Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico ALARMA REMOTA PARA ESTACIÓN SISMOLÓGICA Por: LUIS FERNANDO BRENES BARRANTES Ciudad Universitaria Rodrigo Facio JULIO de 2007
ALARMA REMOTA PARA ESTACIÓN SISMOLÓGICA Por: LUIS FERNANDO BRENES BARRANTES Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: Ing. Jaime Allem Flores Profesor Guía Ing. Juan Ramón Rodríguez Profesor lector Ing. Luis Golcher Profesor lector ii
ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS...v ÍNDICE DE TABLAS...viii NOMENCLATURA...ix RESUMEN...x CAPÍTULO 1: Introducción...1 1.1 Objetivos...2 1.1.1Objetivo general...2 1.1.2Objetivos específicos...2 1.2 Metodología...3 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico...5 2.1 Configuración de la red telemétrica: 5 2.2 Características de las líneas dedicadas y los enlaces de radio...5 2.3 El acondicionador : módulo de amplificación y modulador de señales sísmicas...6 2.4 Discriminador: módulo demodulador de señales sísmicas...7 2.5 Circuitos a realizar...8 2.5.1 Módulo para la estación remota 8 2.5.1.1 Detector de A.C.8 2.5.1.2 Generador de tono.8 2.5.1.3 Filtro Pasabanda..10 2.5.1.4 Circuito detector de C.A. 11 2.5.1.5 Circuito mezclador..12 2.5.1.6 Circuitos de alimentación de poder. 13 2.5.2 Módulo para el centro de registro...15 2.5.2.1 Filtro de entrada.. 15 2.5.2.2 Detector de tono.. 16 2.5.2.3 Fuente de alimentación 18 iii
CAPÍTULO 3: Diagramas esquemáticos 19 3.1 Generador de alarma.19 3.2 Detector de tonos...20 CAPÍTULO 4: Montaje en tarjeta de pruebas; modificaciones..22 4.1 Prueba del circuito oscilador.22 4.2 Prueba del circuito filtro pasabanda y sumador.25 4.3 Prueba del circuito detector...27 CAPÍTULO 5: Circuitos impresos..31 5.1 Diseño de los circuitos impresos...31 5.2 Construcción de los circuitos impresos.36 CAPÍTULO 6: Montaje de los circuitos..46 CAPÍTULO 7: Pruebas y mediciones..48 CAPÍTULO 8: Conclusiones y recomendaciones...50 BIBLIOGRAFÍA 52 APÉNDICE...53 A1 Lista de equipo........53 A2 Lista de componentes y materiales..... 53 A2.1 Componentes del generador de alarma......53 A2.2 Componentes del detector..55 iv
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Diagrama de bloques del circuito a realizar para las estaciones 6 Figura 2.2 Diagrama de bloques del circuito a realizar para el laboratorio.7 Figura 2.3 Diagrama esquemático del oscilador...9 Figura 2.4 Diagrama esquemático del filtro pasabanda.10 Figura 2.5 Diagrama esquemático del detector de AC.....11 Figura 2.6 Determinación del valor de R14...12 Figura 2.7 Circuito mezclador y de salida.13 Figura 2.8 Circuitos de poder módulo generador de alarma..14 Figura 2.9 Filtro de entrada para el detector..16 Figura 2.10 Circuito detector de tono.....16 Figura 2.11 Fuente de alimentación del detector de tonos..18 Figura 3.1 Diagrama esquemático del generador de alarma.....19 Figura 3.2 Diagrama esquemático del circuito detector de tonos.....20 Figura 4.1 Circuito Oscilador....22 Figura 4.2 Montaje de prueba del circuito filtro pasabanda y sumador...25 Figura 4.3 Circuito detector......27 Figura 4.4 Diagrama esquemático final del circuito detector.. 29 Figura 4.5 Diagrama esquemático final del circuito oscilador.. 30 Figura 5.1 Ubicación de componentes e interconexiones en un circuito impreso......32 Figura 5.2 Pruebas del auto trace del circuito impreso... 33 v
Figura 5.3 Conexiones imposibles de realizar por el programa..... 34 Figura 5.4 Circuito Impreso de dos caras.....35 Figura 5.5 Circuito impreso final del módulo detecto de tonos.36 Figura 5.6 Tarjeta virgen y diseños de impresos... 37 Figura 5.7 Cortado de tarjeta para impresos......37 Figura 5.8 Afinado de los bordes de las tarjetas...38 Figura 5.9 Tarjetas con el diseño del impreso adherido...38 Figura 5.10 Perforación de las tarjetas...39 Figura 5.11 Tarjeta perforada con el diseño..40 Figura 5.12 Tarjetas perforadas.40 Figura 5.13 Circuito Impreso visto por la cara de soldadura.41 Figura 5.14 Circuito Impreso dibujado con masking tape..42 Figura 5.15 Circuito Impreso sumergido en percloruro de hierro sobre un viejo Tocadiscos 43 Figura 5.16 Tarjeta con el cobre excedente retirado..43 Figura 5.17 Tarjeta de impreso lavada luego del percloruro.44 Figura 5.18 Tarjeta de impreso al retirarle el masking tape...44 Figura 5.19 Tarjeta de circuito impreso pulida..45 Figura 6.1 Módulo detector de tonos ensamblado...46 Figura 6.2 Módulo generador de alarma ensamblado..47 Figura 7.1 Led indicador de 3300Hz....48 Figura 7.2 Led indicador de 3450Hz....48 Figura 7.3 Led indicador de 3600Hz....49 Figura 7.4 Led indicador de 3750Hz....49 vi
