Instituto Emiliani - Informe de Proyecto - - “Dispensador Automático de Agua Fría y Caliente con LDR” - Asignatura: Modulo de Taller (MDT). Integrantes: López Alas, Daniel Eduardo # 25 Marroquín Alas, Jefferson Alessandro # 27 Martínez Valencia, Néstor Leonel # 28 Olmedo Mojica, Eduardo Antonio # 29 Grado/Sección: - 1B1 - Coordinadora. Téc. Andrea Vega Fecha de entrega: 19/08/2020 1 - Índice - Introducción……………………………………………………………………...............................................003 Objetivos……………………………………………….............................................................................005 Objetivo General........................................................................................................005 Objetivos específicos……………………………………..……………………………………………005 Cuerpo…………………………………………………………………………………………………………………………005 Lista de Componentes……………………………………………….………………………………006 Sistema de Alimentación………………………………………………………………………………008 Fuente de Alimentac ión [4A] .…………………………… ………………………………009 Teoría…………………………………………………..........................................009 Diagrama esquemático……………………………………….………………….027 Circuito impreso y Máscara de Componentes ……………………………….028 Modelo 3D………………………………………………………………….………………….029 Fuente de Alimentac ión [8A] .…………………………… ………………………………030 Teoría…………………………………………………..........................................030 Diagrama esquemático……………………………………….………………….037 Circuito impreso y Máscara de Componentes ……………………………….038 Modelo 3D………………………………………………………………….………………….039 Sistema de Contr ol………………………… ……………………………………………………041 Teoría…………………………………………………..........................................041 Diagrama esquemático……………………………………….………………….123 Circuito impreso y Máscara de Componentes ……………………………….124 Modelo 3D………………………………………………………………….………………….125 Etapa de Potenc ia ………………………………………… ……………………………………129 Sistema de Calefacción…………………………..................................129 Sistema de Refrigeración……………………………………….…………………132 Dimensiones y Diseño del Chasis…………………………………………………………………………………139 Conclusiones….…………………………………………..……………………………………….…… ………………143 D a t a sh e e t s……………… …. . .………… …………… . .………… …………………… .…… …………… 14 6 Archivos….………..………….……………………..……………………………………….…… ………………147 2 - Introducción - Un dispensador es un aparto que puede proporcionar algún liquido frío o caliente en función de sus características internas, el presente trabajo tiene como finalidad la creación del proyecto “Dispensador Automático de Agua Fría y Caliente con LDR”, mediante la comprensión de cada uno de los componentes y su funcionamiento global, el estudio constante y la dedicación en los procesos de simulación del diagrama esquemático, diseño del circuito impreso y creación del Modelo 3D. El cuerpo del trabajo y el proyecto en general se dividirá en tres bloques fundamentales: El Sistema de Alimentación, El Sistema de Control y La Etapa de Potencia, dentro de cada una de estas secciones se abordara la teoría sobre los elementos que las conforman, se presentarán diagramas, esquemas de conexión, simbología, especificaciones de operación, ejemplos de su aplicación y su funcionamiento general dentro del proyecto para culminar con la presentación del diagrama esquemático de la sección, el circuito impreso y el modelo físico correspondiente, además de otra información pertinente mediante la utilización de recursos gráficos que favorezcan la comprensión. En primer lugar se presentará el Sistema de Alimentación que como su nombre lo indica será el encargado de proporcionar los valores adecuados de tensión e intensidad para el correcto funcionamiento del proyecto, esta sección a su vez se segmenta en dos fuentes de alimentación de tipo lineal, una de ellas posee en su salida tensiones de 5V y 12V que en conjunto pueden suministrar una corriente máxima de 4A y la otra a diferencia del modelo anterior solamente posee un valor fijo de 12V pero puede proporcionar una intensidad de hasta 8A, ambas fuentes se utilizarán para la alimentación del sistema de control y la etapa de potencia respectivamente. Luego se muestra el Sistema de Control que se divide en dos partes, una destinada al control de activación para las bombas de agua, y la otra que regulará la temperatura de la etapa de potencia, cada una de estas partes está conformada por dos circuitos independientes, en la primera sección uno de los circuitos activará la bomba de agua fría y el otro la bomba de agua caliente en función de la ausencia de luz sobre la superficie de un fotorresistor, en cuando al sistema de control térmico, un circuito regulará la temperatura en el sistema de calefacción y el otro en el sistema de refrigeración, todo ello mediante la aplicación de un termistor. Como último bloque se exhibe la Etapa de Potencia conformada por el Sistema de Calefacción y El Sistema de Refrigeración para el agua potable, que está compuesto principalmente por una resistencia de potencia en el caso del primer sistema y una celda peltier en el caso del siguiente, además de se implementaran algunos componentes para mejorar la disipación del calor. 3 Luego de conocer cada uno de los bloques que conforma el proyecto se finalizara con la presentación del diseño del chasis, que fue creado tomando como base un dispensador convencional de garrafón, se mostrarán sus medidas y demás características, culminando con una conclusión individual sobre la opinión y experiencia personal de cada uno de los integrantes del equipo enfatizando en los conocimientos adquiridos con la elaboración del trabajo. 4 - Objetivos Objetivo General: Diseñar un Dispensador Automático de Agua Fría y Caliente, completamente simulable y con aplicaciones prácticas, que cuente con un sistema de alimentación, de control y de potencia para lograr la adecuada calefacción, refrigeración y suministro de agua apta para el consumo humano. Objetivos Específicos: Entender con seguridad la teoría de los elementos y su funcionamiento individual y colectivo en las diferentes secciones del proyecto, indicando los componentes específicos utilizados en la elaboración del mismo. Efectuar apropiadamente la simulación del diagrama, el diseño del circuito impreso y la elaboración del modelo 3D para obtener un resultado lo más cercano a un dispositivo completamente funcional. Investigar e implementar un sistema de refrigeración y calefacción eficiente en función al espacio, la potencia, el ruido y la potabilidad del agua. 5 - Lista de Componentes Electrónicos En este apartado se presenta una lista de los diferentes componentes electrónicos utilizados en la elaboración del proyecto, dividiendo los componentes utilizados en cada una de las secciones y los circuitos que las conforman. - Sistema de Alimentación - - Cantidad1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 2 2 2 1 1 4 Fuente de Alimentación [4A] - Descripción Transformador 120VAC/60Hz – 15VAC/60Hz [150W] Portafusible Fusible de 0.5A Bridge GBU6B Condensadores Electrolíticos de 5,600uF/50V Resistencia de 2.2 Ohm 1W Resistencia de 1KOhm 1/4W Transistores MJE15033G Regulador de tensión LM7812 Regulador de tensión LM7805 LEDs color verde Condensador electrolítico de 0.33uF Capacitor cerámico de 0.1uF. [104] Bornera de dos terminales Bornera de tres terminales Disipadores para empaquetado TO-220 - Cantidad1 1 1 1 4 1 1 2 2 1 4 Fuente de Alimentación [8A] - Descripción Transformador 120VAC/60Hz – 15VAC/60Hz [150W] Portafusible Fusible de 1A Bridge GBPC801 Condensadores Electrolíticos de 4700uF /50V Resistencia de 2.2 Ohm 1W Resistencia de 1KOhm 1/4W Resistencias de 18Ohm 5W Transistores MJE15033G Regulador de tensión LM7812 LEDs de 1W luz cálida o fría 6 1 1 1 5 3 LED color verde Condensador electrolítico de 0.33uF Capacitor cerámico de 0.1uF. [104] Borneras de dos terminales. Disipadores para empaquetado TO-220 - Sistema de Control - - Cantidad2 10 4 2 2 4 2 4 4 2 2 4 4 2 2 2 2 1 6 Sistema de Control - Descripción Resistencias de 100KOhm 1/4W Resistencias de 1KOhm 1/4W Resistencias de 680 Ohm 1/4W Resistencias de 5.6KOhm 1/4W Resistencias de 10KOhm 1/4W Resistencias de 180 Ohm 1/4W Amplificadores LM358 Transistores 2N3904 Diodos 1N4007 Bombas de Agua 12V 3.6W LDR NORPS-12 LEDs color rojo LEDs color verde Relevadores de 12V Relevadores de 5V Trimmers de 100kOhm Trimmers de 10kOhm Bornera de tres terminales Borneras de dos terminales - Etapa de Potencia - - Cantidad1 1 1 1 -- Sistema de calefacción y Refrigeración - Descripción Ventilador de 12V Celda Peltier TEC1-12706 Juego de Disipadores para Celda peltier Resistencia de potencia 350W Todos los materiales para la elaboración del chasis y construcción del ckto impreso [baquelitas, madera, conductor eléctrico, acido férrico, etc]. 7 - Sistema de Alimentación - El proyecto “Dispensador Automático de Agua Fría y Caliente con LDR” cuenta con dos fuentes de alimentación que se encargarán de proporcionar la tensión y corriente adecuada para el correcto funcionamiento de las diferentes secciones que conforman el circuito total. Cada uno de los circuitos independientes que integran el proyecto en general necesitará de diferentes parámetros eléctricos de alimentación, con esta finalidad se decidió realizar el diseño de dos fuentes de tensión autónomas, una de ellas estará destinada a la alimentación del circuito de control y la otra al circuito de potencia [sistema de refrigeración], con intensidades máximas de 4A y 8A respectivamente. Cada una de las fuentes tendría una función específica en el proyecto “Dispensador Automático de Agua Fría y Caliente con LDR”, de manera resumida se muestran a continuación: - Fuente de Alimentación Lineal [4A] - La fuente de tensión de 12V con una intensidad máxima de 4A será utilizada para la alimentación del Sistema de Control en general, que controlará el bombeo de agua del dispensador mediante las bombas, es decir que esta será empleada para la parte de control mecánica de las bombas de agua, las cuales estarían siendo alimentadas por 12VDC, en función de su potencia nominal de trabajo de 3.6W. En base a la potencia nominal se puede determinar que por las mismas circulará una corriente de 300mA, no obstante, en las especificaciones del fabricante se muestra un consumo máximo de 350mA debido a una serie de variables, la intensidad máxima de 4A que presenta este modelo de fuente busca facilitar la elección de una bomba de agua con parámetros de funcionamiento superiores a los que presentados en el tipo de bomba utilizada para el diseño del presente proyecto, - Fuente de Alimentación Lineal [8A] - En cuanto a la fuente de alimentación con una intensidad máxima de 8A manejara tensiones de 5V y 12V, se empleará en el circuito de potencia [sistema de refrigeración], tendrá como elemento principal una celda o célula peltier. Esta celda peltier, cuyo modelo utilizado es el TEC1-12706 consume una corriente promedio de 6A, la misma será la encargada en mantener la temperatura necesaria para poder enfriar el agua. Además, se utilizará un ventilador [que 8 forma parte del sistema de disipación de la celda peltier] y que consume alrededor de 200mA, dicha fuente también servirá para la alimentación del sistema de iluminación que está integrado por 4 diodos LEDs , con una potencia individual de 1W. - Fuente de Alimentación Lineal [4A] En la imagen inferior se muestra el diagrama esquemático de la fuente de alimentación de 4A, con la finalidad de asociar la información de la explicación con mayor facilidad, seguidamente se presenta cada una de las etapas que constituyen la misma. - Etapa de transformación - En todo circuito electrónico, se necesita de una fuente de alimentación que presente una tensión fija y limpia de un valor determinado. En una fuente de alimentación lineal, la primera 9 fase es la transformación de la corriente alterna. Existen dos tipos de transformadores: el elevador, y el reductor. El elevador como su nombre lo indica, aumenta el nivel de voltaje eléctrico, su opuesto, el reductor, reduce el rango de voltaje eléctrico. Esto debido a la relación de espiras en ambos devanados, en este último caso en el lado del devanado primario encontramos mayor cantidad de espiras que en el lado del devanado secundario. Es decir, al reducir el número de espiras, también reduciríamos el voltaje de salida. En pocas palabras, un transformador es una máquina eléctrica que en base a los principios de inducción electromagnética, transfiere energía de un circuito eléctrico a otro, sin cambiar la frecuencia y conservando la potencia. La transferencia se lleva a cabo con el cambio de voltaje y corriente. Un transformador modifica la relación tensión - corriente en una señal alterna. Este principio de inducción electromagnética es aquel que alguna vez definió el físico Michael Faraday. “la tasa de cambio del enlace del flujo con respecto al tiempo es directamente proporcional al campo electromagnético inducido en una bobina o conductor”. La relación de transformación se daría de la siguiente manera: 𝑟= 𝑉1 𝑁𝑝 = 𝑉2 𝑁𝑠 En la fórmula previa para determinar la relación de transformación, Np representa al número de espiras en el devanado primario, y Ns el devanado secundario, V1 indica el voltaje en el primario o voltaje de entrada, mientras que V2 la tensión en el secundario o de salida. En el caso de nuestro circuito, usaremos un transformador de 120VAC/60Hz a 15VAC/60Hz, que contaría con una potencia de 150 Watts. - Símbolo Eléctrico - 10 - Etapa de Transformación en La fuente de Alimentación [4A] En el diagrama de nuestro circuito, el transformador se vería de la manera que presenta a continuación: - Etapa de Transformación en La Fuente de Alimentación. – En El Salvador, la tensión residencial se encuentra entre 110VAC y 120VAC, además presenta una frecuencia de 60Hz, debido a que necesitamos 12VDC en la salida de nuestra fuente de alimentación, buscamos un transformador con una relación de transformación de 8, es decir r = 8, de esa manera en la salida del transformador se conseguiría una tensión de 15Vef. Es decir necesitamos un transformador de 120Vef 60Hz a 15Vef 60Hz. Y para encontrar la relación de transformación, usamos la formula mostrada anteriormente. Obtenemos su relación de transformación: 𝑟= 𝑉1 𝑉2 𝑟= 120𝑉𝐴𝐶 15𝑉𝐴𝐶 𝑟=8 Como podemos observar, se puede determinar la relación de transformación en función del Vp [Voltaje en el primario] y el Vs [Voltaje en el secundario] .De esa manera somos capaces de obtener la relación, que sería igual a un valor de 8. Inicialmente a la entrada del transformador se presenta una tensión de 120VAC, es decir 120Vef equivalentes a 169.7Vpico, pero debido a la intervención de la etapa de transformación, se obtiene en los terminales de salida del transformador una tensión de 15VAC o 15Vef, aproximadamente 21Vpico, las magnitudes de la tensión o voltaje pico [Vpico] es el resultado de multiplicar el voltaje eficaz [Vef o VRMS ] por la raíz del número 2 [√2 ]. En las gráficas posteriores se muestra mejor esta información. 11 - Tensión de Red [120VAC 60Hz] - + 169.7Vpico - 169.7Vpico Cuando la señal alterna previa atraviesa el transformador utilizado en el proyecto se obtendría la siguiente gráfica, debido a la relación de transformación que el mismo presenta. -Tensión de Salida [Etapa de transformación] - +21Vpico - 21Vpico Otro dato importante de agregar es que como se mencionó previamente el trasformador a utilizar posee una potencia máxima de 150W, lo que indica que puede suministrar una intensidad máxima de 10A en base a una tensión de 15VAC, por lo tempo se implementó este modelo de transformador en el diseño y simulación de las dos fuentes que conforman el sistema de alimentación. -Etapa de rectificación- La segunda fase fundamental de una fuente de alimentación es la rectificación, como su nombre lo indica esta parte está compuesta por un rectificador, a causa de ello es importante conocer el funcionamiento del componente principal de los rectificadores: el diodo es uno de los elementos electrónicos más usados, debido a que tiene diferentes usos. Su principal función en los circuitos es permitir el flujo o circulación de corriente en un único sentido. 12 Esta etapa está constituida por diodos rectificadores cuya función es rectificar la señal proveniente del bobinado secundario del transformador. Existen 2 tipos de configuraciones que son rectificación de media onda y de onda completa. Un rectificador de media onda solo permite que los semiciclos positivos de la señal alterna lo atraviesen, es decir bloquea los semiciclos negativos, mientras que un rectificador de onda completa “convierte” los semiciclos negativos en positivos. El rectificador básicamente es dispositivo que tiene como función convertir la tensión alterna que sale del transformador a una tensión más cercana a la tensión continua. Para llevar a cabo este proceso se utilizan diodos rectificadores que cuando la tensión del ánodo sea mayor que la del cátodo dejaran pasar la corriente, esto servirá como un interruptor que se abre y se cierra según la tensión que se le sea suministrada a sus terminales - Etapa de Rectificación en La fuente de Alimentación [4A] - - Funcionamiento de un diodo rectificador en corriente alterna [AC] - La corriente alterna tiene la característica que cambia de sentido continuamente además que su amplitud varia paulatinamente aumentando y disminuyendo en el transcurso del tiempo, entonces un diodo rectificador en corriente alterna básicamente funciona de la siguiente forma: “deja pasar los semiciclos positivos y elimina los semiciclos negativos”, los diodos dentro de las fuentes de alimentación lineal y otros dispositivos electrónicos cumplen esta función, en general suelen denominarse rectificadores. Como se observa en el esquema anterior se usará un puente rectificador que posee un encapsulado de media potencia, además dicho modelo pertenece a los rectificadores “lineales”, debido la forma que presentan, suele llamarse “small” in line, “medium” in line y 13 “big” in line debido a los diferentes tamaños, además existen los modelos GBL, GBU, KBL, KBP y KBU, cada uno constituye un conjunto de series que maneja diferentes tamaños y valores de intensidades y tensiones máximas, por ejemplo: la serie GBU6 [utilizada para la simulación de la presente fuente] , comprende una serie de modelos que según la información proporcionada en su hoja de datos están diseñados para trabajar con una intensidad máxima de [6A]. Existen muchos tipos de puentes rectificadores, también llamados bridges que se venden ya preparados con los cuatro diodos en un solo encapsulado. Aunque también puedes armarlos manualmente. En este caso, usaremos uno prefabricado, el chip GBU6B el cual consta de 4 terminales, en la imagen inferior se muestra la apariencia física de este puente rectificador y su símbolo esquemático. La razón de haber elegido este puente rectificador es simple y se debe a que este puente rectificador soporta más de la intensidad deseada. Esto, lo podemos encontrar en su hoja de especificaciones que indica sus parámetros de funcionamiento. En la tabla previa se puede apreciar que este rectificador es capaz de soportar una intensidad máxima de 6A. Por ese motivo se decidió utilizar este modelo en nuestro circuito. Pero ¿Qué hace en nuestro circuito? Como ya se explicó, un rectificador recibirá tensión alterna proveniente de la salida del rectificador y en este caso debido a que se implementó un puente 14 de diodos, el mismo dejará que los semiciclos positivos de la señal alterna lo atraviesen pero además convertirá los semiciclos negativos en positivos. En nuestro caso básicamente se transformaran los semiciclos negativos a semiciclos positivos como se muestra más adelante. - Salida del Rectificador de Onda Completa - Inicialmente se tiene una señal sinusoidal de aproximadamente 21Vpico provenientes de la salida del transformador, pero debido a que se presenta una caída de tensión en dos diodos rectificadores durante cada semiciclo y según el fabricante cada elemento [diodo] tiene una caída de 1.1V, el voltaje pico [Vpico] en la salida del rectificador seria el siguiente: 𝑉 = 21𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 − 1.1(2) 𝑉 ≈ 19𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 Por lo tanto a la salida del rectificador se tendrá una señal oscilante de 19Vpico, otro dato importante es que la frecuencia se duplica en el rectificador de onda completa, pasa de una frecuencia de red de 60Hz, a una de 120Hz, para culminar este segmento en la imagen inferior se observa una gráfica de la tensión de salida del rectificador. +19Vpico -Etapa de filtraciónLa mayoría de los circuitos digitales trabajan con corrientes directas así que necesitan una señal lineal en vez de pulsos, debido a esto el circuito de la fuente necesita integrar un bloque de filtrado el cual se encargara de hacer que las señales en forma de pulso [oscilaciones] se transforman en una señal más o menos continua. La señal que se obtiene en salida de la rectificación es una señal en forma de pulsos, puesto que el puente de diodos solo deja pasar los semiciclos positivos y transforma los semiciclos negativos de la señal de corriente alterna. 15 La forma más sencilla de implementar un circuito efectivo es mediante la conexión en paralelo de un capacitor, debido a que el capacitor es un dispositivo el cual puede almacenar cierta carga cuando es aplicada una corriente en sus terminales y proporcionar esta carga cuando se le deja de aplicar la corriente, en base a ello lo podemos utilizar como un filtro. Un condensador también conocido como capacitor es un componente electrónico pasivo además de un aparato imprescindible en la electrónica, en primer lugar hay que comprender que un condensador tiene formas de operación muy diferente dependiendo del tipo de corriente que se le suministre [AC o DC] , sin embargo para entender su funcionamiento y contribución en el presente proyecto solamente es necesario entender su funcionamiento en “Corriente Directa”, aunque la salida del rectificador aún no es completamente directa gracias al condensador se acercara aún más a una tensión limpia y fija. Un condensador está formado por dos láminas de un metal conductor, separadas a muy poca distancia por un material aislante [llamado dieléctrico] como plástico o cerámica. Las láminas conductoras están tan cerca que sus átomos pueden “verse, pero no tocarse”, explicado más técnicamente, las láminas están lo suficientemente cerca para que los átomos con falta de electrones atraigan a los electrones de la lámina contraria. El dieléctrico no permitirá que los electrones puedan pasar de una lámina a la otra. - Símbolo del condensador - - Carga del condensador - Al aplicar una tensión eléctrica con una batería, ésta aportará electrones por un polo, y los atraerá por el otro. Los electrones aportados se agolparán en una lámina del condensador, y en la otra desaparecerán al ser absorbidos por la batería. Al haber movimiento de electrones, habrá una corriente eléctrica [corriente de carga]. Cuando los átomos de las láminas conductoras no admitan más exceso o falta de electrones, éstos dejarán de moverse, por lo que la corriente hacia dentro o hacia afuera del condensador se detendrá. Mientras la tensión aplicada 16 se mantenga, los electrones seguirán “empujando” contra la lámina aislante, atraídos por el polo opuesto, aunque no se muevan. Al no moverse, no hay corriente. -Descarga del condensador- Si hay un conductor o resistencia que lo permita, los electrones se moverán atraídos por los átomos con carga positiva. Por lo tanto, circulará una corriente eléctrica [corriente de descarga] hasta que los electrones en una lámina sean los mismos que en la otra, desapareciendo la corriente. Si se aplica una tensión con la polaridad opuesta, se repetirá todo el proceso, aunque la corriente circulará en sentido contrario. La lámina que antes tenía carga positiva [falta de electrones] ahora será negativa [exceso de electrones]. Si no hay ningún circuito de descarga que permita el paso de los electrones al desconectar la tensión, el condensador permanecerá cargado indefinidamente. Por lo tanto, tendrá una tensión propia, fruto de la diferencia de potencial entre átomos positivos y negativos. En el momento que se conecte a un circuito que permita su descarga, los electrones se moverán hasta igualarse las cargas de ambos polos. Mientras mayor superficie tengan las láminas, más átomos estarán enfrentados a la lámina contraria, y por lo tanto más electrones podrán atraer o repeler. Así, la capacidad (cantidad de carga que pueden almacenar) será proporcional a su superficie. Carga y De En la imagen inferior se muestra una representación gráfica de la carga y descarga de un condensador - Grafica de la Carga y descarga. 