UACM SAN LORENZO TEZONCO

Transcripción

1 PROYECTO FINAL DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II CONTROL DE TEMPERATURA MEDIANTE UN VENTILADOR LUIS SANTIAGO JOSE ALFREDO MARTINEZ UACM SAN LORENZO TEZONCO PROFESOR: EFREN RAMIREZ SOLIS

2 Introducción (Objetivo) Una de las partes importantes de la ingeniería es la optimización de dispositivos a travéz de mediciones y aplicaciones para registros dependientes de algunas señales. El mantenimiento de las maquinas en sus rangos operables favorables, garantiza una excelente función y obtención de los beneficios al máximo del mismo, así su rentabilidad será la adecuada para desarrollar al máximo la tarea a la que esta dirigida. Este proyecto desarrollara un dispositivo capaz de medir, procesar señales y mantener el control, en base de dos temperaturas o señales eléctricas indicadas por el interesado, procesándolas y alimentando a actuadores o instrumentos de salida, que generen comportamientos indicados por el usuario, utilizando amplificadores operacionales y así iniciar el manejo de dispositivos de potencia. Como objetivo final, un dispositivo que por medio de un sensor convierta señales físicas de temperatura en señales eléctricas que puedan ser detectadas y que a su vez le envíe la información a un amplificador operacional que la procese y proporcione una salida indicando algún comportamiento a otro dispositivo que ayude a reiniciar la señal, y cuando se logre el sensor envíe nuevamente otra señal para desactivar el dispositivo de ayuda, convirtiéndose en un ciclo eléctrico de señales que operen en un rango en base al sensor que convierte las señales físicas de temperatura en señales eléctricas.

3 Planteamiento del problema El dispositivo mantendrá una lectura, que variará dependiendo de un componente externo que moverá la temperatura y este a su vez las señales eléctricas manipuladas por el sensor, hasta que llegue a una cierta temperatura máxima o señal eléctrica máxima en el cual se disparará una señal eléctrica reconocible que está siendo procesada por el amplificador operacional y este a su vez envíe una señal de salida a un ventilador que disminuirá la temperatura que va de la mano con las señales eléctricas hasta que sea óptima para seguir desarrollando el trabajo inicial y hasta que sea lo suficientemente baja enviara nuevamente otra señal reconocible que otra vez se procesará haciendo que se apague el ventilador, mantendrá dos indicadores, un indicador máximo en el que inicia el ventilador su secuencia y un indicador mínimo en el que el ventilador termina su secuencia y por consiguiente se apagará, dependiendo de la temperatura del dispositivo externo del cual se mantendrán la alimentación de las lecturas. Desarrollo de la solución del problema (memoria de cálculo, esquemas, consideraciones importantes y diagramas eléctricos) Intuitivamente necesitamos un dispositivo que tenga la propiedad de hacer bajar la temperatura, obviamente sería un ventilador y algún tipo de swich que lo accione. Necesitamos un amplificador operacional que nos accione este ventilador cuando se tenga la necesidad y que de la misma forma apague este dispositivo. También necesitamos un receptor de temperatura, algún dispositivo que convierta esa señal física a una señal eléctrica, fácil de detectar y manejar. Son tres diferentes partes las que requerimos investigar. La parte más difícil será encontrar un circuito que me compare señales eléctricas y que cuando sean iguales en la salida me envié la ganancia que yo requiera para hacer funcionar mi ventilador. Sin embargo en clase hemos estudiado: EL COMPARADOR CON RETRALIMENTACION POSITIVA, Voltaje Umbral Superior, Voltaje Umbral Inferior, La función de transferencia, El ciclo de Histéresis que van de acorde a nuestra necesidad pues requerimos de un detector de dos voltajes y de las características que se adecuan a nuestro proyecto.

4 Cuando se utiliza un comparador en su configuración básica, existe la cualidad de que sólo es necesario que la entrada a comparar tenga un nivel ligeramente diferente al de la referencia para que la salida pase a saturación positiva o negativa. En este caso trataremos de utilizar la saturación positiva. También que la señal a comparar debe ser una señal lo más libre de ruidos para que no nos cause tensiones de salida falsas ya que si una señal de entrada es afectada por ruido con una cierta amplitud nos podría proporcionar un valor no deseado, una forma de evitar estas salidas no deseadas es la retroalimentación positiva CICLO DE HISTERESIS Se denomina histéresis a la separación entre los tramos horizontales de la gráfica. En este circuito, la histéresis es 2 V

5 FUNCION DE TRANSFERENCIA A partir de la función se puede trazar el ciclo de histéresis relacionando la gráfica directamente. Donde nos muestran dos diferentes voltajes el VOLTAJE UMBRAL SUPERIOR Y EL VOLTAJE UMBRAL INFERIOR. Cuando V 0 =+V sat, el voltaje retroalimentado se le denomina Voltaje Umbral Superior. Y se expresa con el siguiente divisor de voltaje. Cuando V 0 =-V sat, el voltaje retroalimentado se le denomina Voltaje Umbral Inferior. Y se expresa con el siguiente divisor de voltaje. Aproximándose más a nuestra necesidad, del libro AMPLIFICADORES OPERACIONALES Y CIRCUITOS INTEGRADOS LINEALES tiene en su página 99 el tema de, detectores de nivel de voltaje con ajuste independiente de histéresis y de voltaje central.

