Diego Luis Aristizábal R., M. Sc. en Física Profesor Asociado Escuela de Fïsica Universidad Nacional de Colombia

Transcripción

1 Diego Luis Aristizábal R., M. Sc. en Física Profesor Asociado Escuela de Fïsica Universidad Nacional de Colombia Carlos Alberto Ramírez M., M. Sc. en Física Profesor Asociado Escuela de Fïsica Universidad Nacional de Colombia Roberto Fabián Retrepo A., M. Sc. en Física Profesor Asociado Escuela de Fïsica Universidad Nacional de Colombia Esteban González V., Ing. Físico Asistente Técnico Escuela de Fïsica Universidad Nacional de Colombia

2 Página 2 PhysicsSensor Descripción En este manual se describen los pasos necesarios para la construcción de un amplificador, figura 1, que acoplado a la tarjeta de sonido de un PC (Computador Personal) y mediante del uso de Software Libre (en nuestro caso el Generador Virtual de la plataforma PhysicsSensor de propiedad de la Universidad Nacional de Colombia) se convierte en una herramienta de bajo costo y alta confiabilidad (alta exactitud y alta precisión) que reemplaza un generador de señales comercial. Materiales Figura 1 Cantidad Código Descripción Costos 1 Tarjeta con el circuito impreso 4 D1, D2, D3 Y D4 Diodo 1N C3, C4 Capacitor Electrolitico de 1000 µf 25 V 2 C10, C11 Capacitor Electrolitico de 100 µf 1 C7 Capacitor Electrolitico de 22 µf US$ 4 US$ 0,10 US$ 0,25 US$ 0,05 US$ 0,02 2 C2, C5 Capacitor cerámico de 0,1 µf US$ 0,07 1 C_ENTRADA Capacitor de poliester de 1 µf US$ 0,2 1 C6 Capacitor de poliester de 0,22 µf US$ 0,075 1 R2 Resistencia de 1/4 W y de 22 kω US$ 0,01 1 R3 Resistencia de 1/4 W y de 1 kω US$ 0,01 1 R4 Resistencia de 1/4 W y de 20 kω US$ 0,01 1 R1 Resistencia de 1/4 W y de 1 MΩ US$ 0,01 1 R_SALIDA Resistencia de potencia de 5 W y de 1 Ω US$ 0,20 AUDIO_IN, 2 AUDIO_OUT Bornera de 2 Puestos US$ 0,35 1 X1 Bornera de 3 Puestos US$ 0,25

3 Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias, Escuela de Física, Sede Medellín Página 3 Cantidad Código Descripción Costos 1 IC1 Circuito integrado LM1875T US$ 5 2 Resistencia de 1/2 W y de 220 Ω US$ 0,01 1 Porta fusible 5x20mm Chasis US$ 0,4 1 Fusible de 1 A US$ 0,03 1 Switch balancín redondo con piloto, 6A/125VAC, diámetro 15mm. US$ 0,8 1 Jack mono para chasis US$ 0,3 1 Ventilador de 2", DC 12 V US$ 1,8 1 Banana Hembra Negra US$ 0,25 1 Banana Hembra Roja US$ 0,25 1 Transformador Blindado chino de 1A. Entrada 110 V, salida 12 V V US$ 6 1 Terminal aislada rosada hebra US$ 0,5 1 Terminal aislada rosada macho US$ 0,6 1 Toma chasis 110 V US$ 0,3 1 Disipador T0-2 US$ 0,6 4 Tornillos de 1/8 x 3/4 con tuerca 10 Tornillo goloso #4 x 1/4 1 Cable 1x1 de 1.8 metros de largo US$ 1 1 Cable de alimentación para grabadora US$ 1,5 1 Caja en acrilico US$ 10 Termoencogible de 3 y 4 mm Cable para vehículo calibres 22 y 24. Elementos para hacer soldadura con estaño (Cautín, soldadura de estaño, crema para soldar) Procedimiento Para comenzar, se debe construir el circuito impreso sobre el cual se van soldar todas las partes electrónicas y cuyo diseño se hizo en el software Eagle Layout Editor [1]. Esta es una potente aplicación para diseñar circuitos impresos y realizar esquemas electrónicos, la cual cuenta con una versión gratuita (la versión Freeware de EAGLE Light Edition) que se puede descargar desde la página Web

