Sensor de luz y PWM con Amplificadores Operacionales

Practica No. 2

Ttulo: Sensor de luz y PWM con Amplificadores OperacionalesFecha: 18 de Septiembre del 2013.

instituto tecnolgico de lencampus ii

Sensor de luz y PWM con Amplificadores OperacionalesElectrnica Analgica Crdenas Martnez Jos MiguelGil Martnez Mnica Gabriela Hernndez Azpeitia Axel JosInfante Olmos Marcos Daniel Con la asesora de:Ing. Vzquez Olgun Miguel ngel

18/septiembre/2013

TABLA DE CONTENIDO1.Objetivos:32.Introduccin:33.Marco terico:43.1.- Modulacion de ancho de pulsos.43.2.- Comparador.43.3.- Comparador con histresis.64.Material y equipo:95.Desarrollo106.Resultados y anlisis127.Conclusin158.Referencias bibliogrficas.16Tabla de imgenes17

1. OBJETIVOS:

Usar el PWM en un circuito real. Disear un circuito que haga las siguientes operaciones:a) Que detecte 3 niveles de intensidad de luzb) Aadir a un PWM y modificar el ancho de pulso en 3 niveles 30%, 60% y 90%.

2. INTRODUCCIN:

El amplificador operacional es un amplificador diferencial con una ganancia muy alta, con una elevada impedancia de entrada y una impedancia de salida baja.

Los usos ms tpicos del amplificador operacional son proporcionar cambios de amplitud de voltaje (amplitud y polaridad), osciladores, circuitos de filtros y muchos otros tipos de circuitos de instrumentacin.Un op-amp contiene varias etapas de amplificador diferencial para lograr una ganancia de voltaje muy alta.

3. MARCO TERICO:

3.1.- MODULACION DE ANCHO DE PULSOS.

Lamodulacin por ancho de pulsos(tambin conocida comoPWM, siglas en ingls depulse-width modulation) de una seal o fuente de energa es una tcnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una seal peridica (unasenoidalo unacuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir informacin a travs de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energa que se enva a una carga.

El ciclo de trabajo de una seal peridica es el ancho relativo de su parte positiva en relacin con el perodo. Expresado matemticamente:

Donde: D= Ciclo de trabajo. = Tiempo en que la funcin es positiva (ancho del pulso).T= Perodo de la funcin.

La construccin tpica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta a un oscilador de onda dientes de sierra, mientras que la otra queda disponible para la seal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la seal dientes de sierra y el ciclo de trabajo est en funcin de la portadora.La principal desventaja que presentan los circuitos PWM es la posibilidad de que haya interferencias generadas por radiofrecuencia. stas pueden minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentacin.

En la actualidad existen muchos circuitos integrados en los que se implementa la modulacin PWM, adems de otros muy particulares para lograr circuitos funcionales que puedan controlar fuentes conmutadas, controles de motores, controles de elementos termoelctricos,choppers para sensores en ambientes ruidosos y algunas otras aplicaciones. Se distinguen por fabricar este tipo de integrados compaas comoTexas Instruments, National Semiconductor, Maxim, y algunas otras ms.

3.2. COMPARADOR.

Si pretendemos usar el amplificador en lazo abierto vemos que, en la prctica, en la salida slo podemos tener dos voltajes posibles (tensin alta o tensin baja), ya que la gran ganancia del amplificador hace que la salida se sature en cuanto la tensin diferencial en la entrada supere unas pocas decenas de micro voltios. Podemos considerar por lo tanto la salida del A. O. como una seal digital que dar un nivel lgico alto si la tensin analgica en la entrada VI+ es mayor que la de VI-. En resumen, el circuito se comporta como un comparador para las tensiones analgicas de las entradas.

Ilustracin 1.- COMPARADOR

Cualquier A. O. puede usarse como comparador, aunque slo cuando la velocidad de conmutacin no es elevada. Ello se debe a que el condensador de compensacin del A. O. limita el slew-rate en la salida lo que se traduce en tiempos de conmutacin largos. Por ejemplo, un uA741 alimentado con 15V tardara en cambiar su salida un tiempo Dt = DV=SR = 30V=0; 6 (V=s) = 50 s. Sin embargo el condensador de compensacin no es necesario en un comparador pues al no haber realimentacin no hay problemas de estabilidad. Hay en el mercado circuitos integrados diseados para ser utilizados como comparadores que no incluyen el condensador de compensacin y que tienen unos tiempos de conmutacin mucho menores. Estos circuitos no deben utilizarse con realimentacin negativa pues pueden no ser estables.

