UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Electrónica Analógica I Reporte del Proyecto Final Fuente de Voltaje de Polaridad y Valor Variable Fuente de Voltaje Fijo de 5Vcd Frecuencia: LMV - V5 Aula: 7-206
Carrera:
Ingeniero en Electrónica y en Comunicacion Comunicaciones es
Alumno:
Herrera Gamiño Fernando Iván
Matrícula:
1656056
Correo:
[email protected]
Profesor:
M.C. Rodolfo Rubén Treviño
Ciudad universitaria, universitaria, SN de los Garza, N.L. 12 de mayo de 2017
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica – Electrónica Analógica I
Índice de Contenido
1 - Resumen ......................................................................................................................................... 2 2 – Introducción – Fuente de Poder Electrónica .................. ........................... ................... ................... .................. .................. .................. ................. ........ 2 2.1 – Transformador como Reductor de Amplitud ................ ......................... ................... ................... .................. .................. .................. ........... .. 3 2.2 – Circuito Rectificador de Onda Completa .............. ....................... ................... ................... .................. .................. .................. .................. ........... .. 4 2.3 – Circuito Filtrador..................................................................................................................... 4 2.4 – Circuito Regulador de Voltaje. ................................................................................................ 5 3 - Desarrollo ....................................................................................................................................... 6 3.1 – Descripción General del Circuito Realizado .................. ........................... ................... ................... .................. .................. .................. ........... .. 6 3.2.1 – Utilización del transformador 24V / 2A, y Puente Rectificador. ................... ............................ ................. ........ 8 3.2.2 – Salida Positiva Positiv a Fija ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................... 9 3.2.2 – Salidas de Voltaje Vcd y Polaridad y Valor Variable ........................................................ 9 El Regulador LM317 .................................................................................................................... 9 El Regulador LM337 .................................................................................................................. 10 Protección de Corto con Diodos................................................................................................ 10 Utilización del Diagrama ........................................................................................................... 10 4 – Simulación en Proteus y Circuit Wizard .................. ........................... ................... ................... .................. .................. .................. ............... ...... 11 5 – Implementación en Circuito Impreso .......................................................................................... 14 5.1 – Impresión Impre sión en Acetato ................................. ................ ................................... ................................... ................................... .................................. ................ 14 5.2 – Transmisión Transmi sión de Tinta a la Placa ................................. ............... ................................... ................................... .................................... .................... 15 5.3 – Utilización de Cloruro Férrico ..................... .............................. .................. ................... ................... .................. .................. .................. ............... ...... 17 17 5.4 – Placa Disuelta y Removimiento de Tinta. .............. ....................... .................. .................. .................. .................. ................... .............. .... 17 5.5 – Perforación de Agujeros ................................................................................................... 18 5.6 – Colocación de Interruptor, Inte rruptor, LED, Conectores, y Potenciómetro ............. ...................... .................. ................. ........ 19 6 – Especificaciones del Sistema ....................................................................................................... 22 7 – Conclusiones ................................................................................................................................ 23 7 – Recomendaciones ....................................................................................................................... 23 8 – Referencias Bibliográficas............................................................................................................ 23
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1 - Resumen En esta reporte se propone explicar el procedimiento realizado para implementar en un circuito impreso, un sistema que provea la función de fuente de voltaje con valor y polaridad variable, así como de otra salida de un voltaje fijo de 5Vcc, ambas partes del circuito con corriente directa. La utilidad de este proyecto recae en que otorga la facilidad de conectarlo mediante una clavija a la corriente alterna otorgada por CFE, para evitar la utilización de baterías, así como Fig. 1.1 –Circuito de conversión de corriente alterna a directa. ayuda para los proyectos de electrónica digital, los cuales requieren 5 volts para la alimentación de la mayoría de los circuitos integrados, tanto programables, como de función fija. El trabajo cuenta con una introducción, en donde se explican los fundamentos teóricos con los que se realizó el proyecto; el apartado de desarrollo en donde se explica detalladamente cómo se llevó a cabo cada paso, tanto de la implementación digital (en computadora), como física; un área de conclusiones generales; y las referencias bibliográficas.
2 – Introducción – Fuente de Poder Electrónica Las ventajas de los circuitos rectificadores, filtro, y reguladores, son muchas, puesto que la mayoría de los dispositivos electrónicos funcionan con corriente directa en vez de corriente alterna, sin embargo, en las líneas de transmisión hay corriente alterna, dado a que es muchísimo más fácil de transportar Fig. 2.1 – Ejemplo de convertidor de AC a DC. que la corriente directa, debido a que no presenta tantas pérdidas, por lo que es más económica.
