DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGA Y MECNICA

CARRERA DE INGENIERA MECATRNICA

DISEO ELECTRONICO

ING. PABLO RAMOS

Tema: Informe 1er Proyecto (Circuito Analgico) PCB

Autor: Carvajal Gandhi Tapia Arias Christian

Sangolqu, 8 de Diciembre de 2011.

1. TEMA: Diseo de la PCB de un Circuito Interruptor Crepuscular e Infrarrojo. 2. OBJETIVOS Realizar el diseo de una PCB para el circuito escogido, aplicando todos los parmetros de norma estudiados. Calcular los parmetros de funcionamiento y los de implementacin a la placa, como ancho de pista, espaciamiento entre conductores, etc.

3. Circuito Analgico (Funcionamiento) Interruptor Crepuscular

Al ensamblar este proyecto se obtiene un circuito que activa o desactiva un rel dependiendo de la cantidad de luz que exista en el medio. Puede ser utilizado para encender una lmpara exterior cuando cae la noche. Diagrama esquemtico de la luz nocturna automtica. El circuito posee dos componentes muy importantes de fotocelda y el amplificador operacional LM324, este ltimo se ha configurado como un comparador de voltaje. El rel de salida se activa cada vez que el nivel de luz incidente sobre la fotocelda es bajo, para fijar umbral o nivel de disparo se utiliza el potencimetro. El circuito se debe alimentar con una fuente de +5VDC. En una fotocelda, la resistencia medida entre sus terminales vara de acuerdo a la cantidad de luz que incida sobre su rea fotosensible, razn por la que es fcil obtener una seal de corriente o de voltaje a travs suyo. En el circuito tambin utilizamos un amplificador operacional LM328, el cual se ha configurado como un comparador de voltaje en cuya entrada no inversora se ha conectado la fotocelda y en la entrada inversora se ha conectado el pin central del potencimetro. Mientras la fotocelda reciba una cantidad de luz suficiente, el voltaje que entra al pin 3 del amplificador operacional ser bajo comparado con el que entra al pin 2. En estas condiciones,

la salida del operacional (pin 1) permanecer en un nivel bajo. Cuando la luz disminuye, hace que el voltaje de la fotocelda aumente, llegando a ser comparable o mayor al que se presenta en el pin 2 del amplificador, en cuyo caso la salida del mismo pasa a un nivel alto que hace que se active el rel de salida. De esta forma, el potencimetro es quien permite ajustar el nivel o umbral de disparo en el cual se activa el rel. La salida del amplificador operacional se conecta a la base del transistor Q1 (npn) a travs de la resistencia. Cuando este recibe una seal alta en su base, pone un nivel bajo en su colector, de tal forma que la bobina del rel se polariza en forma correcta y sus contactos COM (comn) y NO (normalmente abierto) se unen, permaneciendo as hasta que la salida del operacional caiga nuevamente a un nivel bajo, en este caso se vuelven a unir los contactos COM (comn) y NC (normalmente cerrado).

Interruptor Infrarojo Al ensamblar este proyecto se obtiene un circuito que genera una seal de control cada vez que un objeto pasa por un punto determinado, el cual, est delimitado por una pareja conformada por un emisor y un receptor infrarrojos. El interruptor est compuesto por dos mdulos, uno corresponde al circuito transmisor y otro al receptor. El primero, construido en un circuito impreso independiente, es un oscilador basado en un circuito integrado 555, el cual genera una inda cuadrada cuya frecuencia puede ser cambiada mediante el trimmer R1. Dicha onda es aplicada a un LED infrarrojo, de tal

forma que la luz emitida por el mismo es de naturaleza intermitente lo que permite utilizar una resistencia muy baja para su polarizacin. Los LEDs infrarrojos emiten un haz de luz invisible para el ojo humano.

