Raspberry Pi® a fondo para desarrolladores

Una placa de pruebas de buena calidad como la de la figura 4-4, con 830 conectores, cuesta entre 6 y 10 $. Las placas de pruebas gigantes, de hasta 3.220 conectores, cuestan unos 20 $. Veamos algunos consejos para el uso de la placa de pruebas:

❏Siempre que sea posible, sitúe la patilla 1 de sus circuitos integrados (Integrated Circuits, o IC) en la parte inferior izquierda para que le sea más fácil depurar los circuitos. Tenga cuidado de alinear siempre con sumo cuidado las patillas con los agujeros de la placa de pruebas antes de presionar para colocar las patillas (normalmente se escucha un clic característico). Asimismo, no olvide que los circuitos integrados necesitan electricidad.

❏Como veremos más adelante en este capítulo, dejar un cable desconectado no es lo mismo que conectarlo a tierra (GND).

❏Utilice un destornillador plano para sacar lentamente los circuitos integrados de la placa de pruebas haciendo palanca, poco a poco, por ambos extremos. De este modo evitaremos doblar las patillas.

❏Tenga cuidado de no puentear resistencias y otros componentes electrónicos situando dos de sus patillas en el mismo conector. Asimismo, conviene recortar los terminales de las resistencias antes de conectarlas a la placa, ya que unos terminales largos podrían tocarse accidentalmente y darnos problemas durante la depuración del circuito.

❏Los pulsadores, o interruptores momentáneos, suelen tener cuatro patillas, conectadas en dos pares. Debe asegurarse de orientarlas correctamente (utilice un test de continuidad en el multímetro digital).

❏Las grapas funcionan perfectamente como puentes de conexión.

❏Ciertas placas tienen una discontinuidad en los buses de potencia, puentéelos si fuera necesario.

❏Las placas de pruebas presentan un espaciado entre contactos (lead pitch) típico de 2,54 mm (0,1 pulgadas en medida inglesa). Intente comprar todos los componentes y conectores con dicho espaciado. En el caso de los circuitos integrados, elija del tipo DIP/PDIP (su código IC acaba con una N) y, para otros componentes, elija la forma de agujero pasante.

❏Utilice el color del cable de conexión de manera significativa, por ejemplo: el color rojo para 5 V y el negro para tierra (GND). Mantener esta coherencia puede resultar de gran ayuda durante la depuración. El cable de un hilo con una sección de 0,33 mm cuadrados (22 AWG, American Wire Gauge) resulta un cable de conexión perfecto y está disponible con aislante de distintos colores. Se puede adquirir cable puente preformado, pero unos cables muy largos producen circuitos embrollados. Una variedad de cable de conexión de diferentes colores junto con una herramienta pelacables de buena calidad hacen posible crear los diseños más claros y estables en la placa de pruebas.

Figura 4-4: La placa de pruebas con una placa de extensión para la cabecera GPIO del RPi

y un circuito integrado 7408 (cuatro puertas AND de dos entradas).

Multímetros digitales (DMM) y placas de pruebas

Las mediciones de voltaje, corriente y resistencia son bastante fáciles y directas cuando tenemos en cuenta ciertas reglas (véase la figura 4-6):

❏El voltaje de corriente continua (DCV por sus siglas en inglés), se mide en paralelo, es decir, a través del componente que experimenta la caída de voltaje. El medidor debe tener la sonda de color negro en la entrada COM (common, común) del multímetro digital.

❏La intensidad de la corriente continua (DCA por sus siglas en inglés) se mide en serie. Así, tendremos que "romper" la conexión en nuestro circuito y cablear el multímetro digital como si fuera un componente en serie con el conductor del circuito en el que la estemos midiendo. Utilice la sonda negra en la entrada COM, y la roja, en la entrada μAmA o equivalente. No utilice la entrada sin fusible de 10 A.

❏La resistencia (resistance) no se puede medir normalmente sobre el circuito, puesto que otras resistencias y componentes actuarían como cargas en paralelo o en serie influyendo en la medida. Aísle el componente, ponga la sonda roja del multímetro digital en la entrada VΩ y configure el medidor para la medición de Ω (ohmios). La prueba de continuidad se puede utilizar de forma razonablemente efectiva sobre el circuito, siempre que se haya drenado la energía.