17 - Etapa de filtración en la Fuente de Alimentación [4A] - En el caso de nuestro circuito, como se muestra en el diagrama previo, se utilizaron 2 condensadores con un valor respectivo de 5600µF, además para la implementación de los regulares se agregaron dos más de 0.33µF y otro par de 0.1µF debido a recomendación del fabricante. El cálculo para determinar el valor de estos condensadores se muestra a continuación: Para determinar el valor ideal de un condensador para la etapa de filtrado se implementa la siguiente formula. 𝐶= 𝐼𝑚á𝑥 𝑓 ∙ 𝑉𝑟𝑝𝑝 El voltaje Rizo pico a pico se encuentra haciendo la diferencia del voltaje máximo y el voltaje mínimo. 𝑉𝑝𝑝 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 − 𝑉𝑚𝑖𝑛 El voltaje máximo como su nombre lo indica es el valor máximo de tensión que se presenta en la entrada del filtro, como fue mostrado con anterioridad debido a la caída de tensión en el puente rectificador este valor será de 19Vpico. Por otro lado el voltaje mínimo será la tensión mínima que queremos obtener a la salida del filtro, se puede determinar en base al voltaje mínimo que necesita el regulador para funcionar adecuadamente , en nuestro caso el LM7812 necesita 3V por encima de su tensión de salida es decir : 𝑉𝑚𝑖𝑛 12 + 3 = 15𝑉 18 Sin embargo, necesitamos activar el transistor de potencia, utilizado para suministrar corrientes superiores a las que soportan los reguladores, por lo tanto se debe polarizar la resistencia de activación para el transistor. En nuestro caso se definido una tensión de activación o tensión emisor-base [VEB] 1V, por lo tanto el voltaje mínimo necesario seria de: 𝑉𝑚𝑖𝑛 = 15𝑉 + 1𝑉 𝑉𝑚𝑖𝑛 = 16𝑉 El siguiente punto es determinar el voltaje de rizo pico a pico [Vrpp], mediante la diferencia entre el voltaje máximo y el voltaje mínimo. 𝑉𝑟𝑝𝑝 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 − 𝑉𝑚𝑖𝑛 𝑉𝑟𝑝𝑝 = 19𝑉 − 16𝑉 𝑉𝑟𝑝𝑝 = 3𝑉 Ahora se sustituyen los datos en la fórmula mostrada previamente: 𝐶= 𝐼𝑚á𝑥 𝑓 ∙ 𝑉𝑟𝑝𝑝 𝐶= 4𝐴 120𝐻𝑧 ∙ 3𝑉 𝐶 = 11,111µ𝐹 Debido a que, conectando dos capacitores en paralelo, sus valores se suman, podemos usar dos capacitores de 5555.5 µF. Sin embargo comercialmente este valor no existe. Por esta 19 razón, se optó por utilizar dos capacitores 5600µF. En función de ello se puede determinar el nuevo voltaje mínimo y el factor de rizo. - Voltaje mínimo. 𝐶= 𝐼𝑚á𝑥 𝑓 ∙ 𝑉𝑟𝑝𝑝 𝑉𝑚𝑖𝑛 = 𝑉𝑚á𝑥 − 𝑉𝑚𝑖𝑛 = 19𝑉 − 𝐼𝑚á𝑥 𝑓∙𝐶 4𝐴 120𝐻𝑧 ∙ (2 ∙ 5600µ𝐹) 𝑉𝑚𝑖𝑛 = 16.02𝑉 - Factor de Rizo 𝐹𝑟 = ( 19𝑉 − 16.02) ∙ 100 𝑉𝑚𝑎𝑥 𝐹𝑟 = 2.98 ∙ 100 19𝑉 𝐹𝑟 = 15.68% - Señal de salida del filtro - Vmáx = 19V Vmin = 16V 20 - Etapa de regulación - La etapa de regulación es la cuarta y última etapa fundamental de una fuente de alimentación lineal, al igual que las otras fases como su nombre lo indica está conformada por un dispositivo denominado regulador de tensión, un regulador circuito electrónico compuesto por diferentes elementos. Esta etapa consiste en el uso de uno o varios circuitos integrados que tienen la función de mantener constantes las características de tensión. Los reguladores de tensión utilizados para la creación de este tipo de fuentes son conocidos como reguladores lineales, es el modelo menos complejo, ya que solo posee tres terminales. La primera es Vin, que significa Voltage In, que se traduce como voltaje de entrada. La segunda es Vout, que se traduce como Voltaje de salida. Y la última, GND o masa. La distribución de sus pines es dependiente del modelo y fabricante Su funcionamiento general es “eliminar” el rizado o disminuir lo más posible el factor de rizo presente en la señal proveniente del filtro, de esta manera logra mantener una tensión constante, limpia y fija entre su el terminal central [GND] y el de salida [V out]. Según se indique el modelo de regulador, existen diferentes tipos de reguladores de tensión por ejemplo los reguladores positivos como la familia 78XX, que cuenta con diferentes variantes capaces de manejar tensiones de 5V, 6V , 8V, 9V, 12V, 15V, 18V, 20V, 24V, 27V, en los modelos 7805, 7806, 7808, 7809, etc., aunque en la tabla superior se especifica que el regulador necesita una tensión de entrada con una valor de 2V por encima de la tensión de salida, lo mejor es que la tensión de entrada sea 2.5V o 3V superior a la tensión de salida. Usando esta tabla como referencia, nos encontramos con los modelos que necesitamos con mayor facilidad. El 7805 necesitaría un mínimo de 7V debido a que ya le proporcionamos lo adecuado [15V] funcionaria sin ningún tipo de problemas, igualmente el 7812, cuyo voltaje mínimo sería de 14V, de esta manera ambos reguladores nos entregarían el voltaje de salida deseado: 5V y 12V respectivamente. En nuestro circuito, necesitamos conseguir 12V y 5V, para el sistema de control de acción mecánica para las bombas de agua y el sistema de control de temperatura. Con lo previamente visto ya, concluimos que tenemos que utilizar un LM7812 y un LM7805, debido a que nos proporcionaría los voltajes deseados. 21 - Etapa de regulación en la fuente de alimentación [4A] - A continuación se presenta de manera breve la teoría sobre los reguladores de tensión utilizados en la presente fuente además de la aplicación y funcionamiento del proceso de activación del transistor de potencia en función de la corriente que circula por la resistencia de polarización. Todos estos elementos y el esquema de conexión general de los mismos se puede observar en el diagrama esquemático superior. - Regulador De Tensión 7805 - Es un dispositivo electrónico que tiene la capacidad de regular voltaje positivo de 5V hasta una intensidad de 1A, el regulador de voltaje 7805, básicamente es un dispositivo que cuenta con 3 pines: 1 – Tensión de entrada [Vin] 2 – Masa [GND] 3 – Tensión de salida [Vout] 22 - Regulador De Tensión 7812 - El Circuito Integrado 7812 es un circuito regulador de voltaje que a menudo constituye una porción de una fuente de alimentación. Una fuente de alimentación de tensión convierte la corriente alterna en corriente continua. Después de una rectificación inicial, la corriente oscilante se filtra para reducir el ruido y suavizar la corriente para que no fluctúe. Un regulador de voltaje idealmente impide que la tensión se exceda de la salida nominal del regulador. El LM7812 es un regulador de voltaje positivo de 12 voltios, lo que significa que la salida se mantiene en un máximo de 12 voltios. Su distribución de pines es la misma que la del LM7805 y toda la familia LM78XX. - Aplicación de transistores de potencia [PNP] - Un transistor PNP funciona de la siguiente forma, a medida que aumenta la tensión entre el emisor y la base del transistor, el mismo se activa cada vez más hasta que se conduce completamente desde el emisor hasta el colector , a medida que disminuye la tensión emisorbase, el transistor se “cierra” cada vez más, hasta que la corriente es tan baja que el transistor ya no conduce del emisor hacia el colector, además mientras más grande sea la tensión emisor- base, mayor es la corriente de emisor y también aumenta la corriente de base. - Función en la fuente de alimentación de 4A En nuestro caso, utilizamos una resistencia que polarizara un transistor PNP. Aplicando la Ley de Ohm y estableciendo que se necesita aproximadamente 1V para que la resistencia pueda polarizar el transistor se puede determinar la intensidad que circulara por la resistencia para que el transistor se polarice. 𝐼= 𝑉 𝑅 𝐼= 1𝑉 2.2Ω 𝐼 ≈ 450𝑚𝐴 Entonces sabemos que en promedio cuando se presente una caída de voltaje de 1V en la resistencia de polarización el transistor se activará, este valor es un promedio, generalmente 23 los transistores tienen un umbral de 0.6V o 0.7V. El transistor se utilizará con el objetivo de no forzar a los reguladores en el suministro de corriente, debido que si la corriente circula por los mismos son propensos a quemarse. Por lo tanto, la tensión entre el emisor y la base generada por la caída de tensión en la resistencia permitirá que la corriente circule del emisor al colector del transistor y posteriormente llegara a la bornera, lo que genera que en la salida de la fuente se presenten tensiones de 5V y 12V, y que de manera global la intensidad máxima de la fuente sea de 4A [a causa de la utilización de un fusible de protección de 0.5A]. - Resumen de Las etapas de la fuente de alimentación [4A] - - Etapa de transformación Se convierte los 120VAC/60Hz a 15VAC/60Hz, equivalentes a 21Vp, esto debido a la relación de transformación elegida previamente, que daría como un voltaje eficaz de 15Vef. 21Vpico - 21Vpico - Etapa de rectificación En esta etapa se transformaran los semiciclos negativos dejando solamente los positivos. Además de eso, el voltaje pico disminuye debido a la caída de tensión en los diodos y la rectificación en base al puente rectificador provoca que la frecuencia pase de 60Hz a 120Hz. +19Vpico 24 - Etapa de filtración Básicamente mediante la etapa de filtración en base a un arreglo en paralelo de dos condensadores de 5600µF, se obtendrá un Vrpp de 2.98V, en base a un Vmáx de 19V y un Vmin de 16.02V, además la señal de salida del filtro presentaran Fr del 15.68% Vmáx = 19V Vmin = 16V - Etapa de regulación Se amerita usar un regulador para tener una señal más limpia y con menos rizos. Por lo tanto, se empleó un regulador de tensión 7805 y un 7812 para obtener una tensión de 5VDC y 12DC respectivamente. - LM 7805 - Vmáx = 5VDC - LM 7812 - Vmáx = 12VDC Para culminar con la explicación sobre la fuente de alimentación con una intensidad máxima de 4A, es necesario explicar de manera completa y concreta el funcionamiento general de la misma, mediante la visualización del esquema funcional, para luego mostrar el diagrama esquemático, el diseño del circuito impreso, la máscara de componentes y finalmente el modelo 3D del circuito físico real. 25 - Explicación General de la Fuente de Alimentación [4A] – La Fuente de Alimentación de 4A será la encargada de suministrar la tensión y corriente necesaria para el adecuado funcionamiento del sistema de control, inicialmente se contara con una señal de 120VAC/60Hz que será modificada mediante un transformador obteniendo una tensión de 15VAC/60Hz , posteriormente mediante el rectificador de onda completa integrado por el puente rectificador GBU6B se conseguirá una señal oscilante con un voltaje máximo de 19Vpico y una frecuencia de 120Hz, luego mediante el filtro compuesto por dos condensadores electrolíticos en paralelo con una capacitancia de 5600µF, se disminuirá considerablemente el rizado, obteniendo una señal mucho más leve que oscilara continuamente entre un valor de 19V y 16V, presentando un Vrpp de 2.98 V, finalmente a través de los reguladores de tensión 7812 y 7805 se obtendrán dos salidas de voltaje fijas y limpias con un valor de 12V y 5V respecto a GND respectivamente. Uno de los componentes adicionales y fundamentales para el funcionamiento de la fuente serán los transistores de potencia que conducirán la mayor parte de la corriente en consecuencia de su polarización mediante una resistencia de 2.2 , esto con la finalidad de reducir el desgaste en los reguladores de tensión. 26 - Diagrama Esquemático - 27 - Circuito Impreso y Máscara de Componentes - - 10cm - El diseño del circuito impreso de la Fuente de Alimentación [4A], se muestra en la imagen superior, en la creación del mismo se utilizó el grosor de necesario en las pistas pertinentes para que el circuito sea capaz de suministrar eficazmente una corriente máxima de 4A. - 5cm - - 10cm - - 5cm - Se depuraron los ángulos de 90°, y fue conectado correctamente sin utilizar puentes, fue diseñado en una única capa y con un plano común de tierra. En la Máscara de Componentes, como se puede observar además de los componentes básicos [resistencias, leds, borneras, condensadores cerámicos y electrolíticos] se ha dejado espacio para colocar disipadores de calor manteniendo un orden agradable y estético. 28 - Modelo 3D de la Fuente de Alimentación [4A] En las siguientes imágenes se presentan diferentes puntos de vista del Modelo 3D correspondiente a la Fuente de Alimentación de 4A, donde se han utilizado elementos a escala para la adecuada elaboración de un modelo físico con todos los componentes electrónicos presentados anteriormente. 29 - Fuente de Alimentación de 8A - Esta Fuente de Alimentación será la encargada de suministrar los parámetros necesarios de tensión y corriente al sistema de refrigeración e iluminación, por lo tanto poseerá una tensión de 12V y una intensidad máxima de 8A. Debido a que la información teórica se explicó en la fuente de alimentación anterior, en esta no se entrará en tantos detalles para evitar la monotonía en los cálculos, así que solamente se mostrará un resumen sobre las diferentes etapas de la misma, presentando los esquemas de conexión y luego se hará énfasis en el sistema de iluminación explicando por último el funcionamiento general de la misma. - Etapa de transformación en la Fuente de Alimentación [8A] - Como se muestra en la imagen superior la etapa de transformación de esta fuente de alimentación poseerá como el circuito previo un transformador de 120VAC/60Hz a 15VAC/60Hz, es decir un trasformador con una relación de transformación 8/1. Además se utilizará un fusible de 1A en función a la relación de transformación. En la imagen inferior se muestra la gráfica de la tensión de salida en esta primera etapa. - Etapa de transformación - 21Vpico - 21Vpico 30 - Etapa de rectificación en la Fuente de Alimentación [8A] - En esta etapa se implementa un rectificador de onda completa a través de un puente de diodos debido a la caída de tensión sobre los elementos internos del puente rectificador, el valor del voltaje pico [Vpico] desciende a aproximadamente 19V, además la frecuencia de duplica. Como se muestra en el esquema inferior. +19Vpico El puente rectificador utilizado en el diseño de la presente fuente fue el GBPC801, cuya característica de funcionamiento más importante es que soporta una corriente de 8A, por lo tanto es ideal para el diseño de esta fuente de alimentación, una tabla con sus otros parámetros de funcionamiento se muestra en la parte inferior. 31 - Etapa de filtración en la Fuente de Alimentación [8A] - La siguiente tapa es la filtración, en general esta etapa consiste en capacitores conectados en paralelo y básicamente lo que hacen es convertir la onda oscilante o de pulsos a una más estable y más lineal de esta forma obtenemos una fuente que entrega una tensión de más fija y limpia , el cual es nuestro objetivo final, pero existe un problema más y es que dicha onda no es completamente lineal y puede ocasionar daños a nuestro circuito los capacitores tiene una capacidad limitada para descargar su energía, esa capacidad se mide en faradios. 𝐶= 𝐼𝑚á𝑥 𝐹(𝑉𝑅𝑃𝑃 ) El único valor que necesitamos encontrar es el voltaje de rizo pico a pico [Vrpp], para ello se necesita el voltaje máximo que será de 19V y el voltaje mínimo que debido a las características del regulador de tensión y la caída de voltaje en la resistencia de polarización para el transistor de potencia asumiremos con un valor de 15.5V, otro punto importante a recalcar es que necesitamos que la fuente sea capaz de suministrar una tensión fija en función de intensidad máxima de 8A para suplir adecuadamente las necesidades del sistema de refrigeración e iluminación, aclarado ese punto sustituimos estos valores en la fórmula mostrada anteriormente quedándonos la siguiente ecuación 𝐶= 8𝐴 120𝐻𝑧(19 − 15.5)𝑉 𝐶 = 19,047.62µ𝐹 Al resolver la ecuación nos da un valor aproximado de C 19047µF, no existe un capacitor comercial con dichas características así que se puede sustituir por 4 capacitores de 4700uF y 32 de esa manera se mejorará el funcionamiento de la etapa de filtrado. La señal que se obtiene se presenta en la gráfica inferior. Vmáx = 19V Vmin = 15.5V - Etapa de Regulación en la Fuente de Alimentación [8A] En la etapa de regulación se encuentra el regulador de voltaje que elimina los rizos entregados por el filtro entregándonos una tensión lineal necesaria para nuestro circuito, esta etapa posee un regulador de voltaje 7812 que nos entrega los 12V necesarios para nuestro circuito pero no nos entrega la intensidad necesaria pues un regulador de voltaje lo más que nos puede llegar a entregar es alrededor de 1A y nuestro circuito ocupa de alrededor de 6A como mínimo así que para aumentar la intensidad de la fuente se necesitan de unos transistores de potencia para que estos entreguen la intensidad necesaria, los transistores se conectan de esta manera. Este modelo en especial de transistor puede llegar a soportar la circulación de una intensidad de 8A, pero esto haría que nuestro transistor se sobrecaliente, así que la solución es implementar dos transistores en paralelo para que la intensidad que ocupa el circuito que 33 vamos a cargar se divida entre ambos transistores generando en ellos una menor potencia de trabajo y por lo tanto una menor temperatura. Un transistor PNP para dejar pasar corriente entre el Emisor y el Colector necesita de al menos 0.6V o 0.7V sin embargo para efectos de simulación consideramos un valor de 1V entre el Emisor y Base por lo tanto tenemos que calcular la resistencia de polarización en función de la corriente que no debe ser superior a un valor de 450mA pues si sobre pasa esta magnitud el regulador trabajará demasiado y se sobrecalentara haciendo que nuestra fuente no trabaje de manera óptima dañando algunos componentes de internos de la misma o externos de los circuitos que se alimentarán. Al igual que en el circuito anterior el resultado será de aproximadamente 2.2 , un valor comercial. El modelo de transistor a utilizar será el MJE15033G, este modelo de transistor presenta algunas características esenciales para el correcto funcionamiento de la fuente de alimentación en la imagen lateral se muestran las especificaciones de funcionamiento de este transistor PNP. Su principal característica es que soporta una intensidad de colector máxima de 8A, y picos de la misma de hasta 16A, otras de sus características a pesar de que no son muy necesarias para la elaboración del proyecto es que soporta una tensión colector-emisor y colector-base de hasta 250VDC, además posee una potencia total de disipación con un valor alrededor de los 50W, sin embargo estas condiciones dependen de diferentes variables. Una imagen de la tensión de salida de la etapa de regulación se muestra en la parte inferior. Vmáx = 12VDC Con eso se culmina la explicación de las cuatro fases de la fuente de alimentación de 8A, como se mencionó en un inicio no se detalló mucho en los cálculos, ni en la explicación de las etapas en general puesto que toda esa información ya se presenta dentro de la primera sección sobre 34 la fuente de la alimentación y la intensión no era que dichos cálculos se volvieran muy repetitivos dejando calara esa parte , lo único que falta es explicar el funcionamiento del sistema de iluminación que forma parte de la presente fuente de alimentación. - Sistema de Iluminación - La fuente de Alimentación de 8A, alimentará a un pequeño sistema de iluminación inmerso en nuestro circuito el cual cumple la función de iluminar las fotorresistencias en condiciones de poca luminosidad, a sus ves poseen interruptores para facilitar la activación y desactivación de dichos arreglos. Para la elaboración de este sistema de iluminación utilizamos Leds de 1W de potencia que consumen alrededor de 300mA y de 3.3V cada uno, así que el resto de esa tensión en función del voltaje que suministrará la fuente con un valor de 12V , será el voltaje sobre la resistencia, si se realiza la operación anteriormente mencionada se obtien un valor de 5.4, ese es el valoe de tensión en la resistencia, asi que para determinar el valor resistivo de la misma solamente necesitamos encontrar la corriente, sin embargo al estar en serie la corriente que atavíese la resistencia, será la misma corriente que se mueva por los LEDs así que posee un valor de 300mA, en base a ello a continuación se muestra la ecuación mediante la Ley de Ohm para determinar el valor de la resistencia 𝑅= 𝑉 𝐼 𝑅= 5.4𝑉 300𝑚𝐴 𝑅 = 18 Y efectivamente el valor obtenido corresponde a un valor comercial así que lo único que falta es determinar la potencia de disipación de ese resistor. Eso se realiza con la formula siguiente. 𝑃= 𝑉∙𝐼 𝑃 = (5.4𝑉 )(300𝑚𝐴) 𝑃 = 1.62𝑊 En base a ello podemos afirmar que se necesitara una resisten cique soporte una potencia de al menos 2W, sin embargo es recomendable que sea de 3W o 5W, en esta oportunidad 35 nosotros elegimos utilizar una de 5W para disminuir considerablemente el deterioro de las mismas con el paso del tiempo. Para finalizar con esta sección del proyecto a continuación se muestra la Explicación General de esta Fuente de Alimentación Lineal. - Explicación General de la Fuente de Alimentación [8A] En una fuente de alimentación de alta intensidad en necesario implementar un sistema de transistores que permitan la circulación de corrientes más elevadas, la presente fuente fue creada para alimentar una celda o peltier la cuál consume una corriente promedio 6A además del sistema de iluminación y disipación, en conjunto suministrará cerca de 7A, aunque este diseñada para un valor máximo de 8A , en esta fuente ocupamos un transformador de 120VAC eficaces a 15VAC eficaces luego, en la etapa de rectificación ocupamos de un rectificador de onda completa el cual ocupa de un puente de diodos modelo GBPC801, en la etapa de filtrado se ocupan 4 capacitores electrolíticos de 4700uF y un regulador 7812 para obtener una tensión fija y limpia de 12v sin olvidar la intervención delos transistores PNP MJE15033G que conforman una parte elemental del circuito total. 36 - Diagrama Esquemático - 37 - Circuito Impreso y Máscara de Componentes El Circuito Impreso de la fuente de Alimentación de 8A se presenta en la primera imagen inferior, la característica esencial de este circuito es el ancho de las pistas que fueron diseñadas para soportar la corriente máxima que puede proporcionar la fuente, en la imagen inferior se muestra también la máscara de componentes. Para la realización del circuito impreso no se utilizaron puentes y se implementó un plano común de tierra. - 16cm - - 5cm - - 16cm - - 5cm - 38 - Modelo 3D de la Fuente de Alimentación [8A] En las siguientes imágenes se presentan del modelo físico de la Fuente de Alimentación de 8A, se ha logrado una estética bastante buena adonde y para el correcto modelaje se utilizaron los modelos específicos de los componentes seleccionados. 39 40 - Sistema de Control - El proyecto “Dispensador Automático de Agua Fría y Caliente con LDR” , tiene como circuito principal un sistema de control, integrado a su vez por dos partes fundamentales, la primera de ellas está destinada al control de acción para la correcta activación independiente de un conjunto de dos bombas mecánicas para el agua fría y caliente respectivamente y la segunda parte será la encargada de la regulación de temperatura sobre los sistemas de potencia para la adecuada calefacción y refrigeración del agua , ambos sistemas en general son bastante similares y se han configurado a partir de un conjunto de componentes clave, el funcionamiento de cada circuito de control se basa en la aplicación de divisores de tensión, amplificadores operacionales configurados como comparador, circuitos de polarización para transistor y circuitos de activación y protección para relevador. Cada uno de estos bloques será explicado de manera independiente haciendo énfasis en el funcionamiento de los diferentes componentes que los conforman. - Diagrama Esquemático “Sistema de Control”- 41 Como se muestra en la imagen previa el sistema de control se alimentará por dos tensiones de diferente magnitud, +5V y +12V, para el control de la temperatura y la activación de las bombas de agua respectivamente, esto se debe a las especificaciones y parámetros de funcionamiento de los componentes utilizados, esas tensiones serán suministradas por el Primer Modelo de Fuente de Alimentación diseñada especialmente para esta finalidad, manejando las tensiones necesarias y contando con la capacidad de trabajar a una intensidad máxima de 4A, el circuito presentado además solo necesitara una tierra común [GND] para su correcto funcionamiento. - Circuito de Control [Bombas de Agua] - El primer circuito a desarrollar será el destinado al control de activación para las bombas de agua, el diagrama esquemático se presenta en la imagen inferior. 