Diseño y Funcionamiento de Circuitos Electrónicos Fundamentales

1. Fuente de Alimentación Regulada y Ajustable (LM317)

Componentes Principales y Función

El circuito es una fuente de alimentación regulada y ajustable. El LM317 es el encargado de generar un voltaje variable, controlado por un potenciómetro que modifica su referencia interna.

• Amplificación de Corriente: Para poder entregar más corriente de la que el LM317 puede proporcionar por sí solo, se utiliza un transistor de potencia TIP3055, que actúa como etapa de amplificación de corriente. El LM317 controla su base y el transistor entrega la corriente elevada a la salida sin sobrecargar al regulador.
• Voltaje Auxiliar: El 7805 genera 5 V fijos que sirven para alimentar los indicadores y circuitos auxiliares del sistema.
• Protección: Los diodos 1N4007 protegen el circuito, evitando que corrientes inversas regresen al regulador o a la salida, especialmente frente a cargas inductivas o inversiones accidentales de polaridad.

Estabilización y Ajuste

Los capacitores del circuito tienen la función de filtrar la señal y estabilizar la regulación; eliminan ruido, suavizan variaciones bruscas y reducen el ripple (rizado) tanto en la entrada como en la salida del regulador, manteniendo estable el funcionamiento general. El ripple y el filtrado son fundamentales para obtener una salida estable en fuentes de alimentación. Los capacitores colocados en la salida suavizan las variaciones de voltaje, reducen picos y eliminan ruido, evitando que las fluctuaciones de la red o de la carga afecten a los componentes sensibles.

Las resistencias del circuito establecen los rangos de regulación del LM317, polarizan adecuadamente las etapas y limitan la corriente de los LEDs indicadores. El potenciómetro permite ajustar manualmente el voltaje de salida modificando la relación resistiva del LM317. Los LEDs muestran visualmente si el circuito está encendido o si la salida está activa. Finalmente, el voltímetro y el amperímetro permiten visualizar en tiempo real el voltaje regulado y la corriente que entrega la fuente.

En conjunto, el LM317 regula el voltaje, el TIP3055 aumenta la corriente disponible, el 7805 entrega 5 V auxiliares, los diodos brindan protección, los capacitores estabilizan y filtran la señal, las resistencias y el potenciómetro definen el ajuste, y los LEDs indican funcionamiento.

Cálculo de Voltaje y Corriente

En una fuente regulada con LM317, el voltaje de salida se calcula usando la fórmula:

$$V_{out} = 1.25 \times (1 + R_1/R_2) + I_{adj} \times R_2$$

Donde $R_1$ y $R_2$ son las resistencias conectadas al regulador e $I_{adj}$ es una corriente muy pequeña que normalmente se puede despreciar. La corriente que puede entregar depende del regulador y de cualquier transistor de potencia agregado; sin transistor, el LM317 típicamente entrega hasta 1.5 A, y con un transistor como TIP3055, la corriente máxima de salida se amplifica según la capacidad del transistor.

2. Oscilador Astable Basado en NE555

Funcionamiento del Circuito Oscilador

El circuito es un oscilador basado en un temporizador NE555 configurado en modo astable, lo que significa que genera una señal cuadrada continua que alterna entre estados alto y bajo sin necesidad de un pulso externo. Esta señal hace que un LED parpadee y, al mismo tiempo, activa y desactiva un transistor que permite controlar una carga como un zumbador o un pequeño motor. Un LED adicional indica que el circuito está encendido.

El temporizador NE555 es el núcleo del circuito: sus pines de disparo y umbral están unidos para permitir la carga y descarga cíclica del capacitor, mientras que el pin de descarga controla cuándo el capacitor se vacía para reiniciar la oscilación. El pin de salida genera la señal que hace parpadear el LED indicador y que controla el transistor. Las resistencias asociadas al 555 determinan el tiempo de carga y descarga del capacitor y, por lo tanto, la frecuencia de la señal generada. El capacitor C1 se carga y descarga continuamente entre los niveles establecidos por el 555, definiendo el ritmo al que oscila el circuito.

Control de Frecuencia y Carga

Las resistencias conectadas a través de interruptores permiten seleccionar diferentes valores que determinan la velocidad de carga del capacitor principal del oscilador, cambiando así la frecuencia del parpadeo y del sonido o vibración de la carga.

El transistor actúa como amplificador de corriente, ya que la salida del 555 no puede manejar cargas mayores directamente. Al recibir la señal del pin de salida, el transistor conduce y permite que la carga externa se active siguiendo el mismo ritmo de la señal oscilante. Las resistencias que acompañan al transistor limitan y controlan la corriente en su base para evitar daños y asegurar un funcionamiento estable. Las resistencias de los LEDs limitan la corriente para que puedan funcionar sin quemarse. Los interruptores permiten seleccionar diferentes resistencias para variar la frecuencia del oscilador, proporcionando modos más rápidos o más lentos de parpadeo o pulsos de salida.

En conjunto, el NE555 genera la oscilación, el capacitor y las resistencias definen su frecuencia, el transistor permite manejar una carga mayor, los LEDs indican actividad y encendido, y los interruptores permiten cambiar la velocidad del parpadeo o pulsos de salida.

