Electrónica A/D

PRACTICA Nº 5

1. TEMA: Inversión de giro automática de un motor de corriente continúa mediante el uso de multivibradores y el puente H.

2. OBJETIVOS:

Diseñar y Verificar que el giro de un motor de CC sea invertido mediante un circuito de Puente H, comandado además por un BIESTABLE y AESTABLE transistorizados.

Dimensionar los componentes, para que los transistores del circuito trabajen en conmutación.

Diseñar y armar una fuente de CC que respalde la aplicación.

3. MATERIALES:

Multímetro, proto board, pinzas Un motor de corriente continua Cable multipar 2 Micropulsantes 1 Relé 8 Resistencias 3 Focos 4 Condensadores 6 Transistores NPN 2 Transistores PNP

4. MARCO TEORICO

4.1 EL MULTIVIBRADOR AESTABLE

El AESTABLE es un circuito oscilador o generador de onda cuadrada, que puede ser de frecuencia fija o variable.

Esquema:

El circuito al ser oscilador no interesa cual de los transistores se cierre primero, pero es necesario que uno de ellos este cerrado y para calcularlo debemos tener una mayor garantía en este que en el otro transistor.

Funcionamiento

Tituana - Parapi 1

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Cuando el condensador C2 se carga, en el otro sentido C1 se vuelve a cargar con la polaridad inicial a través de Rc1, y está listo para funcionar en el instante en que se cierre Q1.

Lo mismo sucede cuando C1 se carga en el otro sentido, de manera que C2 está listo a trabajar cuando se cierre Q2.

El tiempo que demoren los transistores abiertos o cerrados dependerá del tiempo que se tarden los condensadores C1 y C2 en cargarse de –Vcc a 0.6V. Este tiempo se calcula con la siguiente fórmula:

t = R*C*0.7

Donde:

t: Tiempo de carga de un condensador. (En segundos)R: Resistencia que está en serie al condensador. (En ohmios)C: Capacidad del condensador. (En faradios)

El tiempo que se demora Q1 cerrado y Q2 abierto depende del condensador C1. Donde:

t1 = Rb2*C1*0.7

El tiempo que se demora Q2 cerrado y Q1 abierto depende del condensador C2. Donde:

t2 = Rb1*C2*0.7

Como se observa en el gráfico, el período de la onda será la suma de los dos tiempos T = t1 + t2.

4.2 APLICACIÓN PUENTE H

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Motor de CC: Motor que requiere corriente continúa para su funcionamiento. Tiene la capacidad de girar en ambos sentidos, con sólo cambiar la polaridad de la alimentación.

Es posible regular su velocidad haciendo circular mayor o menor corriente.

En el circuito para el control de motores existe un PUENTE H de transistores nombre que surge, obviamente, de la posición de los transistores en una distribución que recuerda la letra H. Esta configuración es una de las más utilizadas en el control de Motores CC, cuando es necesario que se pueda invertir el sentido de giro del motor.

4.3 APLICACIÓN DE MULTIVIBRADORES.

El área de aplicación de multivibradores es amplia, por ejemplo una aplicación básica seria un calibrador de oscilaciones, que detallaremos su funcionamiento.

Calibrador de osciloscopio:

Este calibrador de osciloscopio produce una onda cuadrada de 10 voltios y 1020 Hz. o bien, una pulsación de 50 microsegundos, una amplitud de 1 á 2 voltios. Con este instrumento se puede comprobar la calibración vertical y la linealidad de tiempo base (horizontal) de un osciloscopio, además de la frecuencia de barrido básica. El calibrador es un suministro de señales con muchas aplicaciones.

FUNCIONAMIENTO: Este calibrador es básicamente un multivibrador transistorizado, el cual está diseñado bajo tolerancias estrictas. Los transistores Q1 y Q2 son los que forman el multivibrador, frecuencia que está determinada por los valores de los componentes de sincronización C1, C2, R2 y R3. Si queremos reducir la frecuencia original de 1020 Hz a una señal exacta de 1Khz.(1000 Hz) basta colocar en derivación con el C1 y C2 un capacitor de 20 pF.

El seguidor de emisor Q3 actúa como aislador del multivibrador de los efectos de carga del circuito de salida, además funciona como un igualador de impedancia.

