Este proyecto fue inspirado del artículo de Mario
Sacco llamado "DIY – Linterna sin baterías ni pilas" aunque anteriormente ya habíamos
construido lámparas de este tipo utilizando motorcitos de cd con escobillas era
necesario utilizar algún tipo de engrane para aumentar las revoluciones del
rotor y así generar un tensión adecuada para encender los LED, pero usando
motores a pasos no es necesario muchas revoluciones para lograr que emita luz. Es
recomendable leer el artículo del señor Mario para complementar la información.
Tras leer el artículo y dar un vistazo en la caja de piezas
de aparatos descompuestos nos dimos cuenta que contábamos con todo el material
necesario para llevar a cabo el proyecto así que después de pensar el dicho “si
te llueven limones, pues has limada” pusimos manos a lo obra.
El circuito empleado es prácticamente el mismo de
Mario Sacco solo cambia el valor de las resistencias y el tipo de diodos. El
motivo por el cual se utilizaron diodos Schottky es para aprovechar al máximo la
tensión generada ya que estos tienen una tensión de polarización mínima, alrededor
de 0.1 V. El motor a pasos en conveniente que sea de una tensión alta de alimentación
ya que haciendo pruebas se concluye que estos generan una mayor tensión pero
menor corriente, lo cual se debe a que tienen más espiras en sus bobinas.
El armazón fue construido pensando en un uso más
frecuente ya sea para las noches que se interrumpe el servicio eléctrico o
simplemente para sorprender a cualquier visita o incluso para mostrar en un blog
XD. Como se podrán dar cuenta en las imágenes todo el material es recuperado de
aparatos dañados que van desde las partes de una impresora hasta la pantalla de
una lámpara de baterías.
A continuación las imágenes:
Para evitar que
nos cansemos dando muchas vueltas rápidamente a la lámpara para generar una
buena iluminación XD, se adaptó una polea dentada obtenida de una impresora
para aumentar las revoluciones.
El resultado es una lámpara ecológica que no necesita baterías,
compacta y que emite una buena iluminación con pocas revoluciones. Por ultimo
dejo un vídeo corto mostrando su funcionamiento y tensión generada.
En algunas ocasiones he necesitado de un circuito capaz
de suministrar 5V de salida a partir de una batería de 1.5 V (AA) para
alimentar mis instrumentos hechos en casa y así evitar la pila de 9V que aunque
no es mala elección de vez en cuando hay que tratar con nuevas alternativas. La
primera opción que se me vino a la mente fue utilizar el c.i LT1073 así que fui
a las electrónicas locales de mi ciudad con el fin de conseguirlo y como me
imaginaba no conocían a tal circuito ni alguno con la misma función. Por lo tanto
tuve que abandonar por un tiempo la idea hasta que encontré un circuito en esta
página www.chirio.com donde el autor alimenta a un circuito con una pila de 1.5
V para encender un led y como sabemos el led necesitan un poco más de 2 V para
emitir luz. El circuito es el siguiente:
Circuito para activar un led con 1.5 V. (tomado
de www.chirio.com)
El circuito se trata de una fuente conmutable con
auto-oscilación pero no cuenta con la parte de retroalimentación para controlar
la frecuencia y ciclo de trabajo de oscilación así que adaptando otro
transistor para controlar la frecuencia pude conseguirse un voltaje fijo a la
salida. El nuevo circuito modificado quedo así:
Sencillo
conversor CC/CC.
Como se puede observar la resistencia variable RV1
cumple la función de un divisor de tensión ya que cuando se alcanza la tensión
de 0.7 V a la salida del potenciómetro, el transistor Q2 controla el tiempo en
estado alto que conduce el transistor Q1. Por lo tanto la tensión de salida
depende de la configuración de RV1.
Pese a su sencillez, el único elemento que es un poco
difícil de armarlo (al menos para su servidor)
es el pequeño transformador pues para averiguar cuál es la relación de
espiras con la que se obtienen mejores resultados en un principio se recurrió a prueba y ensayo
pero al no obtener resultados concluyentes, se optó por utilizar una bobina de
choque recuperada de algún cacharro con un valor cercano a los 100 µH y montando el devanado que conmuta a
Q1 con 75 cm de alambre de cobre de 0.25 mm de diámetro, alrededor de unas 32
espiras. Con esta configuración pudimos lograr nuestros mejores resultados.
A continuación las imágenes del montaje.
