Prácticas Sensores NI-ELVIS

Práctica #1 Descripción de la estación de trabajo Objetivo de la práctica. El estudiante conocerá las reglas de uso del laboratorio, sus medidas de seguridad y el equipo utilizado dentro del mismo. Reglas de Uso. 1- Prohibido hablar, comer, fumar o beber dentro del laboratorio. 2- No introducir mochila artículos personales a las estaciones de trabajo, sus pertenencias se quedaran encargadas con el responsable del área 3- No utilizar la computadora para uso personal. 4- No alterar la configuración de la computadora. 5- El archivo de trabajo generado será grabado en su memoria USB, quedando prohibido hacerlo en el disco duro de la computadora de la estación de trabajo del laboratorio. 6- El equipo del laboratorio debe ser cuidado por y para los estudiantes Medidas de seguridad del laboratorio. 1- Ajustar los valores en los equipos según las características requeridas en cada práctica, antes de conectarlos a su circuito. 2- Verificar cada una de las conexiones eléctricas y/o electrónicas del circuito, antes de encender los instrumentos del laboratorio. 3- Apagar los instrumentos para hacer cualquier cambio en la conexión de su circuito. 4- No utilizar líquidos cerca de las estaciones de trabajo, para evitar el deterioro de los equipos o algún cortocircuito. 5- No aproximar el rostro al área de trabajo una vez que se ha energizado el circuito. 6- Verificar que los equipos queden apagados al finalizar la práctica. La estación de trabajo La estación de trabajo cuenta con una PC, la cual tiene el software y hardware necesario para realizar las experimentaciones, el software es comprendido por el LabVIEW y el NI ELVIS, la PC cuenta con la tarjeta de adquisición de necesaria para la herramienta NI ELVIS, la cual será analizada posteriormente.

LabView LabVIEW de National Instruments proporciona un potente entorno de desarrollo gráfico para el diseño de aplicaciones de adquisición de datos, análisis de medidas y presentación de datos, ofreciendo una gran flexibilidad gracias a un lenguaje de programación sin la complejidad de las herramientas de desarrollo tradicionales. Sus características principales son las siguientes: -

Intuitivo lenguaje de programación gráfico para ingenieros y científicos. Herramientas de desarrollo y librerías de alto nivel específicas para aplicaciones. Cientos de funciones para E/S, control, análisis y presentación de datos. Despliegue en ordenadores personales, móviles, industriales y sistemas de computación empotrados.

Sus áreas de aplicación son las siguientes: -

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Análisis automatizado y plataformas de medida: Test de fabricación. Test de validación/medioambiental. Test mecánico/estructural. Test de fiabilidad en tiempo real. Adquisición de datos. Test de campo portátil. Test de RF y comunicaciones. Test en bancos de prueba. Adquisición de imagen. Medidas industriales y plataformas de control: Test y control integrado. Automatización de máquinas. Visión artificial. Monitorización de condiciones de máquina. Monitorización distribuida y control. Monitorización de potencia. Diseño embebido y plataformas de prototipaje: Diseño y análisis de sistemas empotrados. Diseño de control. Diseño de filtros digitales. Diseño de circuitos electrónicos. Diseño mecánico. Diseño de algoritmos.

NI ELVIS

NI Elvis es el acrónimo de NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite. Proporciona un laboratorio completo donde realizar prototipaje electrónico y análisis con instrumentos virtuales. NI ELVIS es un entorno de prototipaje y diseño basado en LabVIEW, pensado para laboratorios de universidades de ciencias e ingeniería. NI ELVIS consta de instrumentos virtuales basados en LabVIEW, un dispositivo de adquisición de datos multifunción (DAQ) y una estación de trabajo para banco de pruebas con una tarjeta de conexiones para prototipos (proto board). Esta combinación proporciona el conjunto completo de instrumentos, listos para usar, que se puede encontrar en cualquier laboratorio docente. Como que está basado en LabVIEW y proporciona capacidades completas de adquisición de datos y prototipaje, el sistema es ideal para la realización de prácticas académicas adecuadas para un amplio rango de currículos docentes. Eso no quita que NI ELVIS, gracias a su gran robustez, pueda servir también como un banco de pruebas multifuncional para uso en laboratorios industriales, donde se realicen pruebas diversas, ya sean de test o de calidad y respuesta del prototipo. Características principales: -

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Funcionalidad multi instrumento integrada. Plataforma abierta basada en el software estándar de la industria LabVIEW y dispositivos DAQ de NI. Combinación de instrumentación, adquisición de datos y estación de prototipos. Completa suite de instrumentos virtuales. Osciloscopio, DMM, Generador de Funciones, Fuente de Alimentación Variable, Analizador Bode, Generador de Formas de Onda Arbitraria, DSA, Analizador Tensión/Corriente. Proporcionado el código fuente de LabVIEW. Capacidad para particularizar en entorno LabVIEW. Almacenamiento de datos en Excel o HTML. Arquitectura NI ELVIS.

NI ELVIS utiliza un software basado en LabVIEW, una tarjeta de adquisición multifunción, y una estación de trabajo personalizable para proporcionar funcionalidad a un amplio conjunto de instrumentos. La tarjeta DAQ y la estación de trabajo se comunican mediante líneas I/O digitales y un módulo de comunicaciones personalizable basado en LabVIEW. Algunos de los Instrumentos virtuales que componen NI ELVIS: -

Osciloscopio. Generador de función. Multímetro digital (DMM).

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Generador de forma de onda arbitraria (ARB) Suministros de energía. Analizador de señal dinámica (DSA) Analizador de impedancia. Analizador de bode. Analizador de corriente –tensión de 2 cables Analizador de corriente –tensión de 3 cables

Descripción de los controles y conectores del NI ELVIS. En esta sección se mostraran los controles y las conexiones, de uso general, estas se encuentran localizadas en la cara frontal y en la parte superior del ELVIS (proto board). También se dará una pequeña explicación sobre el uso de los instrumentos virtuales con los que cuenta la ELVIS.

1.- LED indicador de encendido del sistema (ver figura 1.6).

2.- Control para encender la tarjeta de prototipo (ver figura 1.7). 3.- Interruptor de comunicaciones de la tarjeta (ver figura 1.8). Para utilizar las siguientes funciones será necesario posicionar los interruptores de cada instrumento en manual, en caso de que los interruptores no se encuentren en manual se operaran por software. 4.- Controles de las fuentes de poder variable (ver figura 1.9). -

Perilla de control del voltaje negativo la cual puede estar entre -12 y 0Volts (Voltage -). Perilla de control del voltaje positivo la cual puede estar entre 0 y +12 Volts (Voltage+).

5.- Controles del generador de funciones (ver figura 1.10).

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Interruptor seleccionador de funciones, puede generar seno, cuadrada o triangular. Perilla del control de la amplitud de la onda generada. Perilla del control de la frecuencia de la onda generada. Perilla del nivel máximo de frecuencia a producir

6.- Conectores del Multímetro Digital (ver figura 1.11). -

Conectores banana de corriente. Conector positivo para medir la corriente. Conector negativo para medir la corriente. Conectores banana de voltaje. Conector positivo para medir el voltaje. Conector negativo para medir el voltaje.

7.- Conectores para señales de entrada del Osciloscopio -

Conector del canal A del osciloscopio. Conector del canal B del osciloscopio. Conector para entrada de señal de sincronía.

Conectores de la cara superior. La cara superior de la ELVIS consta de una tarjeta de conectores y LEDS, los conectores son la entrada de la tarjeta de adquisición de datos de la ELVIS, y pueden ser desde conectores banana hasta conexiones similares a la de una proto board, la ELVIS contiene una en su cara superior, en la cual se pueden montar circuitos. La siguiente figura nos ilustrara la localización de los bloques de la tarjeta de conexiones de la ELVIS, en las tablas posteriores se explicaran las funciones de dichas conexiones.

Bloque 3: (ver figura 1.14) Arreglo de LEDs (LED Array).

Bloque 4: (ver figura 1.14) Conector D-SUB.

Bloque 3: (ver figura 1.14) Arreglo de LEDs (LED Array). Bloque 4: (ver figura 1.14) Conector D-SUB. Bloque 5: (ver figura 1.14) Reloj (Counter), entradas y salidas configurables por el usuario (UserConfigurable I/O) y fuente de poder de CD (DC power supply).

Bloque 6: (ver figura 1.14) Multímetro Digital (DMM) , salidas análogas (Analog Output) , generador de funciones (Function generator) , entradas y salidas configurables por el usuario (UserConfigurable I/O) , fuente de poder variable (Variable power supplies) y señal de CD (DC Power Signal).

Bloque 7- Power Led Bloque 8- Conectores BNC Bloque 9- Conectores Banana (A…D)

Introducción a los instrumentos virtuales de NI ELVIS. En la ventana principal del software vemos un menú que nos permite el acceso fácilmente a las diversas funciones con las que cuenta el hardware. El software también cuenta con los drivers y las utilidades necesarios para integrarse al trabajo con LabVIEW, lo cual representa una ventaja para lograr un adecuado manejo de la información muestreada con las aplicaciones que programemos. A continuación se expondrá una breve explicación sobre los instrumentos virtuales con los que cuenta la ELVIS, estos se encuentran en el software NI ELVIS de las estaciones de trabajo, en la siguiente figura podemos observar el menú del software. Multímetro digital (DMM). Cuenta con las funciones de un multímetro convencional. Es capaz de medir voltajes, corrientes, conductividad, inductancia, capacitancia, entre otras. Las conexiones para el instrumento en la protoboard se encuentran en el bloque 6

Osciloscopio. Función de osciloscopio de 2 canales. Puede sustituir en la mayoría de los casos a un osciloscopio real. Las conexiones para el instrumento en la protoboard se encuentran en el bloque 1.

Generador de función. Puede generar funciones de hasta 2.5V de amplitud y 14.5MHz de frecuencia. Las señales pueden ser senoidales, cuadradas o punta de sierra. Las conexiones para el instrumento en la proto se encuentran en el bloque 6.

Fuente variable. NI-ELVIS cuenta con, además de fuentes de voltaje de 5,+15 y -15V, con 2 fuentes de voltaje variables, que van de -12V a 0V, y de 0V a 12V, respectivamente

Las conexiones para el instrumento en la proto se encuentran en el bloque 6

Analizador de bode. Ésta función realiza un análisis de Bode, tanto de fase como de magnitud contra frecuencia. Aquí cabe señalar que, por limitaciones de hardware, no se puede usar el osciloscopio al mismo tiempo que el analizador de Bode

Analizador de señal dinámica (DSA) Realiza un análisis de señales dinámicas basado en la Transformada de Fourier

Generador de forma de onda arbitraria (ARB). Genera ondas arbitrarias usando el convertidor digital/analógico (DAC) con el que cuenta

Lector digital. Lee una señal de 1 byte, contenida en el bus digital, que puede ser generada por NI- ELVIS, o dada al sistema desde un micro controlador

Escritor digital. Permite escribir un byte en el bus digital

Analizador de impedancia.

Proporciona una gráfica de la impedancia y la fase de un sistema

Analizador de corriente - tensión de dos cables. Realiza una gráfica de corriente contra voltaje. Su aplicación más útil corresponde al análisis de diodos

Analizador de corriente - tensión de tres cables. Cumple la misma función que el anterior, pero su aplicación corresponde al análisis de transistores

Unidad móvil de instrumentos. En el laboratorio se cuenta con una instalación móvil, en esta se encuentran los instrumentos tradicionales, los cuales son de gran precisión. A continuación se enlista el contenido de la unidad: -Multímetro. -Fuente de poder. -Generador de funciones. -Osciloscopio. -Conectores. Multímetro Fluke 189 Características -Precisión de 0,025% -Medida de corriente de hasta 10A con resolución de 0,01 µA. -Medida en RMS real. -Escalas de resistencia hasta 500MOhms -Conductancia de 500nS. -Prueba de continuidad eléctrica y de diodos. -Medidas de frecuencia, capacitancia, ancho de pulso y ciclo de trabajo. Controladores del instrumento 1.- Perilla de modo. Al girarla seleccionas el modo de medición. 2.- Funciones. Al oprimirlo se tendrá acceso a las funciones secundaria de la perilla de modo. 3.- Iluminación. Ilumina la pantalla a 2 diferentes intensidades. 4.- Rango. Seleccionas el rango de medición que deseas utilizar. 5.- Capturar (Hold). Al presionarlo el multímetro captura la medición realizada Fuente De Poder Bk Precision 1761 Características -Fuente de poder de 3 salidas y uso general. -Posee dos salidas de 0-35 V a 3 A, y una salida de 2-6.5 V a 5 A. -Este modelo puede mantener un voltaje constante o una intensidad constante en los distintos circuitos conectados. -Esta fuente puede también ser utilizada puenteada, para obtener una fuente de 0-60V, con el botón SER/PAR. -Límite de carga programable.

Controles del instrumento 1.-Botón de encendido y apagado (Power). 2.-Perilla de ajuste de voltaje a grande escala (Coarse). 3.-Perilla de ajuste de voltaje a escala fina (Fine). 4.-Perilla de ajuste de corriente (Current). 5.- Botón para visualizar en la pantalla derecha el voltaje o la corriente que entrega la fuente. (Volt/Amp). 6.- Botón para seleccionar las salidas laterales de 0V a 35V o la salida central de 2-6.5v (6-5V / 2-6.5V) 7.- Perilla de ajuste de voltaje de la salida central de 26.5V. El LED de sobrecarga (OVER) encenderá cuando la carga en la fuente sea demasiada. 8.- Botón para trabajar con las terminales de la fuente en serie o paralelo (SER/PAR). 9.- Salida positiva de 2-6.5v con 5 A de corriente. (5 A). 10.- Botón para controlar las salidas laterales. Independientemente o simultáneamente, al afectar una, la otra responde idénticamente (Indep/track). 11.- Botón para activar la salida de 2-6.5v en los conectores 9 y 11 (2-6.5v). 12.- Botón para visualizar en la pantalla izquierda el voltaje o la corriente que entrega la fuente. (Volt/Amp). 13.- Conector de voltaje positivo. 14.- Conector a Tierra física. 15.- Conector de voltaje negativo.

Osciloscopio Tektronix TDS 2012 Características -2 Canales de entrada. -Ancho de banda de 100 MHz. -Velocidad muestreo de 1 Gs/s. -Precisión vertical de 3 % -Rango de sensibilidad desde 2 mV a 5 V. -Máx. voltaje entrada 300 V. -Análisis de Transformada rápida de Fourier (FFT).

