alarma remota para estación sismológica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
ALARMA REMOTA PARA ESTACIÓN
SISMOLÓGICA
Por:
LUIS FERNANDO BRENES BARRANTES
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
JULIO de 2007
ALARMA REMOTA PARA ESTACIÓN
SISMOLÓGICA
Por:
LUIS FERNANDO BRENES BARRANTES
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. Jaime Allem Flores
Profesor Guía
_________________________________
Ing. Juan Ramón Rodríguez
Profesor lector
_________________________________
Ing. Luis Golcher
Profesor lector
ii
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE FIGURAS.................................................................................... v
ÍNDICE DE TABLAS...................................................................................viii
NOMENCLATURA........................................................................................ix
RESUMEN........................................................................................................ x
CAPÍTULO 1: Introducción ........................................................................... 1
1.1 Objetivos ...................................................................................................... 2
1.1.1Objetivo general .................................................................................. 2
1.1.2Objetivos específicos........................................................................... 2
1.2 Metodología..................................................................................................................3
CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico .................................................................. 5
2.1 Configuración de la red telemétrica: …………………………………5
2.2 Características de las líneas dedicadas y los enlaces de radio……..….5
2.3 El acondicionador : módulo de amplificación y modulador de
señales sísmicas………………………………………………………...6
2.4 Discriminador: módulo demodulador de señales sísmicas…………...7
2.5 Circuitos a realizar…………………………………………...8
2.5.1 Módulo para la estación remota……………………………8
2.5.1.1 Detector de A.C………………………………………….8
2.5.1.2 Generador de tono……………………………………….8
2.5.1.3 Filtro Pasabanda………………………………………..10
2.5.1.4 Circuito detector de C.A. ………………………………11
2.5.1.5 Circuito mezclador……………………………………..12
2.5.1.6 Circuitos de alimentación de poder………………….…13
2.5.2 Módulo para el centro de registro………………………...15
2.5.2.1 Filtro de entrada……………………………………..…15
2.5.2.2 Detector de tono…………………………………..……16
2.5.2.3 Fuente de alimentación…………………………………18
iii
CAPÍTULO 3: Diagramas esquemáticos…………………………………19
3.1 Generador de alarma ……………………………………….19
3.2 Detector de tonos…………………………………………...20
CAPÍTULO 4: Montaje en tarjeta de pruebas; modificaciones ………..22
4.1 Prueba del circuito oscilador……………………………….22
4.2 Prueba del circuito filtro pasabanda y sumador…………….25
4.3 Prueba del circuito detector………………………………...27
CAPÍTULO 5: Circuitos impresos………………………………………..31
5.1 Diseño de los circuitos impresos…………………………...31
5.2 Construcción de los circuitos impresos…………………….36
CAPÍTULO 6: Montaje de los circuitos…………………………………..46
CAPÍTULO 7: Pruebas y mediciones……………………………………..48
CAPÍTULO 8: Conclusiones y recomendaciones ....................................... 50
BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………52
APÉNDICE ..................................................................................................... 53
A1 Lista de equipo…………………………………...…………..…...53
A2 Lista de componentes y materiales…….………….…………...…53
A2.1 Componentes del generador de alarma……...…………...53
A2.2 Componentes del detector………………………………..55
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Diagrama de bloques del circuito a realizar para las estaciones…6
Figura 2.2 Diagrama de bloques del circuito a realizar para el laboratorio….7
Figura 2.3 Diagrama esquemático del oscilador…..........................................9
Figura 2.4 Diagrama esquemático del filtro pasabanda…………………….10
Figura 2.5 Diagrama esquemático del detector de AC………....…………..11
Figura 2.6 Determinación del valor de R14………………………………...12
Figura 2.7 Circuito mezclador y de salida………………………………….13
Figura 2.8 Circuitos de poder módulo generador de alarma………………..14
Figura 2.9 Filtro de entrada para el detector………………………………..16
Figura 2.10 Circuito detector de tono……………………...………………..16
Figura 2.11 Fuente de alimentación del detector de tonos…………………..18
Figura 3.1 Diagrama esquemático del generador de alarma…...…………..19
Figura 3.2 Diagrama esquemático del circuito detector de tonos……...…..20
Figura 4.1 Circuito Oscilador………………………...…………………….22
Figura 4.2 Montaje de prueba del circuito filtro pasabanda y sumador…....25
Figura 4.3 Circuito detector………………………...……………………...27
Figura 4.4 Diagrama esquemático final del circuito detector…………..…29
Figura 4.5 Diagrama esquemático final del circuito oscilador………..……30
Figura 5.1 Ubicación de componentes e interconexiones en un circuito
impreso……………...…………………………………………...32
Figura 5.2 Pruebas del “auto trace” del circuito impreso…….…………..…33
v
Figura 5.3 Conexiones imposibles de realizar por el programa…...……..…34
Figura 5.4 Circuito Impreso de dos caras……..………………………….....35
Figura 5.5 Circuito impreso final del módulo detecto de tonos…………….36
Figura 5.6 Tarjeta “virgen” y diseños de impresos…...……………………37
