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TTP: Montaje e instalación de dispositivos eléctricos y electrónicos (III) Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 1 de 46 Versión 20090827 Unidad temática nro 1: Circuitos con diodos puentes rectificadores Rectificador de media onda 1) Graficar tensión en la resistencia, corriente en el circuito y tensión en el diodo, en función del tiempo en tres gráficos cuyas líneas de tiempo concuerden verticalmente. 2) Calcule el período y la frecuencia de la onda de tensión en la carga. 3) Calcule el valor medio y eficaz del la tensión de salida en la carga del rectificador de media onda La definición del valor eficaz y valor medio son: T Vef 1 f 2 (t )dt T 0 T 1 Vmed f (t )dt T0 Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 2 de 46 Versión 20090827 Repasando algunos conceptos matemáticos, podemos decir que la integral representa gráficamente el área entre la curva (f(t)) y el eje x, limitada verticalmente por los límites de la integral que en este caso son 0 y T (período de la señal) Al calcular una integral, si el área está encima del eje de abscisa su valor es positivo, y si el área está por debajo del eje de abscisa su valor es negativo. Esto significa que si hallamos la integral en un período de una onda sinusoidal, el área neta entre 0 y T es cero, ya que el área positiva se cancela con la negativa. Es por esto que el valor medio de una onda sinusoidal es cero. Sabiendo que: T 2 Y sabiendo que la integral de seno es –coseno obtenemos que para media onda, el valor medio de la tensión que sería lo que indicaría un instrumento de corriente continua es: Vmed Vp Esto es lo que indicaría un voltímetro de corriente continua conectado entre extremos de la carga RL de nuestro rectificador de media onda con un diodo Ejercicio: Si la tensión de pico de una media onda es de 310 Volts, calcule cual es el valor medio de la tensión que indicaría un instrumento de corriente contínua Rta: 98V Rectificador de onda completa Para un rectificador de onda completa con 2 diodos y transformador de punto medio: Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 3 de 46 Versión 20090827 Para un rectificador de onda completa en puente: Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 4 de 46 Versión 20090827 Si se hacen los cálculos puede obtenerse Tipo Valor medio Media onda Valor eficaz Vmed Onda completa Vmed Vp 2 Vp Vef Vp 2 Vef Vp 2 Ejercicio: Se tiene un transformador con una relación de espiras entre primario y secundario de N1 5 N2 El transformador tiene en su secundario un punto medio que va a masa, por lo cual, puede lograrse la rectificación de onda completa con solo 2 diodos. La tensión en el primario del transformador es V 1ef 220V y la frecuencia es de 50 Hz y la resistencia en la carga es de Rl 1K a) Calcular la corriente de pico en la carga b) Calcular el valor que mediría un voltímetro de corriente continua c) El valor que mediría un amperímetro de corriente continua d) Calcular el período y la frecuencia de la tensión de salida a) Calcular la corriente de pico en la carga La tensión pico en el primario es V 1 p 220 2 310.3V Debido a la relación de espiras, la tensión de pico en el secundario es de: V1p N1 V 2p N2 Lo cual da despejando V2p=62V Por la presencia de la conexión intermedia en el secundario del transformador, cada mitad del bobinado secundario tiene una tensión sinusoidal con un pico de apenas 31 V. Por lo tanto la tensión de pico en la carga idealmente tiene un valor de 31V. El valor pico de la corriente en la carga es de Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 5 de 46 Versión 20090827 I2p 31V 31mA 1000 Como veíamos en la figura 2b, los diodos deben aguantarse una tensión de pico repetitiva de 62V, para lo cual un diodo del tipo 1N4001 no alcanza pues la tensión de pico repetitiva es de 50V, según la hoja de datos, pero un 1N4002, tiene una tensión de pico repetitiva de 100V, con lo cual para este parámetro, un par de diodos 1N4002 serán apropiados. b) Calcular el valor que mediría un voltímetro de corriente continua conectado a la carga Un voltímetro de corriente continua mide el valor medio de una forma de onda sinusoidal rectificada. Mirando las ecuaciones de la tabla anterior, para un rectificador de onda completa, el valor medio de la corriente sería Vmed 2 Vp 2 31 19.7V c) El valor que mediría un amperímetro de corriente continua Im ed Vmed 19.7V 19.7mA Rl 1000 El valor medio de la corriente rectificada para este diodo 1N4002, es de 1A por lo tanto, por lo tanto sobra. ¿Cuál sería la mínima resistencia que se podría colocar en la carga para exigir al diodo a su