Por su parte, el circuito receptor lo conforman dos bloques. El primero, est constituido por el amplificador operacional LM358, en cuyo primer amplificador se ha conectado el fotodiodo infrarrojo que recibe la seal desde el emisor y en el segundo, se ha configurado un comparador de voltaje. De esta forma cuando el fotodiodo recibe seal, el pin 1 del LM324 entrega un nivel de voltaje proporcional a la intensidad de haz infrarrojo recibido; este nivel de voltaje es llevado a la entrada negativa del comparador. S, cuando el nivel de la seal este por encima del voltaje de la entrada positiva del comparador fijado por el divisor de tensin conformado por R2 y R3, la salida de este pasar de nivel bajo a nivel alto. El segundo bloque del mdulo receptor es un detector de frecuencia, construido con un circuito integrado LM324. Este circuito acta como una especia de filtro, el cual se engancha o activa cada vez que en su entrada se presenta la misma frecuencia de la seal para la cual est configurado. Dicha frecuencia se fija con los componentes externos al integrado. Cuando la frecuencia de la seal recibida coincide con la establecida en el LM 567, su salida (pin 8) pasa de nivel lgico alto a nivel lgico bajo, con lo cual se logra encender el LED indicador D2 y se polariza correctamente el transistor Q1 que maneja el rel de salida. Calibracin: El circuito receptor ya tiene una frecuencia establecida por los componentes fijos. El circuito transmisor por su parte debe ser ajustado por el potencimetro, de tal forma que su frecuencia coincida con la del receptor, para ello colocamos un LED que se encender cuando la frecuencia est igual.

Mediante una compuerta logica OR 74LS32, hicimos funcionar los dos dispositivos a la vez con el correcto diseno del transistor 2N2904, comfigurado como emisor comun y con el rele unido al colector para que conmute cuando cualquiera de los dos dispositivos (Fotocelda, infrarojo) envien una senal.

4. Anlisis y Clculos Divisor de Voltaje (Fotocelda) Para poder manipular la cantidad de luz con la cual deseamos que nuestro sistema funcione, nos valemos de un divisor de voltaje. Configurando el potencimetro de 100 k a 50k, se obtiene un voltaje en la entrada inversora de 2.5V, suficientes para que cuando empiece a oscurecer, la fotocelda enve una seal de voltaje superior a esta, a la entrada no inversora, activando el sistema, ya que el A.O. est configurado como comparador. Amplificador Operacional Comparador De Tensin. La configuracin de comparador de tensin utiliza la ganancia de los operacionales en lazo abierto para forzar la salida de estos a nicamente dos estados posibles. Segn el estado de comparacin la tensin de salida entra en saturacin positiva o negativa, donde dicha saturacin toma el valor que le corresponda de la doble polaridad de la fuente de alimentacin. Escrita la explicacin anterior, queda de la siguiente forma: Si Si entonces entonces

Resistencia fotocelda da = 400 aproximadamente.

Resistencia fotocelda noche = 3.3 k aproximadamente. En consecuencia: A menor intensidad de luz, Mayor resistencia. Vo salida del amplificador (Como alto medido)= 3.5 4 V

Emisor (Temporizador 555 Astable)

La frecuencia de operacin del infrarrojo tanto del receptor como del emisor se escoge de entre un rango de (100 Hz - 2kHz), para que dependiendo la configuracin del receptor se logre detectar una frecuencia aceptable mediante la manipulacin del potencimetro tomado como R1 en el circuito del 555 Astable. Potencimetro R1=10 ohmios Tomando una frecuencia de 1 kHz y un ciclo de trabajo del 80%. Para esta frecuencia escogida nos imponemos un Capacitor de 330 nF

Como la frecuencia de la seal emitida por el led infrarrojo debe ser variable tomamos de igual manera una resistencia R1 menor a la obtenida por motivos de ampliacin de rango. R2=1.2 k Receptor Al igual que con la parte del circuito del interruptor crepuscular, aqu se realiza un divisor de tensin para comprar el voltaje del fotodiodo infrarrojo con otro definido por ciertas resistencias, posterior a esto se configura el AO como seguidor.

Seguidor

Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensin que a la entrada.

Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa) Como la tensin en las dos patillas de entradas es igual: Vout = Vin Zin =

Resistencias Transistor en Corte y Saturacin Como vamos a trabajar con un rel conectador en el colector, nos basamos en los parmetros de este para disear correctamente las resistencias que deben acompaar el transistor. R=166

Con la ayuda del datasheet del Transistor 2N3904 y con la corriente de colector encontrada tomamos el valor de correspondiente. =80

5. Diseo de la PCB Seleccin de la Placa metlica: Para la seleccin de la placa debemos tener en cuenta la complejidad del circuito y del nuero de integrados y componentes que este tenga, para nuestro diseo se va a tomar en cuenta el espacio para el los circuitos integrados, las borneras tanto para los led infrarrojo, como para el LDR y tambin debemos tomar en cuenta que esta placa no necesariamente tiene que estar lo ms compacta posible. Nos dirigimos a la tabla de tamaos de placas estandarizadas En este caso hemos escogido la placa tipo C1 Dimensiones: 180x80 mm

Tabla 1. Valores estndares de placas Agujeros de soporte Nuestro circuito no se encontrar sometido a ningun tipo de carga ni esfuerzos que puedan romper la placa de tal manera que podemos usar un dimetro del tornillo al que va ir sujeto y cada agujero puede tranquilamente ser ubicado a 5 mm de la placa como se muestra en la figura.

Espaciamiento mnimo entre conductores: Para el clculo mnimo entre conductores debemos tomar en cuenta los valores estndares de trabajo de nuestro circuito para esto solo tenemos que tomar los valores nominales del circuito con el cual vamos a trabajar ya que este ser en donde se concentra todo el voltaje y corriente del sistema Valores nominales de motor Voltaje: 5V Corriente: 1 A

Mediante la tabla 3 determinamos la distancia mnima entre conductores el cual ser de 0.05mm

Tabla2. Espaciamiento mnimo entre conductores Ancho de Pista Este parmetro es muy importante, ya que de acuerdo a este vamos dar ms confiabilidad a nuestro diseo. Tamb=25 C Y tomando en cuenta la mxima temperatura permisible del 555 y del transistor porque son los dispositivos que ms disipacin de calor generaran: Tmax=85 C Asumiendo una temperatura de disipacin de calor de 10C, tenemos:

Como tenemos corrientes menores que un amperio establecemos a 1 A como nuestra corriente de operacin, por ende automticamente el ancho de pista tomado ser de 12TH. Para el ancho de pista de la parte de los pines de conexin del rel tomamos en cuenta su corriente mxima, debido a que se pueda conectar a cargas de potencia. I=10 A Con la ayuda de la tabla definimos.

Observando en la tabla con los valores de temperatura, corriente obtenemos un ancho de pista de 100TH. Visualizacin del circuito en 3D Para una mejor visualizacin de nuestro circuito aproximado a la realidad podemos ver la siguiente representacin

Detalle de Nodos EmisorISIS SCHEMATIC DESCRIPTION FORMAT 6.1 ===================================== Design: C:\Users\Christian\Documents\ESPE\7mo\Diseo Electronico\proyecto 1\pcb\emisorimpreso.DSN Doc. no.: Revision: Author: Created: 04/12/11 Modified: 04/12/11 *PROPERTIES,0 *MODELDEFS,0 *PARTLIST,7 C1,CERAMIC3N3,330n,EID=5,PACKAGE=CAP20,PINSWAP="1,2" J1,TBLOCK-M2,TBLOCK-M2,EID=2,PACKAGE=TBLOCK-M2 J2,TBLOCK-M2,TBLOCK-M2,EID=7,PACKAGE=TBLOCK-M2 R1,MINRES12K,1.2k,CODE=M12K,EID=4,PACKAGE=RES40,PRIMTYPE=RESISTOR R2,MINRES12K,100,CODE=M12K,EID=6,PACKAGE=RES40,PRIMTYPE=RESISTOR RV1,3252W-1-103LF,10K,EID=3,PACKAGE=PRE-VMT,STATE=5 U1,555,555,EID=1,ITFMOD=555ITF,PACKAGE=DIL08,TTOL=10u *NETLIST,7 #00001,4 U1,IP,7 RV1,PS,2 R1,PS,2 RV1,PS,3 #00002,2 U1,OP,3 J2,PS,2 #00004,4 U1,IP,2 R1,PS,1 U1,IP,6 C1,PS,2 #00005,1 U1,IP,5 #00008,2 R2,PS,2 J2,PS,1 GND,4,CLASS=POWER

