Prologo. Hoy en día en el mundo de la industria es necesario medir la velocidad, la rotación o la frecuencia de un rotor. En este caso presentaremos la lógica, el desarrollo y la documentación de un tacómetro digital usando tecnología TTL. Para diseñar partiremos de una idea básica, y esta se ira modificando para obtener la respuesta deseada. Pero ¿Qué es un tacómetro digital?.
Tacómetro Un tacómetro (del griego, τάχος tachos = velocidad y μέτρον metron = medida) es un dispositivo que mide la velocidad de giro de un eje, normalmente la velocidad de giro de un motor. Se mide en revoluciones por minuto (RPM).
Teniendo este concepto podemos darnos una idea de cuál va a ser nuestra entrada, y cual va a ser nuestra salida. Si una revolución es cada 360º que da un rotor,y un tacómetro mide cuantas revoluciones da por minuto(RPM), nos lleva a la siguiente pregunta. 1.- ¿Si un motor da 1 vuelta por segundo, Cuantas vueltas dará en 1 minuto?
respuesta: 60
Entonces tenemos que si hay una entrada de 1 vuelta por segundo, su respuesta en un minuto tiene que ser 60. Obtenemos lo siguiente
1
Índice Prologo…………………….………………………………….…….…….…….…….…….….1 Tipos de tacómetro…………………………………….…….…….…….…….…….….3 Diagrama de bloques……………………………….…….…….…….…….…….…….6 Diseño lógica y desarrollo ………………………….…….…….…….…….……….7 Sensor………………………………….…….…….…….…….…….…….…….…….…7 Contador………………………………….…….…….…….…….……….….……….….7 Tiempo de reinicio………………………….…….…….…….………………….……..7 Respuesta……………………………………..………….…….…….…….…….………8 entradas y salidas (E/S) Analizando el tacometro……………………………….…….…….…….…….………9
Mejorando el sistema ……………….………………….…….…….…….…….……….9 Tiempo de respuesta…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…9 Memorización y reinicio 11…….…….…….…….…….…….…….…….…….……...9
Tacómetro revisión 2…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…..12 2 señales desfasadas…….…….…….…….…….…….…….…….…….………….….12
Mejorando el sistema, respuesta con multiplexor. …….…….…….…..14 Habilitadores…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….………….………15 Selección…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….……….…….….17
Tacómetro armado en tablas de prototipos…….…….…….……….…….…20 Circuito armado en multisim…….…….…….…….…….…….…….……….…….….21
2
Tipos de tacómetro Tacómetros generadores de CD El tacómetro generador de CD es, simple y sencillamente, un generador de CD. El campo se establece por medio de un imán permanente montado en el estator o por un electroimán excitado separadamente en el estator. El voltaje de salida es generado en un devanado de armadura de CD convencional con conmutador y escobillas. La ecuación para un voltaje generado verdadero en un generador de CD es……………………………………………………………………………………………………… ………………….. VG = kBS Donde V representa el voltaje generado verdadero, k es alguna constante proporcional que depende de los detalles de construcción dongitud del rotor, diámetro del rotor, etc.), B es la intensidad del campo magnético y S es la velocidad angular medida en revoluciones por minuto. Manteniendo constante la intensidad del campo, el voltaje generado es proporcional a la velocidad angular del eje. Por tanto es posible conectar el eje del tacómetro al eje en medición, aplicar el voltaje generado a un voltímetro, y calibrar el medidor en términos de r/min. Una característica interesante de un tacómetro generador de CD es que la polaridad del voltaje generado se invierte si la dirección de rotación se invierte. Por tanto, este tipo de tacómetro puede indicar la dirección de giro al igual que la velocidad.