Figura 4-6: Medición de voltaje, corriente y resistencia.

Si el multímetro digital no funciona, puede que hayamos fundido el fusible interno. Desconecte las sondas del multímetro digital y abra el medidor para ver el pequeño fusible de cristal. Si tenemos un segundo medidor, podremos realizar una prueba de continuidad para determinar si lo hemos fundido o no. Sustitúyalo por otro del mismo valor.

ADVERTENCIA La medición directa de la corriente a través de una fuente de voltaje sin carga, aunque solo sea una pila de 9 V, es la forma más rápida de fundir el fusible del multímetro digital, puesto que la mayoría están limitados a 200 mA. Compruebe que la sonda esté en la entrada VΩ antes de medir el voltaje.

Circuito de ejemplo: regulación de voltaje

Ahora que conocemos los principios básicos, vamos a analizar un circuito más complejo. Luego, examinaremos sus componentes con todo detalle. No debe el lector construir el circuito expuesto en esta sección, puesto que solo se muestra con el objeto de presentar el concepto de componentes interconectados.

Un regulador de voltaje es un dispositivo complejo pero fácil de usar que admite varios voltajes de entrada y facilita un voltaje constante por la salida, prácticamente con independencia de la carga conectada, inferior al de entrada. Este dispositivo mantiene constante el voltaje de salida dentro de un rango de tolerancia definido y evita las variaciones que pudieran dañar a los dispositivos electrónicos conectados.

Los modelos RPi B+ y RPi 2/3 poseen un convertidor DC-DC reductor PWM (Pulse-Width Modulation, modulación por ancho de pulsos) (PAM2306 en U3, vea tiny.cc/erpi402) que puede suministrar diferentes niveles fijos de voltaje a los componentes de la placa, junto con protección frente a cortocircuitos. Por ejemplo, hay salidas de 5, 3,3 y 1,8 V. Podemos usar las salidas de 5 y 3,3 V como fuentes de alimentación para los circuitos conectados a la cabecera GPIO del RPi, pero solo dentro de ciertos límites de intensidad de corriente. El RPi puede suministrar hasta 200-300 mA en las patillas de 5 V (números 2 y 4) y aproximadamente 50 mA en las de 3,3 V (números 1 y 17).

Si se precisasen mayores corrientes para aplicaciones como control de motores, podríamos tener que usar reguladores de voltaje como el de la figura 4-7. Es posible construirlo directamente en una placa de pruebas, o bien comprar una placa de pruebas "breadboard power supply stick 5 V/3,3 V" directamente de SparkFun (www.sparkfun.com) por unos 15 $.

Figura 4-7: El regulador de voltaje KA7805A/LM7805 y un ejemplo de circuito regulador de voltaje.

Como se puede ver en la figura 4-7, la patilla izquierda del regulador es la entrada de voltaje. Cuando suministra una corriente de 500 mA, el regulador de voltaje KA7805/LM7805 aceptará un voltaje de entrada de entre 8 y 20 V, y producirá un voltaje de salida (por la derecha) de entre 4,8 y 5,3 V. La patilla central debería conectarse al bus de tierra. La placa de aluminio de la parte posterior del regulador de voltaje actúa como disipador de calor. El agujero nos permite atornillar un disipador de mayores dimensiones y, así, trabajar con corrientes mayores de hasta 1 A.

El voltaje mínimo requerido para el KA7805/LM7805 es de 8 V. Si la fuente de voltaje no lo alcanza, podemos usar un regulador de voltaje de tipo LDO (Low Drop-Out) que puede funcionar con una fuente de voltaje tan baja como 6 V para operar un regulador de 5 V. El circuito de implementación de la figura 4-7 incluye los siguientes componentes adicionales, que le permiten proporcionar una fuente de voltaje limpia y estable de 5 V y una corriente de 1 A:

❏El diodo garantiza la protección del circuito si conectamos la fuente con la polaridad cambiada (si, por ejemplo, intercambiamos la conexión de 9 V y la de tierra, GND). Diodos como el 1N4001 (de 1 A) son muy baratos, pero tienen el inconveniente de ocasionar una pequeña caída de voltaje (aproximadamente 1 V con 1 A) antes del regulador.

