La Reactancia Inductiva: Principios Fundamentales y Aplicaciones en Circuitos Eléctricos

La inductancia eléctrica es un fenómeno clave en los circuitos electrónicos y eléctricos, especialmente en el análisis de corriente alterna (CA). Surge de la interacción entre una bobina y la corriente que fluye a través de ella, creando un campo electromagnético que, a su vez, genera una corriente inducida que se opone al cambio de la corriente original. Esta propiedad de la inductancia da lugar a la reactancia inductiva, que mide la resistencia que una bobina ofrece al paso de la Corriente Alterna. En este artículo, exploraremos en detalle qué es la reactancia inductiva, su fórmula, y su importancia en aplicaciones prácticas.

¿Qué es la Reactancia Inductiva?

La reactancia inductiva es la oposición al flujo de corriente alterna debido a la inductancia de una bobina. Su valor depende de dos factores principales:

1. La inductancia (L), medida en henrios (H), que indica la capacidad de una bobina para generar un campo magnético al paso de una corriente.
2. La frecuencia de la corriente alterna (f), medida en hertzios (Hz).

La relación entre estos factores se expresa con la fórmula:

$$X_L = 2\pi f L = \omega L$$

Donde $X_L$ es la reactancia inductiva en ohmios ($\Omega$), $f$ es la frecuencia, $L$ es la inductancia, y $\omega = 2\pi f$ es la frecuencia angular.

Comportamiento de la Reactancia Inductiva

1. Dependencia de la frecuencia: A medida que la frecuencia aumenta, la reactancia inductiva también aumenta. Esto significa que las bobinas son más efectivas bloqueando corrientes alternas de alta frecuencia.
2. Efecto obstructivo: La reactancia inductiva actúa como una barrera para la CA, pero no para la corriente continua (CC). Por eso, se dice que las bobinas "permiten el paso de la CC y bloquean la CA".

Energía en la Bobina de Inductancia

En un circuito puramente inductivo, la reactancia inductiva no consume energía. Durante cada ciclo de Corriente Alterna:

• Cuando la corriente aumenta, la energía eléctrica se almacena en el campo magnético de la bobina.
• Cuando la corriente disminuye, la energía almacenada regresa a la fuente de alimentación.

Este fenómeno se debe a la naturaleza de la fuerza electromotriz autoinducida, que se opone al cambio en la corriente.

Aplicaciones Prácticas de la Reactancia Inductiva

1. Filtros de frecuencia: Las bobinas de inductancia se utilizan para bloquear señales no deseadas en sistemas de telecomunicaciones. Por ejemplo, los estranguladores de baja frecuencia bloquean señales de alta frecuencia y permiten el paso de señales de baja frecuencia.

2. Transformadores: En estos dispositivos, las bobinas de inductancia desempeñan un papel crucial para transferir energía entre circuitos con diferentes niveles de tensión.

3. Circuitos de sintonización: En aplicaciones de radiofrecuencia, las bobinas ajustan las frecuencias deseadas en combinación con capacitores.

Ejemplo de Cálculo de Reactancia Inductiva

Supongamos que tenemos una bobina con una inductancia de $L = 159 \, \mu H$ (microhenrios) y una frecuencia de $f = 500 \, \text{kHz}$. Sustituyendo estos valores en la fórmula:

$$X_L = 2\pi f L = 2\pi (500 \times 10^3) (159 \times 10^{-6})$$ $$X_L = 500 \, \Omega$$

Esto significa que la bobina presenta una reactancia inductiva de 500 ohmios a esa frecuencia.

La reactancia inductiva es un concepto fundamental en el diseño y análisis de circuitos de Corriente Alterna. Permite desarrollar aplicaciones como filtros de frecuencia, reguladores de tensión y sistemas de telecomunicaciones, aprovechando las propiedades únicas de las bobinas de inductancia. Comprender cómo la inductancia y la frecuencia afectan la reactancia inductiva es esencial para diseñar circuitos eficientes y funcionales.

¿Tienes dudas sobre cómo aplicar estos principios en tus proyectos? ¡Comparte tus preguntas en los comentarios!

¿Cuáles son las configuraciones de un transistor FET?

Al diseñar circuitos que utilizan transistores de efecto de campo, existen varias configuraciones de circuitos y, de hecho, éstas reflejan aquellas utilizadas con transistores bipolares y los antiguos tubos de vacío/válvulas termoiónicas.

