UNIVERSIDAD DEL CAUCA FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Programa de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones
DETECTOR DE MOVIMIENTO CON AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Circuitos Analógicos I
Ing. Víctor Moncayo Primer Periodo de 2015
Elkin Fernando Terán Gómez Código: 100612010615 José Alejandro Vargas Gutiérrez Código: 100613010660 Sebastian David Ossa Hernández Código: 100613010407
Popayán, Sábado 6 de Junio de 2015
Tabla De Contenido: 1- Marco Teórico
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2- Especificaciones
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3- Componentes Del Circuito
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4- Diagrama Circuital Completo
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5- Cálculos Teóricos ...
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6- Conclusiones
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7- Recomendaciones
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1- MARCO TEORICO Amplificador Operacional Un amplificador es un dispositivo activo diseñado para realizar operaciones matemáticas de suma, resta, multiplicación, división, diferenciación e integración. Los usos típicos del amplificador operacional son proporcionar cambios en la amplitud del voltaje (amplitud y polaridad), en osciladores, en circuitos de filtrado y en muchos tipos de circuitos de instrumentación. En este caso se utilizara el encapsulado 4558D que consta de dos amplificadores operacionales de propósito general.
Regulador de Voltaje LM78XX (Circuito Integrado) La familia de circuitos integrados LM78XX son reguladores de voltaje encapsulados con polaridad positiva. Estos integrados son muy útiles ya que son pequeños, de fácil acceso y cuentan con las protecciones necesarias para su correcto funcionamiento y durabilidad.
Resistor El resistor es un elemento pasivo eléctrico, utilizado para limitar el paso de la corriente.
Relé El relé o relevador es un dispositivo electromecánico. Funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835. Para este proyecto se utilizara un relé que trabaje a 12V.
Sensor Piro Eléctrico Los pirómetros de radiación se fundamentan en la ley de Stefan-Boltzman, que dice que la intensidad de energía radiante (en J/s por unidad de area) emitida por la superficie de un cuerpo, aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (Kelvin). Los pirómetros de radiación miden, pues, la temperatura de un cuerpo a distancia en función de su radiación. Los instrumentos que miden la temperatura de un cuerpo en función de la radiación luminosa que este emite, se denominan pirómetros ópticos de radiación parcial o pirómetros ópticos y los que miden la temperatura captando toda o una gran parte de la radiación emitida por el cuerpo, se llaman pirómetros de radiación total. Al sensor se le coloca un lente Fresnel para ganar ángulo de visión y así obtener un mejor resultado.
Circuito Integrado NE555 El IC 555 es un temporizador que tiene la capacidad de generar pulsos en su configuración monostable o generar oscilaciones en su configuración astable. Entre sus aplicaciones más generales se utiliza para activar una salida durante un determinado tiempo, el cual se puede variar según los valores de los elementos de la configuración.
Diodo El diodo es un elemento electrónico que permite la circulación de corriente en un solo sentido. Para este proyecto se utilizará un diodo de conmutación y uno de rectificación.
Capacitor Es un elemento pasivo eléctrico capaz de almacenar energía en forma de campo eléctrico, esto gracias a las cargas que acumula entre sus placas, separadas por un dieléctrico.
2- ESPECIFICACIONES Diseñar un circuito detector de movimiento con amplificadores operacionales de propósito general, utilizando las configuraciones vistas en clase. El circuito deberá encender un bombillo por un determinado periodo de tiempo cuando detecte la presencia o el movimiento de un cuerpo dentro de su área de visión.
3- Componentes Del Circuito Circuito Integrado NE555 Amplificador Operacional JRC4558 Transistor 2N2222A Relé a 12VDC/120VAC Resistores ½ , ¼ Watt Capacitores Bombillo de 120VAC Diodos 1N4148 (Switching), 1N4004 (Rectificador) Regulador LM7812 Sensor Piroeléctrico PIR HC-SR501
4- DIAGRAMA CIRCUITAL COMPLETO En la siguiente ilustración se puede observar cada uno de los componentes que conforman el circuito.