❏El interruptor sirve para conectar y desconectar el circuito de la corriente. Un interruptor deslizante permite la alimentación continua del circuito.

❏El fusible rearmable PTC (Positive Temperature Coefficient, coeficiente de temperatura positivo) resulta muy útil para evitar daños por elevación de la corriente, como cortocircuitos accidentales o fallos en componentes. El PTC permite el paso de una corriente de mantenimiento con solo una mínima resistencia (sobre 0,25 Ω), pero, una vez se excede una corriente de desconexión o de disparo, la resistencia se incrementa rápidamente, y el dispositivo se comporta como un interruptor automático. Cuando se quite la corriente, el PTC se enfriará durante unos segundos y recobrará sus características anteriores al disparo. En este circuito sería recomendable usar un Polyfuse 60R110 o equivalente, ya que tiene una corriente de mantenimiento de 1,1 A y una corriente de disparo de 2,2 A, con un voltaje máximo de 60 V en corriente continua.

❏El condensador de 0,33 µF se encuentra en el lado de la alimentación del regulador, y el de 0,1 µF, en la salida. Estos son los valores que la hoja de datos recomienda para eliminar el ruido (ripple rejection, rechazo de rizado) de la fuente de alimentación. Los condensadores se analizan en breve.

❏El diodo LED y una resistencia limitadora de corriente adecuada proporcionan una luz indicadora que deja claro cuándo está alimentado el circuito.

NOTA Existen dos notaciones principales para indicar el sentido del flujo de la corriente eléctrica: La primera y real es la corriente de flujo de electrones, que tienen carga negativa, del electrodo negativo al electrodo positivo. La segunda es la corriente convencional y va precisamente en sentido contrario, del electrodo positivo al negativo: representa el flujo de carga positiva y es consistente con todos los símbolos empleados en los semiconductores. En este libro se emplea la notación de corriente convencional para indicar el sentido del flujo de la corriente.

Componentes discretos

En el ejemplo anterior se han usado varios componentes discretos para construir un único circuito alimentador de electricidad. En esta sección, los tipos de componentes que configuran el circuito serán analizados con más detalle. Cada uno de ellos se puede aplicar a diseños de circuitos muy diferentes, y es importante que los analicemos en este momento porque usaremos muchos de ellos en nuestros circuitos para el conector de entrada/salida del RPi.

Diodos

En pocas palabras, un diodo es un componente semiconductor discreto que permite que la corriente pase en una dirección, pero no en la otra. Como su nombre sugiere, un semiconductor ni es un conductor ni es un aislante. El silicio es un material semiconductor, pero resulta mucho más interesante cuando se lo dopa con impurezas como el fósforo. Ese dopaje de tipo negativo (n-type) o de tipo N resulta en un electrón débilmente ligado en la banda de valencia. El dopaje también puede ser positivo (p-type) o de tipo P, lo que dejaría un agujero en la banda de valencia, cuando se usan impurezas como el boro. Cuando unimos silicio con dopaje de tipo P y de tipo N en un pequeño bloque, obtenemos un diodo de unión PN. Los electrones libres de la banda de valencia del silicio de tipo N fluyen hacia el silicio de tipo P creando una zona desierta, capa de deplexión o capa de vaciado, y una barrera de potencial (voltaje) que se debe sobrepasar para que la corriente pueda fluir.

Cuando un diodo está conectado con polarización directa permite que la corriente fluya a través de él, mas cuando la polarización está invertida, la corriente no fluye. Un diodo tiene polarización directa cuando el voltaje en el ánodo o electrodo positivo (+ve) es mayor que en el cátodo o electrodo negativo (−ve). No obstante, la polarización debe también superar la barrera de potencial de la capa de deplexión (tensión de umbral) antes de que la corriente pueda fluir, lo que suele pasar entre 0,5 y 0,7 V en un diodo de silicio. Si se invierte la polarización del diodo aplicando un voltaje superior en el cátodo que en el ánodo, no podrá circular prácticamente corriente alguna (tal vez 1 nA). Sin embargo, si el voltaje de la polarización inversa se va incrementando, el diodo acabará por dejar pasar el flujo de corriente en sentido contrario (diodo de ruptura o de avalancha, que es un diodo de corriente inversa para un cierto valor de la polarización). Si la corriente es pequeña, no dañará el diodo; de hecho, existe un tipo de diodo especial, llamado diodo Zener, diseñado para operar en esta región de ruptura y que se puede configurar para comportarse igual que un regulador de voltaje.

