Ladrón de Julios: encendiendo un led con una pila gastada

Una pila de 1,5 V, de las que se utilizan en dispositivos electrónicos pequeños, de tipo AA o AAA, no permite normalmente encender un led ya que casi todos necesitan tensiones superior a 2 V. Sin embargo, si utilizamos de intermediario entre pila y led un circuito conocido como Ladrón de Julios, podremos encender no uno sino muchos ledes, incluso aunque la pila esté gastada.

El experimento

Material necesario

  • 1 toroide de ferrita (valen muchos tipos)
  • 1 resistencia 1 kΩ (vale de 0,5 kΩ a 2 kΩ)
  • Unos cuantos ledes de distintos colores.
  • 1 transistor PN2222A (hay muchas alternativas posibles)
  • Cables para las conexiones y para el bobinado sobre el toroide de ferrita.
  • 1 pila AA o AAA de 1,5 V gastada y otra sin gastar para el control.
  • 1 placa de pruebas (u otra forma alternativa de hacer las conexiones)
Material para montar un Ladrón de Julios
Material para montar un Ladrón de Julios

¿Cómo se hace?

Forma de conectar los elementos del ladón de julios
Forma de conectar los elementos del ladrón de julios

A tener en cuenta

toroide con 2 bobinados
toroide con 2 bobinados
  • En el toroide hay dos bobinas superpuestas. Para crear las bobinas se usa hilo de cobre esmaltado, como el que se ve en la fotografía del material, o hilo forrado. Para un toroide como el de la foto hacen falta dos trozos de 50 cm. Una vez bobinados, si se usa hilo de cobre esmaltado, hay que lijar los extremos para eliminar el esmalte
toroide
toroide
  • Las dimensiones aproximadas del toroide utilizado son: diámetro exterior 13 mm, diámetro interior 7 mm y altura 5 mm.
  • Un portapilas o unos cables con imanes en los extremos facilitan la conexión de la pila.
  • Si se usa un transistor pnp hay que invertir la polaridad de pila y led.
  • Los ledes están conectados en serie.

¿Qué sucede?

Esquema de ladrón de julios
Esquema de ladrón de julios

Si un dispositivo alimentado por pilas deja de funcionar debido a que las pilas están gastadas no significa que estas no tengan todavía energía disponible, lo que suele significar es que la tensión que suministran las pilas ha bajado de un cierto límite que el dispositivo necesita.
El ladrón de julios es un circuito oscilante que funciona como amplificador de tensión. Transforma una tensión continua pequeña en una serie de pulsos de alta frecuencia a una tensión mayor. Consigue así aprovechar mucha energía de una pila aparentemente sin ella.
En la figura  se representa el esquema de un ladrón de julios.
En una parte del ciclo la energía de la pila se almacena en la bobina B2. En esta parte del ciclo el led está apagado. En la otra parte del ciclo la energía almacenada en la bobina B2 se disipa a través del led encendiéndolo. El transistor actúa como conmutador dando lugar a la oscilación del circuito. [En el dibujo del circuito y en el video la resistencia está entre la bobina B1 y la base mientras que en el esquema está entre B1 y la pila. Ambos circuitos son equivalentes]

Entrando un poco más en detalle:

    1. Inicialmente el transistor está en corte (al no haber corriente de base, se comporta como un interruptor abierto), no circula corriente entre colector y emisor.
    2. La pila hace que comience a pasar una pequeña corriente a través de la resistencia que, después de atravesar la bobina B1, llega a la base activando el transistor y permitiendo el paso de corriente entre colector y emisor.
    3. A medida que la corriente aumenta en la bobina B2, se induce corriente en la bobina B1 que refuerza la corriente de base abriendo más el paso a la corriente colector-emisor.
    4. El paso 3 se repite hasta que el transistor está en saturación y la corriente que atraviesa la bobina 2 y el canal colector-emisor ha llegado al máximo. En este momento hay una gran energía almacenada en el campo magnético de la bobina B2.
    5. Como la corriente no varía en la bobina B2, desaparece el efecto de inducción sobre la bobina 1 y comienza a descender la corriente que llega a la base.
    6. Al disminuir la corriente de base, el canal colector-emisor comienza a cerrarse produciendo una disminución de corriente en la bobina B2.
    7. La caída de corriente en la bobina B2 provoca que en la bobina B1 la corriente disminuya también.
    8. La repetición de los pasos 6 y 7 pone al transistor en corte.
    9. Con el transistor en corte, la energía magnética que queda almacenada en la bobina B2 provoca un pulso de corriente a través del led.
    10. Una vez que la energía de la bobina se ha disipado, todo comienza de nuevo.