Figura 5.7 Cortado de tarjeta para impresos…......………………………...37
Figura 5.8 Afinado de los bordes de las tarjetas……..…………………….38
Figura 5.9 Tarjetas con el diseño del impreso adherido……..…………….38
Figura 5.10 Perforación de las tarjetas…….…….………………………….39
Figura 5.11 Tarjeta perforada con el diseño…….………………………….40
Figura 5.12 Tarjetas perforadas…………………………………………….40
Figura 5.13 Circuito Impreso visto por la cara de soldadura……………….41
Figura 5.14 Circuito Impreso dibujado con “masking tape”………………..42
Figura 5.15 Circuito Impreso sumergido en percloruro de hierro sobre
un viejo Tocadiscos……………………………………………43
Figura 5.16 Tarjeta con el cobre excedente retirado………………………..43
Figura 5.17 Tarjeta de impreso lavada luego del percloruro……………….44
Figura 5.18 Tarjeta de impreso al retirarle el “masking tape”……….……..44
Figura 5.19 Tarjeta de circuito impreso pulida……………………………..45
Figura 6.1 Módulo detector de tonos ensamblado………………………...46
Figura 6.2 Módulo generador de alarma ensamblado……………………..47
Figura 7.1 Led indicador de 3300Hz…………...………………………….48
Figura 7.2 Led indicador de 3450Hz……...……………………………….48
Figura 7.3 Led indicador de 3600Hz………………...…………………….49
Figura 7.4 Led indicador de 3750Hz……………………………...……….49
vi
Figura 8.1 Condiciones para solicitar la construcción de impresos….........51
vii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 4.1 Valores de frecuencia según resistencia…………………………24
Tabla 4.2 Valores de frecuencia ante variaciones en la alimentación...........25
Tabla 4.3 Prueba de respuesta del detector de tono…………………...........28
viii
NOMENCLATURA
AC
Corriente alterna
PLL
Lazos enganchados por fase
CMOS
Semiconductor complementario de oxido metálico
FACTOR Q
Factor de calidad de un filtro, relaciona el ancho de banda y
la frecuencia central
LED
Diodo emisor de luz
RMS
Valor efectivo
ix
RESUMEN
El presente proyecto es una colaboración de la Escuela de Ingeniería Eléctrica para
la Escuela de Geología con miras a evitar la pérdida de datos sísmicos originada en la falta
de energía eléctrica.
Se propuso entonces la realización de una alarma que detectara la falla eléctrica y
enviara hasta el centro de registro una señal de alerta, para ello se analizó la configuración
de la red telemétrica para poder traer hasta el centro de registro dicha alerta .
Se procedió a desarrollar dos circuitos; uno para enviar la alerta y otro para
detectarla, para todo el diseño de circuitos esquemáticos e impresos se utilizaron
herramientas informáticas que redujeron sustancialmente el trabajo, para la elaboración del
circuito impreso se utilizó una técnica artesanal, no obstante se tuvo presente que esta etapa
puede ser comprada a un proveedor pero a un costo elevado.
A pesar de que se trata de una aplicación específica se considera una enriquecedora
experiencia porque son técnicas que se pueden aplicar a una gran variedad de situaciones en
un mercado que cada día requiere más soluciones de profesionales en ingeniería eléctrica,
se demuestra que es totalmente factible pasar de un diseño en una tarjeta de pruebas a una
aplicación real.
x
CAPÍTULO 1: Introducción
La Escuela de Geología de la Universidad de Costa Rica opera una red de
estaciones sismológicas a lo largo y ancho de país, algunas de ellas se alimentan de energía
solar mediante paneles solares y las demás utilizan alimentación alterna comercial (A.C.).
En los sitios de alimentación A.C. se suelen presentar problemas como árboles que
caen y cortan los cables de acometida, robo de los mismos, fusibles quemados y hasta
cuchillas desconectadas, que hacen que se pierda la alimentación eléctrica de la estación.
Para prevenir los cortes eléctricos cada estación cuenta con una batería que le da
autonomía por más de tres semanas, por lo que cuando se dan situaciones, como las
indicadas en el párrafo anterior, no sea posible detectarlas hasta varias semanas después
cuando deja de operar la estación, con la consecuente pérdida de datos sísmicos
irrecuperables.
Ante este problema de la Escuela de Geología nace la idea de realizar un proyecto
de graduación de la Escuela de Ingeniería Eléctrica que permita al personal del laboratorio
de sismología actuar lo más pronto para evitar la pérdida de los datos sísmicos.
El proyecto consiste en el y construcción de una alarma que indicará la existencia
del problema con la alimentación y así programar una visita al campo antes de que se agote
1
la carga de la batería, evitándose de esta manera la pérdida de la valiosa e irrecuperable
información sísmica.
Esta alarma detecta la falta de alimentación A.C., genera un tono de audio en una
frecuencia que no afecte la portadora de la señal sísmica, lo suma a dicha portadora y lo
envía por medio de la telemetría –radio o línea telefónica dedicada- hasta el laboratorio de
sismología donde un led encendido será el indicador del problema en la estación.
1.1
Objetivos
1.1.1 Objetivo general
Realización de una alarma remota para estaciones sismológicas
1.1.2 Objetivos específicos
1.1.2.1 Diseño y construcción de un circuito detector de corriente alterna
1.1.2.2 Diseño y construcción de un circuito capaz de producir una portadora de
audio y mezclarla con la portadora de la estación
1.1.2.3 Diseño y construcción de un circuito detector de la portadora de audio de la
alarma con indicador de diodo led.
