¿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.

 

RESISTENCIAS PULL-UP Y PULL-DOWN

Al observar cualquier circuito electrónico digital, encontrará principalmente resistencias en dos tipos de configuraciones: pull-up y pull-down en ellos. Este tipo de configuración se utilizan para polarizar correctamente las entradas de las puertas digitales y evitar que floten aleatoriamente cuando no hay ninguna condición de entrada. Para cualquier microcontrolador en un sistema integrado como Arduino, las resistencias pull-up y pull-down se utilizan tanto en las señales de entrada y de salida para la comunicación con otros dispositivos de hardware externos, principalmente en las Entradas y Salidas de Propósito General (GPIO). La implementación de resistencias pull-up y pull-down en el circuito le permitirá alcanzar estados "altos" o "bajos". Si no lo implementa y no hay nada conectado a sus pines GPIO, su programa leerá un estado de impedancia "flotante".  

Figura 1. Configuraciones de resistencias Pull-Up y Pull-Down
 

RESISTENCIAS PULL-UP

Se utiliza una resistencia pull-up para establecer un control adicional sobre los componentes críticos y al mismo tiempo garantizar que el voltaje esté bien definido incluso cuando el interruptor está abierto. Se utiliza para garantizar que la entrada de voltaje se tire a un nivel lógico alto en ausencia de una señal de entrada.  No es un tipo especial de resistencia. Son resistencias simples de valor fijo conectadas entre el suministro de voltaje y el pin apropiado que define el voltaje de entrada o salida en ausencia de una señal de conducción. Cuando el interruptor está abierto, el voltaje de la entrada de la puerta aumenta al nivel del voltaje de entrada. Cuando el interruptor está cerrado, el voltaje de entrada en la puerta va directamente a un nivel bajo (generalmente GND). Debe usar una resistencia pull-up cuando tiene un estado de impedancia predeterminado bajo y desea llevar la señal a "alto".

En la figura 1, se usa una resistencia pull-up con un valor fijo para conectar el suministro de voltaje y un pin particular en el circuito lógico digital. La resistencia pull-up está emparejada con un interruptor para garantizar que el voltaje entre Tierra y VCC se controle activamente cuando el interruptor está abierto. Al mismo tiempo, no afectará al estado del circuito. Si no utilizamos una resistencia pull-up, se producirá un cortocircuito. Esto se debe a que el pin no puede cortocircuitarse directamente a tierra o VCC, ya que esto eventualmente dañará el circuito. Siguiendo el principio de la ley de Ohm, si hay una resistencia pull-up, una pequeña cantidad de corriente fluirá desde la fuente a las resistencias y al interruptor antes de llegar al pin o a la tierra del circuito.

RESISTENCIAS Pull down

Por otro lado, una resistencia pull down se utiliza para garantizar que las entradas a los sistemas lógicos se establezcan en los niveles lógicos esperados siempre que los dispositivos externos estén desconectados o sean de alta impedancia. Garantiza que el pin del circuito integrado esté en un nivel lógico bajo definido incluso cuando no hay conexiones activas con otros dispositivos. La resistencia de pull down mantiene la señal lógica cerca de cero voltios (0V) cuando no hay ningún otro dispositivo activo conectado. Baja el voltaje de entrada a tierra para evitar un estado indefinido en la entrada. El valor de esta resistencia debería ser mayor que la impedancia del circuito lógico. De lo contrario, el voltaje de entrada en el pin tendrá un valor bajo lógico constante sin importar la posición del interruptor. Cuando el interruptor está cerrado, el voltaje de entrada en la puerta pasa a un voltaje alto (generalmente el valor de fuente de alimentación). 

 

VALORES DE RESISTENCIA IDEALES PARA RESISTENCIAS PULL-UP Y PULL-DOWN

El valor de la resistencia controla cuánta corriente desea que fluya desde VCC a través del botón y luego a tierra. Una corriente alta fluirá a través de la resistencia pull-up si el valor de resistencia es demasiado bajo. 

Para las resistencias pull-up , se debe usar una resistencia que sea al menos 10 veces más pequeña que el valor de la impedancia del pin de entrada del circuito lógico (información del datasheet del circuito integrado). Para dispositivos lógicos que funcionan a 5 V, el valor típico de la resistencia pull-up debe estar entre 1 y 5 kΩ. Por otro lado, para aplicaciones de interruptores y sensores resistivos, el valor típico de la resistencia pull-up debe estar entre 1 y 10 kΩ.

Para las resistencias Pull down , siempre debe tener una resistencia mayor que la impedancia del circuito lógico. De lo contrario, reducirá demasiado el voltaje y el voltaje de entrada en el pin permanecerá en un valor bajo lógico constante, independientemente de si el interruptor está encendido o apagado. 

 

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.