42 Para entender su funcionamiento en conjunto es de suma importancia comprender cada una de las partes que lo conforman por lo tanto en primer lugar se presenta la teoría sobre el comportamiento de los divisores de tensión para posteriormente abordar las resistencias fijas, varíales y las resistencias dependientes a la luz [LDR]. - Divisor de Tensión - Un divisor de tensión o divisor de voltaje es un circuito electrónico conformado por un conjunto de resistencias en serie conectadas a una fuente de tensión, como se presenta en la imagen posterior: VT + + R1 V1 - VT + V2 R2 - - En la imagen lateral se puede observar un circuito integrado por dos resistencias en serie conectadas a una fuente de tensión, es decir un divisor de tensión, en base a las propiedades básicas de un circuito serie se puede afirmar que la corriente que circula por ambas resistencias es la misma y además la suma de caídas de tensión por elemento es igual al voltaje total de la fuente de tensión, es decir el V1 + V2 = VT , por lo tanto si se suma la caída de tensión en la resistencia uno y la caída de tensión en la resistencia dos, el resultado será voltaje total, pero algo importante a destacar es la caída de tensión en cada elemento, porque la caída de voltaje depende directamente del valor de la resistencia, mientras mayor es su valor mayor será la caída de tensión en la misma, por ello es de mucha utilidad conocer la fórmula del divisor de tensión que se presenta a continuación. Algo a tener en cuenta es el origen o la justificación de la fórmula para un divisor de tensión, que básicamente es el resultado del análisis y aplicación de la “Ley de Ohm”, conocer su demostración nos permite establecer una base sólida y asimilar los principios elementales que integran la misma. La fórmula general del divisor de tensión puede ser aplicada a un número indefinido de resistores en serie, para su demostración, en primer lugar tenemos que tener presente la Ley de Ohm. 𝑉𝑋 = 𝐼𝑇 ∙ 𝑅𝑋 Por lo tanto la tensión en un resistor “x” [VX] es igual al producto de la intensidad total que circula por el circuito en serie [IT] y la resistencia donde queremos encontrar la tensión [RX].43 𝑉𝑋 = ( 𝑉𝑇 ) ∙ 𝑅𝑋 𝑅𝑇 Además también es de nuestro conocimiento que la intensidad total [IT] es igual al cociente del voltaje total [VT] y la resistencia total o también conocida como resistencia equivalente [RT] , así que se reescribe la intensidad total [IT] en la formula inicial en función al voltaje total [VT] y resistencia total [RT]. 𝑉𝑋 = ( 𝑅𝑋 ) ∙ 𝑉𝑇 𝑅𝑇 Luego de ordenar los términos se obtiene la formula general para el divisor de tensión, será de mucha ayuda para la teoría sobre el funcionamiento del circuito que se presentara paulatinamente. Antes de ello me parece adecuado considerar las fórmulas para el divisor de tensión en su forma más básica es decir cuando está integrado exclusivamente por dos resistencias en serie y una fuente de tensión. Para ello se presentan dos ejemplos a continuación. - Ejemplo # 1 - - Ejemplo # 2 12V 5V R1 100 R2 100 - V1 R1 1K R2 10K V2 Seguidamente se presentan las ecuaciones necesarias para analizar este tipo de divisores de tensión que poseen únicamente dos resistencias de igual o diferente valor y una fuente de tensión. 44 𝑉𝑅1 = ( 𝑅1 ) ∙ 𝑉𝑇 𝑅1 + 𝑅2 𝑉𝑅2 = ( 𝑅2 ) ∙ 𝑉𝑇 𝑅1 + 𝑅2 Estas ecuaciones son el simple resultado de la teoría propuesta anteriormente, utilizada para el cálculo de tensión en un divisor de voltaje simple. En el Ejemplo #1 se cuenta con una fuente de tensión de 5V y dos resistencias en serie de 100 , si se cuenta con un conocimiento básico sobre la Ley de Ohm se puede deducir que en cada resistencia la caída de tensión será igual a ½ VT, [la mitad de la tensión total], es decir 2.5V, para justificar este punto se presenta el cálculo de la tensión en la resistencia “1” mediante la aplicación del divisor de tensión. 𝑉𝑅1 = ( 𝑉𝑅1 = ( 𝑅1 ) ∙ 𝑉𝑇 𝑅1 + 𝑅2 100 ) ∙ 5𝑉 100 + 100 1 𝑉𝑅1 = ( ) ∙ 5𝑉 2 𝑉𝑅1 = 2.5𝑉 Por otro lado en el del Ejemplo #2 donde las resistencias poseen un diferente valor resulta mucho más útil la aplicación de la fórmula del divisor de tensión, evitando así posibles errores en el cálculo del voltaje, entonces en este caso se cuenta con una fuente de tensión de 12V y dos resistencias, una de 1K y otra de 10K en serie, para este ejemplo se pide encontrar la tensión en la resistencia “2”, los cálculos respectivos se presentan en la parte inferior. 𝑉𝑅2 = ( 𝑅2 ) ∙ 𝑉𝑇 𝑅1 + 𝑅2 45 𝑉𝑅2 = ( 10𝐾 ) ∙ 12𝑉 1𝐾 + 10𝐾 𝑉𝑅2 = ( 10 ) ∙ 12𝑉 11 𝑉𝑅2 ≈ 10.91𝑉 Teniendo en consideración estos aspectos a continuación se presenta la fórmula utilizada para determina la tensión en los divisores de tensión que integran el circuito “Dispensador Automático de Agua Fría y Caliente con LDR”. VIN R1 𝑉𝑂𝑈𝑇 = ( 𝑅1 ) ∙ 𝑉𝐼𝑁 𝑅1 + 𝑅2 VOUT R2 VOUT En general un divisor de tensión es una herramienta capaz de convertir una tensión de cierto valor a otra diferente siempre y cuando esta sea menor a la tensión de entrada o tensión total en el divisor de voltaje, sus aplicaciones son amplias generalmente se utilizan para establecer puntos de referencia en circuitos con impedancias o resistencias altas como los amplificadores operaciones u otro tipos de circuitos. Ahora que ya se tiene en consideración la función de un divisor de tensión, a continuación se presenta la teoría sobre resistencias fijas, variables y dependientes, en este caso de las resistencias dependientes de la luz [LDR]. 46 - Resistencias Eléctricas - 1. Resistencias Fijas. - Las resistencias o resistores son uno de los componentes fundamentales de la electrónica en general, una resistencia es un elemento físico que se opone a la libre circulación de electrones en un circuito cerrado y que causa una caída de tensión dependiente de su magnitud, la resistencia eléctrica se mide en Ohm [ ], en honor a George Simón Ohm, autor de La Ley de Ohm, dicha ley relaciona los tres parámetros eléctricos fundamentales presentes en un circuito eléctrico : Intensidad , Tensión y Resistencia. En base a esta representación gráfica conocida como “triángulo de Ohm” se relacionan las magnitudes eléctricas básicas, según las formulas siguientes: 𝑉=𝐼∙𝑅 𝑅= 𝑉 𝐼 𝐼= 𝑉 𝑅 De acuerdo a esta ley, la tensión es directamente proporcional a la intensidad, esto nos indica que si contamos con un valor resistivo fijo y aumentamos la tensión, la intensidad también aumentara su valor, además la tensión es directamente proporcional a la resistencia eléctrica, sin embargo la resistencia eléctrica es inversamente proporcional a la intensidad y viceversa, por lo tanto mientras mayor es el valor resistivo, mayor será la caída de tensión en esa resistencia y al mismo tiempo la intensidad que circulara por la misma será menor. Generalmente las resistencias están compuestas por carbón pero también existen de cerámica, nicrom, y de otros materiales, las mencionadas inicialmente cuentan con una amplia gama de valores, debido a la dificultad que representa el hecho de imprimir una cierta cantidad de dígitos sobre el cuerpo de la misma se recurrió a diseñar un código, el código de colores mediante este código se identifica fácilmente el valor de las resistencias. La tabla de valores se muestra seguidamente: 47 - Código de Colores - En la tabla inferior se muestran los dígitos numéricos que representan cada uno de los colores, además el valor si se presentan en la banda del multiplicador y su equivalencia en la banda de la tolerancia. Utilizar este código es muy sencillo si una resistencia tiene cuatro bandas, la primera y segunda corresponden a los dígitos, la tercera al multiplicador y la cuarta a la tolerancia, pero si tiene cinco bandas, el único cambio será que las primeras tres bandas conformaran los dígitos, la cuarta el multiplicador y la quinta la tolerancia y en las resistencias de seis bandas, que no son muy usuales se aplica la regla anterior sin embargo la última banda corresponde a una propiedad denominada coeficiente de temperatura. En algunos casos se pueden encontrar resistencias de 3 bandas, las reglas para las mismas son idénticas a las resistencias de cuatro bambas, sin embargo estas últimas no poseen una banda de tolerancia lo que significa que posee una incerteza del 20%. - Simbología - El símbolo eléctrico de la resistencia es uno de los más sencillos y conocidos el primero corresponde al sitema americano y el segundo al inglés, pero son equivalentes dentro de un circuito eléctrico. 48 Cuando elegimos una resistencia para implementarla en algún circuito eléctrico especifico y práctico debemos tener en cuenta que no existen todos los valores de resistencia, pero si una gran selección, esta característica es importante a evaluar para la correcta ejecución y construcción de un circuito real, la tabla de los valores comerciales de resistencia se observa en la imagen inferior: - Valores Comerciales de Resistencia - Debido a la composición interna de las resistencias, no cuentan una polaridad definida y por lo tanto a diferencia de otros elementos no representan una dificultad al realizar el montaje en un circuito electrónico. Sin embargo existe otro problema al trabajar con resistencias, este es la potencia de disipación, mientras menor sea el valor de la resistencia será necesario que sean capaces de disipar una mayor potencia, existen una serie de variantes para aplicar según la situación. Existen diferentes tipos de resistencias que son capaces de disipar potencias a partir de 1/8 W, 1/4 W, 1/2W e incluso 1 W hasta otras me soportan potencias desde 2W hasta 10W o incluso más. Para determinar la potencia que necesita ser capaz de disipar una resistencia se aplica la siguiente fórmula. - Potencia Eléctrica - 𝑃=𝑉∙𝐼 Donde la Potencia Electica expresada en Vatios o Watts [W] es igual al producto de la Caída de Tensión en la Resistencia Eléctrica expresada en Voltios [V] por la Intensidad que circula en la misma expresada en Amperios [A]. 49 Ahora que ya tenemos conocimiento sobre las resistencias fijas, podemos abordar un tipo especial de resistencias, las resistencias ajustables o variables, es decir los potenciómetros y trímmers, enfocándonos en su aplicación como un divisor de tensión. - Resistencias Variables - Las resistencias variables son un elemento electrónico cuya resistencia eléctrica puede modificarse según las necesidades del proyecto a través de la manipulación de una perilla o tornillo, siempre que dicho valor resistivo se encuentre bajo los parámetros de funcionamiento del mismo aparato. Su principio de trabajo es relativamente sencillo, internamente posee una resistencia fija de un valor establecido en el momento de su fabricación y un contacto móvil llamado cursor, que se mueve por medio de la resistencia con valor fijo, el cursor divide la resistencia en dos partes, la suma de ambas secciones resistivas será igual al valor total del potenciómetro, por lo tanto los potenciómetros se conectan en paralelo debido a que frecuentemente son utilizados como divisores de tensión. - Estructura Interna de un Potenciómetro - Material resistivo Contacto móvil Terminal # 3 Terminal # 1 Terminal Variable Si el potenciómetro anterior tiene un valor de 10K y colocamos un multímetro en escala de Ohmios, es decir medimos la resistencia eléctrica entre el Terminal # 1 y el Terminal #3, el resultado será la resistencia total [10K ], pero si utilizamos su terminal central y ubicamos 50 el contacto móvil en el 50% del material resistivo, obtenernos 5K entre el Terminal #1 y el Terminal variable o central, lo mismo sucede entre el Terminal # 3 y el terminal Variable, en conclusión mediante la aplicación de un solo potenciómetro se puede generar la función de dos resistencias fijas independientes con la diferencia que su valor resistivo puede modificarse fácilmente, por esa razón como se mencionaba anteriormente es ampliamente utilizado como un divisor de tensión, para entender mejor este concepto se presenta una representación gráfica del circuito equivalente a continuación: - Potenciómetro [Circuito Equivalente como un Divisor de Tensión] [50%]VIN VIN R1 5K - RV1 10K VOUT = VOUT R2 5K VOUT Prácticamente un potenciómetro es un divisor de tensión como tal, tomando lo mencionado inicialmente, si tenemos un potenciómetro de 10K con el cursor o terminal central en el medio del material resistivo, en otras palabras al 50% como se presenta en la imagen, entre sus extremos siempre se obtiene una resistencia fija sin embargo entre cualquier extremo y el terminal central se obtiene una resistencia de 5K , por lo tanto los dos circuitos presentados en la parte superior son equivalentes. Y según lo explicado en la teoría sobre el divisor de tensión en esa configuración de resistores debido a que ambos poseen el mismo valor el VR1 = VOUT, por lo tanto VOUT = 1/2 VIN , es decir que el Voltaje en la R1 será igual al Voltaje en la R2 y el valor de la tensión en ambos será la mitad de la tensión de entrada1/2 VIN , conociendo este comportamiento se muestran otros dos ejemplos para finalizar con este punto. 51 - Potenciómetro [Circuito Equivalente como un Divisor de Tensión] [100%]VIN - RV1 - VIN VOUT 10K = VOUT R1 10K VOUT Si se coloca el potenciómetro al 100% como se presenta en el circuito de la izquierda su equivalencia es el circuito de la derecha, si observamos no existe una resistencia entre el VIN y el VOUT por lo tanto el VIN = VOUT y toda la tensión caerá en la R1 debido a ello para evitar esta configuración se suelen colocar resistencias de protección en los extremos del potenciómetro, evitando corrientes altas y por lo tanto, como se mostrará más adelante. - Potenciómetro [Circuito Equivalente como un Divisor de Tensión] [0%] VIN VIN R1 10K - RV1 10K VOUT = VOUT 52 En este último caso cuando el potenciómetro se encuentra al 0% como en la imagen izquierda su circuito equivalente es el mostrado en la imagen derecha, debido a esto toda la tensión caerá en la R1 y el VIN = VR1 , además el VOUT será igual a 0V teóricamente porque se encuentra directamente conectado a tierra y en la práctica su valor será próximo a 0V, a causa de diferentes factores, es decir el V OUT 0V. Al igual que en el caso anterior se utilizan las resistencias de protección para evitar este tipo de configuraciones. - Resistencias de protección - En la imagen inferior se muestra un ejemplo sencillo de la aplicación de las resistencias de protección con la finalidad de evitar posibles cortocircuitos. VIN VIN VIN RP1 VOUT - RV1 - RP1 IMÁX VOUT VOUT R1 RP2 RP2 R1 RP2 RP2 En la primera imagen de izquierda a derecha se muestra uno de los divisores de tensión presentados anteriormente pero agregandole dos resitencias de protección [RP1 y RR2 ] ,en segundo lugar se presenta el circuito equivalente del anterior , pero sin las resistencias de protección y por ultimo el circuito equivalente del inicial con la aplicación de las resitencias de protección. Básicamente se utilizan las resistencias de protección para evitar corrientes altas entre la fuente de tensión o alimentación, es decir entre los terminales de tensión [ V IN y GND ] y los terminales del potenciómetro, debido a que sin ellas [RP1 y RR2 ] se corre el riesgo de un cortocircuito entre los terminales mencionados, así que para evitar cualquier clase de inconvenientes o problemas se utilizan este tipo de resistencias, se pueden usar una amplia gama de valores siempre y cuando las resistencias posean el mismo valor, evitando así variaciones en el divisor de tensión propio de la resistencia variable [potenciómetro]. 53 Esta configuración de resistencias de protección fueron utilizadas para la realización de los divisores de tensión del presente circuito “Dispensador Automático de Agua Fría y Caliente con LDR”, ahora que ya se tiene en consideración al potenciómetro como divisor de tensión en el siguiente apartado se mostraran algunos tipos de resistencias variables y su simbología. - Tipos de Resistencias Variables y su Simbología - Dentro de las resistencias variables son tipos que son ampliamente utilizados según el tipo de proyecto, esto son los potenciómetro y los trimmers, la diferencia fundamental entre ambos es que el primero es ajustado manualmente por el usuario por medio de una perilla [resistencia variable], y en el segundo caso es necesario un desarmador o destornillador para ajustarlo [resistencia ajustable], debido a ello estos últimos suelen ser mucho más precisos, sus simbología electrónica y apariencia física común se muestra en las imágenes presentes en la parte inferior. - Apariencia Física - - Potenciómetros [Resistencia Variable] - 1 1 2 3 ¿ ¿ 2 3 ¿ ¿ 3 ¿ - Simbología - 1 2 ¿ - Trimmers [Resistencia Ajustable] - 3 ¿ 1 2 ¿ 54 Para el presente proyecto se utilizaron como resistencias variables un conjunto de trimmers con un valor de 100K , configurados mediante la aplicación de las resistencias de protección, seguidamente se presentan los modelo utilizados de trimmers, también llamados trimpots de manera física, para asimilar correctamente los componentes a utilizar en el proyecto. [Trimmer Serie 3386W, Valor 100K ] - Trimmer utilizado en el proyecto [Serie 3386W, Valor 100K ]- Además, los trimmers elegidos serán lineales, es decir la variación o cambio de su resitencia será constante a diferencia de los potenciómetros logarítmicos, anti-logarítmicos, y otras variantes para la aplicación en el proyecto es recomendable utilizar potenciómetros o trimmers lineales, Su comportamiento se presenta en la siguiente gráfica: - Comportamiento de un potenciómetro Lineal - - Resistencia Eléctrica - - Ángulo de Giro o Desplazamiento - Ahora que ya se conoce el funcionamiento de las resistencias variables como divisores de tensión es importante conocer las otras variantes de las resistencias variables, por ejemplo las sensibles a la luz [LDR] o las sensibles a la temperatura [NTC y PTC] imprescindibles para entender para el correcto funcionamiento del circuito general, por ello a continuación se presentan la teoría sobre las Resistencias Dependientes de la Luz mejor conocidas como LDRs. 55 - Light Dependent Resistor [ LDR ] - La Resistencia Dependiente de la Luz, conocida también como Fotorresitor o simplemente como LDR es una tipo especial de resistencia que cuenta con una propiedad que produce que su resistencia varié o se modifique en función a la cantidad de luz que se proyecte sobre su superficie. Su principio de funcionamiento es bastante sencillo cuando la cantidad de luz sobre la superficie de la LDR asciende su resistencia desciende, es decir será menor y cuando sea la cantidad de luz sobre su superficie es menor, su resistencia tendrá un valor mayor, ese comportamiento se presenta en la gráfica inferior: - Grafica Resistencia/Luz [LDR] - - Resistencia Eléctrica [ ] - - Intensidad Lumínica [Lux] - Básicamente su funcionamiento se explica de la siguiente forma, cuando la LDR no está expuesta a radiaciones luminosas, en simples palabras a la luz, los electrones presentes en su superficie están firmemente unidos en los átomos que conforman su estructura, pero cuando se presenta luz sobre esta superficie, la energía lumínica [radiaciones luminosas] libera electrones con lo cual el material se hace más conductor y por lo tanto su resitencia eléctrica disminuye considerablemente. Las LDR poseen un valor de resitencia determinado por su construcción, cuando se mide el valor resistivo entre sus extremos con ayuda de un multímetro podemos darnos cuenta prácticamente que al medir en la oscuridad los valores de su resitencia son cercanos a 1 mega Ohmio [1MOhm] y cuando se exponen a la luz, dependiendo de la intensidad de la misma se pueden identificar valores resistivos alrededor de los 100 aunque en algunas ocasiones pueden descender hasta los 50 o incluso menos, estos valores dependen del fabricante y del modelo, pues existe una gran variedad de las mismas. 56 Existen dos formas básicas para conectar una LDR como un divisor de tensión, para ello aplicaremos los conocimientos adquiridos al inició en la explicación de los mismos, dependiendo del esquema de conexión y del uso o finalidad del arreglo resistivo se presentas las dos formas más comunes y con mayores aplicaciones prácticas. - Esquema de Conexión #1 [mayor luz, mayor tensión] - Al conectar la fotorresistencia o LDR al nodo positivo de nuestra fuente de tensión tendremos que al incidir una mayor cantidad de luz sobre la superficie de la resistencia se provocará una menor caída de voltaje o diferencial de potencial entre la fuente de alimentación [VIN] y el pin de referencia [VOUT], por lo tanto se tendrá una mayor tensión en VOUT . A continuación se presenta dicha configuración: VIN = 12V VIN = 12V LDR1 LDR1 VOUT VOUT R2 R2 Como se observa mientras mayor es la intensidad lumínica mayor es la tensión en el terminal de salida [VOUT] , recordando los divisores de tensión y sus características , además de las propiedades de la resistencia eléctrica, se concluye que cuando se incide una valor alto de luz en la fotorresistencia [LDR1] ,el valor propio de su resistencia disminuye, y en base a la Ley de Ohm, mientras menor es la resistencia, menor es la caída de tensión en la misma, por lo tanto si la caída de tensión en el foto-resistor [LDR1] es baja , la mayor parte de la tensión cae en la otra resistencia [R2], y por ende el valor de la tensión reflejado en el multímetro es mayor. 57 Mediante la aplicación del divisor de tensión se pueden conseguir los valores de resistencia presentes en la LDR cuando varia la luz, sin embargo no lo considero necesario, por otro lado algo a importante a recalcar es que esta configuración de fotorresistencia fue utilizada para la realización del presente proyecto de módulo “Dispensador Automático de Agua Fría y Caliente con LDR”. - Esquema de Conexión #2 [mayor luz, menor tensión] - En esta configuración la fotorresistencia se conecta al nodo de GND o tierra, provocando un comportamiento inverso al explicado previamente, cuando se incida una mayor cantidad de luz sobre la superficie de la resistencia se provocará una mayor caída de voltaje entre la fuente de alimentación [VIN] y el pin de referencia [VOUT], por lo tanto se tendrá una menor tensión o voltaje en VOUT . En la parte inferior se muestra la configuración: VIN = 12V VIN = 12V R2 R2 VOUT VOUT LDR1 LDR1 En este caso mientras mayor es la intensidad lumínica menor es la tensión en el terminal de salida [VOUT] como se observa en los divisores de tensión previos, esto sucede porque cuando se incide una valor alto de luz en la superficie de la fotorresistencia [LDR1] ,el valor de su resistencia disminuye al igual que en el esquema de conexión #1 , siempre en base a la Ley de Ohm se conoce que mientras menor es el valor de la resistencia, también la tensión en la misma será menor, por lo tanto si la caída de tensión en el fotorresistencia [LDR1] es baja , la 58 mayor parte de la tensión cae en la otra resistencia [R2], y por lo tanto la magnitud de la tensión que se puede observar en el multímetro es menor. - Tipos de Fotorresistencias - Existen diferentes tipos de fotorresistencias que podemos clasificar en base a los materiales de los cuales están constituidas o según su linealidad resistiva, es decir su comportamiento en función de la luz. La LDRs están conformadas por un cristal semiconductor fotosensible, para su elaboración los más utilizados son el sulfuro de talio, el sulfuro de cadmio, el sulfuro de plomo, y el seleniuro de cadmio. La LDRs de sulfato de cadmio son extremadamente sensibles a cualquier tipo de radiaciones luminosas que son perceptibles o visibles en el espectro de onda del ser humano, por otro lado las de sulfuro de plomo son especialmente sensibles a las radiaciones infrarrojas y por ello tiene un campo de trabajo diferente a las primeras. Además por lo general suelen clasificarse en lineales y no lineales, una fotorresistencia lineal es también conocida como fotodiodo, pero en algunas aplicaciones es posible utilizar como foto-resistores debido al comportamiento lineal que presentan y su funcionamiento, pero las más comunes y utilizadas son las fotorresistencias no lineales su comportamiento no depende de la polaridad con la que se conecte , la gráfica la relación entre su resistencia y la intensidad lumínica en el ambiente es la que se presentó al inicio de la explicación. - Simbología [Fotorresistencia] - - Apariencia física [LDRs] - Su simbologia es sencilla y por lo tanto es facil de identificar, su simbolo electrico consiste en una resitencia fija, con unas flechas superiores en dirección a la misma indicando la recepción de la luz, el primero es el simbolo ingles y el segundo constituye el americano, fisicamente se identifican por su forma singular y sus caracteristicas franjas o rayas de un color naranja, mientras que el resto de su superficie posee un color plateado o dorado, esta constituida por dos terminales y generlamente no tiene polaridad. 