Electrónica Análoga: Diseño De Cruce Por Cero Y temporizador Con Retardo Al Trabajo. 2011

Informe No 4

Oscar Mauricio Taborda HoyosKarol Antonio Alarcón Sánchez

omtabordah@unal.edu.cokaalarcons@unal.edu.co

Universidad Nacional ( Sede Medellín)AntioquiaGrupo 4

Resumen

La idea principal en esta práctica será aprender a comparar datos teóricos y prácticos donde por medio de un análisis se obtendrán funciones básicas para simular los datos obtenidos y comparándolos posteriormente con los datos medidos experimentalmente en los siguientes diseños: Detector de cruce por cero, temporizador On Delay y Off Delay.

Palabras Claves

Detector de cruce por cero, frecuencia industrial, temporizador On Delay y temporizador Off Delay.

1. Introducción

Diseñar y montar varios circuitos, estableciendo criterios para la escogencia del voltaje máximo de entrada, con entrada de onda cuadrada y también seno, uno con cruce por cero y otro diferente de cero.

Diseñar un circuito, un temporizador con retardo al trabajo y retardo al reposo, que para un tiempo dado encienda un bombillo de 120 V

2. Criterios de diseño (parámetros) y cálculos teóricos:

2.1. Diseño detector cruce por cero:

Fig1. Detector Cruce por cero

Nuestro diseño tiene los siguientes parámetros:

Fuentes de entrada tipo seno y frecuencia f=60Hz

IV5I=IV6I= 10V

El voltaje de polarización Vpol=+10V, se escoge además R1 y R2 diferentes para que la suma de los voltajes de entrada no sea 0V, R1=30 kΩ, R2=10 kΩ

Ahora se realiza un análisis en el dominio de la frecuencia para hallar V02:

Si RCs<<<1, entonces tenemos que

Que pasando al dominio del tiempo se tiene

Pero como RC<<<1, como

Entonces

Nuestro T=1 / f =16.67ms, luego tomando un C=10nF y R=R3=10 kΩ,

Además, V01=10V y V02 = 0V

Simulación Detector Cruce por Cero:

Time

0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms 45ms 50msV(V01) V(V02) V(Vi)

-20V

-10V

0V

10V

20V

Graficas obtenidas en el laboratorio:

Cruce por cero con osciloscopio ubicado en entrada del integrado y salida capacitor.

Cruce por cero con osciloscopio en salida del integrado y capacitor.

2.2. Para el temporizador con retardo al trabajo:

En este circuito el amplificador operacional funciona como un comparador sin realimentación, con un capacitor inicialmente descargado, se tiene que las resistencias que van al pin inversor son iguales, las cuales generan un divisor resistivo.

2

6

4 6

*pinv

RV V

R R

En nuestro caso V+ = 10V, R6 = R4 =10kΩ: así que Vpin = 5v, que es el voltaje al cual el capacitor debe superar para que en la salida se obtenga V+.

Para el temporizador con retardo al reposo:

Igualmente se realizan los cálculos para el temporizador con retardo al reposo.

Y el tiempo, se halla mediante la expresión.

RCt

c eVV 1 Para calcular el tiempo de

respuesta de cada temporizador, se parte de la ecuación de carga y descarga del capacitor, además en ambos temporizadores el capacitor C se encuentra inicialmente descargado.

Vc, es el voltaje de la carga del capacitor, V es el voltaje con el cual se esta cargando el capacitor (+V), tomando R de 10KΩ, y C de 100µf.

Para ambos casos (temporizador con retardo al trabajo, y temporizador con retardo al reposo), se necesita que el voltaje en el capacitor (Vc), supere el voltaje del pin contrario al cual se conecta el capacitor, y para ello que se tome cierto tiempo.

Para el temporizador con retardo al trabajo, Vc

es el voltaje asociado al pin no inversor, como inicialmente el capacitor se encuentra descargado, el voltaje del pin inversor es mayor que el voltaje del pin no inversor.

U 2 A

L M 3 2 4

1

3

2

411

O U T

+

-

V+V-

R 4

1 0 k

R 8

3 3 0

R 5

1 0 k

V

V 31 2 V d c

U 3

TO P E N = 0

12

0

R 6

1 0 k

C 2

2 2 0 0 u

El amplificador funciona como un comparador, se tiene que el voltaje de salida del circuito es –Vsat, así en la salida se tendrá 0V; el capacitor se va cargando y en el momento, en que el voltaje del capacitor supere al voltaje del pin inversor, se tiene que la salida del circuito será +Vsat.

Ahora para el temporizador con retardo al reposo se tiene, Vc es el voltaje asociado al pin inversor, como inicialmente el capacitor se encuentra descargado, el voltaje del pin no inversor es mayor que el voltaje del pin inversor.