Las configuraciones de circuitos FET son los formatos de fuente común, compuerta común y drenaje común. Cada uno tiene sus propias características de ganancia de voltaje y corriente, así como impedancia de entrada y salida. La elección de la configuración o topología del circuito FET es uno de los parámetros de diseño clave en los que se basa el diseño general del circuito

Conceptos básicos de configuración de FET

La terminología utilizada para designar las tres configuraciones básicas de FET indica el electrodo de FET que es común a los circuitos de entrada y salida. Esto da lugar a los tres términos: compuerta común, drenaje común y fuente común.

Hay tres configuraciones diferentes, cada una con características diferentes. Las veremos por turno: fuente común, drenaje común, compuerta común:

Ø  Fuente común

Esta configuración de FET es probablemente la más utilizada. El circuito de fuente común proporciona niveles de impedancia de entrada y salida medios. Tanto la ganancia de corriente como la de voltaje pueden describirse como medias, pero la salida es la inversa de la entrada, es decir, un cambio de fase de 180°. Esto proporciona un buen rendimiento general y, como tal, a menudo se considera la configuración más utilizada. 

Circuito amplificador de fuente común típico

El circuito a continuación muestra un amplificador de fuente común típico con los capacitores de polarización, acoplamiento y derivación incluidos.

La señal de entrada ingresa a través de C1. Este capacitor garantiza que la compuerta no se vea afectada por ningún voltaje de CC proveniente de las etapas anteriores. La resistencia R1 mantiene la compuerta en el potencial de tierra, su valor podría ser típicamente de alrededor de 1 MΩ. La resistencia R2 desarrolla un voltaje a través de ella que mantiene la fuente por encima del potencial de tierra. C2 actúa como un capacitor de derivación para proporcionar ganancia adicional en CA. La resistencia R3 desarrolla el voltaje de salida a través de ella, y C3 acopla la CA a la siguiente etapa mientras bloquea la CC.

Ø  Drenaje común

Esta configuración de FET también se conoce como seguidor de fuente. La razón es que el voltaje de la fuente sigue al de la compuerta. Al ofrecer una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, se utiliza ampliamente como buffer. La ganancia de voltaje es la unidad, aunque la ganancia de corriente es alta. Las señales de entrada y salida están en fase.

Circuito de seguimiento/búfer de fuente

La implementación típica del circuito seguidor/buffer de fuente o drenaje común es muy fácil de realizar de manera práctica.

El circuito que se muestra a continuación ofrece un ejemplo típico de un circuito de seguimiento/búfer de fuente FET. Los condensadores C1 y C2 se utilizan para acoplar la señal de CA entre etapas y bloquear los elementos de CC. La resistencia R1 proporciona la polarización de la compuerta, manteniendo la compuerta en potencial de tierra. El circuito de fuente muestra la resistencia R2 a tierra: su valor está determinado por la corriente de canal que se requiere.

El circuito seguidor de fuente presenta una impedancia muy alta respecto a la etapa precedente y es por esta razón que el seguidor de fuente es un formato ideal para usar como buffer.

Ø  Puerta común

Esta configuración de transistor proporciona una impedancia de entrada baja al tiempo que ofrece una impedancia de salida alta.

Aunque el voltaje es alto, la ganancia de corriente es baja y la ganancia de potencia general también es baja en comparación con otras configuraciones de circuitos FET disponibles.

La otra característica destacada de esta configuración es que la entrada y la salida están en fase.

Aplicaciones de puerta común FET

El circuito de compuerta común del FET no se utiliza tanto como otras configuraciones de FET, ya que suele ofrecer muy pocas ventajas sobre otras configuraciones. Hay algunas áreas en las que resulta muy útil.

Amplificadores de RF :   La configuración de circuito de compuerta común o compuerta conectada a tierra se utiliza para amplificadores de RF VHF y UHF donde la baja impedancia de entrada permite una adaptación precisa a la impedancia del alimentador, que normalmente es de 50 Ω o 75 Ω. La configuración también mejora la estabilidad, que es un tema clave. La compuerta, al estar conectada a tierra, proporciona aislamiento entre la entrada y la salida, lo que reduce considerablemente la posibilidad de retroalimentación.