6 Proporcionándonos las fórmulas para encontrar: Por lo que con estos datos ya podemos empezar a ubicar el componente que necesitamos.

7 Nos sugiere ver el dispositivo LM311. La serie LM311 es un voltaje monolítico, corriente de entrada baja, comparador. El dispositivo también está diseñado para operar desde dual o el voltaje de alimentación única. Características: Baja corriente de polarización de entrada: 250nA (Max) Entrada de bajo desplazamiento actual: 50nA (Max) Tensión de entrada diferencial: ± 30V Tensión de alimentación: Fuente de solo 5,0 V a ± 15V. Desplazamiento nula capacidad de voltaje. Strobe capacidad. Notas: 1. 0 Ta +70 C 2. El tiempo de respuesta especificado es para un paso de entrada 100 mv 5 mv con sobre marcha. Que por las propiedades del dispositivo que andamos buscando nos sirve. Dentro de las características eléctricas me dice que yo puedo operar con: V UT =3.5V y V LT =2.5V

8 Si, V UT =3.5V, V LT =2.5V, V ctr =3V, Vcc=12V, y V DD =-12V V H =1V ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Para sacar el valor de las resistencias, supongamos que R=1kΩ, entonces: Llegando a la primera configuración simulada de: ( )( ) ( )( )

9 Sin embargo el comparador con ajustes independientes para histéresis y el voltaje de referencia como opción utilizaremos el LM741, por sus características eléctricas. Es un amplificador operacional. Descripción La serie LM741 son amplificadores operacionales de propósito general. Está destinado a una amplia gama de aplicaciones analógicas. La alta ganancia y amplia gama de tensión de funcionamiento proporcionar rendimiento superior en integrador, amplificador sumador, y aplicaciones generales de retroalimentación. Características Protección contra cortocircuito Excelente estabilidad de la temperatura La compensación de frecuencia interna Entrada de alto rango de tensión Null de compensación Dentro de sus características eléctricas en contamos que: VCC = 15V, VEE = -. 15V TA = 25 C, a menos que se especifique lo contrario. 0 C Ta 70 C VCC = ± 15V, a menos que se especifique lo contrario La siguiente especificación se aplican en todo el rango de 0 C Ta +70 C para la LM741C; -40 y el C Ta +85 C.

10 Si V 0 del LM741 tiene Vcc=12V, Rf=10kΩ, R=1kΩ ( ) ( ) También de las características tenemos que por cada cambio en 1 grado centígrado en igual a 10mV, 1 C. De la necesidad de tener unos receptores de calor que me convierta la cantidad física en eléctrica observamos que el LM35 con las siguientes características: Sensores de Precisión de temperatura LM35 Sensores de Precisión de temperatura en grados centígrados Descripción General La serie LM35 es la precisión de circuitos integrados temperatura sensores, cuya tensión de salida es linealmente proporcional a la Celsius (centígrados) la temperatura. El LM35 tiene así una ventaja sobre los sensores de temperatura lineales calibrado en Kelvin, como el usuario no está obligado a sustraer una gran constante voltaje de la salida para obtener centígrados conveniente escalamiento. El LM35 no requiere ninguna calibración externa o el recorte de proporcionar precisiones típicas de g (/ 4 C a temperatura ambiente y g * / 4 C durante un total b55 a a150 C Rango de temperatura. Bajo costo está asegurado por el recorte y calibración a nivel de oblea. El LM35 de baja impedancia de salida, salida lineal, y la calibración inherente preciso hacer interfaz con lectura o circuitos de control especialmente fácil. Lo se puede usar con fuentes de alimentación individuales, o con más y suministros de menos. Como se señala a sólo 60 ma de su oferta, que tiene muy baja auto-calentamiento, menos del 0,1 C en aire quieto. El LM35 es tasados para funcionar en un b55 C a150 a temperatura rango, mientras que el LM35C está pensado para una b40 C a a110 rango (b10 con mayor precisión). La serie LM35 es

11 envasados disponibles en paquetes herméticos transistores TO-46, mientras que el LM35C, LM35CA, y LM35D también están disponibles en el plástico TO-92 transistor paquete. El LM35D es también disponible en una superficie de 8-lead montar paquete pequeño esbozo y un plástico TO-202 paquete. Características * calibrada directamente en el Celsius (centígrados) * Linear un 10,0 mv / C factor de escala * 0.5 C Precisión guaranteeable (a a25 C) * Con la calificación completa b55 C a a150 rango Adecuado para aplicaciones remotas Y * Bajo costo debido a la oblea-nivel de recorte * Opera 4 a 30 voltios * Menos de 60 ma de corriente de fuga * Bajo calentamiento espontáneo, 0,08 C en aire * No linealidad sólo g (/ 4 C típico * Salida de baja impedancia, 0,1 X para 1 ma de carga

