Circuitos electrónicos analógicos Proyecto fnal Experimento
: Seguidor de luz tipo girasol para paneles solares
Objetivos : •
Fabricar un Seguidor de luz tipo tipo girasol para paneles solares.
Fundamento teorico: Por mucho tiempo se busco maneras de conseguir energías limpias y renovables. Una de estas energías es la energía solar, para ello se usan celdas solares donde se almacena la energía radiada por el sol. Ademas para mejorar la captura de esta energía se utiliza un circuito seguidor de luz solarue esta con!ormador tres etapas , estas son : • • •
Sensado "omparado Puente #
Etapa sensado:
se usan unas fotorresistencias fotorresistenci as (LDR) la cual es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotoresistor, fotoconductor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuya siglas, L DR, se originan de su nombre en inglés light-dependent resistor . Su cuerpo está formado por una célula o celda y dos patillas. En l a siguiente imagen se muestra su smbolo eléctrico.
!igura "." Se caracteriza por la ecuación de su resistencia
Su funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico. fotoeléctrico. #n fotorresistor está $ec$o de un semiconductor de de alta resistencia como el sulfuro de cadmio, %dS. cadmio, %dS. Si la luz &ue incide en el dispositi'o es de alta frecuencia, frecuencia, los fotones son fotones son absorbidos por las elasticidades del semiconductor dando dando a los electrones los electrones la la suficiente energa para saltar la banda de conducción. El conducción. El electrón libre &ue resulta, y su
$ueco asociado, conducen la electricidad, de tal modo &ue disminuye la resistencia. Los 'alores tpicos 'aran entre " (), o más, en la oscuridad y "** ) con luz brillante.
!igura ".+ Las células de sulfuro del cadmio se basan en la capacidad del cadmio de 'ariar su resistencia segn la cantidad de luz &ue incide en la célula. %uanto más luz incide, más ba-a es la resistencia. Las células son también capaces de reaccionar a una amplia gama de frecuencias, incluyendo infrarro-o /R0, luz 'isible, yultra'ioleta #10. La 'ariación del 'alor de la resistencia tiene cierto retardo, diferente si se pasa de oscuro a iluminado o de iluminado a oscuro. Esto limita a no usar los LDR en aplicaciones en las &ue la se2al luminosa 'ara con rapidez. El tiempo de respuesta tpico de un LDR está en el orden de una décima de segundo. Esta lentitud da 'enta-a en algunas aplicaciones, ya &ue se filtran 'ariaciones rápidas de iluminación &ue podran $acer inestable un sensor e-. tubo fluorescente alimentado por corriente alterna0. En otras aplicaciones saber si es de da o es de noc$e0 la lentitud de la detección no es importante. Se fabrican en di'ersos tipos y pueden encontrarse en muc$os artculos de consumo, como por e-emplo en cámaras, medidores de luz, relo-es con radio, alarmas de seguridad o sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles. Para me-or la diferencia de potencia producida en la fotoresistencia se coloca , esta fotoresistencia y una resistencia mas en un circuito de di 'isor de 'olta-e.
El circuito consta de la si guiente forma. #na resistencia R" contectada en serie con la fuente y una resistencia de carga donde ira nuestra fotoresistencia0 , la cual el circuito es 3
!igura ".4
Etapa comparado 3 Se utilizan un amplificador operacional en modo comparación para obtener estados perfectamente definidos &ue nos determina si el cual de los 'olta-es de entrada son mayores. Este circuito ya 'isto anteriormente es de la forma 3
!igura ".5
Finalmente el voltaje determinado llega a una puente #, donde es el alimentador del motor y el ue da el sentido del motor ya sea horario y antihorario.
Etapa puente H : #n Puente H o Puente en H es un circuito electrónico &ue permite a un motor eléctrico D% girar en ambos sentidos, avance y retroceso . Son ampliamente usados en robótica y como con'ertidores de potencia. Los puentes 6 están disponibles como circuitos integrados, pero también pueden construirse a partir de componentes discretos.
!igura ".7 El término 8puente 68 pro'iene de la tpica representación gráfica del circuito. #n puente 6 se construye con 5 interruptores mecánicos o mediante transistores0. %uando los interruptores S" y S5 'er primera figura0 están cerrados y S+ y S4 abiertos0 se aplica una tensión positi'a en el motor, $aciéndolo girar en
un sentido. 9briendo los interruptores S" y S5 y cerrando S+ y S40, el 'olta-e se in'ierte, permitiendo el giro en sentido in'erso del motor.