Figura 8.1 Condiciones para solicitar la construcción de impresos...51 vii
ÍNDICE DE TABLAS Tabla 4.1 Valores de frecuencia según resistencia 24 Tabla 4.2 Valores de frecuencia ante variaciones en la alimentación...25 Tabla 4.3 Prueba de respuesta del detector de tono...28 viii
NOMENCLATURA AC PLL CMOS FACTOR Q LED RMS Corriente alterna Lazos enganchados por fase Semiconductor complementario de oxido metálico Factor de calidad de un filtro, relaciona el ancho de banda y la frecuencia central Diodo emisor de luz Valor efectivo ix
RESUMEN El presente proyecto es una colaboración de la Escuela de Ingeniería Eléctrica para la Escuela de Geología con miras a evitar la pérdida de datos sísmicos originada en la falta de energía eléctrica. Se propuso entonces la realización de una alarma que detectara la falla eléctrica y enviara hasta el centro de registro una señal de alerta, para ello se analizó la configuración de la red telemétrica para poder traer hasta el centro de registro dicha alerta. Se procedió a desarrollar dos circuitos; uno para enviar la alerta y otro para detectarla, para todo el diseño de circuitos esquemáticos e impresos se utilizaron herramientas informáticas que redujeron sustancialmente el trabajo, para la elaboración del circuito impreso se utilizó una técnica artesanal, no obstante se tuvo presente que esta etapa puede ser comprada a un proveedor pero a un costo elevado. A pesar de que se trata de una aplicación específica se considera una enriquecedora experiencia porque son técnicas que se pueden aplicar a una gran variedad de situaciones en un mercado que cada día requiere más soluciones de profesionales en ingeniería eléctrica, se demuestra que es totalmente factible pasar de un diseño en una tarjeta de pruebas a una aplicación real. x
CAPÍTULO 1: Introducción La Escuela de Geología de la Universidad de Costa Rica opera una red de estaciones sismológicas a lo largo y ancho de país, algunas de ellas se alimentan de energía solar mediante paneles solares y las demás utilizan alimentación alterna comercial (A.C.). En los sitios de alimentación A.C. se suelen presentar problemas como árboles que caen y cortan los cables de acometida, robo de los mismos, fusibles quemados y hasta cuchillas desconectadas, que hacen que se pierda la alimentación eléctrica de la estación. Para prevenir los cortes eléctricos cada estación cuenta con una batería que le da autonomía por más de tres semanas, por lo que cuando se dan situaciones, como las indicadas en el párrafo anterior, no sea posible detectarlas hasta varias semanas después cuando deja de operar la estación, con la consecuente pérdida de datos sísmicos irrecuperables. Ante este problema de la Escuela de Geología nace la idea de realizar un proyecto de graduación de la Escuela de Ingeniería Eléctrica que permita al personal del laboratorio de sismología actuar lo más pronto para evitar la pérdida de los datos sísmicos. El proyecto consiste en el y construcción de una alarma que indicará la existencia del problema con la alimentación y así programar una visita al campo antes de que se agote 1
la carga de la batería, evitándose de esta manera la pérdida de la valiosa e irrecuperable información sísmica. Esta alarma detecta la falta de alimentación A.C., genera un tono de audio en una frecuencia que no afecte la portadora de la señal sísmica, lo suma a dicha portadora y lo envía por medio de la telemetría radio o línea telefónica dedicada- hasta el laboratorio de sismología donde un led encendido será el indicador del problema en la estación. 1.1 Objetivos 1.1.1 Objetivo general Realización de una alarma remota para estaciones sismológicas 1.1.2 Objetivos específicos 1.1.2.1 Diseño y construcción de un circuito detector de corriente alterna 1.1.2.2 Diseño y construcción de un circuito capaz de producir una portadora de audio y mezclarla con la portadora de la estación 1.1.2.3 Diseño y construcción de un circuito detector de la portadora de audio de la alarma con indicador de diodo led. 2
1.2 Metodología Análisis del problema y definición de especificaciones del circuito. Diseño preliminar Diseño esquemático mediante software. Comprobación en tarjeta de pruebas y posibles cambios Diseño del circuito impreso mediante software Para llevar a cabo estas etapas se hará uso de tres programas: Filter Pro Version 2.00.001; Filter Design Program Copyright 2001-2006 Texas Instruments Inc. http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/filter-designer.html Dip Trace Version 1.30 Freeware Edition Build March 19, 2007 Copyright (C) 2007 Novarm Limited http://www.diptrace.com/download.php Pad2Pad Version1.7.3 Build #3961. Date11/07/2006 Copyright (C) 2006 http://www.pad2pad.com/download/index.htm 3