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Fig. 2.2 – Comparación entre dos señales de voltaje: a) Corriente Alterna. b) Corriente Dire cta.
En la figura 2.2 se observa una comparación entre una señal de AC, y una de DC.
¿Cómo funcionan los circuitos que transforman la corriente alterna a corriente directa? Primeramente, hay que mencionar que CFE entrega una señal de 120 Volts (AC) en nuestras casas, y muchos de los aparatos funcionan en un rango de voltaje mucho más pequeño, por lo tanto, es necesario utilizar un transformador, el cual reduce la amplitud del voltaje sinusoidal de entrada, y lo traduce en un aumento de corriente en el otro lado del transformador (la potencia no se reduce). En la figura 2.3 hay un transformador de 120V a 24V, con 1.2 amperes de corriente, y el diagrama esquemático de un transformador.
Fig. 2.3 – Ejemplo de convertidor de AC a DC.
Algunas fórmulas importantes para el manejo de transformadores son las siguientes:
Conservación de la potencia: Relación entre vueltas (voltaje):
Relación entre vueltas (corriente):
1 = 2, → ∗ = ∗
= =
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Las fórmulas anteriores comprueban la traducción del voltaje en corriente. Ya que se ha disminuido la amplitud de la señal, conviene ahora utilizar un circuito rectificador, el cual, mediante un arreglo adecuado de diodos conocido como un puente rectificador, sólo permite que la corriente tenga una polaridad en la salida, con el fin de transformar la señal, en una señal rectificada. El puente rectificador se conoce como un sistema rectificador de onda completa, puesto que no desperdicia la parte negativa de la señal de entrada, sino que cambia su polaridad, sin eliminarla. En la figura 2.4 se observa un puente rectificador, su diagrama, y la comparación entre dos señales sinusoidales, una sin rectificar, y la otra rectificada. Fig. 2.4 – a) Diagrama del PR. b) PR en físico. c) PR como rectificador de onda completa. d) Señal de salida negativa com arada con la de entrada.
Ahora sólo restan dos pasos principales, la filtración, y la regulación de voltaje.
La filtración es un proceso mediante el cual se estabiliza el valor de la señal de entrada, otorgando algo parecido a una corriente directa, en donde puede considerarse a la nueva señal de salida como una pequeña señal sinusoidal con una componente de DC sobreimpuesta, la cual varía en un rango muy pequeño comparado a la amplitud original. El efecto anterior se consigue mediante la utilización de capacitores conectados en paralelo, junto con una resistencia, con la finalidad de generar un circuito RC, el cual altere las propiedades del voltaje de salida en el circuito, debido a que la corriente empieza a decrecer conforme debe cargarse el voltaje en el capacitor, lo cual causa que cuando la señal sinusoidal de entrada empiece a decaer, el voltaje que provee la descarga del capacitor no permite que en la salida del circuito dicha señal decaída considerablemente, otorgando el efecto deseado. La figura 2.5 muestra un circuito filtro básico, y la señal de salida del mismo. Reporte del Proyecto Final – Herrera Gamiño Fernando Iván
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Fig. 2.5 – a) Circuito RC filtro. b) Señal de salida.
El proceso final consiste en regular el voltaje, lo cual puede conseguirse mediante la utilización de circuitos integrados como el LM7805 (figura 2.6), o mediante algún elemento discreto de regulación de voltaje, tal como lo es un diodo Zener, el cual es un diodo que conviene polarizar inversamente, debido a que sus características Voltaje – Corriente inversos otorgan un voltaje fijo para un rango elevado de corrientes, por lo que se obtiene un voltaje fijo de salida.
Fig. 2.6 – Dibujo de un regulador LM7805, con distribución de terminales.
En la figura 2.7 se observa un circuito sencillo de regulación Zener, junto con la ecuación necesaria para la resistencia reguladora de corriente R i.
