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Proyecto de Circuitos Electrónicos II - Termoregulador . PROYECTO DE CIRCUITOS ELECTRONICOS II TERMOREGULADOR Samuel Arturo Guardia López - 16190161 e-mail: [email protected] IV. RESUMEN: El presente informe es sobre un proyecto del curso de circuitos electrónicos II. El proyecto es una idea basada e...

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Proyecto de Circuitos Electrónicos II - Termoregulador

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PROYECTO DE CIRCUITOS ELECTRONICOS II TERMOREGULADOR Samuel Arturo Guardia López - 16190161 e-mail: [email protected]

IV.

RESUMEN: El presente informe es sobre un proyecto del curso de circuitos electrónicos II. El proyecto es una idea basada en la domótica; es un termorregulador, cuya finalidad es regular la temperatura del ambiente según la cantidad de grados que se encuentre; a través de comparadores de voltaje.

MARCO TEÓRICO

El amplificador operacional ideal [1] El componente electrónico conocido como amplificador operacional es realmente un circuito complejo formado por muchos transistores y otros componentes en un solo circuito integrado. El esquema funcional de un amplificador operacional puede verse en la Figura 1.

PALABRAS CLAVE: Amplificador OPAMP, LM35,

LM324, Relé. I.

OBJETIVOS

Generar un sistema electrónico con capacidad de sensar una temperatura del medio, y de acuerdo a ella manipular bajo unos rangos de referencia previamente establecidos un control indirecto de refrigeración. En particular las temperaturas están entre 0 y 30°. Estos rangos pueden variar hasta unos valores estimados por unos divisores de voltaje hechos por resistencias fijas. II.

Figura : Esquema funcional del amplificador operacional

El amplificador operacional tiene dos entradas. En la primera etapa se amplifica levemente la diferencia de las mismas. Esto se suele expresar también diciendo que se amplifica el modo diferencial de las señales, mientras que el modo común se rechaza. Posteriormente se pasa a segunda etapa de ganancia intermedia, en la que se amplifica nuevamente el modo diferencial filtrado por la primera. La ganancia total es muy elevada, típicamente del orden de 105. Finalmente, en la última etapa no se amplifica la tensión, sino que se posibilita el suministrar fuertes intensidades.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

 Si se presenta una temperatura que se encuentra entre 0 ° y 20 °, no se dará deberá accionar nada, pues esta temperatura es baja y no hay necesidad de refrigeración.  Si se presenta una temperatura entre 20 ° y 30 ° se accionará un ventilador a una potencia relativamente media.  Si el sensor detecta una temperatura entre 30 ° y 50 ° se activará el mismo ventilador pero a su mayor potencia.         

III. MATERIALES Sensor de temperatura (LM 35) Amplificador operacional (LM 324 – LM339) Resistencias Transistores Diodos Relés Capacitores LED´s Fuentes de alimentación (5v, -5v)

Para que este dispositivo pueda funcionar es obvio que necesitará una fuente de alimentación que polarice sus transistores internos. Habitualmente se emplean dos fuentes de alimentación, una positiva y otra negativa. De este modo se permite que la salida sea de uno u otro signo. Evidentemente, la tensión de salida nunca podrá superar los límites que marquen las alimentaciones. No olvidemos que el operacional está formado por componentes no generadores.

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Una vez realizada esta presentación, hay que aclarar que en la mayoría de los casos, es posible conocer el comportamiento de un circuito en el que se inserta un operacional sin tener en cuenta su estructura interna. Para ello vamos a definir, como siempre, un componente ideal que nos permita una primera aproximación. Y también como es habitual, los cálculos rigurosos necesitarán de modelos más complejos, para los que sí es necesario estudiarlo más profundamente.



corriente que circula por los terminales inversor y no inversor puede despreciarse. La ganancia puede considerarse infinita.