Amplificadores de micrófono:   La configuración del circuito de compuerta común se utiliza en amplificadores que requieren niveles bajos de impedancia de entrada. Una aplicación es para preamplificadores de micrófonos de bobina móvil: estos micrófonos tienen niveles de impedancia muy bajos.

Tabla resumen de configuración del circuito FET

Es importante comprender las características clave de cada configuración, ya que estas permiten seleccionar la configuración correcta para el diseño de circuito particular. La siguiente tabla ofrece un resumen de las principales propiedades de las diferentes configuraciones de circuitos FET.

Tabla de resumen de configuración de FET
Configuración de FET	Puerta común	Drenaje común (Seguidor de la fuente)	Fuente común
Ganancia de voltaje	Alto	Bajo	Medio
Ganancia de corriente	Bajo	Alto	Medio
Ganancia de potencia	Bajo	Medio	Alto
Resistencia de entrada	Bajo	Alto	Medio
Resistencia de salida	Alto	Bajo	Medio
Relación de fase de entrada/salida	0°	0°	180°

Como se puede observar, las diferentes configuraciones o topologías tienen características diferentes. La fuente común es la configuración de circuito FET más utilizada y equivale al amplificador de transistor de emisor común. El seguidor de fuente o drenaje común del FET se utiliza como amplificador buffer y equivale al amplificador de emisor común de transistor.

  

¿Cómo obtener una señal de corriente de 4-20mA de un ESP32?

Supongamos que tienes un sistema de control de velocidad de un motor hidráulico. La señal de control de 4-20 mA, generada por un controlador, se envía a la válvula proporcional. Si el controlador envía una señal de 4 mA, la válvula está casi cerrada, permitiendo solo un flujo mínimo de fluido y, por lo tanto, una velocidad baja del motor. Si la señal es de 20 mA, la válvula está completamente abierta, permitiendo el flujo máximo y una velocidad alta del motor. Las señales intermedias ajustan la posición de la válvula proporcionalmente, permitiendo un control preciso de la velocidad del motor. Existen muchos dispositivos que realizan esta función, pero su costo es alto. Aquí te voy a mostrar un circuito muy sencillo que permitirá controlar este tipo de válvulas con dispositivos de bajo costo.

El circuito de la figura constituye un bucle de corriente que permite controlar desde un  ESP32 la apertura de una válvula proporcional, en especifico desde el pin del convertidor digital a análogo (DAC), el cual se encuentra en el pin 9 (GPIO25) o el pin 10 (GPIO26), como se muestra en el diagrama de pines del ESP32. Como la salida máxima de este dispositivo son 3V, se puede controlar este voltaje desde los 0V que corresponderían a 4mA hasta los 3V que correspondería a 20 mA.

El transistor Q2 controla la corriente de origen en el terminal I-OUT. Este a su vez está controlado por el transistor Q1, que a su vez está controlada por la amplificador operacional . Este amplificador operacional ajusta la corriente a través de Q2 a lo que sea necesario para que el voltaje V0 aparezca a través de R3, la resistencia R1 retroalimenta los valores de salida, que se miden en el terminal I-IN, para mantener la corriente a un valor fijo cuando se conecte la carga, eso regula la actual a R3.

Las diversas resistencias alrededor de Q1 y Q2 son para proporcionar un rango de ajuste de voltaje razonablemente lineal e independiente de las ganancias de Q1 y Q1. C1 añade estabilidad.

Entre los terminales I-OUT e I-IN, estarían conectados los terminales del motor que controla la apertura de la válvula. En la siguiente figura se modela la carga con una resistencia, con una resistencia de 800 Ohmios, debido a que la norma internacional ISA-50 especifica 3 clases L, H y U con U siendo el más genérico y especifica que el bucle de corriente necesita ser capaz de obtener 20mA en hasta 800 ohmios con tensión de alimentación de hasta 32,7V. Otros estándares (NAMUR NE 43) tendrán valores ligeramente diferentes. En la simulación la circuitería análoga (transistores y opam) se alimenta con una fuente análoga de 24V, que es la más comúnmente usada para alimentar el motor de la válvula proporcional.

