Universidad Catolica de HondurAS nUESTRA sEÑORA REINA DE lA PAZ

Circuito Electrónico

“Grillo Electronico”

Ingeniero

José Elías Figueroa

El proyecto a realizar consta de una bocina accionada por la ausencia de luz por medio de una fotorresistencia. Sin embargo para realizar este fin, se necesita primero realizar el diseño adecuado del circuito de acuerdo a los resultados queridos.

Integrantes

Nombre #cuenta

Nota teórica

Se denomina transformador a una máquina eléctrica que permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, esto es, sin pérdidas, es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc.

Si suponemos un equipo ideal y consideramos, simplificando, la potencia como el producto del voltaje o tensión por la intensidad, ésta debe permanecer constante (ya que la potencia a la entrada tiene que ser igual a la potencia a la salida).

Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o devanados se denominan “primario” y “secundario” según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados, en este caso puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

Representación esquemática de un transformador

Entre las características principales suponiendo un transformador ideal por lo cual son muy utilizados se tienen las siguientes:

No tiene pérdidas por calor.

No hay caídas de tensión en los bobinados de los arrollados.

No hay capacitancias debido a los bobinados.

No hay pérdidas por histéresis en el núcleo.

En los transformadores si es aplicada una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, las variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable dependiendo de la frecuencia de la corriente. Este campo magnético variable originará, por inducción, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario.

La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns).

La razón de transformación del voltaje entre el bobinado primario y el segundario depende del número de vueltas que tenga cada uno. Si el número de 8 vueltas del secundario es el triple del primario. En el secundario habrá el triple de tensión.

Esta particularidad tiene su utilidad para el transporte de energía eléctrica a larga distancia, al poder efectuarse el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades y por tanto pequeñas pérdidas.

Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario, si aplicamos una tensión alterna de 230 Voltios en el primario, obtendremos 23000 Voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de transformación.

Ahora bien, como la potencia aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario, el producto de la fuerza electromotriz por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 Amperios, la del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte).

Además sirve para convertir la corriente y tensión de aparatos como fuentes de poder y hasta calculadoras.

La mayoría de veces, la utilización de un trasformadores es con el objetivo de a futuro convertir este voltaje alterno en voltaje continuo, para ello también es necesaria la utilización de reguladores de voltajes. La historia de los reguladores lineales empieza por la necesidad de simplificar el proceso dde entrega de un voltaje regulado, con el menor tiempo de diseño posible.

En 1968 la empresa Fairchild logró integrar en un solo circuito integrado el uA 723, un amplificador operacional, un diodo zener, unas resistencias y unos 9 transistores, logrando así el primer regulador monolítico que aún se utiliza ampliamente.Este circuito viene con circuitos internos de protección. Su capacidad de entrega de corriente es limitada por lo que el diseñador debe aumentarle transistores externos para aumentar su capacidad. También debe adicionar una resistencia para limitar la corriente a un valor aceptable en caso de que haya un corto circuito en la salida.

Es desde este momento se inicia la carrera para el diseño de un circuito regulador de voltaje fijo de 3 terminales. Esta carrera fue ganada por la National Semiconductor con el LM309.

Poco después la Fairchild sacó la serie 7800 (comenzó con el 7805, que da una salida de 5 voltios). En ambos casos sólo es necesario conectar a la entrada la fuente de tensión no regulada y a la salida la carga. Se pone en la entrada y la salida unos capacitores desacopladores para mejorar el rendimiento.

Esta filosofía de diseño cambió ya que ahora no era un regulador general para todo el sistema (todas las tarjetas), sino que cada tarjeta tenía su propio regulador integrado. El diseño se hacía mucho más sencillo y se evitaba la pérdida de energía.

Con la popularidad que ya tenían los reguladores de voltaje fijo lo normal y la necesidad del mercado hacían tomar el paso lógico de diseñar un regulador de salida variable y de excelente rendimiento. Poco después de la salida del LM117, salió al mercado el LM137 que tenía una salida variable negativa. Poco después apareció el popular LM317 (El cuál se estará implementando en la fuente reguladora del proyecto final).

Regulador de tensión LM317

En la actualidad se encuentran sin dificultad en el mercado ambos tipos de reguladores tanto de la serie 78XX como de la serie LMXXX.

Además de usar este nuevo componente, en el proyecto también se tiene otro componente diferente a los utilizados anterior mente el cual es un foto-resistor o LDR que viene de la expresión inglesa Light Dependent Resistor, se caracterizan por ser componentes pasivos cuya resistencia varía en función de la luz que reciben, a medida que reciben más luz la resistencia disminuye notablemente.