máxima corriente media? d) Si el circuito usara un diodo 1N4002, que soporta un valor medio de 1A, ¿se quemaría? => No pues 31<1ª e) ¿Cuál sería la mínima RL que podría conectarse en la carga usando diodos 1N4002? RLMín 19,7V 19,7 1A Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 6 de 46 Versión 20090827 f) Calcular el período y la frecuencia de la tensión de salida Si miramos la forma de onda de la señal rectificada, el período se ha reducido a la mitad, con respecto a la forma de onda del primario del transformador, por lo tanto la frecuencia se ha duplicado: f=100 Hz. T=10 ms Rectificación no controlada y controlada El término tiristor deriva del griego y significa puerta, pues este tipo de dispositivo permite la apertura o cierre del paso de la corriente. Los principales tipos de tiristores son los siguientes: • Rectificador controlado de silicio (SCR) • Diac • Triac • Foto-SCR • Transistor uniunión (UJT) El rectificador controlado de silicio También llamado SCR, tiene el siguiente símbolo: Las hojas de datos indican la tensión de disparo VGK y la corriente de disparo para los rectificadores controlados de silicio. Por ejemplo la hoja de características del 2N4441, señala una tensión de disparo típico de VGK =0,75 Volts, y una corriente de disparo mínima IG=10 mA para que el SCR comience a conducir entre A y K. Cuando un SCR conduce existe una caída de tensión VAK. =1 V Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 7 de 46 Versión 20090827 Para que un SCR deje de conducir, se tiene que disminuir la corriente del SCR (IAK) por debajo de la corriente de mantenimiento. Por ejemplo el 2N4441 tiene una corriente de mantenimiento de 6mA. Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 8 de 46 Versión 20090827 Ejercicio: Se dispone del siguiente circuito en el cual Vcc=12V y el SCR está en estado de conducción. Calcule el valor de Rc límite, desde el cual el con valores superiores de Rc el 2N4441 deja de conducir. Rmín (12V 1V ) 1833 6mA Tensión de bloqueo Tambien el SCR puede conducir si la tensión VAK es suficientemente grande. Esto se llama tensión de bloqueo directo que para el 2N4441 es de 50 V. Es decir que mientras la tensión VAK sea menor a 50 V el SCR no puede conducir. Solo podría si se hace un disparo en la puerta. Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 9 de 46 Versión 20090827 Corrientes elevadas Los SCR pueden manejar corrientes que oscilan entre 1A y 2500A. El 2N4441 puede conducir hasta 8A en forma continua. El SCR C701 puede conducir entre AyK 1250A con una corriente de disparo de 500mA, y una corriente de mantenimiento del mismo orden. Régimen de crecimiento crítico En muchas aplicaciones una fuente de tensión alterna alimenta los extremos A y K del SCR. Al disparar la puerta en cierto punto del ciclo, podemos controlar grandes cantidades de potencia de corriente alterna que se suministra a una carga como un motor o un calentador. Pero debe tenerse en cuenta que mediante un cambio rápido en la tensión AK en directa puede dispararse el SCR. Para evitar falsos disparos del SCR, el régimen de disparo de la tensión AK no debe exceder el régimen de crecimiento de la tensión crítica de la hoja de características. Por ejemplo un 2N4441, tiene un régimen de crecimiento de tensión crítica de 50V/µs. Los transitorios de conmutación de la fuente de conmutación son la fuente principal de que se supere el régimen de crecimiento de la tensión crítica. Una manera de reducir sus efectos es utilizar un filtro RC Los rectificadores controlados de silicio más grandes también tienen un régimen de crecimiento de la corriente críticos. Por ejemplo el C701, tiene un régimen de 150A/µseg. Si la corriente de ánodo trata de aumentar más rápido que ;este valor el Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 10 de 46 Versión 20090827 SCR se puede destruir. Al incluir una inductancia en serie se reduce el régimen de crecimiento de la corriente. Corriente y tensión de disparo Supongamos que tenemos el siguiente circuito Cuando la tensión Vg se aproxima a 0,7 V para el caso del 2N4441, el SCR se disparará, y la tensión de salida pasará desde Vcc a 1V que es la tensión Vak de este SCR cuando conduce. Cuando una resistencia en la puerta (RG) se conecta como se Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 11 de 46 Versión 20090827 muestra en el circuito, se puede calcular la tensión de entrada Ven, necesaria para disparar un SCR, mediante esta ecuación: En la ecuación anterior, VT e IT son la tensión de disparo y la corriente de disparo respectivamente, necesarios para la puerta del dispositivo. Esta información puede extraerse de las