EX 7 COMPONENTS I CIRCUITS (GRUP 1AT3) G________

Després d’estudiar el tema de circuits amb capacitats i inductàncies i completar aquesta tasca, heu de ser capaços de (marqueu tots els ítems que calgui):

Resoldre l’equació diferencial de primer ordre associada a un circuit de càrrega i descàrrega d’un condensador o una bobina a través d’un circuit resistiu

Analitzar circuits amb R i C usant condicions inicials i finals i aplicant el principi que la tensió en un condensador no pot variar bruscament

Analitzar circuits amb R i L usant condicions inicials i finals i aplicant el principi que el corrent en una inductància no pot variar bruscament

Realitzar interruptors electrònics amb transistors treballant en tall (obert) i en saturació (tancat)

Usar el Proteus, amb generador de funcions, oscil·loscopi per simular el funcionament de circuits amb bobines i capacitats

Dissenyar una sonda activa per mesurar i visualitzar corrents amb l’oscil·loscopi

Explicar el principi de funcionament i dissenyar temporitzadors (timers) analògics amb AO

Explicar el principi de funcionament i dissenyar temporitzadors (timers) amb 555 i amb 74123/122

Explicar el principi de funcionament i dissenyar circuits oscil·ladors d’ona quadrada amb AO o amb 555

Cercar kits comercials d’aplicacions no lineals basades amb AO

Documentar l’exercici de CiC usant els criteris de qualitat donats:

http://epsc.upc.edu/projectes/ed/unitats/unitat_1_1/Criteris_Correccio_Exercici.pdf

Treballar en cooperació amb els altres 2 companys de grup usant la metodologia descrita:

http://epsc.upc.edu/projectes/ed/problemes/metode_resolucio_cooperativa_recomanat.pdf

Escriviu les qüestions o els dubtes més significatius que heu tingut mentre resolíeu l’exercici, o bé una vegada l’heu acabat:

-

-

-

-

-

1

-

-

-

-

DECLARACIÓ:

La meva signatura a sota indica que jo: (1) he contribuït raonablement i equitativament a la solució de l’EX 7 com a membre del grup; (2) he llegit i estic completament d’acord amb el contingut (per exemple, resultats, conclusions, anàlisis, simulacions, muntatges, etc.) descrit en el document; i (3) reconec amb el nom qualsevol altre persona de fora de classe o d’un altre grup cooperatiu que ens hagi ajudat a completar l’exercici.

Data d’avui: __________________

Membres del grup actius Roles: (reporter, simulador, muntador, etc.)

(1) ___________________________ _______________

(2) __________________________ _______________

(3) ___________________________ _______________

Reconeixement de les persones o grups que han assistit aquest grup a completar el document:

(1) _______________________

(2) _______________________

Temps d’estudi

(en hores)

En grup Sessions TGA, TGB

Sessions TGC

Individual Estudiant 1

Estudiant 2

Estudiant 3

2

Circuits amb R i C : Ep !! equacions diferencials de primer ordre !

(No hem de patir, sempre serà la mateixa, i quan l’haguem resolta l’aplicarem una vegada i una altre la fórmula)

En aquest exercici treballarem diversos circuit pràctics que permeten verificar com funcionen els circuits amb bobines i condensadors. Tot i que ens centrarem bàsicament en circuit regits per una equació diferencial de primer ordre, és a dir, circuits que solament tenen, en un instant de temps donat, un condensador o un bobina en sèrie o paral·lel amb elements resistius.

L’anàlisi dels circuits serà més entretingut que amb els circuits anteriors amb resistències i AO. Tot i que intentarem modificar i reduir convenientment el circuit a analitzar en cadascun dels trams de temps per tal que puguem aplicar una vegada i una altre l’equació de càrrega i descàrrega d’un condensador o d’una bobina.

El simulador, una vegada més, ens serà de gran ajuda per determinar si és que els circuits que hem calculat han de funcionar tal com hem previst abans de muntar-los al laboratori. Veureu que la simulació gràfica del Proteus activada amb la barra espaiadora, en lloc de la interactiva, és també molt important per veure com funcionen els circuits.

Pel que fa a la part de pràctiques, aprofitarem per veure com es localitzen en els datasheets les característiques dels transistors que ens permeten polaritzar-los en tall (interruptor obert) i en saturació (interruptor tancat)

Així mateix, muntarem circuits amb capacitats o inductàncies en què també intervenen amplificadors operacionals. Per exemple: 1) com a comparadors, per poder realitzar circuits temporitzadors (timer) i oscil·ladors d’ona quadrada o rectangular (clock); 2) com amplificadors, per a poder mesurar i observar a l’oscil·loscopi com és el corrent en una capacitat o inductància .

