Práctica Complementaria: Detector de color Autores: Justo Barroso Fontalba, Benjamín Díaz Aranzana, Fco Javier Suvires García Asignatura: Laboratorio de electrónica Profesor: M.A. López Gordo Fecha: 18-01-11
Índice Paginas Requisitos del diseño 3 Introducción 3 Resolución analítica 4 Cálculos 5 Simulación con Proteus 6 Diseño de la PCB 6 Lista de componentes 11 2 P á g i n a
1. Requisitos de diseño Unidad detectora de color mediante longitud de onda de los diodos Led. Detección de color (amarillo, verde y rojo) Uso de transistores Fet, BJT y circuitos integrados (puertas lógicas) 2. Introducción La función principal que desempeña el prototipo consiste en la detección de diferentes colores de pilotos indicadores (LED), pudiendo monitorear el estado de estos pilotos en una maquina industrial sin tener que estar presente. El fototransistor recibe la luz del LED emisor proporcionando una señal relativa a la potencia y la longitud de onda recibida, la señal es amplificada en corriente por un amplificador en colector común (Ganancia unidad), esta pasa a una red de comparadores donde es comparada con una serie de potenciómetros. Estas salidas son procesadas mediante puertas lógicas seleccionando la salida en función de los valores recibidos. Estas puertas atacan a una etapa de salida a base de mosfets (trabajando como interruptor) activando el indicador del color correspondiente a la señal de entrada obtenida. 3 P á g i n a
3. Resolución analítica Para medir el color de cada indicador nos hemos basado en dos de las gráficas que nos proporciona el fabricante del sensor: Como se puede observar tenemos dos parámetros conjugados, la sensibilidad del sensor/longitud de onda y la corriente de colector/irradiancia por lo cual si independizamos la potencia emitida del LED nos encontramos con una curva casi lineal en la gráfica sensibilidad del sensor/longitud de onda dentro del espectro visible. Para independizar la carga de medida de la carga del sensor hemos usado un amplificador en colector común de modo que la variación del efecto de carga en la medida no influye sobre la medida del sensor. Después de este paso hemos diseñado una serie de comparadores configurados en distintos umbrales según la longitud de onda recibida. Para que solamente se visualice el valor más alto y no todos los umbrales que se han sobrepasado el circuito está dotado de una lógica combinacional compuesta por unas puertas AND y unas puertas inversoras con el objetivo de ir inhabilitando las entradas de menor peso. Para no atacar la salida directamente (en este caso LEDs pero podría ser cargas mayores) se ha utilizado unos Mosfets trabajando en conmutación. 4 P á g i n a
4. Cálculos Análisis en continua de la etapa amplificadora: ( ) ( ) Análisis de saturación del sensor: Consumo del diodo LED: Nota: Se utilizó una resistencia de 560 Ohm que es el estándar inmediatamente superior, esto también provoca un menor consumo de corriente. Tabla resumen Valores Teóricos Simulación Prácticos Rojo Verde Amarillo Reposo Activo Beta 200 226 IC 1,128mA 1,129mA 1,13mA 1,01mA 1,09mA 1,07mA IB 5,64uA 5,25uA 5,5uA 5uA 5,3uA 5,2uA VCE 6,7v 6,67v 6,6v 7,03v 6,73v 6,85v VE 5,3v 5,33v 5,29v 4,79v 5,12v 5,04v VB 6v 6v 5,9v 5,33v 5,71v 5,63v Vled 2,2v 2,15v 2,24v Iled 20mA 17,12mA 14,76mA 5 P á g i n a
5. Simulación con Proteus Esquema de ensayo sin sensor pero funcional 5. Diseño de la PCB La PCB (placa de circuito impreso) está diseñada con el entorno de trabajo Eagle, un potente aunque ligero software. Se adjuntan las siguientes capas para ambas PCBs: Sensor Test Esquemático Cara inferior (botton) Cara de componentes Esquemático Cara inferior (botton) Cara superior (top) Cara de componentes 6 P á g i n a
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Cara inferior Cara de componentes 8 P á g i n a
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Cara inferior Cara superior Cara de componentes 10 P á g i n a
6. Lista de componentes Sensor Part Value Device Package Description Coste C1 100nF C-EU050-025X075 C050-025X075 CAPACITOR, European symbol 0,19 IC1 LM324N LM324N DIL14 OP AMP 0,48 IC2 4081N 4081N DIL14 Quad 2-input AND 0,29 IC3 40106N 40106N DIL14 Hex SCHMITT TRIGGER 0,34 LED1 LED5MM LED5MM LED 0,14 LED2 LED5MM LED5MM LED 0,14 LED3 LED5MM LED5MM LED 0,20 Q1 IRF540 IRF540 N-Channel M FET 1,12 Q2 IRF540 IRF540 N-Channel M FET 1,12 Q3 IRF540 IRF540 N-Channel M FET 1,12 R1 10k POTENTIOMETER_PT-10 PT-10 Potentiometer 0,26 R2 10k POTENTIOMETER_PT-10 PT-10 Potentiometer 0,26 R3 10k POTENTIOMETER_PT-10 PT-10 Potentiometer 0,26 R4 330R R-EU_0207/10 0207/10 RESISTOR, European symbol 0,07 R5 330R R-EU_0207/10 0207/10 RESISTOR, European symbol 0,07 R6 330R R-EU_0207/10 0207/10 RESISTOR, European symbol 0,07 R7 1k R-EU_0207/10 0207/10 RESISTOR, European symbol 0,07 R8 1k R-EU_0207/10 0207/10 RESISTOR, European symbol 0,07 R9 1k R-EU_0207/10 0207/10 RESISTOR, European symbol 0,07 R10 10k R-EU_0207/10 0207/10 RESISTOR, European symbol 0,07 R11 10k R-EU_0207/10 0207/10 RESISTOR, European symbol 0,07 R12 10k R-EU_0207/10 0207/10 RESISTOR, European symbol 0,07 R13 10k POTENTIOMETER_PT-10 PT-10 Potentiometer 0,26 T1 BC547 BC547 TO92 NPN TRANSISTOR 0,32 T2 BPW85A BPW85A BPW85A PHOTO TRANSISTOR 0,49 X1 AK500/2 AK500/2 CONNECTOR 0,40 Total 8,02 Tester Part Value Device Package Description Coste C1 100nF C-EU050-025X075 C050-025X075 CAPACITOR, European symbol 0,19 LED1 LED3MM LED3MM LED 0,14 LED2 LED3MM LED3MM LED 0,14 LED3 LED3MM LED3MM LED 0,20 R1 1k POTENTIOMETER_PT-10 PT-10 Potentiometer 0,26 R2 1k POTENTIOMETER_PT-10 PT-10 Potentiometer 0,26 R3 1k POTENTIOMETER_PT-10 PT-10 Potentiometer 0,26 S1 10-XX B3F-10XX OMRON SWITCH 0,26 S2 10-XX B3F-10XX OMRON SWITCH 0,26 S3 10-XX B3F-10XX OMRON SWITCH 0,26 X1 AK500/2 AK500/2 CONNECTOR 0,40 Total 2,63 11 P á g i n a