Con el primero se diseñarán los filtros, el segundo se usará para dibujar los diagramas esquemáticos y con el tercero se trazarán los circuitos impresos. En el diseño se procurará utilizar componentes que puedan ser adquiridos en el mercado nacional, sin embargo, de ser necesario se comprarán en el mercado de Estados Unidos por medio de Internet. Una vez hecho el diseño se procederá a la prueba en el módulo de ensayos protoboard y una vez que esta prueba sea superada se procederá a la construcción de los circuitos impresos para el montaje final. Para elaborar los impresos se utilizará una técnica en la cual una vez diseñado el circuito impreso se perfora la tarjeta, que tiene una de sus caras totalmente recubierta de cobre, luego con cinta de enmascarar masking tape se dibuja el impreso en la cara de cobre y se coloca en una solución de percloruro de hierro el tiempo necesario para que desaparezca el cobre descubierto de la tarjeta. 4
CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico Para la realización de la alarma se debe tener en cuenta las características telemétricas de la red, para ello se analizarán los aspectos que tienen que ver con la misma. 2.1 CONFIGURACION DE LA RED TELEMÉTRICA: Se cuenta con varios tipos de arreglos de líneas dedicadas y enlaces de radio para hacer llegar hasta el campus Rodrigo Facio las señales de todas las estaciones que hay en el país, el caso más simple es cuando una línea o enlace es solo para una estación y el más complejo es el caso cuando se coloca la señal de cuatro estaciones en una sola línea o enlace de radio. Como se verá el sistema tiene capacidad de colocar hasta ocho señales en una sola línea pero para reducir la posibilidad de interferencias se coloca hasta un máximo de cuatro señales con las portadoras separadas de una de por medio. 2.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS LÍNEAS DEDICADAS Y LOS ENLACES DE RADIO: La respuesta de frecuencia de las líneas dedicadas y de los enlaces de radio tienen cualidades muy similares, ambas van de los 300 hasta los 3800 hercios, los equipos de telemetría utilizados tienen ocho frecuencias centrales de operación a saber: 680, 1020, 1360, 1700, 2040, 2380, 2720 y 3060 hercios, en cada caso la modulación de frecuencia 5
provoca excursiones de ±125 hercios por tanto el ancho de banda total utilizado es desde 555 hasta 3185 hercios. 2.3 El ACONDICIONADOR : MÓDULO DE AMPLIFICACIÒN Y MODULADOR DE SEÑALES SÍSMICAS Este módulo se encarga de amplificar y filtrar la señal proveniente del sensor, para luego modularla en frecuencia sobre un tono de audio. Para la alarma se requiere que el circuito a construir genere un tono que no interfiera con la portadora existente para mezclarlo y ponerlo sobre la telemetría, este tono debe ser transmitido solo en el caso de la pérdida de la alimentación A.C. La siguiente figura corresponde al diagrama de bloques del circuito que se ubicará en la estación en el campo Detector De A.C. Generador De tono de audio Mezclador Telemetría ( Equipo Existente ) Acondicionador, VCO (Equipo existente) Figura 2.1 Diagrama de bloques del circuito a realizar para las estaciones 6
2.4 El DISCRIMINADOR: MÓDULO DEMODULADOR DE SEÑALES SÍSMICAS: Este módulo extrae la señal sísmica que viene modulada a partir de una frecuencia central, para ello cada discriminador tiene un filtro de entrada que le permite separar su correspondiente portadora, con su correspondiente ancho de banda, de todo el grupo en que puede venir. Ahora bien, como el ancho de banda de cada portadora es 250 hercios y la separación entre portadoras es 340 hercios entonces se pueden colocar otras portadoras a partir de los 3300 hercios sin peligro de afectar las portadoras sísmicas. En la figura Nº 2.2 se tiene el diagrama de bloques del circuito detector que se ubica en el centro de registro Telemetría ( Equipo Existente ) Discriminadores (Equipo existente) Registradores (Equipo existente) Filtro Detector de tono Indicador Led Figura 2.2 Diagrama de bloques del circuito a realizar para el laboratorio 7