Con estas dos aproximaciones puede abordarse ya el análisis de algunos circuitos sencillos. La realimentación El concepto de realimentación implica que la entrada del amplificador operacional no es independiente de la salida. Parte de la señal de salida se aplica a la entrada, con lo que se puede controlar la ganancia. Para comprender mejor este concepto veamos un sencillo ejemplo: El seguidor de tensión.

El símbolo del amplificador operacional es el que se muestra en la Figura 2, junto con el equivalente circuito ideal.

Figura : Representación del amplificador operacional ideal

El operacional tiene cinco terminales:     

Entrada no inversora (V+) Entrada inversora (V-) Alimentación positiva (ECC) Alimentación negativa (-ECC) Salida (VOUT) Figura: Seguidor de tensión

A la hora de resolver circuitos se suelen omitir las alimentaciones, ya que como se verá, no afectan al funcionamiento. La representación circuital está formada por una resistencia de entrada, que une los dos terminales, y un generador de tensión de salida. La tensión de salida es proporcional a la diferencia de las entradas. Las características más amplificador operacional son:  

relevantes

El análisis del circuito permite plantear las siguientes ecuaciones:

+¿=V OUT −¿=V ¿ , V¿ V¿ Además podemos añadir las características del operacional:

del

+¿=0 −¿=I ¿ , I¿

Resistencia de entrada muy elevada: A menudo es mayor que 1 M. Ganancia muy elevada: Mayor que 105.

Las consecuencias que se derivan de estas características son: 

Sustituyendo:

La corriente de entrada es nula: Al ser la resistencia de entrada tan elevada, la 2

−¿ +¿−V ¿ V¿ V OUT = A 0 ¿

ecuaciones

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V OUT =V ¿

(

A0 A 0−1

e−¿ −V ¿ = R1 R1 −¿=− R1 I 1 ⟹ I 1=−¿ e¿

)

Modelos del amplificador operacional ideal [2]

  

( ) ( )

V OUT =−I 1 ( R1 + R2) = 1+

Para atacar un problema con operacionales, lo primero que hay que identificar es el modo en que está trabajando:

I OUT =

Lazo abierto Realimentación degenerativa Realimentación regenerativa

Circuitos de aplicaciones básicos

V OUT RL

=

R 1 1+ 2 V ¿ R1 RL

I 0=I OUT −I 1=

He aquí tres de los circuitos básicos más populares. En los dos primeros el operacional funciona con realimentación negativa. En el tercero se aprovecha la elevada ganancia en lazo abierto.

R2 R V ¿ ⟹ A v =1+ 2 R1 R1

( )

R 1 V 1+ 2 V ¿+ ¿ RL R1 R1

Como características más llamativas cabe destacar: 

Ganancia del circuito independiente de la del operacional.  Ganancia fijada por el cociente de dos resistencias.  Resistencia de entrada infinita. La entrada y la salida son del mismo signo (no inversor).

 Amplificador no inversor



Comparador ventana

Figura: Amplificador no inversor

Ecuaciones del operacional (realimentación negativa):

+¿=0 −¿=I ¿ , I¿

−¿ +¿=e ¿ e¿

Figura: Circuito comparador ventana y su forma de salida

El circuito comparador ventana permite determinar si una tensión de entrada está comprendida dentro de un rango de tensiones. El circuito puede ser construido fácilmente mediante dos comparadores y dos tensiones de referencia que definen el límite superior (VTH) e inferior (VTL).

Ecuaciones del circuito:

+¿=V ¿ e¿

Sensor de temperatura LM35 [3]

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Figura: Primer comparador Ventana

El LM35 es un circuito electrónico sensor que puede medir temperatura. Su salida es analógica, es decir, te proporciona un voltaje proporcional a la temperatura. El sensor tiene un rango desde −55°C a 150°C Para convertir el voltaje a la temperatura, el LM35 proporciona 10mV por cada grado centígrado.

V.

En los comparadores ventana se tiene dos voltajes de referencias que son configurados por la caída de tensión en las resistencias; en el caso del primer comparador, tenemos un voltaje de referencia entre +5V y +3V; que vienen a representar 50 ° y 30 ° respectivamente. Vendrían a ser las temperaturas más altas que el circuito pueda detectar.