hojas de características. Por ejemplo la hoja de características de un 2N4441 indica VT =0,75V e IT =10mA. Teniendo el valor de Rg el cálculo es directo. Para este circuito a menos que la ecuación de Ven se satisfaga, el SCR no puede cebarse. Después de que el SCR se ha disparado, permanece así aún cuando se reduzca Ven a 0. Una vez disparado, la tensión de salida permanece a nivel bajo indefinidamente. La única manera de que el SCR deje de conducir entre Ay K es reducir su corriente a un valor inferior al de la corriente de mantenimiento. Una manera de lograrlo es aumentar Rc, otra es reducir Vcc a un valor bajo. El SCR como interruptor Si se alimenta un circuito electrónico delicado con una fuente de alimentación y por alguna condición de mal funcionamiento se eleva su tensión inesperadamente, el circuito electrónico que ella alimenta puede dañarse, lo cual puede resultar en el daño permanente de caros circuitos integrados. Una de las aplicaciones más importantes del SCR es la protección de cargas delicadas y caras, contra sobretensiones de la fuente de alimentación. Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 12 de 46 Versión 20090827 En la figura anterior se observa que la fuente de alimentación alimenta una carga protegida. El circuito de protección lo constituyen el diodo zener, la resistencia, y el SCR. En condiciones normales de funcionamiento la tensión Vcc es inferior a la tensión de ruptura del zener. En este caso el zener no conduce, y por lo tanto la tensión sobre R es 0, y el SCR permanece abierto, en este caso la carga está recibiendo una tensión Vcc y no hay problemas. Supongamos que la tensión de la fuente se incrementa por alguna razón. Cuando Vcc es demasiado grande, el zener conduce y aparece una tensión en R. Si esta tensión es mayor que la de disparo del SCR (generalmente 0,7 V) el SCR se disparará y conducirá. Esto sería como cortocircuitar la fuente de alimentación. Como el SCR entra en conducción muy rápidamente (para el 2N4441 1 µSeg.) la carga se protege de la sobre tensión de la fuente. Las fuentes con interruptor SCR necesitan un fusible o limitación de corriente para evitar corrientes excesivas cuando el SCR se cierra. Ejercicio: El SCR de la figura siguiente, tiene una tensión de disparo Vt=0,75V, una corriente de disparo It=7mA, y una corriente de mantenimiento de Ih=6mA. 1. ¿Cuál es la tensión de salida cuando el SCR está bloqueado? 2. ¿Cuál es la tensión de entrada que dispara el SCR? 3. Si Vcc disminuye hasta que el SCR se bloquea ¿Cuál es este valor de Vcc? Solución 1. Vsal=15V Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 13 de 46 Versión 20090827 2. Ven=0,75V+7mA*1KΩ=7,75V 3. Vcc=0,7V+6mA*100Ω=1,3V Ejercicio: En el circuito de la figura siguiente, el 2N4441 tiene una tensión de disparo de 0,75V. Calcule el valor de la fuente de alimentación que activa el interruptor SCR. Vcc=5.6V+0,75V=6,35V Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 14 de 46 Versión 20090827 Poniéndonos en el pero caso: el 1N752 tiene una tolerancia del 10%, lo que significa que la tensión de ruptura puede variar entre 5,04V y 6,16V. Además la tensión de disparo máxima del 2N4441, tiene un valor de 1,5V lo que significa que la sobretensión mayor que recibirá el circuito es de: 6,16+1,5=7,66 V Si la carga protegida puede recibir esta sobretensión entonces el circuito será útil. Variantes del SCR: foto SCR El foto SCR es un SCR activado por luz. Su símbolo se muestra en la figura siguiente. Después de que la luz de disparo ha cerrado el foto SCR, este permanece cerrado aunque desaparezca la luz. Con la puerta abierta, se obtiene una sensibilidad máxima. Si se requiere un punto de conmutación ajustable, se puede incluir el ajuste de disparo que se muestra en la figura siguiente: Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 15 de 46 Versión 20090827 Con este último circuito, la resistencia de la puerta, desvía algunos de los electrones producidos por la luz y modifica la sensibilidad del circuito a la luz incidente. Ejercicio: El circuito de la figura está en un cuarto oscuro cuando se lo conecta a la alimentación. 1. ¿Cuál es la tensión de salida? 2. Si una luz brillante lo ilumina, ¿Cuál es la tensión de salida? 1. Vsal=25V Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 16 de 46 Versión 20090827 2. Vsal=0 (o considerando la caída Vsal=0,7V) Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 17 de 46 Versión 20090827 Cuestionario ID: 20090814 Tiristores - SCR 1. Nombre los principales tipos de tiristores 2. ¿Qué significan las iniciales SCR? 3. Dibuje el símbolo del SCR y coloque el nombre de cada uno de sus terminales 4. ¿Entre qué terminales se mide la tensión de disparo? 