2.5 Circuitos a realizar A continuación se desarrollará el marco teórico de los módulos a construir 2.5.1 Módulo para la estación remota Este módulo consta de varias etapas que se describirán a continuación: 2.5.1.1Detector de A.C. Inicialmente se pensó en realizar una fuente de poder que sirviera para determinar la falta de electricidad, pero finalmente se optó por extraer dicha muestra de voltaje de la etapa de filtrado de la fuente de poder que alimenta la estación con las ventajas de que además permitirá dar la alarma ante problemas de la fuente de alimentación como fusible, transformador, rectificación y filtrado. 2.5.1.2 Generador de tono El generador consta de dos partes: la primera que es un oscilador de onda cuadrada y la segunda que es un filtro que se encarga de dejar pasar solo la componente principal del tono generado. Para el generador de tono se pensó inicialmente en utilizar un circuito integrado LM566 pero debido a que este circuito ocupa polarización positiva y negativa, además, el voltaje mínimo de operación es de 10 voltios y su frecuencia de salida se ve afectada por este voltaje lo que hace que su frecuencia se pueda variar conforme se va descargando la batería. Luego se pensó en el LM567 pero este circuito opera con 5 voltios lo cual está bien pero su salida debe ser acoplada a un filtro pasabanda con el problema de las diferencias en corriente directa entre esta salida y la entrada del filtro. 8
Finalmente se optó por un PLL CMOS, el CD4047 con una alimentación de 9 voltios, y, para el filtro se requiere alimentación positiva y negativa lo que se consigue con un divisor de voltaje a la mitad con un seguidor de voltaje basado en un circuito operacional. De los datos suministrados por el fabricante tenemos el siguiente diagrama esquemático Figura Nº 2.3 Diagrama esquemático del oscilador 9
Para determinar los valores de los componentes necesarios no hay una fórmula explícita por lo que se hará por tanteo. 2.5.1.3 Filtro Pasabanda Para diseñar el filtro se utilizó el programa de la Texas Instruments Filter Pro y luego de suministrar los datos de factor Q : 12, frecuencia central: 3450 Hz: tipo pasabanda y finalmente impedancia de entrada: 10KΩ se obtuvo el siguiente circuito: Figura Nº 2.4 Diagrama esquemático del filtro pasabanda 10
2.5.1.4 Circuito detector de C. A. La muestra que se extrae de la fuente de poder se aplica a la base de un transistor y hace que éste se mantenga saturado y así se cortocircuite el tono antes de entrar al filtro de esta manera cuando se pierda la alimentación el tono pasa al filtro y luego al mezclador y así a la telemetría. Figura 2.5 Diagrama esquemático del detector de AC El diodo D2 previene la polarización inversa de la unión emisor-base del transistor, las resistencias R14 y R15 dan la polarización de la base para conseguir el estado de saturación del transistor que es un tipo darlington para garantizar esa saturación. 11
Para determinar los valores ambas resistencias se tomó en cuenta lo siguiente: extraer una corriente de 2mA de la fuente y establecer el valor de 2KΩ para R15 que es bajo y así evitar que el circuito pueda verse afectado por algún ruido (interferencia), con estas dos condiciones entonces se tiene que el valor de R14 es: Figura Nº 2.6 Determinación del valor de R14 R14 = 18v 5.9v = 12.1v = 6050 Ω (2.5-1) 2 ma 2 ma Se utilizará el valor comercial de 6.2 KΩ 2.5.1.5 Circuito mezclador Este circuito se encarga de tomar la señal proveniente del acondicionador y mezclarla con la producida por la alarma y colocarla en la telemetría ya sea por radio o línea telefónica, para este caso se requiere del acople por transformador, por ejemplo el 12
SP67 de la marca Triad Magnetics cuyo costo es de USD 15.94, para el caso de telemetría por radio se coloca un capacitor de 100µF en 25v para realizar dicho acople. A continuación reencuentra el esquema de dicho circuito, los valores de las resistencias se escogieron de manera que ganancia de 2.14 permitiendo ajustar el la mezcla de ambas señales. Mediante el potenciómetro VR1 se ajusta el nivel de la alarma y en el acondicionador existe otro control similar. Figura Nº 2.7 Circuito mezclador y de salida 13
2.5.1.6 Circuitos de alimentación de poder Existen dos circuitos de poder, el primero obtiene 9V a partir de los 13.2v que alimentan la estación y el segundo produce un voltaje a la mitad de la alimentación, en este caso 4.5V, para los amplificadores operacionales. Figura Nº 2.8 Circuitos de poder módulo generador de alarma Para determinar el valor de R13 se tiene lo siguiente la corriente de base es despreciable, la corriente del diodo zener será el 10 % de la máxima determinada por su especificación de potencia: El valor de la resistencia es: Iz. = 0.10 * 0.5 w = 5.0 ma (2.5-2) 10 v R13 = 3.2 V = 640 Ω (2.5-3) 0.005 A 14