CIRCUITO POR PARTES

Opamp- amplificador en inverso [4]

Figura: Segundo comparador ventana

En el segundo comparador ventana se tiene el voltaje de referencia entre +3V y +2V; cuyas representaciones son 30 ° y 20 ° respectivamente. Cuyas temperaturas vienen a ser las medias del circuito.

En esta parte del circuito se registra la temperatura, el primer LM324 se encarga de amplificar este voltaje registrado 10 veces su valor; y el segundo LM324 se encarga de invertir esa señal a positiva; ya que recordemos que es un amplificador inversor.

Opamp - configuración ventana

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Figura: Tercer Comparador Ventana

En el 3er comparador ventana se tienen los últimos voltajes de referencias que vendrían a ser +2V y 0V que representan una temperatura entre 0° y 20 °; que vendrían a ser la temperatura más baja

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Sistema astable multivibrador transistorizado [5] Al momento de implementar el timer 555, el tipo de configuración sería en astable y tendríamos que tener en cuenta configurarlo con el mismo duty cicle y frecuencia del circuito anterior. Tenemos las ecuaciones:

f=

1.4 ( R 1+2 R2)∗C1

Duty Cicle= Figura: Circuito astable

R1 + R2 R1 +2 R2

La finalidad de este circuito es generar ondas cuadradas que harían relentizar el motor, en este caso, el ventilador. Su aplicación sería para nuestro segundo comparador de tensión; que sería entre los 20° y 30°; para poder hacer girar el ventilador a una temperatura media.

El valor del capacitor lo pondremos en 10uF, para así encontrar los valores de R1 y R2

Conversión del circuito astable a un timer 555

Y de la ecuación del Duty cicle tenemos:

R1 +2 R 2=

1.4 1.4 =2.5 k = f ∗C1 55∗10−2

2.5 k−R2 =0.55 ⟶ R 2=2.5 k ( 1−0.55 ) 2.5 k R2=1.125 k y R 1=1.375 k

Figura: Vista en Osciloscopio en la salida del colector del circuito

Recopilando datos del osciloscopio tenemos:

T m=18.15−8.10=10.05 mS

Figura: Timer 555 implementado en el circuito

T s=8.10 ms

1 1 f= = =55 Hz T 10.05 mS+8.1 mS Duty Cicle=

Tm =55 % T m +T s

Por lo tanto, si deseamos implementar un timer 555, se tendría que tener en cuenta los datos anteriores para poder saber configurar el timer en astable y elegir los valores de las resistencias y del condensador utilizados en su configuración.

Figura: Vista en osciloscopio del timer 555

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Opamp – Seguidor de línea [6]

Figura: Transistor como conmutador en el motor

VI.

ANALSISI TEÓRICO

Comenzamos definiendo los parámetros fijos de entrada del circuito

Figura: OP AMP seguidor de línea

+Vcc = 5V -Vcc = -5V

El seguidor de línea se ha usado en el circuito por sus características de alta impedancia de entrada, así podríamos separar el circuito y proteger la circuitería que le sigue; con baja corriente y el mismo voltaje tenemos un circuito que trabaja bien. Transistor como conmutador [7]

Luego continuamos a hallar los valores de los nodos fijos principales del circuito

N1

Figura: Transistor como conmutador de la salida del seguidor de línea

N2

Como su nombre lo indica, el transistor únicamente se usa como conmutador en este caso, si es que los voltajes de referencia se encuentran en estado de encendido, este se satura y el circuito por delante empieza a funcionar.

El Nodo N1 y N2 actuaran como nivel de referencia para acciones o desactivar los niveles de disipación. Para hallar dichos voltajes realizaremos un divisor de tensión.