Fórmulas de Oscilación (Modo Astable y Monoestable)

En los osciladores con NE555 configurados en modo astable, la frecuencia de oscilación se determina por las resistencias y el capacitor conectados entre los pines 6, 7 y 2. La frecuencia aproximada se calcula como:

$$f = \frac{1.44}{(R_1 + 2 \times R_2) \times C}$$

Donde $R_1$ y $R_2$ son resistencias de temporización y $C$ es el capacitor de carga/descarga. La duración del pulso alto y bajo se controla mediante estas resistencias y el capacitor, permitiendo ajustar la velocidad de parpadeo de un LED o la activación de un transistor que controla una carga externa. En modo monoestable, el 555 genera un solo pulso cuando recibe un disparo, y la duración del pulso depende de:

$$t = 1.1 \times R \times C$$

3. Diseño de Placas de Circuito Impreso (PCB) con KiCad

Flujo de Trabajo: Esquema y Huellas

En KiCad, el proceso para diseñar una placa PCB comienza en el editor esquemático, donde se dibuja el circuito utilizando los símbolos electrónicos. Cada símbolo debe tener asignada una huella o footprint, que es la representación física del componente en la placa: incluye pads, forma del encapsulado y las dimensiones que usará el componente real para soldarse.

Estos footprints dependen del tipo de encapsulado que tenga cada componente. Los principales tipos son:

• THT (Through-Hole Technology): Componentes de agujero pasante con pines largos que atraviesan la placa. Se utilizan cuando se requiere mayor robustez mecánica o disipación. Incluyen formatos como DIP para integrados, resistencias y capacitores axiales o radiales, y transistores TO-92 o TO-220.
• SMD (Surface-Mount Device): Componentes superficiales diseñados para soldarse directamente sobre el cobre sin agujeros, ocupando menos espacio y permitiendo mayor densidad en el PCB. Incluyen encapsulados como SOIC, TSSOP y QFP para integrados, así como 0603, 0805 o 1206 para resistencias y capacitores. Los componentes SMD permiten reducir tamaño y mejorar la automatización en fabricación.

Validación Eléctrica (ERC)

Una vez creado el esquema, se utiliza el ERC (Electrical Rules Checker). Su función es analizar si existen errores eléctricos en el diagrama, como pines sin conectar, polaridades incorrectas, conflictos entre señales o alimentación mal definida. No verifica valores de componentes, sino la lógica eléctrica del esquema.

El PWR_FLAG en KiCad indica al ERC que un nodo tiene alimentación. Si no se pone, el ERC puede marcar falsos errores de “red sin fuente”, aunque el circuito funcione. No afecta la PCB, no tiene huella ni conexiones físicas; solo sirve para que el chequeo eléctrico reconozca correctamente los nodos de alimentación.

Cuando el esquema está correcto, se genera la netlist o se sincroniza directamente con el editor de PCB, llevando toda la información de conexiones y huellas a la etapa de diseño físico.

Diseño Físico y Ruteo

En el editor de PCB se colocan los componentes físicamente sobre la placa y se generan las pistas, que son las líneas de cobre que conectan los pads según el esquema. Las pistas deben seguir reglas de diseño sobre espesor, separación y capas utilizadas. Cuando se necesita pasar una pista de una capa a otra, se usan las vías, que son pequeños agujeros metalizados que unen eléctricamente el cobre de una capa con el de otra. El diseño puede requerir vías térmicas para disipación, vías de señal para enrutado o vías ciegas o enterradas en diseños más avanzados.

En el diseño de PCBs, los componentes se colocan sobre la placa según sus huellas o footprints. Las pistas de cobre conectan los pads de los componentes, y las vías permiten que una señal pase de una capa a otra.

Validación de Fabricación (DRC)

Durante el diseño se utiliza el DRC (Design Rules Checker), que analiza que el ruteo y la geometría de la placa respeten las reglas de diseño y fabricación. Comprueba distancias mínimas entre pistas, separación entre pads y bordes de la placa, grosor de las líneas, tamaño de pads y clearance entre capas. También detecta errores como pistas que no llegan a sus pads, pistas demasiado cercanas o cruces de rutas que podrían causar cortocircuitos o fallos de fabricación.

Resumen de Chequeos (ERC vs. DRC)

En el diseño electrónico se utilizan dos tipos de chequeos principales: ERC (Electrical Rules Check) y DRC (Design Rules Check).

Ambos chequeos son complementarios:

• El ERC se realiza sobre el esquemático y asegura que el esquema tiene sentido eléctricamente (lógica eléctrica).
• El DRC se realiza sobre la PCB y asegura que la placa puede fabricarse y funcionará correctamente sin problemas mecánicos o eléctricos (reglas físicas).

Realizar estos chequeos antes de fabricar la PCB evita fallos costosos y ahorra tiempo en correcciones.

Conclusión del Flujo de Diseño

En conjunto, el flujo en KiCad consiste en crear el esquema, asignar las huellas adecuadas según el encapsulado, ejecutar el ERC para validar la lógica eléctrica, pasar al editor de PCB, colocar componentes, rutear pistas y usar vías cuando sea necesario, y finalmente ejecutar el DRC para asegurar que la placa puede fabricarse sin problemas. Así se obtiene una PCB funcional basada en el diseño electrónico original.

En conjunto, resistencias, capacitores, reguladores y transistores permiten controlar voltaje, corriente y frecuencia, mientras que un PCB correctamente diseñado asegura que la conexión eléctrica y la fabricación sean confiables y seguras.