!igura ".: %on la nomenclatura &ue estamos usando, los interruptores S" y S+ nunca podrán estar cerrados al mismo tiempo, por&ue esto cortocircuitara la fuente de tensión. Lo mismo sucede con S4 y S5. Para el monta-e de este circuito lo más $abitual en este tipo de circuitos es emplear interruptores de estado sólido como ;ransistores0, puesto &ue sus tiempos de 'ida y frecuencias de conmutación son muc$o más altas. En con'ertidores de potencia es impensable usar interruptores mecánicos, dado su ba-o nmero de conmutaciones de 'ida til y las altas frecuencias &ue se suelen emplear. 9demás los interruptores se acompa2an de diodos conectados a ellos en paralelo 0 &ue permitan a las corrientes circular en sentido in'erso al pre'isto cada 'ez &ue se conmute la tensión, puesto &ue el motor está compuesto por bobinados &ue durante bre'es perodos de tiempo se opondrán a &ue la corriente 'are. permite a un motor girar en ambos sentidos. Los transistores usados para este circuito puente 6 es los transistores en modo de corte y luego en modo de saturación, dependiendo de sus pares. El funcionamiento del transistor depende de la cantidad de corriente &ue pasa por su base.
Cuando no pasa corriente por la base, no puede pasar tampoco por sus otros terminales; se dice entonces que el transistor está en corte, es como si se tratara de un interruptor abierto. El transistor está en saturación cuando la corriente en la base es muy alta; en ese caso se permite la circulación de corriente entre el colector y el e misor y el transistor se comporta como si fuera un interruptor cerrado. El transistor trabaja en conmutación cuando puede pasar de corte a saturación según la cantidad de corriente que reciba por su base. Las graficas de un transistor NN de emisor común en corte ! los cuales son usados en el proyecto"
#igura $.%
#igura $.&
#igura $.'
(demás es importante resalta el funcinamiento de nuestro motor de corriente continua !)C". El motor de corriente continua es una má&uina &ue con'ierte la energa eléctrica en mecánica, pro'ocando un mo'imiento rotatorio. En algunas modificaciones, e-ercen tracción sobre un riel. Estos motores se conocen como motores lineales . Su principal incon'eniente es el mantenimiento, muy caro y laborioso. #na má&uina de corriente continua generador o motor0 se compone principalmente de dos partes. #n estátor &ue da soporte mecánico al aparato y tiene un $ueco en el centro generalmente de forma cilndrica. En el estátor además se encuentran los polos, &ue pueden ser de imanes permanentes o de'anados con $ilo de cobre sobre ncleo de $ierro. El rotor es generalmente de forma cilndrica, también de'anado y con ncleo, al &ue llega la corriente mediante dos escobillas.
El principio del funcionamiento es la ley de !uerza de Lorentz simplificada, cuando un conductor por el &ue pasa una corriente eléctrica se sumerge en un campo magnético, el conductor sufre una fuerza perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente, siguiendo la regla de la mano derec$a.
•
F: !uerza
en ne
•
I: /ntensidad
•
l: Longitud
•
B: Densidad
&ue recorre el conductor en amperios
del conductor en metros de campo magnético o densidad de flu-o teslas
El rotor tiene 'arios repartidos por la periferia. 9 medida &ue gira, la corriente se acti'a en el conductor apropiado. =ormalmente se aplica una corriente con sentido contrario en el e>tremo opuesto del rotor, para compensar la fuerza neta y aumentar el momento.
!igura "."*
En nuestro circuito se incluyo algunos diodos debido a la? !uerza electromotriz inducida por el motor? Esta es la tensión &ue se crea en los conductores de un motor como consecuencia del corte de las lneas de fuerza, es el efecto generador de pines. La polaridad de la tensión en los generadores es in'ersa a la aplicada en bornes del motor.Las fuertes puntas de corriente de un motor en el arran&ue son debidas a
&ue con la má&uina parada no $ay fuerza contraelectromotriz y el bobinado se comporta como una resistencia pura del circuito. La fuerza contraeloectromotriz en el motor depende directamente de la 'elocidad de giro del motor y del flu-o magnetico del sistema inductor.
Materiales • • • • • • •
#otoresistencias *ransistores NN (mplificador operacional +otor )C )iodos #uente de oltaje -esistencias
Procedimiento experimental aso $ e conecto las fotoresistencias en /aciendo un diisor de oltaje con una resistencia !er figura $.$$" . e midio el oltaje transcurrido por cada diisor.
aso 0
e conecto las el diisor de oltaje a un amplificador operacional ,en modo comparador, !er figura $.$0" . e midio los oltajes de salida de los comparadores
aso 1
e ensamblo el puente 2 !3er figura$.$1", midi4ndose las corriente de los transistores. e midio el oltaje en el motor.
aso 5
e ensamblo el puente 2 al resto del circuito. Como se muestra en la figura $.$5.