El 1N4001 es un diodo de silicio de bajo coste que se puede utilizar en un circuito sencillo (véase la figura 4-8) para demostrar el uso y comportamiento de los diodos. El 1N4001 tiene un voltaje máximo de ruptura de polarización inversa de 50 V. En este circuito se aplica una onda senoidal que oscila entre +5 V y -5 V, mediante el generador de formas de onda del Analog Discovery. Cuando el voltaje Vin sea positivo y exceda la tensión de umbral, la corriente fluirá y se producirá una caída de tensión a través de la resistencia de carga, Vload, que es ligeramente inferior que Vin. Hay una pequeña caída de voltaje a través del diodo Vd, unos 0,67 V según la medición del osciloscopio, que está dentro del rango esperado para un diodo de silicio.

Figura 4-8: Circuito y comportamiento de un diodo 1N4001 con una resistencia de carga

de 1 kΩ y una fuente de alimentación de corriente alterna de 5 V.

El diodo se usa en el circuito de la figura 4-7 como una protección de polaridad inversa. Su eficacia debería quedar clara a partir de gráfica de la figura 4-8, porque, cuando Vin es negativo, el voltaje Vload es cero. Esto ocurre porque la corriente no puede fluir a través del diodo cuando tiene invertida la polaridad. Si el voltaje excede la tensión de ruptura del diodo, la corriente fluirá, pero como para el 1N4001 es de 50 V, eso no ocurrirá en este caso. En la esquina inferior derecha de la figura 4-8 se muestra una gráfica XY con los voltajes: el de salida en el eje y y el de entrada en el eje x. Se puede ver que, para un voltaje de entrada negativo, el de salida es igual a 0, pero una vez que se llega a la tensión de umbral (0,67 V), el voltaje de salida crece de forma lineal con el de entrada. Este circuito se llama rectificador de media onda. Se pueden conectar cuatro diodos en configuración de puente para crear un rectificador de onda completa.

Diodos emisores de luz (LED)

Un diodo emisor de luz (Light-Emitting Diode, LED por sus siglas en inglés) es una fuente de luz realizada con material semiconductor que se emplea a menudo como indicador de estado en todo tipo de dispositivos. En la actualidad, los LED de alta potencia se usan como faros en los coches, en las pantallas retroiluminadas de las televisiones y, últimamente, también como sustitutos de las bombillas tradicionales y de bajo consumo, sobre todo por su longevidad y extrema eficiencia a la hora de convertir la electricidad en luz. Los LED nos proporcionan información de estado muy útil sobre nuestros circuitos, incluida la necesaria para depurarlos. A menudo los usamos para saber si un estado es verdadero o falso.

Como diodos que son, los LED tienen polaridad. El símbolo de un LED se muestra en la figura 4-9. Para que un LED emita luz, el diodo debe estar conectado en polarización directa, es decir, con el ánodo (+) en una fuente más positiva que el cátodo (-). Por ejemplo, el ánodo podría conectarse a +3,3 V y el cátodo a tierra (GND). Sin embargo, hay que recordar también que el mismo efecto se conseguiría conectando el ánodo a 0 V y el cátodo a una fuente negativa de -3,3 V.

La figura 4-9 muestra un LED que tiene una patilla más larga que la otra. La más larga es el ánodo (+), y la más corta, el cátodo (-). La camisa de plástico que rodea el LED tiene, asimismo, un lado plano que indica igualmente cuál es la patilla del ánodo (-). Esta indicación resulta particularmente útil para identificar el ánodo si se le han recortado las patillas.

Figura 4-9: Ejemplo de diodo LED y de un circuito para controlar un LED con

unos niveles apropiados de voltaje y corriente con polaridad directa.