Como ejemplo veremos el comparador LM339 cuyo esquema simplificado se muestra en la figura:

Ilustracin 2.- Esquema comparador

Este comparador presenta un gran parecido con el A. O. LM124, al menos en su entapa de entrada. El rango de entrada en modo comn tambin incluye VEE, con lo que en muchas ocasiones VEE se conecta a tierra. La salida, por el contrario, es de colector abierto. Q8 estar en corte para VI+ > VI- y en saturacin en caso contrario. Esto nos obliga a conectar una resistencia de pull-up externa, RPU, entre la salida y VCC para generar la tensin de salida. La salida de colector abierto facilita la interconexin del comparador con los circuitos digitales de diferentes familias lgicas. Las principales caractersticas de este comparador se muestran en la siguiente tabla:

Tiempo de respuesta (pequea seal)1,3 s

Tiempo de respuesta (gran seal)0,3 s

Ganancia (Rpu = 15k)200 000

Rango de entrada en modo comn VEE hasta VCC -15v

Corriente de salida mxima16mA

Voltaje de offset en la entrada2 mV

Corriente de polarizacin en las entradas25 nA

Observamos que el tiempo de respuesta es mucho menor que en el caso del A. O. Tambin vemos que el comparador tarda ms tiempo en conmutar cuando el cambio de tensin en la entrada es pequeo. En ocasiones los niveles de tensin en la salida de los comparadores son excesivos. Estos niveles se pueden reducir usando simples divisores de tensin, o por ejemplo, mediante limitadores basados en diodos zner:

Ilustracin 3.-Divisor de tensin con diodos zner

El circuito de la izquierda podra utilizarse para adaptar los niveles de tensin a los de los circuitos digitales si el diodo zner tiene una tensin de ruptura de unos 5V. El circuito de la derecha incluye un limitador simtrico (siempre que los dos diodos sean iguales) Las tensiones de salida incluyen la tensin de ruptura zner y la cada en directa de uno de los diodos (VZ =Vzener +VD).3.3.- COMPARADOR CON HISTRESIS.

Una posible aplicacin del comparador sera la generacin de ondas cuadradas a partir de seales sinusoidales. Las ondas cuadradas a su vez se podran usar como seales de reloj en circuitos digitales. Para ello basta con comparar la tensin sinusoidal con la tensin de la tierra (0V), tal como se muestra en la figura:

Ilustracin 4.- Comparador

Sin embargo este circuito tiene el inconveniente de ser muy sensible al ruido. Si la seal sinusoidal est degradada por pequeas amplitudes de ruido se obtiene en la salida una seal con glitches en los flancos, tal y como podemos comprobar en la grfica adjunta. Esta seal de salida no podra utilizarse como reloj ya que un circuito digital interpretara cada uno de los glitches como un pulso de reloj completo (Los circuitos digitales suelen ser mucho ms rpidos que los comparadores tpicos).

El problema expuesto en el circuito anterior podra solucionarse si el comparador tiene histresis. La histresis puede interpretarse habra que llevar la entrada por debajo de una tensin umbral negativa, mientras que para cambiar la salida a como una resistencia que presenta el comparador a cambiar el estado de su salida, de modo que para llevarla a nivel bajo nivel alto habra que superar una tensin umbral positiva. Estas tensiones umbrales definen el ancho del ciclo de histresis que se observa en la caracterstica de transferencia. Si la amplitud del ruido no supera los umbrales del ciclo de histresis se obtendr en la salida una onda cuadrada limpia de glitches:

Ilustracin 5.-Comparador con histresis

La histresis se consigue mediante una realimentacin positiva a frecuencia nula (DC). Esta realimentacin puede estar presente en el interior del comparador o se puede aadir externamente, lo que nos permitir controlar las caractersticas del ciclo de histresis. En el siguiente circuito tenemos un ejemplo de comparador con histresis no inversor:

Ilustracin 6.-Retroalimentacin positiva

En el esquema hemos incluido un circuito limitador que en algunos casos podra no estar presente. Observemos que se trata de un comparador y no de un amplificador ya que la realimentacin se hace hacia la entrada positiva. Para analizar estos circuitos y encontrar los umbrales de su ciclo de histresis, VTH y VTL, partimos de considerar que en la salida slo podemos tener dos tensiones posibles, que sern +VZ y VZ, e intentaremos encontrar la tensin en la entrada, VI, que hace que la entrada positiva, VX, tenga la misma tensin que la entrada negativa (en este caso 0V), ya que esta es justo la tensin a la que cambiar la salida del circuito.

En la siguiente figura se muestra el esquema de un comparador con histresis inversor. De nuevo observamos la realimentacin positiva que lo diferencia de un amplificador no inversor. En este caso la salida conmutar cuando la tensin VI coincida con la tensin VX que a su vez depender del voltaje en la salida.