GND,PR J1,PS,2 U1,PP,1 C1,PS,1 VCC/VDD,7,CLASS=POWER VCC,PT VCC/VDD,PR J1,PS,1 U1,IP,4 U1,PP,8 RV1,PS,1 R2,PS,1 *GATES,0

Receptor y Fotocelda*NETLIST,27 #00003,2 R1,PS,2 J2,PS,2 #00004,4 J2,PS,1 R2,PS,1 U1,IP,3 C1,PS,1 #00007,3 RV1,PS,3 U1,IP,2 C1,PS,2 #00008,3 U1,OP,1 C2,PS,+ U3,IP,1 #00012,2 Q1,PS,2 R3,PS,2 #00013,3 Q1,PS,3 D1,PS,A RL1,PS,C2 #00015,2 D1,PS,K RL1,PS,C1 #00016,2 RL1,PS,COM J3,PS,2 #00017,2 RL1,PS,NO J3,PS,1 #00018,2 RL1,PS,NC J3,PS,3 #00019,3 J4,PS,1 R4,PS,2 U1,IP,5 #00022,3 U1,IP,6 U1,OP,7 U1,IP,9 #00025,3 U1,IP,10 R6,PS,2 R5,PS,1 #00026,2 U1,OP,8 U2,OP,3 #00032,1 U1,OP,14 #00037,2 U2,PP,1 C3,PS,+ #00038,4 U2,PP,8 C6,PS,C7,PS,+ U3,IP,2 #00039,2 U2,IP,2 C5,PS,+ #00040,3 U2,IP,6 C4,PS,1 R7,PS,1 #00041,2 U2,IP,5 R7,PS,2 #00042,2 R8,PS,2 C6,PS,+ #00043,2 U3,OP,3 R3,PS,1 #00047,1 U3,OP,6 #00050,1 U3,OP,8 #00053,1 U3,OP,11 GND,23,CLASS=POWER

GND,PR U3,PP,7 U3,IP,4 U3,IP,5 U3,IP,9 U3,IP,10 U3,IP,12 U3,IP,13 U2,IP,7 C4,PS,2 C3,PS,C5,PS,C7,PS,U1,PP,11 U1,IP,12 U1,IP,13 R6,PS,1 J4,PS,2 Q1,PS,1 C2,PS,RV1,PS,1 R1,PS,1 J1,PS,2 VCC/VDD,11,CLASS=POWER VCC,PT VCC/VDD,PR U3,PP,14 U2,IP,4 R8,PS,1 U1,PP,4 R5,PS,2 R4,PS,1 R2,PS,2 RV1,PS,2 J1,PS,1 *GATES,5 LM324:1 A(3,2,1) LM324:2 B(5,6,7) LM324:3 C(10,9,8) LM324:4 D(12,13,14) 74LS32:1 A(1,2,3) B(4,5,6) C(9,10,8) D(12,13,11)

Lista de Materiales Emisor

Bill Of Materials For emisorimpreso.DSN: emisorimpreso.DSN Design Title : Author : Revision : domingo, 04 de diciembre de 2011 Design Created Design Last Modified : domingo, 04 de diciembre de 2011 Total Parts In Design : 7

