Conmutación controlada por transistor de una pantalla LED: una remezcla de circuitos clásicos de Radio Shack

La electrónica no fue el único producto que Radio Shack vendió en sus tiendas. Muchas de las líneas de productos de Radio Shack estaban dirigidas a aficionados y fomentaban la experimentación, la imaginación y la exploración técnica. En la década de 1970, Radio Shack también ofrecía la marca Science Fair® de kits de experimentación diseñados para enseñar a niños y adultos sobre electrónica, física, magnetismo, computadoras, ciencias aeroespaciales y ciencias relacionadas.

Los proyectos electrónicos xx-en-1 de la Feria de Ciencias de Radio Shack incluyeron un manual de laboratorio detallado para construir múltiples proyectos de circuitos electrónicos, como una radio de cristal, luz estroboscópica, pájaro audible, detector de mentiras, generadores de efectos de sonido y un timbre de puerta. La intención de los kits de proyectos electrónicos xx-in-1 de Science Fair era educar a adultos y niños sobre las maravillas de la tecnología electrónica. El aprendizaje se produjo mientras se construían y probaban los circuitos electrónicos detallados en el manual de laboratorio.

En este artículo del proyecto, se presentará un circuito de las páginas del kit de proyectos electrónicos 150 en 1 de Science Fair que se muestra en la Figura 1 con un ligero giro. Se discutirá e ilustrará el circuito clásico utilizando una placa sin soldadura y componentes electrónicos contemporáneos. Además, se presentará el análisis de circuitos y el diseño de la placa sin soldadura utilizando los entornos de modelado en línea de circuitos Multisim Live y Autodesk TinkerCAD. Finalmente, incorporaré un microcontrolador M5Stack Core para mejorar la operación de conmutación manual por botón.

En la página 40 del manual de laboratorio del kit de proyectos electrónicos 150 en 1 de Science Fair, como se ilustra en la Figura 2, hay un circuito clásico que ilustra la aplicación fundamental de un transistor, la de un interruptor electrónico. El diseño tradicional de un manual de laboratorio de proyectos electrónicos típico de la Feria de Ciencias proporcionaba una breve descripción técnica y el funcionamiento del circuito.

La descripción técnica y funcionamiento del circuito incluyó un diagrama y secuencia de cableado. La descripción técnica utilizada con el circuito electrónico tenía como objetivo educar al aficionado sobre la terminología y los símbolos del campo de la electrónica. En el lado derecho de la descripción técnica se proporciona un diagrama de cableado detallado que muestra la conexión de los componentes electrónicos. Debajo de la ilustración se proporciona una secuencia de cableado que muestra una versión de texto del diagrama.

Se puede construir una versión de circuito moderno y compacto utilizando componentes electrónicos disponibles en el mercado. Los transistores 2SB y 2SC que se muestran en el diagrama esquemático del circuito electrónico se pueden reemplazar usando transistores PNP y NPN complementarios. El componente 2SB se puede reemplazar con un transistor PNP 2N3906. El reemplazo del transistor 2SC es un transistor NPN 2N3904 (el complemento del 2N3906). El 2SB original era un componente de germanio PNP en comparación con el nuevo transistor de silicio 2N3906. Sorprendentemente, el transistor NPN 2SC711 era un componente de silicio.

La pantalla LED de 7 segmentos es un dispositivo optoelectrónico de cátodo común (CC). Este componente se sustituirá por un componente optoelectrónico Avago HDSP-5503 CC o equivalente. Por último, el circuito electrónico se operó presionando la tecla que venía con el kit. Un interruptor de botón táctil ordinario reemplazará la tecla utilizada en el proyecto original.

La construcción del proyecto electrónico se logra fácilmente utilizando piezas sustituidas y algunas resistencias discretas. Una placa de pruebas sin soldadura de tamaño medio puede acomodar la ubicación y el cableado de los componentes utilizando el diagrama esquemático del circuito electrónico original.

Como se ilustra en la Figura 3, la plataforma en línea AutoDesk TinkerCAD Circuits permite la colocación de componentes electrónicos virtuales en una placa sin soldadura. La plataforma de modelado en línea también permite probar el circuito completado en la placa sin soldadura. Además, esta función de prueba virtual garantiza el funcionamiento adecuado del circuito antes de construir el dispositivo físico.

La placa de pruebas sin soldadura se puede llenar fácilmente con componentes y cablear eléctricamente, como se muestra en la Figura 4.

Como se muestra en la Figura 5, también podemos usar KiCad para diseñar el diagrama esquemático del circuito electrónico.

La ventaja de KiCad es que el diagrama esquemático del circuito electrónico se puede traducir a un diseño de producto de placa de circuito impreso (PCB), como se muestra en la Figura 5. El diseño de la PCB se puede facilitar utilizando la placa de pruebas sin soldadura como guía de colocación de piezas. Si se desea, se puede crear un producto estéticamente atractivo diseñando una carcasa mediante CAD y luego fabricándola con una impresora 3D.