5. Cuando se alcanza la tensión de disparo, ¿qué sucede con el SCR si también se logra la corriente de disparo mínima?7 6. ¿Qué debería hacerse para que un SCR deje de conducir? 7. ¿Qué significa el disparo por superación de la tensión de bloqueo? 8. ¿Qué rano de corrientes AK puede manejar un SCR? 9. ¿Qué es el régimen de crecimiento crítico de un SCR? 10. ¿Qué circuito podría adicionar al SCR para evitar falsos disparos por superación del régimen de crecimiento crítico? Dibújelo 11. Para el siguiente circuito: a. ¿Cuál es el valor de la tensión Vsal cuando el SCR no conduce? b. ¿Cuál es el valor de la tensión Vsal cuando el SCR conduce y suponiendo que es un 2N4441 c. ¿Cuánto debería ser la tensión Vent para que pueda producirse el disparo por la puerta suponiendo Rg=1K y un 2N4441? d. Si la tensión Vent se reduce a cero, una vez que el SCR está disparado, y estaba conduciendo, ¿Continúa conduciendo? 12. Dibuje un circuito basado en SCR ydiodo zener que sirva para proteger la tensión máxima que puede aplicarse a una carga electrónica delicada. Explique su funcionamiento. Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 18 de 46 Versión 20090827 Cuestionario 2 Circuito disyuntor automático ID:20070401 Hay veces que se necesita conectar equipos o dispositivos al auto pero se requiere una tensión segura. Cuando el auto esta en velocidad o cuando la batería o el regulador de tensión no trabajan adecuadamente es posible que en el circuito eléctrico del vehículo haya mas de 12V pudiendo afectar el correcto funcionamiento de estos equipos. El circuito que presentamos es un disyuntor automático 1. 2. 3. 4. 5. 6. Explique con sus palabras el objetivo del circuito ¿Por qué motivo se dispara el SCR? ¿Para qué sirve el potenciómetro? ¿Qué elemento se activa al dispararse el SCR? Cuando el LED se enciende ¿Qué está indicando? ¿Cómo puede restablecer el circuito para que vuelva a existir tensión en la salida? 7. Calcular la corriente por el SCR cuando el mismo se encuentra disparado 8. ¿Qué potencia disipa la R de 1K cuando el SCR está disparado?, ¿De que potencia la compraría? 9. Si el SCR fuera un 2N4441 con una tensión de disparo Vgk=0,75 V y una corriente de disparo de It=10mA, y con una caída de tensión en conducción de 1V ¿Cuál es el valor de resistencia a la que debe ajustarse el potenciómetro? Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 19 de 46 Versión 20090827 Tiristores bidireccionales: En estos casos la corriente puede circular en cualquier dirección. DIAC El diac no conduce hasta que la tensión en sus extremos exceda la tensión de cebado en cualquier dirección. El símbolo es el que se muestra en la figura siguiente: Una vez que el DIAC esta conduciendo, la única manera de abrirlo es por medio del bloqueo por disminución de corriente. Esto significa que se debe reducir la corriente a un valor inferior al de la corriente de mantenimiento. TRIAC Su tensión de cebado es generalmente alta, así que la forma habitual de cebar un triac es mediante la aplicación de un disparo de polarización directa. Su símbolo es el que se muestra a continuación: Las hojas de datos, especifican la tensión de disparo y corriente de disparo necesarios para cebar un triac, y este se cebará por ejemplo con una tensión de disparo positiva Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 20 de 46 Versión 20090827 (VgK) con respecto a la figura anterior, si la tensión AK tiene el símbolo indicado en ella. El circuito de la figura siguiente, puede controlar la corriente a través de la carga. En el circuito anterior, la resistencia R1 y la capacidad C modifican el defasaje entre la tensión de línea y la tensión en la puerta, produciendo que la tensión de puerta esté atrasada con respecto a la tensión de línea en un ángulo que varía entre 0 y 90 grados. Se puede ver esto en las siguientes figuras: Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 21 de 46 Versión 20090827 Cuando la tensión de puerta es lo suficientemente grande para alimentar la corriente de disparo, el triac conduce. Una vez cebado, el triac continúa conduciendo hasta que la tensión de red regresa a cero. La porción sombreada, muestra el período en que el triac conduce. Lo que estamos controlando es el valor medio de la corriente en la carga. Un control de este tipo es muy útil en alumbrado y calentadores industriales. Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 22 de 46 Versión 20090827 Ejercicio: En el circuito de la figura siguiente, el interruptor está cerrado. Si el triac se dispara, 1. ¿Cuál es aproximadamente la corriente que circula por la resistencia de 22 Ω? 2. El MPT32 es un diac con una tensión de cebado de 32 V. Si el triac tiene una tensión de disparo de 1 V, y una corriente de disparo de 10 mA ¿Cuál es la tensión del condensador que dispara el triac? 