Tacómetros de rotor de metal no magnético Un tacómetro de rotor de metal no magnético tiene dos grupos de devanados en su estator a ángulos rectos entre ellos, al igual que un servomotor. Sin embargo, el rotor no es un rotor jaula de ardilla. Es un cilindro hueco de cobre, llamado copa, con un núcleo interno laminado de hierro, que no hace contacto con la copa. La copa se sujeta al eje de entrada del tacómetro y gira a la velocidad medida.……………………………………………………………………………………………… …………………………... Uno de los devanados del estator, llamado devanado de excitación, es manejado por una fuente estable de voltaje de ca. El otro devanado de estator es el devanado de salida. El devanado de excitación establece un campo magnético alternante que induce corrientes de Foucault en la copa de cobre. Las corrientes de Foucault establecen un campo de reacción de la armadura a ángulos rectos con el campo del devanado de excitación. El campo de ángulo recto entonces inducirá un voltaje de ca en el devanado de salida cuya magnitud depende de la velocidad de rotación de la copa. El resultado es un voltaje de salida de ca que varía linealmente con la velocidad del eje. La frecuencia de voltaje de salida es igual a la frecuencia de excitación (generalmente 60 Hz). y está desfasado 90º del voltaje de excitación. La dirección de rotación del eje determina si el voltaje de salida antecede o sigue al voltaje de excitación. Por tanto, este tacómetro también puede indicar dirección al igual que velocidad de rotación.…………………………………………………………………….. Todos los tacómetros que dependen de una magnitud de voltaje para representar la 3
velocidad están sujetos a errores causados por tres cosas: ……………………………………………………………… 1. Carga de señal.………………………………………………………………………………………………… …………………………. 2. Variación de la temperatura. ……………………………………………………………………………………………………….. 3. Vibración del eje. ………………………………………………………………………………………………………… ……………. Con respecto al problema 1, el voltaje suministrado por cualquier tipo de generador variara ligeramente a medida que varía la carga de corriente en el devanado de salida. Esto es porque la caída del voltaje IR en un devanado de salida varía a medida que varía su corriente. Sobre el problema 2, a medida que cambia la temperatura, las propiedades magnéticas de núcleo cambian, causando variaciones en la intensidad del campo magnético. A medida que varía la intensidad del campo magnético, también varía el voltaje generado. ……………………………………………. En relación con el problema 3. a medida que vibra el eje, el espacio preciso entre el devanado del campo y el de la armadura cambia. Este cambio en el espaciado causa variaciones en el voltaje generado. El diseño de los tacómetros modernos ha reducido al mínimo estos errores y ha producido tacómetros en los que la linealidad del voltaje y velocidad es mejor que 0.5%. Esto es bastante adecuado para la mayoría de las aplicaciones industriales. ………………………………………………………..
Tacómetros de campo rotatorio de ca El tacómetro de campo rotatorio de ca es un alternador de campo rotatorio, lisa y llanamente. El campo generalmente es creado por imanes permanentes montados en el rotor. El eje del rotor está conectado al eje de medición. Y el campo magnético rotatorio entonces induce un voltaje de ca en el devanado de salida del estator. La ecuación para la frecuencia del voltaje generado en un alteranor de ca es: F=(PxS)/120 Donde f es la frecuencia en hertz, P es el número de polos magnéticos del rotor y S es la velocidad de rotación en r/min. Puede verse que la frecuencia de salida es una medición exacta de la velocidad angular del eje.
Tacómetros de rotor dentado EI tacómetro de rotor dentado es el más común de los tacómetros de frecuencia. Este tacómetro tiene Varios dientes ferromagnéticos en su rotor. En el estator tiene un imán permanente con una bobina de alambre enrollada al rededor del imán. …………………………………………………………………………. A medida que gira el rotor, los dientes llegan a una proximidad cercana con el imán luego 4
lo pasan. Al acercarse un diente al imán, la reluctancia del circuito magnético es baja. por lo que aumenta la intensidad del campo en el núcleo del imán. Al no estar cerca ningún diente, la reluctancia del circuito magnético es alta, por lo que disminuye la intensidad del campo en el núcleo del imán. Por tanto, se produce un ciclo de intensidad de campo cada vez que pasa un diente. Esta variación en la intensidad del campo magnético induce un voltaje en la bobina enrollada sobre el imán permanente. Se produce un pulso de voltaje por cada diente. La relación entre la frecuencia de los pulsos y la velocidad está dada por …………………………………. rev/s = pulsos/s ÷ 6. ………………………………………………………………………………………………………… ………… Dado que se requieren seis pulsos para representar una revolución. El número de revoluciones por minuto es igual al número de revoluciones por segundo multiplicado por 60. Cualquier método usado tendrá que reflejar la ecuación, es decir, que la velocidad de rotación es igual a la frecuencia medida multiplicada por el factor 10. Para un número distinto de dientes en el rotor, el factor será diferente.
