La electrónica no era el único producto que Radio Shack vendía en sus tiendas. Muchas de las líneas de productos de Radio Shack estaban dirigidas a aficionados y fomentaban la experimentación, la imaginación y la exploración técnica. En la década de 1970, Radio Shack también ofreció la Feria de Ciencias® marca de kits de experimentación diseñados para enseñar a niños y adultos sobre electrónica, física, magnetismo, informática, aeroespacial y ciencias afines.
Feria de Ciencias de Radio Shack XXLos Proyectos electrónicos en 1 incluyeron un manual de laboratorio detallado para crear múltiples diseños de circuitos electrónicos, como una radio de cristal, una luz estroboscópica, un pájaro audible, un detector de mentiras, generadores de efectos de sonido y un zumbador. La intención de la Feria de Ciencias XX-in-1 electronic project kit fue para educar a adultos y niños sobre las maravillas de la tecnología electrónica. El aprendizaje ocurrió mientras se construían y probaban los circuitos electrónicos detallados en el manual de laboratorio.
Descripción del proyecto
En este artículo de proyecto, se presentará un circuito de las páginas del kit de proyecto de electrónica 150 en 1 de Science Fair que se muestra en la Figura 1 con una ligera variación. El circuito clásico será discutido e ilustrado utilizando una placa de prueba sin soldadura y componentes electrónicos contemporáneos. Además, se introducirá el análisis de circuitos y el diseño de placas de prueba sin soldadura utilizando los entornos de modelado de circuitos en línea Multisim Live y Autodesk TinkerCAD. Finalmente, incorporaré un microcontrolador M5Stack Core para actualizar la operación del interruptor manual con botón pulsador.
Figura 1. Kit de proyecto electrónico 150 en 1 para feria de ciencias. Imagen utilizada cortesía de Informit.
En la página 40 del Manual de laboratorio del kit 150 en 1 del Science Fair Electronics Project, como se muestra en la Figura 2, hay un circuito clásico que ilustra la aplicación básica de un transistor, la de un interruptor electrónico. El diseño tradicional de un manual de laboratorio de diseño electrónico de Feria de Ciencias típico proporcionaba una breve descripción técnica y el funcionamiento del circuito.
Figura 2. Control de transistor de conmutación de la página del proyecto del manual de laboratorio de pantalla LED. Imagen utilizada cortesía de Electronique.
La descripción técnica y funcionamiento del circuito incluía un diagrama y secuencia de cableado. La descripción técnica utilizada con el circuito electrónico fue para educar al aficionado en la terminología y los símbolos del campo de la electrónica. Se proporciona un diagrama de circuito detallado que muestra la conexión de los componentes electrónicos en el lado derecho de la descripción técnica. Se proporciona una secuencia de cableado debajo de la ilustración que muestra una versión de texto del diagrama.
Selección de componentes modernos.
Se puede construir una versión compacta y moderna del circuito utilizando componentes electrónicos estándar. Los transistores 2SB y 2SC que se muestran en el diagrama esquemático del circuito electrónico se pueden reemplazar por transistores PNP y NPN complementarios. El componente 2SB se puede reemplazar con un transistor PNP 2N3906. Reemplazando el transistor 2SC hay un transistor NPN 2N3904 (el complemento de 2N3906). El 2SB original era un componente de germanio PNP a diferencia del nuevo transistor de silicio 2N3906. Sorprendentemente, el transistor NPN 2SC711 era un componente de silicio.
La pantalla LED de 7 segmentos es un dispositivo optoelectrónico de cátodo común (CC). Este componente debe reemplazarse con un componente optoelectrónico Avago HDSP-5503 CC o equivalente. Finalmente, se operó el circuito electrónico presionando la tecla que venía con el kit. Un interruptor de botón táctil regular reemplazará la llave utilizada en el diseño original.
Diseña el Nuevo Circuito con TinkerCAD
La realización del proyecto electrónico se realiza fácilmente utilizando las piezas sustituidas y algunas resistencias discretas. Una pequeña placa de prueba sin soldadura puede acomodar la colocación de componentes y el cableado utilizando el diagrama esquemático del circuito electrónico original.
Como se muestra en la Figura 3, la plataforma en línea AutoDesk TinkerCAD Circuits permite la colocación de componentes electrónicos virtuales en una placa de prueba sin soldadura. La plataforma de modelado en línea también le permite probar el circuito completo en la placa sin soldar. Además, esta función de prueba virtual garantiza que el circuito funcione correctamente antes de construir el dispositivo físico.
Figura 3. Diagrama de cableado creado con TinkerCAD Circuits. Imagen utilizada cortesía del autor.
La placa de prueba sin soldadura se puede llenar fácilmente con componentes y cablear eléctricamente, como se muestra en la Figura 4.
Figura 4. Un prototipo del circuito. Imagen utilizada cortesía del autor.
Diseño de circuitos y creación de PCB utilizando KiCad
Como se muestra en la Figura 5, también podemos usar KiCad para diseñar el diagrama esquemático del circuito electrónico.
Figura 5. Diagrama esquemático del circuito electrónico KiCad. Imagen utilizada cortesía del autor.
La ventaja de KiCad es que el diagrama esquemático del circuito electrónico se puede traducir a un diseño de producto de placa de circuito impreso (PCB), como se muestra en la Figura 5. El diseño de PCB se puede ayudar con el uso de la placa de prueba sin soldadura como guía para la colocación de piezas. Si lo desea, puede crear un producto estéticamente atractivo diseñando una caja con CAD y luego fabricándola con una impresora 3D.
Figura 6. Una imagen de PCB en 3D de la conmutación controlada por transistor de un diseño de pantalla LED. Imagen utilizada cortesía del autor.