Datos experimentales
1ariación de la fotoresistencia
!otoresistencia $ %&' !otoresistencia ) %&'
()*+ -/01 (-*+ -)+01
;abla "." Resistencias de protección de los transistores
2. 2. 2. 2.
3rans 3rans 3rans 3rans
$%0&' )%0&' -%0&' 4%0&'
45./ 5.$ $+).$ 55 ;abla ".+
1ariacion de los 'olta-es de las fotoresistencias salida del di'isor de 'olta-e0
S.Antihorario
S.#oario
6. 782$ %v' 6. 782) %v'
+.*9 ).//
)./5 +.*
;abla ".4 (ediciones de salida del amplificador operacional
6salida $ %6' 6salida 9 %6'
S.Antihorario
S.#oario $+.*/ +
+ $+.*
;abla ".5 1olta-e colector@ emisor en sentidos anti$orarios y $orarios
S. Antihorario 6.trans 6.trans 6.trans 6.trans
$ ) 4
%v' %6' %v' %6'
S.#oario +.9-* 4.+4 $.)* -.+*
4.4 +.$+4 4.$/ +.*
;abla ".7 /ntensidades colector en sentidos anti$orarios y $orarios
S. Antihorario . trans $ %mA'
S.#oario )4.4
+.4
. trans ) %mA' . trans - %mA' . trans 4 %mA'
+.$ ))./ +.-
)$.+.$ )*./
;abla ".:
/ntensidades de bases en sentidos anit$orarios y $orarios
S. Antihorario . . . .
trans trans trans trans
$ ) 4
%mA' %mA' %mA' %mA'
S.#oario + +.$$/ + +.+54
+.5 + +.+9 +
;abla ".A B Se obser'a un gran diferencia de intensidades en las bases debido a las resistencias de protecion B Dado &ue no se pudo $acer cálculos y poder $allar teóricamente la intensidad de carga en el colector . se recogio todos los datos posibles
(ediciones del motor en funcionamiento
S. Antihorario ntensidad %mA' resistencia %&' voltaje %6'
S.#oario )4.4 $+./ $.+-
;abla ".C
)$.$ $+./ $.+$)
Observaciones y discusiones •
Se obser'ó la 'ariación de la fotoresistencia con el aumento y disminución de la intensidad de luz, a mayor intensidad de luz menor fue la resistencia del fotoresistor y 'ice'ersa.el rango de las resistencia de la fotoresistencia fue de +7* F ".7(G
•
Se obser'o &ue el modelo ori ginal con las fotoresistencias en serie nos da una pe&ue2a diferencia de potencial , Para solucionar esto se puso la fotoresistencia en un di 'isor de 'olta-e para obtener una mayor de diferencia de potencial
•
9demas se dio el circuito formado por una resistencia y la fotoresistencia en di'isor de 'olta-e para &ue pueda $aber una mayor diferencia de potencial, &ue estándolo en serie.
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Se obser'ó el funcionamiento del amplificador operacional en modo comparador , para una salida de 'olta-e de "+ 1 y *1, pero resulto una salida de "*.57 1 y *.7:A1, esto debido a las mismas caractersticas del circuito integrado.
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En el puente 6 se obser'ó &ue de los 5 transistores , dos de ellos estaban en modo de corte y los otros dos estaban en modo de saturación. Esto debido a las alimentaciones &ue tenia en ciertos instantes .
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Esto fue comprobado al medir la intensidades de corriente en el emisor y los 'olta-es colector@ emisor.
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;ambién se obser'ó &ue su funcionamiento de los transistores era de un interruptor en la región de saturación y corte para el motor.
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Se obser'ó también &ue sin colocar lo s diodos , el funcionamiento del circuito era de el mismo, pero &ue después de 'arias pruebas , los transistores empezaron a fallar y malograrse, esto debido a una corriente inducida en sentido contrario producida por el motor
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Esto se obser'ó gracias a &ue se coloco unos LEDs en lugar de unos diodos, dado &ue su funcionamiento fue el mismo &ue el d iodo, el de no de-ar pasar la corriente en sentido contrario y da2ara los transistores.
Conclusiones •
Se concluyo y finalizo el estudio de los sensores fotoresistores0 y el funcionamiento y del puente 6
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Se fabrico el seguidor de luz tipo girasol, incluyendo todas sus caractersticas y condiciones de funcionamiento.
Bibliografía • • •
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Hrop$y, Iames I. Electrónica fundamental para cientficos. Editorial Re'erté. Hoylestad, RobertJ ;eora de circuitos : Edición Ed (c Kra<@6ill "C. $ttp3MM<<<.ladelec.comMpracticasMcircuitos@analogosMA7C@seguidor@de@luz@tipo@girasol@para@panel@ solar
http:;;es.