59 - Ventajas y Desventajas Ventajas Cuentan con una alta sensibilidad [esto se debe a la gran superficie que puede abarcar], son fáciles de emplear en los proyectos gracias a su versatilidad, poseen un costo reducido, existe una alta relación resistencia luz-oscuridad, es decir los valores de su resistencia en la luz y en la oscuridad son bastante distantes. Desventajas Una de las ventajas es la histéresis, en palabras sencillas la histéresis es la tendencia de un material a conservar una o más de sus propiedades en ausencia del estímulo que las ha generado, en este caso la luz, lo cual retarda un poco su funcionamiento, una de sus limitaciones es que es recomendable evitar utilizar una fotorresistencia en aplicaciones donde la señal luminosa tenga cambios a gran velocidad, por otra parte la variación del valor resistivo cuenta con cierto retardo y es diferente cuando se pasa de oscuro a iluminado o de iluminado a oscuro. - Modelo de Fotorresistencia en El Proyecto - Para el diseño y simulación del proyecto se decidió utilizar la Fotorresistencia modelo NORPS-12, este tipo de LDR cuenta con la característica de poseer una respuesta espectral muy similar a la del ojo humano, además su encapsulado y recubrimiento es resistente a la humedad, motivo principal de la decisión de este modelo porque en las condiciones de trabajo del proyecto es necesario asegurarnos del correcto aislamiento del agua, por eso mismo su superficie se encuentra encerrada en una carcasa de plástico. Sus parámetros de funcionamiento presentes en su hoja de datos se muestran en la parte inferior. 60 Como se muestra en la tabla previa este tipo de LDR con la acción de la luz sobre su superficie puede poseer una resistencia eléctrica con un valor desde 5.4K hasta 12.6K y en la oscuridad una resitencia máxima de 2.5M , además es capaz de trabajar en temperaturas desde los -60 a los 75 °C [Grados Celsius] , puede resistir un pico de tensión de aproximadamente 250 Voltios tanto en corriente Alterna [AC] como en corriente continua [DC] y es capaz de disipar una potencia de 1/4W equivalente a 250mW en una temperatura de 30°C. Debido a todas estas características sobretodo su aislamiento a la humedad se eligió para la realización del proyecto, a un costado se muestra la apariencia física de la fotorresistencia NORPS-12 . - Aplicación de los Divisores de Tensión - En el circuito encargado del control de activación para las bombas de agua, se hizo uso de un total de cuatro divisores de tensión. - Divisor de Tensión - Como se observa en los esquemas se cuenta con dos divisores de tensión por cada circuito, uno con LDR y otro con potenciometro [trimmer] y resistencias de protección respectivamente en cada uno de los circuitos de control. 61 Ahora que ya se conoce la ubicación de los divisores de tensión en el presente segmento del circuito, el siguiente paso será explicar la función de los mismos para comprender poco a poco la función general del circuito presentado. - Divisores de tensión - Cada uno de los dos circuitos mostrados anteriormente funciona en base a los dos divisores de tensión presentados en la parte inferior, si se observa el circuito general, en ambos circuitos independientes de control para las bombas de agua se tiene los mismos divisores de tensión y con las mismas características. El primer divisor de tensión que se muestra es el explicado inicialmente que cumple las características del esquema de conexión #1 cuyo funcionamiento básico es “a mayor luz, mayor tensión” explicado previamente, y por el otro lado se encuentra un segundo divisor de tensión compuesto por un trimmer de 100K y dos resistencias de protección con un valor de 1K para evitar posibles cortocircuitos. En general el circuito tendrá dos estados clave que dependerán del estado de la luz en la LDR. - Estado # 1 [Presencia de luz] [Estado Básico] VIN = 12V VIN = 12V R2 1K LDR1 RV1 TRIMMER LDR 100K R1 100K R3 1K El primer estado de los divisores de tensión [Estado #1] será cuando se presente luz, en la práctica sería el estado básico o estado inactivo del circuito, es decir en condiciones normales los divisores de tensión mantendrían en su terminales de salida [LDR y TRIMMER] 62 respectivamente valores similares a los mostrados anteriormente, el divisor de tensión compuesto por la LDR y la resistencia de 100K poseerá un valor de tensión superior al valor presente en el otro divisor de tensión variable, el valor del segundo divisor de tensión para efectos de simulación fue ajustado a 6V, sin embargo en la práctica puede ajustarse según las necesidades del usuario, esa es la razón fundamental de incluir un divisor de tensión variable por medio de la utilización del trimmer. A continuación se presenta el segundo estado [Estado #2]. - Estado # 2 [Presencia de oscuridad] [Estado Activo] VIN = 12V VIN = 12V R2 1K LDR1 RV1 LDR R1 100K TRIMMER 100K R3 1K Por otro lado el segundo estado de los divisores de tensión [Estado #2] tendrá lugar cuando se presente oscuridad es decir cuando se cubra la fotorresistencia , en la práctica sería el estado activo del circuito, y se activaría cuando el usuario coloque un recipiente [botella o vaso] sobre la fotorresistencia activando así el mecanismo electrónico y por lo tanto mecánico del circuito, es decir mediante el divisor de tensión se puede captar un estímulo externo [oscuridad y luz] para enviar una señal analógica a un circuito integrado interno, activando la parte electrónica y por ende también la mecánica, integrada por las bombas de agua, en palabras sencillas , la presencia de oscuridad en la LDR activará el dispensador de agua seleccionado, en condiciones normales los divisores de tensión mantendrían en su terminales de salida [LDR y TRIMMER] valores de tensión similares a los mostrados en la simulación, el primer divisor de tensión poseerá un valor de voltaje inferior al valor presente en el otro divisor de tensión variable, este valor es 6V, pero puede modificarse como se mencionó en la parte anterior. Ahora que ya se abarco por completo el divisor de tensión, sus características, propiedades, 63 y su aplicación con resistencias fijas y variables, además de sus estados de funcionamiento en el circuito general es momento del segundo gran bloque del “Circuito de Control para las Bombas de Agua” es decir los amplificadores operacionales configurados como comparador. - Amplificador operacional [Lazo Abierto] - Un amplificador operacional es un circuito integrado [IC] ampliamente utilizado debido a su versatilidad y extensa serie de aplicaciones, originalmente se utilizaba para realizar una amplia variedad de operaciones matemáticas y por ello recibe su nombre, es un dispositivo electrónico relativamente complejo en sus configuraciones avanzadas, sin embargo para la realización del presente proyecto no es necesario profundizar ni utilizar sus aplicaciones de “amplificador” como tal, sino más bien se utilizará mediante la configuración de “lazo abierto” sin realimentación, este tipo de configuración es comúnmente conocida por el simple nombre de comparador y este nombre le queda muy bien, pues un amplificador operacional en lazo abierto no es nada más que un simple comparador de señales [tensiones]. Para entender su funcionamiento en primer lugar es necesario identificar sus pines con claridad, a continuación se presenta el diagrama simbólico de un comparador operacional y sus terminales o pines respectivos. - Simbología y Terminales V+ Entrada NO Inversora [ENI] Salida [VOUT] Entrada Inversora [EI] V- Desde su vista simbólica el pin superior e inferior son los terminales de alimentación positiva [V+] y negativa [V-] respectivamente, la tensión de alimentación puede variar según el modelo de amplificador operacional, algunos pueden trabajar con tensiones simétricas, tanto positivas como negativos y otros en cambio con una fuente simple de tensión, con un terminal tensión positiva y GND, es decir tierra, para ello es recomendable verificar los parámetros de 64 trabajo del componente presentes en la hoja de especificaciones de cada modelo aunque por lo general pueden alimentarse en una amplia gama de valores que ronda desde los +30V hasta los -30V y además de ello posee dos entradas, una de ellas es denominada entrada no inversora [ENI] generalmente marcada con un signo más [+] y la entrada inversora [EI] marcada con un signo menos [-] y una única salida [VOUT] que puede suministrar la tensión de alimentación positiva [V+] o la tensión de alimentación negativa [V-] . En general posee dos estados básicos que se explican a continuación: - Estado de Funcionamiento [ VENI VEI ] - La función básica de un amplificador operacional en lazo abierto es comparar, compara la tensión presente en la entrada inversora [EI] y en la entrada no inversora [ENI] y en base a dichas magnitudes suministrará la tensión positiva o negativa por el terminal de salida [VOUT]. V+ [VENI VEI] [ENI] [VOUT] V- [EI ] V- Si se cumple la condición mostrada en el recuadro superior donde la tensión o voltaje en la entrada inversora [VEI] es mayor que la tensión en la entrada no inversora [VENI] , es decir [VENI VEI], el amplificador operacional internamente “cortocircuita” la tensión de alimentación negativa con el terminal de salida [VOUT] , en la teoría se puede asumir que la tensión en la salida es igual al voltaje de alimentación, sin embargo en la práctica esto no es así , internamente el amplificador produce una caída de tensión menor a un Voltio [V 1V], por lo tanto la tensión de salida en este caso se puede considerar próxima a V-, [ VOUT V- ] . A continuación se muestra un ejemplo de aplicación de este estado de funcionamiento para entender de una manera más sencilla su compotamiento. 65 - Estado de Funcionamiento [ VENI VEI ] [Ejemplo] V+ = 10V ENI = 2V VOUT GND EI = 6V V- = GND Como se cumple que la tensión en la entrada inversora es mayor a la tensión en la entrada no inversora, es decir [ VENI VEI ] porque [ 2V 6V ] , internamente el amplificador operacional cortocircuita la salida [VOUT ] con la tensión de alimentación negativa [V-], por lo tanto la tensión de salida será próxima a 0V [VOUT GND]. - Estado de Funcionamiento [ VEI VNEI ] Su otro estado de funcionamiento se presenta cuanto la tensión en la entrada no inversora [VENI] es superior o mayor a la tensión en la entrada inversora [VEI] es decir se cumple la condición del recuadro inferior. V+ [VEI VENI] [ENI] [VOUT] V+ [EI ] V- Cuando [VEI VENI ] el amplificador operacional a causa de su estructura interna “cortocircuita” la tensión de alimentación positiva con el terminal de salida [VOUT] , por ende la tensión de 66 salida en este caso se puede considerar próxima a V+, [ VOUT V+ ] , seguidamente se presenta un ejemplo de este estado de funcionamiento para comprender con mayor facilidad su principio de operación. - Estado de Funcionamiento [VEI VENI] [Ejemplo] V+ = 10V ENI = 9V VOUT 10V EI = 3V V- = GND Debido que se cumple la condición donde la tensión en la entrada no inversora es mayor a la tensión en la entrada inversora, en otras palabras [VEI VENI] porque [ 3V 9V ] , gracias a sus características internas el amplificador operacional cortocircuita la salida [VOUT ] con la tensión de alimentación positiva [V+] por lo cual la tensión de salida será próxima a la tensión de alimentación positiva en este caso 10 voltios [VOUT 10V] . Los amplifiadores operacionales en lazo abierto tienen la caracteristica de poseer una ganacia ideal infinita, en la práctica esta ganacia puede encontarse entre una valor de 10,000 y 200,000 o inluso más , la ganacia es una propiedad fundamental de los amplificadores operacionales, en este modo de operación le permite al circuito integrado [I.C] entregar una tensión de salida [VOUT] muy alta respecto a un pequeño estimulo en alguna en sus entradas [ENI y EI ] , esta propiedad además es muy eficaz al momento de comparar debido a que a causa de la misma a la minima diferencia de tensión entre sus entradas, [ENI y EI ] el amplificador el operacional comunmente llamado como Op-Amp puede identificar esta pequeña diferencia y cotocircuitar la salida [VOUT] con la tensión de alimentación positiva y negativa según corresponda. La ecuación para determinar la ganacia se presenta en la parte inferior: 𝐴𝑉 = 𝑉𝑂𝑈𝑇 𝑉𝐼𝑁 67 Donde AV es la ganancia en “veces” es decir la cantidad de veces que la tensión de salida [VOUT] es superior a la tensión de entrada [VIN], donde la tensión de entrada [VIN] y la tensión de salida [VOUT] estan expresadas en Voltios [V]. Otra de las caracteristicas más importantes en un amplificador operacional es la impedancia de entrada y la impedancia salida , la impedancia en palabras sencillas es la resistencia electrica que presenta un circuito de corriente alterna, por lo tanto tambien se puede denominar como resistencia de entrada o resistecnia de salida, el nombre de “impedancia” lo recibe porque suele utilizarse el amplificador operacional en aplicaciones con corriente alterna, sin embargo este no es el caso en el presente circuito de control. Posee una impedancia de entrada con un valor resistivo muy alto, en el orden de los Megaohms [M ] y una impedancia de salida muy baja, en el orden de los Ohmios [ ] que generalmente tiene un valor entre los 5 y 20 . La impedancia de entrada es un factor importante a considerar cuando se aplica un divisor de tensión, este punto se presenta en la representación equivalente posterior. - Circuito Equivalente [Impedancia de Entrada] [ZIN] V+ V+ V+ V+ R1 R1 1K R1 1K = R2 1K R2 R1 100K = R2 1K ZIN =1M Req 999 En la imagen superior se muestran tres circuitos equivalentes entre si para comprenter la importancia de la presencia de una impedancia de entrada alta en los terminales de salida de un divisor de tensión , el primer circuito muesta al circuito básico como tal con el amplificador operacional, en segundo lugar se muestra el mismo circuito pero en ese caso se ha sutituido al amplificador opercional por la impedancia de entrada equivalente [ZIN] con un valor resitivo de 1M y por ultimo se muestra el resultado de simpliflicación de resistencias en paralelo 68 entre la R2 y la ZIN , como se puede observar el resultado, es decir la resistencia equivalente [Req] tiene un valor muy parecido a la R2 y por lo tanto , la tensión aplicada en el divisor de tensión no presentará mucha diferencia respecto al divisor de tensión inicial, por esta razón es que el uso de señales de referencia [tensiones] a partir de un divisor de tensión se debe reservar a circuitos con impedancias de entrada enormes en el rango de los M propias de circuitos integrados[IC] y micro-controladores. Luego de conocer los dos estados básicos de funcionamiento de un amplificador operacional, [ VENI VEI ] y [ VEI VENI ] , además de las características esenciales del dispositivo como su ganancia e impedancia de entrada y salida, es momento de presentar el tipo de amplificador operacional utilizado para la realización del proyecto. - Modelo de Op-Amp en el Proyecto [LM358] - Para el diseño y simulación del proyecto se utilizó el I.C LM358, que internamente posee dos amplificadores operacionales con entradas y salidas independientes pero que a su vez comparten los terminales de alimentación, consta de un encapsulado PDIP 8 [pines o terminales] , según su hoja de datos, sus terminales se encuentran distribuidos de la forma que se presenta en la parte inferior, además se muestra el nombre de cada terminal y su función. LM358 69 Como se observa en el recuadro previo el empaquetado consiste de un total de 8 terminales que se numeran de forma anti-horaria comenzando por el terminal más cercano a la muesca o marca, cuando la misma se coloca hacia la izquierda. Un resumen de los terminales se presenta a continuación: - Terminales de Alimentación - Terminal N° 4 [ GND / V- ] : Conexión o toma de tierra para configuraciones de suministro único, es decir que solo necesitan de una fuente de tensión y alimentación negativa para un suministro dual. Terminal N° 8 [ V+ ] : Suministro positivo, es decir el pin donde se conecta el terminal positivo de la fuente de alimentación simple o dual, sus parámetros de funcionamiento se mostrarán más adelante. - Amplificador Operacional “A”- Terminal N° 1 [OUTA] : Básicamente este pin es la salida de tensión [VOUT] del amplificador operacional “A” Terminal N° 2 [- INA] : Este terminal está conectado internamente a la entrada inversora del amplificador operacional “A”. Terminal N° 3 [+INA] : Constituye la entrada no inversora del amplificador operacional “A”. - Amplificador Operacional “B”- Terminal N° 7 [OUTB] : este terminal es la salida de tensión [VOUT] del amplificador operacional “B” Terminal N° 6 [-INB] : Este pin constituye la entrada inversora del amplificador operacional “B”. Terminal N° 5 [+INB] : Este terminal es la entrada no inversora del amplificador operacional “B”. 70 Teniendo en consideración la ubicación de los terminales del LM358 [PIN-OUT], en el siguiente apartado se revisan sus parámetros absolutos de funcionamiento máximo presentes en su hoja de características. - Parámetros máximos de Funcionamiento - Dentro de las especificaciones del LM358 en su empaquetado PDIP de 8 terminales , se observa que su alimentación positiva máxima [V+] es de 32V en el caso de conectarse el terminal de alimentación negativa [V-] a GND [OV], además es capaz de trabajar con una diferencia de potencial de 32V entre sus entradas inversoras [EI] y no inversoras [ENI] respectivamente, algo a considerar es que este tipo de amplificador operacional está diseñado para trabajar con una fuente simple de tensión , por lo tanto su voltaje de entrada puede rondar valores mínimos de -0.3V hasta valores máximos de 32V, cuenta con una disipación de potencia de 830mW y es capaz de suministrar una corriente máxima de 50mA, sin embargo no es del todo recomendable operar muy cerca de su parámetros máximos de funcionamiento, por último se muestra que el presente dispositivo puede trabajar a temperaturas desde los -55°C hasta los 12°C .Una imagen de su apariencia física se observa en la parte superior. 71 Un dato importante de agregar es la simbología que presenta el amplificador operacional LM358 en un circuito electrónico, básicamente su símbolo está compuesto por dos amplificadores operaciones [IC1: A] e [IC1: B] respectivamente que comparten los terminales de alimentación, el mismo se presenta en la parte inferior: - Simbología - Conociendo toda la teoría presentada hasta el momento se puede abordar la aplicación de los amplificadores operacionales en el “circuito de control para las bombas de agua “con suma seguridad. - Aplicación de los Amplificadores Operacionales – En el circuito encargado del control de activación para las bombas de agua, se hizo uso de un único I.C LM358 que posee un total de dos amplificadores operacionales, cuyas entradas inversoras [EI] y no inversoras [ENI] están conectadas a los divisores de tensión. Como se observa en el digrama esquematico la entrada inversora esta conectda al divisor de tensión con LDR y la entrdada no inversora esta conectada al divisor de tensión variable con trimmer. 72 Para comprender el funcionamiento del circuito es necesario recordar los dos estados del divisor de tensión explicados anteriormente, el estado básico o inactivo y el estado activo, para asociarlos correctamente al funcionamiento del amplificador operacional en la configuración de lazo abierto es decir como un “comparador”. - Estado # 1 [Presencia de luz] [Estado Básico] - En este primer estado, el estado básico o inactivo la tensión en la salida del divisor de voltaje de la LDR será mayor a la tensión en la salida del divisor de voltaje integrado por el trimmer, básicamente [VTRIMMER VLDR ] , bajo estas condiciones debido a que la fotorresistencia [LDR] está conectada a la entrada inversora [EI] del amplificador operacional y la tensión de alimentación negativa es GND [0V] , la salida del mismo [VOUT] suministrará un valor próximo a 0V [VOUT 0V]. Este funcionamiento se observa en la imagen inferior. - Esquema del Funcionamiento - 12V 12V LDR 12V VOUT 0V TRIMMER TRIMMER LDR - Estado # 2 [Presencia de oscuridad] [Estado Activo] - Por otro lado, en el segundo estado, es decir en el estado activo, la tensión en el terminal de salida del divisor de voltaje compuesto por la LDR será menor a la tensión en la salida del 73 divisor de voltaje variable [trimmer], básicamente [VLDR VTRIMMER ] , es decir el contrario de lo presentado en el primer estado, bajo estas condiciones debido a que el terminal de la salida del divisor de tensión integrado por el trimmer está conectado a la entrada no inversora [ENI] del Op-Amp y la tensión de alimentación positiva [V+] es 12V, la salida [VOUT] será capaz de entregar un valor de tensión cercano a 12V, [VOUT 12V]. El estado activo se presenta a continuación: - Esquema del Funcionamiento - 12V 12V LDR 12V VOUT 12V TRIMMER TRIMMER LDR Básicamente estos son los dos estados fundamentales para el correcto funcionamiento del “circuito de control para las bombas de agua”, recordemos que este mismo circuito se presenta dos veces debido a que el primero de ellos se encargará de activar y desactivar la bomba mecánica para dispensar el agua fría y el otro para suministrar el agua caliente, de acuerdo a los cambios que presente la LDR, por lo tanto en conclusión : Cuando sobre la superficie de la LDR se incida un constante estimulo de luz el amplificador operacional se encontrará en estado básico, es decir con su salida [VOUT] en un valor cercano a la tensión de alimentación negativa, en esta oportunidad 0V, en cambio cuando la fotorresistencia sufra un estímulo de oscuridad debido a que se cubra con algún recipiente como un vaso o botella el circuito entra en estado activo, y el amplificador operacional suministra por su salida [VOUT] una tensión cercana a la tensión de alimentación positiva, en este caso 12V. Con esto se da por culminada la explicación de los amplificadores operacionales en lazo abierto [configuración de “comparador”] donde se explicó su funcionamiento general presentando un par de ejemplos, posteriormente sus características escenciales y posteriormente el modelo de amplificador operación a utilizar en el presenete circuito ádema 74 de su comportamiento como tal en el mismo, por lo tanto el siguiente apartado corresponde a la explicación del circuitos de polarización para transistor y circuitos de activaciónprotección para relevador - Circuitos de Polarización para Transistor y Circuitos de Activación – Protección para Relevador - Antes de abordar como tal este tipo de circuitos considero imprescindible conocer la teoría de los componentes inmersos en los mismos, como el transistor y el relevador o relay. A continuación como primer punto se presenta la teoría del transistor. - Transistor - En el diseño y creación de circuitos electrónicos, los transistores son considerados unos de los componentes más fundamentales, estos son dispositivos semiconductores ampliamente utilizados desde usos básicos hasta aplicaciones más complejas actualmente forman parte de casi cualquier aparato electrónico de uso cotidiano, uno de los más comunes es el transistor BJT por sus siglas en inglés bipolar junction transistor , en español conocido como transistor bipolar o transistor de unión bipolar , este tipo de transistor permite el controlar y la regular una corriente elevada mediante la aplicación de una señal bastante pequeña, en general los transistores son esenciales para el diseño de circuitos electrónicos debido a su tamaño reducido, gran versatilidad y facilidad de control , se fabrican de dos materiales, silicio o germanio al igual que los diodos esto se debe a que un transistor BJT, es equivalente a dos diodos rectificadores, En este apartado se explicara sobre el transistor BJT NPN. - Transistor BJT NPN - En cuanto a los transistores BJT, existen dos tipos los NPN y los PNP, en ese caso la explicación abordará los transistores PNP imprescindibles para comprender el funcionamiento del circuito de polarización y activación del relevador, a continuación se muestran tres representaciones equivalentes de un transistor BJT PN, el primero de ellos presenta su estructura interna compuesta por tres semiconductores , dos semiconductores del tipo “N” a los extremos y un 75 semiconductor central de menor tamaño de tipo “P”, a razón de estos materiales se debe su nombre “NPN”, existen diferentes formatos y encapsulados pero todos poseen tres terminales : Colector [C] , Emisor [E] y Base [B], la segunda representación presenta el diagrama simbólico del transistor y la tercera representación muestra su circuito equivalente en función de dos diodos y una fuente dependiente de corriente. - Circuitos Equivalentes C C C N B P B B N E E E Como se observa en la estructura interna entre la Base [B] y el emisor [E] se presenta una unión PN y efectivamente Al observar el tercer circuito equivalente entre estos terminales se encuentra un diodo rectificador, lo mismo C ocurre entre la Base [B] y el Colector [B] y en el símbolo la pequeña flecha tiende a recordar la forma de un diodo, para que funcione el transistor