4 Página 4 PhysicsSensor Para poder diseñar el circuito impreso se debe crear un proyecto en Eagle y en la carpeta del proyecto se almacenan una serie de archivos. El archivo que se necesita es el que tiene la extensión.brd, el cual normalmente tiene el nombre del proyecto, es decir <nombre_proyecto>.brd. Éste archivo se debe enviar a la empresa encargada de quemar el circuito impreso; en nuestro caso se envió a la empresa COLCIRCUITOS [2] que luego entregó el producto de la Figuras 2a y 2b. En el sitio correspondiente a este curso en la plataforma MOODLE de la maestría se puede descargar el archivo correspondiente, Amplificador-LM1875.brd. A continuación se deben soldar los elementos y, para saber cuál es cada uno, se tomará como referencia el grabado que hay sobre el circuito impreso de la Figura 2a. Se observa que en el lugar donde se debe poner cada componente tiene un código, el cual tiene un equivalente en la tabla de elementos y corresponde al elemento que se debe soldar en éste lugar (b) Figura 2: Circuito impreso a) Cara frontal b) Cara posterior.

5 Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias, Escuela de Física, Sede Medellín Página 5 Se comenzará poniendo el capacitor electrolítico de 100 µf C10. Éste tipo de capacitor tiene una terminal positiva y una negativa, las cuales se deben identificar para poder ubicarlo correctamente. La polaridad correcta se indica en su cubierta con una franja indicando el signo negativo y unas flechas indicando la terminal que debe conectarse al potencial menor (terminal negativo) como se muestra en la Figura 3. Figura 3: Polaridad de un capacitor electrolítico. Una vez identificada la polaridad del capacitor y cómo debe ponerse en el circuito impreso (Figura 2a), se pasan las terminales de éste a través de la tarjeta, desde la cara frontal hacia la posterior, cómo se observa en las Figuras 4a y 4b. A continuación se cortan las terminales de forma que sólo sobresalga entre 1 y 2 mm del lado posterior del circuito, como se muestra en la Figura 4c. Ahora sólo falta unir con soldadura de estaño las terminales del capacitor a la tarjeta (Figura 4d), teniendo cuidado de no unir entre si los dos puntos de soldadura, para no crear cortos circuitos. Se recomienda que antes de soldar se impregnen los lugares donde se depositará la soldadura con crema para soldar, ya que ésta aumenta la adherencia de la soldadura. Los diodos son otros componentes electrónicos que también tienen polaridad y, al igual que los capacitores electrolíticos, traen una marca en su empaque pero que en éste caso ayuda a identificar cuál es la terminal positiva, como se muestra en la Figura 5a. Si se mira con detenimiento el circuito de la Figura 2a, se puede ver que en la posición dónde van los diodos se simboliza ésta misma franja (Figura 5b) para indicar cuál es la correcta posición cómo se deben poner los diodos.

6 Página 6 PhysicsSensor (b) (c) (d) Figura 4. Capacitor ubicado en la tarjeta a) Vista frontal b) Vista Posterior c) Terminales cortadas a la medida d) Términales soldadas. Para terminar de ubicar el resto de los implementos, se usa como guía el circuito (Figura 2a), teniendo en cuenta de ubicar correctamente los elementos con polaridad (capacitores electrolíticos y diodos), para no dañarlos. El método para soldar todos los elementos siempre es el mismo, pero se debe reiterar que es muy importante evitar hacer cualquier corto circuito al soldar los componentes. Las terminales del circuito integrado LM1875T vienen dobladas para que ajusten directamente en el circuito impreso y se debe poner cuidado de ubicar siempre las borneras mirando hacia afuera de la tarjeta. Una vez que se tengan terminadas las soldaduras se debe poner el disipador en el circuito integrado para obtener una placa como la que se muestra en la Figura 6.

7 Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias, Escuela de Física, Sede Medellín Página 7 (b) Figura 5. a) Polaridad de los diodos. b) Señalización en el circuito Figura 6. Circuito impreso terminado uito impreso. La caja en la cual se armará el amplificador para protegerlo del exterior se puede mandar a construir en el material que se desee; en nuestro caso se eligió como material el acrílico de 2 mm de espesor y se mandó a construir en ACRILICOS FORMAS Y COLORES [3]. En las Figuras 7 y 8 se presentan los planos de la caja que nos construyeron.

