Universidad de Antioquia, Medellín. Informe No 4. Aplicaciones de Diodos en Circuitos Ópticos. INFORME No 4 Aplicaciones de Diodos en Circuitos Ópticos Julian Hincapie Villa Departamento de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones Universidad de Antioquia Medellín, Colombia E-mail:[email protected] Resumen- Previamente se habían estudiado y analizado el comportamiento y especificaciones de los diodos comunes y el diodo zener; ahora en esta práctica de laboratorio se verán algunas aplicaciones que tienen los diodos LED junto con el uso de un integrado 555, previamente estudiados. Antes de implementar los 3 circuitos con los que se desarrolla la práctica, se deben de realizar los debidos cálculos, con el objetivo de encontrar los valores de capacitores y resistencias que permitirán dar la respuesta en tiempo de cada uno de los circuitos. Palabras clave—Diodo LED, circuito integrado 555, capacitor. Sergio Uribe Adarve Departamento de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones Universidad de Antioquia Medellín, Colombia E-mail:[email protected] Fotodiodo El Fotodiodo presenta sensibilidad a la presencia de luz visible e infrarroja. Se podría considerar que un fotodiodo es la combinación de un diodo común y una foto resistencia; la foto resistencia se caracteriza por su variabilidad según la intensidad de luz, pues al haber una mayor intensidad de luz, más baja es la resistencia. El foto diodo se polariza inversamente, permitiendo el flujo de electrones o de corriente en sentido inverso, esto permitirá que se produzca un aumento de la corriente cuando el foto diodo sea excitado por un aumento en la luz. III. IMPLEMENTOS NECESARIOS. • • I. OBJETIVOS Comprender el funcionamiento del diodo LED y sus características. Analizar aplicaciones ópticas basadas en el diodo LED. II. INTRODUCCIÓN. • • • • • • LEDs de varios colores. Circuito integrado 555. Resistencias de 220Ω, 1k Ω, 33k Ω, 100k Ω, 6.6k Ω. Condensador de 100uf Elementos adicionales que dependerán de los cálculos obtenidos para el circuito1 y circuito2. Switch push button Diodo LED El diodo LED (Light Emiting Diode-Diodo emisor de luz), al igual que los diodos normales, permite el paso de la corriente en un solo sentido. Se diferencia que en el sentido que pasa la corriente, este emite luz. Los LED pueden emitir luz en diferentes colores como: azul, blanco, rojo, verde, amarillo. IV. DESARROLLO A. Circuito de almacenamiento capacitivo con diodo LED LED Infrarrojo Un LED Infrarrojo, emite luz en el espectro infrarrojo. En este rango la luz no es visible para el ojo humano, pero puede ser detectada por una variedad de dispositivos electrónicos, haciendo el LED ideal para objetos como controles remoto. Estos diodos tienen una cubierta morada alrededor; esto ayuda a transmitir el color correcto de la luz. Figura 1. Circuito de almacenamiento capacitivo con diodo LED Universidad de Antioquia, Medellín. Informe No 4. Aplicaciones de Diodos en Circuitos Ópticos. i.En este circuito se busca comprender el funcionamiento del capacitor C1 por medio de la variación del estado del switch on/off. En el momento en que el estado el switch está en on, la fuente conducirá voltaje hacía el circuito y por lo tanto cargará el condensador y de este modo el LED se encontrará prendido; cuando el estado del switch sea en off el circuito estará abierto y la fuente no alimentará más el circuito, haciendo que el capacitor se descargue y posteriormente el LED se apague. Gráfica 1. Descarga en el capacitor En la práctica se quiere tener un capacitor que permita ver un tiempo de descarga al menos de dos segundos, para esto se debe hacer un cálculo: 𝑇𝑒𝑛𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑐𝑢𝑒𝑛𝑡𝑎 𝑙𝑎 𝑠𝑖𝑔𝑢𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑡𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛: Tabla 1. Tiempo de descarga en el capacitor 5𝜏 > 2, 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒: 𝜏 = 𝑅𝐶, 𝑅 = 1𝐾 Se puede observar que el tiempo de descarga en el capacitor es de 2.449𝑠𝑒𝑔, es un tiempo aceptable teniendo en cuenta que el calculado “a mano” fue de 2.35𝑠𝑒𝑔. 