Este post es parte de la serie “Circuitos de entrada/salida para microcontroladores y sistemas digitales”. En esta entrada explicaremos con cierto nivel de detalle como conectar un relevador con un microcontrolador o arduino mediante un transistor Mosfet canal N o BJT tipo NPN. Los circuitos aquí mostrados deberían funcionar con cualquier microcontrolador y circuito digital… El límite es la imaginación.

Para conectar un relevador o cualquier otra carga inductiva (bobina) es necesario tomar ciertas precauciones si deseamos un funcionamiento óptimo del circuito a lo largo de su tiempo de vida. Los factores más importantes a considerar son:

  • Voltaje de operación del relé, solenoide, electro valvula, etc.
  • Corriente de operación de la bobina.
  • Voltaje de operación del microcontrolador.
  • Fuerza contraelectromotriz generada por la bobina del relevador.

En esta entrada hablaremos sobre todos los factores involucrados en conectar cargas de mediana potencia a un microcontrolador. Esperamos que la información te sirva mucho a la hora de diseñar tus propios circuitos.

Conectar un relevador con un microcontrolador mediante transistor Bipolar o BJT

Probablemente la pregunta más elemental es ¿Por qué utilizar un relevador y transistores?. Bueno, pues los pines de un microcontrolador están limitados en la corriente que pueden proveer a una carga externa, en la mayoría de los casos, la corriente que se puede obtener de un pin esta limitada a unos 10 a 30 mA en el mejor de los casos. Corrientes superiores pueden dañar la estructura interna del PIN. Para controlar cargas mayores se requiere utilizar transistores y/o relevadores. En el caso de los relevadores, también nos ayudan a proveer aislamiento eléctrico entre el circuito de control y el circuito a controlar.

Como un pin del microcontrolador normalmente no alcanzará a manejar correctamente la bobina de un relevador, requerimos una etapa intermediaria basada en un transistor BJT o Mosfet que a su vez activará la bobina. Un transistor BJT es un dispositivo controlado por corriente, es decir, requiere una corriente de base para comenzar a conducir. Dicha corriente es muy pequeña a comparación de la corriente que controla en sus otras dos terminales. Para conectarlo a nuestro microcontrolador hace falta una resistencia que limite la corriente de base y sin embargo, proporcione la corriente justa para llevar el transistor a un estado de “saturación”. Como en esta aplicación en concreto estamos conectando una carga inductiva, también debemos colocar un diodo que protege al transistor de los picos de voltaje generados por la bobina del relé.

La figura muestra los componentes básicos para conectar un relevador con un microcontrolador.

La figura muestra los componentes básicos para conectar un relevador con un microcontrolador.

No hablaremos mucho sobre la razón para colocar este diodo, ya que no es la intención principal de este artículo, pero aclararemos un hecho importante: Los inductores se oponen a los cambios en la corriente y por lo tanto, una desconexión súbita de la alimentación de la bobina del relé va a generar un pico de voltaje en las terminales del bobinado. El diodo esta ahí para disipar de manera segura la energía acumulada en la bobina del relevador y mientras más rápida sea la respuesta del diodo, mejor. Es por esto que se prefieren los diodos de tipo schottky. Para comprender mejor este fenómeno, es necesario estudiar la ley de inducción magnética (ley de Faraday) y la ley de Lenz, pero como ya dijimos, queda de tarea.

Vamos ahora a concentrarnos en los componentes a elegir, utilizaremos como ejemplo un relevador G5-LE de Omron con bobina de 5V:

  1. Además de que el relevador debe tener capacidad en sus contactos para manejar la carga a controlar, nos interesa la corriente máxima que demandará la bobina para activar los contactos. Si no disponemos de una hoja de datos podemos medir su resistencia en DC con un multímetro y obtener la corriente usando la ley de ohm: I=V/R. En nuestro ejemplo la resistencia es de unos 60 Ohms. Entonces la corriente es I=5/0.06=0.083A
  2. Conociendo la corriente debemos elegir un transistor. Opciones válidas para relevadores pequeños son los clásicos BC547 o 2N2222. Ambos deberían funcionar correctamente para 83 mA. En caso de que nuestro relé requiera corrientes más grandes, posiblemente debamos usar transistores Darlington de mayor potencia.
  3. Otro parámetro importante para elegir el transistor es el voltaje de la bobina del relevador. Podemos utilizar relevadores con voltajes de alimentación mayores que el de la fuente de alimentación del microcontrolador, siempre que el transistor de conmutación lo permita. El Vce (voltaje colector emisor) del transistor elegido debe superar ampliamente el voltaje de alimentación de la bobina del relevador.
  4. Para calcular R1 se debe tomar en cuenta la ganancia del transistor. Calcularemos un valor que permita llevar el componente a saturación. Sabemos que la corriente máxima que puede fluir por el transistor es de 83 mA y de las características de un transitor bipolar se sabe que  Hfe = Ic / Ib  (Hfe es la ganancia en corriente o beta del transistor).
  5. Calculamos la corriente mínima que requerimos en la base del transistor: Ib = Ic / Hfe = 0.083/120 = 0.6 mA.
  6. Como podemos ver del paso anterior hace falta una corriente muy pequeña para activar el relevador utilizando el transistor. Ahora calculamos una resistencia que limite la corriente de base, pero que asegure que al menos se entreguen 0.6 mA. De la ley de ohm R = V / I = 4.3 / 0.0006 = 7166 Ohms. Debemos entonces usar una resistencia menor a 7.1 KOhms.

Conexión con un transistor Mosfet canal N

A diferencia del BJT, un MOSFET se activa debido a un voltaje en su terminal de compuerta.  Un MOSFET requiere una corriente insignificante (lo decimos literalmente) en el terminal Gate, pero requiere que garanticemos un voltaje mínimo para su activación. Dicho voltaje viene especificado en la hoja de datos como “Threshold Voltage”. Además, debemos tener en cuenta que la alta impedancia de entrada del Mosfet hace que se requiera una resistencia que mantenga el terminal Gate con un potencial bajo cuando el microcontrolador se encuentra en reset o con el pin esta configurado en estado de alta impedancia. La conexión es bastante similar a como se realizaría con un un transistor bipolar:

Conectar un relevador con un microcontrolador utilizando un Mosfet Canal N.

Conectar un relevador con un microcontrolador utilizando un Mosfet Canal N.

La resistencia en el Gate del Mosfet no debe permitir que se exceda la corriente máxima admisible del pin, generalmente un valor de 10 a 100 K funciona bien y nos permite mantener el MOSFET en estado de corte aunque el Gate este desconectado o el microcontrolador este en reset.

Conclusión

En este artículo aprendimos las bases para conectar un relevador con un microcontrolador y controlar dispositivos de potencia. Principalmente nos enfocamos en los detalles del funcionamiento de cada componente así como los valores que deben tener. Con esto pretendemos lograr que todos ustedes puedan aplicar estas “reglas” a otros diseños y así tener los conocimientos y reglas generales a la mano cuando se requieran.

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