1.-Botón de encendido y apagado (Power). 2.- Perilla de control de la posición del canal 1 en la pantalla (Position). 3.- Perilla de control de la posición del canal 2 en la pantalla (Position). 4.- Botón de auto-ajuste de las señales de entrada (Autoset). 5.- Botón para congelar la pantalla y ver el comportamiento de la señal (Run/stop). 6.- Botón de acceso al menú del canal 1 (Ch1 menú). 7.- Botón de acceso al menú del canal 2 (Ch2 menú). 8.- Perilla de control de la posición de referencia respecto al tiempo en ambos canales (Horizontal). 9.- Botón para seleccionar la opción correspondiente en la pantalla. 10.- Botón para seleccionar la opción correspondiente en la pantalla. 11.- Botón para seleccionar la opción correspondiente en la pantalla. 12.- Botón para seleccionar la opción correspondiente en la pantalla. 13.- Botón para seleccionar la opción correspondiente en la pantalla. 14.- Perilla de control de la representación real del tiempo por cada división horizontal de la pantalla (Sec/Div). 15.- Conector de entrada del canal 2 (Ch2 input). 16.- Perilla que determina el valor de cada división vertical sobre la grafica del canal 2, (Volt/Div). 17.- Conector de entrada del canal 1 (Ch1 input). 18.- Perilla que determina el valor de cada división vertical sobre la grafica del canal 1, (Volt/Div). 19.- Muestra el valor de tiempo que representa cada división horizontal, determinado por la perilla 14. 20.- Muestra el valor del voltaje que representa cada división vertical, determinado por la perilla 16 (Ch2). 21.- Muestra el valor del voltaje que representa cada división vertical, determinado por la perilla 18 (Ch1). 22.- Gráfica de la señal del canal 2. 23.- Gráfica de la señal del canal 1. Generador de funciones Bk Precision 4017ª

Características -De 0.1 Hz a 10 MHz. -Funciones senoidales, cuadradas, triangulares, de pulsos y rampa. -Calibración rápida y fina. -Pantalla de 5 dígitos. -Barrida linear o Log. -Ciclo de trabajo variable. - Salida de CD variable.

1.-

Botón de encendido y apagado (Power). 2.- Botones de selección de la frecuencia máxima de salida, desde 1 Hz hasta 10 MHz. (Range). 3.- Botón de selección del tipo de onda (senoidal, cuadrada o triangular) con el que se desea trabajar. 4.- Perilla de control de la amplitud en la señal creada (Output). 5.- Perilla de control de la componente de corriente directa, al girarlo a favor de las manecillas del reloj, aumentamos la componente de CD y viceversa. 6.- Conector de salida, (Output jack). 7.- Conector de salida, (TTL/CMOS jack). 8.- Perilla de control de amplitud. Girándola en el sentido las manecillas del reloj incrementamos la amplitud de la onda cuadrada CMOS y viceversa (CMOS level). 9.- Conector que controla la frecuencia de la función generada por medio de un voltaje positivo suministrado por este conector hacia la unidad. (VCG/Sweep). 10.- Perilla de control del ciclo de trabajo (Duty cycle). 11.- Botón atenuador de la señal de salida, al oprimirlo la señal es atenuada 20db (-20db). 12.- Botón de control de la operación del barrido, en su modo interno (Int) la razón de barrido es controlada por la perilla 18 y la magnitud de barrido es controlada por la perilla (16). En su modo externo (Ext) el control de la frecuencia del generador esta dado por un voltaje de CD en el conector 9 (Int/Ext). 13.- Botón de selección del tipo de barrido, podemos escoger entre un barrido logarítmico o uno lineal (Lin/Log). 14.- Botón de habilitación de la perilla 5 (Dc offset). 15.- Botón de nivel de CMOS, cambia la señal TTL a una señal CMOS, en el conector 7. 16.- Perilla de control de ancho del barrido (Width). 17.- Botón de habilitación de la perilla 10 (Duty cycle). 18.- Perilla de control del tiempo de barrido (Time). 19.- Perilla de control fino de la frecuencia (Fine). 20.- Perilla de control rápido de frecuencia, del 10% al 100% el rango máximo seleccionado (Coarse). 21.- Pantalla donde se muestra la frecuencia actual de la onda generada. 22.- LED indicador de la actualización de la pantalla. 23.- LEDs indicadores de la frecuencia mostrada en la pantalla, esta puede mostrar Hz o KHz.

Conclusión: Estos aparatos que se mostraron en este reporte son los que utilizaremos a medida de que vayamos avanzando a nuestras prácticas de laboratorio, y son importantes para saber cómo funcionan los componentes que iremos utilizando y así mismo aprende de ellos para en cualquier trabajo dado que se nos ocurra realizar o pedir saber cómo trabajar con ellos. Son muy importantes para nosotros y a medida de que sigamos avanzando seguiremos aprendiendo más con el hardware NI ELVIS y el software NI LabView que son con lo que seguiremos actualizando. Bibliografia Manual de prácticas de laboratorio de sensores y actuadores. Practica No.1 Autores: Prof.MC. Antonio Cayetano Lozano García Prof.MC. José Ángel Castillo Castro Prof.MC. Carlos Alberto Porras Mata

Práctica # 2 El Potenciómetro Introducción. Podemos definir al Potenciómetro como una resistencia regulable en un circuito eléctrico, los cuales son encontrados en la mayoría de los sistemas donde se requiere variar algún parámetro de operación, o sensar un desplazamiento. Potenciómetro monovuelta.- Potenciómetro donde la rotación mecánica que provoca el desplazamiento del cursor en la totalidad del elemento resistivo es inferior o igual a 360º.

Pueden estar construidos sobre papel baquelizado, fibra, alúmina con una pista de carbón. La pista tiene sendos contactos en sus extremos y un cursor conectado a un patín que se desliza por la pista resistiva. Se los llama potenciómetros impresos. También pueden ser petados: están realizados con un arrollamiento toridal de alambre resistivo con un cursor que mueve el patin sobre el mismo. Objetivo. En esta práctica el estudiante conocerá los principios básicos del potenciómetro, sus principales tipos, características y aplicaciones. Además deberá describir el comportamiento de un potenciómetro y la relación entre su desplazamiento angular y el voltaje de salida. Marco teórico. Un potenciómetro es un elemento resistivo que tiene un contacto deslizante que puede desplazarse a lo largo de dicho elemento. Este desplazamiento se convierte en una diferencia de potencial. Hay muchos tipos de potenciómetros: De mando: son los que usamos normalmente, como el del volumen de la radio. De ajuste: son los que estan adentro de los equipos, no tenemos acceso a ellos ya que no suele tener que retocar. Según la ley de variación de la resistencia R = ρ(θ), los potenciometros pueden ser: -Lineales: La resistencia es proporcional al ángulo de giro. -Logarítmicos: La resistencia depende logarítmicamente del ángulo de giro. -Senoidales:La resistencia es proporcional al seno del ángulo de giro. Dos potenciómetros senoidales solidarios y girados 90° proporcionan el seno y el coseno del ángulo de giro. Pueden tener topes de fin de carrera o no. El potenciómetro rotacional o giratorio está formado por una pista o canal circular con devanado de alambre o por una capa de plástico conductor; sobre la pista rota un contacto deslizante giratorio. Si tenemos un voltaje de entrada constante entre las terminales 1 y 3, el voltaje de salida o V entre las terminales 2 y 3 es una fracción del voltaje de entrada. Esta fracción depende de la relación de resistencia 23 R comparada con la resistencia total o 13 R.

Si la resistencia de la pista por unidad de longitud es constante, entonces la salida es proporcional al ángulo a lo largo del cual gira el deslizador. En este caso un desplazamiento angular se puede convertir en una diferencia de potencial.

Podemos suponer que la resistencia cambia uniformemente a lo largo del desplazamiento, dicha suposición será tomada para encontrar una constante en el potenciómetro, sin embargo esta suposición es falsa pues la linealidad del potenciómetro está acotada.

Si definimos un potenciómetro como 2 resistencias variables (R12 y R23) las cuales obedecen la siguiente ecuación: R12 + R23 = Rt, donde t R es la resistencia total del potenciómetro, tendríamos un diagrama como el de la figura siguiente.

En un circuito en serie, la corriente que viaja en todo el circuito permanece constante y se puede determinar por la ley de Ohm.

Donde Vf es el voltaje suministrado por la fuente y Rt es la resistencia total del circuito. El voltaje medido entre las terminales 2 y 3 del Potenciómetro se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

Sustituyendo la ecuación 2.2 en la 2.3 se obtiene la siguiente ecuación:

Ya que R23 es variable y suponiendo que este varía linealmente respecto al desplazamiento angular del cursor podemos decir que la resistencia entre las terminales 2 y 3 en función del ángulo desplazado sería:

Donde θ es el ángulo desplazado, φ es el desplazamiento angular máximo del potenciómetro, y Rt es la resistencia total del mismo. Podemos llamar constante angular del potenciómetro a la razón de la Rt en el φ para un determinado potenciómetro.

Entonces la diferencia de voltaje entre las terminales 2 y 3 puede ser calculada por la siguiente ecuación:

La diferencia entre el comportamiento esperado y el obtenido se denomina conformidad. Los modelos disponibles comercialmente incluyen aquellos que admitan un movimiento circular de una o más vueltas en el caso de los helicoidales y en varios de estos modelos la salida en función del desplazamiento tiene un comportamiento no lineal. Incluso puede ser una función sinoidal del ángulo de giro del cursor. Listado de Material. •1 potenciómetro de 10 K ohms. • Fuente de voltaje indicada. • Transportador de 360 o de uso común. Desarrollo: 1. Medir la resistencia total real del potenciómetro, la cual puede ser medida conectando un óhmetro entre las terminales de los extremos, o puede ser leída en la serigrafía del potenciómetro. 2. Montar el potenciómetro en la base de madera y a través del transportador para poder medir su desplazamiento angular. 3. Medir el voltaje real que suministrara la fuente de voltaje.

4. Calibrar el multímetro virtual del NI ELVIS, para lo cual haremos lo siguiente; a. Desconectar cualquier cosa que este sobre el protoboard del NI ELVIS. b. Unir con un cable los puertos Voltage HI y Voltage LOW del DMM ubicados en la parte inferior izquierda del protoboard del NI ELVIS. c. Encender el NI ELVIS e inicializar el programa de National Intruments para el NI ELVIS. d. Seleccionar el modulo de Digital Multimeter. e. Presionar el botón de NULL. f. Retirar el cableado de los puertos Voltage HI y Voltage LOW. g. Apagar el NI ELVIS. 5. Conectar el potenciómetro como la siguiente figura.

6. Una vez conectado correctamente, encender el NI ELVIS. 7. Inicializar el programa de National Intruments para el NI ELVIS y seleccionar el modulo de DMM. 8. Girar el potenciómetro hasta que la perilla apunte a los 0 grados. 9. Girar la perilla del potenciómetro y tomar mediciones de su desplazamiento angular y el voltaje de salida medidos. Se recomienda utilizar la fuente de 5v del NI ELVIS y medir los datos cada 10° de desplazamiento angular. 10. Hacer una grafica del desplazamiento angular contra el voltaje medido en la salida.

Datos tomados Se tomaron los siguientes datos al estar cambiando el valor del Angulo del potenciómetro y se tuvo diferentes valores de voltaje. En la tabla se muestra que el potenciómetro solo giro hasta el Angulo 300 ya que después de ese Angulo se empezó a capturar el mismo valor y para el Angulo 320 el potenciómetro dejo de girar

Angulo 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300

Voltaje 0.001 0.001 0.001 0.025 0.237 0.444 0.782 0.89 1.098 1.301 1.437 1.68 1.922 2.126 2.347 2.587 2.777 3 3.208 3.4 3.614 3.811 4.001 4.231 4.417 4.639 4.883 5.07 5.134 5.134 5.134

Voltaje 6 5 4 3

Voltaje

2 1 0

Angulo

Cuando empezamos a hacer el mismo procedimiento en el Software LabView ya empezó a tomar los datos más precisos y obtuvimos la siguiente tabla de datos con su grafica.

Voltaje Software 6 5 4 3

Voltaje Software

2 1 0

Angulo

EJERCICIO OPCIONAL. POTENCIOMETRO Y LABVIEW Introducción. Es posible obtener datos por medio de una tarjeta conectada a una PC, para así fácilmente realizar cálculos con ellos. Si se utiliza un potenciómetro y una tarjeta de adquisición de datos idónea, es posible construir un programa en la PC que muestre un cálculo de la posición angular del potenciómetro. Objetivo. Que el estudiante se familiarice con el software de los laboratorios y que sepa como manipula r los datos que pueda adquirir, además de utilizar el software LabVIEW. Hacer un programa en LabVIEW que nos permita asociar el voltaje medido con la desplazamiento del potenciómetro. Marco teórico. LabVIEW es una herramienta gráfica de prueba, control y diseño mediante la programación. El lenguaje utilizado se llama lenguaje G. Este programa fue creado por National Instruments en 1976 . Los programas hechos con LabVIEW se llaman VI (Virtual Instrument), lo que da una idea de uno de sus principales usos: el control de instrumentos. Utilizaremos el ELVIS como una DAQ para conectar los valores del voltaje medidos en el potenciómetro y una computadora, para luego poder programar con LabVIEW y utilizar esos datos de entrada.