Explicación de cómo funciona el circuito usando Multisim
El proyecto Conmutación controlada por transistores de una pantalla LED se centra en ilustrar el concepto de conmutación electrónica. En 1977, cuando el kit se vendía en las tiendas Radio Shack, los productos digitales como computadoras, calculadoras, juegos electrónicos y juguetes, los transistores estaban en su apogeo. El circuito electrónico ilustró este aspecto fundamental del transistor iluminando una pantalla LED de 7 segmentos.
Como se muestra en la Figura 7, el circuito está alimentado por una batería de 9V adjunta. Cuando se presiona el interruptor de botón táctil S1, la base del transistor NPN Q1 se polariza a través de R4, una resistencia de 22K Ω. Esto hace que Q1 pase de su estado APAGADO a su estado ENCENDIDO. Cuando el transistor se enciende, esto permite que la corriente fluya desde el colector al emisor de Q1 y se proporciona una conexión a tierra para los circuitos de los segmentos LED B y C. Esta corriente a través de Q1 encenderá LED1 y LED2 (correspondientes a los segmentos LED B y C). Las resistencias limitadoras de corriente R1 y R2 (1K Ω) ayudan a garantizar que los LED estén correctamente polarizados.
Figura 7. Diagrama de circuito multisim del circuito de conmutación de LED controlado por transistor. Imagen utilizada cortesía del autor.
Transistor PNP Q2 El transistor NPN está polarizado a través de la resistencia R3 (22K Ω) de modo que siempre está en estado ON. El número «1» se mostrará en la pantalla LED de 7 segmentos.
Analizar el funcionamiento del circuito usando Multisim
Podemos usar un modelo Multisim para ilustrar cómo funciona el circuito. Multisim proporciona sondas de voltaje y corriente donde puede medir fácilmente las corrientes de polarización y los voltajes de los puntos de prueba (Figura 8). El uso de estas sondas de prueba permite al diseñador analizar y solucionar problemas en los diseños de circuitos. Hay varios modos de análisis de circuitos que el diseñador puede seleccionar. En este proyecto se ha seleccionado un modo interactivo. El modo interactivo le permite observar funciones y comportamientos eléctricos a través de características animadas como LED discretos iluminados, interruptores y relés eléctricos operativos y activación audible de zumbadores piezoeléctricos. La figura 8 proporciona datos de simulación de sonda para varios voltajes y corrientes clave.
Figura 8. Simulación de circuito multisim del circuito de conmutación LED controlado por transistor. Imagen utilizada cortesía del autor.
Ecuaciones de análisis de circuitos y cálculos manuales.
También podemos analizar manualmente el funcionamiento del circuito utilizando ecuaciones de circuito básicas, valores de hojas de datos y parámetros eléctricos de Multisim para transistores. Algunas de las soluciones de cálculo manual tienen un error del 5%.
Notas:
- PR es la abreviatura de sonda
- Se utilizó 4.7K Ω (R4) en el modelo Multisim y el análisis de circuitos en lugar de 47K Ω
- Los 0.75V por VSER es el voltaje de la unión base-emisor del transistor utilizado en Multisim para el análisis hipotético
- vExtensión JC es el parámetro potencial de la unión base-colector de Multisim
- IPR1 se obtuvo del análisis de simulación de Multisim
$$\begin{eqnarray}
I_{R4} & = & \frac{V_1 – V_{BE}}{R_4} \\ \\
& = & \frac{9.0 – 0.85 \text{ V}}{4.7K \text{ } \Omega} \\ \\
& = & 1.734 \text{mA}
\end{eqnarray}$$
$$\begin{eqnarray}
V_{PR5} & = & V_1 – V_{BE} \\ \\
& = & 9.0 – 0.75 \text{ V} \\ \\
& = & 8.25 \text{V}
\end{eqnarray}$$
$$\begin{eqnarray}
V_{PR1} & = & V_{PR5} + V_{JC} \\ \\
& = & 8.25 + 0.65 \text{ V} \\ \\
& = & 8.9 \text{V}
\end{eqnarray}$$
$$I_{R1} = I_{R2} = 8.116 \text{mA}$$
$$I_{PR2} \sobre 2 \cdot I_{R1} = 2 \cdot 8.116 = 16.232 \text{ mA} $$
Esta última ecuación ignora la corriente de base del transistor PNP Q2, lo que explica por qué el valor de Multisim es ligeramente superior.
Automatice el cambio de LED usando un microcontrolador
Este circuito se puede automatizar fácilmente usando un M5Stack Core. El M5Stack Core es una unidad basada en un microcontrolador ESP32 que ofrece oportunidades únicas para el desarrollo de robótica, Bluetooth y Wi-Fi. Con M5Stack Core, puede crear un interruptor de control para operar la conmutación controlada por transistor en un circuito de pantalla LED con una unidad de control estéticamente agradable, como se muestra en la Figura 9. El interruptor de control M5Stack proporciona una conmutación donde un botón puede encender el 7 -Pantalla LED de segmento. Un segundo botón en el M5Stack Core apagará la pantalla LED de 7 segmentos.
Figura 9. Controlador M5Stack Core para el circuito clásico de Radio Shack. Imagen utilizada cortesía del autor.
Como se muestra en este proyecto, un kit de proyecto de electrónica 150 en 1 de Science Fair se ha remezclado en nuevos formatos de circuitos electrónicos. Este proyecto pretende ilustrar que los circuitos clásicos del kit de proyecto electrónico de Science Fair pueden modificarse para crear dispositivos únicos del siglo XXI. Puede ver el videoclip del M5Stack Core y la conmutación controlada por transistor de un circuito de pantalla LED en acción.