La salida de onda cuadrada del multivibrador que aparece en el colector de Q2 mide aproximadamente 12 voltios. Los cuales se reducen a 10 voltios que se necesitan

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ajustando el R5. Para producir la pulsación de 50 microsegundos, la onda cuadrada en Q2 es diferenciada por el C3 y R6 y rectificada por el D2, con lo cual se eliminan los excesos negativos. La salida es conmutada al Q3 por el S1 y acoplada al circuito externo a través de C4.

AJUSTE: Cuando ya se tiene el circuito terminado, se ajusta a la amplitud de la onda cuadrada a 10 voltios exactamente, como sigue:

- Colocar el interruptor S1 (interruptor selector) en "onda cuadrada" y conectar un puente entre la base de Q2 y tierra para anular al multivibrador.

- Conectar un voltímetro de C.C. calibrando con exactitud a través de R7 y ajustando el potenciómetro (R5) para una lectura de 10 voltios en voltímetro.

Toda vez que se calibra el osciloscopio, puede usarse para medir la pulsación en la salida calibrada. No se puede ajustar la amplitud de la pulsación independientemente, por tratarse de una función de la frecuencia de onda cuadrada.

5. PROCEDIMIENTO:

A. Diseñar y armar una fuente de CC que a su salida entregue el voltaje y corriente necesarios para respaldar su aplicación. (es preferible que para la etapa de regulación utilice un CI). (Practica 3)

CIRCUITO DE LA FUENTE DE CC:

DATOS Y RESUMEN DE CALCULOS PARA EL DISEÑO DE LA FUENTE:

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Datos:V salida=12Vic ,max=500mA∆V=3Vt=8,33msV ref , LM 317=1,2V

Vp=V salida

0.707= 12V0.707

=16,97V

Vmáx=Vp−1.2=16,97V −1.2V =15,77V

V min=V máx−∆V =15,77V−3V=12,77V

Vmed=Vmá x−∆V2

=15,77V −3V2

=14,27V

Vmáx .inv .=16,97V

ID=I c ,max

2=500mA

2=250mA

C= i ∙ t∆V

=500mA∙8,33ms3V

=1388 μf

Vmed=V C=14,27V

Rpot=R21,2V

(V salida−1,2V )=220Ω1,2V

(12V −1,2V )=1,98k Ω

Explicación: Tomamos el valor de 12V porque ese es el valor de tensión de nuestro motor con una intensidad de 100mA, y sobre dimensionamos la intensidad para la fuente porque hay otros elementos que consumen corriente, ademas de ofrecernos seguridad y eficiencia; colocamos un potenciometro de 2k Ω para regular el voltaje de salida que nos proporciona la LM317.

CUADRO DE MATERIALES DIMENSIONADOS (FUENTE):

Elemento Caracteristica Comercial ValoresTransformador Vp, Vs, Potencia o Intensidad 120V/12V/1A

Puente de GraetzFusible Voltaje, Intensidad 250V/1A

Condensador 1 Capacidad/Voltaje 1000 μf /25VCondensador 2 Capacidad/Voltaje 470 μf /25V

CI LM317 Voltaje 0÷VccPotenciometro Valor Ohmico 2k Ω

Resistencia Valor Ohmico/Potencia 220Ω /0.5WCondensador 3 Capacidad/Voltaje 10 μf /25VCondensador 4 Capacidad 0.01 μf

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Armar la fuente, comprobar la forma y el valor del voltaje de salida.

Forma (GRAFICO):

V.sal = 12.7V

B. Diseñar, calcular y dimensionar un circuito que comande un motor de C.C, bajo las siguientes condiciones: El motor inicia detenido, al aplastar un pulsante (biestable) el motor gira 5 segundos en un sentido y 3 segundos en otro sentido automáticamente y de manera indefinida (aestable), hasta accionar otro pulsante que apaga el motor. Puede utilizar focos para indicar cada estado del motor. (se supone que la fuente diseñada en el punto anterior esta lista para alimentar este circuito)

CIRCUITO COMPLETO (INCLUIDO LA FUENTE):

CRITERIOS DE DISEÑO Y EXPLICACION DEL FUNCIONAMIENTO:

BIESTABLE:

Este circuito comienza apagado en su totalidad, pero está alimentado positivamente en todos los bloques, al momento de accionar el contacto pulsante B2 se excita la

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bobina del relé, el contacto cambia de posición haciendo tierra, esto hace que circule una ib1 al transistor Q7 por lo tanto existe una ic1 haciendo que el foco H1 se encienda, todo esto produce que se energice el bloque AESTABLE y PUENTE H. Accionando el pulsante B1 se crea una ib2 al transistor Q8 por consecuencia existe una ic2 que hace excitar la bobina del relé haciendo que el contacto cambie de posición inicial y deje de energizarse los bloques anteriormente indicados, el foco H1 se apaga y vuelve a reposo (apagado).