Este circuito también se puede utilizar con tarjetas Arduino, como se muestra en la siguiente figura, las cuales no tienen convertidor análogo a digital, pero utilizando las salidas PWM y un filtro pasabajos RC se puede obtener un voltaje análogo que depende del ciclo ON de la señal PWM. El valor de R y C del filtro depende de la frecuencia de la señal PWM generada, generalmente con una frecuencia de corte mínimo de 50 veces por debajo de la frecuencia configurada en el PWM. Si se usa un Arduino tener en cuenta que el voltaje del PWM debe tener un máximo de 3V, debido a que en el caso de estos dispositivos el voltaje pude ser máximo de 5V.

 

¿Qué es la resonancia de antena?

Las antenas de radio tienen un ancho de banda sobre el cual pueden funcionar eficazmente; Incluso antenas de banda ancha. Muchas antenas funcionan en modo resonante y esto les da un ancho de banda relativamente estrecho sobre el cual pueden proporcionar un rendimiento excelente.

Una antena es una forma de circuito sintonizado que consta de inductancia y capacitancia y, como resultado, tiene una frecuencia de resonancia. La frecuencia de resonancia se produce en el punto donde las reactancias capacitiva e inductiva se cancelan entre sí. En este punto la antena parece puramente resistiva, siendo la resistencia una combinación de la resistencia a las pérdidas y la resistencia a la radiación.

La capacitancia y la inductancia de una antena de RF están determinadas por sus propiedades físicas y el entorno donde se encuentra la antena. La característica principal del diseño de la antena son sus dimensiones. Se ha descubierto que cuanto más grande es la antena o, más estrictamente, los elementos de la antena, menor es la frecuencia de resonancia.

Por ejemplo, las antenas para televisión terrestre UHF tienen elementos relativamente pequeños, mientras que las de transmisión de sonido FM en VHF tienen elementos más grandes que indican una frecuencia más baja. Las antenas para aplicaciones de onda corta son aún más grandes.

 

Ancho de banda de impedancia

La característica de impedancia de la antena y el ancho de banda son particularmente importantes cuando se trata de transmisores de radio. Si la impedancia varía de manera que se obtiene una mala coincidencia de impedancia entre el alimentador y la antena misma, esto dará como resultado un alto nivel de potencia que se reflejará desde la antena hacia el transmisor.

La potencia se refleja y genera ondas estacionarias cuando las impedancias del alimentador y de la carga no coinciden. La potencia se refleja cuando las impedancias del alimentador y de la carga no coinciden. Si el nivel de potencia reflejada es alto, esto puede causar daños en la etapa de salida del transmisor si no hay protección. Puede destruir totalmente los dispositivos de salida si el nivel de VSWR es tan alto que el voltaje pico supera la capacidad de los dispositivos.

En vista de este riesgo significativo, la mayoría de los transmisores emplean circuitos de protección. Esto reduce la potencia de salida del transmisor en presencia de un alto nivel de VSWR, de modo que la potencia reflejada no sea tan alta como para causar daños. El resultado es que operar un transmisor con un alto nivel de potencia reflejada puede reducir la potencia del transmisor y, por lo tanto, su eficacia. También pueden surgir otros problemas.

Para fines de recepción, el rendimiento de la antena es menos crítico en algunos aspectos. Puede funcionar fuera de su ancho de banda normal sin temor a dañar el equipo. Incluso una longitud aleatoria de cable captará señales y es posible recibir varias estaciones distantes. Sin embargo, para obtener la mejor recepción, es necesario garantizar que el rendimiento del diseño de la antena de RF sea óptimo.

En términos del funcionamiento de la antena y su especificación para el ancho de banda de impedancia, una forma de especificar esto es trazar la relación de ondas estacionarias. El ancho de banda para el cual se obtiene una ROE o ROE variable aceptable se considera entonces como el ancho de banda operativo.

Normalmente, el ancho de banda operativo puede ser un ancho de banda entre el cual el VSWR máximo sea menor que 2:1, o cualquier otro límite elegido.  Para aumentar el ancho de banda de una antena se pueden tomar varias medidas. Una de ellas es el uso de conductores más gruesos. Otra es el tipo de antena que se utilice. Por ejemplo, un dipolo plegado tiene un ancho de banda mayor que uno no plegado. De hecho, si observamos una antena de televisión estándar, es posible ver que ambas características están incluidas.