es necesario hacer circular una B corriente pequeña de base a emisor , esta IC corriente recibe el nombre de intensidad o IB corriente de base [IB], y para esto es necesario que en la base del transistor se presente un tensión más alta que en el emisor , es decir se debe de polarizar la unión PN [ diodo ] para que pueda circular la corriente de Base [IB], E mediante la polarización del transistor y la pequeña corriente de base [IB] se consigue que el transistor permita pasar a través del colector y emisor, una corriente mucho más grande [IC] respecto a la corriente de base, entonces 76 básicamente mediante la corriente de base [IB] podemos controlar la corriente de colector [IC] , esta es la razón que en el circuito equivalente se muestre la intensidad de colector [IC] como una fuente de corriente dependiente cuyo valor será “beta” veces la corriente de base , IC = BIB, esto indica que en función al valor de corriente que se mueva desde la base al emisor del transistor multiplicado por B [beta] que constituye la ganancia del transistor se obtendrá una corriente de colector [IC] determinada, por lo tanto si no hay intensidad de base [IB] tampoco hay intensidad de colector[IC] y si hay mucha IB también habrá mucha IC . Si se razona un poco la circulación de la corriente mediante la LCK [Ley de Corrientes de Kirchhoff] se llega a la conclusión que la corriente de emisor [IE] [corriente de salida] será igual a la suma de las corrientes q de entrada en este caso IB e IC, por ende IE = IC + IB . A continuación se presentan las fórmulas más importas de este párrafo de manera más clara. - Corriente de Colector y Corriente de Emisor - 𝐼𝐶 = 𝐵 ∙ 𝐼𝐵 𝐼𝐸 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝐶 Para entender el funcionamiento de un transistor es necesario tener en cuenta que posee tres estados o zonas de operación: zona de corte, zona activa y zona de saturación. En la parte inferior se muestran los gráficos de la IB , la IC y el VCE en cada zona de trabajo. IB IC VCE VMÁX VMIN Corte Activa Saturación La zona primera zona es la zona de corte, el transistor esta en esta zona de trabajo cuando la IB = 0 , por lo tanto la IC = 0 , y la tensión entre colector y emisor es máxima [VCE = VMÁX] , la segunda zona de trabajo es la zona activa, si se aumenta la IB , la IC también aumenta su valor, siempre que IC aumenta VCE disminuye , hasta 77 que en un momento dado no pueda disminuir más [VMIN], cuando esta condición se cumple e idealmente el transistor tiene el VCE mínimo, se dice que entra en su tercer estado de operación, el estado de saturación, en este estado la tensión [VCE] ya no puede disminuir más, además en esta zona la corriente de colector [IC] es máxima, es decir ya no puede circular más corriente, sin embargo si se puede aumentar la corriente de base pero evidentemente el circuito equivalente que presenta la fuente de tensión dependiente solo es válido en la zona activa. Entonces solamente en la zona activa se cumple que la IC = B IB , B [beta] por lo general en las hojas de especificaciones se presenta como hFE que significa ganancia estática de corriente, y toma valores como 10, 30, 50, 100, 200 etc. Depende de las propiedades de composición de cada transistor, el valor de la ganancia presentada en las hojas de datos es una magnitud aproximada, en la práctica el valor de la ganancia [B] suele variar mucho, por lo tanto a l diseñar un circuito es recomendable considerar la ganancia mínima del transistor. - Transistor BJT NPN en el Proyecto - Para la simulación y diseño del proyecto se utilizó un transistor BJT del tipo NPN, modelo 2N3904, debido a que se adapta a las condiciones necesarias [corriente] para la activación del relevador, esto se explicara más adelante, pero por ahora es importante saber sus parámetros de funcionamiento, como se observa en la tabla inferior puede trabajar con un voltaje colector-emisor [VCE] máximo de 40V y un voltaje colector base [VCB] de 60V, y una tensión emisor base [VEB ] de 6V , además es capaz de permitir la circulación de una corriente de colector máxima [IC] de 200mA , puede disipar una potencia de 625mW a temperatura ambiente [25°C] , con respecto a su ganancia estática de corriente [hFE] se pueden observar diferentes valores de este modelo especifico de transistor, las magnitudes se presentan en función de la intensidad de colector [IC] y la tensión colector- emisor [VCE]. 78 - Ganancia Estática de Corriente [hFE] - El transistor 2N3904 tiene una ganancia estática de corriente que puede variar entre los siguientes valores 40, 70, 100, 60 y 30, bajo una tensión colector-emisor [VCE] de 1V y una corriente de colector [IC] de 0.1mA, 1mA, 10mA, 50mA y 100mA respectivamente aunque puede llegar a una ganancia de 300 en condiciones específicas, en general su ganancia se encuentra entre 30 y 100, para el diseño de los circuitos presentados se utilizará su mínima ganancia es decir un valor de 30. Para culminar este apartado destinado al transistor, específicamente al BJT modelo 2N3904 se presentan sus símbolos eléctricos, numeración de terminales [pin-out], empaquetados y por lo tanto su apariencia física con la finalidad de identificarlos fácilmente en un diagrama esquemático. - Simbología, Pin-out y Empaquetados - 3 [C] 2 [B] 1 [E] Como siguiente punto se muestra la teoría del relevador también conocido como relé o simplemente relay. 79 - Relevador - Un relevador, comúnmente conocido como relé o relay , es un componente electromecánico empleado usualmente en la electricidad pero también imprescindible en algunos circuitos electrónicos, el relé actúa como un interruptor, es un dispositivo cuyo funcionamiento básico es conmutar o activar circuitos externos con parámetros de trabajo de alta potencia desde un pequeño circuito electrónico con parámetros de trabajo relativamente bajos, es decir en palabras sencillas es un interruptor automático que puede manejar grandes potencias en sus contactos pero a su vez puede ser activado por potencias reducidas. Existe diferentes variantes de modelos en el mercado desde los utilizados en la electrónica con una tensión de activación alrededor de 3VDC hasta los 48VDC hasta otros más complejos activados por potencias mucho mayores, utilizados generalmente en electricidad a nivel industrial. En esta oportunidad la explicación se centrará en los relés electromecánico básico utilizado comúnmente en electrónica básica: Un relevador está constituido por el siguiente conjunto de partes: • Base: Superficie sobre la cual están montados el resto de componentes, además sirve como soporte para los contactos. • Núcleo: Consiste en una estructura sobre la cual se enrolla el alambre de cobre para la correcta elaboración de la bobina o inductor. • Bobina: Compuesta de alambre de cobre de muy bajo grosor y por lo tanto su resistencia es relativamente baja enrollada sobre el núcleo, su tamaño depende de diversos factores, como la cantidad de corriente que circulará la bobina. • Armadura: Constituye la parte mecánica interna del relé [funciona como un interruptor, es decir puede conmutar de un lugar a otro] el movimiento producido en la armadura es el resultado de la intervención del campo magnético generado por la bobina, desplazando la armadura de un lado al otro. • Contactos: son un conjunto de láminas metálicas conductoras cuyo número y posición están determinadas por el modelo de relé. La armadura es la encargada de controlar el juego de 80 contactos. El relevador utilizado para el sistema de control del proyecto “Dispensador Automático de Agua Fría y Caliente con LDR” es un relé sencillo constituido por un total de cinco terminales, dos de ello son los encargados de la activación de la bobina y por otro lado de manera aislada tiene tres contactos que forman el interruptor, estos se utilizan en función a la operación del movimiento de conmutación: NC = Contacto normalmente cerrado. C = Contacto común o central. NO o NA = Contacto normalmente abierto. El tipo de relé utilizado en el proyecto es un relé SPDT [Single pole double throw] esto quiere decir un único polo y doble tiro, en palabras más sencillas un único switch y dos estados o contactos, un único interruptor con conmutación. Algunos de sus símbolos eléctricos más comunes se presentan a continuación: - Simbología NA NC Bobina NA NC Bobina C C Como se observa en ambos símbolos eléctricos en relé esta conformado por la bobina de activación y por los tres contactos presentados anteriormente, NA, NC y C respectivamente. - Principio de Funcionamiento de un Relevador Electromagnético - Como su nombre lo indica el principio de funcionamiento es de tipo electromagnético [Electricidad y campo magnético], pero también electromecánico [Electricidad y piezas movibles], la base de su funcionamiento es una bobina central, cuando se le aplica una corriente eléctrica DC a la misma la bobina genera un campo electromagnético. Cuando la bobina no se encuentra activa la armadura unida al contacto común [C], se encuentra en su posición inicial, es decir el contacto común está conectado internamente al 81 contacto normalmente cerrado [NC]. Si se aplica una corriente eléctrica entre los terminales de la bobina, se produce un campo electromagnético alrededor de la misma que atrae la armadura metálica hacia el núcleo, este movimiento produce que el contacto común cambie de posición, es decir se abre la conexión entre el contacto común [C] y el contacto normalmente cerrado [NC] y se cierra la conexión entre el contacto común [C] y el normalmente abierto [NA], todo ello por medio del movimiento mecánico de la armadura. - Características de los relés - Las importancia de los relés se debe a que por medio de un pequeño voltaje proporcionado por un elemento de control electrónico se puede activar la bobina y por ende manejar grandes cantidades de corriente y tensión en los contactos restantes, una de las características más importantes que poseen los relevadores es el aislamiento completo, es decir por medio de un relé tenemos la capacidad para aislar con efectividad la parte de baja potencia de la parte de alta potencia, de tal manera que se puede utilizar un pequeño valor de DC en la bobina y un gran valor de AC o DC en los otros contactos para encender un bombillo, un motor o cualquier otro aparato eléctrico de alta potencia, es decir aislamos completamente el circuito de control y el de potencia como en el caso del presente proyecto. - Propiedades de los relés Las propiedades de los relés mencionadas a continuación influyen de manera directamente proporcional en su tamaño • Número de contactos. • Tensión de trabajo para la bobina [comúnmente entre los 3VDC y 48VDC] • Corriente en la bobina proporcional a la resistencia de la misma [generalmente entre los 25 y 6.4 K ] • Potencia de conmutación. 82 Para finalizar con los relevadores se presentan los parámetros de funcionamiento para el relevador utilizado en el el circuito de control para las bombas de agua, básicamente se emplearon dos relés de 12VDC. - Parámetros de funcionamiento - Basado en esta hoja de datos se tiene que el relé de 12VDC posee una resistencia eléctrica en su bobina de 400 y por lo tanto la corriente máxima ideal que circulará por su bobina será de 30mA. Otra de sus especificaciones importante a destacar para el presente proyecto es que puede manejar una intensidad máxima de 10A en función a una tensión de 28VDC. - Apariencia Física En cuanto a su apariencia física, los relevadores consisten en un pequeño prisma, usualmente de color azul o negro, en la parte inferior presenta sus cinco terminales, además sus parámetros máximos de funcionamiento [corriente y tensión] suelen estar impresos en su superficie por ello es fácil identificarlos. Ahora que ya se ha finalizado la teoría sobre los relevadores es momento de explicar la aplicación de los circuitos de polarización y activación – protección de relevador en el circuito. 83 - Aplicación de los Circuitos de Polarización de Transistor y Activación – Protección de Relevador - En circuito de control de activación para las bombas de agua hizo uso de dos arreglos de polarización para transistor y activación – protección para relevador, estos circuitos son los presentados dentro del recuadro. Como se observa en el digrama también se presenta un arreglo de dos diodos, rojo y verde respectivamente, con la finalidad de mostrar el estado básico y el estado activo.En este apartado se explicarán los parametros de funcionamiento a tener en cuenta para la selección adecuada de los componentes. - Selección de componentes Para la selección de los componentes hay que tener en cuenta algunas consideraciones, en primer lugar como se ha presentado desde el inicio el circuito de control para las bombas de agua tendrá dos estados, el estado básico y el estado activo, la aplicación del amplificador operacional como un comparador y su relación con ambos divisores de tensión mostrados anteriormente se puede resumir que en el estado básico la salida del amplificador operacional tendrá un valor cercano a 0V, es decir [VOUT 0V] y en el estado activo la salida del amplificador operacional poseerá un valor próximo a 12V [VOUT 12V], en base a esta condición se calcularán todos los valores necesarios de esta parte del circuito. Los valores necesarios a encontrar son: La resistencia de protección para la polarización transistor [existencia de base] y también la resistencia de protección para los diodos led, además se elegirá un modelo de diodo rectificador para la correcta protección del relevador. 84 Para determinar los valores necesarios se tomara en cuenta el VOUT ideal, es decir 12V exactos, aunque en la práctica estos valores puedan variar, sin embargo para la simulación teórica de los mismos me parece apropiado, además la caída de tensión del amplificador en la práctica no será muy significativa y por lo tanto en general su funcionamiento no se verá afectado. 12V R1 D1 RRL RL1 12V LED1 RB VOUT = 12V 2N3904 LED2 VB R2 Como primer punto es necesario determinar los valores de las resistencias de protección para los diodos led [R1 y R2], el cálculo se presenta a continuación: 𝑅1 = 𝑉𝑅1 𝐼𝑅1 𝑅1 = 12𝑉 − 2𝑉 15𝑚𝐴 𝑅1 = 10𝑉 15𝑚𝐴 𝑅1 = 666.67 Para determinar el valor anterior se asume que la caída de tensión en el diodo led [LED1] es de 2V y que la corriente que circula por el mismo es de 15mA, por lo tanto el voltaje en la resistencia será de 10V [12V - 2V], aplicando ley de ohm se obtiene un valor para la resistencia de protección de 666.67 , sin embargo este valor no es comercial, así que se eligió el valor comercial más cercano, en este caso 680 . Como la R1 trabajara bajo los mismos parámetros que la R2, ambas tendrán el mismo valor. 𝑅1 = 680 𝑅1 = 𝑅2 𝑅2 = 680 85 Ahora que ya se determinó el valor de las resistencias de protección, seguidamente se presenta el cálculo de la resistencia de base [RB] para el transistor, para ello es necesario tener en cuenta algunas de las especificaciones mostradas anteriormente, la primera de ellas es la resistencia de la bobina del relevador, en este caso el relé de 12V posee una resistencia interna en su bobina de 400 y otra dato importante es la mínima ganancia del transistor, el transistor BJT 2N3904 posee una ganancia estática de corriente mínima de 30 en las condiciones más desfavorables, este valor será el que se tomará para determinar las magnitudes respectivos. 𝑅𝑅𝐿 = 400 𝐵 = 30 El primer paso es determinar la corriente necesaria para la activación del relé, conociendo la resistencia de su bobina [RRL] y el valor de la tensión del relevador [12V] se puede calcular de una manera bastante simple mediante la aplicación de la Ley de Ohm. 𝐼𝑅𝐿 = 𝑉𝑅𝐿 𝑅𝑅𝐿 𝐼𝑅𝐿 = 12𝑉 400 𝐼𝑅𝐿 = 30𝑚𝐴 Por lo tanto el valor de la corriente de activación es de 30mA, este valor también es verificable en su hoja de especificaciones que fue mostrada en el espacio correspondiente a sus parámetros de funcionamiento, sin embargo se trabajara con un factor de seguridad de 2, esto significa que no se utilizará el valor de 30mA, sino un valor de 60mA [el doble de la intensidad determinada] con la finalidad de evitar inconvenientes, esta magnitud corresponde a la corriente de colector [IC]. 𝐼𝐶 = 60𝑚𝐴 Aunque la intensidad de colector [IC] se trabaje con 60mA para realizar los cálculos, en la práctica no es posible que este valor de corriente circule por esta parte del circuito por la relación que se debe cumplir entre la tensión en el relevador y su resistencia interna presente en su bobina en base a la ley de Ohm, es decir que le estaremos exigiendo al transistor que permita la circulación de una corriente de 60mA, cuando solamente puede circular una intensidad de 30mA, en pocas palabras se trabajará con el transistor en estado de saturación , como si se tratase de un interruptor. 86 Así que a continuación se presentan los cálculos necesarios para determinar el valor de la resistencia de protección para el transistor. 𝐼𝐶 = 𝐵 ∙ 𝐼𝐵 𝐼𝐵 = 𝐼𝐶 𝐵 𝐼𝐵 = 60𝑚𝐴 30 𝐼𝐵 = 2𝑚𝐴 Al realizar el cálculo se obtiene que la intensidad necesaria en la base del transistor para activar con efectividad el relé es de 2mA, con este dato ya podemos calcular la resistencia de protección del transistor, teniendo en consideración que la tensión base-emisor del transistor [VBE] que suele rondar valores próximos a 0.7V 𝑉𝐵𝐸 = 0.7𝑉 𝑅𝐵 = 𝑉𝑅𝐵 𝐼𝐵 𝑅𝐵 = 12𝑉 − 𝑉𝐵𝐸 𝐼𝐵 𝑅𝐵 = 12𝑉 − 0.7𝑉 2𝑚𝐴 𝑅𝐵 = 11.3𝑉 2𝑚𝐴 𝑅𝐵 = 5,650 Entonces se obtiene que el valor de la resistencia de protección es de 5,650 , sin embargo este valor no es comercial, pero no hay ningún problema en utilizar una resistencia de 5.6K , cuyo valor es muy cercano al determinado previamente. - Diodo en Anti-Paralelo Para finalizar con la selección de los componentes es momento de elegir el D1, este diodo rectificador conectado en anti-paralelo respecto a la bobina del relé constituye un circuito de protección, que tiene el propósito de evitar posibles daños en ciertos componentes sensibles que se encuentran cerca de la bobina del relevador, en este caso el transistor, esto se debe a que cuando se suspende la circulación de corriente en la bobina , esta genera un alto voltaje, en general la función básica del diodo es permitir que la corriente que circula por la bobina [IC] siga circulando cuando el relé se desactive. La aplicación del diodo en anti-paralelo se resume en dos situaciones, la primera situación es cuando circula una corriente por la bobina y el diodo rectificador se encuentra inversamente polarizado por lo tanto no circula corriente a través del mismo, sin embargo en la segunda 87 situación cuando el relé se desactiva, la bobina presente en su estructura interna intentará mantener la circulación de la corriente , pero como en condiciones normales no hay un camino por el cual pueda circular la corriente, debido a que entre los extremos de la bobina se genera una fuerza contra-electromotriz también se presentará una corriente en sentido inverso, que circulara por el diodo rectificador , de esta manera se logra que la corriente se mueva a través del diodo y se eviten picos de voltaje qué puede dañar otros componentes del circuito. - Funcionamiento del Diodo en Anti-Paralelo con un Relé - En la imagen inferior se muestra el sentido de la corriente durante la activación y desactivación del relevador, es decir las dos situaciones planteadas anteriormente. En la izquierda se muestra el primer estado donde el transistor esta en zona saturación y en la segunda cuando se encuentra en zona de corte. - Activación - - Desactivación - 12V 12V IC D1 D1 Ahora que ya se conoce el funcionamiento del diodo en anti-paralelo es momento de elegir un modelo [D1], existen muchas variantes, en esta oportunidad se decidió utilizar el diodo rectificador 1N4007, sin embargo cualquier modelo de la serie 1N4000 será suficiente, en el caso del diodo 1N4007 es capaz de bloquear una tensión continua eficaz [RMS] de 700V en función a una intensidad de 1A , idealmente no debería dejar circular corriente al estar inversamente polarizado, sin embargo los diodos reales, en la práctica tiene una pequeña de corriente de fuga en el orden de los microamperios [µA] , en el caso de este diodo la intensidad 88 de fuga puede tener valores entre 5µA y 50µA . Todas características explicadas me muestran en su hoja de especificaciones, en la parte inferior se presenta un segmento de la misma. El símbolo del diodo rectificador corresponde a la figura inferior, para facilitar su identificación en el esquema se debe recordar que un diodo posee dos terminales respectivamente polarizados, el ánodo es el terminal positivo y el cátodo es el terminal negativo. Además en la práctica, es decir físicamente poseen una banda gris a un extremo, esta marca es utilizada para identificar el cátodo o terminal negativo, terminal que internamente está conectado al material del tipo N. También en su cuerpo se encuentra impreso su código que varía de acuerdo a sus especificaciones. - Símbolo y Apariencia del Diodo Rectificador - [+] [-] [+] [-] 89 Ahora que ya se han determinado todos los valores de los componentes necesarios para el correcto funcionamiento del circuito se explicarán cómo funciona en conjunto el circuito de polarización de transistor en base a la resistencia de protección y el circuito de activaciónprotección de relevador con el diodo en anti-paralelo. - Estado # 1 [Presencia de luz] [Estado Básico] - En este estado de funcionamiento como se ha definido anteriormente la tensión en VOUT es próxima a la tensión de alimentación negativa, es decir 0V [VOUT 0V], por lo tanto el transistor se encontrará en zona de corte debido a que IB = 0 por ende la IC también será 0 [IC = 0] , a causa de estas condiciones la bobina del relevador estará inactiva, y en el caso de producirse una fuerza contra-electromotriz en la bobina se cuenta con el circuito de protección con el diodo en anti-paralelo. Prácticamente todo el circuito se encontrará inactivo, en su estado básico incluso la carga que será la bomba de agua. 12V R1 1N4007 680 RL1 D1 12V LED1 RB VOUT = 0V 2N3904 5.6K LED2 R2 680 Sin embargo el LED1 que se eligió de color rojo permanecerá encendido debido a la diferencia de potencial de 12V respecto a la salida del amplificador operacional que tiene un valor cercano a 0V, [VOUT 0V] como se mencionó antes, la finalidad de colocar este diodo LED es indicar visualmente mediante el color rojo el estado básico o estado inactivo del circuito de control para las bambas de agua. El LED2 no se iluminara debido a que no presenta una 90 diferencia de potencial considerable, porque si se observa el conjunto integrado por el LED2 y la R2 en ambos terminales tienen una tensión cercana a 0V, por lo tanto la tensión en esos elementos es prácticamente nula. - Estado # 2 [Presencia de oscuridad] [Estado Activo] - A diferencia del estado anterior, en el estado activo o estado de trabajo la tensión en VOUT será idealmente de 12V, debido a esto circulara una corriente de 15mA atráves del LED2 , elegido de color verde para indicar el estado de activación, esta corriente se debe al valor de la resistencia de protección que previamente de determinó, además también circulará otra pequeña corriente de 2mA por la base del transistor [IB] , entrando así dicho elemento en zona de saturación, permitiendo la correcta activación de la bobina relevador a partir de la circulación de una intensidad de colector [Ic] con un valor máximo de 30mA, aunque por sí mismo el transistor es capaz de permitir una intensidad mayor, característica de la zona de saturación. 