AESTABLE:

Una vez que el BIESTABLE energice por medio del relé a este bloque, los dos transistores iniciaran la conducción, ya que las bases reciben carga positiva a través de las resistencias Rb5 y Rb6, un transistor conducirá más antes que el otro, esto se debe de que a pesar de que los transistores sean iguales comercialmente, siempre va a existir una diferencia de fabricación.

Suponiendo que es Q5 el que conduce primero. Aquí, el voltaje en su colector estará próximo a 0 voltios, por lo que el C1 comenzará a cargarse a través de Rb5. Cuando el voltaje en C1 alcance los 0,6 V, Q6 comenzará a conducir, pasando la salida a nivel bajo (tensión próxima a 0V). C2 se descargará ahora provocando que Q5 se bloquee. C2 comienza a cargarse por Rb6 y al alcanzar la tensión de 0,6 V provocará nuevamente la conducción de Q5, la descarga de C1, el bloqueo de Q6 y así enviando una señal de salida. A partir de aquí la secuencia se repite indefinidamente, tres segundos mandara la señal vs1 y cinco segundos la señal vs2, hasta que se quite la tensión VS1 del BIESTABLE.

PUENTE H:

Ahora se conectara normalmente, las señales de ingreso que vendrán de las salidas del AESTABLE, esto hará que reciba una señal de cinco segundos, y luego otra señal de tres segundos. Así el motor que está conectado al puente H entre los colectores de los transistores NPN y PNP girara cinco segundos en un sentido y a los tres segundos invierte su giro.

Características del motor:

Voltaje de alimentación (V): 12VCorriente (mA): 100mAOtras características: Potencia (W): 1.2W

Características de los transistores a usar (consultar un catalogo y/o medir):

Transistores HFE Tipo (Codigo) Otras CaracterísticasQ1 (Puente) 167 PNP 3906 625 mWQ2 (Puente) 171 PNP 3906 625 mWQ3 (Puente) 163 NPN 3904 625 mWQ4 (Puente) 163 NPN 3904 625 mWQ5 (Aestable) 154 NPN 3004 625 mWQ6 (Aestable) 154 NPN 3904 625 mWQ7 (Biestable) 201 NPN 3904 625 mWQ8 (Biestable) 193 NPN 3904 625 mW

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Apariencia y terminales de los transistores usados:

CALCULO: (Empiece el cálculo desde el puente H, la corriente que consume el motor es la IC de los transistores del puente, luego calcula las resistencias de base del puente. Diseñe el aestable según los tiempos requeridos, la IC del aestable pudiera ser la ib del puente H calculada anteriormente…En definitiva calcule cada etapa por separado luego simplemente las acopla)

PUENTE H

DATOS:

V CC=12VV motor=12Vimotor=100mAHFE=166G=8

Pmotor=V motor ∙ imotor=12V ∙0,10 A=1,2W

ibsat 2=iC

HFE∙G=100mA

166∙8=4,81mA

Rb1=Rb2=Rb3=Rb4=V CC−0,6ibsat 2

=(12−0,6)V4,81mA

=2,36 k Ω

AESTABLE

DATOS:V CC=12VV foco=12VPfoco=0,5WG=10HFE=154t 1=5 st 2=3 s

ifoco=P foco

V foco

=0,5W12V

=41,67mA

Rc1=Rc2=R foco=V foco

ifoco= 12V0,04167 A

=288Ω

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iC=iC 1=iC 2=V CC−0,6Rc1+RC 2