Angulo

Voltaje 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300

0 0 0 0 0.11 0.32 0.55 0.75 0.98 1.17 1.4 1.58 1.78 2.03 2.22 2.46 2.69 2.93 3.16 3.33 3.53 3.77 3.95 4.16 4.38 4.63 4.87 5.07 5.13 5.13 5.13

1. Sirve para especificar el dispositivo donde se encuentra la DAQ, en este caso es el NI ELVIS, el cual es llamado Dev1 por el software. 2. Condición de espera, dentro de un ciclo WHILE sirve para que este ciclo se repita dentro de un valor de milisegundos, debe ser especificado por una constante (ver 6). 3. Botón de paro, ubicado en el panel frontal. Sirve para darle una entrada booleana al comando STOP del ciclo WHILE. 4. Cierra el Sub-VI DMM. 5. Configuración del Sub-VI DMM, aquí se selecciona el tipo de medición (ver 11). 6. Inicializador del Sub-VI DMM. 7. Devuelve la lectura digital medida del Sub-VI DMM, como un arreglo, se le debe especificar la función que debe realizar (ver 11). 8. Despliega en forma numérica el voltaje medido. 9. Medidor visual de entrada variable, la aguja indicadora muestra el valor (int) de entrada, en el panel frontal podemos configurar este medidor a los rangos necesarios dando doble click sobre los límites. 10. Indica el valor de un índice específico de un arreglo. 11. Tipo de medición del Sub-VI DMM. 12. Comparador MAYOR QUE, compara dos valores y si el primero es mayor que el segundo, el comparador entrega una salida verdadera, la cual puede activar un LED virtual. 13. Constante del sistema, esta sirve para dar un número específico de referencia, puede ser usado en la función WAIT. 14. Operador booleano, muestra un LED en el panel frontal del VI, el LED enciende si el valor del voltaje es mayor a 0 15. Ciclo WHILE, esta función repite el sub diagrama que se encuentra en su interior hasta que la condición de paro es cumplida, el cual puede ser un valor booleano, controlado por un botón (ver 12.) en el panel frontal del instrumento virtual (VI) o creado por un error en el sistema. La terminal i determina el número de veces que se ha repetido el ciclo. Modelo matemático de un potenciómetro. La parte eléctrica del potenciómetro está dada por la ecuación V=iRt despejando, la i=V/Rt parte mecánica se da por: Donde: Ө es el ángulo que gira la perilla del potenciómetro n es igual al número de vueltas Si se combinan las partes mecánicas y eléctricas se obtiene lo siguiente: Si se sustituye por una constante K

Listado de Material. • Conocimientos básicos del software • Potenciómetro. • ELVIS. • Software LabVIEW.

LabVIEW.

Desarrollo: En esta práctica se colocara el potenciómetro de la misma manera que lo hicimos en la práctica #2, pero ahora en lugar de medir el voltaje regulado con un vólmetro, se hará mediante una tarjeta DAQ. La tarjeta DAQ de esta practica será el NI ELVIS y este se conecta a la PC, para luego poder manipular esa información con el software LabVIEW y obtener un programa como el de a continuación.

Figura 2.6 1. Colocar el potenciómetro de tal manera que los conectores estén del lado izquierdo, cerca de la fuente de voltaje del NI ELVIS. 2. Abrir el documento Prac2.VI. 3. Sin prender el NI ELVIS, conectar el cable rojo inferior a la salida de voltaje de 5 Volts, el cable negro inferior a la conexión de tierra (Gnd). 4. El voltaje de salida del potenciómetro será medido por medio del DMM (Multímetro Digital) del NI ELVIS

. Figura 2.7 5. Acomodar los iconos del archivo de forma que se puedan realizar fácilmente las conexiones mostradas en la fig. 2.8, se debe tener en cuenta que hay que añadir ciertos valores constantes a funciones como WAIT, comparador MAYOR QUE y voltaje variable 6. Realizar conexiones virtuales Como podemos ver en la Fig. 2.8 tenemos 3diferentes estados en la programación. • El primer paso es para inicializar los instrumentos que utilizaremos. Este paso esta agrupado a la izquierda del ciclo WHILE. • En el segundo paso se encuentra el propio ciclo WHILE, dentro del cual se realiza una rutina de medición del voltaje en el potenciómetro hasta que oprimamos el botón de paro u ocurra un error en el VI, se recomienda ponerle un valor de 500 ms de espera a la función WAIT. • Por ultimo en el tercer paso, después del ciclo WHILE, se encuentran los procesos para cerrar los instrumentos utilizados. 7. Dentro del ciclo WHILE, el sub programa DMM READ mide el voltaje registrado en la salida del potenciómetro, luego este valor entra un nodo de fórmula, el cual a través de la formula mostrada en el marco teórico calcula el desplazamiento angular teórico en el potenciómetro. Este valor es enviado al indicador angular, luego este mismo valor es comparado dentro de un sub ciclo, donde si este valor es mayor a un valor crítico el LED deberá encender. El ciclo WHILE termina cuando el botón de paro es oprimido.

8. Determinar por medio de constantes (int) el tiempo de espera dentro del ciclo, la formula utilizada en el nodo de formula (dar doble click sobre el icono del sub programa) y el valor crítico donde el LED deberá encender. 9. Diseñar el panel frontal de manera que podamos ver la posición angular teórica, el voltaje crítico en el cual debe prender el LED, y el botón de paro (stop).

10. Considerar el rango de giro del potenciómetro, el rango efectivo donde su comportamiento es lineal, el voltaje real de la fuente y el voltaje máximo permitido por la DAQ. 11. Comparar los datos obtenidos en esta práctica con los que obtuvieron en la práctica #2, y anotar si el programa medido funcionó con exactitud. 12. Suponiendo que el potenciómetro fuera una llave de paso para el llenado de un tanque de agua.

Diseñar un programa en LabVIEW que muestre el tanque y el nivel de agua que tendría después de determinado tiempo si se llenara con la llave de paso en esa posición, y que contenga 3 LEDs que indiquen el nivel del agua; bajo, medio, alto.

Conclusión 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 reostatos, que pueden disipar más potencia.

Bibliografia Manual de prácticas de laboratorio de sensores y actuadores. Practica No. 2 Autores: Prof.MC. Antonio Cayetano Lozano García Prof.MC. José Ángel Castillo Castro Prof.MC. Carlos Alberto Porras Mata http://es.wikipedia.org/wiki/Potenci%C3%B3metro http://www.areatecnologia.com/electronica/potenciometro.html

Práctica # 3 El Termistor Introducción. El termistor fue inventado en 1930 por el americano Samuel Ruben, y obtuvo la patente de EE.UU nº2021491. Los termistores son resistores variables con la temperatura basada en semiconductores. El término termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor. Existen dos tipos de termistores, dependiento de si su coeficiente de temperatura es negativo o positivo. Si es negativo se denominan NTC( las cuales se fabrican a base de mezclar y sinterizar óxidos dopados de metales como el níquel, cobalto, manganeso, hierro y cobre),y si es positivo se denominan PTC (basadas en titanato de bario al que se añade titanato de plomo o de circonio para determinar la temperatura de conmutación) . El funcionamiento de un termistor se basa en la variación de la resistencia de un semiconductor con la temperatura, debido a la variación de la concentración de portadores. Para los termistores NTC, al aumentar la temperatura, aumentará también la concentración de portadores, por lo que la resistencia será menor, de ahí que el coeficiente sea negativo. Para los termistores PTC, en el caso de un semiconductor con un dopado muy intenso, éste adquirirá propiedades metálicas, tomando un coeficiente positivo en un margen de temperatura limitado. El termistor es un componente electrónico cuya resistencia varía sensiblemente con la temperatura. Se trata de una resistencia no lineal, ya que la corriente que la atraviesa no es función lineal del voltaje. Un termistor de coeficiente negativo de temperatura (NTC) es aquel cuya resistencia disminuye a medida que la temperatura aumenta, y un termistor de coeficiente positivo de temperatura (PTC) es aquel cuya resistencia aumenta conforme aumenta la temperatura. Una ventaja de estos componentes es su alta resistencia nominal (a 25 o).

Sus principales características son: 1 .Su rango de temperaturas está entre -50ºC y 150ºC,aunque las unidades encapsuladas pueden alcanzar hasta los 300ºC. 2. En la mayoría de las aplicaciones para una temperatura de 25ºC la resistencia varía entre 100 ohm y 100Kohm. 3. Tienen un tamaño reducido que hacen que la repuesta a los cambios de temperatura sea rápida (tienen mayor sensibilidad a los cambios de temperatura que otro transconductores). 4. Son autocalentables, lo que hace que puedan ser indeseables en algunas aplicaciones, y que otras bases su funcionamiento en ese fenómeno. 5. Gracias a la intercambiabilidad (tolerancia con la que es producido un termistor), es posible cambiar un termistor por otro en un sistema, sin necesidad de volver a calibrar el aparato de medida. Existen varios tipos de configuraciones para los termistores. Éstos son: los tipo perla, tipo disco, tipo chip, tipo arandela y tipo barra. Los termistores tipo perla con cubierta de cristal se caracterizan por tener una excelente estabilidad y fiabilidad a temperaturas superiores a 300ºC. Los termistores tipo chip y disco tienen un tamaño mayor que los de perla, lo que permite una potencia de disipación mayor, a expensas, eso si, de peores tiempos de respuesta. Por su geometría, los termistores de disco suelen tener más potencia de disipación que los chips. Objetivo. Se busca que el estudiante conozca el comportamiento de un termistor, sus diferentes tipos y aplicaciones en los sistemas electrónicos. Marco teórico. • Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor se ve disminuido a medida que aumenta su temperatura. Son resistencias constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura. En su fabricación Se emplean óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, etc. • Termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor se ve aumentado a medida que aumenta la temperatura. Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación.

El termistor PTC pierde sus propiedades si su temperatura llega a ser demasiado alta y puede comportarse eventualmente de una forma similar al termistor NTC. El cambio de la resistencia por cada grado de temperatura, es mucho mayor que el que ocurre en los metales. La relación resistencia-temperatura de un termistor se puede expresar mediante la siguiente ecuación:

Donde Rt es la resistencia de la temperatura t, y K y ß son constantes. Si se comparan con otros sensores de temperatura, los termistores ofrecen muchas ventajas. Son resistentes y pueden ser muy pequeños, por lo cual permiten el monitoreo de temperaturas casi en cualquier punto. Gracias a su reducido tamaño, responden muy rápido a los cambios de temperatura, pero su principal desventaja es su no linealidad. Listado de Material. • Resistencia de 1k ohms y termistor. • Fuente de voltaje. • Protoboard. • Fuente de calor. • Termómetro. • Protector contra agua.

Desarrollo: 1. Implementar el circuito sobre su propio protoboard para evitar daños accidentales al material del laboratorio.

2. El termistor debe estar protegido contra el líquido para que no se vaya a crear un corto circuito entre las terminales del termistor, teniendo así lecturas erróneas. 3. Colocar agua dentro del envase junto con el termistor 4. Calentar hasta que el sistema llegue a los 70 grados centígrados, 5. Apagar la fuente de calor y con el termómetro realizar las mediciones de temperatura del agua y del voltaje medido en el termistor cada 30 segundos hasta llegar a los 40 grados 6. Realizar una gráfica de la temperatura registrada en el termistor contra el voltaje medido, y luego una gráfica de la variación del voltaje con respecto a la temperatura registrada en el termistor 7. Comentar acerca del comportamiento de las gráficas y determinar el tipo de termistor empleado.

Grafica

Voltaje (mV) 35 30 25 20 Voltaje (mV)

15 10 5 0

Temperatura

Tabla de Datos Grados Voltaje(mV) 70 6.4 69 6.5 68 6.7 67 6.7 66 7 65 7.2 64 7.3 63 7.3 62 7.3 61 8 60 8.5 59 8.8 58 8.9 57 9 56 9.2 55 9.5 54 9.5 53 10.2 52 10.6 51

Grados Voltaje(mV)

11 50 11 49 11.4 48 11.8 47 12.2 46 12.6 45 13 44 13.5 43 13.8 42 14 41 14.6 40 15 39 15.7 38 16.3 37 16.7 36 17.2 35 17.7 34 18.2 33 19 32 19.6 31 20 30 21 29 22.5 28 23 27 24 26 24.8

25 25 24 26.9 23 27.5 22 28.7 21 29.3 20 29.7

Aquí como se puede observar la grafica y las tablas de datos, se tiene en cuenta de que a medida de que la temperatura va aumentando el voltaje va disminuyendo, supongo que los termistores son muy utilizados para protección de algunos circuitos ya que el ayuda para protegerlos e quemarse o cosas que pueden suceder, además trabaja con un mili voltaje el cual actúa como señal , cuando el

termistor estaba a temperatura ambiente de 22 grados centígrados se observo que era de 28.7 milivolts y al momento de la practica cuando el termistor empezó a regresar a esa temperatura tuvo un rango de voltaje donde incluía este valor.

EJERCICIO OPCIONAL. TERMISTOR Y LABVIEW. Introducción. Es posible obtener datos por medio de una tarjeta conectada a una PC, para así fácilmente realizar cálculos con ellos. Si se utiliza un potenciómetro y una tarjeta de adquisición de datos idónea, es posible construir un programa en la PC que muestre un cálculo de la posición angular del potenciómetro. Objetivo. Que el estudiante se familiarice con el software de los laboratorios y que sepa como manipular los datos que pueda adquirir, además de utilizar el software LabVIEW. Hacer un programa en LabVIEW que nos permita asociar el voltaje medido, con la temperatura real de un sistema. Marco teórico. LabVIEW es una herramienta gráfica de prueba, control y diseño mediante la programación. El lenguaje utilizado se llama lenguaje G. Este programa fue creado por National Instruments en 1976. Los programas hechos con LabVIEW se llaman VI (Virtual Instrument), lo que da una idea de uno de sus principales usos: el control de instrumentos. Utilizaremos el ELVIS como una DAQ para conectar los valores del voltaje medidos en el potenciómetro y una computadora, para luego poder programar con LabVIEW y utilizar esos datos de entrada.

Descripción de la figura 3.4. 1. Sirve para especificar el dispositivo donde se encuentra la DAQ, en este caso es el NI ELVIS, el cual es llamado Dev1 por el software. 2. Indica el valor de un índice específico de un arreglo. 3. Condición de espera, dentro de un ciclo WHILE sirve para que este ciclo se repita dentro de un valor de milisegundos, el cual debe ser especificado por una constante (ver 13). 4. Indicador visual en forma de termómetro, en este caso, el tipo de variable es I16. 5. Botón de paro, ubicado en el panel frontal. Sirve para darle una entrada booleana al comando STOP del ciclo WHILE. 6. Indicador de tipo DBL doble. Al darle click derecho sobre este indicador podemos elegir si este será un control, una constante o el propio indicador. 7. Función matemática de la multiplicación, posee 2 nodos de entrada y uno de salida. 8. Configuración del Sub-VI DMM, aquí se selecciona el tipo de medición (ver 13). 9. Devuelve la lectura digital medida del Sub-VI DMM, como un arreglo, se le debe especificar la función que debe realizar (ver 14). 10. Inicializador del Sub-VI DMM. 11. Cierra el Sub-VI DMM. 12. Constante del sistema, esta sirve para dar un número específico de referencia, puede ser usado en la función de multiplicación o en la función WAIT. 13. Tipo de medición del Sub-VI DMM. 14. Ciclo WHILE, esta función repite el sub diagrama que se encuentra en su interior hasta que la condición de paro es cumplida, el cual puede ser un valor booleano, controlado por un botón (ver 10.) en el panel frontal del instrumento virtual (VI) o creado por un error en el sistema. La terminal i determina el número de veces que se ha repetido el ciclo. 15. Nodo de formula. Evalúa formulas matemáticas de forma similar al lenguaje C, para determinar las variables de entrada o salida se debe dar click derecho en el marco del nodo de formula y luego seleccionar añadir entrada o salida según se desee. Las siguientes funciones son reconocidas por el nodo de formula: abs, acos, acosh, asin, asinh, atan, atan2, atanh, ceil, cos, cosh, cot, csc, exp, expm1, floor, getexp, getman, int, intrz, ln, lnp1, log, log2, max, min, mod, pow, rand, rem, sec, sign, sin, sinc, sinh, sizeOfDim, sqrt, tan, tanh. Modelo matemático de una recta.

