Electrónica Análoga: Diseño De Cruce Por Cero Y temporizador Con Retardo Al Trabajo. Trabajo. 2011
Informe No 4
Oscar Mauricio Taborda Hoyos Karol Antonio Alarcón Sánchez
[email protected] [email protected] Universidad Nacional ( Sede Medellín) Antioquia Grupo 4
Resumen
La idea idea princi principal pal en esta esta prácti práctica ca será será aprend aprender er a comparar datos teóricos y prácticos donde por medio de un análisis se obtendrán funciones básicas para simu simula larr los los dato datoss obte obteni nido doss y comp compar arán ándo dolo loss posteriormente con los datos medidos expe experi rime ment ntal alme ment ntee en los los sigu siguie ient ntes es dise diseño ños: s: Detector de cruce por cero, temporizador On Delay y Off Delay. Palabras Claves
Detector Detector de cruce cruce por cero, frecuenc frecuencia ia industrial, industrial, temporizador On Delay y temporizador Off Delay. 1. Introducción
Diseña Diseñarr y montar montar varios varios circui circuitos tos,, establ estableci eciend endo o criterios para la escogencia del voltaje máximo de entra entrada, da, con entra entrada da de onda onda cuadra cuadrada da y tambié también n seno, uno con cruce por cero y otro diferente de cero. Diseñar un circuito, un temporizador con retardo al trabajo y retardo al reposo, que para un tiempo dado encienda un bombillo de 120 V
Fig1. Detector Cruce por cero
Nuestro diseño tiene los siguientes parámetros: parámetros: Fuentes de entrada tipo seno y frecuencia f=60Hz
2. Criter Criterios ios de diseñ diseño o (parám (parámetr etros) os) y cálcul cálculos os teóricos:
IV5I=IV6I= IV5I=IV6I= 10V 2.1. Diseño detector cruce por cero:
El voltaj voltajee de polari polariza zació ción n Vpol=+1 Vpol=+10V, 0V, se escoge escoge además R1 y R2 diferentes para que la suma de los voltajes de entrada no sea 0V, R1=30 kΩ, R2=10 kΩ Ahora Ahora se realiz realizaa un anális análisis is en el domini dominio o de la frecuencia para hallar V02:
Si RCs<<<1, entonces tenemos que
Que pasando al dominio del tiempo se tiene
Graficas obtenidas en el laboratorio:
Pero como RC<<<1, como
Entonces
Nuestro T=1 / f =16.67ms, luego tomando un C=10nF y R=R3=10 kΩ,
Cruce por cero con osciloscopio ubicado en entrada del integrado y salida capacitor.
Además, V01=10V y V02 = 0V
Simulación Detector Cruce por Cero: 20V
10V
0V
Cruce por cero con osciloscopio en salida del integrado y capacitor.
-10V
2.2. Para el temporizador con retardo al trabajo:
-20V 0s
5ms 10ms V(V 01) V(V 02) V(V i)
15ms
20ms
25ms
30ms
35ms
40ms
45ms
50ms
Time
En este circuito el amplificador operacional funciona como un comparador sin realimentación, con un capacitor inicialmente descargado, se tiene que las resistencias que van al pin inversor son iguales, las cuales generan un divisor resistivo.
2
=
V pinv
R6 R4
*V
+R
Ahora para el temporizador con retardo al reposo se tiene, Vc es el voltaje asociado al pin inversor, como inicialmente el capacitor se encuentra descargado, el voltaje del pin no inversor es mayor que el voltaje del pin inversor.
+
6
En nuestro caso V+ = 10V, R 6 = R 4 =10kΩ: así que V pin = 5v, que es el voltaje al cual el capacitor debe superar para que en la salida se obtenga V+. Para el temporizador con retardo al reposo:
R 4
Igualmente se realizan los cálculos para el temporizador con retardo al reposo.
10k
R 5 V 3
4
10k
12Vdc
3
U 2A +
+
O U T
Y el tiempo, se halla mediante la expresión.
2 2
U 3
V c
= V 1 − e
− t
RC
T O P EN = 0
2200u
1
10k
Como R 1 y R 2 Poseen igual valor, entonces: V c
=
+ V
Sat
2
Remplazando en la ecuación de carga y descarga del capacitor. Se tiene:
+ V
Sat
2
R 4
− = +V 1 − e Sat
t RC
10k
V3
4
10k
3
U 2A +
+
2
U 3
-
V
V
O U T 2
1
R 6
Tomando un valor comercial de C = 100 uF, con R = 10k, se tiene que le tiempo del temporizador es t = 4 s.
V
LM324
2200u
R 6
Para ambas configuraciones:
Para el temporizador con retardo al trabajo, Vc es el voltaje asociado al pin no inversor, como inicialmente el capacitor se encuentra descargado, el voltaje del pin inversor es mayor que el voltaje del pin no inversor.