2
1.2
Metodología
Análisis del problema y definición de especificaciones del circuito.
Diseño preliminar
Diseño esquemático mediante software.
Comprobación en tarjeta de pruebas y posibles cambios
Diseño del circuito impreso mediante software
Para llevar a cabo estas etapas se hará uso de tres programas:
Filter Pro Version 2.00.001; Filter Design Program
Copyright 2001-2006 Texas Instruments Inc.
http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/filter-designer.html
Dip Trace Version 1.30 Freeware Edition Build March 19, 2007 Copyright (C) 2007
Novarm Limited
http://www.diptrace.com/download.php
Pad2Pad Version1.7.3 Build #3961. Date11/07/2006 Copyright (C) 2006
http://www.pad2pad.com/download/index.htm
3
Con el primero se diseñarán los filtros, el segundo se usará para dibujar los
diagramas esquemáticos y con el tercero se trazarán los circuitos impresos.
En el diseño se procurará utilizar componentes que puedan ser adquiridos en el
mercado nacional, sin embargo, de ser necesario se comprarán en el mercado de Estados
Unidos por medio de Internet.
Una vez hecho el diseño se procederá a la prueba en el módulo de ensayos
“protoboard” y una vez que esta prueba sea superada se procederá a la construcción de los
circuitos impresos para el montaje final.
Para elaborar los impresos se utilizará una técnica en la cual una vez diseñado el
circuito impreso se perfora la tarjeta, que tiene una de sus caras totalmente recubierta de
cobre, luego con cinta de enmascarar “masking tape” se dibuja el impreso en la cara de
cobre y se coloca en una solución de percloruro de hierro el tiempo necesario para que
desaparezca el cobre descubierto de la tarjeta.
4
CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico
Para la realización de la alarma se debe tener en cuenta las características
telemétricas de la red, para ello se analizarán los aspectos que tienen que ver con la misma.
2.1 CONFIGURACION DE LA RED TELEMÉTRICA:
Se cuenta con varios tipos de arreglos de líneas dedicadas y enlaces de radio para hacer
llegar hasta el campus Rodrigo Facio las señales de todas las estaciones que hay en el país,
el caso más simple es cuando una línea o enlace es solo para una estación y el más
complejo es el caso cuando se coloca la señal de cuatro estaciones en una sola línea o
enlace de radio. Como se verá el sistema tiene capacidad de colocar hasta ocho señales en
una sola línea pero para reducir la posibilidad de interferencias se coloca hasta un máximo
de cuatro señales con las portadoras separadas de una de por medio.
2.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS LÍNEAS DEDICADAS Y LOS ENLACES DE
RADIO:
La respuesta de frecuencia de las líneas dedicadas y de los enlaces de radio tienen
cualidades muy similares, ambas van de los 300 hasta los 3800 hercios, los equipos de
telemetría utilizados tienen ocho frecuencias centrales de operación a saber: 680, 1020,
1360, 1700, 2040, 2380, 2720 y 3060 hercios, en cada caso la modulación de frecuencia
5
provoca excursiones de ±125 hercios por tanto el ancho de banda total utilizado es desde
555 hasta 3185 hercios.
2.3 El ACONDICIONADOR : MÓDULO DE AMPLIFICACIÒN Y MODULADOR
DE SEÑALES SÍSMICAS
Este módulo se encarga de amplificar y filtrar la señal proveniente del sensor, para
luego modularla en frecuencia sobre un tono de audio.
Para la alarma se requiere que el circuito a construir genere un tono que no interfiera
con la portadora existente para mezclarlo y ponerlo sobre la telemetría, este tono debe ser
transmitido solo en el caso de la pérdida de la alimentación A.C.
La siguiente figura corresponde al diagrama de bloques del circuito que se ubicará
en la estación en el campo
Detector
De
A.C.
Generador
De tono de
audio
Mezclador
Telemetría
( Equipo
Existente )
Acondicionador, VCO
(Equipo existente)
Figura 2.1 Diagrama de bloques del circuito a realizar para las estaciones
6
2.4 El
DISCRIMINADOR:
MÓDULO
DEMODULADOR
DE
SEÑALES
SÍSMICAS: Este módulo extrae la señal sísmica que viene modulada a partir de una
frecuencia central, para ello cada discriminador tiene un filtro de entrada que le permite
separar su correspondiente portadora, con su correspondiente ancho de banda, de todo
el grupo en que puede venir.
Ahora bien, como el ancho de banda de cada portadora es 250 hercios y la
separación entre portadoras es 340 hercios entonces se pueden colocar otras portadoras a
partir de los 3300 hercios sin peligro de afectar las portadoras sísmicas.
En la figura Nº 2.2 se tiene el diagrama de bloques del circuito detector que
se ubica en el centro de registro
Telemetría
( Equipo
Existente )
Discriminadores
(Equipo
existente)
Registradores
(Equipo
existente)
Detector
de tono
Filtro
Indicador
Led
Figura 2.2 Diagrama de bloques del circuito a realizar para el laboratorio
7
2.5 Circuitos a realizar
A continuación se desarrollará el marco teórico de los módulos a construir
2.5.1 Módulo para la estación remota
Este módulo consta de varias etapas que se describirán a continuación:
2.5.1.1Detector de A.C.
