PRÁCTICA 1 Sensor de Luz

SISTEMAS DE CONTROL ELÉCTRICO ELÉCTRICO 2005 LABORATORIO DE SENSORES

CENTRO DE ESTUDIOS CIENTÍFICOS Y TECNOLÓGICOS No. 3 “ESTANISLAO RAMÍREZ RUIZ”

SISTEMAS DE CONTROL ELÉCTRICO 2005

PRÁCTICA No. 1. SENSOR DE LUZ. OBJETIVO: El alumno obtendrá los conocimientos necesarios acerca de los fotorresistores (LDR), para aplicarlos en la elaboración de un sensor de iluminación y así poder fabricar un sistema de control automático de alumbrado.

MATERIAL E EMPLEADO:     

1 RESISTOR DE 330Ω, 1 RESISTOR DE 1 K Ω 1 POTENCIOMETRO DE 100KΩ 1 TRANSISTOR NPN (TIP 41) 1 FOTORRESISTOR (2MΩ o 10MΩ) 1 RÉLE DE 5Vcd

EQUIPO E EMPLEADO: 

PROTOBOARD ALIMENTACIÓN (5Vcd y 127 Vca)  FUENTE DE ALIMENTACIÓN  ALAMBRE DE CONEXIÓN  PINZAS DE CORTE  PINZAS DE PUNTA  LÁMPARA INCANDESCENTE  CLAVIJA DE CONEXIÓN  PORTALAMPARAS

CONOCIMIENTOS M MÍNIMOS N NECESARIOS:    

FUNCIONAMIENTO DE LOS LDR. DIVISOR DE TENSIÓN (LEY DE OHM, CIRCUITOS CIRCUITOS SERIE). FUNCIONAMIENTO DE LOS BJT EN SATURACIÓN Y CORTE. IDENTIFICACIÓN DE TERMINALES Y USO DE LOS LOS MINIRELEVADORES MINIRELEVADORES ELECTRÓNICOS.

Te recomendamos reafirmar tus conocimientos sobre estos temas, o en su defecto, realizar la investigación correspondiente. De esta manera no tendrás pérdidas de tiempo de práctica en el laboratorio.

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SISTEMAS DE CONTROL ELÉCTRICO 2005 LABORATORIO DE SENSORES

INTRODUCCIÓN: Los resistores dependientes de la luz LDR (Light Dependent Resistor) o fotoresistores son dispositivos que varían su resistencia en función de la luz que incide en su superficie fotosensible. Se construyen a base de semiconductores que no tienen una unión PN, el semiconductor principal es el “sulfuro de cadmio”, que tiene una sensibilidad a la luz similar a la del ojo humano. Por lo general, requieren de algunos milisegundos para responder a los cambios de la intensidad luminosa. En el fotorresistor varía la resistencia según la cantidad de luz que incida sobre su superficie. Cuando no llega luz, o es muy poca la cantidad de luz incidente, su resistencia es muy alta (puede ser del orden de MΩ), en cambio, cuando percibe luz externa, la resistencia es baja (del orden de cientos de ohms). Los fotorresistores se usan principalmente en relevadores que están controlados por luz, un ejemplo típico son las lámparas de alumbrado público en su encendido. Nota: Su valor resistivo nominal se especifica sin que incida luz externa en ellos.

DESCRIPCIÓN D DEL C CIRCUITO: El circuito a montar en esta práctica consta de dos etapas básicas, la primera llamada “divisor de tensión” y la segunda es un “interruptor electrónico”. Primera Etapa “Divisor de tensión”: 

R1 cumple la función de limitar la corriente que fluye a través del LDR en el caso extremo en el cual R2 tenga un valor mínimo (casi cero) y la resistencia en el LDR sea muy pequeña (cuando incide en la LDR una gran cantidad de Luz). De esta manera evitamos generar una corriente excesiva, la cual podría llegar a dañar el potenciómetro R2 o incluso al LDR.



El potenciómetro R2 Ajusta el nivel de tensión en el que cambia de estado el interruptor electrónico (T1) provocado por las variaciones de resistencia, y por lo tanto de tensión en el LDR, por esta razón se le puede llamar “Ajuste de sensibilidad”.



R3 (LDR), es el elemento sensible a la luz que permitirá activar al transistor T1 como consecuencia de la luz incidente en él.

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Segunda Etapa “Interruptor Electrónico”: 

Rb que tiene la función de proporcionar la corriente de base necesaria al transistor T1 para que éste entre en un estado de saturación o en un estado de corte. 

El Transistor T1 cumple la función de un interruptor electrónico. En su posición cerrada cuando exista una corriente de base suficiente para saturarlo. Y en su posición abierta cuando la corriente de base sea cero, o al menos, lo suficientemente pequeña para no saturar la base. El objetivo de esto es activar o desactivar algún dispositivo electrónico conectado a su colector como un Led o un miniRelevador electrónico.

El miniRelevador electrónico, también llamado simplemente Réle, es un Acoplador magnético que contiene una pequeña bobina que funciona por medio de CD, comúnmente trabajan con 5Vcd, 6Vcd, 12Vcd y 24Vcd, pero pueden existir otros valores comerciales (incluso, se fabrican Réles con bobinas controladas por CA). 