Los puntos que aparecen en el símbolo de las bobinas en el esquema del circuito, indican puntos con misma polaridad instantánea.

En un ladrón de julios típico la frecuencia de funcionamiento es del orden de 50 kHz mientras que la tensión de salida puede estar en torno a los 30 V.

Un poco de historia

ladron de julios original
ladrón de julios original

En el número de noviembre de 1999 la revista Everyday Practical Electronics publicó un articulo firmado por Z. Kaparnik con el título One Volt LED-A Bright Light. Presentaba tres circuitos que permitían encender un led con una fuente de tensión mucho menor que la necesaria para encenderlo directamente. El circuito más simple de los tres presentados es el que aparece en la figura.

En palabras de Kaparnik:

In the Micro-torch circuit Fig.1a, transistor TR1, transformer T1 and resistor R1 form a current-controlled switching oscillator. Each time TR1 turns off, the collapsing magnetic field in T1 generates a 30V (off-load) positive pulse at TR1’s collector (c). This, in series with the supply, is fed directly to the LED.
Switching occurs at a very high frequency and with a low duty cycle, which results in an average LED current of about 18mA, sufficient to illuminate most LEDs.

Más información

Créditos

El primer juego de ordenador de la historia

El Ajedrecista de Leonardo Torres Quevedo, presentado en 1912, está considerado como el primer juego de ordenador de la historia. En esta entrada se puede jugar contra un programa que implementa el mismo algoritmo usado en El Ajedrecista.

El autor
Leonardo Torres Quevedo por Eulogia Merle MUNCYT
Leonardo Torres Quevedo por Eulogia Merle MUNCYT

Leonardo Torres Quevedo (1852-1936) fue un ingeniero e inventor español nacido en Santa Cruz de Iguña (Cantabria).
Dedicó la mayor parte de su vida a diseñar y elaborar una amplia variedad de inventos geniales. Por citar alguno de los que han tenido más repercusión mediática:
El telekino: un mando a distancia que utilizaba ondas electromagnéticas. El 7 de noviembre de 1905, en el puerto de Bilbao, con la asistencia del rey Alfonso XIII y una gran multitud, demostró su funcionamiento gobernando un bote desde la orilla.
Transbordadores: El Spanish Aerocar es un transbordador que cruza las cataratas del Niagara. Inaugurado en 1916, sigue en funcionamiento en la actualidad.
Ordenadores Analógicos. En estos dispositivos, un proceso matemático se transforma en un proceso físico representando los números mediante magnitudes físicas como tensiones o intensidades eléctricas, rotaciones en un eje, etc. Torres Quevedo construyó varias máquinas de este tipo, por ejemplo una que resolvía ecuaciones de segundo grado con coeficientes complejos.

En su artículo Ensayos de automática. Su definición . Extensión teórica de sus aplicaciones publicado en 1914 en la Revista de la Real Academia de Ciencias, presenta muchas de sus ideas sobre la realización de los autómatas. Se incluye el diseño completo de una máquina capaz de calcular a(y-z)^2 para un conjunto de valores de las variables presentes, lo que implica dispositivos electromecánicos para almacenar dígitos decimales, realizar operaciones aritméticas utilizando tablas o comparar el valor de dos cantidades. Incluso aparece por primera vez la idea de una aritmética usando coma flotante. (Ver el artículo de Randell, Brian de 1992 basado en una conferencia dada en el MIT)

El primer juego de ordenador
El Ajedrecista (2º modelo)
El Ajedrecista (2º modelo)

En 1912 Torres Quevedo presentó un autómata que jugaba al ajedrez: El Ajedrecista. Considerado el primer juego de ordenador de la historia, ganaba de forma inexorable un final de rey y torre contra rey. El autómata movía la torre y el rey blancos y el humano el rey negro.
En esta primera versión el tablero estaba dispuesto en posición vertical y el autómata detectaba los movimientos del rey blanco por unos contactos que las piezas tenían en su base. Las piezas blancas se movían usando brazos articulados. En 1920 y con la colaboración de su hijo Gonzalo diseño una versión mejorada. El tablero estaba ahora en posición horizontal, y las piezas se movían mediante electro-imanes ocultos bajo el mismo. Si detectaba que el jugador hacía trampas se encendía una luz roja y a la tercera dejaba de jugar. En un gramófono, que se ve en la fotografía en la parte superior izquierda, se oía “Jaque al rey” en cada jaque de la torre y “Mate” al final de la partida.