12V R1 1N4007 680 RL1 D1 12V LED1 RB VOUT = 12V 2N3904 5.6K LED2 R2 680 Al activarse la bobina del relé los contactos mecánicos cambian de posición, es decir el contacto común [C] se junta con el contacto normalmente abierto [NA] cerrando el circuito externo y por lo tanto activando la bomba mecánica de agua y dispensando el líquido frío o caliente respectivamente, el LED1 no encenderá a causa que no presenta una significativa diferente de potencial entre sus terminales, al observarse el diagrama esquemático el arreglo integrado por el LED2 y su resistencia de protección [R2] se encuentra entre una tensión de 91 12V suministrados por fuente de alimentación y 12V de la salida del amplificador, en general tendrá una tensión cercana a 0V, esta es la razón por la cual no se produce su iluminación. Para finalizar se muestra la explicación general de esta sección del sistema. - Explicación General del Circuito de Control [Bombas de Agua] El circuito de control destinado a la activación de los dispensadores de agua por medio de las bombas mecanicas, esta constituido por dos circuitos independientes uno encargado de controlar el suministro de agua caliente y el otro el de agua fría, ambos circuitos comparten la tensión de alimentación y han sido diseñanos mediante la utilización de un único I.C LM358 que internamente posee dos amplificadores operacionales. - Estado # 1 [Presencia de luz] [Estado Básico] - 92 Su mecanismo de funcionamiento se ha explicado detalladamente en cada apartado correspondiente a los componentes y secciones que integran dicho circuito pero de manera general su comportamiento en el estado básico o inactivo es el siguiente: En condiciones normales, se incidirá una cierta cantidad de luz sobre la superficie de la fotorresistencia, gracias al sistema de iluminación que forma parte de la sección de potencia o por la propia luz ambiental, algo importante de mencionar es que para el correcto funcionamiento del estado básico es imprescindible configurar inicialmente el divisor de tensión variable con trimmer según las condiciones del espacio donde el proyecto se utilice, una vez hecho eso, la luz sobre la fotorresistencia producirá que la tensión en la entrada inversora del amplificador operacional [VLDR] sea mayor al voltaje en su entrada no inversora [VTRIMMER], es decir [VTRIMMER VLDR ] por lo tanto en base a esta condición el voltaje de salida del amplificador [VOUT] configurado en lazo abierto como un comprador será próximo a la tensión de alimentación negativa, en este caso 0V [VOUT 0V] y en consecuencia se encenderá el diodo led de color rojo para indicar dicho estado, además el transistor se mantendrá en zona de corte porque se presentará una corriente de base de 0A [IB = 0 ] y por ende la intensidad del colector será nula, [IC = 0] ,al mismo tiempo la bobina y el circuito externo permanecerán en un estado pasivo donde el contacto común [C] del relevador de 12V estará conectado a su contacto normalmente cerrado [NC] y no circulara ninguna corriente por los mismos, en resumen el dispensador de agua bajo estas condiciones de trabajo estará desactivado. Este comportamiento será igual para ambos circuitos de activación para las bombas de agua, tanto para el dispensador de agua frí como para el dispensador de agua caliente. - Estado # 2 [Presencia de oscuridad] [Estado Activo] - 93 Este otro estado denominado estado activo, será provocado por la presencia de oscuridad o en otras palabras por la ausencia de luz en la superficie de la fotorresistencia, en la práctica esto sucedería cuando la misma se cubra con algún recipiente para almacenar el agua fría o caliente. Inicialmente se parte del estado hecho de que el divisor de tensión variable ya se ha configurado correctamente mediante la manipulación del trimmer, el circuito se activará cuando se presente ausencia de luz sobre la LDR debido a que esto provocará que la tensión en el divisor de voltaje compuesto por la fotorresistencia que se encuentra conectado la entrada inversora del amplificador operacional [VLDR] sea menor al voltaje en su entrada no inversora [VTRIMMER], es decir [VLDR VTRIMMER]. A partir de la condición anterior la tensión en la salida del amplificador operacional [VOUT] será próxima a la tensión de alimentación positiva [V+] en esta oportunidad alrededor de los 12V [VOUT 12V] en función de ello se encenderá el diodo led color verde indicando el estado de activación, además el transistor entrará en zona de saturación porque se presentará una corriente de base de 2mA [IB = 2mA ] y por lo tanto la intensidad del colector será la máxima posible, en este caso alrededor de los 30mA, [IC = 30mA] esta intensidad es limitada por la resistencia del relevador, la circulación de la corriente de colector genera la activación de la bobina del relevador y cambia la disposición de su juego interno de contactos por medio de un estímulo mecánico, el contacto común [C] del relevador que en el estado básico está conectado al contacto normalmente cerrado [NC] cambiará de posición hacia el contacto normalmente abierto [NA] , debido a esto se cierra el circuito externo y se genera la circulación una corriente por los contactos del relevador, activando la bomba de agua cuyas especificaciones de tensión y corriente máximas son de 12V y 350mA respectivamente. En general mediante la presencia de oscuridad sobre el fotorresistor, se desencadenará una serie de procesos que tendrán como finalidad la activación de la bomba mecánica para el correcto suministro de agua fría o caliente, el comportamiento presentado será el mismo para 94 ambos circuitos independientes, el primero controlará la bomba para el agua fría y el segundo la bomba para el agua caliente pero equivalentemente tienen las poseen las características. Con esto se da por finalizada la explicación sobre el circuito de control para la activación de las bombas de agua y se comienza una nueva etapa sobre el circuito de control de temperatura para los sistemas de calefacción y refrigeración. - Circuito de Control de Temperatura [Sistema de Calefacción y Refrigeración] - El segundo circuito de control general que se procederá a explicar será el circuito de control de temperatura para los sistemas de calefacción y refrigeración, el mismo está integrado a su vez por dos circuitos similares que presentan muchas de las características explicadas en el segmento anterior, para comenzar su explicación se muestra el diagrama esquemático en la parte inferior. Una de las consideraciones a tomar en cuenta es que el presente circuito se alimenta con una tensión de 5V a diferencia del anterior encargado del control mecánico de las bombas de agua cuya alimentación era de 12V, esto es debido a uno de los componentes imprescindibles para el correcto funcionamiento de este segmento del circuito global, dicho elemento es el 95 termistor , específicamente el NTC, su teoría, simbología, apariencia física, características, modelos y aplicación en el circuito mediante los divisores de tensión se explica en el apartado posterior. - Termistor [NTC] - Los termistores son un tipo especial de resistencia variable, que cambia su valor resistivo en función de la temperatura, en grandes rasgos es un componente ampliamente utilizado para la detección de temperaturas, están compuestos a partir de un material semiconductor sintetizado de manera tal que cambie sus propiedades internas [resistencia] en proporción a variaciones de temperatura . El nombre de termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor que significa resistencia sensible a la temperatura, básicamente existen dos tipos de termistores: NTC [Negative Temperature Coefficient ] y PTC [Positive Temperature Coefficient] , es decir el primero posee un coeficiente de temperatura negativo, esto significa que mientras mayor es su temperatura menor será su resistencia, el otro por el contrario que posee un coeficiente de temperatura positivo, se comportara de manera inversa, es decir mientras mayor sea la temperatura mayor será el valor de su resistencia. Para el presente segmento del proyecto se hará uso únicamente del termistor NTC, una gráfica de la temperatura respecto a su valor resistivo se presenta en a parte inferior. - Grafico Resistencia / Temperatura [NTC] - - Resistencia Eléctrica [ ] - - Temperatura [°C ] - 96 La grafica previa supone un recurso representativo con la finalidad de asociar correctamente las características de un termistor con coeficiente de temperatura negativo, es decir un NTC, sin embargo una representación mucho más descriptiva e informativa sobre sus propiedades se muestra a continuación: - Grafico Resistencia / Temperatura [NTC] - Como se muestra en la imagen anterior la resistencia del termistor NTC [ ] es inversamente proporcional a la temperatura [°C ], mientras mayor es la temperatura, menor es su resistencia. A final de cuentas los termistores son sensores de temperatura y por esa razón son ampliamente utilizados, si se pone en práctica lo aprendido anteriormente acerca de los divisores de tensión y su aplicación con resistencias variables, bajo el mismo principio de un divisor de tensión con LDR, se puede diseñar un divisor de tensión con NTC capaz de percibir estímulos externos de temperatura y reflejarlos en un valor resistivo determinado por su coeficiente de temperatura. Antes de ello me parece adecuado presentar la simbología esquemática de un termistor del tipo NTC [Negative Temperature Coefficient]. - Simbología Como se presenta en la imagen lateral, el símbolo de un termistor NTC, consiste en la representación de un resistor clásico del sistema ingles con una diagonal central que indica su variabilidad, como sucede con los potenciómetros, además posee la escritura - tc° , que indica que su coeficiente de temperatura es negativo . 97 Ahora que ya se conoce la simbología de un termistor NTC resultará bastante sencilla su identificación en un diagrama esquemático, a continuación se presenta la parte principal de este apartado, donde se explica el funcionamiento de los diferentes esquemas de conexión para un divisor de tensión en relación a las diferentes aplicaciones de un termistor. - Esquema de Conexión #1 [mayor temperatura, mayor tensión] - Si se diseña un divisor de tensión en el cual el termistor NTC [Coeficiente Negativo de Temperatura] esté conectado al nodo positivo de la fuente de tensión, cuando el resistor variable perciba una temperatura mayor en su superficie, se producirá entre sus extremos, es decir entre la fuente de alimentación [VIN] y el pin de referencia [VOUT] una menor caída de tensión o diferencia de potencial, por lo tanto la tensión o voltaje en el pin de referencia [VOUT.] será mayor. En la parte inferior se muestra la configuración: VIN = 12V VIN = 12V NTC1 NTC1 VOUT VOUT R2 R2 Como se observa en los circuito previos mientras mayor es la temperatura mayor es la tensión en el terminal de salida [VOUT] , esto sucede porque cuando se presenta una mayor temperatura en el termistor [NTC1], el valor de su resistencia interna disminuye y en base a la propiedad de la resistencia eléctrica, se conoce que mientras menor es la resistencia, menor es la caída de tensión entre los extremos de la misma, por ende si la caída de tensión en el termistor [NTC1] es baja , la mayor parte de la tensión cae en la otra resistencia [R2], y por lo 98 tanto el valor de la tensión que presenta el multímetro es mayor. Este esquema de conexión para el termistor, es utilizado en el primer circuito de la etapa de control de temperatura, específicamente en el circuito de control para el sistema de calefacción. A continuación se muestra el segundo esquema de conexión - Esquema de Conexión #2 [mayor temperatura, menor tensión] - En este otro esquema de conexión uno de los extremos del termistor se conecta al nodo de GND, también denominado tierra, generando un funcionamiento contrario al explicado en el apartado previo, cuando se presente una mayor temperatura sobre el termistor NTC se producirá una mayor caída de tensión entre el terminal de la fuente de alimentación [VIN] y el terminal de referencia [VOUT], en base a lo anterior se producirá una menor tensión en el pin de salida VOUT. El esquema para este tipo de configuración es el mostrado en la parte inferior. VIN = 12V VIN = 12V R2 R2 VOUT VOUT NTC1 NTC1 Por lo tanto mientras mayor es temperatura menor es la tensión en el terminal de salida [VOUT] como se muestra en los esquemas anteriores, esto sucede porque cuando se presenta un valor de temperatura elevado en el termistor [NTC1] ,el valor de su resistencia disminuye del igual forma que en el primer esquema de conexión, por las propiedades de la resistencia se puede deducir que si la diferencia de potencial en el termistor [NTC1] es reducida, la mayor parte de 99 la tensión cae en la otra resistencia [R2], y en consecuencia la tensión en el terminal de salida [VOUT ] que es la misma tensión que hay en el termistor [NTC1] también es reducida. Teniendo esto en consideración se mostrará la aplicación de los divisores de tensión integrados por un termistor en el circuito de control para el sistema de refrigeración y calefacción. En primer lugar se muestra el modelo de termistor NTC utilizado para el control de temperatura del agua fría y caliente. - Sensor de Temperatura Termistor NTC 10k ±1% 3950 - Para la aplicación del divisor de tensión en el proyecto se hizo uso de un termistor NTC 10k 3950, el primer valor [10K] significa que posee una resistencia de 10K a 25°C [temperatura ambiente] , y el segundo numero 3950 indica la constante de resistividad [B-constante] ,la elección de este modelo de sensor se debió principalmente a su composición física de acero inoxidable con la característica de ser a prueba de agua , algo sumamente necesario ya que se plantea introducir dichos termistores en los recipientes que almacenaran el agua caliente y fría en los sistemas de calefacción y refrigeración respectivamente , este modelo en especial posee un rango de medición de -20°C hasta 105°C , más que suficiente para los valores de temperatura del proyecto que se mantendrán entre 10°C y 75°C, el tamaño de la sonda es de 5 x 25 mm y está constituida por dos terminales, es una opción ideal para medir temperaturas y según varias fuentes trabaja con tensiones de entre 3.3V Y 5V, esta es la razón por la cual se ha elegido que la alimentación de este circuito de control sea de 5V. En la parte inferior se muestra una pequeña sección de una tabla de valores que muestra el valor resistivo del termistor en función de su temperatura. 100 Ahora que ya se tiene en consideración el tipo de termistor utilizado en el proyecto se presentan a continuación la aplicación y funcionamiento de los divisores de tensión con termistor que forman parte del circuito de control para el sistema de refrigeración y calefacción. - Aplicación del Divisor de Tensión [Sistema de Calefacción] - El circuito de control para el sistema de calefacción tendrá la finalidad de mantener la temperatura del agua caliente por debajo de los 75°C, esto se logrará mediante la configuración del divisor de tensión que posteriormente enviara dicha señal al amplificador operacional. En este punto es posible identificar que el divisor de tensión con termistor se ha configurado siguiendo el primer esquema de conexión donde a mayor temperatura mayor tensión en el terminal de la salida del divisor de tensión. En general dichos divisores de tensión tendrán un estado básico o inactivo y un estado activo, estado básico se muestra se explica a continuación. - Estado # 1 [Estado Básico] [T° 75°C] - El estado básico del divisor de tensión se presentará cuando la temperatura en la superficie del termistor posea un valor menor a 75°, debido a que este fue el valor de temperatura elegido para el agua caliente, en ese estado el voltaje en el terminal de salida del divisor de tensión [NTC] compuesto por el termistor será menor a la tensión en el terminal de referencia del divisor de tensión variable [TRIMMER] compuesto por el trimmer, es decir se producirá la 101 siguiente condición, [VNTC VTRIMMER] , este estado de operación se muestra en la parte inferior: VIN = 5V VIN = 5V NTC1 R2 1K RL1 NTC R1 10K 100K TRIMMER R3 1K - Estado # 2 [Estado Activo] [75°C T°] – Su segundo estado es el estado activo, que se producirá cuando la temperatura supere los 75°C teóricamente aunque en la práctica seguramente existe una incerteza de unos cuantos grados, cuando el termistor presente más de 75°C, el divisor de tensión compuesto por dicho elemento tendrá en el terminal de referencia [NTC] un voltaje mayor al presente en la salida del divisor de tensión de trimmer [TRIMMER], es decir [VTRIMMER VNTC,] en resumen para ello fue necesario determinar el valor de ajuste del trimmer y se realizó de la siguiente forma mediante la aplicación de las formulas del divisor de tensión. 𝑉𝑁𝑇𝐶 [76°𝐶 ] = 4.37𝑉 = 𝑉𝑅1 Se parte de la condición previa donde se presenta que el valor de la tensión en el terminal de referencia [NTC] es de 4.37V cuando la superficie del termistor perciba una temperatura de 76°C, si se determina el valor resistivo de termistor en este intervalo de tiempo, nos podemos dar cuenta que los valores mostrados, en su tabla de equivalencias que relaciona su 102 resistencia eléctrica en función de la temperatura son bastante cercanas a las que se indican en el simulador, cabe destacar que para ello, el termistor debió der configurado en el programa de simulación. A continuación se muestra el calculó para determinar la resistencia del termistor a una temperatura de 76°C. 𝑋 = 𝑅𝑁𝑇𝐶 [76°𝐶] 𝑉𝑅1 = 4.37𝑉 = 𝑅1 (𝑉 ) 𝑅1 + 𝑋 𝐼𝑁 10𝐾 (5𝑉) 10𝐾 + 𝑋 𝑋 ≈ 1441.65 Si se observa su tabla de equivalencias se tiene que a 76°C la resistencia del termistor es de 1.417K o 1,417 que es equivalente, es decir tanto en la tabla de equivalencias como en la simulación se presenta valor resistivo bastante similar considerando las múltiples variaciones que pueden presentar los programas de simulación. Ahora se determinará el ajuste del trimmer, para ello tenemos que definir que el terminal de referencia [TRIMMER] tendrá que tener una tensión cercana a 4.36V, para que cuando la temperatura del agua cambie a 76°C, se produzca la condición: [VTRIMMER VNTC,] y por ende se genere el estado activo que se definió anteriormente. 𝑉𝑇𝑅𝐼𝑀𝑀𝐸𝑅 ≈ 4.36𝑉 Para determinar el valor del ajuste se aplica la fórmula del divisor de tensión teniendo como variable [X] al valor de la resistencia del trimmer. 103 𝑋 = 𝑅𝑇𝑅𝐼𝑀𝑀𝐸𝑅 𝑉𝑇𝑅𝐼𝑀𝑀𝐸𝑅 = 4.36𝑉 = 𝑅3 + 𝑋 (𝑉𝐼𝑁 ) 𝑅𝑇 1𝐾 + 𝑋 (5𝑉) 102𝐾 𝑋 = 87,944 𝑅𝑇𝑅𝐼𝑀𝑀𝐸𝑅 ≈ 88𝐾 Por lo tanto el trimmer deberá ser ajustado a una resistencia próxima a 88K , es decir al 88%, la aplicación de los cálculos determinados en la realización de la simulación del estado activo se muestra en la parte inferior. VIN = 5V VIN = 5V NTC1 R2 1K RL1 NTC R1 10K 100K TRIMMER R3 1K En el esquema simplemente se observa todo lo que ya se ha mencionado, pero ahora se puede justificar el porqué de los valores configurados, en resumen cuando la temperatura de la NTC, 104 supere una temperatura de 76°C se provocará en los divisores de tensión el segundo estado [estado activo] donde la tensión en el pin de referencia del termistor [NTC] será superior al voltaje en el terminal de referencia del segundo divisor de tensión [TRIMMER]. Ahora que ya se culminó el análisis del funcionamiento de los divisores de tensión para el sistema de calefacción se presenta la explicación para el sistema de refrigeración, muchos puntos tienen relación pero se diferencian por el esquema de conexión y la temperatura de activación. - Aplicación del Divisor de Tensión [Sistema de Refrigeración] El objetivo del circuito de control para el sistema de refrigeración será mantener óptima la temperatura del agua fría regulándola a 10°C, esto es posible atráves de la correcta configuración del divisor de tensión que cumple la función de enviar un estímulo externo [temperatura] en forma de tensión hacia el amplificador operacional. Al observar el esquema se puede reconocer que a diferencia del circuito de control para el sistema de calefacción, el presente se ha configurado siguiendo el segundo esquema de conexión donde a mayor temperatura, menor tensión en el terminal de la salida del divisor de tensión. Seguidamente se explica el estado básico o estado inactivo de este divisor de tensión. - Estado # 1 [Estado Básico] [10°C T°] El estado básico en este divisor de tensión se presentará cuando la temperatura en el NTC tenga un valor mayor a 10°C, este fue el valor de temperatura escogido para el dispensador de agua fría, en este primer estado el voltaje en el terminal de referencia del divisor de tensión del termistor [NTC] será menor a la tensión en el terminal de referencia del segundo divisor de tensión [TRIMMER], es decir se producirá la siguiente condición, [VNTC VTRIMMER] , este estado de operación se muestra por medio de los circuitos mostrados a continuación: 105 VIN = 5V VIN = 5V R2 1K R1 10K RL1 NTC 100K TRIMMER NTC1 R3 1K - Estado # 2 [Estado Activo] [10°C T°] Por otro lado el estado activo, tomará lugar cuando la temperatura del agua descienda de los 10°C, al cumplirse esta propiedad el divisor de tensión del termistor tendrá en el terminal de referencia [NTC] una tensión superior a la presente en la salida del otro divisor de tensión [TRIMMER], es decir [VTRIMMER VNTC,] a continuación se muestra el proceso para determinar el ajuste del trimmer en el segundo divisor de tensión. 𝑉𝑁𝑇𝐶 [9°𝐶 ] = 3.37𝑉 A partir de la condición previa donde se indica que el voltaje en el terminal de referencia [NTC] es de 3.37V cuando la temperatura del termistor sea de 9°C, si se encuentra la resistencia del termistor en ese instante, al igual que con el divisor de tensión para el circuito de calefacción, se observa que ambos valores son similares tanto el de la tabla de equivalencias y el presentado en el simulador. A continuación se exhibe el calculó para encontrar la resistencia del termistor NTC a una temperatura de 9°C. 106 𝑋 = 𝑅𝑁𝑇𝐶 [9°𝐶] 𝑉𝑁𝑇𝐶 = 𝑋 10𝐾 + 𝑋 3.37𝑉 = (𝑉𝐼𝑁 ) 𝑋 10𝐾 + 𝑋 (5𝑉) 𝑋 ≈ 20,674.85 Si se examina su tabla de equivalencias se tiene que a 9°C la resistencia interna del termistor es de 20.63 K o 20,630 , por lo tanto en la tabla de equivalencias y en la simulación se muestra un valor resistivo bastante parecido teniendo en cuenta las múltiples variantes que pueden presentar los programas de simulación y en la práctica. Como siguiente punto se determinará el ajuste de la resistencia variable o trimmer, para ello tenemos que definir inicialmente que la tensión en el terminal denominado [TRIMMER] tendrá que tener una tensión parecida a 3.36V, para que cuando la temperatura del agua fría disminuya hasta los 10°C, se produzca la condición: [VTRIMMER VNTC,] y por ende se genere el cambio al estado activo que se presentó previamente. 𝑉𝑇𝑅𝐼𝑀𝑀𝐸𝑅 ≈ 3.36𝑉 Para determinar el valor del ajuste se aplica la fórmula del divisor de tensión teniendo como variable [X] al valor resistivo del trimmer. 