Definiciones: La recta es la línea más corta que une dos puntos. La pendiente de una recta indica el desplazamiento de la recta en el eje X por cada unidad desplazada en el eje Y, esta es calculada tomando dos puntos cualquiera de ella y haciendo una relación entre el cambio de las coordenadas entre esos puntos, la pendiente se mantiene constante. Ecuación de la recta Para esta fórmula se debe de conocer su pendiente y las coordenadas de uno de sus puntos.

En una formula más general la ecuación está dada como:

Donde: b es el valor respecto al eje Y cuando la recta intercepta a ese eje. m es la pendiente de la recta. Para poder realizar la práctica, se utilizan los valores adquiridos en la práctica #3. Primero se obtendrá la pendiente, la cual será constante en nuestro termómetro, lo que se busca es que al emplear la tarjeta de adquisición de datos, usando la sección del Multímetro Digital para medir el voltaje obtenido, el programa calcule la temperatura actual del termistor. Para obtener la pendiente usaremos el último y el primer dato de la tabla voltaje/temperatura y los sustituiremos en la formula, quedando:

Una vez que obtenemos la pendiente se colocan los datos en el programa desarrollado en el software LabVIEW. Donde el valor obtenido en el Multímetro Digital será considerado como la variable “y” en la ecuación de la pendiente. Quedando la siguiente fórmula:

De este modo se puede obtener una ecuación lineal que muestre la temperatura a la que se debe encuentrar el termistor. Listado de Material. • Tarjeta del Termistor. • NI ELVIS. • Software LabVIEW. Desarrollo: En esta práctica se usara el termistor de la misma manera que lo hicimos en la práctica #3, pero ahora en lugar de medir el voltaje regulado con un vólmetro, se hará mediante una tarjeta DAQ. La tarjeta DAQ de esta práctica será el NI ELVIS y este se conecta a la PC, para luego poder manipular esa información con el software LabVIEW y obtener un programa que nos ayude a interpretar la información del sistema. 1. Calibrar el multímetro virtual del NI ELVIS, para lo cual haremos lo siguiente; a. Desconectar cualquier cosa que este sobre el protoboard del NI ELVIS. b. Unir con un cable los puertos Voltage HI y Voltage LOW del DMM ubicados en la parte inferior

izquierda del protoboard del NI ELVIS. c. Encender el NI ELVIS e inicializar el programa de National Intruments para el NI ELVIS. d. Seleccionar el modulo de Digital Multimeter. e. Presionar el botón de NULL. f. Retirar el cableado de los puertos Voltage HI y Voltage LOW. g. Apagar el NI ELVIS. 2. Colocar la tarjeta del termistor sobre el protoboard. 3. Abrir el documento Prac2.VI. 4. Sin prender el NI ELVIS, conectar la tarjeta según muestra la figura 3.5, siendo Vo el voltaje de salida a medir y conectándolo al NI ELVIS en el pin de Voltage HI.

5. Acomodar los iconos del archivo de forma que se puedan realizar fácilmente las conexiones mostradas en la fig. 3.6, se debe tener en cuenta que hay que añadir ciertos valores constantes a funciones como WAIT y la función de multiplicar. 6. Realizar conexiones virtuales. Como podemos ver en la Fig. 3.6 tenemos 3 diferentes estados en la programación. • El primer paso es para inicializar los instrumentos que utilizaremos. Este paso esta agrupado a la izquierda del ciclo WHILE. • En el segundo paso se encuentra el propio ciclo WHILE, dentro del cual se realiza una rutina de medición del voltaje en el termistor hasta que oprimamos el botón de paro u ocurra un error en el VI, se recomienda ponerle un valor de 500 ms de espera a la función WAIT. • Por ultimo en el tercer paso, después del ciclo WHILE, se encuentran los procesos para cerrar los instrumentos utilizados. 7. Dentro del ciclo WHILE, el sub programa DMM READ mide el voltaje registrado en el termistor, luego este valor entra un nodo de fórmula, el cual a través de la gráfica obtenida en la primera parte de la práctica, calcula la temperatura teórica en el sistema. Este valor es enviado al indicador, el ciclo WHILE termina cuando el botón de paro es oprimido.

8. Determinar por medio de constantes (int) el tiempo de espera dentro del ciclo, la formula utilizada en el nodo de formula que describirá el comportamiento de la gráfica de la primera parte de la práctica. 9. Diseñar el panel frontal de manera que podamos ver la temperatura teórica del sistema, un indicador visual de la temperatura, y el botón de paro (stop).

10. Comparar los datos obtenidos en esta práctica con los que obtuvieron en la práctica #3, y anotar si el programa medido funcionó con exactitud.

Tabla de Datos Grados Voltaje(mV) 70 6.2 69 6.3 68 6.5 67 6.8 66 7 65 7.2 64 7.3 63 7.5 62 7.8 61 8 60 8.5 59 8.8 58 8.9 57 9.1 56 9.2 55 9.5 54 9.7 53 10.2 52 10.6 51 11 50 11.3 49 11.4 48 11.8 47

Grados Voltaje(mV)

12.2 46 12.6 45 13.3 44 13.5 43 13.8 42 14.4 41 14.6 40 15.3 39 15.7 38 16.3 37 16.7 36 17.2 35 17.7 34 18.2 33 19 32 19.6 31 20 30 21 29 22.5 28 23 27 24 26 24.8 25 25 24 26.9 23 27.5 22 28.7

21 29.3 20 29.7

Grafica

Voltaje 35 30 25 20 Voltaje 15 10 5 0

Temperatura

Conclusiones: debido a que el termistor actúa de esa manera nosotros podemos identificar que es un termistor tipo NTC, debido a que como la temperatura va aumentando este provoca que el voltaje de entrada se empiece a disminuir, entonces es un Termistor Negativo. El termistor es un componente electrónico cuya resistencia varía sensiblemente con la temperatura. Se trata de una resistencia no lineal, ya que la corriente que la atraviesa no es función lineal del voltaje. Un termistor de coeficiente negativo de temperatura (NTC) es aquel cuya resistencia disminuye a medida que la temperatura aumenta.

Bibliografia: Manual de prácticas de laboratorio de sensores y actuadores. Practica No. 3. Autores: Prof.MC. Antonio Cayetano Lozano García Prof.MC. José Ángel Castillo Castro Prof.MC. Carlos Alberto Porras Mata http://es.wikipedia.org/wiki/Termistor http://ayudaelectronica.com/que-es-un-termistor/

Práctica # 4 SENSORES FOTOELÉCTRICOS. Introducción. Una fotorresistencia es un componente electrónico en el cual su resistencia es disminuida al aumentar la intensidad de luz incidente en este componente. También es llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz (LDR por sus siglas en inglés). Existen diversos tipos de fotorresistores en el mercado. Pueden ser encontrados en muchos artículos electrónicos por ejemplo cámara fotográfica, medidores de luz, los relojes con radio, las alarmas de seguridad y en los sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles según la luz ambiental. Objetivo. Conocer el comportamiento del fotorresistor, sus principales características, tipos y aplicaciones. Además se construirá un dispositivo que regule la luz incidente sobre una fotorresistencia. Marco teórico. Las fotorresistencias (en inglés “Light Dependent Resistors” LDR) son dispositivos basados en la variación de resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación de luz en rango óptico (10 nm< l< 1mm).

el

La conductividad eléctrica de un material depende del número de portadores en la banda de conducción. En un semiconductor es, normalmente, la agitación térmica la causa de que parte de sus electrones salten de la banda de valencia a la de conducción, siendo por lo tanto la temperatura el parámetro que determina, junto a sus características intrínsecas, la conductividad del material. Sin embargo, la energía necesaria para el salto puede proceder de otro tipo de fuentes, como por ejemplo radiación óptica. En este caso es la energía de los fotones que colisionan con el material, la fuente para este salto. Si esta energía, determinada por la frecuencia de la radiación, es lo suficientemente alta para permitir el salto, sin exceder el umbral para que se desprendan del material, tendremos el denominado efecto fotoeléctrico interno. En este caso a mayor iluminación mayor conductividad. Este efecto es aprovechado para la construcción de resistencias variables con la luz (LDR). Dependiendo del material con el que se construyan, y por tanto del ancho de la banda prohibida, se obtienen diferentes respuestas espectrales (relación entre la sensibilidad del dispositivo y la frecuencia de la radiación incidente). Su funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico. Un fotorresistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia como el sulfuro de

cadmio, CdS. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por las elasticidades del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta, y su hueco asociado, conducen la electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Los valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz brillante.

Las células de sulfuro del cadmio se basan en la capacidad del cadmio de variar su resistencia según la cantidad de luz que incide en la célula. Cuanta más luz incide, más baja es la resistencia. Las células son también capaces de reaccionar a una amplia gama de frecuencias, incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, y ultravioleta (UV).

En general la relación entre la resistencia del elemento y la iluminación incidente E (densidad superficial de energía recibida expresada en lux) es fuertemente no lineal. Esta relación se suele modelar mediante la expresión:

Donde A y a dependen del material y condiciones de fabricación. Otra manera de expresar esta relación es tomando logaritmos:

Como puede comprobarse existe una relación lineal entre los logaritmos de la resistencia y nivel de iluminación. Estos dispositivos son baratos, disponen de un tiempo de respuesta relativamente grande (son lentos) y su respuesta espectral es fácilmente adaptable a la del ojo humano. Si se construye un divisor de voltaje con la fotorresistencia y una segunda resistencia, se tendrá un voltaje proporcional al valor de la resistencia por lo tanto a la intensidad de la luz. Un LED, o un diodo emisor de luz por sus siglas en ingles, es un dispositivo semiconductor (diodo) que cuando se polariza en directa y es atravesado por la corriente eléctrica emite luz policromática, es decir, con diferentes longitudes de onda,. El color depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo, pudiendo variar desde el ultravioleta, pasando por el espectro de luz visible, hasta el infrarrojo, recibiendo éstos últimos la denominación de IRED (Infra-Red Emitting Diode).

Un fotorresistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta (y su hueco asociado) conduce electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Un dispositivo fotoeléctrico puede ser intrínseco o extrínseco. En dispositivos intrínsecos, los únicos electrones disponibles están en la banda de la valencia, por lo tanto el fotón debe tener bastante energía para excitar el electrón a través de toda la banda prohibida. Los dispositivos extrínsecos tienen impurezas agregadas, que tienen energía de estado a tierra más cercano a la banda de conducción puesto que los electrones no tienen que saltar lejos, los fotones más bajos de energía (es decir, de mayor longitud de onda y frecuencia más baja) son suficientes para accionar el dispositivo. La fotorresistencia se puede realizar para diferentes formas de trabajos: Sensores por barrera de luz Las barreras tipo emisor-receptor están compuestas de dos partes, un componente que emite el haz de luz, y otro componente que lo recibe. Se establece un área de detección donde el objeto a detectar es reconocido cuando el mismo interrumpe el haz de luz. Debido a que el modo de operación de esta clase de sensores se basa en la interrupción del haz de luz, la detección no se ve afectada por el color, la textura o el brillo del objeto a detectar. Estos sensores operan de una manera precisa cuando el emisor y el receptor se encuentran alineados. Esto se debe a que la luz emitida siempre tiende a alejarse del centro de la trayectoria.

Sensores de reflexión sobre espejo El emisor envía un rayo de luz que llega al receptor si se refleja en un espejo y no es interrumpido por un objeto o si se refleja en un objeto. Tienen el emisor y el receptor montados en la misma caja y situados por lo tanto a un mismo lado del objeto que se desea detectar. Utilizar un reflector que recibe los rayos de luz provenientes del emisor y los envía al receptor. Funcionamiento La detección del objeto opaco se produce mediante la interrupción del haz de luz que se dirige del emisor al reflector o del que se dirige desde este último hacia el receptor.

Sensores de reflexión sobre objeto Tienen el componente emisor y el componente receptor en un solo cuerpo, el haz de luz se establece mediante la utilización de un reflector catadióptico. El objeto es detectado cuando el haz formado entre el componente emisor, el reflector y el componente receptor es interrumpido. Debido a esto, la detección no es afectada por el color del mismo. La ventaja de las barreras réflex es que el cableado es en un solo lado, a diferencia de las barreras emisor-receptor que es en ambos lados. Hay dos tipos de fotocélulas de reflexión sobre objeto, las de reflexión difusa y las de reflexión definida. Sensores de reflexión directa o de reflexión sobre objeto

Se caracterizan porque el emisor y el receptor se montan en la misma caja y el objeto que se quiere detectar actúa como reflector. De acuerdo con el valor de los ángulos de emisión y de recepción, pueden ser: - Sensores de reflexión difusa (DiffuseReflectiveSensors). - Sensores de reflexión definida (Definite ReflectiveSensors). Son sensores cuyo ángulo de emisión es muy grande y los rayos de luz se reflejan en múltiples direcciones. Por ello sólo una parte de los rayos que salen del emisor alcanzan el receptor después de reflejarse en el objeto a detectar. Tienen una zona muerta en la que no se garantiza la detección del objeto, tal como se indica en la figura. Dicha zona debe ser tenida en cuenta cuando se pretende detectar objetos que están situados muy próximos a la fotocélula.

Con el fin de eliminar la zona muerta, se fabrican fotocélulas que posee una configuración especial en la que los ejes ópticos del emisor y del receptor coinciden.

Listado de Material. • Tarjeta de la practica (1 Fotorresistencia y 1 Resistencia 1 K ohm). • Caja con tapa deslizadora. • Fuente de voltaje. • Fuente de luz.

