Sonda simple para test de circuitos

Este artículo fué publicado previamente, en inglés, en el blog R6500.

El objetivo

Algunas veces necesitas verificar un circuito y testear algunos de sus nodos. Por lo general, un tester en modo de voltaje es una buena solución, pero tiene un par de problemas. En primer lugar, mide aproximadamente cero cuando el nodo está conectador a cero voltios (masa típicamente) y cuando el nodo está flotando (no funciona en absoluto). En segundo lugar, proporciona la información en la pantalla del tester, por lo que hay que separar la vista desde el circuito hacia el tester para verificar el voltaje.

El circuito propuesto es similar a una sonda lógica. No debe indicar nada cuando nada fuerza la tensión en el nodo y debe dar una indicación diferente cuando el nodo se halla a nivel de alto o bajo voltaje.

Muchas sondas lógicas no son autoalimentadas. Confían en la tensión del propio circuito para funcionar. En mi caso, me gustaría que la sonda sea utilizable también como test de continuidad. Si establecemos tierra en un punto del circuito y testeamos en otro punto, la continuidad se puede detectar entre ambos puntos porque se generará un nivel bajo incluso si el circuito no está alimentado.

El circuito

La siguiente imagen muestra el esquema del circuito.

El circuito está alimentado con una batería CR2032 de 3V. Cuando la sonda no está conectada a nada, el voltaje de la sonda, tal y como como se establece con R1 y R2 será de 1.5V. Como ambos amplificadores operacionales (MCP6002) tienen una corriente de polarización muy baja (1pA), no cae tensión en R3 y también se ven 1.5V en la entrada no inversora de U2 y en la entrada inversora de U1.

Las resistencias R4, R5 y R6 definen un divisor de tensión que establece 1V en la entrada inversora de U2 y 2V en la entrada no inversora de U1. Con 1.5V en la sonda, ambos operacionales se saturan a un nivel alto (3V) por lo que ambos LED están apagados.

Si conectamos la punta de la sonda a un voltaje inferior a 1V (El umbral de disparo de U2), U2 se saturará a un nivel bajo y el LED azul se encenderá. De manera similar, si el voltaje de la punta de la sonda se halla por encima de 2V (El umbral de disparo de U1), U1 se saturará en el nivel bajo y el LED blanco se encenderá. Sé que el blanco es un color extraño para el alto nivel. Será mejor comprar un color rojo. No tenía LED rojos similares al azul que tenía a mano.

Los amplificadores operacionales no son los mejores componentes para este proyecto dado que se usan como comparadores. Un doble comparador podría ser mejor en este caso. La elección del opamp dual MCP6002 fue solo porque los tenía disponibles. Adicionalmente, este proyecto no requiere de la mayor velocidad que suelen tener los comparadores respecto de los operacionales.

Funcionamiento del circuito

En definitiva, el circuito pone un voltaje de 1.5V en la punta de la sonda, a partir de las dos resistencias de 100k. Por tanto se comporta como una fuente de 1.5V con una resistencia en serie de 50k. Si el voltaje de la sonda se mantiene entre 1 V y 2 V, no se enciende ningún LED. Si el voltaje de la sonda está por debajo de 1V, el LED azul se enciende. Y si el voltaje de la sonda es superior a 2V, el LED blanco se encenderá.

Cuando se testeta un nodo en el circuito, se puede detectar su voltaje usando un voltímetro de alta impedancia. Ello dará el voltaje de circuito abierto (Voc). Este voltaje puede ser forzado con diferentes niveles. El nivel con que se fuerza una tensión está relacionada con la resistencia equivalente en el nodo. Para un circuito no reactivo lineal, será la resistencia equivalente de Thevenin. Al final, el circuito equivalente será algo así:

Tenemos la fuente de 1.5V y la resistencia de 50k proporcionadas por la sonda y el valor de Voc y Rth asociados con el nodo testeado. Como sabemos, los LED se encenderán cuando el voltaje de la sonda Vp sea superior a 2V o inferior a 1V. El siguiente gráfico muestra el estado del LED en función de Voc y Rth.