2 ResistorsQuantity: 1 1 References R1 R2 Value 1.2k 100 Order Code M12K M12K

1 CapacitorsQuantity: 1 References C1 Value 330n Order Code Maplin WX74R

1 Integrated CircuitsQuantity: 1 References U1 Value 555 Order Code

3 MiscellaneousQuantity: 2 1 References J1, J2 RV1 Value TBLOCK-M2 10K Order Code Digikey 3005P-103-ND

Receptor y Fotocelda

Bill Of Materials For imprimir.DSN: imprimir.DSN Design Title : Author : Revision : domingo, 27 de noviembre de 2011 Design Created Design Last Modified : mircoles, 07 de diciembre de 2011 Total Parts In Design : 26

8 ResistorsQuantity: 1 1 1 2 1 1 1 References R1 R2 R3 R4, R5 R6 R7 R8 Value 10R 3.3k 7.5k 100k 33k 10k 1k Order Code M10R M10R M8K2 M8K2 M8K2 M8K2 M10R

6 CapacitorsQuantity: 2 2 1 1 References C1, C4 C2, C7 C3 C5 Value 100n 47u 2.2u 1u Order Code Maplin WX77J Maplin KQ68Y Maplin KQ65V Maplin KQ64U

3 Integrated CircuitsQuantity: 1 1 1 References U1 U2 U3 Value LM324 555 74LS32 Order Code

1 TransistorsQuantity: 1 References Q1 Value 2N3904 Order Code

2 Diodes

Quantity: 1 1

References D1 D2

Value 1N4007 LED-RED

Order Code

6 MiscellaneousQuantity: 3 1 1 1 References J1, J2, J4 J3 RL1 RV1 Value TBLOCK-I2 TBLOCK-M3 NTE-R46-12 100K Order Code

Digikey 3009P-104LF-ND

6. Elaboracin de la placa Una vez diseado y probado el circuito procedemos a la elaboracin de la placa mediante los siguientes pasos: Imprimimos el ruteado de la placa tanto para la parte de las pistas (Zona metlica) como para el de la ubicacin de los elementos (Zona de polmero) en papel trmico como se muestran en las figuras 6 y 7 respectivamente

Fig. Ruteado de pistas

Fig. Ruteado de elementos Una vez impreso los ruteados nos disponemos a plancharlos respectivamente en cada zona de la baquelita de tal manera que la tinta quede impregnado en la baquelita Disolvemos el cido en una bandeja con agua en la cual vamos a introducir nuestra baquelita y esperamos hasta que el cido disuelva el cobre dejando solo las pistas a la vista Perforamos los agujeros mediante un taladro segn el dimetro adecuado para cada elemento Soldamos con cautn y estao cada elemento en la baquelita Revisamos que todo este con continuidad y que este bien soldado, dejando a nuestro listo a nuestro circuito para su uso.

7. Conclusiones y Recomendaciones Debemos probar nuestro diseo en protoboard antes de armarlo en baquelita ya que hay que eliminar cualquier tipo de duda y error para no cometerlo en el proceso de armado en la placa. En este proyecto se introdujo gran parte de la teora recibida durante todo el semestre, es por eso que este circuito analgico, es una absoluta aplicacin de diseo electrnico Pueden existir varios diseos de un circuito en una placa pero si se aplican adecuadamente las reglas de distribucin de elementos y normas de espaciamientos entre pistas se puede abaratar los costos de la misma, lo cual es un factor importante para la venta de los diseos. El ancho de pista es un factor muy importante en el diseo dependiendo de nuestro circuito ya que este ser calculado dependiendo de la corriente que circule en esta y de la temperatura ambiente a la cual se trabaje, esto puede marcar la diferencia para la cual las pistas puedan soportar el rgimen de trabajo adecuado sin sobrecalentarse o romperse. Para la correcta filtracin de ruido y de interferencias es necesario incorporar a todos los integrados de nuestro circuito capacitores de descarga entre tierra y la alimentacin, tambin un correcto espacio entre el plano de tierra y de seal esto ayudar a que nuestro circuito tenga una seal ms depurada principalmente en situaciones en las cuales se emplee una fuente de mala calidad.

8. Bibliografa

IPC-2221 Generic Standard or Printed Board Design. http://www.forosdeelectronica.com/proyectos

9. Anexos