Tacómetros de captación por fotocelda Un tacómetro de captación por fotocelda es básicamente el mismo que el anterior, corta periódicamente un haz de luz. Se coloca un disco rotatorio entre una fuente de luz y una celda fotovoltaica. Parte del disco permite el paso del haz de luz, y parte del disco bloquea el haz de luz. Por tanto, la celda fotovoltaica constantemente está. Siendo encendida y apagada, a una frecuencia que depende de la velocidad angular del disco. Conectando el eje del disco al eje medido, la fotocelda generará una forma de onda de voltaje. La frecuencia de la forma de onda medirá entonces la velocidad angular del eje. …………………………………………. Por ejemplo, si el disco tiene cuatro áreas de luz y cuatro áreas obscuras, la velocidad estará dada por S (r entradalmin) l5f ………………………………………………………………………………………………………… ……… donde f es la frecuencia de la forma de onda de salida de la fotocelda.
5
Diagrama de bloques
6
Diseño, lógica y desarrollo Para poder diseñar, se necesita tener bien en claro, cual es la entrada, y la salida (E/S). Un tacómetro se mide en: revoluciones por minuto (RPM).
Sensor Necesitamos detectar cuando da la vuelta un rotor, para eso usaremos un interruptor óptico ranurado (H22A1). Colocaremos una ranura en el rotor, para cuando esta pase por el interruptor óptico, asi mandara un pulso, pero este envía una señal sucia, la cual será limpiada atravez de un gatillo Smith (74LS14) a todo esto le llamaremos Sensor.
Contador Necesitamos "Contar" cuantas veces da una vuelta entera por un minuto. "Contar" es la palabra clave. Necesitamos un circuito que cuente. En la tecnología TTL, existe un circuito integrado. (74LS90). Que cuenta del 0-9 en forma binaria, este conteo es activado por flanco negativo. Configurado en forma de cascada, podemos crear un contador del 0 al 99, del 0 al 999, o del 0 al 9999. También cuenta con módulos de reinicio para parar el conteo con un flanco positivo.
Tiempo de reinicio La 2da palabra que hay que tener en cuenta es Por minuto, como bien sabemos, si vamos a contar por minuto, se reiniciara el "conteo" cada minuto e iniciara de nuevo. Existe un circuito un circuito integrado (555) llamado timer, este genera pulsos cuadrados ya sea monoestable, o bi-estable
7
El cual nosotros podemos configurar su longitud en el semi-ciclo positivo, y negativo, y a su vez su frecuencia.
Con este podemos generar un pequeño pulso cada minuto, para reiniciar el conteo.
Respuesta Los contadores 74LS90 nos dan la respuesta en binario, Para poder visualizar estos números, usaremos decodificadores BCD (74LS47) y sus respectivos displays de 7 segmentos compatibles con el decodificador.
Entradas y salidas (E/S) Nuestro rotor debe tener algún sensor, que detecte cuando termine de dar una revolución, y este le envíe una señal al módulo de conteo. Después el módulo de reinicio se encargara de borrar el contador cada minuto, para empezar de nuevo.
Sensor
Contadores (74LS90)
Reinicio por minuto
8
Respuesta (Decodificadores (74LS47, displays de 7 segmentos)
Con lo siguiente tenemos un tacómetro, mas con los inconvenientes, de tener que esperar un minuto para ver las vueltas que dio el rotor, y si este rotor va muy rápido, puede que la respuesta no se pueda visualizar.
Sigamos analizando el tacómetro Si un motor da una vuelta por segundo, en un minuto dará 60 vueltas. Si un motor da 2 vueltas por segundo, en un minuto dará 120 vueltas. Si un motor da 60 vueltas por segundo, en un minuto daría 3600 vueltas.
Con estas preguntas tenemos las "entradas" y las salidas". y sabemos que (
(
Mejorando el sistema 1.- Necesitamos mejorar el tiempo de respuesta Esperar 1 minuto para ver las revoluciones no es del todo necesario, mediante arreglos, se puede calcular cuantas vueltas daría por minuto. 2.- necesitamos mantener el número constante A veces puede que el resultado del tacómetro varié, o valla tan rápido, que no podamos ver el resultado, por eso es necesario mantener un numero por determinado tiempo, antes de actualizar la información, y así el usuario podría leer sin problema esa información.