8 Página 8 PhysicsSensor Figura 7. Plano de la base del amplificador A continuación se deben preparar todos los elementos que se van a poner en la caja del amplificador. Se comenzará con el toma de 110 V para chasis (Figura 9a). Primero se le debe cortar la terminal que trae de fábrica y reemplazarla por un conector aislado hembra en cada cable como los que se observan en la Figura 9b. El método que se usa para fijar este conector a los cables es presión lateral, la cual puede aplicarse con un alicate o si es necesario un martillo, sin embargo esta última opción no es muy recomendable, pues se corre el riesgo de exceder la fuerza necesaria y dañar el conector o incluso cortar el cable.

9 Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias, Escuela de Física, Sede Medellín Página 9 Figura 8. Plano de la Tapa del amplificador (b) Figura 9. Toma de 110 V a) sin modificar b) con conectores aislados

10 Página 10 PhysicsSensor Luego se toma el transformador y se le añade a los cables de 110 V (se identifican porque son los dos cables de color rojo) un conector aislado hembra a cada uno, de forma que quede como el de la Figura 10. Para conectar el porta fusibles y el switche con los otros componentes se necesitará cortar 6 trozos de cable calibre 22 de aproximadamente 5 cm de largo, de los cuales a 1 se le pondrá en uno de sus extremos un conector aislado hembra y, a los otros 5 un conector aislado macho. Figura 10. Transformador con conectores Para conectar el porta fusible (Figura 11a) se usará el segmento de cable con la terminal hembra y uno con la terminal macho. Se debe poner uno en cada uno de los terminales del porta fusible (el orden es indiferente) y soldar la unión, siempre recordando usar termoencogible para evitar posibles cortos circuitos. El porta fusible debe quedar como el que se muestra en la figura 11b. (b) Figura 11. a) Porta fusible b) Porta fusible listo para montar

11 Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias, Escuela de Física, Sede Medellín Página 11 Antes de conectar el switch (Figura 12a) es necesario identificar las funciones de las terminales ya que éste tiene 3, dos de las cuales cumplen la función de switch y la otra es para alimentar el led interno que sirve como indicador. Midiendo continuidad con un multímetro se deben encontrar las dos terminales que se suitchean al presionar el botón (una de ellas es la terminal del medio). Una vez se identifiquen cuáles son estas terminales se les debe soldar uno de los segmentos de cable con el conector aislado a cada una y, los dos segmentos restantes se deben soldar en la terminal faltante (Figura 12b). De nuevo se deben cubrir las uniones con termoencogible. (b) Figura 12. a) Swich b) Swich listo para montar en la caja. Para recibir la señal que se va a amplificar se usará un Jack monofónico para chasis, por lo que se necesitara dos trozos de cable, uno negro y otro rojo ambos de calibre 24 y de 5 cm de largo. Con un multímetro se debe identificar cual conector es el de la tierra y cual es de la señal (Figura 13a), ya que se soldará el cable negro al primero y el rojo al de la segundo. Es necesario proteger las uniones con termoencogible y el extremo del cable que queda libre se debe cubrir con soldadura de estaño. El Jack terminado debe verse similar al mostrado en la figura 13b. La señal amplificada se tomará por las bananas hembra, que se ubican al frente de la caja. Para hacer las conexiones desde éstas hasta la tarjeta, se necesitarán dos segmentos de cable calibre 24; uno de 3 cm de largo de color negro, y otro de 5 cm de largo de color rojo. Se sueldan cada uno a una de las terminales de la banana hembra cubriendo las uniones con termoencogible y, poniéndole un punto de soldadura al extremo del cable libre (Figura 14).

12 Página 12 PhysicsSensor (ab Figura 13. Jack monofónico a) Terminales b) Preparado para mon- Figura 14. Bananas Hembra. A continuación se deben poner todo los elementos en la caja del amplificador. Primero se debe comenzar por poner la tarjeta con el circuito y sujetarla con 4 tornillos golosos #4 x 1/4 en la base de la caja como se muestra en la Figura 15a, ubicando la bornera de tres puestos mirando hacia la parte trasera de la caja, es decir, la que más perforaciones tiene. El jack monofónico se debe pasar desde adentro hacia afuera, y sujetarlo con el anillo roscado para que no se salga (Figura 15b). Los cables de éste se deben conectar de la bornera de dos puestos que se encuentra en el centro de la tarjeta, teniendo presente conectar el cable negro a tierra (el puesto de la bornera más cercano a la resistencia de potencia) y el cable rojo al otro lugar (ver Figura 15a). El toma de 110 V se debe meter a presión desde afuera, asegurando que pasen las dos pestañas que lo sostienen dentro, como se observa en la Figura 15c.