A partir d’aquest exercici, ja ens queda únicament la proposta, disseny i muntatge d’algun projecte pràctic en què podreu usar, entre d’altres, els circuits que hem après durant tot el curs.

Part A) Càrrega i descàrrega de capacitats C

La Fig. 1 mostra el circuit bàsic de càrrega i descàrrega d’un condensador a través de resistències.

3

1. Apunteu la solució de l’equació diferencial que governa el funcionament d’un circuit RC.

2. Obteniu les formes d’ona del circuit per Vc(t), ic(t), si el commutador commuta periòdicament cada TCLK = 10 · d, sent d la constant de temps de descàrrega, que és la més lenta de les dues.

3. Apliqueu les fórmules per determinar en quin instant de temps t0 des de que hem commutat a la posició que s’observa, obtenim el valor de tensió en el condensador que ens indica el voltímetre.

Fig. 1 Circuit bàsic RC

Com farem els interruptors?, (amb transistors!)

La Fig. 2 mostra les característiques típiques d’un transistor de baixa potència NPN tipus BC557. Les d’un transistor dual PNP, son similars amb els valors en negatiu. Així que donarem un cop d’ull a les gràfiques per veure quan: a) està conduint en saturació, és a dir com un interruptor tancat (Vce 0 V) ; i b) quant està tallat sense corrent de col·lector (Ic 0 A) fent d’interruptor obert

Fig. 2 Gràfiques que caracteritzen un transistor NPN BC547

4. Polaritzeu el transistor BC557/559 de la Fig. 3 per tal que funcioni com el que hem analitzat a la Fig. 1. És a dir, calculeu els valors de RB i la tensió de control necessària per tallar i saturar el transistor de forma que es pugui modelitzar com un interruptor.

4

5. Cerqueu el datasheet per trobar l’encapsulat del transistor i determinar quines potes són l’emissor (e), la base (b) i el col·lector (c). Imprimiu-vos, tal com també podeu fer amb els altres xips i components que anem usant, el parell de fulls més significatius del manual i porteu-los al laboratori. Expliqueu com preparareu el generador de funcions del laboratori per tal que us doni l’ona quadrada de control (VCNTL) que és unipolar (0 V ≤ VCNTL ≤ VP ). Expliqueu de quina forma podríem mesurar el corrent en el condensador i veure’n l’evolució temporal en el canal CH2 de l’oscil·loscopi

6. Redissenyeu els valors de R1, R2 i C1 per tal que doni unes formes d’ona similars a les calculades anteriorment, però amb una freqüència de commutació de fCLK = 1 kHz. Munteu el circuit en Proteus i al laboratori per veure si funciona correctament. És a dir, el condensador té temps de carregar-se i descarregar-se completament en cada cicle.

IC=0

VG10V

R1

33k

R212k

RG

50

Q1BC557

RB1.5k

Vcntl

Vc(t)

Vc(t)

Vcntl

C12.2nF Vcntl

Vi(t)

Fig. 3 Circuit amb commutador electrònic basat en transistor treballant en tall o saturació

Recordeu que heu de resoldre sempre qualsevol problema aplicant en mètode de l’assignatura1

Exercici de disseny 1: Temporitzadors analògic de 5 s

Versió amb AO

7. Analitzeu el funcionament del circuit temporitzador amb AO de la Fig. 4 i calculeu-lo per tal que temporitzi 5 s.

1 http://epsc.upc.edu/projectes/ed/CiC_1AT3/info/CiC_1AT3_07-08_Q2_criteris_correccio.pdf 5

RX470k

CX10uF

R21k

Vcc

69%

RV110k

BAT115V

BAT215V

Vcc

Vee

3

21

411

U1:A

TL084

Vee

Vcc

Comparator

R31.5k

D1LED-RED

Q1BC547

R4

1k

Trigger

VccVcc

R1

10

discharger switch

Vc(t)

Vo

Vo

Fig. 4 Circuit temporitzador amb AO

Versió amb 555

8. Analitzeu el funcionament del circuit temporitzador amb AO de la Fig. 5 i calculeu-lo per tal que temporitzi 7,5 s.

VCC

RX

555 Timer delay = K · Rx · Cx

CX

+

R4

DC 7

Q 3

GN

D1

VC

C8

TR2 TH 6

CV5

U1

555

CHIP 555 constant K = 1.1

R215k

RL10k

Vo(t)

Vc(t)

Fig. 5 Circuit temporitzador amb 555

Versió amb 74LS123 /122

9. Analitzeu el funcionament del circuit temporitzador amb AO de la Fig. 6 i calculeu-lo per tal que temporitzi 7,5 s.

6

Fig. 6 Circuit temporitzador amb 74LS122

Exercici de disseny 2: Oscil·lador d’ona quadrada

Versió amb AO

10.Analitzeu el funcionament del circuit oscil·lador amb AO de la Fig. 7 i calculeu-lo per tal que doni una ona quadrada de 12 kHz.