También es posible utilizar diseños de antena de banda ancha, como antenas disconoidales o antenas logarítmicas periódicas. Ambos tipos de antenas son de banda ancha y funcionan en un ancho de banda amplio. Sin embargo, los tipos de antena de banda ancha pueden no satisfacer los requisitos del sistema de radio que se esté utilizando y, por lo tanto, puede ser necesario considerar el ancho de banda en términos de otros factores.

 

Patrón de radiación y ancho de banda de ganancia

Otra característica de una antena que cambia con la frecuencia es su diagrama de radiación. En el caso de una antena direccional o de haz, esto es especialmente notable.

A veces, los parámetros clave asociados con el rendimiento direccional de la antena pueden verse afectados por la frecuencia. En particular, la ganancia directa puede verse afectada negativamente en un ancho de banda determinado. Para antenas direccionales o de haz como la Yagi, el ancho de banda del patrón de radiación se define como el rango de frecuencia en el que la ganancia del lóbulo principal está a 1 dB de su máximo. Otro parámetro que se ve afectado es la relación de adelante hacia atrás. Se trata de la relación entre la señal en la dirección de avance y la señal en la dirección de retorno. Esto puede ser importante en algunas situaciones en las que la interferencia es un problema y es necesario minimizar la recepción de señales en la dirección de retorno.

La relación de frente a fondo caerá rápidamente fuera de un ancho de banda determinado, y lo mismo ocurrirá con la ganancia. En una antena como una Yagi, esto se debe a una reducción de las corrientes en los elementos parásitos a medida que la frecuencia de funcionamiento se aleja de la resonancia.

Para muchas antenas de haz, especialmente las de alta ganancia, se encontrará que el ancho de banda de impedancia es más amplio que el ancho de banda del patrón de radiación, aunque los dos parámetros están interrelacionados en muchos aspectos.

El ancho de banda de la antena es un aspecto clave para cualquier antena de radio. Si bien la mayoría de las antenas funcionan en modo resonante, muchas otras no lo hacen. Cualquiera que sea la antena de radio, tiene una banda limitada en la que puede funcionar de manera efectiva y dentro de los parámetros establecidos para ella.

Al comprender el ancho de banda de la antena, y también las razones de las especificaciones de ancho de banda para una antena en particular, ya sea VSWR, ganancia u otro factor, es posible elegir la antena para cumplir con sus requisitos operativos reales y obtener el mejor rendimiento para una situación determinada.

Resistencia de montaje en superficial

Las resistencias discretas más comunes en la actualidad son las resistencias de montaje superficial de película gruesa, también conocidas como resistencias de chip por sus ordenados paquetes rectangulares, que carecen de conductores. Anualmente se producen miles de millones de resistencias de chip y se encuentran en todo tipo de productos electrónicos de consumo producidos en masa. 

Se trata de resistencias de montaje en superficie, diseñadas para soldar directamente a la superficie de una placa de circuito, a diferencia de soldar cables que pasan a través de orificios en la placa de circuito. Están construidos de forma muy parecida a las resistencias de los conjuntos de película gruesa, hasta el corte por láser.

¿Qué es una matriz de resistencias de película gruesa?

Muchos circuitos requieren múltiples resistencias idénticas. Por ejemplo, un bus de datos digitales o los pines de E/S de un microcontrolador podrían necesitar resistencias de terminación conectada en serie con cada línea de datos. 

Una matriz de resistencias elimina la necesidad de múltiples resistencias discretas ahorrando espacio en una tarjeta de circuito impreso. 

En la foto se muestra un conjunto de películas gruesas, llamados así por la tecnología de fabricación, que utiliza un material conductor y resistivo, colocado sobre un sustrato cerámico.

Se trata de un único conjunto de resistencias en línea, El componente de la foto tiene cuatro resistencias independientes. Después de instalar y soldar las terminales metálicas, un láser quema parte del material resistivo para ajustar cada resistencia individual a su especificación correcta.  Finalmente, la matriz se sumerge en una capa de epoxi para protegerla.

Interfaz serial I2C

 Vamos a estudiar los conceptos básicos de la comunicación I2C.Otra de las formas de comuncación serial usadas en microcontroladores y microprocesadores para conectar diferentes periféricos Da clic para ampliar la información y aprender más.