Muestran una gran sensibilidad a la luz, pero si la luz varía muy rápidamente, los valores de la resistencia varían más lentamente (se dice que muestra inercia a las variaciones de la intensidad luminosa).

Entre las aplicaciones que tienen las fotorresistencias, se tiene que se pueden utilizar para:

Como detector de presencia, cuando se interrumpe la luz que incide sobre él. Como interruptor crepuscular, encendiendo una lámpara cuando se hace de

noche.

De las cuales en el diseño del circuito del grillo electrónico se desempeña como un interruptor por medio de luz, para que así éste se active en ausencia de luz.

Como se sabe, para que una bocina funcione de manera correcta, la señal que ésta reciba deberá de ser pulsante, por lo que el circuito que se puede emplear es uno ya conocido, el multi-vibrador astable.

El multi-vibrador astable provoca dos etapas de funcionamiento que se reemplazan espontáneamente. Los blocajes no son de origen electromagnético, como hemos visto en el oscilador, sino que estos dispositivos utilizan las propiedades que presentan dos transistores donde el desbloqueo de uno asegura el bloqueo del otro, de modo que se turnan en estas posiciones.

Circuito básico de multivibrador astable

Aquí tenemos un circuito básico de multivibrador astable que guarda gran parecido con el circuito básico de un amplificador de dos etapas, pero que presenta algunas particularidades especiales.

En primer lugar observamos que la salida del transistor T2 está conectado por el condensador C2 a la base del transistor T1, por lo que nos encontramos frente a un circuito de realimentación cuyo funcionamiento es el siguiente: En el momento en que el Interruptor (I) se cierra, la corriente procedente del dispositivo pasa a través del emisor a alimentar la base del transistor T1, pasando seguidamente a la base de T2, que a su vez se hace pasante y deriva toda su corriente negativa a través del condensador C2 hacia la base de T1, la cual se hace más pasante, se realimenta de nuevo la base de T2 y aumenta el paso de la corriente, etc., en una permanente y rápida sucesión de amplificaciones que duran hasta que se alcancen los valores máximos que el dispositivo permite. En este momento, uno de los transistores, el T2, se abre, y comienza a establecerse el relevo entre los dos transistores en virtud de la siguiente consecuencia:

Cuando el T1, por ejemplo, alcanza su máximo de conducción la tensión de colector de este transistor disminuye, circunstancia que se transmite, lógicamente, a la base del transistor T2. Pero además, estas variaciones de tensión se hacen positivas, lo que bloquea la base de T2. Esta es la razón por la que el transistor citado se bloquea, situación que se mantiene solamente un breve período de tiempo.

La tensión en el condensador C1, llegado el momento, va disminuyendo y por la resistencia de base R3 se va preparando un paso negativo para alimentación de la base T2 a través del negativo de la red, situación que se materializa cuando la tensión de C1 está por debajo de la tensión negativa de este punto. Así cuando T2 reciba tensión negativa en la base se produce una rápida amplificación de la corriente hasta que llega el momento de

la conducción al máximo de T2, y entonces se origina una depresión en la tensión que nos devuelve a la misma situación del caso anterior, ya que el transistor T2 se bloquea.

Sin embargo aunque este funcionamiento sea claro, en muchas ocasiones se obtienen incertidumbres debido a los tiempos de carga y descarga de los capacitores. Para resolver este problema se cuenta con un circuito que consta de dos transistores colocados de forma que aumentan el rendimiento de la señal así como también incrementa la potencia suministrada.

Los amplificadores de salida, también denominados de potencia, tienen como misión entregar a la carga una señal de potencia grande con la mínima distorsión y el máximo rendimiento. La impedancia de salida ha de ser pequeña puesto que la carga suele ser un altavoz (4 u 8 ohm); así pues, estos amplificadores suelen ser en colector común ya que su ganancia de Corriente es muy elevada y esto hace que la intensidad de la salida sea grande, lo suficiente como para mover la bobina del altavoz.

El circuito consta de dos transistores de características idénticas pero de diferente tipo, uno PNP y otro NPN (de aquí su nombre de "complementario"). Están polarizados en clase B por lo que cada transistor conducirá en semiciclos opuestos de la señal de entrada.