3. En cuanto tiempo desde que se cierra el interruptor se produce el disparo del triac? 1. Si suponemos un caso ideal, que servirá para los cálculos, el triac tendrá 0 V a través de él cuando conduce. Por lo tanto la corriente que circula por la resistencia de 22 Ω es I=75V/22 Ω=3,41A. Si se considera una caída en el triac de 1 o 2 V cuando se dispara, modifica relativamente poco el valor de la corriente recién calculada, debido a la alta tensión de alimentación (75V). 2. La corriente de disparo de la puerta es de 10 mA. Esta tiene que circular por los 2 K Ω, por lo tanto la tensión en la resistencia de 2 K Ω es de V2K Ω =10mA 2KΩ=20V Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 23 de 46 Versión 20090827 Sumando esta tensión a la tensión de disparo del diac MPT32 más la tensión de disparo del triac obtenemos la tensión que debe alcanzarse en el capacitor para producir el disparo del Triac V=20V+32V+1V=53V 3. En el circuito formado por la resistencia de 82KΩ y el capacitor de 1µF se produce la carga exponencial de la tensión en el capacitor. t V V0 (1 e ) V0 75V RC 82K 1µF 82 mSeg V 52V Debemos despejar el valor de t. Para hacerlo podemos usar la ecuación siguiente: log e a x x log e a t=100 mseg. => el tiempo que tarda el capacitor en alcanzar la tensión necesaria para disparar el diac y el triac El transistor UNIUNION El transistor uniunión, también llamado unijuntura, (UJT) posee un emisor y 2 bases. Su símbolo es el que se muestra en la figura siguiente: La resistencia entre bases la reconoceremos por el símbolo: RBB Relación intrínseca En la figura siguiente, se muestra el circuito equivalente de un UJT: Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 24 de 46 Versión 20090827 Si conectamos entre las bases una fuente de alimentación de corriente continua, dejando el emisor abierto obtenemos el siguiente circuito Si calculamos la tensión en extremos de R1: V1 R V R1 1 V V R1 R2 Rbb La cantidad η se denomina relación intrínseca. El intervalo de valores característicos de η va desde 0,5 hasta 0,8. Por ejemplo un UJT 2N2646 tiene un η de 0,65. Si este UJT se utilizara en la figura anterior, con una fuente de alimentación de 10V, entonces, Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 25 de 46 Versión 20090827 V1= ηV=0,65 10V=6,5V Funcionamiento del UJT Se tiene el siguiente circuito El diodo interno del unijuntura, se polariza en directa cuando Veb1 Vp Vbb V En donde V 0,6V Cuando se alcanza esta tensión Vp, la circulación de portadores de carga a través de rb1, hace disminuir su resistencia, en consecuencia un capacitor conectado entre E y B1, se descarga rápidamente. La circulación de corriente hacia el terminal de emisor continúa hasta que VEB1 desciende al valor de la tensión de saturación de emisor VEB1Sat instante en el cual el dispositivo deja de conducir. Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 26 de 46 Versión 20090827 En el gráfico anterior VEB1Sat = Vv Otros 2 parámetros importantes del unijuntura son: la corriente de pico Ip y la corriente de valle Iv, las cuales pueden verse en la gráfica anterior. La corriente de pico Ip es la mínima corriente de emisor que debe circular para que el unijuntura conmute al estado de conducción. En el gráfico anterior vemos que Ip tiene lugar cuando VEB1=Vp La corriente de valle es la circula por el emisor cuando VEB1=Vv=VEB1Sat Oscilador de relajación con transistor unijuntura En la siguiente figura se muestra un oscilador de relajación utilizando el transistor unijuntura Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 27 de 46 Versión 20090827 El transistor unijuntura permanece en estado de corte hasta que la tensión de emisor VEB1 alcanza el valor Vp; en este instante el transistor se conmuta al estado de conducción circulando una intensa corriente de emisor. Esto hace que el capacitor C se descargue rápidamente. Cuando la tensión del capacitor desciende hasta el nivel de saturación del emisor VB1Sat el unijuntura se conmuta al corte permitiendo que C se cargue de nuevo. Puede hacerse variable la frecuencia de un oscilador de relajación conectando diferentes capacitares C, y/o regulando la resistencia R1. Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 28 de 46 Versión 20090827 Al proyectar un oscilador de relajación con transistor unijuntura, debe elegirse la resistencia de carga (R1+R2) dentro de ciertos límites superior e inferior. La resistencia (R1+R2) no debe ser tan grande que la corriente de emisor sea inferior a la corriente de pico cuando VEB1 es igual a la tensión de disparo, de otro modo el dispositivo no podrá entrar en conducción. Si (R1+R2) tiene un valor muy pequeño, entonces cuando VEB1 esté al nivel de saturación del emisor, puede circular una corriente superior a la de valle hacia el terminal de emisor, con lo cual el unijuntura no podrá pasar al estado de no conducción Por lo tanto para el funcionamiento correcto del transistor en el oscilador, debe elegirse (R1+R2) entre los límites que permitan a la corriente de emisor situarse entre un mínimo de Ip y un máximo de Iv Ejercicio: Se construye un oscilador de relajación en base al circuito anterior pero con la siguiente configuración: Se empleará un transistor unijuntura 2N3980 con o VEB1Sat=3V o Ip=2μA o Iv=1mA o η=0,68 a 0,82 o Vγ=0,7 Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 29 de 46 Versión 20090827 Rob1=0 y Rob2=0 Vcc=20V La frecuencia de salida debe ser de 5Khz Proyéctese un circuito adecuado, calculando la amplitud de la salida Solución El capacitor C1 se carga desde VEB1Sat=3V hasta la tensión de disparo Vp Vp=ηVbb+Vγ Si promediamos el valor de η obtenemos η=0,75 Vp=0,75 20V+0,7=15,7V Esto significa que la tensión en el capacitor oscilador variará entre: 3V=<Vc<=15,7 V Calculamos (R1+R2) máximas: (R1+R2)max=(Vcc-Vp)/Ip=(20V-15,7V)/2μA=2,15 MΩ (R1+R2)mín=(Vcc-Veb1Sat)/Iv=(20V-3V)/1mA=17KΩ Elijamos por ejemplo (R1+R2)=22KΩ Si despejamos C de la siguiente ecuación t V (t ) Veb1Sat (Vcc Veb1Sat )(1 e ) Pensemos la ecuación viendo que nos den las condiciones límites es decir, para la exponencial cuando t=0 debemos tener v(t)=Veb1Sat y cuando t->infinito v(t)=Vcc Debemos despejar C considerando v(t)=Vp=15,7V y τ=(R1+R2)C y t=200 μseg (por los 5Khz) Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 30 de 46 Versión 20090827 Obtenemos C=6,61 nf=6610pf La amplitud de salida es igual a: Vp-Veb1Sat=15.7-3=12,7V Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 31 de 46 Versión 20090827 Oscilador de relajación Cuestionario ID:20070501 Se tiene el siguiente circuito Se tienen los siguientes datos para el 2N2646:VEB1Sat=3,5V; Ip=1 μA; Iv=6mA; η=0,56 a 0,75; Vγ=0,6 V; Rob1=0 y Rob2=0; Vcc=20V 1) Si promedia el valor de η ¿cuál es el valor de Vp? 2) Entre que valores oscilará la tensión del capacitor 3) ¿Cuál debe ser el valor de (R1+ R2) máxima para que trabaje el oscilador de relajación? 4) ¿Qué sucedería si la (R1+R2) máxima fuera mayor a este valor? 5) ¿Cuál debe ser el valor de (R1+R2) mínima para que trabaje el oscilador de relajación? 6) Qué sucedería si la (R1+R2) mínima fuera menor que este valor? 7) Elija un valor para R1+R2 para que funcione el oscilador de relajación 8) Dibuje la forma de onda de tensión en el capacitor en función del tiempo, mostrando claramente donde se encuentra Vp y Veb1Sat 9) Si parte de la tensión en el capacitor puede representarse por t V (t ) Veb1Sat (Vcc Veb1Sat )(1 e ) 1. ¿Cuánto vale v(t) cuando t=0? Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 32 de 46 Versión 20090827 2. ¿ Cuánto vale v(t) cuando t->∞ 3. ¿A que es igual τ? 4. ¿Cómo se lo conoce al valor de τ ? 10) Despejando de la ecuación, obtenga despejando paso a paso el valor de C en función del resto de los parámetros. Si se desea obtener una frecuencia de oscilación de 2 Khz, ¿cuánto debería valer C? Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 33 de 46 Versión 20090827 Generador de onda cuadrada con transistor unijuntura Una forma de onda que se aproxima a la rectangular se obtiene con este circuito unijuntura. La frecuencia depende básicamente de C1 y se ajusta con P1. Los resistores son de 1/8W y la alimentación puede estar entre 12 y 15V. Alteraciones en R3 y R4 pueden ayudar a obtener una forma de onda más próxima a la rectangular en función del transistor Q2. Oscilador para organo con transistor unijuntura Los tonos obtenidos al presionar los interruptores dependen de los ajustes de P1, P2 y P3. La banda de ajustes depende también de C1, que puede tener valores entre 47nF y 220nF. La potencia es relativamente baja y podrá sustituirse el altoparlante por un resistor de 100 Ohm y llevar la señal a la entrada de un amplificador. Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 34 de 46 Versión 20090827 Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 35 de 46 Versión 20090827 Cuestionario ID:20070502 Oscilador de onda cuadrada con el 555 Bolilla 4: Circuitos osciladores Oscilador con el 555 Bibliografía: (Principios de Electrónica – Malvino - Osciladores 22-9) 1) ¿Qué elementos tiene internamente el integrado 555? 