Inicialmente se pensó en realizar una fuente de poder que sirviera para determinar la
falta de electricidad, pero finalmente se optó por extraer dicha muestra de voltaje de la
etapa de filtrado de la fuente de poder que alimenta la estación con las ventajas de que
además permitirá dar la alarma ante problemas de la fuente de alimentación como fusible,
transformador, rectificación y filtrado.
2.5.1.2 Generador de tono
El generador consta de dos partes: la primera que es un oscilador de onda cuadrada
y la segunda que es un filtro que se encarga de dejar pasar solo la componente principal del
tono generado.
Para el generador de tono se pensó inicialmente en utilizar un circuito integrado
LM566 pero debido a que este circuito ocupa polarización positiva y negativa, además, el
voltaje mínimo de operación es de 10 voltios y su frecuencia de salida se ve afectada por
este voltaje lo que hace que su frecuencia se pueda variar conforme se va descargando la
batería. Luego se pensó en el LM567 pero este circuito opera con 5 voltios lo cual está bien
pero su salida debe ser acoplada a un filtro pasabanda con el problema de las diferencias en
corriente directa entre esta salida y la entrada del filtro.
8
Finalmente se optó por un PLL CMOS, el CD4047 con una alimentación de 9
voltios, y, para el filtro se requiere alimentación positiva y negativa lo que se consigue con
un divisor de voltaje a la mitad con un seguidor de voltaje basado en un circuito
operacional.
De los datos suministrados por el fabricante tenemos el siguiente diagrama
esquemático
Figura Nº 2.3 Diagrama esquemático del oscilador
9
Para determinar los valores de los componentes necesarios no hay una fórmula
explícita por lo que se hará por tanteo.
2.5.1.3 Filtro Pasabanda
Para diseñar el filtro se utilizó el programa de la Texas Instruments “Filter Pro” y
luego de suministrar los datos de factor “Q”: 12, frecuencia central: 3450 Hz: tipo
pasabanda y finalmente impedancia de entrada: 10KΩ se obtuvo el siguiente circuito:
Figura Nº 2.4 Diagrama esquemático del filtro pasabanda
10
2.5.1.4 Circuito detector de C. A.
La muestra que se extrae de la fuente de poder se aplica a la base de un transistor y
hace que éste se mantenga saturado y así se cortocircuite el tono antes de entrar al filtro de
esta manera cuando se pierda la alimentación el tono pasa al filtro y luego al mezclador y
así a la telemetría.
Figura 2.5 Diagrama esquemático del detector de AC
El diodo D2 previene la polarización inversa de la unión emisor-base del transistor,
las resistencias R14 y R15 dan la polarización de la base para conseguir el estado de
saturación del transistor que es un tipo darlington para garantizar esa saturación.
11
Para determinar los valores ambas resistencias se tomó en cuenta lo siguiente:
extraer una corriente de 2mA de la fuente y establecer el valor de 2KΩ para R15 que es
bajo y así evitar que el circuito pueda verse afectado por algún ruido (interferencia), con
estas dos condiciones entonces se tiene que el valor de R14 es:
Figura Nº 2.6 Determinación del valor de R14
R14 = 18v – 5.9v = 12.1v = 6050 Ω
2 mA
2 mA
(2.5-1)
Se utilizará el valor comercial de 6.2 KΩ
2.5.1.5 Circuito mezclador
Este circuito se encarga de tomar la señal proveniente del acondicionador y
mezclarla con la producida por la alarma y colocarla en la telemetría ya sea por radio o
línea telefónica, para este caso se requiere del acople por transformador, por ejemplo el
12
SP67 de la marca Triad Magnetics cuyo costo es de USD 15.94, para el caso de telemetría
por radio se coloca un capacitor de 100µF en 25v para realizar dicho acople.
A continuación reencuentra el esquema de dicho circuito, los valores de las
resistencias se escogieron de manera que ganancia de 2.14 permitiendo ajustar el la mezcla
de ambas señales. Mediante el potenciómetro VR1 se ajusta el nivel de la alarma y en el
acondicionador existe otro control similar.
Figura Nº 2.7 Circuito mezclador y de salida
13
2.5.1.6 Circuitos de alimentación de poder
Existen dos circuitos de poder, el primero obtiene 9V a partir de los 13.2v que
alimentan la estación y el segundo produce un voltaje a la mitad de la alimentación, en este
caso 4.5V, para los amplificadores operacionales.
Figura Nº 2.8 Circuitos de poder módulo generador de alarma
Para determinar el valor de R13 se tiene lo siguiente la corriente de base es
despreciable, la corriente del diodo zener será el 10 % de la máxima determinada por su
especificación de potencia:
Iz. = 0.10 * 0.5 w = 5.0 mA
10 v
(2.5-2)
El valor de la resistencia es:
R13 = 3.2 V = 640 Ω
0.005 A
14
(2.5-3)
La potencia de la resistencia será 4 veces la potencia disipada:
Pot. R13 = 4 * (0.005 A)2 * 640 = 64 mW
(2.5-4)
Se opta por un valor comercial del mercado local: 620 Ω / 1W
La otra parte de la alimentación consiste en un divisor de voltaje simétrico, R11 y
R12 con un capacitor de desacople y un seguidor de voltaje de ganancia unitaria, sección D
del circuito integrado TL084
2.5.2 Módulo para el centro de registro
Este módulo debe separar las portadoras de las alarmas de las demás señales
presentes en determinado enlace de radio o línea telefónica dedicada y activar el
correspondiente led en caso de estar la (s) alarma (s) activada (s), para ello cuenta con un
filtro pasabanda de dos polos a la entrada con y los detectores de tono.