Desarrollo: 1. Calibrar el multimetro virtual del NI ELVIS, para lo cual haremos lo siguiente; a. Desconectar cualquier cosa que este sobre el protoboard del NI ELVIS. b. Unir con un cable los puertos Voltage HI y Voltage LOW del DMM ubicados en la parte inferior izquierda del protoboard del NI ELVIS. c. Encender el NI ELVIS e inicializar el programa de National Intruments para el NI ELVIS. d. Seleccionar el modulo de Digital Multimeter. e. Presionar el botón de NULL. f. Retirar el cableado de los puertos Voltage HI y Voltage LOW. g. Apagar el NI ELVIS.

2. Colocar la tarjeta de la práctica dentro de la caja y conectar al NI ELVIS como se muestra en la figura.

3. Una vez conectado correctamente, encender el NI ELVIS. 4. Inicializar el programa de National Intruments para el NI ELVIS y seleccionar el modulo de DMM. 5. Medir el voltaje Vo con la tapa cerrada y en intervalos de 1 cm, para que junto con el ancho de la tapa, se pueda calcular el valor del área que permite la entrada de luz proveniente de la fuente de luz. 6. Efectuar las mediciones necesarias y graficar los valores para hacer una grafica del área contra el voltaje. Se recomienda realizar las mediciones cada centímetro de desplazamiento. 7. Determinar el tipo de comportamiento de la gráfica y comentar acerca de este.

Tabla de Datos Cm 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Voltaje 5.06 5.07 5.023 4.926 4.647 4.801 4.492 4.486 4.47

Voltaje con lampara 5.078 5.078 5.069 5.023 3.98 3.863 3.877 3.76 2.648

Grafica 6 5 4 3 Voltaje por Ambiente

2

Voltade por lampara

1 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

Distancia en cm

Bueno, aquí el experimento lo tomamos con 2 fuentes de luz diferentes, uno que es la luz que se encuentra en el ambiente y el otro con la luz de una lámpara y aquí podemos apresiar los diferentes valores que se obtuvo.

Conclusión Pues durante la práctica utilizamos 2 diferentes fuentes de luz, una es la que se encuentra en el entorno y el otro de una lámpara y se puede observar que cuando utilizamos el de la lámpara se genera más voltaje cuando ese se encuentra cerca del fotorresitor, entonces se puede decir que la energía lumínica que genera la lámpara puede provocar una elevación de voltaje al circuito El LDR es un componente que hace variar su resistencia dependiendo de la luz visible, ya que este tiene una fotorresistencia que es sensible a la luz. Como ya sabemos que la resistencia es una propiedad de los materiales que impide el flujo de la corriente eléctrica por él, entre mayor sea la resistencia, mayor ser la oposición al flujo eléctrico. En vista de los datos obtenidos en la práctica pudimos comprobar cómo iba subiendo el voltaje confirme íbamos haciendo más espacio para que pasara la luz al sensor. Bibliografia Manual de prácticas de laboratorio de sensores y actuadores. Practica No. 4. Autores: Prof.MC. Antonio Cayetano Lozano García Prof.MC. José Ángel Castillo Castro Prof.MC. Carlos Alberto Porras Mata http://www.ingenierofernandoruiz.com/Electronica%20Analogica/Proyectos %20Electronica%20Analogica.html http://www.ingenierias.ugto.mx/profesores/dohernandez/documentos/Sistemas/ sensores%20y%20acondicionadores%20de%20se%C3%B1al_ramon%20pallas %20areny.pdf http://www.unicrom.com/Tut_ldr.asp http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor_fotoel%C3%A9ctrico

Práctica # 5 SENSORES DE PROXIMIDAD Introducción. Al seleccionar un sensor para una aplicación en particular hay que considerar varios factores: • El tipo de medición que necesitamos, por ejemplo, la variable que se va a medir, su valor nominal, el rango de valores, la exactitud, velocidad de medición y confiabilidad que necesitamos y con la misma importancia, las condiciones ambientales en las que operará el sensor. • El tipo de salida que se requiere del sensor, lo cual determinara las condiciones de acondicionamiento de la señal. Basado en lo anterior se pueden identificar algunos posibles sensores, teniendo en cuenta rango, exactitud, linealidad, velocidad de respuesta, confiabilidad, facilidad de mantenimiento, duración, requisitos de alimentación eléctrica, solidez, disponibilidad y costo. Objetivo. El estudiante construirá un sensor de proximidad IR y observará su comportamiento, también aprenderá la forma de calibrar su sensor según el tipo de medición necesaria. Marco teórico. El sensor de proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor. Existen varios tipos de sensores de proximidad, los más comunes son los capacitivos, los inductivos y los infrarrojos. Capacitivos

Este tipo de transductor trabaja con un campo electrostático. Al aproximarse un objeto "metálico" se produce un cambio en el campo electrostático alrededor del elemento sensor. Este cambio es detectado y enviado al sistema de detección. El sistema de detección típico está formado por una sonda, un oscilador, un rectificador, un filtro y un circuito de salida. Cuando un objeto "metálico" se aproxima al sensor la sonda aumenta su capacitancia y activa el oscilador provocando que éste dispare el circuito de salida. Generalmente éste tipo de sensores funcionan como interruptores abierto o cerrado y la sonda está casi siempre calibrada según el objeto a sensar.

Inductivos Este tipo de transductor trabaja con un campo electromagnético. Al aproximarse un objeto "metálico" o no metálico, produce también un cambio en el campo electromagnético alrededor del elemento sensor. La distancia de conmutación depende del tamaño del sensor o del tipo de material a ser detectado. Estos sensores son de estado sólido, y no requieren contacto directo con el material a sensar. El sistema de detección típico está formado por una bobina, un oscilador, un disparador y un circuito de salida

El funcionamiento es similar al capacitivo; la bobina detecta el objeto cuando se produce un cambio en el campo electromagnético y envía la señal al oscilador, luego se activa el disparador y finalmente al circuito de salida hace la transición entre abierto o cerrado.

Infrarrojos Este tipo de transductor trabaja con un emisor y detector de rayos infrarrojos. Al aproximarse un objeto reflector de rayos infrarrojos la luz del transmisor es reflejada por el objeto cercano, el detector recibe los rayos infrarrojos y activa la salida de detección. El sistema de detección típico está formado por un transmisor de rayos infrarrojos, una etapa de control, un receptor de rayos infrarrojos y un circuito de salida. Por lo general el transmisor está conectado a una etapa de control que decide la activación de transmisión e inclusive puede generar pulsos de frecuencia constante que hacen la detección del sensor más robusta. El receptor de rayos infrarrojos suele ser un fototransistor o un fotodiodo. El circuito de salida utiliza la señal del receptor para amplificarla y adaptarla a una salida que el sistema pueda entender. Sus aplicaciones mas comunes son: Control de cintas transportadoras; control de alta velocidad; detección de movimiento, conteo de piezas, etc.

Listado de Material. • Tarjeta de la práctica. • Fototransistor con filtro. • LED infrarrojo de largo alcance. • Regla. • Vóltmetro. • Pedazo de cartón blanco. Desarrollo: En esta práctica se montará un circuito que servirá como sensor de proximidad, en el cual se medirá la diferencia de voltaje a través de la resistencia del circuito receptor. Este cambio de diferencia de voltaje se relaciona al cambio de corriente en el circuito receptor, el cual depende de la intensidad que reciba el fototransistor. El cartón utilizado debe ser lo menos delgado posible, ya que esto podría tener un efecto de filtro no deseado y no se reflejaría la luz IR en su totalidad. 1. Investigar la corriente máxima que puede pasar por los semiconductores utilizados. (por ejemplo www.alldatasheet.com) 2. Calcular la intensidad en cada elemento de la tarjeta. 3. Montar la tarjeta de la práctica sobre el protoboard.

4. Conectar la tarjeta al NI ELVIS correctamente 5. Calibrar el multímetro virtual del NI ELVIS, para lo cual haremos lo siguiente; a. Desconectar cualquier cosa que este sobre el protoboard del NI ELVIS. b. Unir con un cable los puertos Voltage HI y Voltage LOW del DMM ubicados en la parte inferior izquierda del protoboard del NI ELVIS. c. Encender el NI ELVIS e inicializar el programa de National Intruments para el NI ELVIS. d. Seleccionar el modulo de Digital Multimeter. e. Presionar el botón de NULL. f. Retirar el cableado de los puertos Voltag g. Apagar el NI ELVIS. 6. Inicializar el programa de National Intruments para el NI ELVIS y seleccionar el modulo de DMM 7. Hacer mediciones del voltaje registrado en la resistencia R cuando no hay ningún objeto enfrente del receptor, cuando e circuito, y luego realizar mediciones alejando el cartón cada centímetro. Calcular la corriente que pasa por la resistencia seleccionada. (I = V / R) 8. Llenar la tabla de mediciones y realizar la gráfica correspondiente (I contra distancia). Tabla (Se utilizo una resistencia de 1000 ohms)

Distancia (cm) Voltaje 1 Voltaje 2 Voltaje 3 I =V/R Sin Objeto 3940.591 3940.591 3940.591 3.940591 0.5 3937.035 3937.79 3937.944 3.937035 1 3937.009 3937.834 3937.874 3.937009 2 3936.839 3937.836 3938.071 3.936839 3 3937.361 3937.7 3937.97 3.937361 4 3937.628 3938.413 3938.199 3.937628

5 6 7 8 9 10

3938.109 3938.38 3938.701 3938.983 3939.036 3939.582

3938.798 3939.059 3939.119 3939.557 3939.657 3939.54 3940.076 3939.903 3939.91 3940.5312 3940.066 3940.002

3.938109 3.93838 3.938701 3.938983 3.939036 3.939582

3941 3940 3939 3938 Voltaje 1

3937

Voltaje 2 Voltaje 3

3936 3935 3934 0.5

1

2

3

4

5

6

DIstancia cm

7

8

9

10

Corriente 3.94 3.94 3.94 3.94

Corriente

3.94 3.94 3.94 3.93 0.5

1

2

3

4

5

6

Distancia cm

7

8

9

10

EJERCICIO OPCIONAL. SENSOR DE PROXIMIDAD Y LABVIEW. Introducción. Es posible obtener datos por medio de una tarjeta conectada a una PC, para así fácilmente realizar cálculos con ellos. Objetivo. Que el estudiante se familiarice con el software de los laboratorios y que sepa como manipular los datos que pueda adquirir, además de utilizar el software LabVIEW. Hacer un programa en LabVIEW que nos permita asociar el voltaje medido, con la distancia de un objeto blanco al sensor mismo. Marco teórico. LabVIEW es una herramienta gráfica de prueba, control y diseño mediante la programación. El lenguaje utilizado se llama lenguaje G. Este programa fue creado por National Instruments en 1976. Los programas hechos con LabVIEW se llaman VI (Virtual Instrument), lo que da una idea de uno de sus principales usos: el control de instrumentos. Utilizaremos el ELVIS como una DAQ para conectar los valores del voltaje medidos en el potenciómetro y una computadora, para luego poder programar con LabVIEW y utilizar esos datos de entrada.

Modelo matemático del sensor de proximidad. Sabiendo que la intensidad en el circuito receptor es directamente proporcional a la cantidad de luz que recibe el fototransistor, y que esta depende de la distancia del objeto a sensar, podemos deducir la siguiente formula.

Donde IR es la intensidad en el circuito receptor, ILF es la intensidad de luz recibida por el fototransistor,des la distancia entre el objeto y el sensor, y donde ILE es la intensidad de luz emitida por el circuito emisor. Conociendo la intensidad en el circuito y el valor de la resistencia utilizada se puede calcular la caída de voltaje en la resistencia.

Listado de Material. • Conocimientos básicos del software LabVIEW. • Sensor de proximidad. • ELVIS. • Software LabVIEW. Desarrollo: 1- Colocar el sensor de proximidad como se muestra en la primera parte de la práctica. Se recomienda utilizar la fuente de 5v para alimentar el circuito.

2. Abrir el archivo Prac5.vi 3. Acomodar los iconos del archivo de forma que se puedan realizar fácilmente la conexiones mostradas en la fig. 5.6 , se debe tener en cuenta que hay que añadir ciertos valores constantes a funciones como WAIT y los valores de multiplicación 4. Realizar las conexiones virtuales. En la Fig. 5.6 se observa que el instrumento virtual c • La primera etapa es para inicializar los instrumentos que utilizaremos del comando por medio del Device Name • Dentro de la segunda etapa esta el rutina de medición del voltaje en de paro, se recomienda ponerle un valor de 500 ms de espera a la función WAIT. • El subprograma DMM input realiza la serie de mediciones del voltaje en las entradas del NI ELVIS. • Por medio de la función Formula comportamiento de la gráfica seleccionada con anterioridad. En el ejemplo se utilizó un conjunto de IF anidados para cada uno de las secciones de linealidad de la gráfica creada. • Por ultimo los datos calculados se mostrarán por medio de indicadores, en el ejemplo de la práctica utilizamos un indicador numérico y otro en forma de termómetro.

14. Determinar por medio de constantes (int) el tiempo de espera dentro del ciclo, y una formula que se adecue al comportamiento de la gráfica. 15. Diseñar el panel frontal de manera que podamos ver la medición de voltaje con unidades de milivolts, la distancia teórica del objeto, un gráfico que simule el cambio de posición del objeto sensado (Termómetro) y el botón de paro (stop).

16. Comparar los datos teóricos arrojados por el programa con la distancia real del objeto y anotar si el programa funcionó con exactitud. Se obtuvieron los siguientes Datos Tabla

Distancia (cm) Sin Objeto 0.5 1 2 3 4 5 6 7 8

Voltaje 1 3940.5 3936.944 3936.918 3936.748 3937.27 3937.537 3938.018 3938.289 3938.61 3938.892

Voltaje 2 3940.5 3937.699 3937.743 3937.745 3937.609 3938.322 3938.707 3939.028 3939.566 3939.985

Voltaje 3 3940.5 3937.853 3937.783 3937.98 3937.879 3938.108 3938.968 3939.466 3939.449 3939.812 3940.440 9 3938.945 3939.819 2 10 3939.491 3939.975 3939.911

I =V/R 3.9405 3.936944 3.936918 3.936748 3.93727 3.937537 3.938018 3.938289 3.93861 3.938892 3.938945 3.939491

Grafica 3941 3940 3939 3938 3937

Voltaje 1

3936

Voltaje 2 Voltaje 3

3935 3934 0.5

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Distancia cm

Corriente 3.94 3.94 3.94 3.94 3.94 3.94 3.94 3.93 0.5

Corriente

1

2

3

4

5

6

Distancia cm

7

8

9

10

Conclusión: Un sensor de proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor.

