Arduino Uno (ATmega328P) + simulación con Proteus 7

En esta entrada veremos los pasos a seguir para simular correctamente un microcontrolador ATmega328P conocido comúnmente como Arduino Uno R3. 

Hay veces en las que es necesario simular nuestros circuitos y ver su correcto funcionamiento antes de comprarlos físicamente, así nos ahorramos la compra innecesaria de componentes e iremos a lo seguro.

Antes que nada, debemos instalarnos el programa de simulación Proteus en este momento utilizaremos la versión 7 del mismo, su pagina oficial es www.labcenter.com/.

Una vez instalado procedemos a abrir la aplicación ISIS Professional y nos aparecera una ventana como esta:

Esta sera nuestra zona de trabajo, donde colocaremos los componentes que vayamos a utilizar.

Ahora tenemos que buscar nosotros estos componentes y lo haremos de la siguiente manera:

1.- Damos click al cuadro llamado: "Component Mode" como se muestra a continuación:

2.- Después daremos click a la "P" por nombre llamada: Pick from libraries.

4.- Nos aparecerá una ventana como la siguiente:

5.- En esta ventana se encuentran toda la paqueteria de componentes electrónicos que contiene el programa.

Aquí buscaremos el Chip ATmega328P como se muestra a continuación:

Como se podrán dar cuenta al momento de buscar el micro-controlador nos aparece que es un Chip AVR de Atmel, eso quiere decir que todo anda bien. Tener cuidado de que todo coincida y seleccionamos la opción que se indica en la imagen y presionamos OK.

Una vez echo esto, nos aparecerá en nuestra "caja de componentes" los que hemos seleccionado de la librería, en este caso el ATmega328P.

Procedemos a darle Click al nombre del componente "ATmega328P" y seguidamente nos vamos a nuestra zona de trabajo y damos Click en cualquier parte de la zona de trabajo y nos aparecerá una imagen ilustrativa del Chip, notaremos que se mueve conforme movamos el cursor. Daremos un tercer Click donde lo queramos colocar. 

5.- Final mente nuestro Chip Atmega328P estará colocado como se muestra a continuación:

Con esto ya tenemos el micro-controlador de Arduino en el simulador, pero aun no podemos iniciar la simulación debido a que el Chip ATmega328P necesita un oscilador externo para funcionar como nos muestra en su DataSheet. (Pagina 29). 

El oscilador es sumamente importante y necesario para el correcto funcionamiento de los ciclos en los programas que realicemos. 

Para agregarlo simplemente vamos a Component mode:

Seguido a Pick from Libraries:

En breve nos aparecerá la ventana donde seleccionaremos nuestros componentes, para esta ocasión seleccionamos el componente llamado "crystal" de cuarzo que es un típico oscilador como se muestra en la imagen y damos OK. 

Después de esto seleccionaremos el condensador cerámico de 22pF que nos pide el DataSheet del fabricante de la misma manera lo seleccionaremos como se muestra a continuación:

Una vez echo esto ya tendremos nuestros componentes seleccionados, pero debemos colocarlos en nuestra zona de trabajo. Procedemos a colocarlos de la misma manera como se muestra a continuación:

Agregaremos una conexión a tierra como nos indica el DataSheed de la siguiente manera, nos vamos a "Terminal Mode" 

Seguido nos despliega una lista de terminales y escogeremos "Ground", de damos Click y la colocamos cerca de nuestro oscilador en la zona de trabajo.

Una vez echo esto procedemos a conectar los componentes de la siguiente manera:

Los nombres XTAL1 y XTAL2 corresponden a los Pins del micro-controlador que son designados para el oscilador, siendo estos los puertos donde se conectaran el cristal de cuarzo(Oscilador) y sus capacitores.

Después de esto debemos configurar nuestro cristal de cuarzo para que trabaje a una frecuencia de 16MHz como lo indica el DataSheet.

Para ello nos vamos al componente, damos Click derecho en el, nos saldrá una lista y seleccionaremos la opción llamada "Edit Properties" como se muestra a continuación:

Nos aparecerá una ventana como la siguiente:

Ahí es donde cambiaremos la frecuencia de nuestro oscilador a 16MHz y daremos OK.