𝑋 = 𝑅𝑇𝑅𝐼𝑀𝑀𝐸𝑅 𝑉𝑇𝑅𝐼𝑀𝑀𝐸𝑅 = 𝑅3 + 𝑋 (𝑉𝐼𝑁 ) 𝑅𝑇 107 3.36𝑉 = 1𝐾 + 𝑋 (5𝑉) 102𝐾 𝑋 = 67,544 𝑅𝑇𝑅𝐼𝑀𝑀𝐸𝑅 ≈ 67.5𝐾 Por ende el trimmer tendrá que ser ajustado a una resistencia próxima a 67.5K , es decir al 67.5%, sin embargo en el programa de simulación solo se pueden colocar porcentajes enteros, por lo tanto se decidió utilizar un valor de 67K o 67% generando una tensión en el terminal de referencia [TRIMMER] de 3.3V fijos, esto debido a que bajo otras configuraciones se presentaban algunas complicaciones, por ejemplo al utilizar el valor de 68K se modificaban las propiedad de temperatura ya definidas, la aplicación de los cálculos determinados previamente en la realización de la simulación del estado activo se observa mejor en los esquemas posteriores. VIN = 5V VIN = 5V R2 1K R1 10K RL1 NTC 100K TRIMMER NTC1 R3 1K Básicamente en el esquema se muestra el funcionamiento en este estado, algo importante a recordar es que cuando la temperatura sea de 10°C se cumple que [VNTC VTRIMMER,] , el cambio en esta condición solo sucederá cuando la temperatura sea menor a 10°C, es decir [T° 10°C] , en base a lo mostrado anteriormente se puede argumentar con seguridad la razón de 108 los valores resistivos ajustados en el trimmer , en conclusión este segundo circuito de control permanecerá en estado básico, pero se activará cuando la temperatura de la NTC, descienda de los 10°C generando que la tensión en el pin de referencia del termistor [NTC] sea superior al voltaje en el terminal de referencia del divisor de tensión variable [TRIMMER]. En base a los explicad sobre el divisor de tensión con la termistor y recordando la teoría propuesta de los amplificadores operacionales mencionada e el circuito de control para las bombas de agua, como siguiente punto se muestra el funcionamiento de los amplificadores operacionales en el “circuito de control de temperatura para el sistema de calefacción y refrigeración , que en general comparten los mismos estados de operación. - Aplicación de los Amplificadores Operacionales - En el circuito encargado del control de temperatura para el sistema de refrigeración y calefacción, al igual que el sistema de control para las bombas de agua hizo uso de un único I.C LM358 que internamente posee un conjunto de dos amplificadores operacionales Como se presenta en ambos esquemas la entrada inversora [EI] esta conectada al divisor de tensión variable compuesto por el trimmer y la entrada no inversora [ENI] esta conectada al divisor de tensión con NTC. Ambos circuitos tanto el de control para el sistema de calefacción como el encargado de regular la temperatura en el sistema de refrigeración funcionan bajo el mismo principio de comparación. Para comprender dicho principio se debe tener en cuenta los dos estados del 109 divisor de tensión con NTC, mencionados en el apartado anterior, es decir el estado básico y el estado activo, y también recordar las características del funcionamiento del amplificador operacional en la configuración de lazo abierto. - Estado # 1 [Estado Básico] - En estado básico o inactivo se presentará cuando la temperatura sea menor de 75°C o mayor a 10°C, en el sistema de calefacción y refrigeración respectivamente, bajo estas condiciones la tensión en la salida del divisor de voltaje con termistor [NTC] será menor a la tensión en la salida del divisor de voltaje variable, es decir [VNTC VTRIMMER], por lo tanto debido a que el divisor de tensión variable [TRIMMER] está conectado a la entrada inversora [EI] del amplificador operacional , la salida del mismo [VOUT] proporcionara una tensión cercana al voltaje de alimentación negativo [V-] en este caso próximo a 0V [VOUT 0V]. A continuación se muestra el esquema de funcionamiento de este estado de operación en ambos circuitos, el de calefacción y el de refrigeración. - Esquema del Funcionamiento [Sistema de Calefacción] - 5V 5V NTC 5V VOUT 0V TRIMMER NTC TRIMMER - Esquema del Funcionamiento [Sistema de Refrigeración] 5V 5V 5V 110 NTC VOUT 0V TRIMMER NTC TRIMMER - Estado # 2 [Estado Activo] En el estado activo , el voltaje en el terminal de salida del divisor de tensión con termistor será mayor a la tensión en la salida de referencia del divisor de voltaje variable , básicamente [VTRIMMER VNTC ] , en otras palabras será en estado inverso al anterior , considerando que el terminal de la salida del divisor de tensión [NTC] está conectado a la entrada no inversora [ENI] del amplificador operacional y la tensión de alimentación positiva [V+] es 5V, la salida [VOUT] suministrará un valor de tensión cercano a 5V, [VOUT 5V]. A continuación se muestra este estado de operación para sistema de calefacción y refrigeración. - Esquema del Funcionamiento [Sistema de Calefacción] 5V 5V 5V VOUT 5V TRIMMER NTC NTC TRIMMER - Esquema del Funcionamiento [Sistema de Refrigeración] 5V 5V 111 5V NTC VOUT 5V TRIMMER NTC TRIMMER En general estos estados fundamentales son necesarios para la adecuada operación del “circuito de control de temperatura”, la primera sección se encargará de activar y desactivar el sistema de calefacción y la segunda sección el sistema de refrigeración, de acuerdo los estímulos que reciba el termistor NTC 10K 3950. Entonces básicamente en el sistema de calefacción cuando la temperatura se mantenga por debajo de 75°C la salida del amplificador operación suministrará un valor cercano a 0V [VOUT 0V], pero cuando la temperatura supere los 75°C el circuito entra en estado activo, por lo tanto el amplificador operacional entregará en su salida una tensión próxima a 5V, es decir [VOUT 5V] El sistema de refrigeración permanecerá en estado básico o inactivo cuando la temperatura sea superior a 10°C y el amplificador suministrará una tensión semejante a 0V [VOUT 0V], pero cuando la temperatura en la superficie del termistor descienda de los 10°C, el circuito entrará en estado activo y el amplificador operacional proporcionará una tensión similar a 5V [VOUT 0V]. De esta manera se finaliza la explicación sobre la aplicación de los amplificadores operacionales en el circuito de control de temperatura, como siguiente punto se presentarán los cálculos para determinar los valores de los elementos a utilizar en los circuitos de polarización para el transistor y activación del relevador, es decir se calculará la resistencia de protección para el transistor y las resistencias de protección para los diodos led, en función de la tensión de alimentación [5V] y la corriente necesaria para la adecuada activación del relevador con la finalidad de conmutar automáticamente sus juegos de contactos y activar los circuitos externos que perecen a los sistemas de calefacción y refrigeración. 112 - Aplicación de los Circuitos de Polarización de Transistor y Activación - Protección de Relevador - En circuito de control de temperatura para los sistemas de calefacción y refrigeración se utilizaron dos conjuntos de polarización para transistor y activación – protección para relevador, en el esquema inferior se pueden observar dentro de los recuadros. Al igual que la otra sección de control, esta tambien presenta un conjunto de leds para mostrar el estado básico y el estado activo mediante la luz roja y verde respectivamente. A continuación se muestra la selección de valores de los componentes. - Selección de componentes Para este apartado se deben definir una serie de varíales, en primer lugar el amplificador operacional en estado básico tendrá un valor de suministro cercano a 0V, es decir [VOUT 0V] , pero para los cálculos se tomará el valor ideal [VOUT = 0V] , por otro lado en el estado activo la salida del mismo presentara una tensión próxima a 5V [VOUT 5V], pro se tomara el valor 113 ideal, es decir [VOUT = 5V] , aunque en la práctica estos valores no sean exactos, pero para el cálculo de valores, no está mal considerar ideales las magnitudes, por tal razón se trabaja con un factor de seguridad en función a lo mencionado se determinaran todos los valores necesarios para esta sección del circuito de control. 5V R1 D1 RL1 RRL 5V LED1 RB VOUT = 5V 2N3904 LED2 VB R2 Inicialmente es imprescindible elegir correctamente los valores de las resistencias de protección para los diodos led [R1 y R2], el cálculo se presenta a continuación: 𝑅1 = 𝑉𝑅1 𝐼𝑅1 𝑅1 = 5𝑉 − 2𝑉 15𝑚𝐴 𝑅1 = 3𝑉 15𝑚𝐴 𝑅1 = 200 Para calcular el valor anterior se asume que la caída de tensión en el diodo [LED1] es de 2V y se busca que la corriente que circule por el mismo sea de 15mA, por lo tanto el voltaje en la resistencia será de 3V [5V - 2V], mediante la ley de ohm se obtiene un valor de 200 , sin embargo no constituye un valor comercial, así que se eligió el valor comercial más próximo, en este caso 180 . Además: 𝑅1 = 680 𝑅1 = 𝑅2 𝑅2 = 680 114 El siguiente paso es determinar la resistencia de base [RB] para el transistor, para ello es necesario tener que la resistencia de bobina del relevador, para esta parte del circuito se seleccionó un relé de 5V con una resistencia interna de 70 y también que el transistor BJT 2N3904 tiene una ganancia estática de corriente mínima de 30, este valor será el que se tomará en cuenta para calcular los valores adecuados. 𝑅𝑅𝐿 = 70 𝐵 = 30 Primero se debe determinar la corriente necesaria para activar la bobina del relevador, conociendo la resistencia de su bobina [RRL] y el valor de la tensión del relevador [5V] se puede calcular de fácilmente aplicando la Ley de Ohm. 𝐼𝑅𝐿 = 𝑉𝑅𝐿 𝑅𝑅𝐿 𝐼𝑅𝐿 = 5𝑉 70 𝐼𝑅𝐿 ≈ 71.42𝑚𝐴 Por ende la intensidad de activación es de 71.4mA, también según su hoja de datos, esta magnitud constituye la corriente de activación, sin embargo el cálculo se realizará con un factor de seguridad 2, utilizando el doble de la corriente determinada es decir 142.84mA aproximadamente 143mA con la finalidad de evitar inconvenientes prácticos, por lo tanto la intensidad del colector deberá ser de 143mA. 𝐼𝐶 = 143𝑚𝐴 A pesar de que la intensidad de colector [IC] se considere con un valor 143mA, en la práctica dicho valor de corriente no circulará debido a la relación que se tiene que cumplir entre la tensión en la bobina del relevador y su resistencia en base a la Ley de Ohm, lo que está pasando es que le permitimos al transistor que deje circular una corriente de 143mA, cuando realmente solo puede circular una corriente de 71.4mA, por lo tanto el transistor bajo esta condición se encontrará en zona de saturación , semejante a un si un simple conductor. Los pasos para determinar la resistencia de protección se muestran en el segmento inferior. 𝐼𝐶 = 𝐵 ∙ 𝐼𝐵 𝐼𝐵 = 𝐼𝐶 𝐵 𝐼𝐵 = 143𝑚𝐴 30 𝐼𝐵 ≈ 4.77𝑚𝐴 115 Mediante la formula anterior se obtiene que la intensidad necesaria en la base del transistor para activar correctamente el relevador es de 4.77mA, aproximadamente 5mA, con este valor ya es posible determinar el valor de la resistencia de protección del transistor, definiendo a la tensión base-emisor [VBE] como 0.7V [tensión de umbral en un diodo de silicio]. 𝑉𝐵𝐸 = 0.7𝑉 𝑅𝐵 = 𝑉𝑅𝐵 𝐼𝐵 𝑅𝐵 = 12𝑉 − 𝑉𝐵𝐸 𝐼𝐵 𝑅𝐵 = 5𝑉 − 0.7𝑉 4.77𝑚𝐴 𝑅𝐵 = 4.7𝑉 4.77𝑚𝐴 𝑅𝐵 ≈ 985.32 Se obtiene que el valor de la resistencia de protección es aproximadamente 985.32 , sin embargo no es un valor comercial, por lo tanto se eligió utilizar resistencias de 1K , que poseen un valor muy próximo al previamente calculado. Ahora que ya se han seleccionado los componentes se puede presentar el mecanismo de funcionamiento del circuito de polarización y activación de relevador en el estado básico y el estado activo. - Estado # 1 [Estado Básico] – 5V R1 180 1N4007 RL1 D1 5V LED1 RB VOUT = 0V 2N3904 1K LED2 R2 180 116 En el estado de funcionamiento básico se presentará cuando VOUT sea próximo a 0V [VOUT 0V], debido a ello el transistor estará en zona de corte porque la IB = 0 y por lo tanto la IC = 0, la bobina del relevador se encontrará desactivada y por ende sus contactos en posición estándar, sin embargo durante la posición estándar del relé cuando su contacto común [C] y su contacto normalmente cerrado [NC] estén conmutados, el circuito externo permanecerá cerrado y por lo tanto en funcionamiento, es decir mientras los circuitos de control de temperatura estén en estado básico , los circuitos de calefacción y refrigeración se mantendrán en continua operación , en pocas palabras todo el circuito control de temperatura estará inactivo pero los circuitos de calefacción y refrigeración permanecerán activos, solamente el LED1 de color rojo permanecerá encendido por la diferencia de potencial entre en sus extremos y la función del mismo será indicar el estado inactivo del “circuito de control de temperatura para el sistema de calefacción y refrigeración.” El LED2 no se iluminara debido al nivel bajo de tensión en salida del amplificador. - Estado # 2 [Estado Activo] 5V R1 180 1N4007 RL1 D1 5V LED1 RB VOUT = 5V 2N3904 1K LED2 R2 180 El segundo estado es el estado activo, en este estado la tensión en VOUT será próxima a 5V, por lo tanto el LED2 encenderá, su color será verde para indicar el estado de activación, a su vez el transistor entrará en zona de saturación mediante una pequeña intensidad de base de activación [IB 5mA] , esto generará la activación de la bobina del relevador mediante la circulación de una corriente de colector [Ic] con un valor máximo de 71.4mA, es decir [Ic = 117 143mA] aunque el transistor por si solo permita una intensidad de colector mayor [IC], la resistencia de la bobina regula dicha intensidad de activación, cuando la bobina se active los contactos internos del relé cambiarán de posición, el contacto común [C] conmuta con el contacto normalmente abierto [NA] abriendo el circuito externo, es decir cuándo se presente el estado activo en los circuitos de control de temperatura, lo que sucederá es que circuitos externos en este caso el sistema de calefacción y el sistema de refrigeración se desactivarán, claro que esto dependerá de cuál de los dos circuitos de control se active, uno controlara el sistema de calefacción y el otro el sistema de refrigeración. En el siguiente segmento se presenta el funcionamiento general del circuito de control de temperatura. - Explicación General del Circuito de Control de Temperatura El circuito de control de tempertura tiene el objetivo de mantener la temperatura del agua fría y caliente en condiciones optimas, es decir con temperaturas máximas de 75°C en el agua caliente y minimas de 10°C en el caso del agua fría, esto se logrará por medio de la activación y desactivación automatica de los circuitos externos, en otras palabras de los sistemas de calefacción y refrigeración del agua , este comportamiento general se resume en dos estado fundamentales, el estado básico y el estado activo, la presente sección del circuito de control esta conformada por dos circuitos independientes destinados al control de temperatura del agua caliente y fría respectivamente, ambos circuitos comparten una tensión de alimentación de 5V y utilizan dos amplificadores operacionales integrados en un únivo encapsulado I.C LM358. - Estado # 1 [Estado Básico] - 118 El funcionamiento detallado de cada una de las partes que integran al circuito ya se ha explicado con anterioridad pero este espacio está destinado a presentar una explicación menos detallada pero más general que muestre en un espacio relativamente breve los dos estados de funcionamiento del circuito de control de temperatura para el sistema de calefacción y refrigeración, ilustrando dicha explicación mediante la presentación de los diagramas simulables. El circuito de control de temperatura, está integrado por dos circuitos independientes que únicamente comparten una alimentación de 5V, ambos serán encargados de activar o desactivar un circuito externo determinado , el circuito presentado en la primera imagen controlará el sistema de calefacción y el segundo el sistema de refrigeración, de igual manera el circuito superior integrado por una resistencia de potencia [350W] y una fuente de corriente alterna [VAC] representa al Sistema de Calefacción y a su costado se muestra el Sistema de Enfriamiento equivalente, representado con una Celda Peltier [CEL1] y un motor que simula a un ventilador [VT], además de una fuente de tensión con un valor de 12V en su estado básico ambos circuitos como tal estarán desactivados, este estado se presentará siempre y cuando 119 la temperatura sea inferior a 75°C o superior a 10°C en el sistema de calefacción y refrigeración respectivamente. Para conseguir regular adecuadamente estas temperaturas es imprescindible configurar el divisor de tensión variable de acuerdo a la temperatura selecciona para ambos sistemas, las características de temperatura mencionadas en cada uno de los divisores de tensión correspondientes producirán que la tensión de referencia en el divisor de voltaje compuesto por el termistor [NTC] sea menor al voltaje de salida en el divisor de tensión regulable [TRIMMER] , es decir [VNTC VTRIMMER]. Si la condición anterior se cumple debido a que el primer divisor de tensión [NTC] está conectado a la entrada no inversora y el segundo divisor de tensión [TRIMMER] presenta una conexión con la entrada inversora del amplificador, la salida del mismo [VOUT] suministrará una tensión similar al voltaje de alimentación negativa [V-] en este caso OV , es decir [VOUT 0V] , por lo tanto se encenderá el diodo led indicador de color rojo , el transistor se mantendrá en zona de corte porque la intensidad de base será nula [IB = 0] por consiguiente tampoco se presentará ninguna intensidad de colector [IC = 0] , así mismo la bobina del relé estará desactivada de modo que el contacto común [C] estará conmutado con el contacto normalmente cerrado [NC]. En base a lo anterior el circuito externo permanecerá en continuo funcionamiento, en el caso del sistema de calefacción la resistencia de potencia se mantendría calentando el tanque destinado al agua caliente y por otro lado en el sistema de refrigeración la celda peltier seguiría enfriando el tanque de asignado para el agua fría, además el ventilador [VT] permanecerá encendido para la correcta disipación del calor generado por célula termoeléctrica, básicamente de esta manera se resume el funcionamiento del estado básico en ambos circuitos de control. - Estado # 2 [Estado Activo] - 120 El estado básico cambiará a estado activo cuando la temperatura en el termistor presente en los tanques de almacenamiento para el agua cambie a 76°C en el caso del sistema de calefacción y 9°C en el sistema de refrigeración. Teniendo en consideración el correcto ajuste del divisor de tensión regulable [TRIMMER] , en el instante que la temperatura supere los valores definidos de 75°C y 10°C , el valor de la tensión en el terminal de refencia del divisor de voltaje con termistor [NTC] que está conectado a la entrada no inversora del amplificador operacional será mayor a la tensión de referencia en el divisor de voltaje variable [TRIMMER] que está conectado a la entrada inversora del comparador, por lo tanto se cumplirá que [VTRIMMER VNTC]. Si partimos de la condición anterior se cumplirá que la tensión de salida en el amplificador operacional [VOUT] será próxima a la tensión de alimentación positiva [V+] es decir tendrá un valor cercano a 5V [VOUT 5V]. 121 Por lo tanto se encenderá el diodo led color verde indicando así el estado de activación del circuito de control, debido a que la tensión de salida del amplificador operacional será cercana a 5V, el transistor entrará en zona de saturación porque circulara por el mismo una corriente de base de aproximadamente 5mA [IB = 5mA ] por ende la intensidad del colector será máxima, tendrá un valor cercano a los 71.4mA, [IC = 71.4mA], la circulación de la corriente de colector produce la activación de la bobina del relevador, cambiando la posición de su juego interno de contactos. El contacto común [C] del relevador que en el estado básico está conectado al contacto normalmente cerrado [NC] cambiará de posición hacia el contacto normalmente abierto [NA], debido a esto se abre el circuito externo y se detiene completamente la circulación de corriente por el sistema de calefacción, sin embargo en el sistema de refrigeración únicamente la celda peltier deja de funcionar, el ventilador de disipación continua trabajando esto debido a que la celda al desconectarse seguirá presentando una temperatura elevada y al cortar el suministro de corriente del ventilador existe el peligro que la celda no disipe la potencia y deje de funcionar o se deteriore más rápido , por lo tanto el ventilador se ha configurado de manera que siempre permanezca activo. En general el “Sistema de Control” está conformado por los circuitos de activación y desactivación para las bombas de agua [fría y caliente respectivamente] y los circuitos de control térmico para los sistemas de calefacción y refrigeración ,los primeros serán los encargados del suministro de agua por el dispensador, uno de ellos manejara el agua caliente y el otro el agua fría, su activación se producirá en función de la ausencia de luz en la superficie del fotorresistor presente en el exterior del dispensador, por lo tanto en condiciones normales ambos circuitos permanecerán desactivados, por la propia luz ambiental o la generada por el sistema de iluminación, según, la segunda parte es el sistema de control de temperatura, cuya función es mantener las condiciones óptimas de temperatura en los tanques de agua fría y caliente mediante el control de los sistemas de calefacción y refrigeración, para el modelo de dispensador diseñado los valores han sido configurados mediante la utilización de un termistor sumergible que se encontraría en la práctica dentro de cada uno de los tanques de agua, con la finalidad de medir continuamente la temperatura en la misma, básicamente el circuito de control para el sistema de calefacción regulará el agua a una temperatura inferior de los 75°C y cuando la temperatura sobrepase dicho valor desactivará completamente el circuito externo, es decir el circuito de calentamiento, por otro lado el circuito de control para el sistema de refrigeración, mantendrá un temperatura superior a los 10°C , si se presenta un valor menor del dicho únicamente la celda peltier del sistema de refrigeración será desactivada, en ambos circuitos cuando la temperatura regresa a un valor dentro de los propuestos el calentamiento o enfriamiento del agua seguirá. En este pequeño espacio se sintetiza el objetivo y funcionamiento global de las diferentes secciones del sistema de control total. 122 - Diagrama Esquemático - 123 - Circuito Impreso y Máscara de Componentes Para el diseño del circuito impreso correspondiente al Sistema de Control que se muestra en la imagen superior, se han utilizado diferentes anchos o grosores de pista con la finalidad de soportar con efectividad la circulación de intensidad según se amerite. - 6.5cm - - 14.7 cm - - 6.5cm - Se eliminaron todos los ángulos de 90°, y fue conectado adecuadamente sin la necesidad de hacer uso de ningún puente o jumper, además es importante señalar que fue diseñado en una única capa y cuenta con plano común de tierra. En la imagen inferior se muestra la Máscara de Componentes, como se puede observar los elementos físicos [resistencias, leds, borneras, trimmers, circuitos integrados, relés y transistores] se han distribuido de una manera bastante estética, ordenada, agradable a la vista y sobretodo funcional. 124 - Modelo 3D del Sistema de Control - En las imágenes posteriores se muestran diferentes ángulos de visión del Modelo físico del Sistema de Control donde se encuentran todos los componentes presentados montados el circuito impreso mostrado anteriormente, logrando una disposición bastante agradable por medio de un constante esfuerzo por la organización de los elementos. 125 126 Con la finalidad de complementar el apartado del sistema de control donde no se había realizado una explicación como tal de las bombas de agua, en la siguiente información se muestra el mecanismo de funcionamiento y las partes que integran una bomba de agua, además de las especificaciones o parámetros de funcionamiento que presenta el modelo utilizado para la elaboración teórica del proyecto. - Bombas de agua 12V Antes de empezar debemos tener en cuenta que las bombas de agua están diseñadas para bombear determinados líquidos de un punto a otro. Este tipo de bombas también son llamadas bombas de presión o electrobomba, debido a sus 12 voltios, es decir el consumo las mismas es relativamente bajo, este tipo de bombas suelen ser instaladas en hogares y en coches, debido a su reducido tamaño. Las bombas de agua tiene un funcionamiento muy sencillo, el agua es succionada por medio la entrada de la bomba, y posteriormente es expulsada por la salida mediante la ayuda de un motor, que por medio de un campo magnético es capaz de que el expulsor gire de forma continua. La gran mayoría de las bombas de agua están compuestas por las partes mencionadas en la lista inferior: Carcasa o Armazón Una Entrada y una Salida Impulsor, Rotor o Rodetes Sellos, Retenedores y Anillos Eje Impulsor Cojinetes o Rodamientos Panel de Control Motor El Carcasa o Armazón: Es la parte que recubre la bomba y que protege el mecanismo interno, normalmente esta hecho de un material anticorrosivo. 127 La Entrada y Salida: Es la parte por la cual entra y sale el líquido respectivamente [en este caso el agua]. Por otro lado el Impulsor, Rotor o Rodetes: Como su nombre lo indica está hecho para impulsar el líquido que ha sido succionado anteriormente. Estos pueden ser impulsores abiertos, impulsores semiabiertos o impulsores cerrados. También tenemos los Sellos, Retenedores y Anillos que son todo lo que hace que la bomba selle de manera correcta permitiendo cierta compresión interna. El eje impulsor es la pieza que sostiene el impulsor, permitiéndole girar sobre él, los cojinetes o rodamientos son para sostener de manera adecuada el eje impulsor y no dañarlo, otra pieza es el panel de control que tiene la finalidad de activar la Bomba de Agua, puede contener switches o pulsadores para realizar su encendido o apagado, en nuestro caso el modelo de bomba utilizada no presenta un panel de control. Por ultimo tenemos el motor, es el dispositivo que permite mover el eje y a su vez el impulsor para que el fluido pueda pasar de un lado a otro. Dependiendo de la potencia del mismo, podrá movilizar más agua en un menor tiempo. - Especificaciones de funcionamiento - El modelo de bomba de agua utilizada para este proyecto necesitara para su correcto funcionamiento una tensión nominal de 12V DC, además presenta una potencia de trabajo o consumo energético de 3.6 W, además la bomba puede consumir una corriente máxima de 350mA, también cuenta con un caudal máximo de 4L/MIN, es decir en un minuto puede bombear hasta 4 litros de líquido, sin embargo según su posicionamiento este valor puede variar, la bomba utilizada es capaz de bombear el agua hasta una altura de 3m, cuenta con un ruido menor a 40dB, puede trabajar temperaturas de 0°C hasta 75°C, también debemos mencionar que la bomba es aprueba de agua, es decir es sumergible y su material es de ABS, un plástico muy resistente y ampliamente utilizado para necesidades industriales y domésticas. 