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2k ∗5V 2k +1 k + 2 k 2k V N 1= ∗5 5k V N 1=2V 1 k +2 k V N 2= ∗5V 2 k + 1 k +2 k 3k V N 1= ∗5 5k V N 2=3 V

El voltaje en A1 seria:

V N 1=

V A 1=10∗10 mV V A 1=100 mV El voltaje en A2 es el resultado de un OPAMP como Amplificador Inversor

mV∗22 k 2.2 k V A 2=− 1000mV =−1V V A 2=−100

Estos puntos luego serán tomados como su equivalente en temperatura en análisis posteriores. Una vez hallados los nodos fijos principales podemos continuar con el análisis. La respuesta del proyecto es la siguiente: NIVEL 1: Temperatura ≤ 20: Enciende LED verde

A 3

NIVEL 2: Temperatura ≥ 20 y Temperatura ≤ 30: Enciende LED amarillo y Ventilador a la mitad de potencia NIVEL 3: Temperatura ≥ 30: Enciende LED rojo y Ventilador a máxima potencia

El voltaje en A3 es el resultado de un OPAMP como Amplificador Inversor

Entonces solo necesitaremos escoger como mínimo 3 muestras que se encuentren dentro de cada intervalo. El análisis se realizará tomando el efecto que tiene cada nivel de temperatura para con cada uno de los tres compradores ventana.

−(−1V )∗10 k 10 k V A 3=1 V V A 3=

PRIMER COMPARADOR VENTANA:

Esta señal es comparada con cada uno de los niveles:

El sensor LM35 nos otorga por cada 1°C = 10 mV. NIVEL 1: Temperatura ≤ 20

Para OPAMP U3: C (Comparador ventana)

+¿=V A 3=1 V V¿ −¿=0 V V¿ −¿ +¿ ≥ V ¿ V¿ V out 1=+V cc =5V

Escogiendo una temperatura de 10 °C Por lo cual:

A1

A2

A3

Para OPAMP U3: A (Comparador ventana)

+¿=V N 1=2V V¿ −¿=V A 3=1 V V¿ 8

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−¿ +¿ ≥ V ¿ V¿ V out 2=+ V cc =5 V V out=( V out 1 ∧ V out 2 )=5 V

−¿=V N 1 =2V V¿ −¿ +¿ ≥ V ¿ V¿ V out 1=+VCC =5 V

Para OPAMP U4: C (Seguidor de tensión) Para OPAMP U2: B (Comparador ventana)

V ¿ =V out=5 V

+¿=V N 2=3 V V¿ −¿=V A 3=2.5 V V¿ −¿ +¿ ≥ V ¿ V¿ V out 2=+ V cc =5 V V out=( V out 1 ∧ V out 2 )=5 V

Con 5V enciende el LED VERDE

SEGUNDO COMPARADOR VENTANA:

A3

Para OPAMP U4: B (Seguidor de tensión)

A3 V ¿ =V out=5 V CON 5V ENCIENDE EL LED AMARILLO

TERCER COMPARADOR VENTANA: NIVEL 2: Temperatura ≥ 20 y Temperatura ≤ 30 Escogiendo una temperatura de 25 °C El sensor LM35 nos otorga por cada 1°C = 10 mV. El voltaje en A1 seria:

V A 1=10∗25 mV V A 1=250 mV

A3

El voltaje en A2 es el resultado de un OPAMP como Amplificador Inversor

mV∗22 k 2.2 k V A 2=− 2500 mV =−2.5V V A 2=−250

NIVEL 3: Temperatura ≥ 30 Escogiendo una temperatura de 40 °C El sensor LM35 nos otorga por cada 1°C = 10 mV. El voltaje en A1 seria:

El voltaje en A3 es el resultado de un OPAMP como Amplificador Inversor

V A 1=10∗40mV V A 1=400 mV

−(−2.5 V )∗10 k 10 k V A 3=2.5V V A 3=

El voltaje en A2 es el resultado de un OPAMP como Amplificador Inversor

mV∗22 k 2.2k V A 2=− 4000 mV =− 4 V V A 2=−400

Para OPAMP U2: D (Comparador ventana)