Los LED tienen ciertos requisitos operativos que vienen determinados por una tensión o voltaje directo y una corriente con polaridad directa. Cada LED es diferente, así que necesitaremos sus hojas de especificaciones como referencia para determinar dichos valores. Un LED no ofrece resistencia significativa, así que, si conectáramos el LED directamente a la fuente de 3,3 V del RPi, se produciría un cortocircuito y derivaríamos una gran cantidad de corriente a través del LED, de manera que lo dañaríamos a él y al RPi. Por lo tanto, para operar un LED necesitamos una resistencia en serie, llamada resistencia limitadora de corriente. Elegiremos este valor cuidadosamente para maximizar la producción de luz del LED y para proteger el circuito.

ADVERTENCIA No conecte ningún LED directamente a la cabecera GPIO del RPi sin usar resistencias limitadoras de corriente y/o transistores interruptores, ya que probablemente dañaría la placa. La corriente máxima que el RPi puede manejar en una patilla de la cabecera GPIO debería mantenerse por debajo de 2-3 mA.

Refiriéndonos a la figura 4-9, si el LED recibe 3,3 V desde el RPi y deseamos una caída de voltaje directo de 1,3 V a través de dicho LED, necesitamos que los 2 V de diferencia caigan a través de la resistencia limitadora de corriente. Las especificaciones del LED nos exigen limitar la corriente a 9 mA, así que debemos calcular un valor para la resistencia limitadora de corriente de la siguiente forma:

como V = IR, entonces R = V / I = 2 V / 0,009 A = 222 Ω.

Por tanto, un circuito para encender un LED quedaría como el de la figura 4-9. Allí hemos situado una resistencia de 220 Ω en serie con el LED. La combinación de una fuente de 3,3 V y la resistencia dirige una corriente de 9 mA a través del LED colocado en polarización directa. Como con esta corriente la resistencia tiene una caída de 2 V, el LED produce a su vez una caída de voltaje directo de 1,3 V. Observamos que esta corriente está bien si la tomamos de la salida de 3,3 V del RPi, pero no se puede usar con la cabecera GPIO del RPi porque la máxima corriente que podemos esperar desde una patilla del RPi está entre 2 y 3 mA. En breve veremos cómo solucionar esto, y también otra vez en el capítulo 6.

También merece la pena comentar que no deberíamos oscurecer un LED reduciendo el voltaje que lo atraviesa. Deberíamos considerar un LED como un dispositivo controlado por la corriente, la cual hace que el voltaje directo caiga cuando lo atraviesa. Por tanto, intentar controlar un LED mediante un voltaje variable podría no funcionar como esperamos. Para oscurecer un LED podríamos utilizar una señal con modulación por ancho de pulsos, o PWM, que básicamente apaga y enciende el LED con gran rapidez. Por ejemplo, si aplicamos una señal PWM rápida al LED, que haga que se encienda y se apague alternativamente la mitad del tiempo, entonces parecerá que solo está emitiendo la mitad de la luz de la que sería capaz en sus condiciones operativas habituales. Nuestros ojos no perciben los cambios cuando la frecuencia es lo bastante alta y el cerebro promedia los destellos de manera que percibimos una luz constante pero menos brillante.

La figura 4-10 muestra una señal PWM con forma de onda cuadrada en diferentes ciclos de trabajo. El ciclo de trabajo es el porcentaje del tiempo que la señal está en el punto más alto frente al tiempo que está en el punto más bajo. En este ejemplo, el nivel alto está representado por un voltaje de 3,3 V y el punto más bajo se sitúa en 0 V. Un ciclo de trabajo del 0% significa que la señal está constantemente en el punto más bajo, y un ciclo de trabajo del 100%, que está constantemente en el punto más alto.

Figura 4-10: Ciclos de trabajo de señales con modulación por ancho de pulsos (PWM).

Las señales PWM se pueden usar para controlar el nivel de luz que emite un LED, pero también para controlar la velocidad de los motores de corriente continua, la posición de los servomotores y otras muchas aplicaciones. Veremos un ejemplo de esto en el capítulo 6 cuando usemos la funcionalidad PWM integrada en el RPi.