En la figura siguiente se ilustra el par Darlington. Dicho par es una configuración compuesta de dos transistores en cascada. Esta combinación de transistores posee algunas características deseables que la hacen más útil que un solo transistor en ciertas aplicaciones. Por ejemplo, el circuito tiene alta impedancia de entrada, baja impedancia de salida y alta ganancia de corriente. Una desventaja del par Darlington es que la corriente de fuga del primer transistor es amplificada por el segundo.

Esquema de par de Darlington

Si los dos transistores se conectan de la manera mostrada en la figura anterior, los betas de los dos transistores se multiplican, formando una combinación que parece un solo transistor β de alta. La impedancia de entrada de ambos transistores no es la misma, ya que el punto de operación del primer transistor es diferente del segundo. Esto se debe a que la carga equivalente en el primer transistor es 2(RE || RL), mientras que la carga en el segundo transistor es sólo RE || RL. En la práctica, el primer transistor puede tener un manejo de potencia menor que el segundo. La resistencia de entrada del segundo transistor constituye la carga del emisor del primer transistor.

Se puede diseñar un amplificador de alta ganancia de corriente utilizando la conexión de un par Darlington y transistores. Esta configuración se conoce como amplificador clase AB cuasi complementario con par Darlington, e incorpora un par Darlington con transistores NPN y un par retroalimentado consistente en un transistor NPN y uno PNP.

Los transistores Q2 y Q4 son transistores NPN similares capaces de manejar alta potencia. Los transistores Q1 y Q3 son complementarios y no necesitan manejar alta potencia. La carga efectiva para Q1 y Q3 es RL (donde es la ganancia de corriente del transistor de salida), que es grande comparada con RL.

Por tanto, el punto de operación para estos transistores es mucho menor en la línea de carga que el de los transistores Q2 y Q4.

La señal de entrada positiva provoca que Q1 conduzca, pero Q3 permanece en corte ya que se trata de un transistor PNP. Conforme la señal de entrada se hace negativa, Q1 se corta y Q3 conduce. Así, el circuito de entrada opera como el amplificador de potencia de simetría complementaria analizado antes. El resistor se puede ajustar para minimizar la distorsión de cruce por cero permitiendo que conduzcan tanto Q1 como Q2 cuando la señal de entrada está cercana a cero.

Lista de Componentes

Cantidad Componente Valor Teórico1 Transformador 10:1 Vprim = 120V , Vsec = 12V1 Puente de diodos 1N40021 Regulador de Voltaje LM3171 Resistencia 390Ω1 Resistencia 270Ω2 Resistencias 47kΩ3 Resistencias 1kΩ1 Resistencia 10kΩ1 Fotorresistencia -1 Bocina 8Ω2 Potenciómetros 5kΩ1 Condensador 14,3 μF1 Condensador 18 μF1 Condensador 22μF1 Condensador 22nF3 Transistores BC5461 Transistor BC556

Diseño del proyecto

El proyecto a realizar consta de una bocina accionada por la ausencia de luz por medio de una fotorresistencia. Sin embargo para realizar este fin, se necesita primero realizar el diseño adecuado del circuito de acuerdo a los resultados queridos. Además este sistema lo podemos dividir en dos etapas o partes, una es la de regulación, la que cual se encargara de adecuar el voltaje al requerido para la segunda etapa, la cual es el del circuito principal, que es donde se encuentra los dispositivos que harán la función de obtener el resultado final. En la imagen de abajo se muestra el esquema sencillo de estas etapas:

Esquema de las etapas del proyecto

Etapa de regulación de voltaje

Como sabemos, todos los circuitos formados por componentes electrónicos funcionan a bajo voltaje y de comportamiento de onda directa, lo cual provoca ciertos problemas porque en nuestro medio residencial el voltaje suministrado nacionalmente es de alto voltaje, específicamente de 120 V con un comportamiento de onda sinusoidal a una frecuencia de 60Hz.

Sin embargo este problema tiene solución mediante la implementación de un circuito regulador de voltaje, el cual tiene función de convertir un voltaje de comportamiento sinusoidal a onda directa y además con una amplitud deseada, a continuación se muestra en su forma básica a continuación.

Esquema básico de un circuito regulador de voltaje

Como se puede observar en la figura 9 este consta de varias etapas, detalladas en gris, las cuales para el propósito de la práctica se explicaran uno a uno.

En la primera etapa se dispondrá a disminuir la amplitud del voltaje entrante a nuestro circuito regulador, como se dijo antes el voltaje disponibles en nuestras residencias es de 120Vp y de forma alterna con una frecuencia de 60Hz, por medio de un transformador podemos, ya sea reducir o amplificar el voltaje de entrada. Por medio de una relación directa de las espiras que forman el lado primario con las espiras del lado secundario podemos obtener el voltaje deseado con un simple cálculo.