Con esto ya tendremos nuestro oscilador configurado.

Ahora para continuar, debemos agregarle un pequeño RESET (Pagina 47 DataSheet) a nuestro micro-controlador.

Por defecto este se encuentra en el Pin llamado "RESET" y para agregarlo debemos poner este pin a un voltaje "VCC" en serie con una resistencia de 1Kohms.

Lo primero que hay que hacer es buscar nuestra resistencia de 1 Kohm en nuestra paqueteria de componentes desde "Pick from Libraries"

Luego nos vamos "Terminal Mode" y escogemos de la lista el terminal llamado "POWER" y lo colocamos como se muestra a continuación:

Nos vamos a "Edit Properties".....

Y en "String" seleccionamos la opción "VCC" y damos OK...

Ahora solo nos queda colocar nuestra resistencia y unir el circuito como se muestra a continuación:

Ahora si nuestro ATmega328P esta listo para funcionar!

Para simularlo solo tienen que crear un programa en Arduino IDE y extraer el Hexadecimal de su programa.

Para ello tienen que irse "Archivo" después a "Preferencias" y colocamos todo como parece a continuación:

Ahora compilaremos nuestro programa, en esta ocasión yo compile el ejemplo llamado Blink que trae el Arduino IDE.

Nos aparecerá en la ventana de procesos en la parte de abajo una dirección de nuestro archivo Hexadecimal, lo que haremos sera copiar esta dirección como se muestra a continuación:

Nota: para cada computadora sera diferente, así que tengan cuidado de que la extensión del archivo termine como .hex

Una vez echo esto, nos iremos a ISIS donde tenemos nuestra simulación del micro-controlador. 

Ya estando ahí daremos Click derecho en el Chip ATmega328P.

En la lista escogeremos la opción "Edit Properties" y colocaremos la dirección del archivo que copiamos y damos OK. Esto se vera de la siguiente manera:

Una vez echo esto ya podemos simular nuestro programa, pare ello tenemos que darle Click a Play y nos correrá nuestro programa.

Le agregamos al circuito un led conectado al Pin 13 del Arduino ya que en el ejemplo "Blink" de Arduino IDE no los pide. 

ANEXO: Conexiones correspondientes a una placa Arduino:

Con este ultimo paso damos por concluida la entrada "Arduino Uno (ATmega328P) + simulación con Proteus 7" espero sea de su ayuda, cualquier duda o aclaración no duden en compartirla.

-Andrés Ali López

Rectificador de media onda

En esta entrada les traigo la documentación necesaria para que puedan crear su propio rectificador de media onda y a su vez logren entender el funcionamiento interno de componentes como; el diodo y el transformador, que ya vimos en la entrada anterior (Prueba de un Transformador "Reductor"). Siendo este circuito, el rectificador de onda mas sencillo que existe y da paso para la creación de rectificadores mas complejos, como lo son el rectificador de onda completa y las fuentes simétricas.

¿Qué es un rectificador de media onda?

Un rectificador de media onda es un circuito empleado para eliminar la parte negativa o positiva de una señal de corriente alterna, para ello se utiliza un diodo rectificador, es decir; elimina la mitad de la señal que recibe en la entrada en función de como este polarizado el diodo; si la polarización es directa, eliminara la parte negativa de la señal, y si la polarización es inversa, eliminara la parte positiva.

¿Qué es un diodo?

Un diodo de estado sólido se forma cuando se unen dos piezas de cristal semiconductor compuestas por átomos de silicio (Si) puro, pero procesadas cada una de forma diferente. Durante el proceso de fabricación del diodo ambas piezas se someten por separado a un proceso denominado “dopado” consistente en añadirle a cada una “impurezas” diferentes, procedentes de átomos de elementos semiconductores también diferentes. Al final del proceso se obtiene una pieza de cristal de silicio positiva (P) con faltante de electrones en su estructura atómica (lo que produce la aparición de  “huecos”) y otra pieza negativa (N) con exceso de electrones.

