Informe Dimmer

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA, TELECOMUNICACIONES Y REDES DE INFORMACIÓN

INFORME FINAL

ELECTRONICA AVANZADA

TEMA: DIMMER

INTEGRANTES: Beltrán Octavio Calderón Santiago Del Salto Edwin

Fecha: 17 de Junio 2014

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ELECTRONICA AVANZADA

OBJETIVO El alumno aprenderá a armar un circuito Dimmer a través de la investigación del diseño del mismo, para así conocer las aplicaciones del TRIAC y el porqué del funcionamiento del mismo dimmer.

CONCEPTO DE DIMMER  Un dimmer, regulador, atenuador o dimmer sirve para regular la energía en uno o varios focos, con el fin de variar la intensidad de la luz que emiten (siempre y cuando las propiedades de la lámpara lo permitan). Actualmente los circuitos más empleados incluyen la función de encendido al "paso por cero" de la tensión. La disminución del valor eficaz en la bombilla se logra recortando la señal en el momento de subida en el punto que se elija (si cortamos la señal cuando la onda llega a 60 V p.e. se encenderá muy poco, mientras que si la cortamos al llegar a 200 V se encenderá casi al máximo). Existen sistemas más complejos capaces de regular el flujo de iluminación para otro tipo de lámparas (fluorescentes, de bajo consumo, etc.) pero son más complicados. Algunos dimmer pueden ser controlados remotamente a través de controladores y protocolos especiales. En el caso de la iluminación para escenarios uno de los protocolos más utilizados es DMX (Digital MultipleX), que es un protocolo de comunicaciones usado para controlar la iluminación de escenarios, o DMX512, el cual permite que la intensidad de las luces convencionales pueda ser sincronizada con las luces de efectos especiales, máquinas de humo, etc.

DESARROLLO Marco Teórico El circuito de un Dimmer es simple:  



El potenciómetro varía el voltaje. El Diac permite la oscilación de la onda de 60Hz o 50Hz con el Triac, dependiendo del Triac y del Diac será la potencia que podemos regular. Si el circuito lo utilizamos por largo tiempo es ideal colocar un disipador de calor al Triac. Los resistores y capacitores se usan para variar el ángulo de disparo del Triac. Los capacitores filtran los armónicos y las resistencias evitan un corto al dejar el potenciómetro en cero.

Lista de Materiales 

1 foco de 120 v / 100 watts. 2

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ELECTRONICA AVANZADA                 

2 resistencias de 22 kΩ. 3 resistencias de 1 kΩ 1 resistencias de 180 Ω 1 resistencias de 4.7 kΩ 1 potenciómetro de 500 k Ω. 1 potenciómetro de 50 k Ω. 1 relay de 12V 1 capacitor de 10 uF. 1 capacitor de 22 uF. 1 led rojo 5 diodos 1N4148 4 diodos 1N4007 2 optoacopladores 4N25 2 amplificadores operacionales LM393 1 transistor 2N3904 1 MOC3023 1 triac Q8006L5

Descripción de los elementos a usar RESISTOR

Símbolo electrónico

Se denomina resistor al componente electrónico diseñado para introducir una resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito eléctrico. En el propio argot eléctrico y electrónico, son conocidos simplemente como resistencias. En otros casos, como en las planchas, calentadores, etc., se emplean resistencias para producir calor aprovechando el efecto Joule. Es un material formado por carbón y otros elementos resistivos para disminuir la corriente que pasa. Se opone al paso de la corriente. La corriente máxima y diferencia de potencial máxima en un resistor viene condicionada por la máxima potencia que pueda disipar su cuerpo. Esta potencia se puede identificar visualmente a partir del diámetro sin que sea necesaria otra indicación. Los valores más comunes son 0,25 W, 0,5 W y 1 W. Existen resistencias de valor variable, que reciben el nombre de  potenciómetros o Resistores Variables.

3

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ELECTRONICA AVANZADA

POTENCIÓMETRO

Símbolo electrónico

(Europa)

(USA)

Un potenciómetro es un resistor cuyo valor de resistencia es variable. De esta manera, indirectamente, se puede controlar la intensidad de corriente que fluye por un circuito si se conecta en paralelo, o la diferencia de potencial al conectarlo en serie. Normalmente, los potenciómetros se utilizan en circuitos de poca corriente. Para circuitos de corrientes mayores, se utilizan los reóstatos, que pueden disipar más potencia. DIODO

Símbolo electrónico

Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya no se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina como ánodo, y un cátodo. De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña. Debido a este comportamiento, se les suele denominar  rectificadores, ya que son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua. Su principio de funcionamiento está basado en los experimentos de Lee De Forest. Los primeros diodos eran válvulas o tubos de vacío, también llamados válvulas termoiónicas constituidas por dos electrodos rodeados de vacío en un tubo de cristal, con un aspecto similar al de las lámparas incandescentes. El invento fue desarrollado en1904 por John 4