C 2
V
1
Ante dicha relación se tiene que el voltaje de salida del circuito es +Vsat, así en la salida se tendrá +Vsat o sea 10V; el capacitor se va cargando y en el momento, en que el voltaje del capacitor supere al voltaje del pin no inversor, se tiene que el voltaje de salida será 0V.
Para ambos casos (temporizador con retardo al trabajo, y temporizador con retardo al reposo), se necesita que el voltaje en el capacitor (Vc), supere el voltaje del pin contrario al cual se conecta el capacitor, y para ello que se tome cierto tiempo.
T O P EN = 0
-
0
Vc, es el voltaje de la carga del capacitor, V es el voltaje con el cual se esta cargando el capacitor (+V), tomando R de 10KΩ, y C de 100µf.
12Vdc
-
1
respuesta de cada temporizador, se parte de la ecuación de carga y descarga del capacitor, además en ambos temporizadores el capacitor C se encuentra inicialmente descargado.
R 5
1
LM324 C 2
Para calcular el tiempo de
V
V
1 1
10k
1
0
El amplificador funciona como un comparador, se tiene que el voltaje de salida del circuito es – Vsat, así en la salida se tendrá 0V; el capacitor se va cargando y en el momento, en que el voltaje del capacitor supere al voltaje del pin inversor, se tiene que la salida del circuito será +Vsat.
R 8 33
A la salida se debe conectar un relé conectado al bombillo, este se alimentaran con la fuente AC de la mesa de 110 V
R 8 33 0
Simulacion del temporizador.
Tabla de resultados
Temporizador con off-delay: Temporizador
12V
Tiempo Tiempo promedio on promedio delay delay
off
8V
Simulación en Pspice 4V
Teórico RC)
(τ
4s
4s
4s
4s
4.5 s
5s
=
Practica de 0V 10s
11s
12s
13s
14s
15s
16s
17s
18s
19s
Laboratorio (promedio)
20s
V(R8:2) Time
Cruce por cero
Grafica obtenida en el laboratorio:
Amplitud del voltaje de salida (V) (onda cuadrada)
amplitud del voltaje del condensador (V)
10
18
Simulación en Pspice Practica de
+15
Laboratorio
9
-17
Teórico
10
18
Análisis de Resultados
En la práctica de cruce por cero, observamos que hubo una pequeña variación en el voltaje positivo y negativo del condensador. Esto se debe a que los pines inversor y no inversor no son simétricos electrónicamente, es decir, su fabricación no es exactamente igual. En la tabla de resultados puede verse que los tiempos promedios de retardo al trabajo y al reposo obtenidos experimentalmente son cercanos a los que arroja pspice y al RC obtenido teóricamente del circuito.
4
Causas de Error
En la práctica del temporizador, la velocidad de reacción de quien manipula el cronómetro para la medición de tiempos de retardo al trabajo y al reposo. Las resistencias y los capacitores tienen una tolerancia respecto al valor que se lee en ellos. Errores de apreciación al leer valores en el osciloscopio. Los pines inversor y no inversor de un amplificador operacional real no son simétricos electrónicamente. Conclusiones y Recomendaciones
En la práctica de cruce por cero, observamos que en efecto, cuando hay una diferencia de potencial entre el pin inversor y no inversor el amplificador se satura. Esto hace que el sistema se comporte como un comparador. El temporizador on delay y off delay se comporta como tal debido al tiempo de carga del capacitor. El tiempo de retardo al trabajo o al reposo depende de los valores RC en la rama donde está el capacitor, es más, dicho tiempo en ambas configuraciones es directamente proporcional a RC. El temporizador on delay es tal debido a que el capacitor en DC se comporta como un circuito abierto, pero en el transitorio (antes de cargarse completamente) este se toma unos segundos para cargarse, haciendo que el voltaje del pin no inversor con respecto al del inversor sea cada vez más cercano (iniciando con más voltaje el inversor, el amplificador en –Vsat y el LED en estado OFF). Cuando el potencial del pin no inversor supera al del inversor, el amplificador se satura, haciendo que el LED quede en estado ON. Así el trabajo se retardó unos segundos. El temporizador off delay es tal debido a que el capacitor en DC se comporta como un circuito abierto, pero en el transitorio (antes de cargarse completamente) este se toma unos segundos para cargarse, haciendo que el voltaje del pin inversor con respecto al del no inversor sea cada vez más cercano (iniciando con más voltaje el no inversor, el amplificador en +Vsat y el LED en estdo ON). Cuando el potencial del pin inversor supera al del no inversor, el amplificador se satura en -Vsat, haciendo que el LED quede en estado OFF. Así el reposo se retardó unos segundos. Para que se pueda realizar mediciones de tiempo en segundos en cualquiera de los temporizadores trabajados, se recomienda el uso de capacitancias grandes, mayores a 10 µF y resistencias grandes, de
manera que el producto RC de en segundos. Esto porque mientras más capacitancia, más tiempo se tomará el capacitor para cargarse completamente, y a su vez una resistencia grande limitará el paso de cargas al condensador, haciendo que los tiempos sean más grandes, y por ende, medibles por una persona.