Durante el proceso de dopado, a una de las piezas de silicio que formará después el diodo se le añade algunas moléculas de otro elemento semiconductor diferente al silicio, denominadas “impurezas”. Esas moléculas, que en nuestro ejemplo serán de galio (Ga), convertirán al cristal de silicio en un semiconductor “tipo-p”, con polaridad positiva (P). Como resultado del proceso de dopado, en la última órbita de los átomos de galio se formarán “huecos” en aquellos sitios que debían estar ocupados por los electrones que faltan para completar ocho.

La segunda pieza de cristal de silicio puro se somete también al proceso de dopado, pero esta vez añadiendo impurezas pertenecientes a átomos de otro elemento semiconductor diferente, como antimonio (Sb), por ejemplo. De esa forma se convierte en cristal de silicio “tipo-n”, o sea, con polaridad negativa (N), caracterizada por contener exceso de electrones en la última órbita de los átomos de antimonio que se han añadido como impurezas.

En resumen, una vez finalizado el proceso de dopado se habrán obtenido dos piezas semiconductoras de cristal de silicio diferentes entre sí: una positiva, “tipo-p” (P) con exceso de “huecos” y, por tanto, con faltante de electrones, y otra negativa “tipo-n” (N) con exceso de estos.

El siguiente paso para construir el diodo es unir la pieza de conducción positiva “tipo-p” o “P” con la pieza de conducción negativa “tipo-n” o “N”. De esa forma se obtiene un diodo semiconductor de silicio de unión o juntura p-n, en el que la parte positiva “P” constituye el “ánodo” (A) y la parte negativa “N” el “cátodo” (K). Para facilitar la conexión al circuito electrónico donde funcionará posteriormente el diodo así formado, se le añade a cada uno de sus extremos un terminal de alambre conductor para permitir que la corriente eléctrica pueda atravesarlo.

Figura esquemática de un diodo de unión o juntura p-n. La parte izquierda "P" es la positiva y corresponde al ánodo (A). Mientras que la derecha "N" es la negativa y corresponde al cátodo (K). Abajo se muestra el símbolo general  que identifica al diodo.

Rectificador de media onda

Materiales:

1.-   Transformador reductor (127 Volts a 24 Volts).
2.-   Diodo rectificador.
3.-   Cable para puentes.
4.-   Protoboard.
5.-   Resistencia 1 K ohm a 1 Watt.
6.-   Osciloscopio. (Opcional)
7.- Puntas para osciloscopio. (Opcional)

Circuito

1.- Identificación de los componentes en el circuito rectificador de media onda.

V1: Es el voltaje de entrada al devanado primario del transformador. (127 Volts C.A.).

TR1: Es el transformador reductor, en su salida entrega un voltaje de 24 Volts.

D1: Es el Diodo rectificador.

R: Es la resistencia de carga. (1 k ohm.).

Ilustración del circuito eléctrico correspondiente a un diodo rectificador de media onda. El suministro de corriente alterna (C.A.) que el diodo recibe en forma de onda sinusoidal por su parte izquierda, pierde sus semiciclos negativos una vez que la corriente lo atraviesa. De esa forma se obtiene una corriente directa tipo “pulsante”, tal como se puede apreciar a la derecha de la propia figura.

2.- Construcción del circuito en la protoboard.

Conexiones internas del protoboard.

Se procede a realizar el circuito en la protoboard.

Muestra de componentes físicos en la protoboard.

3.- Apreciar la forma de onda con el osciloscopio.

a).- Como primer paso se enciende el osciloscopio y se configura correctamente para el uso en el canal uno.

b).- Se procede a conectar la punta del canal uno del osciloscopio al circuito como se muestra en el diagrama.

c).- Se conecta la tierra del canal uno al punto número 2 del diagrama.

Se debe apreciar en la pantalla del osciloscopio que la onda de la corriente alterna se acaba de convertir en ciclos de media onda positivos como se muestra a continuación.

Conclusión:

El uso del diodo como rectificador, nos da paso a la transformación de corriente alterna a corriente directa y en esta particular práctica solo se aprovecha un ciclo positivo de corriente. 

