Informe de la Práctica 4: Dispositivos Opto - EA2

Informe de la Práctica 4: Dispositivos Opto - EA2

Práctica 4– Grupo 02 – 09 de Octubre de 2013 – periodo 2013/02.
Informe de la Práctica 4: Dispositivos Optoelectrónicos
Informe: 4.0 (60%) Penalización por entrega tardía
Práctica: 4.0 (40%)
Calificación: 4.0
Edy Catalina Sánchez López.
Laboratorio Electrónica Análoga II, Escuela de Mecatrónica, Facultad de Minas
Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín
Resumen – Con ésta práctica se busca observar el funcionamiento de los transistores bipolares analizando
sus relaciones de corriente-voltaje y determinando sus regiones de operación (regiones de corte y saturación),
se realizará el montaje de un circuito oscilador de onda cuadrada con frecuencia fija y ciclo de dureza variable
(circuito variador de velocidad para motores DC) con el cual se pretende introducir el concepto de
modulación por ancho de pulso y el uso de opto-acopladores para independizar eléctricamente dos circuitos.
Palabras Clave – Ciclo de dureza, Darlington, Opto-acoplador, PWM, Transistor.
Abstract – This practice is intended to observe the operation of
bipolar transistors analyzing their current-voltage relationships
and determining their operation regions (cutoff and saturation
regions), will be mounted a square wave oscillator circuit with fixed
frequency varying duty cycle (drive controller circuit DC motor)
which it intends to introduce the concept of pulse width modulation
and use of optocouplers to isolate two circuits..
Index Terms – Darlington, Duty Cycle, Optocoupler, PWM,
Transistor.
I.
INTRODUCIÓN
En esta práctica se trabajara con 3 dispositivos: un LM555,
un A4N25 y un TIP 122, la descripción de cada uno
corresponde a:
El 555 es un integrado muy útil, el cual puede ser
configurado en varias modalidades. Una de estas modalidades
es la del multivibrador astable, obteniendo una oscilación de
onda cuadrada, para lo cual el circuito oscila a una frecuencia
y ciclo de trabajo configurables mediante resistencias y
condensadores externos. La versatilidad de este integrado
radica en que las frecuencias y ciclos de trabajo resultantes no
dependen de la fuente de alimentación.
Un opto-acoplador combina un dispositivo semiconductor
formado por un foto-emisor, un foto-receptor y entre ambos
hay un camino por donde se transmite la luz. Todos estos
elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo
general es del tipo DIP. La señal de entrada es aplicada a el
foto-emisor y la salida es tomada del foto-receptor. Los optoacopladores son capaces de convertir una señal eléctrica en
una señal luminosa modulada y volver a convertirla en una
señal eléctrica. La gran ventaja de un opto-acoplador reside en
el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los
circuitos de entrada y salida. Los foto-emisores que se
emplean en los opto-acopladores de potencia son diodos que
emiten rayos infrarrojos (IRED) y los foto-receptores pueden
ser tiristores o transistores.
Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo
IRED, este emite un haz de rayos infrarrojo que transmite a
través de una pequeña guía-ondas de plástico o cristal hacia el
foto-receptor. La energía luminosa que incide sobre el fotoreceptor hace que este genere una tensión eléctrica a su salida.
Este responde a las señales de entrada, que podrían ser pulsos
de tensión.
Un transistor es un dispositivo semiconductor que se utiliza
para amplificar y conmutar señales electrónicas y potencia. El
transistor Darlington (TIP 122) es una estructura compuesta
que consta de dos transistores bipolares conectados de manera
que la corriente amplificada por el primer transistor la
amplifica aún más el segundo. Esta configuración proporciona
una ganancia de corriente mucho más alta que cada transistor
tomado por separado. El NPN es uno de los dos tipos de
transistores bipolares, compuesto por una capa de
semiconductor recubierto P (la "base") entre dos capas
recubiertas N.
II. DESARROLLO
A. ProcedimientoTeórico
Inicialmente se solicita para el circuito de la figura 1
Práctica 4– Grupo 02 – 09 de Octubre de 2013 – periodo 2013/02.
determinar los valores de las resistencias:
Gráfica 2. Simulación primera etapa.
Gráfica 1. Variador de velocidad de motor DC.
Se procede entonces con los cálculos de la siguiente forma:
Los datos iniciales son:
Máxima corriente a la entrada del diodo del opto-acoplador:
60mA.
Caída de tensión: 1,2V.
Voltaje máximo de salida del oscilador: 10V.
Las ecuaciones necesarias:
Gráfica 3. Simulación segunda etapa.
(1)
(2)
(3)
(4)
Rmotor = 110 Ω , β = 100 , VBETIP122 = 2,5V
Gráfica 4. Simulación tercera etapa.