Su funcionamiento se basa en crear un campo electromagnético en un Inductor (bobina) al hacer fluir una corriente eléctrica por él, que sea capaz de mover mecánicamente un elemento metálico, de tal forma que logren hacer contacto un par de Platinos mecánicamente. Es decir que un Réle es un “interruptor electromagnético”, que contiene una bobina de control que al ser energizada provoca el cambio mecánico de un interruptor (Abre, o Cierra), este interruptor está totalmente aislado del funcionamiento de la bobina, por lo tanto es posible controlar cargas eléctricas de diferente tensión y corriente a la utilizada por el circuito de control electrónico, e incluso controlarlas por otro tipo de fuente (de Corriente Alterna), lo cual es muy práctico para poner en marcha dispositivos eléctricos (de mediana o alta potencia), como Lámparas o Motores controlados por medio de sistemas electrónicos (de baja potencia). En general un Réle no contiene un solo interruptor (en nuestra área de Sistemas de Control Eléctrico, le llamaremos a este interruptor CONTACTO), los más comunes están formados por un Contacto Normalmente Abierto (N.O.) y otro Normalmente Cerrado (N.C.), ambos dependientes de una terminal llamada Común (C). Nota: Es importante obtener los siguientes datos acerca de un Réle:  Tensión

y corriente de trabajo nominal de la bobina (de CD o CA).  Número de Contactos Normalmente Cerrados y Normalmente Abiertos.  Tensión y corriente capaz de controlar con sus contactos en CD y en CA

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PROCEDIMIENTO P PRÁCTICO: 1. Mide la resistencia existente entre las terminales del LDR haciendo incidir un alto nivel de iluminación en su superficie fotosensible y registra la resistencia obtenida. 2. Repite el procedimiento anterior pero con un nivel de iluminación muy bajo (tapa completamente la superficie fotosensible), registra nuevamente tus resultados. CONDICIONES

RESISTENCIA DEL LDR ( Ω )

Luz ambiente Oscuridad

3. Mediante el uso del multímetro o un manual de reemplazos define la posición de las terminales del transistor (Colector, Base y Emisor). 4. Determina la configuración de las terminales del miniRelevador electrónico (Te recomendamos lo hagas con base en el uso del multímetro en su función de ohmetro). 5. Con todos los datos anteriores obtenidos podrás conectar el siguiente circuito.

Nota: Mantén alejada la lámpara de la superficie sensible del LDR para evitar un funcionamiento erróneo.

6. Ajusta el potenciómetro R2 a un nivel adecuado y estable en el cual el LDR detecte la presencia o ausencia de la luz.

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EJERCICIO P PRÁCTICO 1 1: 7. Acerca tu mano lentamente sobre una distancia moderada de la superficie fotosensible del LDR, a fin de disminuir gradualmente el nivel de iluminación incidente en ella. Observa y registra el comportamiento del circuito. 8. Retira lentamente tu mano para aumentar gradualmente el nivel de iluminación en el elemento sensor. Observa y registra el comportamiento del circuito. Despliega una conclusión de la forma de comportamiento del circuito, es decir emite un juicio sobre ¿Para que aplicaciones sirve este circuito? No dudes en pedir auxilio a tus profesores de laboratorio si tu circuito no presenta un comportamiento adecuado. Recuerda que antes de solicitar ayuda debes verificar que tus conexiones sean correctas, que tus dispositivos funcionen adecuadamente y que las condiciones de trabajo sean ideales.

EJERCICIO P PRÁCTICO 2 2: 9. Pon en funcionamiento la lámpara incandescente limitando la cantidad de luz incidente en la superficie del sensor. Pero en esta ocasión, mantén la fuente de luz cerca del sistema, de tal forma que la luz de lámpara influya en el cambio de estado del circuito. De esta manera tu circuito presentará un comportamiento inestable, pero no te preocupes, esto es lo que estamos buscando. Define el ¿Por qué? de este comportamiento de manera física y eléctrica. Resuelve tus dudas con tus profesores de laboratorio. Propón tus ideas y trata de mejorar o ampliar el circuito propuesto en esta práctica. Puedes rediseñar el circuito posteriormente dependiendo de de tus necesidades prácticas y el uso que quieras darle.

CUESTIONARIO: 1. Explica brevemente el comportamiento de un LDR, define sus aplicaciones y limitaciones. 2. Justifica el uso de R1 en el divisor de Tensión. 3. ¿Cuál es la función Eléctrica del potenciómetro dentro del circuito? y ¿Cual es su efecto físico en el sistema? 4. ¿Cuál es la función del transistor T1? Define en cual de las 2 regiones de trabajo de los BJT’s está operando este transistor. 5. ¿Cómo podrías evitar el comportamiento incorrecto del sistema cuando mantienes muy cerca la fuente de luz que está controlada por él mismo?

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CONCLUSIONES: Refiere tus conclusiones al funcionamiento del circuito, sus aplicaciones y desventajas. Trata de mejorarlo o cambiarlo dependiendo del uso que tú quieras darle.