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ELECTRONICA AVANZADA

Ambrose Fleming, empleado de la empresa Marconi, basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison. Al igual que las lámparas incandescentes, los tubos de vacío tienen un  filamento (el cátodo) a través del cual circula la corriente, calentándolo por efecto Joule.  El filamento está tratado con óxido de bario, de modo que al calentarse emite electrones al vacío circundante los cuales son conducidos electrostáticamente hacia una placa, curvada por un muelle doble, cargada positivamente (el ánodo), produciéndose así la conducción. Evidentemente, si el cátodo no se calienta, no podrá ceder electrones. Por esa razón, los circuitos que utilizaban válvulas de vacío requerían un tiempo para que las válvulas se calentaran antes de poder funcionar y las válvulas se quemaban con mucha facilidad. TRIAC

Símbolo electrónico

Un TRIAC o Triodo para Corriente Alterna es un dispositivo  semiconductor, de la familia de los tiristores. La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es un  interruptor capaz de conmutar la corriente alterna. Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos  SCR en direcciones opuestas. Posee tres electrodos:  A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente al electrodo puerta. OPTOACOPLADOR

Símbolo electrónico

5

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ELECTRONICA AVANZADA

Un optoacoplador, también llamado optoaislador o aislador acoplado ópticamente, es un dispositivo de emisión y recepción que funciona como un interruptor activado mediante la luz emitida por un diodo LED que satura un componente optoelectrónico, normalmente en forma de fototransistor o fototriac. De este modo se combinan en un solo dispositivo semiconductor, un fotoemisor y un fotorreceptor cuya conexión entre ambos es óptica. Estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP. Se suelen utilizar para aislar eléctricamente a dispositivos muy sensibles. Funcionamiento

El optoacoplador combina un LED y un fototransistor.

La figura de la izquierda muestra un optoacoplador 4N35 formado por un LED y un fototransistor. La tensión de la fuente de la izquierda y la resistencia en serie establecen una corriente en el LED emisor cuando se cierra el interruptor S1. Si dicha corriente proporciona un nivel de luz adecuado, al incidir sobre el fototransistor lo saturará, generando una corriente en R2. De este modo la tensión de salida será igual a cero con S1 cerrado y a V2 con S1 abierto. Si la tensión de entrada varía, la cantidad de luz también lo hará, lo que significa que la tensión de salida cambia de acuerdo con la tensión de entrada. De este modo el dispositivo puede acoplar una señal de entrada con el circuito de salida, aunque hay que tener en cuenta que las curvas tensión/luz del LED no son lineales, por lo que la señal puede distorsionarse. Se venden optoacopladores especiales para este propósito, diseñados de forma que tengan un rango en el que la señal de salida sea casi idéntica a la de entrada. La ventaja fundamental de un optoacoplador es el aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida. Mediante el optoacoplador, el único contacto entre ambos circuitos es un haz de luz. Esto se traduce en una resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden de miles de MΩ. Estos aislamientos son útiles en aplicaciones de alta tensión en las que los potenciales de los dos circuitos pueden diferir en varios miles de voltios. Tipos En general, los diferentes tipos de optoacopladores se distinguen por su diferente etapa de salida. Entre los principales cabe destacar el fototransistor, ya mencionado, el fototriac y el fototriac de paso por cero. En este último, su etapa de salida es un  triac de cruce por cero, que posee un circuito interno que conmuta al triac sólo en los cruce por cero de la fuente.

6

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ELECTRONICA AVANZADA

Etapa de salida a fototransistor.

Etapa de salida a fototriac.

RELÉ

Símbolo electrónico

El relé o relevador es un dispositivo electromecánico. Funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una  bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835. Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como un amplificador eléctrico. Como tal se emplearon en telegrafía,  haciendo la función de repetidores que generaban una nueva señal con corriente procedente de pilas locales a partir de la señal débil recibida por la línea. Se les llamaba "relevadores". De ahí "relé". AMPLIFICADOR OPERACIONAL Se trata de un dispositivo electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): Vout = G·(V+ − V−)el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741.

7

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ELECTRONICA AVANZADA

El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960, fue el Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de

Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741 (1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en

tecnología bipolar. Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre. El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada Notación El símbolo de un amplificador es el mostrado en la siguiente figura:

Los terminales son:     

V+: entrada no inversora V-: entrada inversora VOUT: salida VS+: alimentación positiva VS-: alimentación negativa

Los terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplos en lo s A.O. basados en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJT son VCC y VEE. Habitualmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por claridad.