12 Una vez entendido el comportamiento del LM35 y LM741 podemos realizar la conexión entre ellos y tener nuestro detector de calor en grados centígrados. La tercer y última etapa corresponde a un swich que me encienda mi ventilador manejado desde una señal que provenga de mi comparador. En el semestre pasado estudiamos los transistores operacionales, entre ellos el 2N2222, con las siguientes características: DESCRIPCIÓN El 2N2222 es un interruptor de alta velocidad, de silicio planar epitaxial transistores NPN en Jedec A-39 (para 2N2218 y 2N2219) y en Jedec A-18 (para 2N2221 2N2222 y) los casos de metal. Ellos están diseñados para aplicaciones de conmutación de alta velocidad en las corrientes de colector hasta 500 ma, y característica útil ganancia de corriente en un amplio intervalo de corriente de colector, bajas corrientes de fuga y bajas tensiones de saturación. Tamb = 25 C a menos que se especifique lo contrario.

13 El dispositivo de enfriamiento está listo y simulado. Tenemos que unir las tres diferentes partes del dispositivo principal. Para crear la simulación en Multisim.

14 RESULTADO DEL PROYECTO Con los tres componentes simulados en Multisim observamos que solo nos falta unir las partes de entradas y salidas de cada componente. Como se puede observar el ventilador en Multisim fué sustituido por un BUZZER debido a que no se encontró el dispositivo de ventilación, y a que se le pueden incluir ciertas características que ayuden solo a emular el dispositivo real. Una vez teniendo todos los componentes se realiza la compra de los mismos: DESCRIPCION PESOS TRANSISTOR 2N2222 $ SENSOR DE TEMPERATURA LM35 $ DISIPADOR $ RESISTENCIAS DIVERSAS $ COMPARADOR LM311N $ AMPLIFICADOR 741 $ PASTA DISIPADORA $ LED,CABLES, VARIOS $ VENTILADOR $ TOTAL $

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16 El ensamblado en la Protoboard ya con todos los elementos físicos y el diagrama final. RESULTADO: EL DISPOSITIVO DESPUES DE CONECTARLO A LA FUENTE EN SERIE SI FUNCIONO AL LLEGAR A 44 C QUE SE LE IMPLEMENTO AL RECEPTOR DE CALOR CON UN CAUTIN. UNA VEZ ENCENDIDO EL VENTILADOR Y HABER RETIRADO EL CAUTIN SE APAGO EN 24 C.

17 Mediciones con el osciloscopio y el multímetro, generando gráficas y comprobando voltajes.

18 Conclusiones La optimización de dispositivos es una ventaja para el trabajo del cual fueron destinados. Trabajar en los rangos de temperatura ideales hacen que cualquier máquina dé su optimo desempeño haciéndola más eficiente y productiva. Los amplificadores operacionales, los comparadores de histéresis y la relación con los transistores es una combinación destinada a trabajar en conjunto lo que los hace compatibles entre sí, únicamente es necesario saber los niveles a los que trabajan y relacionarlos lo más adecuadamente posible. Un dispositivo que ayude a mantener la temperatura de cualquier maquina en su trabajo diario hace que proyecte su vida útil a un mayor tiempo. Esta clase de dispositivo se emplean en casi cualquier máquina que necesite una estabilidad de temperatura, desde las computadoras hasta calefactores caseros programados, y una vez que se sabe del funcionamiento y programación del dispositivo puede utilizarse también en refrigeradores y hornos de estufas. La relación que existe entre la temperatura y cantidad eléctrica es una relación implícita para algunos dispositivos diseñados para la conversión exacta o aproximada a la realidad. Siempre será necesaria la relación física y eléctrica entre sí para el desarrollo de más tecnología. Bibliografía mperature+sensors.htm

19 Apéndices El dispositivo central se propuso en base a tres diferentes partes que componen el control de la temperatura mediante un ventilador. La primer parte es el swich conformado por un transistor que deja pasar la corriente al ventilador. La segunda parte es un circuito comparador de histéresis, que una vez que los voltajes son iguales proporciona el voltaje al transistor que funciona como swich para que se encienda el ventilador. La tercer parte es el receptor de temperatura que proporciona 10mV por cada 1 C al dispositivo amplificador operacional de incremento o decremento en la lectura por calor, que este a su vez alimenta al comparador. Una vez logrado que el receptor de calor proporcione el suficiente voltaje al amplificador y este a su vez lo transmita ya trabajado al comparador que señale que los voltajes son iguales y dispare el voltaje necesario para que el transistor encienda el ventilador, inicia el ciclo de enfriamiento donde nuevamente el receptor de calor empieza a descender su emisión de voltaje hasta que el tan pequeño que la señal recibida por el amplificador operacional no puede enviar el suficiente voltaje al comparador se abre nuevamente el swich y por consiguiente se apaga el ventilador. Según las medidas proporcionadas por el multímetro la ventana de temperatura del comparador debido al voltaje de histéresis se encuentra en el encendido a 44 C, y para el apagado a 24 C.