El periodo, T, de una señal que se repite, es decir, de una señal periódica, es el tiempo que emplea en completar un ciclo. En el ejemplo de la figura 4-10, el periodo de la señal en los tres casos es de 4 ms. La frecuencia de una señal periódica, f, es la magnitud inversa del periodo y expresa la cantidad de ciclos que se completan en un tiempo dado. Es decir, una señal cuyo periodo sea de 4 ms completará 250 ciclos en un segundo (1/0,004), o lo que es lo mismo: su frecuencia será de 250 Hz (hercios). Podemos afirmar que f (Hz) = 1/T (s), y viceversa, que T (s) = 1/f (Hz). Algunos multímetros digitales de gama alta pueden medir la frecuencia, pero en general se utilizan osciloscopios para ello. Las señales PWM deben oscilar a la frecuencia adecuada para el dispositivo que se vaya a controlar. En el caso de los motores, la frecuencia suele estar en el rango de los KHz.

Condensadores de filtro o aplanamiento y de desconexión

Un condensador es un componente eléctrico pasivo que permite almacenar energía eléctrica entre dos placas aisladas cuando existe una diferencia de potencial entre ellas. La energía se guarda en un campo eléctrico entre ambas placas, donde la carga positiva se va incrementando en una, y la negativa, en la otra. Cuando se elimina o reduce la diferencia de voltaje, el condensador descarga su energía en el circuito al que esté conectado.

Por ejemplo, si modificamos el circuito del diodo que tenemos en la figura 4-8 para añadir un condensador de aplanamiento o condensador de filtro de 10 μF en paralelo con la resistencia de carga, el voltaje de salida aparecería como en la figura 4-11. Cuando el conectamos el diodo con polarización directa hay un potencial a través de los terminales del condensador, que se carga rápidamente, mientras que la corriente también fluye en paralelo a través de la resistencia de carga. Cuando conectamos el diodo con polarización inversa, no hay fuente externa generando potencial a través de la combinación condensador-resistencia, así que el potencial a través de los terminales del condensador, a causa de su carga, provoca un flujo de corriente a través de la resistencia de carga y el condensador comienza a descargarse. El efecto de este cambio es que la tensión es ahora más estable a través de la resistencia de carga, que varía entre 2,758 y 4,222 V (el voltaje de ondulación es de 1,464 V) en lugar de entre 0 y 4,34 V.

Figura 4-11: Circuito y comportamiento de un diodo 1N4001 con una resistencia de carga de 1 kΩ, una fuente de alimentación de corriente alterna de 5 V y un condensador de 10 μF en paralelo.

Los condensadores utilizan un material dieléctrico (aislante) cerámico, de cristal, papel o plástico para aislar las dos placas cargadas. Los dos tipos comunes de condensador son el cerámico y el electrolítico. Los condensadores cerámicos son pequeños y de bajo coste, y se degradan con el paso del tiempo. Por su parte, los condensadores electrolíticos pueden almacenar cargas mucho mayores, pero también se degradan con el paso del tiempo. Los condensadores de cristal, mica y tantalio suelen ofrecer mayor fiabilidad, pero son considerablemente más caros.

La figura 4-12 ilustra un condensador cerámico de 100 nF (0,1 μF) y un condensador electrolítico de 47 μF. Observe que el condensador electrolítico tiene polaridad, con el conector negativo marcado en la superficie del condensador con una banda que señala la patilla más corta, que, al igual que en el caso del LED, es la del cátodo.

Figura 4-12: Condensadores cerámico (sin polaridad) y electrolítico (con polaridad)

y un ejemplo de circuito desacoplador.

La numeración de los condensadores es razonablemente sencilla; por desgracia, en los condensadores cerámicos puede ser muy pequeña y difícil de leer:

❏El primer número es el primer dígito del valor del condensador.

❏El segundo número es el segundo dígito del valor del condensador.

❏El tercer número expresa la cantidad de ceros que siguen a los dos anteriores cuando el valor del condensador está expresado en pF (picofaradios).

❏Letras adicionales representan la tolerancia y el rango de la tensión nominal del condensador, pero las podemos ignorar por el momento.

Por tanto, tenemos:

❏104 = 100000 pF = 100 nF = 0,1 µF

❏102 = 1,000 pF = 1 nF

❏472 = 4,700 pF = 4,7 nF

El circuito regulador de voltaje presentado anteriormente (véase la figura 4-7) utilizaba dos condensadores para filtrar o aplanar los rizos (fluctuaciones) en la fuente de alimentación cargándose y descargándose en oposición a dichas fluctuaciones. Los condensadores se pueden usar también para una función relacionada conocida como decoupling o desacoplamiento.