Fig. 2.7 – a) Características Voltaje – Corriente en un diodo Zener en la región de polarización inversa. b) Circuito básico regulador Zener, con una resistencia reguladora Ri
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3 - Desarrollo
Se utilizaron los siguientes materiales: Material
Cantid ad
Resistencia de 1 Ω
5
Resistencia de 120Ω
2
Resistencia de 6.5 kΩ
1
Potenciómetro de 2kΩ
2
Transformador 24V / 2A con Devanado Central
1
Diodo 1N4001
5
Diodo Emisor de Luz Color Rojo
1
Capacitor de 1,000µF
2
Capacitor de 0.1µF
2
Capacitor de 1µF
2
Imagen
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Capacitor de 0.33µF
1
Capacitor de 470µF
1
Capacitor de 0.01µF
1
Clavija de Conexión
1
Fusible de 1A
1
Switch
1
Amplificador Operacional LM317T
1
Amplificador Operacional LM337T
1
Circuito Integrado LM7805T
1
Placa Fenólica de Cobre
1
Cloruro Férrico
1
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3.2.1 – Utilización del transformador 24V / 2A, y Puente Rectificador. Se utilizó un transformador con el fin de reducir el voltaje de 120V otorgado por CFE, a un total de 24V, por lo que la relación de vueltas en el transformador es de 5: 1. Los 60Hz de frecuencia se transmiten a través del transformador, y posteriormente, la señal de entrada es rectificada con un arreglo de puente rectificador, en base a cuatro diodos 1N4001. Se puede observar el apartado del transformador en Proteus en la figura 3.2.1. Con un osciloscopio en Proteus se observó en la señal de entrada comparada con la de salida, dichos resultados se observan en la figura 3.2.2
Figura 3.2.1 Simulación en Proteus – Utilización del transformador reductor.
Fig. 3.2.2 –Reducción de la amplitud de la señal (Proteus).
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3.2.2 – Salida Positiva Fija Una parte del sistema consiste en una fuente de voltaje de 5V cd, (figura 3.2.3) la cual se conectaba a la parte superior e inferior del transformador con dos diodos, con el propósito de generar una rectificación de onda completa. (Transformación y Rectificación) Posteriormente se introdujeron dos capacitores en paralelo (cuyas capacitancias se suman) de 470µF y 0.33µF, respectivamente, en paralelo con un diodo emisor de luz azul con el propósito de indicar que el sistema funciona, y una resistencia de 6.5KΩ, para estabilizar el sistema RC, y poder generar una constante de tiempo suficientemente grande para entregar una señal filtrada. Después del filtro, se conectó un regulador LM7805T, el cual regula un voltaje de entrada de corriente directa, en una salida de 5V cd, si recibe al menos 7V cd. Finalmente, se añade un capacitor de 0.01µF para eliminar pequeños voltajes de riso, y otorgar finalmente una salida de 5 volts utilizable para proyectos de electrónica digital.
Figura 3.2.3 Simulación en Proteus del Segmento de fuente fija de 5Vcd del sistema.
3.2.2 – Salidas de Voltaje Vcd y Polaridad y Valor Variable Otra parte del circuito consiste en dos salidas de voltaje, una con polaridad positiva, y otra con polaridad negativa, las cuales pueden variar girando la manecilla de un potenciómetro de 2kΩ respectivo para cada regulador.
El Regulador LM317
Este regulador consume 3V para su funcionamiento, y puede soportar hasta 40V, por lo que puede otorgar 37V regulados.
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Con una estructura interna de aproximadamente 30 transistores, y otros componentes, es un amplificador operacional que tiene 3 electrodos, denominados Ajuste; Voltaje de Entrada, y Voltaje de Salida (ver figura 3.2.4), el cual otorga un voltaje de salida, en base a la diferencia de voltaje entre el ajuste y el voltaje de salida. Se debe colocar una resistencia con un valor mayor a 100Ω con el propósito de que la corriente Fig. 3.2.4 – Diagrama de terminales del LM317T y LM337T.
no aumente demasiado (si la corriente es mayor a determinado valor, el dispositivo deja de regular correctamente.
Mediante un arreglo con un potenciómetro, se puede variar la resistencia entre las terminales de ajuste y de V out, lo cual otorga la posibilidad de tener una fuente de voltaje positiva variable. El Regulador LM337
Consiste en un amplificador operacional que funciona exactamente igual que el LM317, con la única diferencia de que en vez de otorgar un voltaje positivo en la salida, otorga uno negativo, lo cual es de bastante utilidad si se le da un arreglo similar al que se le dio al LM317, pues permite obtener una fuente de voltaje variable de polaridad negativa. Protección de Corto con Diodos
Mediante la implementación de diodos en los dos amplificadores operacionales, y en el regulador 7805, se protege el sistema de cortos circuitos, evitando que los capacitores se descarguen a través de ellos. Dichos diodos se conectaron de V out a Vin para el LM317 y LM7805, y de V in a Vout (debido al voltaje negativo) para el LM337. Utilización del Diagrama El análisis de este circuito fue basado en el documento “Fuente de Poder de Salida Triple” entregado en clase, sin embargo, se cambiaron los valores de
algunos componentes, y el arreglo en PCB tomó un arreglo totalmente distinto. La resistencia 1, que originalmente contaba con un valor de 680Ω, se cambió por una de 6.5 kΩ, con el propósito de disminuir el voltaje de riso en la filtración.q En la figura 3.2.5, se observa el diagrama en que se basó el proyecto presente.