Configuración y esquema eléctrico de un transformador

Prim

ario

Secu

ndar

io

Para efectos de este proyecto se necesita minimizar el voltaje en 12Vp, por lo tanto la relación entre voltaje de entrada de entrada y salida del transformador es de 10 a 1, por lo tanto para obtener los 12 Vp a la salida del transformador es primordial respetar esta relación para el números de espiras en el trasformador, por ejemplo, si la barra del primario hay 100 espiras en el lado secundario deberá haber 10. En la imagen de abajo se puede observar la reducción realizada, la señal en verde es la del primario y la roja corresponde a la línea del secundario.

Gráfica de señales del transformador

Por lo tanto ya obteniendo un voltaje 12Vp. Podemos seguir adelante.

Aunque ya se haya reducido la amplitud del voltaje en una decima parte, aun este, como se puede observar, mantiene con comportamiento alterno a una frecuencia de 60 Hz, sin embargo se necesita que sea una señal directa continua, para ello se implementa un rectificador de onda completa, que permitirá hacer la señal continua. Para ello se utilizará un puente de diodos semiconductores 1N4001 como se muestra en la figura:

Esquema y señal VR de circuito rectificador de voltaje

Ahora se tiene una señal continua y lo que se busca además de esto es que sea lineal. Sin embargo es un error pensar que el regulador de voltaje mostrado en la figura 12 cumpliría con esta función teniendo está onda. Si bien los reguladores de voltaje de la serie LM78XX cumplen esta función de crear un voltaje continuo y directo a partir de una onda, aun así se deben cumplir algunas especificaciones hechas por el fabricante.

En la hoja de datos del fabricante para el regulador LM7805 que se encuentra anexada al final de este escrito podemos leer que el voltaje en la entrada del regulador para su funcionamiento óptimo es de 10VP. Por lo tanto se debe de modificar la señal resultante hasta este punto para lograr que se mantenga por encima de los 10 V, para ello es necesaria la implementación de un filtro por medio de un capacitor que permita mantener el voltaje en el rango de 12 a 10 V. Para ello es necesario el hacer algunos cálculos.

Como se sabe ya se ha reducido el voltaje a 12 por medio del transformador (VT) y se ha rectificado utilizando un puente de diodos. Sin embargo es sabido que los diodos rectificadores tienen una caída de voltaje de 0,7VP. Por lo tanto la onda tiene un voltaje máximo igual a:

Como este regulador va a estar sujeto a una carga más adelante, es importante especificar un valor de resistencia esperado, para efectos de estos cálculos y por supuesto es mejor ser holgados a la hora de suponer valores, por lo tanto se supondrá que RC= 10K, por lo tanto la corriente sería:

Además, como el objetivo es mantenerse en el voltaje de funcionamiento óptimo, el rizado obtenido debe ser menor al 0,6 V, por lo tanto

Entonces para Vdc se tiene que:

Ya teniendo estos valores se puede proceder a calcular el valor del condensador para el filtro, el cual debe ser mayor o igual al dado por la siguiente fórmula, para garantizar el rizado mínimo:

Una vez colocado el capacitor en su lugar, el circuito queda de la siguiente manera:

Esquema y señal VF del filtro de voltaje

Por lo tanto, ya tenemos un rango seguro de voltaje para que el regulador funcione de manera segura.

Como se pudo observar en la figura del esquema del proyecto, el circuito funcional a utilizar trabajará a un voltaje DC de 3V, consecuentemente para obtener este voltaje constante en la salida se necesitara la utilización de un regulador de tensión, el cual será específicamente el LM317, el cual es un regulador variable desde 1,5V a 15V en su salida un rango de 3V ≤ (VIN - VOUT) ≤ 40V.

Entonces para los efectos del proyecto, se tiene a la entrada del regulador 10V y se necesitan a la salida, el rango de voltaje de funcionamiento quedaría de la siguiente forma:

Como se cumple el rango de funcionamiento, se puede seguir adelante en la confección de la regulación.

En la hoja de datos del LM317, el fabricante especifica un circuito básico de este regulador, el cual, unido al circuito construido hasta ahora quedaría de la siguiente manera:

Esquema básico del regulador de voltaje

Como se puede observar, el voltaje de salida esta regulado por una resistencia (R1) y por un potenciómetro (R2). Los cuales poseen la siguiente relación, la cual se obtiene mediante un análisis entre las terminales OUT y ADJ:

Utilizando el voltaje deseado de salida de 3V y una resistencia R1 de 240Ω, por lo tanto se utilizara un valor comercial de 270 Ω, se tiene que el valor del potenciómetro será de 378 Ω, donde se utilizará un valor comercial de 390 Ω.