U 2 A

L M 3 2 4

1

3

2

411

O U T

+

-

V+

V-

R 4

1 0 k

R 8

3 3 0

R 5

1 0 k

V

V 31 2 V d c

U 3

TO P E N = 0

12

0

R 6

1 0 k

C 2

2 2 0 0 u

Ante dicha relación se tiene que el voltaje de salida del circuito es +Vsat, así en la salida se tendrá +Vsat o sea 10V; el capacitor se va cargando y en el momento, en que el voltaje del capacitor supere al voltaje del pin no inversor, se tiene que el voltaje de salida será 0V.

Para ambas configuraciones:

Como R1 y R2 Poseen igual valor, entonces:

2Sat

c

VV

Remplazando en la ecuación de carga y descarga del capacitor. Se tiene:

RCt

SatSat eVV

12

Tomando un valor comercial de C = 100 uF, con R = 10k, se tiene que le tiempo del temporizador es t = 4 s.

A la salida se debe conectar un relé conectado al bombillo, este se alimentaran con la fuente AC de la mesa de 110 V

Simulacion del temporizador.

Temporizador con off-delay:

Time

10s 11s 12s 13s 14s 15s 16s 17s 18s 19s 20sV(R8:2)

0V

4V

8V

12V

Grafica obtenida en el laboratorio:

Tabla de resultados

Temporizador

Tiempo promedio on delay

Tiempo promedio off delay

Simulación

en Pspice 4 s 4 s

Teórico ( = RC)

4 s 4 s

Practica de

Laboratorio (promedio)

4.5 s 5 s

Cruce por cero

Amplitud del voltaje de salida (V) (onda cuadrada)

amplitud del voltaje del condensador (V)

Simulación

en Pspice

10 18

Practica de

Laboratorio 9

+15

-17

Teórico 10 18

Análisis de Resultados

En la práctica de cruce por cero, observamos que hubo una pequeña variación en el voltaje positivo y negativo del condensador. Esto se debe a que los pines inversor y no inversor no son simétricos electrónicamente, es decir, su fabricación no es exactamente igual.

En la tabla de resultados puede verse que los tiempos promedios de retardo al trabajo y al reposo obtenidos experimentalmente son cercanos a los que arroja pspice y al RC obtenido teóricamente del circuito.

4

Causas de Error

En la práctica del temporizador, la velocidad de reacción de quien manipula el cronómetro para la medición de tiempos de retardo al trabajo y al reposo.

Las resistencias y los capacitores tienen una tolerancia respecto al valor que se lee en ellos.

Errores de apreciación al leer valores en el osciloscopio.

Los pines inversor y no inversor de un amplificador operacional real no son simétricos electrónicamente.

Conclusiones y Recomendaciones

En la práctica de cruce por cero, observamos que en efecto, cuando hay una diferencia de potencial entre el pin inversor y no inversor el amplificador se satura. Esto hace que el sistema se comporte como un comparador.

El temporizador on delay y off delay se comporta como tal debido al tiempo de carga del capacitor. El tiempo de retardo al trabajo o al reposo depende de los valores RC en la rama donde está el capacitor, es más, dicho tiempo en ambas configuraciones es directamente proporcional a RC.

El temporizador on delay es tal debido a que el capacitor en DC se comporta como un circuito abierto, pero en el transitorio (antes de cargarse completamente) este se toma unos segundos para cargarse, haciendo que el voltaje del pin no inversor con respecto al del inversor sea cada vez más cercano (iniciando con más voltaje el inversor, el amplificador en –Vsat y el LED en estado OFF). Cuando el potencial del pin no inversor supera al del inversor, el amplificador se satura, haciendo que el LED quede en estado ON. Así el trabajo se retardó unos segundos.

El temporizador off delay es tal debido a que el capacitor en DC se comporta como un circuito abierto, pero en el transitorio (antes de cargarse completamente) este se toma unos segundos para cargarse, haciendo que el voltaje del pin inversor con respecto al del no inversor sea cada vez más cercano (iniciando con más voltaje el no inversor, el amplificador en +Vsat y el LED en estdo ON). Cuando el potencial del pin inversor supera al del no inversor, el amplificador se satura en -Vsat, haciendo que el LED quede en estado OFF. Así el reposo se retardó unos segundos.

Para que se pueda realizar mediciones de tiempo en segundos en cualquiera de los temporizadores trabajados, se recomienda el uso de capacitancias grandes, mayores a 10 F y resistencias grandes, de

manera que el producto RC de en segundos. Esto porque mientras más capacitancia, más tiempo se tomará el capacitor para cargarse completamente, y a su vez una resistencia grande limitará el paso de cargas al condensador, haciendo que los tiempos sean más grandes, y por ende, medibles por una persona.