El acoplamiento o acople es una relación, a menudo indeseable, que ocurre entre dos partes de un circuito debido a que comparten conexiones con la fuente de alimentación. Esta relación ocasiona que, si se presenta una gran demanda de potencia por una parte del circuito, el voltaje de la fuente de alimentación caerá levemente, lo que afectará a la tensión de otras partes del circuito. Los circuitos integrados transmiten una carga variable en las líneas de alimentación (potencia). De hecho, una carga que pueda variar muy rápidamente ocasiona una variación de voltaje de alta frecuencia en las líneas de alimentación de otros circuitos integrados. A medida que el número de circuitos integrados aumenta, el problema se agrava.

Unos pequeños condensadores, llamados condensadores de desacoplamiento, pueden actuar como almacenes de energía que eliminen las señales de ruido que pudieran estar presentes en las líneas de alimentación como resultado de las variaciones de carga transmitidas por los circuitos integrados. El circuito de ejemplo de la figura 4-12 muestra dos condensadores. El más grande, 47 μF, filtra las variaciones de baja frecuencia, y el de 0,1 μF, el ruido de más alta frecuencia. Idealmente, las patillas del condensador de 0,1 μF deberían ser lo más cortas posible para evitar efectos no deseados, relacionados con la inductancia, que impedirían que llegase a filtrar las frecuencias más altas. Hasta los pequeños condensadores de superficie usados en el RPi para desacoplar las patillas del montaje BGA (Ball Grid Array, matriz de rejilla de bolas) en el BCM2835/6/7 SoC producen pequeñas inductancias (1-2 nH).

Transistores

Los transistores están en el núcleo mismo del microprocesador del RPi, como también en casi cualquier otro sistema electrónico. En pocas palabras, su función puede consistir en amplificar una señal, encenderla o apagarla según sea necesario. La cabecera GPIO del RPi solo puede manejar corrientes muy modestas, así que necesitamos transistores que nos ayuden en la comunicación con circuitos electrónicos que requieran grandes corrientes para operar.

Los transistores BJT (Bipolar Junction Transistor, transistor de unión bipolar) o transistores bipolares se construyen añadiendo una nueva capa dopada a un diodo de unión PN. De este modo formamos, o bien una unión PNP (Positive-Negative-Positive, positiva-negativa-positiva) Hay otros tipos de transistores, como los FET (Field-Efect Transistor, transitor de efecto campo), que veremos en breve. El nombre "bipolar" surge del hecho físico de que tanto los electrones como los agujeros en la banda de valencia transportan corriente. Tienen tres terminales, el tercero de los cuales se conecta a la banda central del dispositivo, que es muy fina como podemos ver en la figura 4-13.

La figura 4-13 está repleta de información sobre los transistores; por ejemplo, la nomenclatura de los terminales: base (B), colector (C) y emisor (E). Aunque haya dos tipos de transistores BJT, NPN y PNP, el más utilizado en la práctica es el NPN. De hecho, cualquier ejemplo del uso de transistores en este capítulo usa un transistor NPN BC547.

Figura 4-13: Transistores de unión bipolar (BJT).

El BC547 es un transistor barato de 45 V y 100 mA de propósito general que suele estar disponible en un encapsulado TO-92 con patillas. La figura 4-13 muestra la identificación de cada patilla del BC547, pero debemos tener muy en cuenta que este orden no es consistente con todos los transistores; sin ir más lejos, la patilla del colector está a la izquierda, así que siempre debemos consultar la hoja de especificaciones. El voltaje máximo VCE (también expresado como VCEO) es de 45 V, y la corriente máxima en el colector (IC) es de 100 mA, para el BC547. Tiene una ganancia típica de corriente continua (hFE) de entre 180 y 520, dependiendo del grupo del modelo usado (A, B o C). Estas características se explican con más profundidad en las secciones siguientes.

Utilización de transistores como conmutadores

NOTA En lo que queda de libro, se utilizarán transistores FET en lugar de BJT en los circuitos conmutadores de carga para el RPi. Si el lector se siente abrumado por la cantidad de detalles de esta sección, puede pasar sin miedo a la que trata de los transistores FET, que son un poco más fáciles de aplicar.