𝑆𝑒 𝑒𝑛𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟ó 𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑢𝑛 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟 𝑞𝑢𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑦 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒𝑝𝑎𝑠𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑟𝑎𝑛𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 2 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 5𝜏 = 2.35𝑠𝑒𝑔 => 5[(1𝐾)𝐶] = 2.35𝑠𝑒𝑔 También se muestra la gráfica del tiempo de carga del capacitor para posteriormente realizar comparaciones. 𝐷𝑒𝑠𝑝𝑒𝑗𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑜𝑟 𝑠𝑒 𝑜𝑏𝑡𝑢𝑣𝑜 𝑞𝑢𝑒: 𝐶= 2.35 = 470𝑢𝑓 5𝐾 𝐶 = 470𝑢𝑓 Gráfica 2. Carga en el capacitor ii. Por medio de SPICE se observará el tiempo de carga y descarga en el capacitor, con el fin de mirar si se cumple con el valor del tiempo en descarga calculado en el literal anterior (i). Tabla 2. Tiempo de carga en el capacitor Se observa que el tiempo de carga en el capacitor es de 320.97𝑚𝑠. Es un buen valor dado que el capacitor no debe tardar demasiado en cargarse. iii En la práctica de laboratorio se realizó la implementación del primer circuito, usando el capacitor de 470uf.. Posteriormente se tomaron los tiempo de descarga y de carga en el capacitor con uso del osciloscopio. Figura 2. Circuito de almacenamiento capacitivo implementado en pSpice Universidad de Antioquia, Medellín. Informe No 4. Aplicaciones de Diodos en Circuitos Ópticos. B. Circuito de un Semáforo Peatonal Gráfica 3. Tiempo de carga en el capacitor El tiempo de carga mostrado por medio del osciloscopio es de 320𝑚𝑠, este tiempo de carga es casi igual al mostrado de la simulación en pSpice que fue de 320.97𝑚𝑠(ii). Por lo tanto el comportamiento es el esperado. Figura 3. Circuito de un Semáforo Peatonal i. En este circuito se presenta la activación y desactivación de dos LED de diferente color, se usó un diodo LED de color verde y otro de color rojo. Se debe calcular el valor del condensador C1 y resistencia R1 a fin de que: 1. Los LED alternen su activación cada 3 segundos. 2. Los LED alternen su activación cada 8 segundos. NOTA1: El D1 LED es el de color rojo y el D2 LED es de color verde. 1. Se tienen las siguientes ecuaciones para obtener el valor del capacitor C1 y la resistencia R1: Gráfica 4. Tiempo de descarga en el capacitor En esta gráfica se muestra el tiempo de descarga en el capacitor, visto por medio del osciloscopio, este tiempo es de 2.13𝑠eg. Comparando este tiempo con el hallado en el literal i que fue de 2.35𝑠eg, esto se debe a que los componentes usados en el montaje del circuito no son ideales, pero sin embargo se acerca de buena manera al valor calculado “a mano”. 𝑡1 = 0.693(𝑅1 + 𝑅2 )𝐶1 𝑡2 = (0.693𝑅2 )𝐶1 Donde la frecuencia y el Duty (ciclo de duración) están dados por: 𝑓= 1.44 (𝑅1 + 𝑅2 )𝐶1 𝐷= (𝑅1 + 𝑅2 ) (𝑅1 + 2𝑅2 ) En este caso el periodo tiene el valor de 𝑇 = 6𝑠𝑒𝑔, por lo tanto la frecuencia valdrá 𝑓 = 1 6 Igualando el valor de la frecuencia con su ecuación correspondiente tenemos: 1 1.44 = 𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1 6 (𝑅1 + 𝑅2 )𝐶1 Universidad de Antioquia, Medellín. Informe No 4. Aplicaciones de Diodos en Circuitos Ópticos. Tomando un Duty de: 𝐷 = 55%, se tiene que: 0.55 = (𝑅1 + 𝑅2 ) 𝑒𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 2 (𝑅1 + 2𝑅2 ) Luego de resolver este sistema de 2x2 hayamos los valores de C1 y R1: 𝑅1 = 7.33𝐾 𝐶1 = 117.823𝑢𝑓 = 100𝑢𝑓 NOTA2: El valor comercial más cercano al capacitor de 117.823uf es el de 100uf, con este fue que se trabajó. 