Historia

C al cuadrado, a menudo llamado I2C, significa el protocolo Inter Integrated Circuit. I2C fue inventado en 1982 por Philips Semiconductor, ahora conocido como NXP, como un protocolo de comunicación de baja velocidad para conectar dispositivos controladores de microprocesador con dispositivos de destino periféricos de menor velocidad. Desde 2006, la implementación del protocolo I2C no requiere una licencia y muchas empresas de dispositivos de semiconductores, han introducido dispositivos compatibles con I2C.

 

Caracteristicas

I2C es un protocolo ampliamente utilizado por muchas razones. Requiere sólo dos líneas para las comunicaciones. Al igual que otros protocolos de comunicación en serie, existe una línea de datos en serie y una línea de reloj en serie (Figura 1).

Figura 1. 

 

I2C puede conectarse a múltiples dispositivos con solo dos líneas. El dispositivo controlador (maestro) puede comunicarse con cualquier dispositivo de destino (esclavo) a través de una dirección I2C enviada a través de la línea de datos en serie. I2C es simple y económico de implementar para los fabricantes de dispositivos.

I2C tiene varios modos de velocidad, comenzando con el modo estándar, que es un protocolo en serie que llega hasta los 100 kilobits por segundo. A esto le sigue el modo rápido, que alcanza un máximo de 400 kilobits por segundo. Ambos protocolos son ampliamente compatibles y pueden ser utilizados por el controlador si la capacitancia del bus y la capacidad del variador permiten una velocidad más rápida. El modo rápido plus permite una comunicación de hasta 1 megabit por segundo. Para lograr esta velocidad, los conductores pueden requerir fuerza adicional (energía) para cumplir con tiempos de subida y bajada más rápidos (Figura 2).

Figura 2.

Estos tres modos son relativamente similares y utilizan una estructura de comunicación que es la misma. Sin embargo, todos tienen diferentes especificaciones de tiempo para cada uno de los modos, y la implementación de hardware de I2C en los dispositivos es diferente para adaptarse a las diferentes velocidades. I2C también tiene otros dos modos para velocidades de datos más altas.

El modo de alta velocidad tiene una velocidad de datos de hasta 3,4 megabits por segundo. En este modo, el dispositivo controlador primero debe usar un código de controlador para permitir la transferencia de datos a alta velocidad. Esto habilita el modo de alta velocidad en el dispositivo de destino. Este modo también puede requerir una resistencia de  pull-up para impulsar las líneas de comunicación a una velocidad de datos más alta. Ultra-rápido es el modo de operación más rápido y transfiere datos hasta 5 megabits por segundo. Este modo es de solo escritura y omite algunas funciones I2C en el protocolo de comunicación.

Una de las razones por las que I2C es un protocolo común es porque solo se utilizan dos líneas para las comunicaciones. La primera línea es SCL, que es un reloj en serie controlado principalmente por el maestro. SCL se utiliza para sincronizar la entrada y salida de datos del dispositivo de destino. La segunda línea es SDA, que es la línea de datos en serie. SDA se utiliza para transmitir datos entre los dispositivos maestros y los dispositivos de destino (esclavos).

En comparación, la Interfaz Periférica Serial, o protocolo SPI, requiere cuatro líneas para la comunicación. Además del reloj en serie, la línea de selección del chip SPI selecciona el dispositivo para la comunicación, y hay dos líneas de datos, una que se usa para la entrada y otra para la salida del dispositivo de destino.

Para I2C, el dispositivo maestro controla el reloj serial SCL, mientras que SDA se usa para enviar datos en ambas direcciones. El SDA es bidireccional, lo que significa que los dispositivos controladores (maestros) y los dispositivos de destino (esclavos) pueden enviar datos en la línea. Por ejemplo, el dispositivo controlador puede enviar datos de configuración al dispositivo de destino y el dispositivo de destino puede enviar datos medidos por un conversor análogo a digital, de regreso al dispositivo controlador. La comunicación es semidúplex donde solo un maestro o un dispositivo esclavo envía datos en el bus a la vez.

Figura 3.

Un dispositivo controlador I2C inicia y detiene la comunicación, lo que elimina el problema potencial de la contención del bus. Además, la comunicación con el dispositivo de destino se envía a través de una dirección única en el bus. Esto permite tanto múltiples maestros como múltiples dispositivos esclavos en el bus I2C (Figura 3). Las líneas SDA y SCL tienen una conexión de drenaje abierto a todos los dispositivos en el bus. Esto requiere una resistencia pull-up conectada a un suministro de voltaje común (VDD).