El proyecto Conmutación controlada por transistor de una pantalla LED se centra en ilustrar el concepto de conmutación electrónica. En 1977, cuando el kit se vendía en las tiendas Radio Shack, los productos digitales como computadoras, calculadoras, juegos electrónicos, juguetes y transistores estaban en su máximo uso. El circuito electrónico ilustró este aspecto fundamental del transistor encendiendo una pantalla LED de 7 segmentos.

Como se ilustra en la Figura 7, el circuito se alimenta mediante una batería de 9 V adjunta. Cuando se presiona el interruptor de botón táctil S1, la base del transistor NPN Q1 está polarizada a través de R4, una resistencia de 22 K Ω. Esto hace que Q1 cambie de su estado APAGADO a su estado ENCENDIDO. Cuando el transistor se enciende, esto permite que la corriente fluya desde el colector al emisor de Q1, y se proporciona una conexión a tierra para los circuitos de los segmentos B y C del LED. Esta corriente a través de Q1 encenderá el LED1 y el LED2 (correspondientes a los segmentos de LED B y C). Las resistencias limitadoras de corriente R1 y R2 (1K Ω) ayudan a garantizar que los LED estén polarizados adecuadamente.

Transistor PNP Q2 El transistor NPN está polarizado a través de la resistencia R3 (22 K Ω) de modo que siempre esté en estado ON. El número "1" se mostrará en la pantalla LED de 7 segmentos.

Podemos usar un modelo Multisim para ilustrar el funcionamiento del circuito. Multisim proporciona sondas de voltaje y corriente donde las corrientes de polarización y los voltajes de los puntos de prueba se pueden medir fácilmente (Figura 8). El uso de estas sondas de medición permite al diseñador la capacidad de analizar y solucionar problemas de sus diseños de circuitos. Hay varios modos de análisis de circuitos que el diseñador puede seleccionar. En este proyecto, se seleccionó un modo interactivo. El modo interactivo permite observar comportamientos y funciones eléctricas a través de funciones de animación como LED discretos iluminados, interruptores y relés eléctricos en funcionamiento y activación sonora de zumbadores piezoeléctricos. La Figura 8 proporciona los datos de simulación de la sonda para varios voltajes y corrientes clave.

También podemos analizar el funcionamiento del circuito manualmente utilizando ecuaciones básicas del circuito, valores de hojas de datos y parámetros eléctricos Multisim para los transistores. Algunas de las soluciones de cálculo manual tienen un error del 5%.

Notas:

$$\begin{ecuación}I_{R4} & = & \frac{V_1 – V_{BE}}{R_4} \\ \\ & = & \frac{9.0 – 0.85\text{V}}{4.7K\ texto{ } \Omega} \\ \\ & = & 1,734 \text{mA}\end{ecuación}$$

$$\begin{eqnarray}V_{PR5} & = & V_1 – V_{BE} \\ \\ & = & 9.0 – 0.75 \text{ V} \\ \\ & = & 8.25 \text{ V}\end {eqnarray}$$

$$\begin{ecuación}V_{PR1} & = & V_{PR5} + V_{JC} \\ \\ & = & 8.25 + 0.65 \text{ V} \\ \\ & = & 8.9 \text{ V }\end{ecuación}$$

$$I_{R1} = I_{R2} = 8.116 \text{ mA}$$

$$I_{PR2} \aprox 2 \cdot I_{R1} = 2 \cdot 8.116 = 16.232 \text{ mA} $$

Esta última ecuación ignora la corriente base del transistor PNP Q2, lo que explica por qué el valor de Multisim es ligeramente mayor.

Este circuito se puede automatizar fácilmente utilizando un M5Stack Core. El M5Stack Core es una unidad basada en un microcontrolador ESP32 que ofrece oportunidades únicas de desarrollo de robótica, Bluetooth y Wi-Fi. Con M5Stack Core, se puede crear un interruptor de control para operar la conmutación controlada por transistor en un circuito de pantalla LED con una unidad de control estéticamente agradable, como se muestra en la Figura 9. El interruptor de control M5Stack proporciona una función de conmutación donde un botón puede encender el Pantalla LED de 7 segmentos. Un segundo botón en el M5Stack Core apagará la pantalla LED de 7 segmentos.

Como se presenta en este proyecto, un kit de proyecto electrónico 150 en 1 de Science Fair se remezcló en nuevos formatos de circuitos electrónicos. Este proyecto pretende ilustrar que los circuitos del kit de proyectos electrónicos clásicos de la Feria de Ciencias se pueden modificar para crear dispositivos únicos del siglo XXI. Puede ver el videoclip del M5Stack Core y la conmutación controlada por transistor de un circuito de pantalla LED en acción.