2) Cuáles son los valores de Q y Q negado cuando al flip- flop RS se le coloca su entrada S en alto 3) Cuáles son los valores de Q y Q negado cuando al flip- flop RS se le coloca su entrara R en alto 4) ¿Por qué el integrado se llama 555? 5) La pata 5 llamada control de voltage, ¿qué tensión tendría cuando el integrado se alimenta con 18 V? 6) El capacitor externo al 555 conectado entre la pata 6 y masa, se comienza a cargar cuando el transistor interno del 555 esta en estado de corte o de saturación ? 7) Cual es la pata del circuito integrado que se utiliza como salida 8) ¿Para qué sirve la pata 4? A que valores de tensión debe conectarse y que comportamiento tiene en cada caso 9) Explique con sus palabras el funcionamiento como oscilador monoestable 10) Hasta que valor máximo puede llegar la tensión del condensador externo entre pata 6 y masa en su funcionamiento como monoestable? 11) ¿Qué puede hacerse si se necesita aumentar el tiempo en que el pulso de salida por la pata 3 se mantiene en alto? 12) ¿Qué ecuación se puede aplicar para determinar el ancho del pulso de salida en su funcionamiento como monoestable? 13) En funcionamiento como monoestable calcule el ancho del pulso para una resistencia externa de 47KΩ y una capacidad externa de 1µf 14) Para que sirve el condensador que se coloca entre la pata 5 y masa? 15) Explique con sus palabras el funcionamiento como oscilador astable Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 36 de 46 Versión 20090827 16) En funcionamiento como oscilador astable, encuentre una ecuación para la constante de tiempo de carga del circuito que involucra al capacitor externo C 17) ¿Qué se entiende por ciclo de trabajo? 18) En funcionamiento como oscilador astable, encuentre una ecuación para la constante de tiempo de descarga del circuito que involucra al capacitor externo C 19) ¿Qué forma de onda tiene la salida por la pata 3 como oscilador astable? 20) ¿Es simétrica la salida por la pata 3? 21) Escriba la fórmula para determinar la frecuencia de salida como oscilador astable 22) Escriba la fórmula para determinar el ciclo de trabajo como oscilador astable 23) Diseñe un oscilador astable para una frecuencia de trabajo de 5 Khz y un ciclo de trabajo de 50%. Calcule RA, RB y C. Use valores estandar del mercado de componentes electrónicos Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 37 de 46 Versión 20090827 555 como oscilador monoestable: Alarma Domiciliaria Funcionamiento: Para encender la alarma, es decir colocarla en modo activo, debe abrirse el interruptor S1, lo que permite que C1 se cargue por medio de R2. Sino la corriente circulaba por R2 y R1, cayendo casi toda la tensión sobre R2 (ya que R2=100KΩ y R1=100Ω, impidiendo que se cargue C1. La variación en el tiempo de la tensión en el capacitor C1 es: V=Vcc(1-e-t/)ح con =حR2*C1=100KΩ*220 μf=22 seg También con está tensión en las patas 4 (Reset) de los 555, se inicializan los timers, ya que dejan de estar a masa, y se desbloquean. Cuando la tensión sobre C1 supera la tensión del zener DZ1 (9,1V) este entra en conducción, provocando una caída de tensión sobre el divisor resistivo, R3, R6. Del punto medio de este divisor, se toma la tensión de compuerta que dispara a TH1 (tiristor), con lo cual se habilita la zona temporizada. Este tiempo entre que se abre S1 (encendido de la alarma) y permite salir del domicilio antes de quedar habilitados los sensores de la zona temporizada de la la alarma se ha medido en un circuito práctico en unos 45 seg.). El sistema se encuentra ahora en vigilancia. Con el tiristor ya disparado, el transistor Q1 es fundamental en el dispara de la zona temporizada. Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 38 de 46 Versión 20090827 Si se abre alguno de los sensores ( que son normal cerrado), desaparece el nivel positivo de su base, con lo que se satura, enviando a masa al cátodo de TH1, quien como ya se encuentra disparado, conecta el borne positivo de C2 a un nivel muy cercano a masa. Atravesando C2, la tensión se transforma en un pulso negativo, que dispara al primer monoestable (IC1). Este timer entrega en su pata 3 un pulso positivo que queda aplicado a C4, y la duración de dicho pulso, depende de R14 y C5. El ancho del pulso según la documentación del 555 puede calcularse como: T=1,1*R*C (ecuación 1) Una vez concluido el tiempo de carga del primer monoestable, volverá a colocar su salida a masa y C4 es atravesado por un pulso negativo, que dispara el segundo timer, que al cambiar su salida con un pulso positivo, pone en satudación al transistor Q3, el cual hace circular corriente por el relé, y activa la carga. En