Las conexiones de drenaje abierto se usan en líneas SDA y SCL y se conectan a un transistor NMOS. En la figura 4, se muestra un dispositivo I2C conectado a una línea SDA o SCL con una resistencia pull-up a VDD. Esta conexión de drenaje abierto controla la línea de comunicación I2C y la baja o la libera cuando está alta. Para configurar el nivel de voltaje de la línea SDA o SCL, el NMOS se activa o desactiva. Cuando el NMOS está encendido, el dispositivo extrae corriente a través de la resistencia a tierra. La velocidad de la transición está determinada por la velocidad de conmutación del transistor NMOS y la capacitancia del bus en SDA o SCL.

Figura 4.

 Cuando el transistor NMOS está apagado (Figura 5), el dispositivo deja de extraer corriente y la resistencia pull-up atrae la línea SDA o SCL a VDD. Esto hace que la línea este un nivel lógico alto. A través del control de esta conexión de drenaje abierto, tanto SDA como SCL se pueden configurar alto o bajo, lo que permite la comunicación I2C.

Figura 5.

Debido a la capacitancia en la línea de comunicación I2C, la línea SDA o SCL se descarga con una constante de tiempo RC exponencial según el tamaño de la resistencia pull-up y la capacitancia en el bus I2C. Por lo general, las resistencias pull-up se configuran entre 1 kiloohmio y 10 kiloohmios. La velocidad del bus puede ayudar a determinar el tamaño de la resistencia. Con valores resistivos más altos, el bus I2C puede volver los cambios entre niveles lógicos más lentos y limitar la velocidad del bus.

La capacitancia en las líneas de buses también tiene un impacto en la comunicación. Una capacitancia más alta limita la velocidad de la comunicación I2C, la cantidad de dispositivos y la distancia física entre los dispositivos en el bus. Una resistencia pull-up más pequeña tiene un tiempo de subida más rápido pero requiere más potencia para la comunicación. Una resistencia pull-up más grande tiene un tiempo de subida más lento, lo que lleva a una comunicación más lenta, pero requiere menos energía.

Uno de los beneficios de I2C usando un colector abierto es que la contención del bus no lo pondrá en un estado destructivo. Con una salida de drenaje abierto, se pueden conectar muchos dispositivos juntos. Para cualquier salida en esa conexión, si cualquiera de las salidas baja la línea, la línea estará baja. Este tipo de conexión se denomina OR cableado. La salida es el OR lógico de todas las salidas cuando se unen.

Si las salidas fueran del tipo push-pull, no podrían unirse sin la posibilidad de un estado destructivo. Una salida push-pull tiene transistores NMOS y PMOS complementarios que elevan o bajan la salida. Unidos, si una salida es alta y la otra salida es baja, esta contención del bus tendría un estado indeterminado, posiblemente estableciéndose en el punto medio de suministro.

Además, un dispositivo tiene corriente conductora NMOS y otro dispositivo tiene corriente conductora PMOS. Esto generaría corriente de VDD a tierra a través de una ruta de muy baja impedancia, conduciendo tanta corriente como permitieran los transistores. Esto podría ser una cantidad significativa de corriente que podría dañar los dispositivos.

La comunicación I2C se inicia desde el dispositivo controlador con una condición de inicio I2C (Figura 6). Si el bus está abierto, un controlador I2C puede reclamar el bus para comunicación enviando una condición de inicio I2C. Para hacer esto, el dispositivo controlador primero baja el SDA (nivel lógico cero) y luego baja el SCL. Esta secuencia indica que el dispositivo controlador reclama el bus I2C para la comunicación, lo que obliga a otros dispositivos controladores en el bus a detener cualquier intento de comunicación.

Figura 6.

Cuando el dispositivo controlador ha completado su comunicación, libera el SCL alto y luego libera el SDA alto. Esto indica una condición de parada I2C. Esto libera el bus para permitir que otros controladores se comuniquen o para permitir que el mismo controlador se comunique con otro dispositivo.