2.5.2.1 Filtro de entrada
El filtro de entrada consiste en el mismo filtro pasabanda que se usa para el
oscilador con un potenciómetro de 10KΩ a la entrada para ajustar la salida del filtro a los
niveles que requieren los detectores de tono y un capacitor de 100µF para enlaces de radio
o un transformador para líneas telefónicas dedicadas.
En la siguiente figura se encuentra el esquema de esta parte del módulo detector.
15
Figura Nº 2.9 Filtro de entrada para el detector
2.5.2.2 Detector de tono
Esta parte consiste de cuatro circuitos idénticos que se ajustan para poder encender
leds según las frecuencias que se les aplicarán
Figura Nº 2.10 Circuito detector de tono
16
Para determinar los valores de los componentes se recurrió a la hoja de datos del
fabricante de donde se obtienen las siguientes fórmulas:
F0 ≈ 1 / (1.1 * Rpin6 * Cpin6 )
Ancho banda = 1070 * √ (Vi/Cpin2 * F0)
(2.5.5)
(2.5.6)
Con Vi menor a 200mV RMS, Cpin es µF. y ancho banda en % de F0
Cpin6 se fijo en 47 nF, haciendo uso de la ecuación (2.5.5) y tomando en cuenta que
interesa detectar tonos entre 3300 Hz y 3800 Hz tenemos que:
3300 ≈ 1/ (1.1 * Ra * 47 nF) » Ra ≈ 5860 Ω
(2.5.7)
3800 ≈ 1/ (1.1 * Rb * 47 nF) » Rb ≈ 5090 Ω
(2.5.8)
Se puede hacer una combinación serie de una resistencia fija de 5.1 KΩ con un
potenciómetro de 1 KΩ.
Para determinar el valor de Cpin2 se usa (2.5.6) con un valor de Vi = 100 mV y ancho
de banda de 2 %
2 = 1070 * √ (.1/Cpin2 * 3475) » Cpin2 = 8.23 µF
(2.5.6)
Se usará un valor comercial de 10µF que representa 2.2 %.
Para la resistencia del led se tiene que
R=V/I
(2.5.7)
Donde V = 5v - Vled; Vled =1.85 v; I es la corriente del led en este caso 10 mA
R = 3.15 / 0.10 = 315 Ω
Se usará un valor comercial de 330 Ω
Para la potencia de la resistencia del led se tiene que
17
(2.5.8)
W = 4 * V2 / R
(2.5.9)
W = 4 * 3.15 2 / 330 = 0.12
(2.5.10)
Donde V es el voltaje en la resistencia
Se puede usará un valor comercial de ½ vatio
Los demás valores se toman de la hoja de datos del fabricante directamente.
2.5.2.3 Fuente de alimentación
Para los componentes de este módulo se requieren tres voltajes: +9v, -9v, +5v, estos
se obtienen con reguladores de 1 A a partir de los +13.2v y -13.2v existentes en el centro
de registro, dada la poca carga que representa el módulo no se utilizarán disipadores de
calor para los reguladores.
Figura Nº 2.11 Fuente de alimentación del detector de tonos
18
CAPÍTULO 3: Diagramas esquemáticos
Una vez realizados todos los cálculos se procede reunir las partes para tener dos
diagramas esquemáticos, uno del detector de tonos y el generador de la alarma
3.1 Generador de alarma
Este circuito se debe ajustar de la siguiente manera:
1-Con un contador de frecuencia en el pin 11 del U1 ajusta U5 para obtener la frecuencia
deseada.
2-Con un multiprobador en VAC en pin 8 del U2 se ajustan VR1 para 0.5 V RMS y el
control del acondicionador para un total de 1V RMS
Figura Nº 3.1 Diagrama esquemático del generador de alarma
19
3.2 Detector de tonos
Este circuito se debe ajustar de la siguiente manera
1- Sin aplicar señal se ajustan los potenciómetros RV2, RV3, RV4 y RV5 para tener
las frecuencias 3300Hz, 3450Hz, 3600Hz y 3750Hz en los pines 6 de los U15, U37,
U16 y U17 respectivamente.
2- Aplicando una frecuencia de 3300 Hz con amplitud de 1 V RMS a la entrada del
módulo se ajusta RV1 para que el LED1 encienda.
3- Variando la frecuencia a 3370 Hz el LED1 se debe apagar
4- Luego se comprueba el funcionamiento de todos los LEDS haciendo un barrido de
frecuencia desde 3300Hz hasta 3800Hz, se debe encender un LED a la vez.