En el proceso de rectificación de la corriente alterna (C.A.) utilizando un solo diodo, durante un primer medio ciclo positivo los electrones circularán por el circuito atravesando primero el diodo y a continuación el consumidor o carga eléctrica, representado por una resistencia. 

En ese instante, en los extremos de la resistencia se podrá detectar una corriente directa "pulsante" que responde a ese medio ciclo. 

En el medio ciclo siguiente (esta vez negativo), los electrones cambiarán su sentido de circulación y no podrán atravesar ni la resistencia, ni el semiconductor diodo, porque en ese instante el camino estará bloqueado por el terminal negativo del diodo y no habrá circulación de corriente por el circuito. A continuación y durante el medio ciclo siguiente positivo, de nuevo el diodo vuelve a permitir el paso de los electrones, para bloquearlo nuevamente al cambiar la corriente el sentido de circulación y así sucesivamente mientras se continúe suministrándole corriente al diodo.

Por tanto, durante cada medio ciclo positivo de una fuente de corriente alterna (C.A.) conectada a un diodo se registra una polaridad fija en los extremos de un consumidor (Resistencia) conectado al circuito de salida del propio diodo, mientras que durante el siguiente medio ciclo negativo no aparecerá polaridad alguna debido al bloqueo que ofrece el propio diodo al paso de los electrones en sentido inverso. 

De esa forma, a través del consumidor (Resistencia) circulará una corriente pulsante, pues en este caso el diodo actúa como un rectificador de corriente alterna de media onda.

-Andrés Ali López

Prueba de un Transformador "Reductor".

En esta ocasión realizaremos una serie de pruebas sencillas que nos permitirán saber si un transformador se encuentra en buen estado - o si tendremos que ir pensando en ahorrar para comprar uno nuevo jaja xP.

También determinaremos la diferencia de potencial (voltaje) que puede entregar dicho transformador. 

OJO:

Este manual esta explicado de manera muy detallada, por lo que debes prestar atención y tener paciencia, leer 2 veces si es necesario, toma en cuenta las notas y analiza bien las imágenes para que puedas comprender mejor la estructura interna del transformador.

Pero antes de comenzar un poco de teoría...

¿Qué es un transformador?

Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, es igual a la que se obtiene a la salida.

Transformador 230V a.c. 50Hz - 12V-0-12V 300mA.

Si bien algo que tendrás que tener gravado para siempre, es simplemente lo que aparece remarcado "permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna" y esto lo digo porque muchas personas cuando escuchan hablar de un transformador piensan que este "transforma" la corriente eléctrica, cuando esto NO es así. 

La función del transformador es simplemente aumentar o disminuir el voltaje de una corriente alterna y esto lo logra gracias al maravilloso efecto llamado Inducción Electromagnética que pueden estudiar en el enlace.

Una vez teniendo un poco de teoría pasamos a la revisión física del transformador:

a).- Prueba de continuidad en los devanados.

Se realiza la prueba de continuidad en cada uno de los devanados del transformador para saber si por dentro el alambrado no está roto.

1.- Como primer paso se prende el multimetro en el probador de diodos o buzzer (la mayoría de los equipos tienen las 2 funciones en la misma posición) como se muestra a continuación: 

2.- Se procede a verificar la continuidad en las bobinas del transformador.

La configuración interna del transformador es de la siguiente forma:

Como se puede observar el transformador tiene 3 devanados, el primario que comprende del punto a al punto b. Los secundarios son del punto A al punto B y del punto B al punto C. Nótese que existe una conexión entre los 3 puntos del devanado secundario.

3.- Procedemos a checar la continuidad de los devanados secundarios.

Nota: La función de buzzer nos indicara por medio de un sonido si existe continuidad en la conexión.

Conectamos una punta del multimetro al punto A.

Seguido se conectara el otro terminal del multimetro al punto B.

Si se escucha el buzzer entre el punto A y B quiere decir que existe continuidad y por lo tanto ese devanado no se encuentra dañado.

4.- La siguiente prueba será del punto B al punto C.

De la misma manera se conecta una punta del multimetro al punto B.

Seguido se conectara el otro terminal del multimetro al punto C.