Un sensor de proximidad es un dispositivo que detecta objetos sin necesidad de tener contacto físico con ellos. El sensor emite un campo u onda electromagnética y la detección se logra registrando los cambios en ese campo. Con lo visto es esta práctica aprendimos el funcionamiento de los sensores de proximidad, hicimos un circuito armado por un emisor y un receptor que detectaban la diferencia de voltaje.

Bibliografia: Manual de prácticas de laboratorio de sensores y actuadores. Practica No. 5 Autores: Prof.MC. Antonio Cayetano Lozano García Prof.MC. José Ángel Castillo Castro Prof.MC. Carlos Alberto Porras Mata http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor_de_proximidad http://sensoresdeproximidad.blogspot.mx/

Práctica # 6 Motor de corriente directa Introducción Un motor de Corriente Directa (CD) es un mecanismo que convierte la energía eléctrica en mecánica, mediante el uso de principios básicos de electromagnetismo. Cuando pasa una corriente, que como la práctica lo dice, es de corriente directa, en su interior es inducido con una fuerza magnética que hace girar el motor. Dependiendo del sentido de la polarización que recibe el motor, será el sentido del giro. Comúnmente existen motores que funcionan con 5, 7.5, 9 o 12 volts. Aunque existe una gran variedad de motores de corriente directa, en esta sesión se hablará sobre los más sencillos únicamente. Objetivo: Comprender el funcionamiento de estos motores, sus componentes, principios de operación, ventajas y desventajas de su uso y diferentes métodos para controlar su velocidad. Marco Teórico: El motor de corriente continua (denominado también motor de corriente directa, motor CC o motor CD) es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción del campo magnético. Un motor de corriente directa está compuesto básicamente de un rotor, electroimanes, imanes permanentes, un conmutador, estator y cepillos. En magnetismo se conoce la existencia de dos polos: polo norte (N) y polo sur (S), que son las regiones donde se concentran las líneas de fuerza de un imán. Un motor para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. De acuerdo con esto, todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor, ya que los polos magnéticos iguales se repelen, y polos magnéticos diferentes se atraen, produciendo así el movimiento de rotación.

Esquema del funcionamiento de un motor de c.c. elemental de dos polos con una sola bobina y dos delgas en el rotor. Se muestra el motor en tres posiciones del rotor desfasadas 90º entre sí. 1, 2: Escobillas; A, B: Delgas; a, b: Lados de la bobina conectados respectivamente a las delgas A y B.

Para que el motor funcione deben energizarse sus terminales, las cuales conducen al conmutador. El conmutador a su vez hace contacto con los cepillos, cable que rodea al rotor, convirtiéndolo así en un electroimán. Según la ley de Fuerza simplificada, cuando un conductor por el que pasa una corriente eléctrica se sumerge en un campo magnético, el conductor sufre una fuerza perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente, siguiendo la regla de la mano derecha. Los motores también pueden ser usados para transformar la energía mecánica en energía eléctrica. En este caso se usaría al motor como un “generador”, se gira el eje del motor, que a su vez mueve al rotor produciendo un campo electromagnético y obteniendo así energía en sus terminales.

Cuando el motor está siendo usado, ocurre este efecto y el voltaje generado por el motor se conoce como “Contra- FEM”, usualmente no hay problema porque esta Contra- Fem es mucho menor al voltaje aplicado. El problema surge cuando se “apaga” el motor, es decir, no se le aplica ningún voltaje ya que en ese instante la inercia del motor provoca que el eje sigua girando y generando la contra-fem, que en ese instante sería mayor que el voltaje nulo aplicado al motor, produciendo así que el circuito reciba voltaje donde debería de entregarlo, pudiendo resultar esto en daños al circuito. El voltaje interno generado por un motor esta dado por la siguiente ecuación:

La velocidad angular de estos motores es proporcional al voltaje aplicado, mientras que a la fuerza la define la intensidad de la corriente.

Para lograr manipular la velocidad de estos motores se debe controlar el voltaje de entrada. Para lograr este control existen 3 métodos ampliamente usados: • Divisor de Voltaje • PWM (Modulación por Ancho de Pulso) • Control Ward-Leonard

Divisor de Voltaje El divisor de voltaje es un método sencillo, consiste en reducir la cantidad de voltaje en la entrada del motor mediante resistencias para así controlar su velocidad, pero presenta el inconveniente de que el voltaje consumido por las resistencias es energía desperdiciada.

Cálculo de las resistencias: Las resistencias del divisor de voltaje se calculan analizando el circuito.

A continuación se muestran los valores de resistencia para un motor de 4 V y una fuente de alimentación de 5 V.

Para obtener un voltaje variable se deben usar como salidas únicamente 2 terminales contiguas del potenciómetro. A pesar de que se puede usar solamente un potenciómetro como divisor de voltaje, al girar la perilla hacia un extremo, el potenciómetro puede dañarse. PWM (Modulación por Ancho de Pulso) La modulación por ancho de pulso es un método más eficiente, porque no desperdicia energía. Esta técnica consiste en hacerle llegar al motor una señal de onda que no sea continua, para así disminuir su voltaje promedio y por consecuencia su velocidad.

Por ejemplo, cuando el pulso está activo la mitad del período de la señal o el parámetro duty cycle está al 50%, el voltaje efectivo es la mitad del voltaje total de entrada. Se debe tener en cuenta que no se deben de usar frecuencias de onda muy bajas, ya que el motor se detendría por completo entre cada transición de onda, teniendo que vencer en cada arranque a la inercia.

Control Ward-Leonard El control Ward-Leonard es el control de velocidad de un motor usando otro como generador. Funciona usando en primer lugar un motor como generador para producir voltaje, con el cual alimentaremos a un segundo motor, el voltaje que produce el generador puede limitarse utilizando un divisor de voltaje si así se desea. A simple vista este sistema resulta muy ineficiente, pero al analizarlo con más detalle se observa que puede usarse para aprovechar energía mecánica desperdiciada de un sistema y convertirla en electricidad.

Control de sentido de giro Para que un motor gire en sentido contrario electrónicamente, es necesario invertir la polaridad del voltaje de entrada, esto se logra con un “Puente H”. A continuación mostrado.

Listado de material. • Generador de funciones • Osciloscopio • Resistencia 330 Ω • Potenciómetro 1 KΩ • Motor CD 4V aprox. Desarrollo: 1. Conectar las terminales del osciloscopio a las del generador de funciones. 2. Encender el generador de funciones, seleccionar onda cuadrada y la opción DC OFFSET, encender el osciloscopio.

3. Seleccionar diferentes rangos de frecuencia, de menor a mayor, así como diferentes porcentajes de Duty Cycle del generador de funciones. Ajustar la perilla VERTICAL POSITION del CH1 del osciloscopio hasta que el valor mínimo de la onda coincida con el “eje x” central y anotar como

responde el osciloscopio a los cambios en la frecuencia y en el Duty Cycle. El botón de Duty Cycle debe estar presionado. (Ver botón 17 de la Fig. 1.5). 4. Reemplazar el osciloscopio por el motor. 5. Conectar la terminal negativa del generador de funciones a cualquier terminal del motor y la terminal positiva del generador a la terminal restante del motor. 6. Adecuar el voltaje de la señal de salida de acuerdo a la capacidad de nuestro motor y colocar en el eje del motor un dispositivo que nos permita apreciar de manera óptica los cambios en la velocidad del motor. 7. Seleccionar diferentes rangos de frecuencia de menor a mayor, así como diferentes porcentajes de Duty Cycle del generador de funciones, es importante que las variaciones de frecuencia y Duty Cycle sean las mismas que en el paso 3. 8. Anotar como responde el motor a estas variaciones. NOTA: Se pide en primer lugar que se realicen las variaciones y se midan con el osciloscopio, para que el alumno conozca el valor del voltaje de salida del generador de funciones con el fin de conocer. Etapa 2 1. Diseñar un divisor de voltaje de acuerdo a la capacidad de nuestro motor, guiado por la figura 6.2. 2. Variar la resistencia del potenciómetro aproximadamente a una tercera parte de su capacidad de giro, después dos terceras partes y por último a su capacidad máxima. 3. Documentar como responde el motor a estos cambios. 4. Remover el motor y colocar el Vólmetro en su lugar. 5. Variar la resistencia del potenciómetro aproximadamente a una tercera parte de su capacidad de giro, después dos terceras partes y por último a su capacidad máxima. 6. Llenar la tabla 6.1 con los valores del ángulo de giro y el Voltaje en el Vólmetro. 7. Realizar la gráfica de comportamiento del ángulo de giro contra el voltaje medido en el Vólmetro. 8. Observando cómo reaccionó el motor y el comportamiento de la gráfica, concluya la relación entre ambas y la razón a la que se debe. NOTA: Para realizar la gráfica es necesario medir el ángulo máximo de giro del potenciómetro para convertir los tercios de ángulo máximo en grados.

Procedimiento Primero se utilizo el osciloscopio y el generador de funciones y así descubrir los tipos de onda que nos presenta el generador.

Una vez establecido el tipo de onda cuadrada que necesitaremos para la práctica, desconectamos el osciloscopio del generador de funciones y conectamos el generador con el motor. Terminando lo anterior lo que seguiría es poder variar las diferentes rangos de frecuencia y mover los controles para obtener una mejor información sobre el efecto que tiene cada control sobre nuestro motor. El voltaje máximo que nos podía suministrar el generador de funciones era de 10 volts por lo que nuestro motor al suministrarle todo este voltaje, gira a una gran velocidad, pero como consecuencia de un uso prolongado de este voltaje que excede el recomendado para el motor, se empezaba a calentar con el tiempo y podía llegar al momento en que se quemase. Con las perillas de OFFSET DC y DUTY CYCLE podemos variar la cantidad de voltaje suministrado. Con el OFFSET DC variábamos directamente el voltaje suministrado por el generador de funciones mientras que en el DUTY CYCLE variábamos el voltaje suministrado pero en sentido de la polaridad con que llegaba el voltaje al motor. Dicho de otra forma, el DUTY CYCLE cambiaba la polaridad del voltaje del generador de funciones, y esta función estaba muy relacionada con la frecuencia, ya que a mayores frecuencias elcambio de polaridad era más rápido y notorio. Ahora como extra medimos la forma de onda que se produce al tener conectado el generador al motor, donde tiene una forma puntiaguda, donde se puede notar que conserva parte de la forma cuadrada de la onda original, a continuación se muestra la imagen con dicha forma de onda.

Ahora para empezar a hacer la segunda parte Implementamos el circuito en la protoboard para posteriormente efectuar las mediciones del voltaje en el motor de acuerdo a la resistencia del potenciómetro.

Una vez elaborado el circuito, procedemos a encender el NI Elvis y utilizar la función del multímetro. Con la mediciones obtenidas en el multímetro se graficaran los valores obtenidos y se tabularan para su mejor compresión.

Angulo de Giro

Voltaje medido (V)

0

1.285

90

2.57

180

3.855

270

5.14 Voltaje

6 4 Voltaje

2 0 0

90

180

Angulo de Giro

270

Como se puede apreciar en la gráfica, hay una linealidad en el voltaje del motor de acuerdo con el ángulo de giro del potenciómetro.

Ejercicio opcional Practica 6 Motor DC Introducción La practica concluyo sin tener una programación en labview, por lo cual en esta parte se podrá diseñar un controlador de velocidad para un motor de dc con la ayuda de national instruments. El motor de corriente continua es muy utilizado en nuestros proyectos por su facilidad de conexión, pero existe el inconveniente que a la hora de querer controlar la velocidad no basta con un simple divisor de tensión, por lo que aquí se trabajara con el DAQ Assistant, junto con una programación un poco compleja para controlar la velocidad de un motor.

Objetivo El estudiante será capaz de controlar la velocidad de un motor de corriente continua, por medio de un control de ciclo cerrado en labview. Modelar un motor DC, Diseñar un controlador PI de ciclo cerrado, Sintonizar el controlador en simulación, Implementar su controlador con motor DC.

Marco teórico Los conceptos de control son esenciales para comprender sistemas naturales y artificiales. Ya que el control es un campo de sistemas, para tener una completa apreciación del control es necesario cubrir la teoría y las aplicaciones. La principal habilidad requerida en el control, incluye modelado, diseño de control, simulación, implementación, sintonización y operación de un sistema de control. Este tutorial muestra cómo estos conceptos pueden ser impartidos a los estudiantes a través del uso de una tarjeta insertable de Motor DC Quanser para el NI ELVIS, Diseño de Control y Simulación de LabVIEW con LabVIEW MathScript RT. Tradicionalmente, sintonizar un controlador requiere múltiples iteraciones y prueba y error para llegar a la perfección. Sin embargo, LabVIEW le permite afinar su controlador en tiempo real y después ir directamente a la verificación con una perfecta integración con hardware. Los programas de LabVIEW son llamados instrumentos virtuales o VIs ya que su apariencia y operación generalmente imitan a los instrumentos físicos, como osciloscopios y multímetros. LabVIEW contiene una extensa variedad de

herramientas para adquirir, analizar, visualizar y almacenar datos, así como herramientas para ayudarle a solucionar problemas en el código que escriba. Cuando crea un nuevo VI verá dos ventanas - la ventana del panel frontal y el diagrama de bloques.

Panel Frontal Cuando abre un VI nuevo o existente, aparece la ventana del panel frontal del VI. La ventana del panel frontal es la interfaz de usuario para el VI. La Figura 1 muestra un ejemplo de una ventana del panel frontal.

1 Ventana de Panel Frontal

2 Barra de Herramientas

3 Paleta de Controles

Figura 1. Ejemplo de un Panel Frontal Paleta de Controles La paleta de Controles contiene los controles e indicadores que utiliza para crear el panel frontal. Puede tener acceso a la paleta de Controles de la ventana del panel frontal al seleccionar View»Controls Palette o al dar clic con botón derecho en cualquier espacio en blanco en la ventana del panel frontal. La paleta de Controles está dividida en varias categorías; puede exponer algunas o todas estas categorías para cumplir con sus necesidades. La Figura 2 muestra la paleta de Controles con todas las categorías expuestas y la categoría Moderna expandida.