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Fig. 3.2.5 – Diagrama base para la realización del proyecto.
4 – Simulación en Proteus y Circuit Wizard Utilizando el software de diseño de circuitos Proteus, se implementó el arreglo definido para la fuente triple, y se simuló que funcionara adecuadamente. En la siguiente figura, se observa el comportamiento del sistema tal y como se llevaría a cabo en la vida real:
Figura 4.1 - Simulación en Proteus de la fuente de salida triple. Reporte del Proyecto Final – Herrera Gamiño Fernando Iván
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Mediante la ayuda del software Circuit Wizard, se implementó el circuito que previamente se había introducido en Proteus, y posteriormente se generó un PCB con las conexiones del sistema. Debido a las complicadas conexiones que deben hacerse en el SN74LS00, el programa no pudo obtener un 100% de arreglos sin cruces, y colocaba algunos cables sueltos para terminar las conexiones, por lo tanto se decidió hacer un arreglo esquemático propio para PCB en Circuit Wizard, utilizando algunas resistencias de 1Ω como puentes. Se guardó el trabajo, y se seleccionó la opción de “Art Work”, en donde se observa
el arreglo de tinta que será impreso, para posteriormente hacer el proceso requerido con la tableta de cobre. En las siguientes figuras se muestran distintos resultados en Circuit Wizard.
Figura 4.2 – Circuito Implementado en Circuit Wizard.
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Figura 4.3 – Arreglo para PCB en Circuit Wizard, para el proceso de impresión.
Figura 4.4 – ArtWork en Circuit Wizard en base al arreglo de PCB, para el área de soldadura.
Figura 4.5 – ArtWork en Circuit Wizard para el área de componentes.
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Figura 4.5 – Tabla de materiales otorgada en C ircuit Wizard.
5 – Implementación en Circuito Impreso Al tener lista ya la placa fenólica de las medidas adecuadas, y habiendo ya impreso el diagrama de tinta del circuito en hojas de papel acetato, se procede a los pasos de la creación de un PCB.
5.1 – Impresión en Acetato Se imprimió una hoja en acetato con el diagrama creado en Circuit Wizard, con el propósito de recortarlo, y colocarlo en la placa fenólica, de tal manera que la tinta estuviera de cara con la placa, para que al aplicarle calor, se traspasara a la misma. Las figuras 5.1.1 y 5.1.2 expresan los pasos mencionados.
Figura 5.1.1 – Diagrama del circuito en hoja de acetato.
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Figura 5.1.2 – Hoja de acetato encima de la placa.
5.2 – Transmisión de Tinta a la Placa El siguiente paso es elegir un método para transmitir la tinta a la placa fenólica, de tal manera que cuando ésta se sumerja en el cloruro férrico, dicho cloruro sólo disuelva el cobre que no está bajo la protección de la tinta, generando un camino sin falsos ni cortos sencillo y entendible. Para dicho proceso, se utilizó el método de transferencia de tinta por calor, es decir, se utilizó una plancha, y se utilizó para transmitir la tinta (ver figura 5.2.1).
Figura 5.2.1 – Planchado de la placa.
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Como se aprecia en las figuras, se ve la tinta transferida antes y después corregir los circuitos abiertos con la ayuda de un marcador permanente.
Figura 5.2.2 – Tinta transferida a la placa.
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5.3 – Utilización de Cloruro Férrico Al haber ya transpasado la tinta a la placa, se introdujo en una solución de cloruro férrico diluido, colocado en un recipiente plástico, para disolver el cobre que no estuviera cubierto por la tinta impresa. En la siguiente figura se observa la placa fenólica sumergida en dicha solución.
Figura 5.3.1 – Placa en la solución.
5.4 – Placa Disuelta y Removimiento de Tinta. Se obtuvo la placa de la solución del cloruro y el agua, y se observó cómo se ve antes y después de remover la tinta de la misma, cabe mencionar que ára remover toda la tinta del circuito, se optó por utilizar acetona. En las siguientes imágenes se muestran distintas imágenes relacionadas con este trabajo.
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Figura 5.4.1 – Diagrama de tinta en la placa post ácido.
5.5 – Perforación de Agujeros Lo necesario ahora es perforar los agujeros marcados en la placa fenólica, y posteriormente aadir los componentes indicados en la lista de componentes de la cual se basó para obtener la fuente de voltaje fijo de 5vcd, En la siguiente figura se muestra la placa posterior a la perforación.