nuestro caso, en lugar de un relé para simular la carga utilizarémos un led, lo que en un futuro será por ejemplo una sirena, u otro dispositivo electrónico en función de lo que deseamos que haga la alarma. Si fuera una sirena, la misma permanecerá sonando durante un tiempo determinado por R4 y C8 , según la ecuación 1. Transcurrido el tiempo la sirena deja de sonar, y se restablece al estado inicial. Si se abren alguno de los sensores de la zona de pánico, el transistor Q2 se satura, con lo cual se dispara directamente el segundo monoestable. El diodo D2 aisla los disparos de ambas zonas. D1 protege a Q3 de los transitorios de la bobina del relé. El integrado de la fuente de alimentación nos provee una tensión estabilizada de 12 V. Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 39 de 46 Versión 20090827 Cuestionario ID: 20070503 Bolilla 4: Alarma con zona de pánico y temporizada utilizando el 555 1) Para encender la alarma ¿cómo debe estar el interruptor S1? 2) Cuando se abre S1, ¿que capacitor se carga, y a través de que resistencia? 3) Cuando S1 esta cerrado, ¿hasta que valor de tensión se puede cargar C1? 4) Teniendo en cuenta que el capacitor C1 se carga por medio de R2: i. ¿Cuál es la ecuación de la tensión de carga del capacitor C1 en función del tiempo cuando S1 está abierto? ii. ¿Cómo se llama esta curva? iii. ¿Cómo se calcula la constante de tiempo? iv. Calcule el valor de la constante de tiempo del circuito sabiendo que: v. R2=100KΩ - C1=220µf 5) ¿Hasta que valor de tensión se carga C1 cuando se dispara el diodo zener Dz1? 6) ¿Cuánto tarda C1 en llegar a los 9,1 V? 7) ¿Cuál es la tensión sobre R6 cuando el diodo zener DZ1 conduce, asumiendo que el capacitor C1 ya no toma corriente y que el TH1 no se disparó? 8) ¿ Qué produce sobre TH1 la tensión que se produce sobre R6? Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 40 de 46 Versión 20090827 9) ¿Qué zona se habilita cuando se dispara TH1? 10) ¿ Desde que conecto la alarma, cuanto tiempo tengo para salir por una puerta que tiene conectado un sensor a la zona temporizada, sin que la misma se dispare? 11) ¿Qué transistor se satura cuando se dispara la zona temporizada? 12) ¿ Cuándo se abre el sensor de la zona temporizada (disparo) que pasa en IC1? ¿Cómo está funcionando IC1 (monoestable o astable) ? 13) ¿ Cuánto tiempo pasa entre que se dispara un sensor de la zona temporizada y que se escucha la sirena? 14) ¿ Durante cuanto tiempo permanece sonando la alarma? 15) ¿ Qué transistor trabaja cuando se activa la zona de pánico? 16) ¿ Cuanto tiempo tarda entre que se abre el sensor de la zona de pánico y suena la sirena? Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 41 de 46 Versión 20090827 Trabajo para el alumno: 1) Conseguir los elementos necesarios para el armado de la alarma, según la lista de materiales entregada. 2) Conseguir herramientas necesarias como soldador para circuitos impresos, percloruro, estaño 60 – 40 placa de para el montaje, (si tienen un tester). 3) Comenzar diseñando el circuito impreso en papel Detalles del montaje Colocar el integrado de la fuente en un pequeño disipador U Simular la sirena con un led Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 42 de 46 Versión 20090827 Cálculo del valor medio de la corriente en la carga Figura 4 Vp Vp Io sin wt * dwt Cos( wt ) 2R 2R Vp (Cos( ) 1) 2R Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 43 de 46 Versión 20090827 Ejercicio: Para el circuito de la figura 4, se necesita conocer el valor medio de la corriente en la carga, teniendo en cuenta que la tensión sinusoidal tiene un valor eficaz de 12 V, y la resistencia es de 100 ohms, y el ángulo de disparo alfa=45 grados Io 2Vef 2 *12 (Cos( ) 1) (Cos(45) 1) 0.046 A 46ma 2R 2 100 ¿Cuál es el valor medio de la tensión en la carga? V0 I 0 * R 4.6V Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 44 de 46 Versión 20090827 Medición de corriente o tensión de un multímetro digital Por ejemplo, si el multímetro que UD. esta empleando tiene un visor de 3 ½ cifras, en la parte de la hoja de datos de especificaciones puede aparecer algo parecido a esto: DC. Current: Rango 200A 2mA 20mA 200mA Max. Ind. Accuracy (Incertidumbre) 199,9A (1% rdg + 1 dig.) 1,999mA 19,99mA 199,9mA Si UD ha empleado el rango de 200mA para medir una corriente de 100,00mA, entonces la incertidumbre (I) en dicha medición será: 1 100,0mA 0,1mA 1,1mA 100 De manera similar se debe proceder para calcular la incertidumbre presente al medir la caída de tensión. Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 45 de 46 Versión 20090827 Prof. Ing. Gustavo E. Ponisio Página 46 de 46 Versión 20090827