Cabe señalar que para que se obtenga una mejor
eficiencia de conversión es crítico utilizar el diodo D1 Schottky con baja
tensión de polarización por ejemplo el que utilizamos fue recuperado de un
disco duro y su voltaje de polarización es de alrededor de 0.1 V. También es
importante indicar que si se utiliza algún remplazo para Q1 es probable que el circuito no desempeñe el
mismo rendimiento debido a la diferente
ganancia que presente por lo que será necesario modificar el valor de R1.
Para averiguar qué tan buena es la regulación de este
sencillo conversor cc/cc o step up
se conectaron diferentes cargas al
circuito con diferentes tensiones de alimentación y de salida, así se
obtuvieron los siguientes resultados.
Con alimentación de 3 V y salida regulada a 5 V
Regulación de la tensión de salida con y sin carga
a diferentes voltajes de entrada. Frecuencia de 2 kHz a 50 kHz.
Eficiencia registrada con dos cargas y tensión
de entrada de 0.75 V a 3.0 V
Con alimentación de 1.5
V y salida regulada a 5 V
Regulación de la tensión de salida con y sin carga
a diferentes voltajes de entrada. Frecuencia de 6 kHz a 45 kHz.
Eficiencia registrada con dos cargas y tensión
de entrada de 0.75 V a 1.5V.
Con alimentación de 5
V y salida regulada a 12 V
Regulación de la tensión de salida con
diferentes cargas y la eficiencia registrada
con alimentación fija de 5 V.
En todas las pruebas se puede observar que sin
presencia de alguna carga la eficiencia es pésima ya que se encuentra por
debajo del 50 % pero al conectar una carga que demande por lo menos 22 mA el
rendimiento aumenta a más del 60 % alcanzando casi al 80 % conforme aumenta la
demanda de corriente. Esto se puede deberse al valor de la resistencia R1 y a
la ganancia del transistor Q1, aumentando la resistencia se puede conseguir una
mejor eficiencia pero obteniendo una menor regulación de tensión en la salida.
En lo que
respecta a la regulación de tensión se nota que cuando la tensión de salida se
regula con una determinada tensión de alimentación y se mantiene estable (en
este caso 1.5 v, 3 v y 5 v) la regulación es muy buena ya que la variación de
tensión es prácticamente nula. Pero al comenzar a disminuir la tensión de
alimentación la regulación es regular pudiendo ser hasta pésima.
En conclusión, para aplicaciones con baterías y que requieran un consumo eficiente este
circuito sería una de las ultimas opciones, sin embargo para otras aplicaciones
que requieran elevar la tensión sin ser tan importante la eficiencia este
circuito puede considerarse como una opción dada su sencillez y más aún cuando
no consigamos circuitos integrados especiales para tales tareas.
Circuito alimentado con una pila de 1.2 V y salida de 5 V con una carga de 150 ohm.
Actualmente los multímetros digitales son capaces de
realizar diversas mediciones de magnitudes tales como: temperatura, corriente,
tensión, capacitancia, resistencia, inductancia, frecuencia, entre otras. Sin
embargo, no es común que un solo multímetro posea tantas opciones de medición y
si las tiene el rango de medición es reducido o el costo del instrumento suele
ser elevado. Por lo anterior surge la necesidad de desarrollar herramientas de
medición complementarias que puedan registrar magnitudes que solo multímetros
profesionales consiguen; ya que difícilmente hallaremos un instrumento económico
que mida frecuencia, capacitancia, inductancia o temperatura.
En la red podemos encontrar varios instrumentos
caseros muy buenos que miden capacitancia, inductancia y frecuencia, como por
ejemplo el capacimetro autorrango de Mario Sacco (http://www.neoteo.com/microcontroladores-capacimetro-autorrango.neo),
el lc-meter de Phil Rice (http://ironbark.bendigo.latrobe.edu.au/~rice/lc/)
o el frecuencímetro también de Mario Sacco; pero si el presupuesto con que
contamos es limitado no es viable realizar los tres instrumentos por separado.
Una mejor opción es desarrollar un instrumento que incorpore la mayor cantidad
de funciones y así aprovechar al máximo el material involucrado.
Tal idea no es nueva ya que también existen proyectos
caseros de instrumentos con varias funciones,
por ejemplo el LCFesR
4 (http://members.upc.hu/lethanh.hung/LCFESRmero) con 4 funciones o el
Superprobe (http://mondo-technology.com) con
18 funciones. A pesar de que tales instrumentos son de bajo costo y tienen
varias funciones, algunas están limitadas u omiten otras funciones más útiles. Por consiguiente el instrumento que hemos
desarrollado y nombrado Mega-Herramienta (o Mega-Tool) desempeña hasta el
momento 15 funciones muy útiles que a continuación se presentan.
No.