IC=0

CX11uF

BAT315V

BAT415V

Vcc

Vee

3

21

411

U1:A

TL084

Vee

Vcc

Frequency ajust54%

RX110K

Vosc

R3

10k

R4

10k

Vc (0) = 0 V (initial condition to start simulation)

R5

4.7K

Vc(t)

Vr

RL4.7K

Vosc

Fig. 7 Circuit oscil·lador amb AO

Versió amb 555

11.Analitzeu el funcionament del circuit oscil·lador amb 555 de la Fig. 8 i calculeu-lo per tal que doni una ona quadrada de 18 kHz.

7

IC=0

Vosc

Vc(t) RL4.7k

Vcc

RA100

CX4.7uF

+

R4

DC 7

Q 3

GN

D1

VC

C8

TR2 TH 6

CV5

U1

555

C11nF

29%

RB

10k

Vosc

Fig. 8 Circuit oscil·lador amb 555

8

Part B) Càrrega i descàrrega de L

12.La Fig. 9 mostra el clàssic circuit de càrrega i descàrrega d’una bobina.

Fig. 9 Circuit de càrrega i descàrrega d’una bobina

Mesura experimental d’inductàncies

13.Els circuits de primer ordre, ens permeten mesurar experimentalment la constant de temps. Per exemple, si fem commutar a una freqüència adient el circuit de la Fig. 10 podrem determinar el valor de la inductància del bobinat del transformador de 220/12 que ja vam usar per construir el carregador de bateries. A partir aquests valors, podrem modelitzar en Proteus aquest component amb més precisió i obtindrem resultats més semblants a la realitat.

Fig. 10 Circuit per mesurar el valor de la inductància del transformador de 220/12

Part C) Anàlisi d’un projecte (material extra)

La Fig. 12 mostra el diagrama de blocs del circuit electrònic de la Fig. 11. Es tracta d’un projecte en què es pretén fer sonar una alarma quan la porta d’un recinte estigui oberta més de 15 s. Aquest esquema, disponible en aquest enllaç de la web de CiC2, el teniu disponible en Proteus preparat per la simulació i per veure’n els detalls de la figura amb més atenció. Així mateix, per tal que ho veieu i us feu una idea del que anireu aprenent més endavant, per exemple a l’assignatura SED del 2A, teniu el mateix problema solucionat amb un microcontrolador PIC programat en llenguatge C. Un microcontrolador és tot un computador en un sol xip.

Aquest invent, ja es pot considerar com un repàs i ampliació del que hem anat fent fins ara a l’assignatura a través dels diversos exercicis, sobretot es tracta d’una aplicació directa dels circuits RC que heu estudiat abans.

14.Expliqueu que pretén aquest projecte, com funciona i el perquè de cada bloc. Creiem, que és una bona guia del que podeu arribar a muntar després d’haver cursat i estudiat el material d’aquest curs de CiC.

Fig. 11 Exemple de circuit corresponent a un projecte de CiC

Fig. 12 Diagrama de blocs que es dedueix de l’anàlisi del circuit

2 http://epsc.upc.edu/projectes/ed/CiC_1AT31/1AT31.htm#Proj_2 9

15.Com s’han de calcular els elements de cada etapa per aconseguir el propòsit d’activar una alarma si la porta està oberta més temps del previst.

10

COMPONENTS I CIRCUITS (GRUP 1AT3) G________

Pla de treball3 per resoldre l’exercici EX 7

Expliqueu suscintament en aquesta pàgina la manera en què el grup cooperatiu ha organitzat la realització de l’exercici, és a dir, quin ha estat el vostre pla de treball:

de quina forma us heu dividit les tasques per tal que més o menys tots hàgiu treballat un temps semblant,

com us heu organitzat per aprendre el material que han treballat els companys de grup,

què és el que heu fet a classe (TGA), al laboratori (TGB) o bé heu deixat per a la sessió de treball fora de l’horari lectiu (TGC), etc, etc.

Escriviu també quines han estat les vostres opinions o impressions respecte d’aquest exercici, sobre com ha funcionat el treball en grup4, sobre com va l’assignatura, sobre què n’esperàveu, etc. ...

3 Aquesta pàgina s’ha d’afegir obligatòriament signada i complementada al final de l’exercici abans de lliurar-lo, i també podrà formar part de la carpeta de curs de grup.

4 Altres documents similars podeu trobar-los a http://epsc.upc.edu/projectes/ed/unitats/ED_05-06_Q1_Autoavaluacio_Grup_Base.pdf, i http://epsc.upc.edu/projectes/ed/unitats/que_va_malament_al_grup.pdf

11

----------------------------- --------------------------------- -------------------------------------

Nom, data i signatura dels membres actius del grup

12