Circuitos de iluminación

Introducción
El objetivo de la practica es realizar un circuito que controle la iluminación de un conjunto de diodos led, de
modo que aplicando una señal sinusoidal de muy baja frecuencia en la entrada, se enciendan un numero de
led´s proporcional a la amplitud de la misma.
El circuito, una vez montado, deberá simular el comportamiento de los indicadores de volumen de los equipos
de alta fidelidad (vu−metros), en forma de barra luminosa.
Para realizar dicho diseño, además de utilizar los diodos led, empleamos transistores bipolares.
En nuestro caso, hemos utilizado una configuración en emisor común.
Como se puede observar en la Fig.1 nos basamos en un circuito formado por un divisor resistivo, R1 y R2,
que son las encargadas de fijar la tensión de entrada a la que se va a iluminar el led, ya que el transistor no
comienza a conducir si la tensión base−
emisor no es la suficiente para polarizar el diodo que existe entre estos dos terminales (de 0,6 a 0,7V
normalmente).
Aunque pretendemos que la iluminación del led sea repentina (de no luz a luz instantáneamente),y que el
transistor no trabaje la zona en activa, no lo conseguiremos pues, aunque el transistor tiene una beta (ganancia
en corriente) muy grande, del orden de 300, la corriente por la base será progresiva.
Cada led comenzara a iluminar cuando llegue el valor de tensión deseado alcanzando su valor máximo un
voltio más tarde.
Todo el circuito deberá estar alimentado con una fuente de alimentación estabilizada de 12V.
Fig.1 Esquema fundamental
del vu−metro.
1
Especificaciones de diseño
Las especificaciones son las siguientes:
• Tensión de alimentación : 12 V.
• Numero de led´s utilizados : 4 led´s.
• Modo de funcionamiento : en forma de barra luminosa.
• Corriente máxima de iluminación del led : 4 mA.
• Tensión de entrada a la que empezara a iluminarse cada led :
1º− 2 V. 2º− 4 V. 3º− 6 V. 4º− 8 V.
• Tensión máxima de entrada : 12 V
siendo la tensión máxima para que todos los led´s estén a su
luminosidad máxima : 9 V.
Desarrollo de los cálculos
Fuente de alimentación
El transformador suministra 24 V de alterna.
Inicialmente deberemos saber la tensión y la corriente que deberá suministrar en la salida. Para nuestro caso,
la tensión será de 12V=Vz y la corriente será necesario calcularla.
Como en nuestro circuito el numero de led´s iluminados será distinto según la tensión de entrada, la corriente
que deberá suministrar la fuente de alimentación también cambiará, de forma que cuando no hay tensión en la
entrada, no se ilumina ningún led, y la corriente consumida será de 0 o prácticamente 0, y si por el contrario,
la tensión de entrada es máxima, la corriente consumida será máxima, y será la corriente de colector más la
corriente de base de las cuatro etapas :
Imax=[Ic max + [(Vcc − 0.7) / 82K] ] x 4
Imax=[(12 − 0.2−2) / 2700 + [(12 − 0.7) / 82K] ] x 4
Imax=15 mA
Pero para evitar problemas en el funcionamiento del circuito vamos a realizar los cálculos estableciendo una
corriente máxima de 30 mA, de este modo se podría ampliar el circuito con más led´s.
Como para conseguir la tensión requerida partimos de una tensión alterna de 220 V 50 Hz, necesitamos
transformar, rectificar, filtrar y estabilizar la tensión de entrada.
Para transformar, usamos un transformador de tensión, de forma que obtenemos a la salida del mismo 24 V 50
Hz.
Para conseguir una tensión solamente positiva a partir de la alterna, usamos el puente rectificador de onda
completa D1, que para ahorrar espacio, es integrado. Su corriente máxima es de 1 A.
Para filtrar la tensión pulsatoria que obtenemos a la salida del rectificador, es necesario colocar un
2
condensador para obtener una tensión lo más continua posible. Para conseguir esto, es necesario que la
capacidad de ese condensador sea elevada, tanto más grande como menor rizado se desee obtener. El
inconveniente de capacidades grandes es que ocupan un espacio grande, por lo que en nuestro diseño hemos
escogido el valor de 2200 F y 35 V. Además hemos colocado un condensador de 100 nF cerámico para
suprimir transitorios de tensión en la entrada.
Para estabilizar la tensión de la fuente a la tensión requerida de 12 V, es necesario utilizar un circuito
estabilizador de tensión.
Dicho circuito esta formado por una resistencia limitadora y un diodo zener de 12 V polarizado en su codo
inverso.
Hemos medido la tensión de rizado en el condensador de filtro es de 75 mV sobre 22 V, por lo tanto Vcc
max=22.075 y Vcc min=21.925. La corriente máxima y mínima del zener es 55 mA y 1 mA respectivamente.
El valor de la resistencia limitadora se puede calcular a partir de la siguiente formula :
(Vcc max−Vz)/(Iz max+I max) " Rlim " (Vcc min−Vz)/(Iz max+I max)
(22.075−12)/(55mA+30mA) " Rlim " (21.925−12)/(1mA+30mA)
118 ! " Rlim " 321!
Para nuestro caso escogemos una resistencia de 220 !.