Figura 2. Paleta de Controles

Controles e Indicadores Cada VI tiene un panel frontal que usted puede diseñar como una interfaz de usuario. Usted también puede usar paneles frontales como una manera para pasar entradas y recibir salidas cuando llama al VI desde otro diagrama de bloques. Usted crea la interfaz de usuario de un VI al colocar controles e indicadores en el panel frontal de un VI. Cuando usted interactúa con un panel frontal como una interfaz de usuario, puede modificar controles para alimentar entradas y ver los resultados en indicadores. Los controles definen las entradas y los indicadores muestran las salidas. Los controles generalmente son perillas, botones y barras deslizantes. Los controles simulan dispositivos de entrada de instrumentos y suministran datos al diagrama de bloques del VI. Los indicadores generalmente son gráficas, tablas, LEDs y secuencias de estado. Los indicadores simulan dispositivos de salida de instrumentos y muestran los datos que el diagrama de bloques adquiere o genera. El usuario puede cambiar el valor de entrada para los controles Number of Measurements and Delay (sec). El usuario puede ver el valor generado por el VI en el indicador Temperature Graph. El VI genera los valores para los indicadores basados en el código creado en el diagrama de bloques. Cada control o indicador tiene un tipo de datos asociado con él. Por ejemplo, el slide horizontal Delay (sec) es un tipo de datos numérico. Los tipos de datos utilizados con mayor frecuencia son numéricos, Booleano y cadena de caracteres. Controles e Indicadores Numéricos El tipo de datos numérico pueden representar números de varios tipos como un entero o real. Los dos objetos numéricos comunes son el control numérico y el indicador numérico, como se muestra en la Figura 3. Los objetos como medidores y perillas también representan datos numéricos.

1 Botones de Incremento/Reducción

2 Control Numérico

3 Indicador Numérico

Figura 3. Controles e Indicadores Numéricos Para proporcionar o cambiar valores en un control numérico, haga clic en el botón de incremento y reducción o haga doble clic en el número, introduzca un nuevo número y presione la tecla . Controles e Indicadores Booleano El tipo de datos Booleano representa datos que solamente tienen dos estados posibles, como TRUE y FALSE u ON y OFF. Use los controles e indicadores Booleano para proporcionar y visualizar valores Booleano. Los objetos Booleano simulan interruptores, botones y LEDs. El interruptor de encendido vertical y los objetos LED redondos se muestran en la Figura 4.

Figura 4. Controles e Indicadores Booleano Controles e Indicadores de Cadena de Caracteres El tipo de datos cadena de caracteres es una secuencia de caracteres ASCII. Use controles en cadena para recibir texto desde el usuario como una contraseña o nombre de usuario. Use indicadores en cadena para mostrar texto al usuario. Los objetos en cadena más comunes son tablas y cuadros de texto, como se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Controles e Indicadores de Cadena de Caracteres

Diagrama de Bloques Los objetos del diagrama de bloques incluyen terminales, subVIs, funciones, constantes, estructuras y cables, los cuales transfieren datos junto con otros objetos del diagrama de bloques.

1 Terminales de Indicador

2 Cables 3 Nodos 4 Terminales de Control

Figura 6. Ejemplo de un Diagrama de Bloques y Panel Frontal Correspondiente

Después de que crea la ventana del panel frontal, añade código usando representaciones gráficas de funciones para controlar los objetos del panel frontal. La ventana del diagrama de bloques contiene este código de fuente gráfica.

Desarrollo Modelado El primer paso para diseñar un controlador de ciclo cerrado es identificar una representación matemática de la planta o crear un modelo. Varios tipos de sistemas pueden ser modelados, incluyendo sistemas mecánicos, circuitos electrónicos, filtros analógicos y digitales y sistemas térmicos y de fluidos. Para este experimento, vamos a crear un modelo para un motor DC. El motor DC puede ser representado de mejor manera a través de una función de transferencia. Una función de transferencia brinda una descripción matemática sobre cómo son relacionadas las entradas y las salidas del sistema. En nuestro caso, la entrada al sistema es voltaje (Vm) y la salida desde el sistema es una velocidad angular (Ωm). Podemos usar la ecuación a continuación para representar el modelo de nuestro Motor DC donde:   

km=Constante del EMF al Motor (V/(rad/s)) Rm=Resistencia de armadura del Motor(Ohms) Jeq = Momento equivalente de inercia (kg*m2) (Dado que Jeq=Jm (momento de inercia de la armadura del Motor))

Figura 1. Modelo Matemático o Función de Transferencia para un Motor DC

Este modelo será usado para diseñar un controlador de ciclo cerrado, el cual puede ser probado con el motor actual. Podemos representar esta función de transferencia en LabVIEW al usar un nodo MathScript, el cual es parte del Módulo LabVIEW MathScript RT. Los valores del parámetro de entrada fueron obtenidos en la hoja de especificaciones del Motor DC Quanser.

Diseño de Control El siguiente paso es escoger un método de control y diseñar un controlador. Al diseñar un controlador es mejor conocer completamente la planta, en nuestro caso, el Motor DC. Este conocimiento se obtiene del análisis de gráficas especializadas, como Bode, lugar de las raíces y Nyquist, las cuales forman una intuición de cómo la planta puede comportarse. Las gráficas en el dominio del tiempo, como la respuesta de pasos, ofrecen retroalimentación inmediata sobre el comportamiento ideal del sistema, como tiempo de incremento, sobreimpulso, tiempo de asentamiento y error de estado estable.

Figura 3: Esquemáticos de un Sistema de Control de Ciclo Cerrado Para este experimento diseñaremos un controlador PI para nuestro motor DC usando el módulo LabVIEW Control Design and Simulation. El Ciclo de Simulación, el cual incluye un solucionador ODE integrado para manejar términos integrales y derivativos, se puede encontrar en la paleta Control Design and Simulation bajo Simulation. Los bloques de Función de Suma, Ganancia, Integrador y Transferencia también se pueden encontrar en la paleta Control Design and Simulation bajo Simulation >> Signal Arithmetic y Simulation >> Continuous Linear Systems.

Simulación El siguiente paso es simular la respuesta del Motor DC al modificar el punto de inicio o entrada de velocidad deseada. Esto nos permitirá afinar los parámetros del controlador o ganancias para incrementar la robustez de nuestro sistema. Necesitaremos combinar la Función de Transferencia o modelo del motor DC que creamos en el Paso 1 con nuestro controlador de ciclo cerrado.

Figura 5: Controlador PI Cerrado con Función de Transferencia de Motor DC

de Ciclo

Una vez que ejecutamos el programa, podemos ver graficada la velocidad del motor deseada y la velocidad del motor estimada en la tabla de Forma de Onda. Mientras el tiempo de incremento se ve bien con nuestra ganancia proporcional, kp establecida en 1, la gráfica muestra una pequeña cantidad de error de estado estable, el cual es representado por la diferencia entre los datos de velocidad deseada y los datos de velocidad estimada. Podemos reducir este error de estado estable al incrementar nuestra ganancia integral, ki. Implementación Ahora que hemos verificado que nuestro controlador PI funciona con la respuesta del motor DC simulado, podemos implementar nuestro sistema de control finalizado y controlar la velocidad de nuestra tarjeta insertable del Motor DC Quanser para NI ELVIS. El Módulo LabVIEW Control Design and Simulation puede ser usado para controlar sistemas reales, así como modelos simulados. Para migrar desde control simulado a control real, el modelo de planta puede ser reemplazado con funciones de entrada y salida de hardware. En este caso, vamos a reemplazar la función de transferencia representando el motor DC con VIs de entrada y salida de Adquisición de Datos (DAQ) que controlan el motor actual.

Figura 9: Migrar de Simulación a Hardware Real al Reemplazar la Función de Transferencia con Bloques de Entrada/Salida de Hardware

La temporización es una consideración importante al usar el Ciclo de Diseño de Control y Simulación de LabVIEW con hardware real. Debido a que el Ciclo de Diseño de Control y Simulación utiliza un solucionador ODE integrado con pasos de tiempo, es importante establecer los Parámetros de Simulación y los Parámetros de Temporización del ciclo para que tengan el mismo paso de tiempo. Las tareas de adquisición de datos generalmente utilizan parámetros de temporización, así que es importante igualar la temporización del ciclo de Simulación con la temporización de la adquisición de datos. Ahora podemos ejecutar el programa LabVIEW y controlar la velocidad del Motor DC Quanser desde el panel frontal de LabVIEW.

Figura 10: Respuesta del Motor DC Quanser Actual con nuestro Controlador PI de Ciclo Cerrado

Resultados El código mostrado en el desarrollo no se podía implementar debido a que requería de una extensión mas en el labview, por lo que se tuvo que tomar como guía para crear algo parecido con nuestros recursos.

El diagrama de bloques mostrado en la imagen fue el resultado final, teniendo como principal función el timing and transition measurements, el cual es responsable de transmitir señal para indicar la velocidad en la que queremos poner el motor, aunque no se puede ser preciso a la hora de indicar la velocidad, trabajando solo con porcentajes de voltaje. El proceso es principalmente matemático, el cual también puede ser sustituido por un nodo de formula por estética. El panel frontal tiene principalmente el controlador de velocidad, el cual es calculado con anticipacion; la grafica mostrada tiene la función de ver los pulsos enviados por el timing and transition measurements. Conclusiones En la etapa 1 de la práctica puede observar que el giro del motor dependerá de la polaridad con que sea energizado el motor, en el generador de funciones puedo cambiar esta polaridad con la función duty cycle, mientras la perilla se encuentre más de una lado que del otro el sentido de la polaridad será para donde este apuntando la perilla, sin embargo entre más cerca este de la mita la perilla, también el voltaje que es suministrado al motor es menor, por lo que cuando se encuentra a la mitad el motor se detiene por completo. En la segunda parte nos dimos cuenta que el motor gira más rápido o más lento dependiendo de la posición del potenciómetro, cuando hay más resistencia, hay un menor voltajes que llega al motor por lo tanto su giro es más lento y viceversa, cuando el potenciómetroestá en un ángulo donde su resistencia es menor, llega una mayor cantidad de voltaje al motor por lo que su giro se ve incrementado. Por estas acciones puedo asumir que la velocidad de giro del motor esta inversamente relacionada con la resistencia del potenciómetro, a mayor resistencia menor velocidad de giro y a menor resistencia mayor velocidad de giro. En la grafica obtenida podemos ver que el voltaje del motor sigue una linealdiad, la cual esta proporcionada por el potenciómetro, que como vimos en la practica 2, tiene un comportamiento lineal en su resistencia en relación con el angulo de giro. Un motor eléctrico de corriente continua es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos, que para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos.

El motor de corriente continua está compuesto de 2 piezas fundamentales: - Rotor - Estator En esta práctica observamos el funcionamiento de un motor de corriente continua, vimos la forma en que cambia de dirección de giro y de velocidad. Vimos también que si le conectamos un potenciómetro también podemos cambiar la velocidad del motor al igual que como lo hacíamos con el generador de funciones. Bibliografía Manual de prácticas de laboratorio de sensores y actuadores. Practica No. 6 http://www.monografias.com/trabajos61/motores-corriente-continua/motores-corrientecontinua.shtml http://platea.pntic.mec.es/~lmarti2/robotinfra/motoresdecorrientecontinua3.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_continua#Motores_con_estator_bobinado

Práctica # 7 Motores paso a paso Introducción Los motores de paso a paso también conocidos como steppers a diferencia de los motores de corriente continua, los cuales giran libremente, estos nos brindan exactitud en los movimientos ya que para girar este tiene que dar cierto número de pasos, de allí su nombre. Las ventajas que se obtienen con este tipo de motor son: mayor troque, una gran precisión, y la habilidad de frenarse sin un sistema externo. Artículos que se usan diariamente que contienen motores de paso a paso, son, impresoras, copiadoras, lectores, todo instrumento que requiera de movimientos precisos.

Objetivo El estudiante conocerá los conceptos básicos de un motor paso a paso, los diferentes tipos, características y el funcionamiento de estos. Para así, al final de la práctica, con el conocimiento adquirido, el estudiante podrá controlar cualquier tipo de motor de pasos, el cual le servirá para futuras prácticas.

Marco Teórico

Un motor paso a paso es aquel que gira un determinado ángulo (paso) cuando se aplican entre los extremos de sus bobinas las tensiones adecuadas. Este tipo de motores gira sólo un paso al aplicar en los extremos de sus bobinas las tensiones fijas adecuadas. El sentido de giro depende de la secuencia de activación de las bobinas que forman el estator del motor. La velocidad de giro depende en este caso de la frecuencia de conmutación de las tensiones en los extremos de dichas bobinas. Se define el ángulo de paso como el ángulo que describe el eje del motor (rotor) al aplicarle un impulso. Puede variar de 1º a 90 º según el motor. En general, los motores paso a paso presentan las siguientes ventajas: -

Insensibilidad a vibraciones y a variaciones de tensión y de temperatura. Movimientos muy precisos. Frecuencia de trabajo variable.

Los motores paso a paso están presentes en multitud de aplicaciones como pueden ser periféricos de computadores (impresoras, discos duros, unidades de discos flexibles, etc.), máquinas herramientas (mesas de control numérico, etc.), etc.

Descripción física de un motor paso a paso El funcionamiento de un motor paso a paso se basa en el hecho de que dos imanes enfrentados tienden a orientarse de forma que el polo norte de uno de ellos esté alineado con el polo sur del otro. En un motor paso a paso el estator está compuesto por varias bobinas de forma que al aplicar tensión a alguna de ellas se crea un campo magnético en su interior, apareciendo en los extremos de la bobina un polo norte y un polo sur (la polaridad de la bobina depende del sentido de circulación de la corriente y del sentido de los devanados).

El eje (rotor) del motor, que está unido a un imán, se alinea con esa bobina de forma que el polo sur del imán se orienta hacia el polo norte de la bobina a la que se está aplicando tensión. La aplicación de tensión a la siguiente bobina producirá el giro del rotor un paso.

El motor que se utiliza en esta práctica es del tipo unipolar, es decir, que sus bobinas tienen una toma intermedia conectada a la tensión de alimentación positiva. Para establecer la circulación de corriente a través de una bobina hay que aplicar una tensión correspondiente a masa en uno de sus extremos. Aplicando dicha tensión al otro extremo de la bobina varía el sentido de circulación de la corriente y con él la alineación del rotor

Existen 2 tipos de Motores paso a paso, de imán permanente y de reluctancia variable, también existen los híbridos pero son combinaciones de los 2 mencionados. Los motores de imán permanente son muy parecidos a motores CD sin escobillas, los bobinados del motor están en el estator, y lo que forma el rotor es un imán permanente. En el caso de los motores de reluctancia variable el rotor es un cilindro sólido hecho de un material magnéticamente blando y mecanizado en forma de dientes. Identificar un motor de reluctancia variable es sencillo, usualmente tienen 3 bobinados, unidos en una terminal la cual generalmente va a la corriente positiva, y para moverlo solo se tienen que energizar en secuencia.