128 - Sistemas de Calefacción y Refrigeración [Etapa de potencia] Nuestro proyecto “Dispensador de agua fría y caliente con LDR” contiene dos circuitos externos, uno de ellos está destinado a la calefacción y otro a la de refrigeración del agua propia del dispensador, llegando a alcanzar una temperatura máxima en dicho liquido de 75°C y una temperatura mínima de 10°C respectivamente. El circuito de refrigeración está conectado una fuente de alimentación diseñada con las características necesarias para entregar una corriente de 8 A, mientras que el circuito de calefacción estará alimentado en base a una tensión residencial de 120VAC, la resistencia que se utilizará para calentar el agua se encontrara en un recipiente aislado del agua potable con la finalidad de que el agua no tenga un contacto directo con la resistencia, evitando así algunos inconvenientes con el paso del tiempo a causa del deterioro del material resistivo. - Circuito de Calefacción - Este circuito se realizó con la finalidad de mantener el agua a una temperatura máxima de 75°C, esto se logra mediante la implementación de una resistencia de potencia, la misma se encuentra conectada a una fuente de 120 voltios de AC, con una frecuencia de 60Hz, es decir una tensión convencional de red, esta sección del proyecto será controlada por un sistema de activación y desactivación por medio de una NTC (Negative Temperature Coefficient) la cual se encontrará dentro del tanque de agua, esto con el objetivo de medir la temperatura de dicho liquido de manera precisa y continua, en base lo anterior el circuito de control será capaz activar y desactivar el circuito en el momento adecuado. Como se observa en el diagrama previo el circuito además de una fuente AC, posee como único componente una resistencia de potencia. Conectada directamente a la tensión alterna. 129 - Componentes Resistencia de potencia: La resistencia de potencia utilizada es de 350W y se alimenta con un tensión de 120VAC, esta resistencia es capaz de disipar una potencia en forma calor, esto sucede gracias al efecto Joule, el cual es un fenómeno que se presenta debido a la corriente eléctrica que circula por medio de un conductor, en este caso a través de la resistencia, se genera calor al momento de que los electrones chocan con el material, esto nos permite calentar el agua, la resistencia de potencia estará aislada del agua consumible para que esta no se eche a perder, es decir no se deteriore. La intensidad que pasa por la resistencia es directamente proporcional a la potencia disipada, es decir, que si la corriente disminuye la potencia disipada también lo hará, de la misma manera, si la corriente aumenta la potencia disipada aumentará también. Para determinar la corriente que circula por la resistencia de potencia en el circuito de calefacción primero se deberá aplicar la fórmula de potencia. 𝑃=𝑉∙𝐼 Dónde: P = Potencia [W]; V = Voltaje [V]; I= Intensidad [A]. Como segundo paso es necesario despejar la Intensidad. 𝛪= 𝑃 𝑉 Por ultimo sustituimos los valores y realizamos la operación 𝛪= 350𝑊 120𝑉 𝛪 = 2.92𝐴 Por lo tanto es posible afirmar que la intensidad que circula por la resistencia es de 2.92A 130 - Estados de Funcionamiento El circuito de calefacción básicamente presenta dos estados de funcionamiento que se explican brevemente a continuación: - Estado #1 [Estado básico] - En el estado básico el circuito de calefacción permanecerá activo, esto se debe a que cuando la temperatura sea inferior o igual a los 75°C, el circuito se encontrará “cerrado” gracias al relé presente en el circuito de control de calefacción , los terminales NC3 [Normalmente Cerrado] y CO3 [Común] pertenecen al relevador, en condiciones normales estos terminales se encuentran conmutados permitiendo el constante paso de intensidad por medio del circuito de calefacción, haciendo así que la resistencia de potencia empiece a calentar el agua presente dentro del tanque. - Estado #2 [Estado inactivo] - Este segundo estado de funcionamiento del circuito de calefacción estará presente en el momento que la temperatura del agua aumenta de los 75°C, cuando el agua supere esa temperatura, los terminales NC3 Y CO3 del relé dejarán de estar conmutados, es decir el circuito externo se “abre” de esta manera la intensidad no será incapaz de recorrer el circuito de calefacción, desactivando el mismo en su totalidad, apagándose así la resistencia de potencia para que la temperatura no siga aumentando, manteniendo estable el calor del agua. 131 - Circuito de refrigeración El circuito de refrigeración fue diseñado para mantener fría el agua presente en un recipiente, reduciendo la temperatura de la misma hasta los 10°C , esto lo realizamos atráves del uso de una celda o célula peltier, la cual estará acompañada de un ventilador de 12V conectado en paralelo a la celda, el cual permanecerá encendido en todo momento a pesar de que la celda se encuentre desactivada, con la finalidad que la misma no se sobrecaliente, el circuito está conectado a una fuente de alimentación de 12VDC y 8A, también posee un sistema de disipación de calor para la celda integrado por un disipador metálico, que se encuentra pegado con la celda peltier y el ventilador previamente mencionado , con el objetivo de mantener a la celda en las condiciones adecuadas de trabajo. Para la elaboración del circuito de refrigeración se utilizaron los siguientes materiales: Celda peltier, ventilador de 12VDC y disipador metálico. Celda peltier: La celda peltier es un dispositivo con forma de placa que por una de sus caras es capaz de disminuir la temperatura, mientras que en el lado contrario la temperatura sube de manera muy rápida, esto se logra gracias a que la celda peltier posee dentro de ella distintos semiconductores de tipo N [cargados negativamente] y de tipo P [cargados positivamente], estos semiconductores permiten que los electrones se muevan por estos recolectando y liberando energía respectivamente, siendo que al recolectar energía la temperatura disminuirá y al 132 liberar la energía la temperatura subirá, la celda peltier permanecerá activa hasta que la temperatura disminuya de 9 °C, la celda peltier y todo lo que la misma realiza ,se debe al efecto peltier, el cual nos indica que si se cuenta con dos metales diferente unidos por ambos extremos con una temperatura igual en todas partes y por dicho arreglo de materiales se hace circular una corriente a partir de una diferencia de potencial eléctrico, uno de los extremos empezara a aumentar su temperatura mientras que el otro la disminuirá, esto se debe a que cuando un electrón pasa de un material a otro este debe liberar o recolectar energía, la energía liberada no se pierde, sino que se convierte en calor, y cuando se recolecta energía se absorbe el calor, haciendo así que la temperatura de un material aumente o disminuya respectivamente. El modelo de celda peltier utilizado para el presente proyecto es el TEC1-12706 y sus especificaciones de trabajo presentes en su hoja de datos se muestran en el recuadro de la parte inferior: - Parámetros de funcionamiento máximo - Temperatura del lado caliente (°C) 25°C 50°C QMÁX (Vatios o Watts) 50 57 Delta TMÁX (°C) 66 75 IMÁX (Amperios) 6.4 6.4 VMÁX (Voltios) 14.4 16.4 Resistencia del módulo (Ohmios) 1.98 2.30 Como ya habíamos explicado anteriormente, un lado de la celda peltier disminuirá su temperatura mientras que el otro lado la aumentará, en la tabla se presentan diferente parámetros de funcionamiento en función de la temperatura del lado caliente, en este caso se muestran las especificaciones para una temperatura de 25 °C y otra de 50 °C, la energía o potencia máxima que la celda peltier puede variar entre 50W y 57W, la diferencia de temperatura máxima de la celda varía entre los 66°C y 75°C, la intensidad máxima que pasa por la placa peltier es de 6.4 A, su voltaje máximo es variable entre los 14.4 V y los 16.4 V, para 133 finalizar con las especificaciones de la celda peltier, esta pose una resistencia interna que puede variar entre 1.98 ohmios y 2.30 ohmios. • Disipador: Un disipador es un dispositivo que nos ayuda a mantener regulada la temperatura de distintos componentes electrónicos, debido a su forma este es capaz de liberar el calor que generan los componentes, evitando así que los mismos se estropeen, todo esto se debe al principio cero de la termodinámica, este principio nos dice que si dos cuerpos con diferentes temperaturas tienen contacto entre sí, ambos cuerpos intercambiaran calor hasta que su nivel de temperatura se iguale o en otras palabras hasta que ambos se encuentren en un equilibrio térmico. Los disipadores más comunes están hechos de aluminio, ya que satisfacen las necesidades de la gran mayoría de proyectos, en nuestro caso la celda peltier presentará un disipador de aluminio con el objetivo de disipar del calor del lado caliente pero además también poseerá otro en el lado frio para agilizar el enfriamiento del agua. Ventilador: el ventilador utilizado para este proyecto es un ventilador de 12VDC conectado en paralelo a la celda peltier, el modo de conexión de este ventilador fue diseñado para que el mismo permanezca encendido en todo momento manteniendo la temperatura controlada, teniendo también en cuenta que cuando la celda peltier se desactiva y deja de enfriar el agua, el lado caliente tarda en disminuir su temperatura y precisamente para estabilizar esta temperatura se coloca el ventilador, sirviéndole de apoyo al disipador. ¿Cómo funciona? El ventilador se conecta mediante los cables conductores que posee hacia una fuente de alimentación, la cual en este caso es de 12V, en el polo negativo y positivo respectivamente, estos cables llevan la corriente hacia el motor para que las aspas comiencen a girar, enfriando la celda peltier. 134 - Estados de Funcionamiento Al igual que el sistema de calefacción, el sistema de refrigeración posee dos estados de funcionamiento fundamentales que se muestran a continuación. - Estado #1 [Estado básico] - En el estado básico el sistema de refrigeración permanecerá activo, esto sucederá cuando la temperatura sea superior o igual a 10°C, el circuito se encontrará en este modo debido a un relé que forma parte del sistema, los terminales NC4 [normalmente cerrado] y CO4 [común], que forman parte del relé están conmutados permitiendo el paso de intensidad por medio del circuito de refrigeración hacia la celda peltier, haciendo que el agua del aunque respectivo comience a disminuir su temperatura. En este estado la celda consumirá un promedio de 6A y el ventilador alrededor de 200mA. - Estado #2 [Estado inactivo] El sistema de refrigeración permanecerá en este estado cuando la temperatura del agua sea inferior a los 10°C, previamente configurados, cuando el agua disminuya de esa temperatura, los terminales NC4 Y CO4 del relé dejaran de estar conmutados, de esta manera la intensidad será incapaz de circular atráves de la celda peltier, sin embargo gracias a la conexión en paralelo del ventilador, este seguirá trabajando de manera normal, con la finalidad de enfriar la celda peltier y que la misma no sufra daños , que podrían presentarse si el ventilador se desactiva de manera directa. 135 Ahora que ya se conoce con claridad cuáles son los estados de funcionamiento del sistema de calefacción y refrigeración , además de los componentes que lo integran y sus respectivos principios de funcionamiento, algo interesante de agregar en la elaboración del proyecto sería el tiempo teórico o ideal en el cual el agua sería capaz de alcanzar la temperatura máxima de 75°C en el sistema de calefacción y la temperatura mínima de 10°C en el sistema de refrigeración, en función de la temperatura ambiente y la potencia de disipación que poseen ambos dispositivos térmicos [resistencia de potencia y celda peltier]. A continuación se muestra la forma de determinar dichos valores. - Tiempo de Calefacción y Refrigeración del agua - Para calcular tanto el tiempo de calefacción como el tiempo de refrigeración necesario para que el agua alcance las temperaturas máximas y mínimas, primero debemos de encontrar la energía, para luego determinar el tiempo. La primera fórmula a utilizar es la siguiente: 𝐸 = 𝑀 ∙ 𝐶 ∙ ∆𝑇 Donde: E M C ∆T Energía, expresada en kilojulios [Kj]. Masa, expresada en kilogramos [ Kg ]. Calor especifico expresado en kilojulios sobre kilogramos por grado celsius [ kj/kg°C] Diferencia de temperatura, expresada en grados celcius[°C] Luego de realizar la operación anterior , utilizaremos la siguiente formula para encontrar el tiempo, este se obtendra al despejar el tiempo de la fórmula básica para determinar la potencia 𝑃= 𝐸 𝑡 Donde: P E t Potencia, expresada en Watts [ W ]. Energia, expresada en kilojulios [Kj]. Tiempo, expresado en segundo [ s ]. 136 Luego de conocer las formulas a utilizar, vamos a encontrar el tiempo de calefacción y el tiempo de refrigeración. Ambos tiempos se determinaron en función del calor específico del agua, que posee un valor de 4,180kj/kg°C, además los tanques de agua poseerán un volumen de 3 litros con el objetivo de que ambos tiempos no sean tan elevados. - Tiempo de calefacción 𝐸 = 𝑀 ∙ 𝐶 ∙ ∆𝑇 𝐸 = 3𝑘𝑔 ∙ 4180𝑘𝑗/𝑘𝑔°𝐶 ∙ (75°𝐶 − 25°𝐶) 𝐸 = 627000𝑘𝑗 𝑡= 𝑃= 𝐸 𝑡 𝑡= 𝐸 𝑃 627000𝑘𝑗 350𝑊 𝑡 = 1791.42𝑠 - Se convierten los segundos en minutos - 1791.42𝑠 ∙ ( 1𝑚𝑖𝑛 ) 60𝑠 𝑡 = 29.86𝑚𝑖𝑛 Al final obtenemos que el tiempo que se tardará el sistema de calefacción para que el tanque de agua caliente alcance la temperatura máxima de 75°C será de: 29.86min. 137 - Tiempo de refrigeración - 𝐸 = 𝑀 ∙ 𝐶 ∙ ∆𝑇 𝐸 = 3𝑘𝑔 ∙ 4180𝑘𝑔/𝑘𝑗°𝐶 ∙ (25°𝐶 − 10°𝐶 ) 𝐸 = 188100𝑘𝑗 Al revisar diferentes fuentes digitales, estas mencionan que la potencia de la celda peltier TEC1-12706 se encuentra alrededor de los 75W, aunque como fue presentado anteriormente en su hoja de datos se menciona que su potencia máxima es de 57W, por lo tanto se decidió utilizar este último valor para determinar el tiempo de refrigeración, recordando que a mayor potencia el tiempo de refrigeración disminuye. 𝑡= 𝑃= 𝐸 𝑡 𝑡= 𝐸 𝑃 188100𝑘𝑗 57𝑊 𝑡 = 3300𝑠 - Se convierten los segundos en minutos - 3300𝑠 = ( 1𝑚𝑖𝑛 ) 60𝑠 𝑡 = 55𝑚𝑖𝑛 Por lo tanto se obtiene que el tiempo de refrigeración necesario para que la temperatura en el tanque de agua fría alcance un valor de 10°C es de: 55min. 138 - Dimensiones y Diseño del Chasis El diseño del Chasis del presente proyecto “Dispensador Automático de Agua Fría y Caliente con LDR” se elaboró en base a un dispensador de agua habitual de garrafón, a continuación se presentan las imágenes preliminares y dimensiones de cada uno de los perfiles, posteriormente se abordará más sobre otras características del mismo. - 50cm - - 40cm - - 1.45m - - 50cm - - 40cm - - 1.45m - Como se observa en las figuras laterales en el perfil frontal se encontrará el espacio donde se lleneraran los vasos de agua mediante el dispensador, en esa imagen los depositos de color rojo y azul oscuro representan las salidas de agua caliente y fría respectivamente , tambien hay un pequeño indicador en la parte superior. En la práctica la fotorresitencia se ubicaria en la superficie donde se colcarian los vasos protegida mediante una lamina de acrilico, para eliminar los excesos de agua esta superficie contaria con una regilla que desplace el agua hacia un deposito inferior, donde se observa la haladera, en ese espacio se almacenarian los sobrantes de agua para su posterior eliminación. Además en la parte superior justo sobre la regilla se encontaria el sistema de iluminación para dotar de luz a la LDR en espacios con poca iluminación En el lateral derecho se encuentran tres interruptores, dos para activar el sistema de iluminación y uno para el control general, es decir sería elinterr 139 el interruptor main o principal , en la parte trasera se puede observar el ventilador de disipación del sistema de refrigeración y también la tapa que protege a la parte electrónica, de manera externa se presentan dos portafusiles uno para cada fuente de alimentación, en el lateral izquierdo no se encuentra ningún tipo de elemento. A continuación se muestran otras imágenes de la composición interna del chasis. En la imagen superior se observa el diseño desde la parte trasera sin la tapa de protección, internamente se presentan los modelos físicos de cada uno de los circuitos electrónicos diseñados anteriormente, es decir el sistema de alimentación y el sistema de control, añadiendo también dos transformadores que corresponden a los circuitos de alimentación mencionados. Para culminar con las presentación de las secciones del chasis en las siguientes imágenes se mostrará el diseño interior integrado por un deposito color azul claro donde encontraría el agua temperatura ambiente, luego en función a la presión, el agua se desplazaría por medio de un tubo hacia los depósitos donde se calentaría o se enfriaría mediante los sistemas de calefacción y refrigeración cuya temperatura seria regulada por los sistemas de control térmico atráves de un termistor, además en la práctica el material del que estarían recubiertos ambos depósitos sería un aislante térmico con la finalidad de conservar la temperatura por mayor tiempo, el depósito de color rojo contendría el agua caliente y el depósito de color azul oscuro el agua fría , en la repisa inferior del mueble se encuentran las dos bombas de agua una encargada del suministro de agua caliente y la otra del agua fría, además se observan también los interruptores desde el interior del modelo. 140 Ahora que ya se presentaron las partes y las dimensiones elementales del modelo del chasis se agregan otras imágenes para mostrar las diferentes perspectivas logradas con la elaboración del modelo físico. 141 142 - Conclusiones - Partiendo desde mi punto de vista, la elaboración del proyecto en conjunto no constituyó un proceso del todo sencillo, estuvo lleno de diferentes dificultades, necesito mucho tiempo y esfuerzo, además de una constante dedicación al menor de mi parte, pero puedo asegurar que no he elaborado el trabajo por una simple calificación, paulatinamente mientras mis conocimientos se expanden me se siento más intrigado e interesado en la especialidad y todo lo que se puede lograr a través de la misma. Con la realización del proyecto pude comprender realmente el funcionamiento de muchos elementos electrónicos que me eran desconocidos o que desde básica presentaban una cierta complejidad y que los dejaba de lado porque creía que eran muy difíciles de implementar y entender sin embargo esta experiencia de trabajo me ha dejado un grato conocimiento de sus principios de funcionamiento, entendiéndolos perfectamente al menos desde un nivel superficial. Gracias a la realización del proyecto pude entender muy bien el funcionamiento de un transistor de unión bipolar, un relevador, un amplificador de lazo abierto, un fotorresistor y un termistor por mencionar algunos de los muchos dispositivos que se utilizaron, además puse en práctica la teoría aprendí en la resolución de circuitos mediante los divisores de tensión , la ley de ohm, la leyes de corrientes y voltajes de Kirchhoff, aplicándolas más allá de una simple malla resistiva, para finalmente poder entender cada una de las partes que integran el circuito general, ha sido un trabajo a conciencia que me ha enseñado muchas bases teóricas que podré aplicar posteriormente en el resto de mis años de estudio , como lo mencioné al principio por lo menos de mi parte sé que me esforcé mucho en la creación de los diagramas, el diseño de los circuitos impresos, la redacción del informe y el modelado 3D para al menos observar una representación física de los circuitos y el chasis planeado , la verdad el trabajo fue un reto , al inicio no tenía mucha idea de por dónde empezar pero poco a poco luego de más de un mes de trabajo puedo asegurar que he aprendido mucho y eso es lo más importante, entiendo a la perfección el funcionamiento del proyecto , teniendo la seguridad de defenderlo sin ningún tipo de problema. Por último se debe tener en cuenta que no existe la práctica sin la teoría, ni la teoría sin la práctica, está situación nos ha hecho imposible la primera, sin embargo dentro de los recursos y posibilidades son las contamos me siento muy satisfecho y contento sobre lo que he podido aprender. - Daniel López 143 Luego de realizar el trabajo he aprendido acerca de los componentes que nuestro circuito posee, me veo con la capacidad de explicar cómo funcionan los circuitos de calefacción y de refrigeración, aprendí que la celda peltier funciona gracias al efecto peltier el cual nos habla de cómo los electrones liberan y recolectan energía al pasar de un material a otro y sé que esto se facilita con los semiconductores, materiales que son alterados químicamente para cargarlos de electrones o eliminar gran parte de estos. Entendí porque es necesario el uso tanto del disipador como del ventilador, ya que sin estos componentes la celda peltier se estropearía debido al gran calor que emitiría. Hablando acerca del circuito de calefacción comprendí luego de haber visto video tutoriales e investigado por mi cuenta el efecto joule, el cual fue el efecto utilizado para aumentar la temperatura del agua, a pesar de las limitantes de estar en un aprendizaje autodidacta que tenemos que desarrollar, comprendo el funcionamiento de nuestro circuito y como logramos hacer que los circuitos de calefacción y los de refrigeración se desactiven en el momento en el que estos lleguen a cierta temperatura. Aprendí también a realizar operaciones y encontrar el tiempo que tarda un objeto en calentar o refrigerar, estos aprendizajes que me he llevado al realizar el trabajo me ayudaran en mi carrera a formarme como un experto en el tema. - Jefferson Alas Para finalizar, creo que este me ayudo en mi conocimiento electrónico, tomando bases del divisor de voltaje, uso de relés, transistores, fuentes lineales más completas, etc. Además, me sirvió para reforzar los conocimientos ya adquiridos del trabajo anterior. Sin duda fue una odisea la conclusión de este proyecto, y creo que tanto mi grupo como yo, seriamos capaz de mover lo teórico, a lo real. Tenemos los conocimientos suficientes para sobrellevar una situación el próximo año, y hacer un buen papel en el expo. Obviamente, esto no se asemeja ni un poco, pero nos llevamos una gran experiencia, no solo en el ámbito de la electrónica, sino también en el de modelaje 3D, cálculos de circuitos electrónicos, manipulación de programas de creación y simulación de circuitos eléctricos y electrónicos, como proteus. Aparte de todo eso, lo más valioso es la conciencia que logramos sabiendo que todo lo que encontrara escrito en este reporte fue redactado por nosotros, que salió de nuestras mentes, cálculos, graficas. Creo que eso es lo más importante de todo, llevar en la conciencia que aprendiste lo que tenías que aprender, e incluso te llevas más. -Eduardo Olmedo 144 Una fuente de alimentación lineal por más sencilla que sea es un componente esencial para trabajar en la electrónica pues todos los componentes de dicha rama ocupan de corriente directa y en la mayoría de lugares para transportar la corriente se transporta de forma alterna así que necesitamos de un componente que lo transforme. Durante la elaboración de dicha fuente pudimos aprender acerca del transistor como amplificador de corriente ya que como dijimos la fuente sin transistores lo más que nos llegar a entregar es 1A, y nuestro circuito de enfriamiento e iluminación requiere de como mínimo 6A ya que la celda peltier ocupa como mínimo dicha cantidad de corriente, al utilizar una de las configuraciones del transistor nos enseño acerca de cómo estos funcionan y las distintas aplicaciones que poseen. - Néstor Martínez 145 - Datasheets [ Hojas de Características ] - https://html.alldatasheet.com/htmlpdf/14722/PANJIT/GBU6B/179/1/GBU6B. html https://html.alldatasheet.com/htmlpdf/725015/ONSEMI/MJE15033G/218/1/ MJE15033G.html http://njsemi.com/datasheets/GBPC8005 %20-%20GBPC810.pdf https://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/227422/ETC2/TEC1-12706.html https://html.alldatasheet.com/htmlpdf/1183426/SS/7812/24/1/7812.html https://html.alldatasheet.com/htmlpdf/628773/SKTECHNOLGY/1N4007/725/ 1/1N4007.html https://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/960526/FOSHAN/2N3904.html https://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/22762/STMICROELECTRONICS/LM 358.html https://www.parallax.com/sites/default/fil es/downloads/400-00052-Omron-12VRelay-Datasheet.pdf 146 - Enlaces [MEGA] A continuación se presentan algunos enlaces si desea observar por medio de su computador el diseño del chasis o el funcionamiento de los diagramas simulables, evaluar los diagramas esquemático u observar la correcta conexión de los circuitos impreso, todo lo referente a la elaboración del esquema y circuito impreso se trabajó en el programa de diseño proteus y los modelos 3D lo puede visualizar fácilmente sin la necesidades de descarga ningún programa solo debe de abrirse con el visualizador 3D que incluye el sistema operativo Windows 10. Los links son de mega y si tiene algún inconveniente con la visualización de los mismos por favor notificarme. Diseño del Chasis https://mega.nz/folder/LxQFzSAa#ZBl-_u_8TaMuqZy1ZuOfmQ Fuente de Alimentación [4A] https://mega.nz/folder/DwAl1axZ#0jAHX-cgTByIYyZoIqmMHQ Fuente de Alimentación [8A] https://mega.nz/folder/2oBhTIZK#-tdZcWvX9ZEBjkYpeECS_w Sistema de Control https://mega.nz/folder/f5BBnIAI#U1UV9SILUkiOHCbnXUeAMg Videos del Funcionamiento https://mega.nz/folder/SlgTnJqZ#09DCAJ7A4jfshUmOsRpiOg 147