Una vez realizados los cálculos y encontrados los valores teóricos se procede a montar el circuito, cuya topología se puede visualizar en la siguiente figura:

Esquema Final de Circuito Regulador de Voltaje

Etapa de circuito principal

El circuito que se analizará a continuación es el encargado de ejecutar los diferentes estados predispuestos para el funcionamiento del circuito. Concretamente hablando, se propuso realizar un dispositivo electrónico análogo que controlase el accionamiento de una bocina por medio de la incidencia de la luz o por la ausencia de ésta.

Para ello es indispensable la fabricación de una onda que sea perceptible por el parlante y que este responda a ella, como se sabe una bocina funciona mediante la incidencia de la electricidad que es trasformada en electromagnetismo que hace vibrar un diafragma según la variación de la señal.

Por lo tanto, como se posee una onda de corriente directa continua, no es de gran utilidad, ya que el diafragma no vibraría y por ende no se generaría sonido. Por ello es necesaria la creación de una onda pulsante que permita al diafragma cambiar a estado continuamente.

Este cambio de onda directa a onda pulsante se puede realizar mediante la ejecución de un circuito multivibrador. A continuación se muestra el esquema básico para un multivibrador astable:

Esquema básico de Circuito Multivibrador AstableEste circuito ha sido utilizado en prácticas anteriores, por lo tanto es conocida la forma de calcular sus diferentes valores para obtener el funcionamiento deseado. En la sección de Anexos se encuentran los cálculos realizados para determinar R1, R2, C1 y C2. Habiendo encontrado estos valores, el circuito queda de la siguiente manera:

Esquema básico de Circuito Multivibrador Astable

Estos valores se han planteados con la finalidad de que el tiempo en alto de la señal sea de 0,7 segundos aproximadamente y el tiempo bajo sea de 0,6 segundo aproximadamente.

Por lo tanto, por medio del simulador TINA es posible crear una simulación de esta señal para observar si se ha lograrlo la transformación de la onda:

Señales resultantes de la simulación del circuito multivibrador Astable

Ahora que se posee una señal de 3V de comportamiento pulsante a una intensidad de corriente de 1,5 mA aproximadamente es posible implementar un circuito, esto debido a que las bocinas se rigen por la potencia que consumen, por lo tanto si es aumentada la corriente que la bocina percibe es posible obtener un funcionamiento mejorado.

Esto se puede lograr mediante la inclusión de dos transistores en cascada, también denominados de potencia, que como se habló en la suministrar a la carga una señal de potencia grande con la mínima distorsión y el máximo rendimiento, en este caso a la bocina de 8 ohm con una impedancia pequeña.

Por lo tanto tomando en cuenta la configuración mostrada en la nota teórica podemos montar un circuito de transistores de potencia, para mejorar la efectividad del circuito.

Esquema de amplificador en configuración cascada o Darlington

Sin embargo aún falta tal vez la parte esencial del circuito, hay que recordar que el circuito debe funcionar por la falta de incidencia de luz. Como se sabe una fotorresistencia (LDR) bajo la incidencia de luz opera a muy baja resistencia, por lo tanto se puede tomar como un circuito cerrado. Sin embargo cuando no detecta luminosidad es el caso contrario y trabaja como un circuito abierto, que es lo que se necesita para que funcione el circuito.

Por lo tanto, es necesario colocar este componente en un lugar estratégico de acuerdo a la necesidad mencionada. En la figura de abajo se muestra donde fue decidido colocar la LDR.

Esquema de amplificador de corriente controlado por una LDR

Ahora se puede realizar una comparación de los dos funcionamientos, con el amplificador y sin él. Esto por medio de las simulaciones, a continuación se muestra las diferentes señales.

Señales comparativas de funcionamiento

Como se puede observar las señales de la bocina (en verde) son visiblemente más adecuadas y limpias que las del multivibrador (en gris), por lo que se comprueba la efectividad del utilizar un amplificador de este tipo, además se muestra que se realizó la amplificación de corriente de 1,2 mA a 305 mA aproximadamente.

Ya encontrado en funcionamiento ideal del circuito, ya queda definido el sistema en su totalidad el cual se muestra en la figura a continuación.