2. Se tomaron las mismas ecuaciones del punto anterior (1), solo con la consideración que el periodo (𝑇) tiene un valor de 16 segundos y no de 6 segundos. Así que los valores del capacitor C1 y la resistencia R1 son: 𝑅1 = 7.33𝐾 𝐶1 = 314.196𝑢𝑓 = 330𝑢𝑓 Gráfica 5. Voltaje en la salida modo astable (3 segundos) El voltaje de salida mostrado es: 𝑉𝑠 = 7.50𝑉 NOTA3: El valor comercial más cercano al capacitor de 314.196uf es el de 330uf, con este fue que se trabajó. ii. Este circuito es básicamente un temporizador en configuración astable, donde los tiempos varían según los valores del capacitor C1 y resistencia R1. Se dice que es astable porque se mantiene un tiempo definido en alto y otro tiempo definido en bajo, esto depende del duty que se establezca para el cálculo de los elementos ya mencionados (C1,R1). iii. En la práctica de laboratorio se realizó la implementación del segundo circuito, teniendo en cuenta las variaciones de tiempo de encendido y apagado en los LED, que eran de 3 segundos y 8 segundos respectivamente. 1. Las capturas que se realizaron para tener un tiempo aproximado de 3 segundos en alto y en bajo, se hicieron con el capacitor de 100uf. Gráfica 6. Tiempo en alto de la salida modo astable (3 segundos) El tiempo en alto de la salida es de 𝑡𝐴𝑠 = 2.88𝑠𝑒𝑔 Universidad de Antioquia, Medellín. Informe No 4. Aplicaciones de Diodos en Circuitos Ópticos. Gráfica 7. Tiempo en bajo de la salida modo astable (3 segundos) El tiempo en bajo de la salida es de 𝑡𝐵𝑠 = 2.38𝑠𝑒𝑔 La diferencia entre el tiempo en bajo y el tiempo en alto, se da por el valor que se tomó para el duty, que fue de un 55%. Por lo tanto permanecerá más tiempo en alto que en bajo; esto se puede evidenciar en lo mostrado en el osciloscopio. Gráfica 9. Tiempo de descarga en el capacitor modo astable (3 segundos) El tiempo de descarga para el capacitor es de 𝑡𝐷𝐶 = 2.32𝑠𝑒𝑔 La diferencia de tiempo entre la carga y la descarga, se da por lo mencionado anteriormente, el valor del duty (55%). 2. Las capturas que se realizaron para tener un tiempo Ahora se mira los valores de tiempo para el capacitor: aproximado de 8 segundos en alto y en bajo, se hicieron con el capacitor de 330uf. Gráfica 8. Tiempo de carga en el capacitor modo astable (3 segundos) El tiempo de carga para el capacitor es de 𝑡𝐶𝐶 = 3.02𝑠𝑒𝑔 Gráfica 10. Voltaje en la salida modo astable ( 8 segundos) El voltaje de salida mostrado es: 𝑉𝑠 = 7.50𝑉 Universidad de Antioquia, Medellín. Informe No 4. Aplicaciones de Diodos en Circuitos Ópticos. Gráfica 11. Voltaje en el capacitor modo astable (8 sgundos) Gráfica 13. Tiempo en bajo de la salida modo astable (8 segundos) El tiempo en bajo de la salida es de 𝑡𝐵𝑠 = 7.4𝑠𝑒𝑔 El voltaje en el capacitor es: 𝑉𝐶 = 5.94𝑉 Es importante decir que en la salida no hay cambio en el valor del voltaje con respecto al punto anterior (1), puesto que las variaciones que se hacen con respecto al valor del capacitor, es con el fin de cambiar el tiempo en alto y en bajo. Gráfica 14. Tiempo de carga en el capacitor modo astable (8 segundos) El tiempo de carga para el capacitor es de 𝑡𝐶𝐶 = 9.280𝑠𝑒𝑔 Gráfica 12. . Tiempo en alto de la salida modo astable (8 segundos) El tiempo en alto de la salida es de 𝑡𝐴𝑠 = 9.0𝑠𝑒𝑔 Universidad de Antioquia, Medellín. Informe No 4. Aplicaciones de Diodos en Circuitos Ópticos. mantiene en un estado, puede ser alto o bajo, y cambia cuando el trigger (disparo) es utilizado; posteriormente volverá a su estado inicial después de que transcurra un tiempo. En está gráfica se muestra el comportamiento ya descrito: Gráfica 15. Tiempo de descarga en el capacitor modo astable (8 segundos) El tiempo de descarga para el capacitor es de 𝑡𝐷𝐶 = 7.320𝑠𝑒𝑔 Como en el punto anterior (1), la diferencia de tiempo entre la carga y la descarga, se da por lo ya mencionado anteriormente, el valor del duty (55%). Gráfica 16. Funcionamiento configuración monestable ii Aquí