Grupo: 7e2BEquipo: 01

S. E. P. D.G.E.S.T.

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

ELÉCTRICA-ELECTRÓNICA

(ÁREA ELECTRÓNICA)

LABORATORIO DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES

REPORTE DE APLICACIÓN #1

INTERRUPTOR CREPUSCULAR

EQUIPO No.: 01

INTEGRANTES:

Cosme Daniel Muñoz Machorro

Isaac Téllez Jaime

Héctor Reynoso Vallejo

_________________________________________

Vo. Bo. M. C. Fernando Vera Monterrosas

Grupo: 7e2BEquipo: 01

PROYECTO NO. 1INTERRUPTOR CREPUSCULAR

Introducción

Un interruptor crepuscular es un circuito electrónico diseñado para encender y apagar una lámpara, en función del nivel de luz que detecta en un determinado momento del día. Se utilizan normalmente para controlar el alumbrado público, la iluminación de jardines y otros espacios exteriores. El circuito propuesto para esta aplicación utiliza como elemento de control, un amplificador operacional configurado como detector no inversor de nivel positivo (comparador no inversor con V ref ≠ 0V ). Usando esta configuración se consigue que el circuito encienda la lámpara cuando oscurece y la apague automáticamente cuando amanece de nuevo, además es posible ajustar la sensibilidad del circuito mediante un preset, es decir, el nivel de oscuridad al que la lámpara entrara en operación.

Funcionamiento

El esquema del circuito propuesto aparece en la figura 1. Como puede verse todo funciona alrededor de un CI LM311, el LM311 es un amplificador operacional de la empresa Fairchild Semiconductor, diseñado específicamente para ser utilizado como comparador de voltaje. Las características más sobresalientes de este integrado se presentan en la tabla 1.

Figura 1. Interruptor Crepuscular

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En la entrada inversora del LM311 se conecta un divisor de voltaje, formado por un preset de 100kΩ RV1 y dos resistencias de 10kΩ en serie, R2 y R3. El propósito de esta configuración es establecer un voltaje de referencia mediante el cursor del preset. El voltaje máximo y mínimo que se puede ajustar en la entrada inversora del OPAM, al posicionar el cursor RV1 en su posición inferior y superior, se obtiene mediante el siguiente análisis del divisor de tensión formado por R2, RV1 y R3:

V ADJmax=( RV 1+R 3 )

(R 2+RV 1+R 3 )V cc=

110k Ω120 k Ω

5V =4.6 V

V ADJmin=R 3

(R 2+RV 1+R 3 )V cc=

110k Ω120 k Ω

5 V=0.42 V

Análisis del divisor de tensión formado por R2, RV1 y R3

En la entrada no inversora del operacional también se conecta un divisor de tensión. Dicho divisor lo forman R4 y LDR. La fotorresistencia usada en este circuito es una de coeficiente negativo. Las fotorresistencias de coeficiente negativo aumentan la resistencia entre sus terminales cuando la intensidad de la luz que incide en ellas es baja, cuando la intensidad aumenta, entonces disminuyen su resistencia. De acuerdo con los datos suministrados por el fabricante, esta fotorresistencia en particular alcanza los 10MΩ en ausencia de luz y 130Ω bajo una luz intensa. Si conecta una resistencia de 100kΩ en serie con LDR1 se consigue un rango amplio de voltajes en la entrada no inversora del LM311 (desde lo 0V hasta 5V, aproximadamente). A continuación se desarrolla un análisis que justifica la elección de una resistencia de 100kΩ.

V LDRmax=LDR

LDR+R 4V cc=

10 M Ω10.1 MΩ

5V =4.95 V Se mide un voltaje máximo en la entrada no inversora cuando la LDR no está expuesta a la luz.

V LDRmin=LDR

LDR+R 4V cc=

130 Ω100.13 kΩ

5V =1.29 mV Se mide un voltaje mínimo en la entrada no inversora cuando la LDR está expuesta a una luz intensa.