20
Figura Nº 3.2 Diagrama esquemático del circuito detector de tonos
21
CAPÍTULO 4:
modificaciones
Montaje
en
tarjeta
de
pruebas;
Se procede a la prueba de los circuitos en dos “protoboards”, para esto se utilizará
además un contador y generador de funciones, un osciloscopio, un multiprobador y una
fuente de poder ajustable.
4.1 Prueba del circuito oscilador
Figura Nº 4.1 Circuito Oscilador
Primero se utilizaron capacitores cerámicos pero al observar la frecuencia generada
esta no era estable, es decir variaba y si al capacitor se le acercaba una fuente de calor como
22
cautín encendido, la variación de frecuencia era mucho mayor. Entonces se optó por
evaluar los capacitores de poliéster con los que se consiguió mucha estabilidad en la
frecuencia.
Dado que en los manuales no se da una fórmula explícita para los valores de la
resistencia y el capacitor, este se fijó un valor de 6.8nF y se procedió por tanteo a encontrar
el valor de la resistencia, en la siguiente tabla se encuentran los valores probados.
Este circuito debe tener la posibilidad de ajustar la frecuencia dentro de un rango de
3300Hz a 3800Hz para ello se hacen pruebas de diversos valores de resistencias en serie
con la intensión de encontrar una combinación de ellas que cubra el mencionado ámbito.
Cuenta con un potenciómetro de 1KΩ y esto se contempla a poner los valores de 1 en la
tabla, en conclusión, se usará un capacitor de poliéster de 6.8nF con una resistencia de 10
KΩ y otra de 100 Ω y un potenciómetro de 1 KΩ.
23
Tabla Nº 4.1 Valores de frecuencia según resistencia
Resistencias usadas (KΩ)
15
12
10+1+1
10+0.1+1.0
9.2+0.82+1.0
10+1.0
10+0.62
9.2+1.0
10+0.1
10
Resistencia Total(KΩ)
15
12
12
11,1
11,02
11
10,62
10,2
10,1
10
Frecuencia (Hz)
2423
2984
3082
3268
3351
3362
3455
3954
3672
3582
En la primera columna de la tabla se muestran los valores de resistencias utilizados,
estos valores se obtuvieron del código de colores de cada resistencia por lo que no son
exactos dada la tolerancia del 5% de las resistencias usadas
Este circuito con un potenciómetro de 1KΩ y dos resistencias 10 KΩ y 100 Ω
permitirá valores de frecuencia desde 3300Hz hasta 3700Hz, en conclusión, se usará un
capacitor de poliéster de 6.8nF con una resistencia de 10 KΩ y otra de 100 Ω y un
potenciómetro de 1 KΩ.
Finalmente se hicieron pruebas para determinar la estabilidad de la frecuencia en
relación con el voltaje de alimentación, estos datos se encuentran en la siguiente tabla:
24
Tabla Nº 4.2 Valores de frecuencia obtenidos ante variaciones en la alimentación
Voltaje de alimentación (v)
Frecuencia de oscilación (Hz)
8.66
3672
8.78
3674
8.97
3676
9.17
3678
9.27
3680
Se tiene que una variación de 0.81v va ha dar un corrimiento de 8Hz, o lo que es lo
mismo, el corrimiento es del 0.217%.
4.2 Prueba del circuito filtro pasabanda y sumador:
Figura Nº 4.2 Montaje de prueba del circuito filtro pasabanda y sumador
25
Lo primero fue comprobar la respuesta de frecuencia del filtro y esto es lo que se
obtuvo:
Frec. central :
4.51 KHz
Anclo de banda:
660 Hz
Frec. de -3dB:
4.20 y 4.53 KHz
Frec. de -12dB:
3.87 y 5.25 KHz
Se cambió el valor de los capacitores de 6.8nF a 8.2nF y se obtuvo esto:
Frec. central : 3.51 KHz
Anclo de banda: 320 Hz
Frec. de -3dB: 3.34 y 3.66 KHz
Como este filtro también se usa en el detector se analizó la respuesta acercándose a
la portadora de la telemetría de 3185Hz y se encontró que a 3.19 KHz la atenuación es de 8dB por lo que para el detector se debe agregar otro paso de filtrado mientras que para el
circuito oscilador si está bien con dos polos.
Otro aspecto que se encontró es que la señal cuadrada que alimenta el filtro no debe
exceder de 3.5 Vp-p por lo que se debe agregar un divisor de voltaje entre la salida del
oscilador y la entrada del filtro.
26
4.3 Prueba del circuito detector:
Figura Nº 4.3: Circuito detector
Al armar y probar el circuito decodificador de tonos lo primero que salto a la vista
fue el hecho de que el led no se apagaba del todo por lo que se debió cambiar el capacitor
del pin1 a 1uF, y para poder tener un ajuste de frecuencia apropiado fue necesario cambiar
la resistencia del pin5 de 5.1 KΩ por otra de 6.8 KΩ.