=(12−0,6)V(288+288)Ω

=19,79mA

ibsat 3=iC

HFE∙G=19,79mA

154∙10=1,28mA

Rb5=Rb6=V CC−0,6ib sat3

=(12−0,6)V1,28mA

=8,87k Ω

C1=t 1

0,7 ∙Rb5= 5 s0,7 ∙8,87 k Ω

=805 μf

C2=t 2

0,7 ∙Rb6= 3 s0,7 ∙8,87k Ω

=483 μf

BIESTABLE

DATOS:V CC=12VV foco=12VPfoco=0,5WV rele=12VRrele=407ΩG1=10G2=3HFE1=201HFE2=193

ifoco=P foco

V foco

=0,5W12V

=41,67mA

ibsat 4=ic

HFE2∙G2=

41,67mA193

∙3=0,644mA

R7=V CC−0,6ibsat 4

=(12−0,6)V0,644mA

=17,6k Ω

irele=V rele

Rrele

= 12V407Ω

=29,48mA

ibsat 5=irele

HFE1∙G1=

29,48mA201

∙10=1,46mA

Rt=V CC−0,6ibsat 5

=(12−0,6)V1,46mA

=7,77k Ω

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Rb8=R t−R rele=(7772−407 )Ω=7,36k Ω

C. Arme el circuito diseñado con la mayor estética posible y compruebe su funcionamiento. Como parte de la comprobación del buen funcionamiento del circuito mida los voltajes de salida del AESTABLE (entre colector y emisor de cada transistor) y llene los siguientes cuadros: (recuerde que todos los transistores trabajan en conmutación).

Motor en sentido 1 (5 segundos):Voltaje de salida aestable (VCE)

Transistor 1 12VTransistor 2 0.6V

Motor en sentido 2 (3 segundos):Voltaje de salida aestable (VCE)

Transistor 1 0.7VTransistor 2 11.97V

Otras mediciones comprobatorias:

Elemento MediciónRelé (BIESTABLE) 12.5V

Condensador 1 (AESTABLE) 10VCondensador 2 (AESTABLE) 10.3V

6. FOTOGRAFIA:

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7. CONCLUSIONES (¿Se cumplieron los objetivos? ¿Qué dificultades tuvo? ¿Cual pueden ser las posibles aplicaciones de este tipo de circuitos?, etc.)

Lo más difícil de la práctica fue el diseño debido a que primero no teníamos muy claro cómo funcionaban ciertos elementos pero luego de hacer una revisión cautelosa de la materia se nos hizo más fácil diseñar según el comportamiento de cada material.

El bloque más complicado en nuestro caso fue el PUENTE H, pues ya teníamos los bloques del AESTABLE Y BIESTABLE en perfecto funcionamiento, pero al montarle el motor en el PUENTE H bajaba la tensión considerablemente y tuvimos que cambiar por otro motor del mismo voltaje pero diferente intensidad ya que consumía mucha corriente.

En nuestro caso el BIESTABLE y AESTABLE funcionan correctamente pero al colocar el motor baja la tensión y los focos indicadores en el AESTABLE comienzan a oscilar de manera intermitente, con lo cual no pudimos concluir con la practica en su totalidad. Por consecuencia el motor no gira porque no llega suficiente corriente.

La inversión de giro automática tiene múltiples aplicaciones como en el caso de la robótica, ya que ciertos robots dependen de una programación en donde sus movimientos se coordinen de acuerdo a la acción que vaya a realizar. Otras aplicaciones son los carros a control remoto, ya que para dar señales de dirección se necesitan combinar circuitos puente H con circuito AESTABLE.

En general la importancia de los tres circuitos estudiados tiene su validez en esta práctica, donde prácticamente se acoplan en uno solo para realizar una cierta aplicación y nos puede servir para ir comprobando el funcionamiento individual de cada uno de estos.

8. BIBLIOGRAFIA

- http://www.forosdeelectronica.com/about2493.html - http://en.wikipedia.org/wiki/Multivibrator - http://www.rodaronline.com/trans/trans4.htm - http://roboticar.com.ar/files/Microrobots/Clase5/

Electronica_Microrobots_Moviles.pdf

9. ANEXO

Simule el funcionamiento del circuito en el software correspondiente, en sus dos estados de funcionamiento. (En lugar de un motor puede utilizar diodos LED).

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Cuando el motor gira 5 segundos.

Cuando el motor gira 5 segundos.

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