13 Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias, Escuela de Física, Sede Medellín Página 13 Las bananas hembras deben quedar expuestas por en el frente de la caja, por tanto se deben sujetar desde adentro con las tuercas que trae (Figura 15d) y los cables que llevan la señal deben sujetarse en la otra bornera de dos puestos, cada uno en el puesto más cercano. De igual manera se debe poner el porta fusible, el cual también tiene su propia rosca para sujetarlo al chasis del amplificador (Figura 15e). Se debe recordar colocar el fusible de 1A dentro, aunque esto puede hacerse en cualquier momento. Para poner el switche, se debe pasar desde afuera hacia adentro y éste se ajusta por medio de dos pestañas que lo sostienen, como se observa en la Figura 15f. Una vez que se han puesto todos los elementos que van en las paredes de la caja se debe poner el transformador en su puesto, y sujetarlo con 2 tornillos golosos #4 x 1/4 (Figura 15g). Los tres cables del transformador que aún no se han conectado deben sujetarse en la bornera de tres puestos, de modo que el cable negro quede en el centro y los dos cables azules a los lados. Si se siguieron los pasos indicados anteriormente se tendrá una caja como la que se observa en la Figura 16a, donde faltan hacer todas las conexiones de los terminales aislados. Para ello se sigue el diagrama mostrado en la Figura 16b, con lo cual se deben terminar las conexiones del amplificador (Figura 16c). En éste momento sólo falta por ubicar el ventilador cuya función es evitar que el circuito integrado se sobrecaliente. Para sujetarlo se usaran los 4 tornillos de 1/8 x 3/4 con tuerca como se observa en la Figura 17a. Es muy importante que la cara del ventilador que trae las especificaciones quede hacia afuera (Figura 17b), para que éste funcione como un extractor y mantenga un flujo constante de aire alrededor del disipador. Éste tipo de ventilador necesita un voltaje DC para funcionar, por lo que no se debe conectar directamente a la salida del transformador. Lo que se hará es tomar la señal a la salida de uno de los diodos respecto a tierra (aunque no es voltaje DC al menos se asegura que la polaridad siempre es la misma). Antes de conectar el ventilador se deben poner las dos resistencias de 220 Ohms en paralelo, y éstas en una de las terminales del ventilador para limitar la corriente y evitar que se queme. En la Figura 17c se muestra que la terminal de menor potencial del ventilador (cable negro) se puso después de uno de los diodos que dan a la parte externa de la caja, mientras que la terminal roja, se debe poner a tierra. Una vez terminadas las conexiones se debe cerrar la caja, poniendo cuidado de no aplastar cables en el proceso y que tampoco queden cables que golpeen el ventilador y no lo dejen girar. Luego se deben poner 4 tornillos goloso #4 x 1/4. Para alimentar el amplificador se usará el cable de grabadora, y la señal que se va a amplificar (que se obtendrá con el Generador Virtual de señales de PhysicsSensor) se llevará desde la tarjeta de sonido de un PC hasta el amplificador a través del cable 1x1, y de ésta manera el amplificador queda listo para usarse.

14 Página 14 PhysicsSensor (b) (c) (d) (e) (f) Figura 15. Proceso de ensamble de los elementos en la caja de acrílico a) Circuito impreso b) Jack monofónico c) Toma 110V d) Bananas Hembra e) Porta fusible f) Switch g) Transformador. (g)

15 Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias, Escuela de Física, Sede Medellín Página 15 (b) (c) Figura 16. Conexiones en la caja a) Cables sin conectar b) Diagrama de las conexio nes c) Amplificador conectado

16 Página 16 PhysicsSensor (ab (c) Figura 17. a) Ventilador visto desde adentro b) Orientación del ventilador c) Co nexión a la tarjeta.

17 Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias, Escuela de Física, Sede Medellín Página 17 Referencias [1] Eagle Layout Editor (Easily Aplicable Graphical Layout Editor), [2] COLCIRCUITOS, Carrera 66A N 34B - 25, Sector Unicentro, Medellín - Colombia, Teléfono , info@colcircuitos.com. [3] ACRÍLCOS FORMAS Y COLORES, Carrera 56 Avenida de Greiff N 54-38, Medellín - Colombia, Telefax , acrilicosformasycol@hotmail.com. Escuela de Física Correo: dfisica_med@unal.edu.co Profesor Diego Luis Aristizábal R Correo: daristiz@unal.edu.co