Análisis del divisor de tensión formado por R4 y LDR

A diferencia de los amplificadores operacionales comunes, que se diseñan con salida push-pull, el LM311 posee una salida tipo colector abierto (figura 2). En aplicaciones que consumen poca potencia se puede conectar la carga directamente a esta patilla. En esta aplicación no es posible, porque el relevador RL1 consume mucha más corriente de la que puede manejar Q1, según datos del fabricante la corriente colector de Q1 no debe exceder los 50mA.

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Figura 2. Esquema del LM311

Considerando esta limitación del CI, se polariza el colector de Q1 mediante una resistencia de 5.6kΩ, R1. De esta forma, cuando Q1 está saturado circulan por su colector poco más de 750µA y ninguna corriente a la base de Q2, Q2 está en corte. Si el transistor Q1 entra en corte esos 750µA circularan ahora hacia la base de Q2 haciendo que entre en saturación y que energice la bobina de RL1. Los cálculos que condujeron a la elección del valor de R1 son los siguientes:

Si V cc=5V , βQ2=200 y I RL1=72 mA entonces

I CQ2=I RL1=72mA

I BQ 2=ICQ 2

βQ2=72 mA

200=360 μA

Se duplica I BQ2 para asegurar que Q2 entre en la zona de saturación.

I BQ2=720 μA

R1=V cc−V BE

I BQ 2=5V −07 V

720 μA=5.97 k Ω

Se escoge el valor comercial de 5.6kΩ para R1.

I BQ 2=V cc−V BE

R1=5 V −07V

5.6 k Ω=767 μA

Con IBQ2=767 μA se asegura que Q2 entrara en zona de saturación y activara RL1.

Cálculo de resistencia de polarización de Q2

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Tomando en cuenta que el LM311 trabaja como comparador no inversor, las condiciones para que su transistor de salida Q1 se opere en saturación y corte son las siguientes:

Si V LDR>V ADJ Q1 se satura, Q2 se corta y la bobina de RL1 esta desenergizada.

Si V LDR>V ADJ Q1 se corta, Q2 se satura y la bobina de RL1 se energizada.

Con las configuraciones descritas anteriormente se consigue diseñar un interruptor crepuscular que mediante LDR1 detecta una disminución de la intensidad luminosa. Cuando esto ocurre, durante el anochecer por ejemplo, LDR1 aumenta la resistencia entre sus terminales, por consiguiente el voltaje en la entrada no inversora del LM311 aumenta. En el momento que ese voltaje sobrepasa el umbral establecido por RV1 y sus resistencias asociadas, el transistor interno del comprador, Q1, entra en la zona de corte. Entonces la corriente que antes circulaba por su colector, circula ahora hacia la base de Q2, haciendo entrar en saturación a este último y energizando la bobina de RL1. Conectado una lámpara como ilustra la figura 4 se puede controlar que una lámpara encienda al anochecer y se apague de automáticamente al amanecer.

Figura 4. Forma de conectar una lámpara al interruptor crepuscular.

El resto del circuito de la figura 1 es una fuente de alimentacion regulada con un rectificador de media onda, un filtro capacitivo común y corriente y un regulador LM7805. El circuito está diseñado para trabajar utilizando una batería de 9V o con un transformador de mínimo 9V.

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Ajuste

El ajuste del circuito se realiza esperando que llegue la hora exacta en que se desea que se active la lámpara. Llegada esta hora se ajusta el cursor del preset hasta conseguir que la lámpara encienda de manera estable, sin oscilaciones.

Construcción

El prototipo del proyecto se monto en una placa de circuito impreso diseñada para tal finen PCB Wizard. En la figura 5 y la figura 6 aparecen imágenes del diseño.

Figura 5. Vista de las pista y distribución de componentes en el PCB Figura 6. Vista del prototipo

La figura 7 muestra una fotografía del prototipo y la figura 8, una del mismo funcionando.

Figura 7. Figura 8.