+¿=V A 3=2.5 V V¿

El voltaje en A3 es el resultado de un OPAMP 9

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. como Amplificador Inversor

−(−4 V )∗10 k 10 k V A 3=4 V V A 3=

Para OPAMP U2: C (Comparador ventana)

+¿=V A 3=4 V V¿ −¿=V N 2=3 V V¿ −¿ +¿ ≥ V ¿ V¿ V out 1=+V cc =5V Para OPAMP U2: A (Comparador ventana)

+¿=V N 2=5 V V¿ −¿=V A 3=4 V V¿ −¿ +¿ ≥ V ¿ V¿ V out 2=GND =0 V V out=( V out 1 ∧ V out 2 )=5 V Para OPAMP U4: A (Seguidor de tensión)

V ¿ =V out=5 V CON 5V ENCIENDE EL LED ROJO.

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. VII.

COSTOS DEL CIRCUITO

Elemento Sensor de temperatura centígrado de precisión LM35 OPAMP LM324 OPAMP LM339 Condensadores Diodo LED Transistores Relay Bobina Resistencias 0.5W Diodos Ventilador TOTAL: VIII. 1.

2.

3. 4.

5.

6.

7.

Unidade s

Costo Total

1

S/6

2 2 2 3 5 2 23 5 1

S/ 2 S/ 3 S/ 0.40 S/ 0.70 S/ 1.30 S/ 4.40 S/ 2.30 S/ 0.50 S/ 10 S/ 30.6

IX.

CONCLUSIONES

 El sensor de temperatura aguanta muchos grados Celsius, por lo tanto, el proyecto se podría expandir a ser un termorregulador en general que también pueda brindar calor.  Los Opamps tienen muchos usos en el proyecto, y en general tienen muchos más usos que se podrían aplicar para diversos otros proyectos.  Los relés deben de llevar diodos, puesto que su cambio de polaridad puede ser instantáneo y quemar otros componentes.  Las posibilidades de ajustar los rangos de referencia para las temperaturas máximas y mínimas hacen de este diseño un circuito electrónico versátil.

VERIFICACIÓN DEL CIRCUITO

X.

Verificar si es que todos nuestros integrados están bien alimentados, los terminales del sensor de temperatura también deben estar bien conectados. Medir voltaje en el pin nº 7 y GROUND del amplificador LM324. Si es que indica un voltaje cercano a la temperatura ambiente, está funcionando bien. Verificar las caídas de tensión de las resistencias (son los voltajes de referencia de nuestros comparadores ventana). Con el voltaje obtenido del amplificador LM324 debemos analizar qué comparador ventana debería estar funcionando, según eso medimos voltajes en el pin 1, 14 o 2 de los LM339 (Debería encender el led según cada comparador). En caso que se haya encendido el amarillo o rojo, si el ventilador no enciende, probar los transistores de conmutación y que los relés estén funcionando bien. En caso de que el circuito del led amarillo no encienda el motor, verificar las conexiones del circuito astable; en caso siga sin funcionar, cambie el ventilador. En caso que el circuito del led rojo no encienda el motor, cambie el ventilador por alguno que esté entre los 10V y 0.3 Amp.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

 http://repositorio.innovacionumh.es/Proyectos/ P_19/Tema_1/UMH_11.htm [1]  http://www2.imsecnm.csic.es/~huertas/SETI/Apendice1.pdf [2]  https://www.luisllamas.es/medir-temperaturacon-arduino-y-sensor-lm35/ [3]  https://scuolaelettrica.it/escuelaelectrica/elettro nica/differe2.php [4]  https://electronicavm.files.wordpress.com/201 1/03/multivibrador-astable.pdf [5]  http://www.learningaboutelectronics.com/Artic ulos/Seguidor-de-voltaje.php [6]  https://es.slideshare.net/sebastianhermosilla1 5/el-transistor-como-interruptor-y-amplificador [7]  Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. Décima edición –Robert L. Boylestad.

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