DIAGRAMA DEL CIRCUITO 1ª etapa, Detector de cruce por cero: Esta etapa se encarga de monitorear la señal de entrada mediante la detección del cruce de la señal alterna por la línea de referencia de cero, de tal forma que su señal de salida servirá para sincronizar la señal de alimentación y las etapas subsecuentes. 2ª etapa, Generador de la rampa lineal: Esta etapa consiste en un integrador que, a partir de una tensión fija de CC, genera una rampa, cuya amplitud y periodo se controla mediante la sincronización con la señal de entrada. 3ª etapa, Comparador: Consiste en la comparación de la señal producida por el integrador y una señal de control (Ec), la cual es la señal de salida del sistema de control (sistema digital  – 8

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ELECTRONICA AVANZADA

análogo, señal estándar de voltaje, etc.) Esta etapa proporcionará un nivel de tensión cuando la rampa esté por debajo de la magnitud de la señal de control Ec, y otro nivel cuando esté por encima de la misma. 4ª etapa, Acoplador de señales:  La función de esta etapa es traducir los niveles de tensión proporcionados por el comparador en una conmutación del tiristor. En este caso, consiste en un opto acoplador. Posteriormente a esta etapa se encuentra la etapa de potencia, es decir el o los tiristores. La resistencia limitadora R1 permite limitar la corriente de compuerta del TRIAC, la corriente de compuerta I mA GT = 10 ; entonces para dimensionar la resistencia se toma el valor del voltaje la red:

R1 = 11K W; Para asegurar el disparo de TRIAC R1 = 4.7K W

Como el valor del voltaje es alto se calcula la potencia mínima que debe disipar la resistencia limitadora de la siguiente manera:

Entonces se escoge la resistencia de potencia superior de valor normalizado.

Circuito detector de cruce por cero.

9

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ELECTRONICA AVANZADA

Circuito generador de la onda diente de sierra.

Donde: Vo = 0 ; se obtiene la ecuación:

Para t = 8.33ms , el voltaje de salida es: vout= 10V

Entonces: sea C 1 = 100nF

10

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ELECTRONICA AVANZADA

para la resistencia R6 se utiliza un potenciómetro de 500 K W para tener un control fino Considerando: C B I = bI I mA B = 6 Los pulsos de corriente a la base del transistor son de 6Ma

R5 = 2K W

Circuito comparador.

11

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ELECTRONICA AVANZADA

SIMULACION DEL CIRCUITO QUE SE IMPLEMENTO Descripción Detallada del Funcionamiento del Circuito La señal de entrada es rectificada mediante un rectificador de onda completa conformado por un puente de diodos, esta señal atraviesa el fototransistor 4N35, el cual se encarga de generar pulsos cada vez que la señal tenga un cruce por cero produciéndose una señal cuadrada, la cual pasa a un circuito integrador formado por un transistor TBJ 2n3904 Q1, R4 y un capacitor conectado entre colector y emisor, de esta manera a la salida de dicho circuito tenemos generada la señal rampa. A continuación se realiza una comparación de la señal rampa con el voltaje de referencia que es del capacitor C2 para determinar el modo de operación del relé, es decir si se encuentra funcionando el contacto normalmente abierto o el contacto normalmente cerrado, si se trata del primero, la señal de salida del comparador U4A es enviada al optoacoplador para que este genere el disparo del triac, el cual a su vez controlará el encendido del foco, el tiempo de encendido puede ser cambiado mediante el potenciómetro RV1, el voltaje de RV1 se lo compara en U4B con el voltaje de C2 para determinar si el foco alcanzo su intensidad máxima y cambiar de contacto el relé. Una vez que la intensidad luminosa del foco sea máxima se encenderá un led indicador, y se cambiara al contacto normalmente abierto mediante el transistor Q2 del relé, la señal rampa será comparada en U4A, con el voltaje de referencia producido por la variación del potenciómetro RV2, lo que permitirá manipular la intensidad del foco manualmente, finalmente los tres diodos colocados en serie se los utilizó para compensar las pérdidas de voltaje en las junturas base emisor de los elementos semiconductores.

12

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ELECTRONICA AVANZADA

CIRCUITO REALIZADO EN ARES PARA IMPLEMENTARLO

13

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ELECTRONICA AVANZADA

14

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ELECTRONICA AVANZADA

Contenido OBJETIVO ....................................................................................................................................... 2 CONCEPTO DE DIMMER ................................................................................................................ 2 DESARROLLO ................................................................................................................................. 2 Marco Teórico ........................................................................................................................... 2

Lista de Materiales .................................................................................................................... 2 Descripción de los elementos a usar ......................................................................................... 3 DIAGRAMA DEL CIRCUITO ............................................................................................................. 8 SIMULACION DEL CIRCUITO QUE SE IMPLEMENTO .................................................................... 12 Descripción Detallada del Funcionamiento del Circuito .......................................................... 12

CIRCUITO REALIZADO EN ARES PARA IMPLEMENTARLO ............................................................ 13