La posición inicial de las piezas blancas era rey en a8 y torre en h7. El jugador humano podía situar el rey negro en cualquier fila inferior a la séptima, con la única condición de que no se pusiese en jaque. Continuar leyendo “El primer juego de ordenador de la historia”

Nitinol: un material con memoria de forma

El Nitinol es una aleación de níquel y titanio que tiene memoria de forma. Si lo deformamos plásticamente y posteriormente lo calentamos recuperará su forma original. Mediante calentamiento bajo tensión es posible darle una nueva forma.

Un material con memoria de forma puede recuperar su forma después de deformarlo de una manera aparentemente irreversible. En los años treinta del pasado siglo se descubrieron las primeras aleaciones con este comportamiento y veinte años más tarde, en los cincuenta, se encontró una explicación a lo que sucedía

Sus aplicaciones son muy diversas y en ámbitos muy dispares, por ej.: antenas para satélites que se transportan plegadas y llegado el momento se despliegan adoptando la forma predefinida, válvulas, en circuitos de seguridad, que se cierran o abren en función de la temperatura, piezas deformadas de objetos sometidos a tensión, que recuperan su forma mediante el paso de una corriente eléctrica.

El Nitinol

Uno de los materiales más populares que presenta memoria de forma es una aleación de Ni y Ti conocida como Nitinol. Su nombre es un acrónimo que incluye además de los dos metales constituyentes, el laboratorio de armamento de la armada estadounidense donde se descubrió :
Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory.
Su descubridor fué William J. Buehler un ingeniero metalúrgico que trabajaba en el Naval Ordnace Laboratory  preparando aleaciones para el cono delantero de los misiles Polaris.

Los materiales que buscaba debían soportar las drásticas condiciones que se producen en la reentrada de los misiles en la atmósfera terrestre. En 1959 centró su búsqueda en una aleación de níquel y titanio en proporciones equimolares a la que donomino Nitinol. Descubrió accidentalmente, al caérsele una muestra, que dependiendo de la temperatura de la muestra, el sonido que producía al chocar con el suelo del laboratorio era diferente. Esto sugería un cambio en la estructura de la aleación en función de la temperatura. En los primeros meses de 1960 Buehler probaba la resistencia a la fatiga de la aleación. Usando tiras de Nitinol las doblaba en una especie de acordeón y lo estiraba y doblaba a temperatura ambiente sin que se rompiera. En 1961 Buehler no pudiendo asistir a una de las reuniones, en las que se analizaba la marcha de los proyectos en desarrollo, envío a uno de sus asistentes Raymond C.Wiley a la misma. En la reunión Wiley mostró la pieza en forma de acordeón, que fue pasando de mano en mano entre los asistentes, mientras comprobaban sus propiedades mecánicas. Uno de los presentes David S. Muzzey, fumador de pipa, aplicó calor a la pieza usando su mechero. Ante la mirada de los asombrados asistentes, la muestra de Nitinol se estiró adoptando un forma lineal y exhibiendo de esta manera su sorprendente memoria de forma.

En el vídeo que sigue, un alambre de Nitinol deformado tras ser enrollarlo en una pieza cilíndrica, recupera su forma lineal al calentarlo.

¿Por qué tiene memoria de forma?

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El ácido sulfúrico deshidrata

Lo que vemos

Al añadir ácido sulfúrico a un tubo de ensayo que contiene sacarosa (azúcar de mesa), se observa como el azúcar se deshidrata convirtiéndose en una masa esponjosa de carbón que sale del tubo adoptando la forma de  una serpiente negra.

La química

De una forma simplificada se puede considerar que lo que sucede es lo siguiente:

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Reacción espectacular

Lo que vemos

Si vertemos glicerina sobre permanganato potásico, al cabo de unos segundos se produce una espectacular reacción entre ambos.

La química

El permanganato potásico (KMnO4) oxida a la glicerina, 1,2,3-propanotriol (CH2OH-CHOH-CH2OH) a dióxido de carbono y agua que se transforma en vapor haciendo uso de parte del calor liberado. El permanganato se reduce Mn4+.

La reacción es exotérmica, libera calor. Al principio es lenta pero a medida que la temperatura aumenta, también lo hace la velocidad de reacción.
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