La potencia de la resistencia será 4 veces la potencia disipada: Pot. R13 = 4 * (0.005 A) 2 * 640 = 64 mw (2.5-4) Se opta por un valor comercial del mercado local: 620 Ω / 1W La otra parte de la alimentación consiste en un divisor de voltaje simétrico, R11 y R12 con un capacitor de desacople y un seguidor de voltaje de ganancia unitaria, sección D del circuito integrado TL084 2.5.2 Módulo para el centro de registro Este módulo debe separar las portadoras de las alarmas de las demás señales presentes en determinado enlace de radio o línea telefónica dedicada y activar el correspondiente led en caso de estar la (s) alarma (s) activada (s), para ello cuenta con un filtro pasabanda de dos polos a la entrada con y los detectores de tono. 2.5.2.1 Filtro de entrada El filtro de entrada consiste en el mismo filtro pasabanda que se usa para el oscilador con un potenciómetro de 10KΩ a la entrada para ajustar la salida del filtro a los niveles que requieren los detectores de tono y un capacitor de 100µF para enlaces de radio o un transformador para líneas telefónicas dedicadas. En la siguiente figura se encuentra el esquema de esta parte del módulo detector. 15
Figura Nº 2.9 Filtro de entrada para el detector 2.5.2.2 Detector de tono Esta parte consiste de cuatro circuitos idénticos que se ajustan para poder encender leds según las frecuencias que se les aplicarán Figura Nº 2.10 Circuito detector de tono 16
Para determinar los valores de los componentes se recurrió a la hoja de datos del fabricante de donde se obtienen las siguientes fórmulas: F 0 1 / (1.1 * R pin6 * C pin6 ) (2.5.5) Ancho banda = 1070 * (V i /C pin2 * F 0 ) (2.5.6) Con Vi menor a 200mV RMS, C pin es µf. y ancho banda en % de F 0 C pin6 se fijo en 47 nf, haciendo uso de la ecuación (2.5.5) y tomando en cuenta que interesa detectar tonos entre 3300 Hz y 3800 Hz tenemos que: 3300 1/ (1.1 * Ra * 47 nf)» Ra 5860 Ω (2.5.7) 3800 1/ (1.1 * Rb * 47 nf)» Rb 5090 Ω (2.5.8) Se puede hacer una combinación serie de una resistencia fija de 5.1 KΩ con un potenciómetro de 1 KΩ. Para determinar el valor de C pin2 se usa (2.5.6) con un valor de V i = 100 mv y ancho de banda de 2 % 2 = 1070 * (.1/C pin2 * 3475)» C pin2 = 8.23 µf (2.5.6) Se usará un valor comercial de 10µF que representa 2.2 %. Para la resistencia del led se tiene que R = V / I (2.5.7) Donde V = 5v - V led ; V led =1.85 v; I es la corriente del led en este caso 10 ma R = 3.15 / 0.10 = 315 Ω (2.5.8) Se usará un valor comercial de 330 Ω Para la potencia de la resistencia del led se tiene que 17
W = 4 * V 2 / R (2.5.9) Donde V es el voltaje en la resistencia W = 4 * 3.15 2 / 330 = 0.12 (2.5.10) Se puede usará un valor comercial de ½ vatio Los demás valores se toman de la hoja de datos del fabricante directamente. 2.5.2.3 Fuente de alimentación Para los componentes de este módulo se requieren tres voltajes: +9v, -9v, +5v, estos se obtienen con reguladores de 1 A a partir de los +13.2v y -13.2v existentes en el centro de registro, dada la poca carga que representa el módulo no se utilizarán disipadores de calor para los reguladores. Figura Nº 2.11 Fuente de alimentación del detector de tonos 18
CAPÍTULO 3: Diagramas esquemáticos Una vez realizados todos los cálculos se procede reunir las partes para tener dos diagramas esquemáticos, uno del detector de tonos y el generador de la alarma 3.1 Generador de alarma Este circuito se debe ajustar de la siguiente manera: 1-Con un contador de frecuencia en el pin 11 del U1 ajusta U5 para obtener la frecuencia deseada. 2-Con un multiprobador en VAC en pin 8 del U2 se ajustan VR1 para 0.5 V RMS y el control del acondicionador para un total de 1V RMS Figura Nº 3.1 Diagrama esquemático del generador de alarma 19
3.2 Detector de tonos Este circuito se debe ajustar de la siguiente manera 1- Sin aplicar señal se ajustan los potenciómetros RV2, RV3, RV4 y RV5 para tener las frecuencias 3300Hz, 3450Hz, 3600Hz y 3750Hz en los pines 6 de los U15, U37, U16 y U17 respectivamente. 2- Aplicando una frecuencia de 3300 Hz con amplitud de 1 V RMS a la entrada del módulo se ajusta RV1 para que el LED1 encienda. 3- Variando la frecuencia a 3370 Hz el LED1 se debe apagar 4- Luego se comprueba el funcionamiento de todos los LEDS haciendo un barrido de frecuencia desde 3300Hz hasta 3800Hz, se debe encender un LED a la vez. 20