La potencia máxima del zener deberá ser :
Pz max=Vz x (Vcc max − Vz) / Rlim = 0.5 W
Y la potencia máxima disipada por la resistencia limitadora será:
P Rlim=(Vcc max − Vz)² / Rlim= 0.45 W
Para asegurar un buen funcionamiento debido al recalentamiento del circuito del circuito, tanto la potencia del
zener como la de Rlim serán de 2 W.
Terminamos el diseño de la fuente colocando un condensador de 100 nF en paralelo con el diodo zener para
filtrar cualquier transitorio que se produzca en la salida de la fuente.
3
Fig. 2 Esquema eléctrico de la fuente de alimentación con
todos los componentes calculados.
Vu−metro
Inicialmente calcularemos las resistencias de colector de los transistores. Hemos escogido transistores tipo
BC547 por su alta ganancia y por que es un transistor apto para aplicaciones generales. En nuestro caso hemos
utilizado cuatro bloques iguales, uno para cada led, y como cada led deberá tener la misma luminosidad, la
resistencia será igual para todos.
Como se puede ver en la Fig.1, el valor de la resistencia de colector viene dado por:
Rc = (Vcc−Vled−Vce) / Iled
Teniendo fijada la corriente por el led en 4 mA, Vled = 2 V y suponiendo que el transistor esta en saturación,
por lo tanto
Vce = 0.2V:
Rc = (12−2−0.2) / 4mA = 2450 " 2K7
En este caso, sabiendo que la ganancia en corriente del transistor ( ) es aproximadamente 300, la corriente
de base mínima para que el transistor esté saturado será:
Ib=Ic / Ic=(12−2−0.2) / 2K7= 3.6mA
Ib = 3.6mA / 300 = 12A
Si por convenio llamamos V− a la tensión de entrada a la que comienza a lucir el led y V+ a la tensión de
entrada a la que el led lucirá con su luminosidad máxima, podemos formular dos ecuaciones con dos
incógnitas para averiguar el valor del divisor de tensión R1 y R2:
Vbe=(V− x R2) / (R1+R2)
Ib + (Vbe / R2)=(V+ −Vbe) / R1
Despejando R1 y R2 obtenemos que :
R1=(V+ −V−) / Ib
R2=[Vbe x (V+ − V−)] / [Ib x (V− − Vbe)]
Si observamos la ecuación 1, como hemos tomado tensiones de entrada (V+ y V−) que difieren 1 V, R1
tomara igual valor para todos los bloques de entrada. Este valor será:
R1=1 / 12A = 83333 " 82K
Los valores que tomaran R2, dependerán de las tensiones de entrada. Estos valores se muestran a
continuación:
Valores de R2 para :
4
2 V 44.5 K " 47 K
4 V 17.5 K " 18 K
6 V 10.9 K " 10K
8 V 7.92 K " 8K2
Todas las resistencias serán de película de carbón de ¼ W.
Para completar el esquema, es necesario unir las cuatro entradas de cada etapa para hacer una entrada común,
y para conseguir que la impedancia de entrada del circuito sea baja, colocamos un amplificador de corriente,
formado por un transistor en colector común.
La entrada, además esta dotada de un diodo que rectifica la señal, el 1n4148 que es un diodo de alta velocidad
de conmutación, y un condensador de pequeño valor (47 nF), que se carga a la tensión de pico, de manera que
no influyan ni las tensiones negativas ni las variaciones excesivamente rápidas de la tensión de entrada. Hay
que decir que este diodo aumenta las tensiones de entrada para la iluminación de cada led en 0.7 V. La Fig. 3
muestra el circuito fundamental del amplificador de corriente.
Fig. 3 Circuito de entrada.
Puesta en funcionamiento
El circuito una vez montado no necesita ningún ajuste. La tensión del transformador 24 V, se conecta a la
entrada del puente rectificador y la señal de entrada a Ve.
La frecuencia de la señal de entrada no debe de superar los 10 Hz, pues a frecuencias mas elevadas no se
aprecia el movimiento de la barra de led´s.
Medidas
Tensión en la salida de la fuente de alimentación : 12.3 V.
Tensión de entrada a la que empieza a iluminarse cada led :
2º− 2.3 V 4º− 4.2 V
5
6º− 6.3 V 8º− 7.4 V
Corriente máxima por cada led : 3.5 mA.
Corriente máxima consumida por el circuito : 19 mA.
Tensión de entrada para que saturen todos los
transistores : 10.2 V.
Indice:
• Introducción.
• Especificaciones de diseño.
• Desarrollo de los cálculos.
−Fuente de alimentación.
−Vúmetro.
• Puesta en funcionamiento.
• Medidas.
• Esquema eléctrico.
• Componentes utilizados.
Componentes utilizados
TIPO
Puente rectificador
Condensador electrolítico
Condensador cerámico
Resistencia
Diodo zener
Diodo LED
Resistencia
Transistores
Resistencia
Resistencia
Resistencia
Resistencia
Resistencia
Condensador
Diodo
Transformador
UNIDADES
1
1
2
1
1
4
4
5
1
1
1
1
4
1
1
1
ESPECIFICACIONES
1A
2200uF / 35V
100nF / 250V
220 Ohmios / 2Watt
12V / 2Watt
2 verdes, 1 amarillo, 1 rojo
2K7 Ohmios / 0.25Watt
BC547B
47K Ohmios / 0.25Watt
18K Ohmios / 0.25Watt
10K Ohmios / 0.25Watt
8K2 Ohmios / 0.25Watt
82K Ohmios / 0.25Watt
47nF / 250V
1N4148
24/12V
6