Dentro del tipo de imán permanente cubriremos los más comunes, los unipolares y los bipolares. Ambos cuentan con una ventaja sobre los de reluctancia variable que es el par de detención.

Motores Unipolares

Los motores unipolares tienen un conector central en la bobinas, el cual va conectado usualmente a la corriente positiva, así similarmente como los de reluctancia variable, solo se tiene que seguir una secuencia sencilla para moverlo. Para identificarlos, estos tienen 5 o 6 cables generalmente, y al mover el rotor se siente el imán permanente.

Motores Bipolares Los motores bipolares constan de una construcción más sencilla ya que las bobinas están separadas, esto ofrece un mayor torque que los motores unipolares en incluso en un tamaño más compacto, pero en el control del motor es un poco complejo, ya que se tienen que polarizar las bobinas individualmente. Para esto generalmente se maneja lo que se llama puente H (véase practica #6), 2 para manejar un motor de 4 fases, y así poder manejar la polaridad de las bobinas. Estos motores generalmente tienen 4 cables.

Como se puede observar en la tabla la secuencia se refiere al camino que toma la corriente a través de las bobinas lo cual genera el campo magnético, esto se configurara dependiendo del tipo de secuencia que queremos implementar, ya sea de Onda, Paso completo o Medio paso, en la tabla observamos que esta lleno con datos Booleanos (0 y 1). Los 0 indican por donde no pasa corriente y por ende no genera campo magnético, los valores 1 indican que por esa bobina si se encuentra con un flujo de corriente eléctrica y por lo tanto si genera campo magnético.

Controlador ULN2003 ULN2003 es un alto voltaje y alta gama actual Darlington IC. Contiene siete pares Darlington colector abierto con emisores comunes. Un par Darlington es un arreglo de dos transistores bipolares. ULN2003 pertenece a la familia de la serie ULN200X de los circuitos integrados. Diferentes versiones de esta interfaz familiar a diferentes familias lógicas. ULN2003 es de 5V TTL, dispositivos lógicos CMOS. Estos circuitos integrados se utilizan cuando se conduce una amplia gama de cargas y se utilizan como conductores de relés, controladores de pantalla, los conductores de la línea, etc ULN2003 también se usa comúnmente durante la conducción Motores paso a paso . Consulte interfaz del motor de pasos utilizando ULN2003 . Cada canal o un par darlington ULN2003 en valor nominal es de 500 mA y pueden soportar la corriente máxima de 600 mA. Las entradas y salidas se proporcionan opuestas entre sí en la disposición de pines. Cada conductor también contiene un diodo de supresión para disipar los picos de tensión

durante la conducción de cargas inductivas. El esquema para cada conductor se da a continuación:

Motor paso a paso es una máquina para convertir el pulso al desplazamiento angular. Así que si usted da pasos del conductor una señal de pulso determinado, que impulsará el motor de paso a un cierto ángulo. usted puede controlar el ángulo del paso a paso movido por el número del pulso. Y también se puede controlar la velocidad de la rotación paso a paso por la frecuencia del pulso. La siguiente imagen es el esquema del controlador paso a paso.

La siguiente imagen es la señal de control para conducir un stepper 28BYJ48 para girar 1/4096 círculo. línea

1

2

3

4

5

6

7

8

rojo

1

1

1

1

1

1

1

1

naranja

1

1

0

0

0

0

0

1

amarillo

0

1

1

1

0

0

0

0

rosa

0

0

0

1

1

1

0

0

azul

0

0

0

0

0

1

1

1

Un motor a pasos se define por su voltaje, resistencia y grados por paso o resolución. La resistencia entre los bobinados, es la que determina la velocidad y el torque del motor. Incluso si no están especificados los cables, con un multimetro se pueden identificar por medio de la resistencia. En caso de que la resolución del motor no venga especificada, esta se puede obtener con la siguiente fórmula: Resolución = 360/N Donde N = al número de fases totales.

Listado del Material   

Motor a pasos Unipolar 28BYJ-48 Tarjeta controladora para motor a pasos unipolar Arduino Uno

Datos Técnicos del motor a pasos

Desarrollo 1. Identificar las bobinas del motor, para esto se utilizara un óhmetro. 2. Para esto se definen las posibles relaciones, en el caso de que sea de 6 cables, se tienen 2 ánodos comunes, 1 para cada bobina, estos tienen la mitad de resistencia que la bobina completa. 3. Hacer una tabla con las resistencias obtenidas. 4. Identificar la secuencia del motor. Los ánodos comunes se conectan a la fuente positiva, y con la fuente negativa se prueba cada terminal, esto hace que el rotor gire hacia un sentido. 5. Anotar la secuencia para que el motor gire en el sentido de las manecillas del reloj

6. Montar la tarjeta de transistores la cual se encargará de interpretar las salidas digitales del NI ELVIS (ver tabla 1.2 DO ) y brindarle la corriente necesaria al motor. 7. Manejar el motor de pasos por medio del programa Prac7.vi

Figura 7.5.- Panel Frontal de la practica 7. Descripción de la figura 7.5. 1. Botón para correr el programa. 2. Selección del tipo de paso del motor (Medio o Entero). 3. Selección del sentido de paso (Giro del motor). 4. Control del tiempo de ejecución del ciclo de programación, entre menor sea el tiempo, mayor será la velocidad de las secuencias. La escala esta en milisegundos. 5. Botón de paro del programa. 6. Indicador de las señales de salida (secuencia y velocidad).

Desarrollo Identificar las bobinas del motor, para esto se utilizara un óhmetro, esta parte se debe hacer teniendo una punta en una terminal y la otra punta se pasa a las demás para comparar sus medidas, teniendo un criterio de selección para el motor de pasos que elegimos se llego a la siguiente tabla. Paso

Bobina A

Bobina B

Bobina C

Bobina D

1

1

1

0

0

2 3 4

0 0 1

1 0 0

1 1 0

0 1 1

Para esto se definen las posibles relaciones, en el caso de que sea de 6 cables, se tienen 2 ánodos comunes, 1 para cada bobina, estos tienen la mitad de resistencia que la bobina completa. La siguiente tabla se lleno con las mediciones obtenidas. Color del 1° cable Rojo Rojo Rojo Rojo Cualquier color menos rojo

Color del 2° cable Amarillo Naranja Azul Rosa Cualquier color menos rojo

Resistencia 29 ohms 29 ohms 29 ohms 29 ohms 58 ohms

Antes de realizar la práctica se tuvo que investigar detalladamente el funcionamiento de los motores paso a paso, una vez teniendo la información pasamos trabajar en sus variaciones en dos plataformas, la primera fue la arduino, donde fue más fácil comprender su programación, para luego pasar a labview, donde ya era más reconocido todo. El proceso es color nuestro servo conectado al microcontrolador uln2003 que es un arreglo Darlington y este después lo conectaremos a una fuente de alimentación de 5 a 12 volts y además sacaremos 4 conexiones de cada uno para los respectivos encendidos de las bobinas que determinaran la posición de nuestro motor a pasos.

El código utilizado en arduino fue sacado de la página oficial, donde puedo describir con palabras sencillas que el código ejecuta una serie de prendidos y apagados en los cuatro polos que tiene el motor, así provocando pasos.

Las conexiones del integrado y después ELVIS se muestra en encontrada en la Puedo comentar trabajamos con un entrada en 5V por lo de giro era

motor al al arduino o NI la imagen parte inferior. que nosotros voltaje de que la velocidad pequeña.

Después de haber ejecutado el código, se estuvieron realizando mediciones del tiempo que tardaba en responder el motor y la distancia que este rotaba, o en otras palabras su paso.

La siguiente gráfica muestra el comportamiento en las variaciones del delay o tiempo de espera y velocidad de respuesta a los pasos del motor unipolar. Como se logra apreciar, al disminuir el tiempo de espera a respuesta por parte de la tarjeta arduino se logra aumentar la velocidad a la que dara los pasos el motor. Igualmente como se trabaja con los 5V que entrega la tarjeta arduino no se logra apreciar la velocidad tope que tiene el motor, pero aun asi el torque es potente ya que logro mover estructuras de madera. 25 D e l a y ( m s )

20 15 10 5 0 0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

Velocidad (rad/s)

0.4

0.45

0.5

0.55

Ejercicio opcional Objetivo Hacer un programa el cual controle la velocidad y sentido de giro de un motor paso a paso unipolar.

Introducción Después de conocer el funcionamiento de este motor, se deberá crear una interfaz en labview, en la cual se pueda manipular manualmente la velocidad de giro del motor y el sentido en que deseamos ejecutarlo.

Marco Teórico Panel Frontal Cuando abre un VI nuevo o existente, aparece la ventana del panel frontal del VI. La ventana del panel frontal es la interfaz de usuario para el VI. La Figura 1 muestra un ejemplo de una ventana del panel frontal.

1 Ventana de Panel Frontal

2 Barra de Herramientas

3 Paleta de Controles

Figura 1. Ejemplo de un Panel Frontal

Paleta de Controles La paleta de Controles contiene los controles e indicadores que utiliza para crear el panel frontal. Puede tener acceso a la paleta de Controles de la ventana del panel frontal al seleccionar View»Controls

Palette o al dar clic con botón derecho en cualquier espacio en blanco en la ventana del panel frontal. La paleta de Controles está dividida en varias categorías; puede exponer algunas o todas estas categorías para cumplir con sus necesidades. La Figura 2 muestra la paleta de Controles con todas las categorías expuestas y la categoría Moderna expandida.

Figura 2. Paleta de Controles

Controles e Indicadores Cada VI tiene un panel frontal que usted puede diseñar como una interfaz de usuario. Usted también puede usar paneles frontales como una manera para pasar entradas y recibir salidas cuando llama al VI desde otro diagrama de bloques. Usted crea la interfaz de usuario de un VI al colocar controles e indicadores en el panel frontal de un VI. Cuando usted interactúa con un panel frontal como una interfaz de usuario, puede modificar controles para alimentar entradas y ver los resultados en indicadores. Los controles definen las entradas y los indicadores muestran las salidas.

Los controles generalmente son perillas, botones y barras deslizantes. Los controles simulan dispositivos de entrada de instrumentos y suministran datos al diagrama de bloques del VI. Los indicadores generalmente son gráficas, tablas, LEDs y secuencias de estado. Los indicadores simulan dispositivos de salida de instrumentos y muestran los datos que el diagrama de bloques adquiere o genera.

El usuario puede cambiar el valor de entrada para los controles Number of Measurements and Delay (sec). El usuario puede ver el valor generado por el VI en el indicador Temperature Graph. El VI genera los valores para los indicadores basados en el código creado en el diagrama de bloques. Cada control o indicador tiene un tipo de datos asociado con él. Por ejemplo, el slide horizontal Delay (sec) es un tipo de datos numérico. Los tipos de datos utilizados con mayor frecuencia son numéricos, Booleano y cadena de caracteres. Controles e Indicadores Numéricos El tipo de datos numérico pueden representar números de varios tipos como un entero o real. Los dos objetos numéricos comunes son el control numérico y el indicador numérico, como se muestra en la Figura 3. Los objetos como medidores y perillas también representan datos numéricos.

1 Botones de Incremento/Reducción

2 Control Numérico

3 Indicador Numérico

Figura 3. Controles e Indicadores Numéricos Para proporcionar o cambiar valores en un control numérico, haga clic en el botón de incremento y reducción o haga doble clic en el número, introduzca un nuevo número y presione la tecla .

Controles e Indicadores Booleano

El tipo de datos Booleano representa datos que solamente tienen dos estados posibles, como TRUE y FALSE u ON y OFF. Use los controles e indicadores Booleano para proporcionar y visualizar valores Booleano. Los objetos Booleano simulan interruptores, botones y LEDs. El interruptor de encendido vertical y los objetos LED redondos se muestran en la Figura 4.

Figura 4. Controles e Indicadores Booleano Controles e Indicadores de Cadena de Caracteres El tipo de datos cadena de caracteres es una secuencia de caracteres ASCII. Use controles en cadena para recibir texto desde el usuario como una contraseña o nombre de usuario. Use indicadores en cadena para mostrar texto al usuario. Los objetos en cadena más comunes son tablas y cuadros de texto, como se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Controles e Indicadores de Cadena de Caracteres

Resultados El programa se basó en cuanto a uno ya existente, el cual podía controlar los pasos a través de entradas digitales y su respectivo circuito integrado, en este programa solo se agregó un indicador, el cual es capaz de calcular la distancia

radial a la que se encuentra el motor, y en cuanto llegue al inicio este indicador se empezara a llenar de nuevo. Igualmente puedo mencionar que los leds de señales solo nos indican que polos se están activando, y conociendo las combinaciones para hacerlo rotar se podrá apreciar por medio de focos.

Conclusión En la práctica vimos cómo podemos programar el encendido de bobinas para determinar el sentido y la velocidad de giro.

En investigaciones se muestra que los motores a pasos se usan en trabajos donde se requiera de una gran precisión, ya que estos se puede estar diseñados en varios pasos con lo cual el grado de giro aumenta y por lo tanto también aumenta la precisión de posición que puede alcanzar el motor a pasos, estos son muy utilizados en impresoras para mover el papel de la bandeja de entrada, en multifuncionales y en dispositivos donde se requiera de una precisión. También estos tipos de motores tiene una gran fuerza para mover objetos por lo que es muy útil para usarlos como eje giratorio de alguna base, además de que estos pueden girar 360° y cuantas veces sea necesario e incluso se puede cambiar el sentido de giro con el orden de inducido de las bobinas. Tiene un peso muy pequeño en comparación con la fuerza que nos puede proporcionar y son muy accesibles y fáciles de usar.

Bibliografía Manual de prácticas de laboratorio de sensores y actuadores.

Practica No. 7.

http://www-app.etsit.upm.es/departamentos/teat/asignaturas/lab-ingel/motores %20paso%20a%20paso_1def.pdf http://www.engineersgarage.com/electronic-components/uln2003-datasheet http://webs.uvigo.es/mdgomez/SED/practicas/Practica4_motor.pdf http://arduino.cc/es/Tutorial/StepperUnipolar