Ilustracin 7.-Comparador con histresis inversor

Los comparadores con histresis tienen mltiples aplicaciones dentro de los circuitos analgicos, entre las que cabe destacar su uso en los osciladores de relajacin.

4. MATERIAL Y EQUIPO:

2 Fotorresistencias 1Pot de 30 M 1 Pot de 1.5k 3 Resistencias de 100k 1 Resistencia de 100 11 Resistencias de 1k 2 Resistencias de 20k 4 Resistencias de 330 1 Resistencia de 5k 4 LEDs rojo difuso 6 LM741 Generador de funciones Multmetro Protoboard Cables caimn y bananas Osciloscopio Fuente

5. DESARROLLO

Para el diseo de un dispositivo que cumpla la accin que requerimos, es necesario visualizar antes de amar que elementos nos ayudaran, a lograr nuestro objetivo. Mediante el anlisis del problema se fue llegando a conclusiones sobre qu tipos de circuitos utilizar, as como realizar los clculos y la investigacin necesaria, una vez teniendo en claro lo que necesitamos se procedi a probar utilizando un simulador de circuitos, en esta ocasin se uso el LiveWire, debido a que presenta de forma grafica todos los errores de diseo a comparacin de Multisim que se reserva a solo otorgar resultados de sus clculos en anlisis de circuitos.

Secuencia de diseo En conclusin al disminuir la intensidad de luz, obtendremos un mayor voltaje.

Ilustracin 8.- Primer esquema del sensor de luz LDR.

En este primer diseo se puede observar un amplificador no inversor como primera etapa, el cual se encargaba de amplificar la seal formada por el divisor de voltaje integrado por VR1 y VR2 (el cual representa al LDR). Despus se encuentran 3 comparadores de nivel, los cuales se elevaran a ms saturacin al detectar voltajes de igual magnitud entre sus terminales o una mayor magnitud en la entrada no inversora, a su salida se observa una etapa de transistores que se encargaban de solo permitir el encendido de un LED dependiendo de la cantidad de luz. Seguido se encuentran otro par de transistores accionando un switch bilateral que tambin despus fue remplazado.Este diseo constaba de demasiados componentes y adems al tener tantos se eleva la posibilidad de fallo, por lo que fue rediseado casi completamente.

Una manera de reducirlo fue quitando la etapa de amplificacin, ya que al formar un divisor de voltaje que despus solo era comparado realmente no era necesario el utilizarlo, esto se comprueba mediante la siguiente tabla.

Voltaje (volt)Resistencia fija (ohm)

155000

LDR (ohm)Salida de voltaje (volt)

00

20004.285714286

40006.666666667

60008.181818182

80009.230769231

1000010

1200010.58823529

1400011.05263158

1600011.42857143

1800011.73913043

2000012

2200012.22222222

2400012.4137931

2600012.58064516

2800012.72727273

3000012.85714286

Tabla 1.- Voltaje obtenido mediante el divisor del LDR

Los colores indican el nivel de luz sensado por el LDR, donde; naranja corresponde a mucha luz, amarillo a luz ambiente y verde para oscuridad. Aunque pareciera que el rango de los dos primeros es muy pequeo fue donde obtuvimos mayor repetitividad en las mediciones, encontrando que para luz intensa el valor de resistencia es igual a 700ohm, luz ambiente 1.3kohm-3kohm y oscuridad se eleva hasta el orden de 3Mohm.

A este particular dispositivo se le agregara el PWM encargado de modular el ancho de pulso.

Ilustracin 9.- Primer propuesta de PWM.

Ilustracin 10.- Visualizacin de ciclos de trabajo 30, 60 y 90% de izquierda a derecha.Al tener los trabajos en 30, 60 y 90% su visualizacin en el osciloscopio sera la siguiente:

6. RESULTADOS Y ANLISIS Al llevar a cabo el armado de nuestro circuito descubrimos que el circuito 4066 presenta una resistencia interna de 130 ohms, que no estaba contemplada y que adems alteraba seriamente el funcionamiento del circuito. Este circuito lo estbamos utilizando para cerrar un circuito de resistencias en paralelo en el PWM para variar el ancho de pulso, para resolver este problema se decidi usar rels de 9V activados por TIP41C que a su vez conmutaba al recibir una seal en alto de los comparadores; esta solucin sirvi aunque fue poco ortodoxa e ingeniosa.

Ilustracin 11.- Diagrama utilizado para el primer ensamble de circuito.