Figura 5.5.1 – Tabla perforada.
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Figura 5.5.1 – Cara de soldadura de componentes
5.6 – Colocación de Interruptor, LED, Conectores, y Potenciómetro Se colocaron los componentes descritos en el título con distintas finalidades, sin embargo, se colocaron cables y se les soldaron las terminales a dichos componentes para poder colocarlos en una caja. En las siguientes figuras se muestran varias imágenes sobre la etapa final del proceso, en donde se incluye un poco sobre la creación de la caja de proyectos utilizada.
Figura 5.6.1 – Caja de madera utilizada.
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Figura 5.6.2 – Distintas imágenes. a) Colocación del transformador. b) Vista frontal (Voltajes variables). c) Vista lateral (Voltaje fijo).
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Figura 5.6.3 – a) Soldadura de componentes externos. b) P royecto terminado.
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6 – Especificaciones del Sistema Al implementar el sistema, se observó lo siguiente:
El voltaje positivo varía entre 2.5 y 17 volts. El voltaje negativo varía entre -3.5 volts y -18 volts. El voltaje fijo tiene un valor de 16 volts.
¿Por qué la parte del voltaje fijo no funciona? La hipótesis inicial fue que el regulador LM7805 estaba dañado, por lo que éste se cambió por otro, sin embargo, la salida era la misma. ¿Cuál es la corriente máxima que puede soportar cada tipo de salida? Dichas condiciones requieren analizar los circuitos integrados utilizados, puesto que éstos están diseñados para corriente no mayores a 1.5A en condiciones ideales, sin embargo, éste es un límite, y no debe de utilizarse como punto de operación constante. Valores de 0.5 – 0.6 ampères podrían otorgar un mejor funcionamiento al sistema. Como se mencionó anteriormente, para las salidas variables, dichos voltajes son funciones directa de la diferencia de potencial entre dos terminales de los amplificadores operaciones, y por consecuencia, del ángulo de inclinación de cada potenciómetro. Dichos comportamientos están regidos mediante las siguientes ecuaciones obtenidas de los datasheet de los LM337 y LM317:
La utilización de dichos dispositivos ahorra la parte de cálculos de regulación de voltaje, pues es una característica intrínseca de ellos, sin embargo, los procesos de filtro y rectificación, se definieron en el marco teórico de este reporte. Cabe destacar que las resistencias utilizadas en el diagrama que se conectan a las terminales de salida de los amplificadores operacionales debían tener valores entre 100 y 200 ohms, por lo que se utilizaron 2 resistencias de 260 (respectivamente) conectadas en paralelo, para lograr este efecto. Sin más que mencionar, se anexan los datasheet de los tres reguladores de voltaje utilizados en este proyecto.
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7 – Conclusiones Me pareció muy importante esta actividad, ya que gracias a ella pude entender los temas que estábamos viendo en clase, ya que no sólo es necesario conocimiento teórico, sino también práctico. Siento que es muy interesante cómo un simple arreglo de compuertas lógicas puede tener la capacidad de memorizar un bit, y cómo podemos utilizar las compuertas lógicas para generar pulsos de sincronía, que son con los que se rige el comportamiento de la mayoría de los sistemas secuenciales. Lo que más me gusto del proyecto, es que aprendí cómo programar con la finalidad de imprimir un circuito, y también pude ver cómo se realiza todo el proceso de limar la tableta de cobre, colocarla en ácido, entre otras cosas, con el propósito de tener un circuito fijo sin falsos contactos.
8 – Recomendaciones Propongo siempre realizar simulaciones, o al menos un plan antes de colocar los componentes en la tablilla de conexiones, puesto que algunas compuertas lógicas son muy delicadas, por lo que también es importante tener componentes de respaldo en caso de que alguno no funcione correctamente, o que conforme se desarrolle la actividad, se dañe. Me parece algo importante corroborar la información que tenemos sobre cómo hacer ciertas acciones, si no se recuerda correctamente cómo funciona un dispositivo de función fija, siempre podemos consultar la hoja del fabricante.
9 – Referencias Bibliográficas
“Microelectronics – Physics and Devices”, y Microelectronics – Circuit Analysis and Design” de Donald A. Neamen, McGraw-Hill, México, 2006, ISBN: 978 –0 –07 –338064 –3 y 0-07-232107-5. “Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica, Electrónica Analógica I, Documento Fuente Triple. Datasheet Catalog – LM317, LM337, LM7805 http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/fairchild/LM7805.pdf https://www.onsemi.com/pub/Collateral/LM337-D.PDF
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