Tiempo de respuesta Si Tenemos 1 punto de referencia, al pasar por el origen este sea detectado, Suponiendo que el rotor gira 1 vez por segundo. Y si el punto de referencia pasa 1 vez por segundo en un minuto daría en la respuesta como resultado 60:
9
Pero si colocáramos 2 puntos de referencia, en un minuto tendríamos en la respuesta 120
Datos: Rotor: 1rev/segundo Puntos de referencia: 2 Tiempo de reinicio: 1 minuto Respuesta en displays: 120 Pero si en lugar de reiniciar a 1 minuto, lo reiniciamos el conteo a 30 segundos, en la respuesta obtendríamos 60
Datos: Rotor: 1rev/segundo Puntos de referencia: 2 Tiempo de reinicio: 30 segundos Respuesta en displays: 60 y si colocáramos 4 puntos de referencia, y reiniciáramos a 15 segundos tendríamos
Datos: Rotor: 1rev/segundo Puntos de referencia: 2 Tiempo de reinicio: 30 segundos Respuesta en displays: 60
10
Todo este análisis nos lleva a la siguiente ecuación: ( Pr =Puntos de referencia Tr = Tiempo de respuesta, tiempo de reinicio
Llegamos a la conclusión, de que el tiempo de respuesta está en función del 1 minuto entre reinicio y los puntos de referencia, y entre más puntos de referencia tenga el rotor, con más precisión y rapidez pudiéramos saber las revoluciones que diaria por minuto Construiremos un tacómetro con tiempo de respuesta de 1 segundo, cada segundo actualizara el conteo Esto quiere decir que nuestro rotor tendrá no 1, si no 60 puntos de referencia
Memorización y reinicio Necesitamos mantener un número constante, si da 60 vueltas por minuto, no nos interesan las otras 59, necesitamos ver solo el 60, ¿Pero cómo lograr eso?, ¿Cómo Recordar El último número del conteo?
Mantener, Recordar, son la palabra clave. Para eso usaremos memorias, registros, flip-flop El 74LS75 Es un flip-flop tipo D, un registro de 4 bits, el cual memoriza su estado con flanco negativo, y actualiza la información con flanco positivo. Colocaremos los contadores en paralelo con todos los registros para memorizarlas al mismo tiempo.
Memoria
Contador
11
Tacómetro Revisión: 2 Ahora construiremos una nueva versión del tacómetro, no tendremos que esperar un minuto para saber cuántas vueltas, el tiempo de respuesta de este será de 1 segundo. (Puede ser cualquiera, usando la fórmula del tiempo de respuesta). Por lo tanto colocaremos 60 puntos de referencia en el rotor, una taza de refresco de 1 segundo y tendremos un tiempo de también de 1 segundo. Para esto necesitamos guardar el último número antes del reinicio, por lo tanto, necesitamos 2 pulsos 1 para la actualización de la información (Taza de refresco) y otro para el reinicio y empezar de nuevo el conteo, 1 antes que el otro.
2 Señales desfasadas Para generar 2 señales desfasadas, usaremos un 555 (timer), un contador (74LS90), y una compuerta AND Tendremos un contador módulo 8 Con 2 salidas, con las condiciones: a) cuando sea 7, verdadero. b) Cuando sea 8, verdadero.
M: Pulso de actualización (Taza de refresco) R: Pulso de reinicio
12
Esto para que los registros, al estar en estado negativo memorizaran, el último número actualizado, al recibir un pulso positivo del estado 7, actualizaran la información, para cuando se empiece el estado 8, volverla la memoria volverá a su estado negativo y memorizara. A su vez, el estado 8 se cumplirá, y se reiniciara el conteo tanto como el de sí mismo, como el conteo de las revoluciones.
Sigamos analizando el tacómetro Con esto deducimos lo siguiente nuestro tacómetro esta compuesto por
-Puntos de referencia y origen (sensor) -Contador -Memoria -control de memoria y contador -Módulo de respuesta
Sensor
Control de Memorización y reinicio
Contadores
Respuesta
(74LS90)
(Decodificadores (74LS47, displays de 7 segmentos)
Memoria (74LS90)
13
Mejorando el sistema, respuesta con multiplexor.
