Circuitos electrónicos analógicos

Proyecto final

Experimento : Seguidor de luz tipo girasol para paneles solares

Objetivos :

Fabricar un Seguidor de luz 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 solarque esta conformador tres etapas , estas son :

Sensado Comparado Puente H

Etapa sensado:

se usan unas fotorresistencias (LDR) la cual es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotoresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuya siglas, LDR, se originan de su nombre en inglés light-dependent resistor. Su cuerpo está formado por una célula o celda y dos patillas. En la siguiente imagen se muestra su símbolo eléctrico.

Figura 1.1

Se caracteriza por la ecuación de su resistencia

Su funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico. Un fotorresistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia como el sulfuro de cadmio, CdS. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por las elasticidades del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta, y su hueco asociado, conducen la electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Los valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz brillante.

Figura 1.2

Las células de sulfuro del cadmio se basan en la capacidad del cadmio de variar su resistencia según la cantidad de luz que incide en la célula. Cuanto más luz incide, más baja es la resistencia. Las células son también capaces de reaccionar a una amplia gama de frecuencias, incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, yultravioleta (UV).

La variación del valor 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 que la señal luminosa varía con rapidez. El tiempo de respuesta típico de un LDR está en el orden de una décima de segundo. Esta lentitud da ventaja en algunas aplicaciones, ya que se filtran variaciones rápidas de iluminación que podrían hacer inestable un sensor (ej. tubo fluorescente alimentado por corriente alterna). En otras aplicaciones (saber si es de día o es de noche) la lentitud de la detección no es importante.

Se fabrican en diversos tipos y pueden encontrarse en muchos artículos de consumo, como por ejemplo en cámaras, medidores de luz, relojes con radio, alarmas de seguridad o sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles.

Para mejor la diferencia de potencia producida en la fotoresistencia se coloca , esta fotoresistencia y una resistencia mas en un circuito de divisor de voltaje.

El circuito consta de la siguiente forma.

Una resistencia R1 contectada en serie con la fuente y una resistencia de carga (donde ira nuestra fotoresistencia) , la cual el circuito es :

Figura 1.3

Etapa comparado :

Se utilizan un amplificador operacional en modo comparación para obtener estados perfectamente definidos que nos determina si el cual de los voltajes de entrada son mayores. Este circuito ya visto anteriormente es de la forma :

Figura 1.4

Finalmente el voltaje determinado llega a una puente H, donde es el alimentador del motor y el que da el sentido del motor ya sea horario y antihorario.

Etapa puente H :

Un Puente H o Puente en H es un circuito electrónico que permite a un motor eléctrico DC girar en ambos sentidos, avance y retroceso. Son ampliamente usados en robótica y como convertidores de potencia. Los puentes H están disponibles como circuitos integrados, pero también pueden construirse a partir de componentes discretos.

Figura 1.5

El término "puente H" proviene de la típica representación gráfica del circuito. Un puente H se construye con 4 interruptores (mecánicos o mediante transistores). Cuando los interruptores S1 y S4 (ver primera figura) están cerrados (y S2 y S3 abiertos) se aplica una tensión positiva en el motor, haciéndolo girar en un sentido. Abriendo los interruptores S1 y S4 (y cerrando S2 y S3), el voltaje se invierte, permitiendo el giro en sentido inverso del motor.

Figura 1.6

Con la nomenclatura que estamos usando, los interruptores S1 y S2 nunca podrán estar cerrados al mismo tiempo, porque esto cortocircuitaría la fuente de tensión. Lo mismo sucede con S3 y S4.

Para el montaje de este circuito lo más habitual en este tipo de circuitos es emplear interruptores de estado sólido (como Transistores), puesto que sus tiempos de vida y frecuencias de conmutación son mucho más altas. En convertidores de potencia es impensable usar interruptores mecánicos, dado su bajo número de conmutaciones de vida útil y las altas frecuencias que se suelen emplear.

Además los interruptores se acompañan de diodos (conectados a ellos en paralelo) que permitan a las corrientes circular en sentido inverso al previsto cada vez que se conmute la tensión, puesto que el motor está compuesto por bobinados que durante breves períodos de tiempo se opondrán a que la corriente varíe. permite a un motor girar en ambos sentidos.

Los transistores usados para este circuito puente H 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 que 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 emisor 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 NPN de emisor común en corte ( los cuales son usados en el proyecto)

Figura 1.7

Figura 1.8 Figura 1.9

Además es importante resalta el funcinamiento de nuestro motor de corriente continua (DC).

El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio. En algunas modificaciones, ejercen tracción sobre un riel. Estos motores se conocen como motores lineales.

Su principal inconveniente es el mantenimiento, muy caro y laborioso.

Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes. Un estátor que da soporte mecánico al aparato y tiene un hueco en el centro generalmente de forma cilíndrica. En el estátor además se encuentran los polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, al que llega la corriente mediante dos escobillas.

El principio del funcionamiento es la ley de Fuerza de Lorentz simplificada, cuando un conductor por el que 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 derecha.

F: Fuerza en newtons I: Intensidad que recorre el conductor en amperios l: Longitud del conductor en metros B: Densidad de campo magnético o densidad de flujo teslas

El rotor tiene varios repartidos por la periferia. A medida que gira, la corriente se activa en el conductor apropiado.

Normalmente se aplica una corriente con sentido contrario en el extremo opuesto del rotor, para compensar la fuerza neta y aumentar el momento.