Función
Descripción
1
Temperatura
Con rango de 0 °C a 150 °C y
0.5 °C de resolución
2
Frecuencímetro
Rango de 0 Hz hasta alrededor de 60 MHz con entrada de señales TTL y
con protección de sobre tensión.
3
Inductometro
Basado en el lc-meter, con rango de 0 nH hasta un par de H. Con botón
de ajuste de cero
4
Capacimetro de alta resolución
Basado en el lc-meter, con rango de 0 pF a 1000 pF. Con botón de
ajuste de cero
5
Capacimetro Autorrango
Rango de 0 pF a más de 20000 uF (en teoría no tiene límite).Con ajuste
automático de cero
6
Amperímetro de CD
0 Amp a 20 Amp ( 0.0048 Amp de resolución hasta 3.6 Amp y 0.019 Amp de
resolución hasta 20 Amp
7
Voltímetro de CD
Rango de 0 a 50 V con 0.048 V de resolución
8
Salida PWM
Rango de 2.9 kHz a 12 MHz con ciclo de trabajo ajustable de 0 % a 100%
9
Conversor de RS232 a USB
Crea un puerto serial virtual en la pc; con 8 velocidades de
transmisión y recepción. Baudios: 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400 y
115200
10
Conversor de RS232 a LCD
Con 7 velocidades de recepción. Baudios: 300, 600, 1200, 2400, 4800,
9600 y 14000.
11
Cronometro
Formato Hr:Min:Seg:Ms con salida en estado alto al iniciar la cuenta
12
Temporizador
Formato Hr:Min:Seg:Ms la salida permanece en estado alto el tiempo
programado
13
Contador
Cuenta hasta 99,999,999 unidades
14
IR LED
Frecuencia de salida de 38 kHz
tiempo encendido de 1 ms y tiempo apagado de 2.5 ms, útil para probar
receptores infrarrojos
15
Medidor de RPM
Probado cerca de 20000 RPM configurado a 32 puls / rev. Configuración
de pulsos/revolución hasta 100 unidades.
16
R/C Servos
Pendiente
17
Mini Osciloscopio
Pendiente
Como se percataran en la siguiente figura, esta
herramienta fue diseñada alrededor del microcontrolador PIC18F2550 y aunque
dispone de pocos pines se logró un instrumento con muchas funciones debido a
que determinados pines son reutilizados para varios propósitos, por ejemplo ciertos
pines de los botones corresponden al puerto RS-232 que también son utilizados
por el contador y por el medidor de RPM. Además se ahorraron 3 pines al
incorporar un registro de desplazamiento 74LS164 para controlar al LCD; sin
mencionar que el pin análogo encargado de registrar temperatura también se
emplea para averiguar el estado de los interruptores selectores.
Circuito del Mega-Herramienta
Construcción
La construcción se puede realizar de preferencia en un
gabinete de metálico para evitar interferencias externas; utilizando el PCB
propuesto las dimensiones deben de ser por lo menos de 9 cm x 14 cm. En dado
caso de no tener algún gabinete metálico puede utilizarse uno de plástico, como
en este caso, pero forrando el interior con papel aluminio de esta forma nos
aseguramos que nuestras mediciones no se vean afectadas por la intrusión de
ruido externo.
La resistencia de 0.1 Ω debe de ser de por lo menos 15
W si se realizan mediciones cerca de los 20 A, es decir, debe ser de de un
valor adecuado a la cantidad de corriente a medir (al igual que los
conductores). Es por ello que la resistencia tiene una dimensión relativamente
grande y ha de instalarse en el lugar del gabinete más conveniente.
También es relevante mencionar que los cables para
instalar el switch rotatorio y el switch selector del LC-Meter deben de ser lo
más cortos posibles y de un buen grosor para evitar mediciones erróneas o
inestables, de preferencia deben de tener algún tipo de protección de
interferencia externa y además han de estar firmemente sujetados al gabinete.
La colocación de una batería es opcional, ya que si
este instrumento es utilizado frecuentemente y por mucho tiempo (como es mi
caso) no es conveniente utilizar baterías por lo que es mejor utilizarlo con
una fuente de CD externa.
Diseño de la placa con el LCD y los Botones colocados por la parte trasera.
Diferentes vistas del instrumento terminado.
Calibración
Voltímetro Suministrar 5
voltios en las terminales de entrada de CD y dar vueltas al potenciómetro RV2
de 10 kΩ hasta obtener en su salida 0.5 voltios exactos.
Amperímetro
Conectar alguna carga resistiva al instrumento que
consuma menos de 3.6 A y un amperímetro en serie con la carga, enseguida dar
vueltas al preset RV1 hasta que el valor mostrado en el LCD coincida con el
amperímetro, esto ocurre cuando la resistencia de RV1 es aproximadamente 9 kΩ.