Otro problema encontrado fue en el PWM que en la simulacin si nos variaba el ciclo de trabajo que vea el motor, pero al armarlo no funciono como tal y los cambios prcticamente fueron imperceptibles. Esta etapa se cambio por un modulador PWM con 741 y generador de seales el cual si nos funciono aunque no se notaba gran diferencia en el cambio de 60% a 30%, esto se debi a que utilizamos la seal mxima de salida del generador, la cual es igual a 5V y los valores a utilizar fueron de 3, 1 y .5V para 30, 60 y 90% del ciclo de trabajo respectivamente. La variacin fue imperceptible dado que usamos divisores de voltaje para obtener las referencias y fue muy difcil obtener los valores exactos con los valores de resistencias comunes.

Ilustracin 12.- Etapa de sensor y comparadores de nivel.

En este paso el circuito ya era funcional y adems se puede recalibrar la sensibilidad mediante VR4, se tienen en funcionamiento dos relevadores que nos podran servir para activar otros circuitos o elementos tales como lmparas, motores e indicadores.

Ilustracin 13.- Ensamble y funcionamiento de circuito conforme a lo diseado.

Ilustracin 14.- Fuente de alimentacin utilizada.

El profesor reviso y aprob el circuito realizando mltiples pruebas de funcionamiento y de iluminacin , donde encontr que al iluminar en forma angular el circuito se portaba inestable y los rels conmutaban con gran frecuencia; este es otro problema a solucionar debido a que los rels podran fallar debido a verse reducido su tiempo de vida gracias a esta inestabilidad.

Ilustracin 15.- Circuito armado con puntas de generador y osciloscopio.

Ilustracin 16.- Seal diente de sierra para PWM.

Ilustracin 17.- Ciclo de trabajo obtenido (En circuito armado) para 90%.

7. CONCLUSIN

Para este circuito se implemento bastante de lo aprendido en clase, se realizo un circuito funcional el cual fue aprobado aunque a continuacin presentamos otra propuesta de circuito funcional hecha solo con amplificadores operacionales.

Ilustracin 18.- Rediseo de circuito

Esperamos poder armarlo y probarlo; en este circuito se pueden identificar 3 comparadores de nivel, un promediador no inversor, un amplificador no inversor para la seal del generador y un detector de nivel que nos genera el ciclo de trabajo que ve el motor.Algo importante para nosotros fue demostrarnos que si fue posible resolver el problema utilizando solo amplificadores operacionales adems que el nuevo circuito es mucho ms estable, confiable y preciso.

Otra conclusin importante es que se practico el armar circuitos en protoboard, ya que este es mucho ms grande que los armados en las practicas comunes y realmente es de mucha ayuda para el futuro el saber ensamblar bien un circuito.

Nos gustaran mas practicas como esta, debido a que fomentan la investigacin, el ingenio y sobre todo es mucho ms motivante el tratar de resolver problemas como este a solo comprobar leyes y/o valores.

Ilustracin 19.- Amplificacin de seal del generador y seal cuadrada (C.T.= 30%) obtenida en el comparador.8. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS.

1. Fundamental of electric circuitsCharles k. Alexander-Mathew N. O. Sadiku3 Ed.

2. Enciclopedia de Electrnica. Revista Club Saber Electrnica.Pginas 63-69.Edicin 2010.

3. Wikipedia. Esp. Acerca de un PWM

Tabla de imgenes Ilustracin 1.- COMPARADOR5Ilustracin 2.- Esquema comparador5Ilustracin 3.-Divisor de tensin con diodos zner6Ilustracin 4.- Comparador6Ilustracin 5.-Comparador con histresis7Ilustracin 6.-Retroalimentacin positiva7Ilustracin 7.-Comparador con histresis inversor8Ilustracin 8.- Primer esquema del sensor de luz LDR.10Ilustracin 9.- Primer propuesta de PWM.11Ilustracin 11.- Diagrama utilizado para el primer ensamble de circuito.12Ilustracin 10.- Visualizacin de ciclos de trabajo 30, 60 y 90% de izquierda a derecha.12Ilustracin 12.- Etapa de sensor y comparadores de nivel.13Ilustracin 13.- Ensamble y funcionamiento de circuito conforme a lo diseado.13Ilustracin 14.- Fuente de alimentacin utilizada.14Ilustracin 15.- Circuito armado con puntas de generador y osciloscopio.14Ilustracin 16.- Seal diente de sierra para PWM.14Ilustracin 17.- Ciclo de trabajo obtenido (En circuito armado) para 90%.14Ilustracin 18.- Rediseo de circuito15Ilustracin 19.- Amplificacin de seal del generador y seal cuadrada (C.T.= 30%) obtenida en el comparador.15

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