Figura Nº 3.2 Diagrama esquemático del circuito detector de tonos 21
CAPÍTULO 4: Montaje en tarjeta de pruebas; modificaciones Se procede a la prueba de los circuitos en dos protoboards, para esto se utilizará además un contador y generador de funciones, un osciloscopio, un multiprobador y una fuente de poder ajustable. 4.1 Prueba del circuito oscilador Figura Nº 4.1 Circuito Oscilador Primero se utilizaron capacitores cerámicos pero al observar la frecuencia generada esta no era estable, es decir variaba y si al capacitor se le acercaba una fuente de calor como 22
cautín encendido, la variación de frecuencia era mucho mayor. Entonces se optó por evaluar los capacitores de poliéster con los que se consiguió mucha estabilidad en la frecuencia. Dado que en los manuales no se da una fórmula explícita para los valores de la resistencia y el capacitor, este se fijó un valor de 6.8nF y se procedió por tanteo a encontrar el valor de la resistencia, en la siguiente tabla se encuentran los valores probados. Este circuito debe tener la posibilidad de ajustar la frecuencia dentro de un rango de 3300Hz a 3800Hz para ello se hacen pruebas de diversos valores de resistencias en serie con la intensión de encontrar una combinación de ellas que cubra el mencionado ámbito. Cuenta con un potenciómetro de 1KΩ y esto se contempla a poner los valores de 1 en la tabla, en conclusión, se usará un capacitor de poliéster de 6.8nF con una resistencia de 10 KΩ y otra de 100 Ω y un potenciómetro de 1 KΩ. 23
Tabla Nº 4.1 Valores de frecuencia según resistencia Resistencias usadas (KΩ) Resistencia Total(KΩ) Frecuencia (Hz) 15 15 2423 12 12 2984 10+1+1 12 3082 10+0.1+1.0 11,1 3268 9.2+0.82+1.0 11,02 3351 10+1.0 11 3362 10+0.62 10,62 3455 9.2+1.0 10,2 3954 10+0.1 10,1 3672 10 10 3582 En la primera columna de la tabla se muestran los valores de resistencias utilizados, estos valores se obtuvieron del código de colores de cada resistencia por lo que no son exactos dada la tolerancia del 5% de las resistencias usadas Este circuito con un potenciómetro de 1KΩ y dos resistencias 10 KΩ y 100 Ω permitirá valores de frecuencia desde 3300Hz hasta 3700Hz, en conclusión, se usará un capacitor de poliéster de 6.8nF con una resistencia de 10 KΩ y otra de 100 Ω y un potenciómetro de 1 KΩ. Finalmente se hicieron pruebas para determinar la estabilidad de la frecuencia en relación con el voltaje de alimentación, estos datos se encuentran en la siguiente tabla: 24
Tabla Nº 4.2 Valores de frecuencia obtenidos ante variaciones en la alimentación Voltaje de alimentación (v) Frecuencia de oscilación (Hz) 8.66 3672 8.78 3674 8.97 3676 9.17 3678 9.27 3680 Se tiene que una variación de 0.81v va ha dar un corrimiento de 8Hz, o lo que es lo mismo, el corrimiento es del 0.217%. 4.2 Prueba del circuito filtro pasabanda y sumador: Figura Nº 4.2 Montaje de prueba del circuito filtro pasabanda y sumador 25
obtuvo: Lo primero fue comprobar la respuesta de frecuencia del filtro y esto es lo que se Frec. central : Anclo de banda: Frec. de -3dB: Frec. de -12dB: 4.51 KHz 660 Hz 4.20 y 4.53 KHz 3.87 y 5.25 KHz Se cambió el valor de los capacitores de 6.8nF a 8.2nF y se obtuvo esto: Frec. central : 3.51 KHz Anclo de banda: 320 Hz Frec. de -3dB: 3.34 y 3.66 KHz Como este filtro también se usa en el detector se analizó la respuesta acercándose a la portadora de la telemetría de 3185Hz y se encontró que a 3.19 KHz la atenuación es de - 8dB por lo que para el detector se debe agregar otro paso de filtrado mientras que para el circuito oscilador si está bien con dos polos. Otro aspecto que se encontró es que la señal cuadrada que alimenta el filtro no debe exceder de 3.5 Vp-p por lo que se debe agregar un divisor de voltaje entre la salida del oscilador y la entrada del filtro. 26
4.3 Prueba del circuito detector: Figura Nº 4.3: Circuito detector Al armar y probar el circuito decodificador de tonos lo primero que salto a la vista fue el hecho de que el led no se apagaba del todo por lo que se debió cambiar el capacitor del pin1 a 1uF, y para poder tener un ajuste de frecuencia apropiado fue necesario cambiar la resistencia del pin5 de 5.1 KΩ por otra de 6.8 KΩ. 27