(5)
(6)
(7)
(8)
C. Montaje.
Al momento de realizar el montaje fue necesario tener en
cuenta la conexión de cada dispositivo, debido a que un error
puede quemarlos.
Se procedió a realizar el montaje de la primera etapa
variando el potenciómetro a sus valores máximo y mínimo y
luego en un ciclo medio de dureza, las fotos a continuación:
(9)
B. Simulación
Para realizar la simulación cada una de las etapas del
circuito se procedió con la validación de los componentes, el
único que no se encontró en su forma compacta fue el TIP 122
así que se escogió un opto-acoplador que tuviese la forma
Darlington.
1.
Simulación en pspice de las etapas del circuito:
Gráfica 5. Montaje primera etapa potenciómetro mínimo.
Práctica 4– Grupo 02 – 09 de Octubre de 2013 – periodo 2013/02.
Gráfica 9. Montaje segunda etapa sin R4.
Gráfica 6. Montaje primera etapa potenciómetro máximo.
Para la tercera etapa se pide alimentar el motor (en este
caso se reemplaza por una resistencia de 110 Ω) tomar su
valor sin carga y luego hacer las mediciones en el colector del
TIP122 variando de nuevo el potenciómetro.
Las gráficas son:
Gráfica 7. Montaje primera etapa potenciómetro ciclo dureza 50%.
Para la segunda etapa se realiza la toma de valores con las
resistencias R3 y R5 pero se hace un cambio, los valores de R5
y R7 ya que tendría más sentido el circuito de esa forma.
Primero se realiza el montaje tomando todas las resistencias y
luego se procede con el retiro de R4 para observar el
comportamiento de la señal suministrada.
Gráfica 10. Montaje tercera etapa solo motor.
Gráfica 8. Montaje segunda etapa completa.
Gráfica 11. Montaje tercera etapa con el potenciómetro al mínimo.
Práctica 4– Grupo 02 – 09 de Octubre de 2013 – periodo 2013/02.
Gráfica 12. Montaje tercera etapa con el potenciómetro al máximo.
Valor mínimo del ciclo de dureza = 100μs correspondientes a
un 2,7%
VRMS = 8,00 V
Frecuencia de la señal = 268,8 Hz
Valor máximo del ciclo de dureza = 3,5ms correspondientes a
un 77%.
Frecuencia de la señal = 220,3 Hz
VRMS = 8,40 V
Se puede observar de los resultados anteriores que al llevar el
potenciómetro de su valor mínimo a su valor máximo la
frecuencia de la señal disminuye y el VRMS aumenta, con lo
cual se puede concluir que la señal a la salida del circuito
oscilador depende del valor de dicha resistencia.
Para la segunda etapa se puede observar que la señal a la
salida del opto-acoplador presenta una amplitud mayor en
comparación de la señal a la salida del oscilador 555, también
presenta un pequeño retraso (aproximadamente de 2,1ms).
Al retirar la resistencia R4 se obtienen las señales mostradas
en la figura 9, de ella se puede observar que no forma la onda
cuadrada perfecta, debido a que R4 se comporta como pull-up
que garantiza 0V en la base del transistor cuando no hay
conducción por el LED del opto-acoplador .
Gráfica 13. Montaje tercera etapa con el ciclo de dureza al 50%.
Gráfica 14. Montaje tercera etapa completo con el ciclo de dureza al 50%.
III. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Al momento de realizar el montaje se encontró con que los
datos teóricos de las resistencias se encontraban no
concordantes debido a que la R7 debe ser menos que la R5
para que la corriente fluya de forma correcta, esto se corrigió
y se procedió con la toma de datos en las gráficas.
Para la primera etapa, con el potenciómetro en su valor
mínimo y máximo, se obtuvieron los siguientes resultados
experimentalmente:
Como se pudo observar en las gráficas tomadas, los tiempos
de subida y caída entre ambas señales son diferentes, pero la
respuesta de la velocidad máxima de trabajo no se ve afectado
por este retraso, esto sucede debido a que esta velocidad
depende de los parámetros del circuito en la etapa 1, y el optoacoplador solo responde a estos parámetros sin que se afecte
la velocidad máxima del circuito.
Si tenemos en cuenta que los diodos son dispositivos
semiconductores en los cuales su curva característica es no
lineal, utilizarlos para operaciones que requieran linealidad no
sería práctico, en este caso el opto-acoplador responde a la
excitación mediante luz emitida por el diodo LED (Si la
tensión de entrada varía, la cantidad de luz también lo hará, lo
que significa que la tensión de salida cambia de acuerdo con
la tensión de entrada.), y hay que tener en cuenta que las
curvas tensión/luz del LED no son lineales, por lo que la señal
puede distorsionarse, además se puede saturar el componente
opto-electrónico del dispositivo, su ventaja está en si
aislamiento eléctrico.
