseñé los circuitos impresos con componentes Through-hole y en una sola cara para que podamos construirla nosotros mismos en nuestros laboratorios.
• Utilicé un potenciómetro de una sola vuelta con el cual podremos establecer fácil y visualmente el tiempo de retardo. Y en caso de que no puedas conseguir este tipo de potenciómetro, entonces podrás seguir utilizando el multi-vuelta. La tarjeta está preparada para recibir ambos (aunque en lo personal prefiero la primera).
• La versión profesional incluye una ranura interna de protección contra arcos eléctricos y carbonizaciones en las terminales C(common) y de la bobina del relevador (K1).
• Las pistas del relevador están listas para recibir estaño extra que ayude al circuito a manejar grandes corrientes. En casos extremos podrías soldar un trozo de cobre.
• Si necesitas retardos muy largos, además de cambiar a tu antojo el valor del potenciómetro, también podrás colocar capacitores más grandes. Hay espacio de sobra y, muy importante, el diseño soporta dos distancias para sus terminales
• Tú decides la tensión de bobina del relé; esto es, según tus propias necesidades (no las mías) podrás escoger la tensión de alimentación, desde 5VDC hasta 15VDC.
• Podrás escoger entre diferentes conectores de salida.
• Las dimensiones de la tarjeta y las perforaciones de montaje usan valores enteros para que prepares su base de instalación con mucha facilidad.
• La versión para fabricación profesional es visualmente más atractiva.
• Es muy compacta (para haber utilizado componentes Through-hole): Mide únicamente 71mm x 22 mm.

La versión para fabricación profesional:

• Incluye una ranura interna (corte interno) para evitar arcos eléctricos y carbonización.
• Las pistas del relevador permiten agregar estaño como refuerzo para grandes corrientes.
• El corte externo la hace ver más atractiva.

Diferencias entre la versión de manufactura casera y la profesional

Fabricación casera

Podrás realizar esta tarjeta en tu casa con las herramientas clásicas y de forma completamente gratuita:

• Impresora láser.
• Plancha para transferir el tóner.
• Ácido férrico para eliminar el cobre.
• Taladro casero para las perforaciones.
• Etc.

Y si así lo deseas, podrás agregarle la capa de serigrafía superior (el procedimiento es el mismo que el de la transferencia de las pistas al cobre.)

Esta versión es funcionalmente idéntica a la de fabricación profesional, excepto por la ranura interna, los cortes extras y, eventualmente, la serigrafía.

Para obtener el diseño da click en el siguiente enlace. Después de registrarte estarás recibiendo un documento PDF a escala 1:1 para que fabriques tus propias tarjetas.

Fabricación profesional

Esta versión es idéntica a la de manufactura casera, pero incluye una ranura interna, máscara antisoldante (excepto en las pistas de salida del relevador), capa de serigrafía y cortes que la hacen ver estéticamente mejor. 

Características

• Tiene una ranura interna para evitar los arcos eléctricos y la carbonización.
• Máscara antisoldante en todas las pistas, excepto en las de potencia para que tú puedas reforzarlas con estaño.
• Capa de serigrafía en ambas caras.
• Cortes externos que la hacen ver estéticamente agradable.

Además podrás escoger entre diferentes colores y mandar fabricar cuantas quieras.

Toma en consideración que esta versión la debes mandar hacer con un fabricante profesional de circuitos impresos. Pero no te asustes, hay buenas noticias: PCBWay es un fabricante serio y de alta calidad cuyos precios inician en 5 dólares por 10 tarjetas. Por supuesto que puedes ordenar muchas más, si así lo requieres. Si no te urgen y estás dispuesto a esperar unas cuantas semanas, entonces podrás escoger un método de envío súper económico.

Si optas por esta versión, o el circuito te gustó pero no sabes cómo fabricar tus propias tarjetas, entonces da click en el siguiente botón el cual, después del proceso de registro, te llevará a la página del proyecto en PCBWay. Una vez ahí podrás ordenar directamente las tarjetas.

Palabras finales

El 555 es uno de los circuitos integrados más simples y versátiles que existen. Hoy te mostré una aplicación súper interesante con él, y tengo muchas más que ya estaré documentando. Mientras eso pasa, en mi canal de YouTube podrás ver otros usos de este chip.

Platícame si construiste este proyecto y cómo te fue, si te costó trabajo o qué aplicaciones le diste. Nos vemos en un siguiente artículo.

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Fco. Javier Rodríguez

Freelancer, Diseñador Senior en fjrg76.com

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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