Se procedió a hacer una prueba de respuesta de frecuencia contra voltaje de entrada, los datos obtenidos se presentan en la siguiente tabla: Tabla Nº 4.3: Prueba de respuesta del detector de tono Voltaje de entrada (Vp-p) Frec. que encienden el led (KHz) Ancho de banda (Hz) 8 2.71 a 3.60 890 4 2.74 a 3.60 860 1 3.17 a 3.59 420 0.5 3.14 a 3.59 450 0.3 3.14 a 3.50 360 0.1 3.23 a 3.53 300 Como se puede apreciar, es muy crítico el valor de la amplitud de la señal aplicada al circuito LM 567, por lo que es mejor agregar cuatro potenciómetros a la salida del filtro para cada uno de los integrados y agregar un divisor de voltaje que reduzca la amplitud a 200mVp-p antes de cada potenciómetro. A continuación se muestran los diagramas esquemáticos finales de los circuitos, a partir de estos diagramas se procede a hacer los circuitos impresos. 28
Figura Nº4.4 Diagrama esquemático final del circuito detector 29
Figura Nº4.5 Diagrama esquemático final del circuito oscilador 30
CAPÍTULO 5: Circuitos impresos El programa DipTrace tiene la capacidad de generar en forma automática los diseños de los circuitos impresos pero tiene la limitante de que en ciertos casos las dimensiones de los componentes no coinciden con las definidas en el programa por lo que se decidió usar el programa Pad2pad que posee muchos componentes de una manera genérica, lo que permitió realizar de una mejor manera dichos diseños. 5.1 Diseño de los circuitos impresos El tema de los diseños se abordará sin hacer diferencia entre los módulos porque el trabajo es igual para los dos. La primera etapa fue ubicar los componentes en una tarjeta sin importar las dimensiones porque el programa permite ajustar el tamaño sobre la marcha, una vez ubicados los componentes se procedió a hacer todas las conexiones 31
Figura Nº 5.1 Ubicación de componentes e interconexiones en un circuito impreso Con forme se avanza se pueden ir haciendo pruebas con la función auto trace para observar como va quedando el impreso 32
Figura Nº 5.2 Pruebas del auto trace del circuito impreso Para el caso del módulo generador en este paso quedo listo el circuito impreso, pero para el módulo detector el programa indicó la existencia de trazos imposibles de realizar. 33
Figura Nº 5.3 Conexiones imposibles de realizar para el programa Ante tal situación se optó por cambiar el tipo de tarjeta por una de doble cara: 34
Figura Nº 5.4 Circuito Impreso de dos caras Luego se editó manualmente el impreso para trasladar la mayor cantidad de pistas de la cara superior - indicada en color verde- a la cara inferior y lo que finalmente quedó en la cara superior se realizó con conexiones de cable. La siguiente figura muestra el acabado final del circuito impreso, nótese que las conexiones indicadas en color verde se lograron reducir bastante y se realizarán con cables para no tener que usar tarjeta de impreso de dos caras. 35
Figura Nº 5.5 Circuito impreso final del módulo detecto de tonos 5.2 Construcción de los circuitos impresos Una vez listos los diseños y a escala 1:1 se procedió a trasladarlos a la tarjeta virgen, para ello se tomó la tarjeta y se trazaron las dos tarjetas a realizar 36
FIGURA Nº 5.6 Tarjeta virgen y diseños de impresos Luego se procedió a cortar las tarjetas a su medida Figura Nº 5.7 Cortado de tarjeta para impresos 37
Luego se procedió a afinar los bordes de las tarjetas Figura Nº 5.8 Afinado de los bordes de las tarjetas Se procede ahora a fijar el diseño del impreso en la tarjeta FIGURA Nº 5.9 Tarjetas con el diseño del impreso adherido 38
Una vez que se tienen las tarjetas con el diseño se procede a la perforación de los agujeros para los componentes FIGURA Nº 5.10 Perforación de las tarjetas 39
FIGURA Nº 5.11 Tarjeta perforada con el diseño FIGURA Nº 5.12 Tarjetas perforadas 40
Una vez que se tienen las tarjetas perforadas se debe copiar el diseño en la parte de cobre, para ello se requiere darle vuelta al diseño porque esta visto por la parte de los componentes, esto se hizo con el programa Paint de Windows Figura Nº 5.13 Circuito Impreso visto por la cara de soldadura en la tarjeta. Con este diseño se procede a cortar delgadas tiras de masking tape para copiarlo 41
Figura Nº 5.14 Circuito Impreso trazado con masking tape El siguiente paso es colocar la tarjeta en una solución de percloruro de hierro para disolver las partes de cobre que quedaron expuestas, dado que la solución se va saturando alrededor del área disuelta es necesario mantenerla en movimiento, lo que se consiguió con un viejo tocadiscos. 42
Figura Nº 5.15 Circuito Impreso sumergido en percloruro de hierro sobre un viejo tocadiscos Luego de un tiempo ya se puede extraer la tarjeta de la solución y se tiene esto FIGURA Nº 5.16 Tarjeta con el cobre excedente retirado 43