Para bajas resistencias equivalentes de Thevenin (por debajo de 1k), solo el voltaje Voc determina si cada LED está encendido o no. Para resistencias de nodo más altas, el voltaje umbral de Voc se desplaza debido a la interacción de la resistencia con el circuito.
Podemos ver que a 100k de resistencia a Thevenin necesitamos 0V para encender el led azul. Para resistencias más altas necesitaremos un voltaje negativo para encender el LED. Lo mismo para el led blanco: a 100k o más de resistencia de Thevenin necesita más de 3 V para encender el LED. Por lo tanto, el circuito no solo detecta el voltaje del nodo sino también si la resistencia asociada es alta o baja.

A partir de la curva podemos ver que, cuando se usa como test de continuidad, puede detectar continuidad (o falta de aislamiento) para resistencias de hasta 100k. Para bajar el umbral de detección de resistencia, las resistencias R1 y R2 podrían cambiarse por valores más bajos.

Efectos de la sonda en el circuito bajo test

La medición de cualquier magnitud siempre modifica el dispositivo bajo prueba (DUT). Algunas veces este error es insignificante. Por ejemplo, el uso de un voltímetro de buena calidad para medir el voltaje entre dos nodos generalmente introduce una resistencia de 10 megaohmios entre los nodos medidos.

La medición de la resistencia asociada al nodo siempre afecta al circuito bajo test. En nuestro caso, estamos aplicando un voltaje de 1.5V con una resistencia asociada de 50k. Si el nodo tiene una resistencia a Thevenin similar o superior a 50k, estamos modificando activamente el voltaje del nodo y potencialmente induciendo una modificación en el comportamiento del circuito.

Dame algo de protección

Como se explicó anteriormente, la resistencia R3 no debería tener ninguna corriente en funcionamiento normal. A las entradas de cirucitos integrados, como las del dispositivo MCP6002, no les gusta tener tensiones por encima de Vcc (3 V en nuestro caso) o por debajo de GND. Intentar salir de estos límites activará las protecciones internas en el dispositivo. La resistencia R3 garantiza que no se provocará una alta corriente de entrada.
El circuito se ha utilizado para testear un nodo de 20 V de baja impedancia y funciona correctamente, detectando un nivel superior a 2 V, sin dañar la sonda. Este no sería el caso si R3 no estuviera presente.

Límites frecuenciales

Si el voltaje de la punta cambia con el tiempo alternando entre voltajes de más de 2 V y por debajo de 1 V, ambos LED se iluminarán durante un tiempo. A bajas frecuencias, el parpadeo es aparente. A frecuencias más altas, debido a la frecuencia de fusión Flicker del ojo, ambos LED parecen estar encendidos al mismo tiempo. El circuito, sin embargo, debido a algunos límites técnicos, como el uso de amplificadores operacionales en lugar de comparadores, tiene una frecuencia máxima de operación de aproximadamente 50 kHz. Una señal cuadrada por encima de esta frecuencia no enciende ningún LED.

Montando el circuito

El circuito se ha montado en una placa de topos

De izquierda a derecha tenemos la punta de la sonda, las tres resistencias R1, R2 y R3, ambos LED y sus resistencias R7 y R8, el doble opamp MCP6002 y las tres resistencias R4, R5 y R6.
Al final de la placa tenemos la conexión a tierra y el conector de alimentación de tres pines.
Los LED están cerca de la punta para que no tengamos que mover los ojos del circuito para verificar si están encendidos.

La parte posterior de la placa de la sonda se muestra en la siguiente figura. Todo el cableado se ha realizado con cable delgado, aislado y de un sólo núcleo.

El conector de alimentación de tres pines utiliza el pin central para Vdd (+3 V) y los otros dos pines para tierra. La pila CR2032 está conectada a un conector hembra de tres pines para proporcionar alimentación al circuito.
Como el conector es simétrico, se puede conectar con la batería hacia la parte superior o la parte inferior de la placa. Como la alimentación es es separable de la sonda, no necesitamos un interruptor de encendido.

La conexión a tierra se obtienen con una pinza de cocodrilo conectada a un cable corto.

La sonda final con la alimentación y el terminal de tierra se muestra en la siguiente figura.

Con objeto de verificar la continuidad o detectar voltajes diferenciales, se ha construido una segunda sonda de tierra con una pieza delgada de cobre y un tubo termorretráctil. Como se puede ver, tocar ambas puntas de prueba hace que el sistema se comporte como un probador de continuidad.