mostraremos el tiempo de encendido de un led, pues C. Variación del Circuito del Semáforo Peatonal este tiempo será el que demora el capacitor en cargarse completamente. Figura 4. Variación del Circuito del Semáforo Peatonal i. Esta variación con respecto al circuito del semáforo peatonal, está principalmente en la inserción de un switch push button, el cambio en el valor del capacitor y una resistencia de 100k o potenciómetro. Con el switch se busca una modelación del circuito en modo monoestable. La configuración monoestable es aquella que tiene un solo estado, y este puede ser en nivel bajo, donde tendremos 0V, o nivel alto donde habrá tensiones cercanas a la fuente de alimentación. Inicialmente la salida del circuito se Gráfica 17. Tiempo de carga en el capacitor circuito monoestable El tiempo de carga para el capacitor es de 𝑡𝐶𝐶 = 1.680𝑠𝑒𝑔 Este es el tiempo que demora en encender el diodo led D1 de la figura 4. Cuando presionamos el push button se encenderá el diodo led D2 instantáneamente, por eso el pin 2 que es encargado de este cambio, interviniendo la entrada es llamado disparo. Universidad de Antioquia, Medellín. Informe No 4. Aplicaciones de Diodos en Circuitos Ópticos. V. ANEXOS • en el circuito, determinarán la duración de los intervalos de tiempo del 555, y si estos intervalos se repitan continuamente o no. En esta practica hicimos uso de un capacitor, que, debido a su respuesta natural, al conectarlo con resistencias, permitía generar pulsos con intervalos de tiempo previamente calculados. El diodo LED es un dispositivo semiconductor que emite luz incoherente de espectro reducido cuando se polariza de forma directa la unión PN del mismo y circula por él una corriente eléctrica. Los valores típicos de corriente directa de polarización de un led oscilan entre 10 y 40 mA , estos datos son de suma importancia a la hora de realizar un montaje, debido a que esto influye en la intensidad luminosa. En general los leds suelen tener mejor eficiencia cuanto menor sea la corriente que los atraviese. VI. REFRENCIAS Y BIBLIOGRAFIA Figura 4 Estructura interna del CI 555 En la figura 4 se muestra la composición interna del circuito integrado 555. El integrado está compuesto de dos comparadores de voltaje (A1 y A2) conectados al pin 6, El comparador A1 se denomina comparador de umbral y A2 comparador de disparo; Un flip-flop a la salida de los comparadores, un amplificador de corriente o salida y un transistor de descarga (Q1). Las resistencias Ra, Rb, Rc sirven como divisores de voltaje. Esta estructura nos ayuda a comprender un poco mas el funcionamiento del circuito integrado 555 como temporizador, en pocas palabras sucede lo siguiente: El condensador C se va cargando hasta Vcc (Vin) a través de la resistencia R1 (Ver Figura 3). El voltaje del capacitor aumenta hasta que supera 2/3 de Vin. Este voltaje es el denominado voltaje de umbral (threshold) en la terminal 6, la cual excita el comparador A1 para activar el flip-flop de manera que haya un estado bajo en la salida 3. Como consecuencia el transistor de descarga Q1 entra en conducción, ocasionando que el capacitor de descargue por medio de la terminal 7. El voltaje del condensador desciende hasta cero y se mantiene en este nivel hasta que en la terminal 2 (disparo) no haya una excitación. VI. CONCLUSIONES • El circuito integrado 555 se utiliza para activar o desactivar circuitos durante intervalos de tiempo determinados, es decir, se usa como temporizador. Para cumplir esta tarea, lo combinaremos con otros componentes cuyas características y forma de conexión • ALBERT MALVINO, D. J. (2007). Principios de electronica . España: McGraw Hill. • EcuRed. (s.f.). EcuRed. Obtenido de https://www.ecured.cu/Diodo_led • Rincón, J. A. (Mayo de 2003). http://www.geocities.ws. Obtenido de http://www.geocities.ws/jaimealopezr/Electronica/Sem aforo555.pdf