Una vez lavada la tarjeta es así como se ve FIGURA Nº 5.17 Tarjeta de impreso lavada luego del percloruro Se le remueve el masking tape y ya se tiene el circuito impreso FIGURA Nº 5.18 Tarjeta de impreso al retirarle el masking tape 44
Seguidamente el circuito impreso es pulido con una alambrina de bronce Figura Nº5.19 Tarjeta de circuito impreso pulida Para finalizar el proceso se le aplican dos capas de barniz transparente para evitar que se oxide el cobre y la tarjeta está lista para colocarle todos los componentes. 45
CAPÍTULO 6: Montaje de los Circuitos Utilizando las figuras 4.4 y 4.5 se procede a ensamblar las tarjetas con todos sus componentes, los leds se ubicaron así para comodidad en las pruebas. Figura Nº 6.1 Módulo detector de tonos ensamblado 46
FIGURA Nº 6.2 Módulo generador de alarma ensamblado 47
CAPÍTULO 7: Pruebas y mediciones Antes cualquier prueba es necesario ajustar ambos módulos, para ello se debe recurrir a los dos diagramas esquemáticos para las conexiones y los ajustes indicados en las secciones 3.1 y 3.2 En siguiente secuencia de figuras se aprecia como encienden uno a uno los leds Figura Nº 7.1 Led indicador de 3300Hz Figura Nº 7.2 Led indicador de 3450Hz 48
Figura Nº 7.3 Led indicador de 3600Hz Figura Nº7.4 Led indicador de 3750Hz 49
CAPÍTULO 8: Conclusiones y recomendaciones Una vez que se hizo todo el desarrollo y se probó; se vio que pueden existir diferencias entre lo simulado en un computador y lo realizado con componentes en una tarjeta de pruebas, por eso es necesario antes de realizar un proyecto hacer pruebas con los componentes y no confiarse del todo en el resultado de una simulación. Se ha demostrado que construir un circuito impreso de una manera artesanal es totalmente factible y funcional. Al desempeñarse como ingeniero se debe resolver una infinidad de situaciones y la factibilidad de construir circuitos impresos es una herramienta sumamente útil. El programa Pad2pad lo cede gratuitamente una compañía que se dedica a la fabricación de circuitos impresos por lo que dicho programa tiene la posibilidad de calcular cual es el costo de realizar los circuitos impresos, en la siguiente figura se muestran las condiciones de dicha fabricación para tener una idea del costo económico que puede tener el hecho de encargar la confección de los circuitos impresos, sin embargo, si se tratara de varios impresos iguales el costo puede hacerse favorable. 50
FIGURA Nº 8.1 Condiciones para solicitar la construcción de impresos 51
BIBLIOGRAFÍA Manual: 1. Philips Consumer Electronics Company. ECG Master Replacement Guide 18ed. Estados Unidos, 1998. Páginas web: 2. Mouser Electronics, Inc Mouser Electronics http://www.mouser.com/search/refine.aspx?ntt=sp67 3 National Semiconductor Corporation Datasheet LM567, http://www.national.com/mpf/lm/lm567c.html#datasheet 4 Texas Instruments Inc, Filter Pro Version 2.00.001 ; http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/filter-designer.html 5 Novarm Limited, Dip Trace Version 1.30 http://www.diptrace.com/download.php 6 Pad2Pad.com, Pad2Pad Version1.7.3 http://www.pad2pad.com/download/index.htm 52
APÉNDICES A.1 Lista de equipo Osciloscopio JDR Instruments Contador y generador de funciones TENMA 72-380 Multiprobador METEX Mototool DREMEL Multipro Base para Mototool DREMEL Cautín TMC 30 vatios Dos fuentes de poder de 12 vdc A.2 Lista componentes y materiales A.2.1 Componentes del generador de alarma Circuitos Integrados: 1 CD4047BE 1 TL084CN Transistores 1 2N6093 1 2SC1213 Diodos 2 1N4007 1 NTE5019A Potenciómetros 1 1KΩ 1 10KΩ Resistencias (todas en ½ vatio) 3 120 KΩ 2 100 KΩ 2 56 KΩ 53
1 10 KΩ 1 6.8 KΩ 1 6.2 KΩ 2 5.6 KΩ 1 3.3 KΩ 1 2.0 KΩ 1 680 Ω 1 620 Ω 2 270 Ω Condensadores de Poliéster 1 68nF / 100v 1 10nF / 100v 4 8.2 nf / 50v Condensadores electrolíticos 1 100uF / 50v 1 10uF / 50v Conector 1 6 pines Otros 1 Tarjeta para impreso 6 X 7.5 cm 2 ¼ litro de percloruro de hierro 54
A.2.2 Componentes del detector Circuitos integrados 1 TL084CN 4 LM567CN 1 L7812CV 1 L7805CV 1 L7912CV Diodos 4 Led Condensadores electrolíticos 1 100uF / 50v 2 47uF / 50v 8 1uF / 25v 2 0.1uF / 25v Condensadores de poliester 4 10nF / 50v 6 8.2nF / 50v Potenciómetros 5 10 KΩ 4 1 KΩ Condensadores cerámicos 4 10nF / 50v Resistencias 3 120 KΩ 1 10 KΩ 7 5.6 KΩ 1 1.0 KΩ 4 330 Ω 3 270 Ω Conectores 2 6 pines Otros 1 Tarjeta para impreso 8 X 10 cm 2 ¼ litro de percloruro de hierro 55
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