Multi-plexion Es posible controlar con 1 solo decodificador 4 displays La multiplexion consiste en entregar la respuesta digito por digito, pero a altas velocidades para que el ojo humano no lo pueda percibir. Algo así como un video, compuesto de imágenes que altas velocidades parecen tener movimiento Conectaremos todos los decodificadores en paralelo con los displays Entonces, la información de los 4 dígitos, debe llegar a 1 solo decodificador Pero no podemos poner la señal de las memorias directamente decodificador, ya que si estas contienen dígitos diferentes Por ejemplo: -0000 -1111 la combinación de estos en un mismo punto puede generar corto circuito, o simplemente un error de señal que el decodificador no podrá procesar. Tenemos que filtrar la información de tal manera, que se envié un digito a la vez, si enviamos el digito de unidades, se envié solo la información de unidades y al mismo tiempo solo este activado el display de unidades. Con estas condiciones llegamos a las siguientes condiciones
1.- necesitamos que la información le llegue al decodificador, 1 a la vez. 2.- necesitamos que el solo 1 display este activado a la vez, y que la información que le llege a este corresponda a su digito.
14
Habilitadores Para enviar solo 1 información a la vez, usaremos habilitadores, a las salidas BCDA de la memoria, las llevaremos a compuertas AND, y de esta manera podremos discriminar las demás salidas, y solo seleccionar 1. Ejemplo a) Unidades Seleccionadas
Ejemplo b) Decenas Seleccionadas
Ejemplo c) Centenas Seleccionadas
15
Ejemplo d) Millares Seleccionadas.
Ahora falta mandar la respuesta seleccionada, hacia el decodificador, sabemos que no podemos mandar directamente hacia el decodificador ya que, juntar A de las unidades, con A de las decenas, al estar en estados diferentes crearían un corto. La solución consiste en sumar la respuestas de cada bit por digito, es decir, todas las D, hacia un mismo punto de suma, después todas las C, B, y A, nos quedaría de la siguiente manera.
a) Habilitador de unidades activo 16
Selección Al estar todos los diplays en paralelo, la misma información le llega a todos, si al decodificador se le envía un 7, en todos los displays habrá un 7, pero dependiendo de su configuración (ánodo o cátodo común), podemos controlar 1 a 1 por medio de sus comunes, es decir, si es de ánodo común, basta con mandarle 0 a todos menos al que deseamos tener activado
a) Diagrama con solo 1 decodificador, todos los display activo
b) Diagrama con solo 1 decodificador, 1 display activo
17
Ahora solo falta sincronizar el envió de información, con el display correspondiente, para colocaremos en paralelo el display con su correspondiente digito, el display de unidades, con el habilitador de unidades, etc. Para eso usaremos un demultiplexor
Le enviaremos un “1” el de multiplexor, Con un contador del 0 al 3, seleccionaremos 4 salidas, asi lograremos 1 pulso. para seleccionar cada una Ahora solo falta sincronizar el envió de información, con el display correspondiente, para colocaremos en paralelo el display con su correspondiente digito, el display de unidades, con el habilitador de unidades, etc.
a) Multiplexion con unidades activas.
18
Así, cada vez que cambie el contador, se seleccionara un display diferente, unidades, decenas, centenas y millares. Reconfigurando el diagrama de bloques y considerando como quedaría en una tabla de prototipos quedaría asi.
19
a) Tacómetro armado en tablas de prototipos
20
21
Glosario Flanco positiva: activo con 1 lógico. Flanco negativa: activo en cero lógico. Sensor: es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Display: componente eléctrico compuesto por led’s que sirve para visualizar letras, o números,
Bibliografía 1.- Floyd fundamentos de sistemas digitales. (Editorial Prentis Hall) 2.- R.J Tocci Sistemas Digitales y aplicaciones. (Editorial Prentis Hall)
Conclusiones 1.- Para diseñar se necesita conocer cuál será la entrada a procesar y las posibles variantes de estas. 2.- Se puede controlar varios displays con un solo decodificador multiplexando. 3.-es importante la trata de información serie, paralelo, dependiendo sea el caso, es mejor usar una que otra. 4.- el tacómetro está limitado a contar hasta 9999 revoluciones por minuto, pero eso no quiere decir que el rotor lo este, podría implementarse otro sistema para indicar que sobrepasado el límite del tacómetro, siempre hay que pensar en las posibles entradas y como mejorar el sistema para poder controlar estas.
22