I2C utiliza una secuencia de 1 y 0 para su comunicación en serie. SDA se usa para los bits de datos, mientras que SCL es el reloj en serie que cronometra la secuencia de bits. Se envía un 1 lógico cuando el SDA libera la línea, lo que permite que la resistencia pull-up lleve la línea a un nivel alto. Se envía un 0 lógico cuando SDA tira hacia abajo la línea (nivel lógico bajo), estableciendo un nivel bajo cerca de GND. Los 1 y 0 se reciben cuando se SCL oscila.

Para considerar un bit válido (Figura 7), el valor de SDA no debe cambiar entre un flanco ascendente y un flanco descendente de SCL para ese bit. Si SDA cambia entre los flancos ascendente y descendente del SCL, esto puede interpretarse como una condición de inicio o parada en el bus I2C.

 Figura 7.

 El protocolo I2C se divide en marcos. La comunicación comienza desde el dispositivo controlador con un marco de dirección. El marco de dirección es seguido por uno o más marcos de datos que consisten en 1 byte. Cada cuadro también tiene un bit de reconocimiento para garantizar que el dispositivo objetivo o el dispositivo controlador hayan recibido comunicación (Figura 8).

Figura 8.

Al comienzo de la trama de dirección, el dispositivo controlador envía la petición para iniciar una comunicación. Primero, el dispositivo controlador baja SDA y luego baja SCL para comenzar. Esto permite que el dispositivo controlador reclame el bus sin disputa de los otros dispositivos controladores en el bus. Cada dispositivo de destino I2C tiene una dirección I2C asociada. Cuando el dispositivo controlador quiere comunicarse con un dispositivo en particular, usa su dirección de dispositivo para enviar o recibir datos en los siguientes marcos I2C.

La dirección I2C consta de 7 bits y todos los dispositivos en el bus I2C deben tener una dirección única (Figura 9). Una dirección de 7 bits normalmente implicaría 2 elevado a la siete, o 128 direcciones únicas. Sin embargo, hay varias direcciones I2C reservadas, lo que limita la cantidad de dispositivos posibles. La dirección se envía con SDA como datos y SCL como reloj serial. Con esta información, debería poder leer la comunicación I2C del dispositivo y comprender lo que se envía y recibe desde el dispositivo controlador y el dispositivo de destino.

Figura 9.

 

Dentro del marco de dirección se encuentra el bit de lectura-escritura (Figura 10). Si este bit es un 1, entonces el controlador quiere leer datos del dispositivo esclavo. Si este bit es un 0, entonces el controlador solicita escribir datos en el dispositivo de destino (esclavo).

Figura 10.

Después de cualquier byte de comunicación entre el dispositivo controlador y el dispositivo de destino, se usa un bit más para verificar que la comunicación fue exitosa. Al final de la comunicación del byte de dirección, el dispositivo de destino baja el SDA durante el pulso SCL para indicar que entendió que el controlador lo estaba contactando Figura 11. Esto se conoce como ACKT, o acuse de recibo para el objetivo. Si este bit es alto, entonces ningún dispositivo de destino entendió que estaba siendo contactado y la comunicación no tuvo éxito. Si el bit es alto, esto se conoce como NACK y no hubo bit reconocido.

 

Figura 11

El marco de dirección va seguido de uno o más marcos de datos (Figura 12). Estos marcos se envían un byte a la vez. Después de que se transfiere el byte de datos, hay otro ACKT, o reconocimiento del objetivo (Figura 13). Si el byte de datos es una escritura en el dispositivo, entonces el dispositivo de destino baja el SDA para reconocer la transferencia. Si el byte de datos es una lectura del dispositivo, el controlador baja el SDA para un ACKC, o reconocimiento del controlador, para acusar recibo de los datos.

Figura 12

 

Figura 13

 

Una vez completada la comunicación, el controlador emite una condición de parada I2C. Primero se lanza SCL y luego se lanza SDA. Este es el controlador que indica que la comunicación se completó y se liberó el bus I2C. Esta es la configuración básica para cualquier comunicación I2C entre el dispositivo controlador y el dispositivo de destino. La comunicación puede estar compuesta por más de 1 byte de datos, y puede requerir una escritura y una lectura del dispositivo para leer cualquier registro de dispositivo dado.

 

Interfaz Periférica en Serie - SPI

En este articulo describimos las comunicaciones digitales y los conceptos básicos de la interfaz periférica en serie , o comunicación SPI (Serial Peripheral Interface) La cual es muy usada en los sistemas embebidos para controlar multiples dispositivos con muy pocos pines.