Posteriormente repetir el procedimiento pero con una carga que consuma más de
3.6 A y dar vueltas a RV5 ahora los valores indicados por los instrumentos
coinciden cerca de 1 kΩ.
Capacimetro autorrango
A pesar de que el capacimetro tiene tres escalas
simplemente es necesario calibrar dos pues como se aprecia en el circuito la
resistencia R17 de 1 MΩ es fija, lo cual se debe a que se obtienen buenos
resultados con una resistencia de 1 % de error en su valor nominal. Para
calibra los dos rangos siguientes debemos utilizar capacitores patrones con
errores de su valor nominar de 1%, para la escala de nF se puede utilizar un
capacitor de 1000 nF y para la escala
de µF un capacitor de 100 µF es buena opción.
El procedimiento consiste en conectar los capacitores al instrumento y dar
vueltas al preset correspondiente hasta igualar el valor del capacitor patrón;
para la escala de nF es RV3 y para la escala de µF es RV4. Para una buena
calibración es importante no utilizar cables con caimanes ya que estos tienden
a sumar una capacitancia parásita
LC-Meter
Para esta parte del circuito es importante utilizar
capacitores de buena calidad; como en otras versiones del LC-Meter es aconsejable
que los dos capacitores de 10 µF sean de Tantalo y el valor del capacitor de
1000 pF sea lo más exacto posible y de preferencia de Poliestireno.
El valor del inductor puede estar en el rango de 2.2
µH hasta alrededor de 100 µH, pero es recomendable que su valor este cerca de
2.2 µH para una máxima resolución.
La calibración se realiza por software. Al prender el
instrumento y girar la perillas hasta la
función de LC-Meter y colocar el interruptor en la posición de L es necesario
poner en corto las terminales de entrada, una vez realizado esto la pantalla
mostrara el valor del inductor utilizado, en este momento debemos presionar el
botón correspondiente al pin B1 para guardar el valor en la eeprom. Al separar
las terminales de salida, la pantalla nos indicara el valor del inductor en
negativo y ya podremos utilizar en instrumento normalmente. Para calibrar la
medición de capacitores se coloca el interruptor en la opción de C sin ningún
elemento en las terminales de entrada y la pantalla desplegara el valor de la
capacitancia parásita, nuevamente presionamos el botón del pin B1 y pondrá en
cero la pantalla lo que significa que la calibración está concluida. El proceso
de calibración se puede realizar cuantas veces sea necesario, si bien en otras
versiones del LC-meter incorporan una opción de calibración del capacitor
patrón de 1000 pF en el actual armado del Mega-Herramienta se obtuvieron
resultados confiables por lo que por el momento no se incluye tal opción, pero
de reportarse algún inconveniente de la precisión será necesario incorporar la
calibración del capacitor patrón.
Backlight del LCD
Es importante mencionar que antes de encender por
primera vez el instrumento debemos asegurarnos que el preset que controla la
intensidad de luz se encuentre con la resistencia máxima, para evitar que un
flujo de corriente excesiva dañe el led.
Operación
El modo de emplearlo es muy sencillo y no es necesario
escribir todo un manual de operación. Simplemente basta con posicionar el
interruptor rotatorio en la función que requiramos utilizar; pero si hay que
tomar algunas precauciones para no dañarlo como por ejemplo, a pesar de que el
frecuencímetro posee diodos de protección para tensiones superiores a los 5
volts es saludable para el instrumento no alimentarlo con señales de mayor
tensión. En el caso del capacimetro autorrango conviene descargar cualquier
capacitor a mediar para evitar sobretensiones dañinas al instrumento pese a sus
diodos de protección. De igual manera con el voltímetro no debemos de introducir
tensiones superiores a los 50 V aunque nos confiemos por el uso de un diodo
zener como defensa. En lo que respecta a la salida de PWM es favorable utilizar
una resistencia de 100 Ω para prevenir cortos circuitos que perjudiquen a los
transistores de conmutación.
Al utilizar el puerto RS232
específicamente los pines RC6 y RC7
debemos tener precaución de no presionar los botones correspondientes
pues como se mencionó anteriormente utilizan los mismos pines. Así mismo a de utilizarse
cables lo más corto posible y con protección de interferencias ya que a velocidades altas pueden producirse errores
en la trasmisión de datos.
Código de instrucciones del LCD
Para utilizar la función “Conversor de RS232 a LCD” los datos en formato
serial debe de ser de 8 bits, 1 bit de alto y no paridad, los caracteres del
LCD soportados van de 0b100001 a 0b01111111 y de 0b11010001 a 0b11111111 de la tabla siguiente
Los códigos de instrucciones son los
siguientes.