27
Se procedió a hacer una prueba de respuesta de frecuencia contra voltaje de entrada,
los datos obtenidos se presentan en la siguiente tabla:
Tabla Nº 4.3: Prueba de respuesta del detector de tono
Voltaje de entrada (Vp-p)
Frec. que encienden el led (KHz)
Ancho de banda (Hz)
8
2.71
a
3.60
890
4
2.74
a
3.60
860
1
3.17
a
3.59
420
0.5
3.14
a
3.59
450
0.3
3.14
a
3.50
360
0.1
3.23
a
3.53
300
Como se puede apreciar, es muy crítico el valor de la amplitud de la señal aplicada
al circuito LM 567, por lo que es mejor agregar cuatro potenciómetros a la salida del filtro
para cada uno de los integrados y agregar un divisor de voltaje que reduzca la amplitud a
200mVp-p antes de cada potenciómetro.
A continuación se muestran los diagramas esquemáticos finales de los circuitos, a
partir de estos diagramas se procede a hacer los circuitos impresos.
28
Figura Nº4.4 Diagrama esquemático final del circuito detector
29
Figura Nº4.5
Diagrama esquemático final del circuito oscilador
30
CAPÍTULO 5: Circuitos impresos
El programa DipTrace tiene la capacidad de generar en forma automática los
diseños de los circuitos impresos pero tiene la limitante de que en ciertos casos las
dimensiones de los componentes no coinciden con las definidas en el programa por lo que
se decidió usar el programa Pad2pad que posee muchos componentes de una manera
genérica, lo que permitió realizar de una mejor manera dichos diseños.
5.1 Diseño de los circuitos impresos
El tema de los diseños se abordará sin hacer diferencia entre los módulos porque el
trabajo es igual para los dos.
La primera etapa fue ubicar los componentes en una tarjeta sin importar las
dimensiones porque el programa permite ajustar el tamaño sobre la marcha, una vez
ubicados los componentes se procedió a hacer todas las conexiones
31
Figura Nº 5.1 Ubicación de componentes e interconexiones en un circuito impreso
Con forme se avanza se pueden ir haciendo pruebas con la función “auto trace” para
observar como va quedando el impreso
32
Figura Nº 5.2 Pruebas del “auto trace” del circuito impreso
Para el caso del módulo generador en este paso quedo listo el circuito impreso, pero
para el módulo detector el programa indicó la existencia de trazos imposibles de realizar.
33
Figura Nº 5.3 Conexiones imposibles de realizar para el programa
Ante tal situación se optó por cambiar el tipo de tarjeta por una de doble cara:
34
Figura Nº 5.4 Circuito Impreso de dos caras
Luego se editó manualmente el impreso para trasladar la mayor cantidad de pistas
de la cara superior - indicada en color verde- a la cara inferior y lo que finalmente quedó en
la cara superior se realizó con conexiones de cable.
La siguiente figura muestra el acabado final del circuito impreso, nótese que las
conexiones indicadas en color verde se lograron reducir bastante y se realizarán con cables
para no tener que usar tarjeta de impreso de dos caras.
35
Figura Nº 5.5 Circuito impreso final del módulo detecto de tonos
5.2 Construcción de los circuitos impresos
Una vez listos los diseños y a escala 1:1 se procedió a trasladarlos a la tarjeta
“virgen”, para ello se tomó la tarjeta y se trazaron las dos tarjetas a realizar
36
FIGURA Nº 5.6 Tarjeta “virgen” y diseños de impresos
Luego se procedió a cortar las tarjetas a su medida
Figura Nº 5.7 Cortado de tarjeta para impresos
37
Luego se procedió a afinar los bordes de las tarjetas
Figura Nº 5.8 Afinado de los bordes de las tarjetas
Se procede ahora a fijar el diseño del impreso en la tarjeta
FIGURA Nº 5.9 Tarjetas con el diseño del impreso adherido
38
Una vez que se tienen las tarjetas con el diseño se procede a la perforación de los
agujeros para los componentes
FIGURA Nº 5.10 Perforación de las tarjetas
39
FIGURA Nº 5.11 Tarjeta perforada con el diseño
FIGURA Nº 5.12 Tarjetas perforadas
40
Una vez que se tienen las tarjetas perforadas se debe copiar el diseño en la parte de
cobre, para ello se requiere “darle vuelta” al diseño porque esta visto por la parte de los
componentes, esto se hizo con el programa “Paint” de Windows
Figura Nº 5.13 Circuito Impreso visto por la cara de soldadura
Con este diseño se procede a cortar delgadas tiras de “masking tape” para copiarlo
en la tarjeta.
41
Figura Nº 5.14 Circuito Impreso trazado con “masking tape”
El siguiente paso es colocar la tarjeta en una solución de percloruro de hierro para
disolver las partes de cobre que quedaron expuestas, dado que la solución se va saturando
alrededor del área disuelta es necesario mantenerla en movimiento, lo que se consiguió con
un viejo tocadiscos.
42
Figura Nº 5.15 Circuito Impreso sumergido en percloruro de hierro sobre un viejo
tocadiscos
Luego de un tiempo ya se puede extraer la tarjeta de la solución y se tiene esto
FIGURA Nº 5.16 Tarjeta con el cobre excedente retirado
43
Una vez lavada la tarjeta es así como se ve
FIGURA Nº 5.17 Tarjeta de impreso lavada luego del percloruro
Se le remueve “el masking tape” y ya se tiene el circuito impreso
FIGURA Nº 5.18 Tarjeta de impreso al retirarle el “masking tape”
44
Seguidamente el circuito impreso es pulido con una alambrina de bronce
Figura Nº5.19 Tarjeta de circuito impreso pulida
Para finalizar el proceso se le aplican dos capas de barniz transparente para evitar
que se oxide el cobre y la tarjeta está lista para colocarle todos los componentes.