Figura 1.10

En nuestro circuito se incluyo algunos diodos debido a la” Fuerza electromotriz inducida por el motor”

Esta es la tensión que se crea en los conductores de un motor como consecuencia del corte de las líneas de fuerza, es el efecto generador de pines. La polaridad de la tensión en los generadores es inversa a la aplicada en bornes del motor.Las fuertes puntas de corriente de un motor en el arranque son debidas a que con la máquina parada no hay fuerza contraelectromotriz y el bobinado se comporta como una resistencia pura del circuito.

La fuerza contraeloectromotriz en el motor depende directamente de la velocidad de giro del motor y del flujo magnetico del sistema inductor.

Materiales

Fotoresistencias Transistores NPN Amplificador operacional Motor DC Diodos Fuente de voltaje Resistencias

Procedimiento experimental

Paso 1

Se conecto las fotoresistencias en haciendo un divisor de voltaje con una resistencia (ver figura 1.11) . Se midio el voltaje transcurrido por cada divisor.

Paso 2

Se conecto las el divisor de voltaje a un amplificador operacional ,en modo comparador, (ver figura 1.12) . Se midio los voltajes de salida de los comparadores

Paso 3

Se ensamblo el puente H (Ver figura1.13), midiéndose las corriente de los transistores. Se midio el voltaje en el motor.

Paso 4

Se ensamblo el puente H al resto del circuito. Como se muestra en la figura 1.14.

Datos experimentales

Variación de la fotoresistencia

fotoresistencia 1 (Ω) [250 - 386k]fotoresistencia 2 (Ω) [350 - 320k]

Tabla 1.1

Resistencias de protección de los transistores

R. Trans 1(kΩ) 49.6R. Trans 2(kΩ) 9.81R. Trans 3(kΩ) 102.1R. Trans 4(kΩ) 99

Tabla 1.2

Variacion de los voltajes de las fotoresistencias (salida del divisor de voltaje)

S.Antihorario S.HoarioV. LDR1 (v) 0.57 2.69V. LDR2 (v) 2.66 0.85

Tabla 1.3

Mediciones de salida del amplificador operacional

S.Antihorario S.HoarioVsalida 1 (V) 10.56 0Vsalida 7 (V) 0 10.5

Tabla 1.4

Voltaje colector- emisor en sentidos antihorarios y horarios

S. Antihorario S.HoarioV.trans 1 (v) 0.735 4.84V.trans 2 (V) 4.04 0.104V.trans 3 (v) 1.25 4.16V.trans 4 (V) 3.05 0.885

Tabla 1.5

Intensidades colector en sentidos antihorarios y horarios

S. Antihorario S.HoarioI. trans 1 (mA) 24.4 0.4I. trans 2 (mA) 0.1 21.3I. trans 3 (mA) 22.6 0.1I. trans 4 (mA) 0.3 25.6

Tabla 1.6

Intensidades de bases en sentidos anithorarios y horarios

S. Antihorario S.HoarioI. trans 1 (mA) 0 0.98I. trans 2 (mA) 0.116 0I. trans 3 (mA) 0 0.087I. trans 4 (mA) 0.094 0

Tabla 1.7

* Se observa un gran diferencia de intensidades en las bases debido a las resistencias de protecion

* Dado que no se pudo hacer cálculos y poder hallar teóricamente la intensidad de carga en el colector . se recogio todos los datos posibles

Mediciones del motor en funcionamiento

S. Antihorario S.HoarioIntensidad (mA) 24.4 21.1resistencia (Ω) 10.6 10.6voltaje (V) 1.03 1.012

Tabla 1.8

Observaciones y discusiones

Se observó la variación 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 viceversa.el rango de las resistencia de la fotoresistencia fue de [250Ω – 1.5MΩ]

Se observo que el modelo original con las fotoresistencias en serie nos da una pequeña diferencia de potencial , Para solucionar esto se puso la fotoresistencia en un divisor de voltaje para obtener una mayor de diferencia de potencial

Ademas se dio el circuito formado por una resistencia y la fotoresistencia en divisor de voltaje para que pueda haber una mayor diferencia de potencial, que estándolo en serie.

Se observó el funcionamiento del amplificador operacional en modo comparador , para una salida de voltaje de 12 V y 0V, pero resulto una salida de 10.45 V y 0.567V, esto debido a las mismas características del circuito integrado.

En el puente H se observó que de los 4 transistores , dos de ellos estaban en modo de corte y los otros dos estaban en modo de saturación. Esto debido a las alimentaciones que tenia en ciertos instantes .

Esto fue comprobado al medir la intensidades de corriente en el emisor y los voltajes colector-emisor.

También se observó que su funcionamiento de los transistores era de un interruptor en la región de saturación y corte para el motor.

Se observó también que sin colocar los diodos , el funcionamiento del circuito era de el mismo, pero que después de varias pruebas , los transistores empezaron a fallar y malograrse, esto debido a una corriente inducida en sentido contrario producida por el motor

Esto se observó gracias a que se coloco unos LEDs en lugar de unos diodos, dado que su funcionamiento fue el mismo que el diodo, el de no dejar pasar la corriente en sentido contrario y dañara los transistores.

Conclusiones Se concluyo y finalizo el estudio de los sensores (fotoresistores) y el funcionamiento y del

puente H Se fabrico el seguidor de luz tipo girasol, incluyendo todas sus características y condiciones de

funcionamiento.

Bibliografía Brophy, James J. Electrónica fundamental para científicos. Editorial Reverté. Boylestad, Robert; Teoría de circuitos 6 Edición Ed Mc Graw-Hill 1998.

http://www.ladelec.com/practicas/circuitos-analogos/758-seguidor-de-luz-tipo-girasol-para-panel-solar

http://es.wikipedia.org/wiki/Fotoresistencia