Si se escucha el buzzer entre el punto B y C quiere decir que existe continuidad y por lo tanto ese devanado no se encuentra dañado.

5.- Por último se prueba la continuidad desde el punto A hasta el punto C.

De la misma manera se conecta una punta del multimetro al punto A.

Seguido se conectara el otro terminal del multimetro al punto C.

Si se escucha el buzzer entre el punto A y C quiere decir que existe continuidad y por lo tanto se cumple que el devanado completo secundario no se encuentra dañado.

6.- Para medir el devanado primario es necesario cambiar la forma de medición en el multimetro por la siguiente razón.

La prueba con el buzzer tiene un rango en el cual solo tolera una cierta cantidad de resistencia especificada por el fabricante del multimetro. Esto significa que si la resistencia interna de los devanados del transformador sobrepasa lo especificado por el fabricante el buzzer no sonara.

Los devanados secundarios tienen poca resistencia, por ese motivo si utilizamos la función buzzer del multimetro, pero el devanado primario contiene mucha resistencia, por lo tanto no se puede utilizar este método para saber si existe continuidad en el devanado primario.

Para poder saber si existe continuidad en el devanado primario, se utilizara el medidor de ohms en el multimetro a escala de 200 ohms.

7.- Se prueba la continuidad del punto a al punto b.

De la misma manera se conecta una punta del multimetro al punto a.

Seguido se conectara el otro terminal del multimetro al punto b.

El multimetro debe marcar una cantidad de resistencia entre el punto a y b, esto quiere decir que existe continuidad y por lo tanto el devanado primario no se encuentra dañado. Si el multimetro marca infinito, quiere decir que el devanado se encuentra dañado y no existe continuidad.

b).- Medición de voltaje de salida.

Para la medición del voltaje en las salidas del transformador (devanados secundarios) se conectara el cable de alimentación (cable con clavija) al devanado primario.

Nota importante: Antes de aplicarle voltaje al transformador se debe prevenir que las puntas del los devanados secundarios estén separadas. Si están juntas, el transformador entrara en corto y podría quemarse o en los peores casos dañar al usuario.

Una vez tomadas todas las medidas de precaución se procede con la medición del voltaje.

1.- Se coloca la función para medir el Voltaje de corriente alterna en el multimetro a escala de 200 V.

Nota: Se coloca a esta escala porque el transformador reductor solo reduce el voltaje y NO cambia la forma de onda, por lo que sigue siendo Voltaje de corriente alterna (onda senoidal).

Se coloca de la siguiente forma:

2.- Se procede a medir el voltaje en los puntos A y B.

Una vez conectado:

Con cuidado se coloca una de las puntas del multimetro en el punto A.

El siguiente paso es colocar el otro terminal del multimetro en el punto B.

En la pantalla del multimetro debe aparecer el voltaje que entrega entre esos 2 devanados.

Si no muestra nada, debe checar que este bien conectado a la alimentación.

3.- Se procede a medir el voltaje en los puntos B y C.

Una vez conectado:

Con cuidado se coloca una de las puntas del multimetro en el punto B.

El siguiente paso es colocar el otro terminal del multimetro en el punto C.

En la pantalla del multimetro debe aparecer el voltaje que entrega entre esos 2 devanados.

4.- Por último se mide el voltaje del punto A hasta el punto C.

Una vez conectado:

Con cuidado se coloca una de las puntas del multimetro en el punto A.

El siguiente paso es colocar el otro terminal del multimetro hasta el punto C.

En la pantalla del multimetro debe aparecer el voltaje que entrega entre esos 2 devanados.

Observaciones:

Dependiendo del transformador serán los valores que entregue como voltaje.

En esta práctica se utilizo un transformador de 110 a 12 Volts por lo que...

En los puntos A y B el multimetro marco una lectura de 6 Volts.

En el punto B y C el multimetro marco una lectura de 6 Volts.

Y en el punto A y C marco un voltaje de 12 Volts.

Esto nos dice que la suma de los valores en los puntos A,B y B,C serán el voltaje máximo que entregara el transformador, siendo este el voltaje que va desde el punto A al punto C y en este particular caso, es de 12 Volts.

-Andrés Ali López