45
CAPÍTULO 6: Montaje de los Circuitos
Utilizando las figuras 4.4 y 4.5 se procede a ensamblar las tarjetas con todos sus
componentes, los leds se ubicaron así para comodidad en las pruebas.
Figura Nº 6.1 Módulo detector de tonos ensamblado
46
FIGURA Nº 6.2 Módulo generador de alarma ensamblado
47
CAPÍTULO 7: Pruebas y mediciones
Antes cualquier prueba es necesario ajustar ambos módulos, para ello se debe
recurrir a los dos diagramas esquemáticos para las conexiones y los ajustes indicados en las
secciones 3.1 y 3.2
En siguiente secuencia de figuras se aprecia como encienden uno a uno los leds
Figura Nº 7.1 Led indicador de 3300Hz
Figura Nº 7.2 Led indicador de 3450Hz
48
Figura Nº 7.3 Led indicador de 3600Hz
Figura Nº7.4 Led indicador de 3750Hz
49
CAPÍTULO 8: Conclusiones y recomendaciones
Una vez que se hizo todo el desarrollo y se probó; se vio que pueden existir
diferencias entre lo simulado en un computador y lo realizado con componentes en una
tarjeta de pruebas, por eso es necesario antes de realizar un proyecto hacer pruebas con los
componentes y no confiarse del todo en el resultado de una simulación.
Se ha demostrado que construir un circuito impreso de una manera “artesanal” es
totalmente factible y funcional. Al desempeñarse como ingeniero se debe resolver una
infinidad de situaciones y la factibilidad de construir circuitos impresos es una herramienta
sumamente útil.
El programa “Pad2pad” lo cede gratuitamente una compañía que se dedica a la
fabricación de circuitos impresos por lo que dicho programa tiene la posibilidad de calcular
cual es el costo de realizar los circuitos impresos, en la siguiente figura se muestran las
condiciones de dicha fabricación para tener una idea del costo económico que puede tener
el hecho de encargar la confección de los circuitos impresos, sin embargo, si se tratara de
varios impresos iguales el costo puede hacerse favorable.
50
FIGURA Nº 8.1 Condiciones para solicitar la construcción de impresos
51
BIBLIOGRAFÍA
Manual:
1.
Philips Consumer Electronics Company. “ECG Master Replacement Guide”
18ed. Estados Unidos, 1998.
Páginas web:
2.
Mouser Electronics, Inc “Mouser Electronics”
http://www.mouser.com/search/refine.aspx?Ntt=sp67
National Semiconductor Corporation “Datasheet LM567”,
3
http://www.national.com/mpf/LM/LM567C.html#Datasheet
Texas Instruments Inc, “Filter Pro Version 2.00.001”;
4
http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/filter-designer.html
Novarm Limited , “Dip Trace Version 1.30”
5
http://www.diptrace.com/download.php
6
Pad2Pad.com, “Pad2Pad Version1.7.3”
http://www.pad2pad.com/download/index.htm
52
APÉNDICES
A.1 Lista de equipo
Osciloscopio JDR Instruments
Contador y generador de funciones TENMA 72-380
Multiprobador METEX
Mototool DREMEL Multipro
Base para Mototool DREMEL
Cautín TMC 30 vatios
Dos fuentes de poder de 12 vdc
A.2 Lista componentes y materiales
A.2.1 Componentes del generador de alarma
Circuitos Integrados:
2 1N4007
1 CD4047BE
1
1 TL084CN
Potenciómetros
Transistores
NTE5019A
1
1KΩ
1
10KΩ
1 2N6093
Resistencias (todas en ½ vatio)
1 2SC1213
Diodos
53
3
120 KΩ
2
100 KΩ
2
56 KΩ
1
10 KΩ
1
6.8 KΩ
1
6.2 KΩ
2
5.6 KΩ
1
3.3 KΩ
1
2.0 KΩ
1
680
Ω
1
620
Ω
2
270
Ω
Condensadores de Poliéster
1
68nF / 100v
1
10nF / 100v
4
8.2 nF / 50v
Condensadores electrolíticos
1
100uF / 50v
1
10uF / 50v
Otros
Conector
1
1
6 pines
Tarjeta para impreso
6 X 7.5 cm2
¼
54
litro de percloruro de hierro
A.2.2 Componentes del detector
Circuitos integrados
Condensadores electrolíticos
1
TL084CN
1
100uF / 50v
4
LM567CN
2
47uF / 50v
1
L7812CV
8
1uF / 25v
1
L7805CV
2
0.1uF / 25v
1
L7912CV
Condensadores de poliester
Diodos
4
Led
4
10nF / 50v
6
8.2nF / 50v
Potenciómetros
Condensadores cerámicos
5
10 KΩ
4
4
1 KΩ
10nF / 50v
Conectores
Resistencias
2
3
120 KΩ
1
10 KΩ
7
5.6 KΩ
1
1.0 KΩ
4
330 Ω
3
270 Ω
6 pines
Otros
1
Tarjeta para impreso
8 X 10 cm2
¼
55
litro de percloruro de hierro
56