Código
Instrucción
0x0C o \f
Limpia
pantalla
0x0D o \r
Posiciona el
cursor al principio de la primera línea
0x0A o \n
Posiciona el
cursor al principio de la segunda línea
0x18
Mueve la
pantalla una posición a la izquierda
0x1C
Mueve la
pantalla una posición a la derecha
0x10
Regresa el
cursor una posición
0x14
Adelanta el
cursor una posición
Para situar el cursor en una posición de la pantalla
del LCD es necesario enviar el código en hexadecimal correspondiente a la posición
del LCD que a continuación se representa.
Posición
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
…
40
1 Línea
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
8A
8B
8C
8D
8E
8F
…
A7
2 Línea
A8
A9
AA
AB
AC
AD
AE
AF
B0
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
…
D0
Conversor RS232
a USB
Esta función requiere
la instalación de los driver en la pc, para la comunicación CDC, los cuales se
encuentran al final de esta entrada con el nombre inf. El siguiente proceso se
lleva a cabo bajo Windows 7 64, sin embargo es similar a hacerlo en Windows XP.
Poner el Switch rotatorio en la
primera posición (o última, de acuerdo a la referencia optada), entonces saldrá
la siguiente pantalla:
SELEC. FUNCION >
VOLT-AMP-PWM>
Al presionas el botón llamado
'B2-ESC' > la pantalla pasara a la
siguiente función que precisamente es el conversor RS232 a USB.
SELEC.
FUNCION >
< RS232 -USB
>
Se elige la función con el botón
'B1-OK'
INICIANDO...
NO
CONECTE AUN
A continuación se configura la
velocidad que recibirá el puerto RS232 del micro con el botón 'B2', se presiona
'B1-OK'
B1=OK [SEL.BAUD]
1(8) [300]B2>
CONECTE
CABLE-PC
Ahora solo se conecta el cable a la computadora
y esta lo reconocerá, en este paso es
donde se insta el driver.
En “Administración de equipos” debe de aparecer
el instrumento como “MULTI-TOOL” donde daremos clic derecho y seleccionaremos “Actualizar
Software de Controlador…”
Nos aparecerá la siguiente ventana y
seleccionaremos “Buscar Software de Controlador en el Equipo”.
Posteriormente colocaremos la ruta
donde tengamos la carpeta llamada “inf”.
Después de dar clic en siguiente, comenzara la instalación.
Es probable que se interrumpa por la
siguiente advertencia, donde elegimos “Instalar este software de controlador de
todas formas”.
Al final nos aparecerá la una
ventada en la cual nos indica que la instalación fue exitosa.
En el “Administración de equipos” estará
disponible el puerto serie Virtual y ya pondremos usar esta función en el instrumento,
que mostrara el siguiente mensaje.
ENLACE
USB LISTO
En este paso también debe de
encender el led indicador y cuando haya transferencia de datos el estado del led se invertirá.
Programación del PIC18F2550
La programación del micro se realiza en dos partes,
primero se debe grabar el Bootloader modificado especialmente para el
instrumento Mega-Herramienta con un programador ordinario ya sea por puerto
serie o USB, de esta manera las actualizaciones
futuras del Firmware serán más fáciles
de realizar.
El segundo paso consiste en cargar el código principal
para el PIC18F2550 con ayuda del
Bootloader, para esto se debe mantener presionado el botón correspondiente al
pin RC6 cuando se conecte la fuente de alimentación con ello el led se
iluminara, señal de que ya podemos soltar el botón y conectar el cable USB a la
pc que al detectar al dispositivo, el led comenzara a parpadear y ya podremos
cargar el archivo “HERRAMIENTA.HEX” con el programa de “Microchip USB HID BootLoader
v2.6a”.
Notas
El Mosfet canal n señalado como Q6 que es utilizado
como interruptor para cambiar de escala de corriente, no es un elemento crítico y puede remplazarse
por alguno de pequeña señal.
A pesar de que en las imágenes del instrumento se
puede apreciar que las resistencias variables no son de precisión, en el PCB adjuntado
se cambiaron por preset multivueltas; pues aunque es posible calibrar el dispositivo
adecuadamente empleando preset ordinarios, después de un tiempo comienzan a desplazar
el valor fijado requiriendo nuevamente otra recalibracion. Por lo tanto es
mejor utilizar los preset de precisión aunque gastemos un poco más.
Por ultimo dejo los archivos necesarios para construir
el instrumento y algunas fotos de la primera versión del instrumento además de
un vídeo demostrando su funcionamiento.