5- CALCULOS TEORICOS Para diseñar el detector de movimiento con amplificadores operacionales se parte de dos detalles importantes, uno en la etapa de retardo y una característica del sensor PIR. El circuito integrado NE555 se activa con un disparo a tierra, esto significa que en el trigger (pin 2 y entrada de señal del IC NE555), debe haber un nivel de voltaje alto cuando el sistema está en reposo, y una conmutación hasta 0V cuando el sistema detecta movimiento para que este se active y empiece la temporización. El PIR HC-SR501 es un sensor que viene optimizado de fábrica, esto significa que entrega un voltaje de 0V cuando está en reposo y un pulso de 3.3V cuando detecta movimiento, además de contar con dos potenciómetros para ajustar la sensibilidad del sensor y el retardo del pulso. “
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Así pues, teniendo en cuenta los aspectos ya mencionados, se necesita un sistema en el que aparezca un voltaje positivo cuando está en reposo y aparezca 0V cuando se detecte movimiento, lo que hace muy apropiado utilizar un amplificador operacional en configuración de DETECTOR DE NIVEL INVERSOR.
Para el funcionamiento del detector de nivel inversor se tiene lo siguiente:
Si < → = + Si > → = −
En este caso solo puede tomar dos valores, 0V y 3.3V, entonces se escoge un voltaje de referencia que este entre los dos valores:
= 1
El circuito se alimentara con 12V, entonces:
+ = 90% ∗ 12 = 10.8
Como se mencionó anteriormente, si = 3.3 , debe aparecer 0 en la salida, entonces:
− = 90% ∗ − = 0 → = 0 ()
Para que el amplificador operacional trabaje correctamente, los resistores asociados a su configuración deben estar en el orden de los Kilo-Ohms, además es preciso tener en cuenta que para esta configuración = , entonces se escoge:
1 = = 1 Ω
Por tener total seguridad de que el voltaje de salida será 0 cuando se detecte movimiento, se coloca un diodo de conmutación 1N4148 en la salida para evitar el paso de cualquier señal en esta condición. El siguiente paso para el diseño es configurar el IC NE555 como multivibrador monostable, así que se conecta cada pin como se ilustra a continuación.
Los pines 4 y 8 van a , el pin 1 va a tierra, los pines 6 y 7 se cortocircuitan, sale un resistor en pull-up y un capacitor a tierra. El pin 2 es la entrada de señal y el pin 3 es la salida del pulso. Para ajustar el tiempo del pulso de salida se tiene la siguiente ecuación:
= 1.1 ∗ ∗
Así que variando el resistor y el capacitor de la configuración monostrable del IC, se puede ajustar el tiempo de retardo. En este orden de ideas se escogió un resistor de 680 Ω y un capacitor de 10 para obtener un retardo aproximado de 7 .
1.1 ∗ 680 Ω ∗ 10 = 7.48
Por último se hace la conexión del relé, que será capaz de conmutar para encender un bombillo de 120 . Para utilizar el relé se conecta a la salida del IC NE555 un transistor NPN 2N2222 con una resistencia de 1 Ω en la base, emisor a tierra y salida en colector, que funcionara como conmutador. El relé está conectado entre y el colector. Cuando haya un pulso en la salida del IC NE555, la salida del transistor será tierra y el relé se activara, de lo contrario la salida del transistor será y la diferencia de potencial en el relé será de 0 , haciendo que este inactivo. Entre los pines C (Común) y NO (Normalmente Abierto) del relé, se conecta un bombillo en serie con la alimentación domiciliaria. Para proteger el circuito se conecta un diodo 1N4004 entre y el colector.
De esta manera se satisfacen todos los requerimientos del sistema. A continuación se ilustra el diagrama circuital completo con todos los valores de los elementos.
Para obtener la fuente regulada que alimenta al circuito se utilizó el circuito integrado LM7812, alimentado con una etapa de rectificación desde la red domiciliaria. Para obtener el voltaje de referencia que entraba en el terminal no inversor del amplificador operacional se hizo un divisor de voltaje con dos resistores de 10 Ω y 1K Ω. Para la simulación del sensor PIR se conectó una fuente de 3.3V con un pulsador. La simulación aparece con el LM741, ya que el 4558D aparecía como modelo no simulable.
6- CONCLUSIONES En esta práctica se observó el comportamiento de los sensores de movimiento constituidos por un sensor de tipo piroeléctrico. El circuito diseñado tiene muchas aplicaciones en la vida cotidiana, desde un simple sistema para encender un bombillo casero hasta complejos sistemas de seguridad. El costo de fabricación de estos sensores resulta económico y de alta usabilidad.
7- RECOMENDACIÓN Realizar una correcta calibración de los resistores variables del sistema piroeléctrico.