BIBLIOGRAFÍA:   

MICROCONTROLADOR PIC16F84. PALACIOS Enrique. Edit. Alfaomega Ra-Ma. México 2004. PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA. MALVINO Albert Paul, Sexta edición Edit. Mc Graw Hill. España. 2000 NOTAS PERSONALES Y OBSERVACIONES DE LOS PROFESORES DE LA ACADEMIA DE SISTEMAS DE CONTROL ELÉCTRICO. 2005.

Amplía esta Bibliografía con el material usado para tu investigación, es probable que te pueda ayudar en prácticas posteriores.

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ANEXO 1 1: ¿POR QUÉ RB TIENE EL VALOR DE 1 KΩ? Como puedes recordar de tu curso de Electrónica básica y de Circuitos Lógicos los transistores de unión bipolar (Bipolar Juntion Transistor), conocidos como BJT´s pueden funcionar en dos regiones. La primera es la región lineal, en la cual puedes controlar gradualmente una tensión o corriente que sea variable en el tiempo e incluso amplificar su valor. En esta práctica no estamos utilizando esta región, lo que hacemos es aprovechar la segunda región de trabajo un BJT, ésta es la de Saturación y Corte. En la región de saturación y corte, un transistor puede controlar el flujo de corriente que viaja a través de sus terminales de Colector y Emisor, dependiendo de la corriente que existe en su Base. Recuerda que esta relación esta dada por: β = IC / IB

Como puedes observar la cantidad de corriente que fluye a través del colector (Que es la misma que fluye por el emisor) depende de la ganancia del transistor ( β) multiplicada por la corriente de Base. Ahora razona: La ganancia β es un valor físico del transistor que no podemos cambiar, por lo tanto la corriente que pasa por el colector solo dependerá de la cantidad de corriente que fluya por la base, de esta manera:

IC = (β) (IB) Donde β es una constante física propia de cada transistor. Analicemos el circuito simple de saturación y corte del sensor de luz: Como puedes observar, el circuito del transistor esta configurado para que trabaje en su región de saturación y corte. Sabemos:  

Que la tensión aplicada en la bobina del Réle es de 5V. Que el Tip 41 tiene una β típica de 100. Pero varía en cada transistor. En este caso la consideraremos de 50.

Pero no sabemos: x

x

Qué corriente fluirá por el colector cuando el transistor se sature. Cuál es la corriente de base.

Primero, para poder determinar la corriente del colector debes hacerte esta pegunta: ¿Cuánta corriente quiero que fluya entre el colector y el emisor? Lo que debemos lograr es activar la bobina del Réle, comúnmente, éstas bobinas consumen entre 50mA y 200mA. Tomaremos el caso extremo de 200mA. O sea que IC = 0.200 A.

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Bien, ahora, razonando un poco te podrás dar cuenta del circuito del sensor de luz que existen dos posibles casos: •

Cuando la resistencia del LDR tiene un valor mínimo (que tiende a cero, por que existe una gran cantidad de luz en su superficie fotosensible), aquí su tensión tendrá un valor cercano a cero y por lo tanto la corriente de Base también será próxima a cero. Por lo tanto este caso no nos sirve de mucho, ya que si la corriente de base es cero, la corriente de colector será cero y la bobina del Réle no se activará.

•

El otro caso se da cuando la resistencia del LDR tiende a infinito (no existe luz incidente en su superficie fotosensible), esto implica que su tensión tomará el valor de la fuente, es decir 5 V. En este momento existirá una corriente de base dada por IB = (VB – VBE) / RB y por lo tanto también habrá una corriente de colector que activará la bobina de nuestro Réle. Por esta razón podemos definir la tensión de Base con el valor de 5V para lograr la saturación.

Pues lo único que nos falta averiguar en este punto es la corriente de Base. Pero, si ya sabemos cual es la tensión de Base, lo que debemos calcular es la Resistencia de Base R B. ¿Cómo la calculamos? Ya con todas nuestras variables definidas: VB = 5V, IC = 200mA, β = 50, VBE = 0.7V Y analizando el circuito desde la Base hacía el emisor: (1)

IB = (VB - 0.7V) / RB

Ahora bien, sabemos que: (2)

IB = IC / β

Sustituyendo (2) en (1):

IC = β (VB -0.7V) / RB Despejando RB:

RB = β (VB -0.7V) / IC Sustituyendo los valores iniciales:

RB = 50 (5 - 0.7) V / 0.2 A RB = 215V/ 0.2A = 1075Ω Si consideramos el valor comercial de resistores más cercano, la RB deberá tener un valor de 1000 Ω. Es decir que RB = 1 kΩ. Esta es la razón del ¿Por qué? colocamos el resistor RB con este valor. NOTA: Si deseas lograr una saturación más estable de tu transistor, mide la β, establece tus variables y recalcula tu circuito, después de todo, cada circuito tiene sus valores particulares dependiendo de las condiciones de trabajo en la que se encuentre funcionando.

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PRÁCTICA 1 Sensor de Luz

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