Realizando el análisis de la tercera etapa, el potenciómetro
fue el elemento que permitió variar la velocidad del motor
mediante el generador y su acoplamiento con la etapa 2, se
observó que cuando el potenciómetro estaba en su valor
mínimo el valor de la corriente era de 43mA, y cuando el
potenciómetro estaba en su valor máximo la corriente era 5,8
mA.
Práctica 4– Grupo 02 – 09 de Octubre de 2013 – periodo 2013/02.
El diodo D3 sirve para que cuando el transistor TIP122 se
encuentre en corte y la corriente por el colector fuese cero, el
motor quede en serie con el diodo y sega fluyendo corriente a
través de él, lo que hace que el motor no se frene,
adicionalmente cuando hay corriente en el colector este no
permite las corriente de fuga en dirección contraria a la
dirección de la corriente del colector.
IV. CONCLUSIONES
 Se puede observar que el LM555 es un integrado
sumamente versátil, el cual puede ser configurado para
trabajar en un rango amplio de frecuencias y si se es
configurado correctamente se puede trabajar con ciclos de
trabajo de aproximadamente 0% al 100%.
 Se puede inferir que los dispositivos opto acopladores son
útiles en separar y aislar una etapa de otra, sin embargo se
deben tener encuentra las restricciones de frecuencia a las
que el opto acoplador puede ser de ayuda, ya que este al
ser básicamente un relé, pudiese en altísimas frecuencias
no detectar cambios en la señal de entrada y no funcionar
correctamente
 Se concluye también que utilizar estos dispositivos juntos
permite tener un control directo sobre el motor, ya que sin
la necesidad de un interruptor eléctrico es posible obtener
variaciones en la velocidad del mismo, en este caso usando
sólo un potenciómetro.
 Se pudo observar que al trabajar en todas las zonas de los
transistores se permite tener mayores aplicaciones, como
se observó en este laboratorio las regiones de corte y
saturación resultaron de gran importancia para el
modelado de los interruptores electrónicos.
 Se puede concluir también que con la modulación por
ancho de pulso PWM es posible controlar la velocidad de
un motor DC variando el ciclo de trabajo de la onda
cuadrada que proviene del LM555.
 Se puede concluir también que cuando se requiera diseñar
un circuito con motores se debe tener en cuenta que es
posible que se generen corrientes de devolución debido a
la inercia del motor, y que estas pueden afectar su
funcionamiento o quemar algún dispositivo, por lo tanto se
recomienda el uso de diodos como solución a este
inconveniente.
GRÁFICOS, TABLAS Y ECUACIONES
A. Gráficas.
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Gráfica 1. Variador de velocidad de motor DC.
Gráfica 2. Simulación primera etapa.
Gráfica 3. Simulación segunda etapa.
Gráfica 4. Simulación tercera etapa.
Gráfica 5. Montaje primera etapa potenciómetro mínimo
Gráfica 6. Montaje primera etapa potenciómetro
máximo.
 Gráfica 7. Montaje primera etapa potenciómetro ciclo
dureza 50%.
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Gráfica 8. Montaje segunda etapa completa.
Gráfica 9. Montaje segunda etapa sin R4
Gráfica 10. Montaje tercera etapa solo motor.
Gráfica 11. Montaje tercera etapa con el potenciómetro
al mínimo.
 Gráfica 12. Montaje tercera etapa con el potenciómetro
al máximo.
 Gráfica 13. Montaje tercera etapa con el ciclo de dureza
al 50%.
 Gráfica 14. Montaje tercera etapa completo con el ciclo
de dureza al 50%.
B. Ecuaciones.
(1)
Ecuación de
(2)
Ecuación de
(3)
Ecuación de
(4)
Ecuación de
(5)
Ecuación de
(6)
Ecuación de
(7)
Ecuación de
(8)
Ecuación de
(9)
Ecuación de
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REFERENCIAS
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[7]
El circuito integrado 555.
URL: http://electronicavm.files.wordpress.com/2011/04/c-i-555.pdf
Elo-B, Astable 555. JLAJ.
URL: http://www2.elo.utfsm.cl/~elo108/guias/Astable.pdf.
Optoacopladores.
URL: http://www.uv.es/marinjl/electro/opto.html
Electronicos Caldas.
URL:
http://www.electronicoscaldas.com/optoacopladores/221optoacoplador-4n25.html
Transistor NPN Darlington,TIP132
URL:
http://export.rsdelivers.com/es/product/stmicroelectronics/tip122/transdarlington-npn-100v-8a-to220/3136900.aspx
Electronicos Caldas.
URL:
http://www.electronicoscaldas.com/optoacopladores/221optoacoplador-4n25.html
Electronicos Caldas.
URL:
http://www.electronicoscaldas.com/optoacopladores/221optoacoplador-4n25.html
Edy Catalina Sánchez López: 43272061, grupo 2, Ingeniería
de control.