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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ARAGÓN “APLICACIÓN DEL CIRCUITO INTEGRADO MOC 8102 COMO DISPOSITIVO ELECTRÓNICO DE INTERFAZ EN UNA REBANADORA DE EMBUTIDOS” T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO ELECTRICÍSTA ÁREA ELÉCTRICA - ELECTRÓNICA PRESENTA: FERNANDO MEJÍA DÍAZ ASESOR ING. FORTUNATO CERECEDO HERNÁNDEZ MÉXICO 2015 Lourdes Texto escrito a máquina Ciudad Nezahualcóyotl, Estado de México UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. i ÍNDICE INTRODUCCIÓN………………………………………………………………….. JUSTIFICACIÓN…………………………………………………………………… OBJETIVOS………………………………………………………………………….. CAPÍTULO 1: FUNDAMENTOS DE OPTOELECTRÓNICA 1.1 Introducción………………………………………………………………………. 1.2 Características de la luz………………………………………………………. 1.3 Espectro electromagnético…………………………………………………. 1.4 Parámetros de la luz…………………………………………………………… 1.4.1 Fotometría……………………………………………………………………… 1.4.2 Radiometría…………………………………………………………………… 1.5 Dispositivos emisores de luz………………………………………………… 1.5.1 Diodo emisor de luz…………………………………………………………. 1.5.2 Diodo laser de inyección…………………………………………………… 1.6 Dispositivos detectores de luz……………………………………………… 1.6.1 Características……………………………………………………………….. 1.6.2 Fototransistor………………………………………………………………… 1.6.3 Fotodiodo……………………………………………………………………… 1.6.4 Fotoceldas……………………………………………………………………… CAPÍTULO 2: PRINCIPIOS DE OPTOAISLADORES 2.1 Introducción……………………………………………………………………… 2.2 Interfaz…………………………………………………………………………….. 2.3 Dispositivos electrónicos y magnéticos de interfaz………………… 2.3.1 Relevador……………………………………………………………………….. 2.3.2 Transformador de aislamiento…………………………………………. 2.3.3 Optoaisladores………………………………………………………………… 2.3.3.1 Encapsulado………………………………………………………………… 2.3.3.2 Parámetros generales…………………………………………………… 1 4 6 7 7 9 11 11 11 12 12 16 17 17 18 20 21 23 23 24 25 26 26 29 30 ii 2.3.3.3 Parámetros eléctricos…………………………………………………… 2.3.3.4 Emisor………………………………………………………………………… 2.3.3.5 Fotodetector……………………………………………………………….. CAPÍTULO 3: CIRCUITO INTEGRADO MOC 8102 3.1 Introducción………………………………………………………………………. 3.2 Circuito integrado MOC 8102………………………………………………. 3.2.1 Funcionamiento………………………………………………………………. 3.2.2 Terminales de conexión…………………………………………………… 3.2.3 Parámetros eléctricos………………………………………………………. 3.2.4 Diodo emisor………………………………………………………………….. 3.2.4.1 Rendimiento………………………………………………………………… 3.2.4.2 Circuito de protección…………………………………………………… 3.2.5 Fotodetector…………………………………………………………………… 3.2.6 Encapsulado……………………………………………………………………. 3.2.7 Curvas de operación………………………………………………………… CAPÍTULO 4: APLICACIÓN DE CIRCUITO INTEGRADO MOC 8102 4.1 Introducción………………………………………………………………………. 4.2 Aplicación del optoaislador MOC 8102………………………………….. 4.2.1 Análisis funcional…………………………………………………………….. 4.2.2 Resistor limitador de corriente para el emisor…………………….. 4.3 Transistor de potencia TBJ …….…………………………………………. 4.4 Circuito de potencia, el puente H…………….…………………………… 4.5 Cálculo de potencia máxima en carga…………………………………. 4.6 Mediciones………………………………………………………………………… 4.7 Diagrama general de conexiones…………………………………………. 33 34 34 39 39 40 40 42 44 44 44 45 46 47 49 49 50 53 58 60 63 64 65 iii CONCLUSIÓN………………………………………………………………………. GLOSARIO…………………………………………………………………………… FUENTES DE CONSULTA ……………………………………………………… ANEXOS……………………………………………………………………………….. 66 68 70 71 1 INTRODUCCIÓN La tecnología, como aplicación y desarrollo de la ciencia, ha permitido a lo largo de las últimas décadas hallar soluciones a diversas problemáticas para la industria o el hogar. Con el avance de la tecnología, y en consecuencia de la electrónica, se descubrieron nuevos dispositivos electrónicos que de acuerdo a sus características eléctricas, electrónicas y físicas de fabricación presentan ventajas como la eficiencia, ahorro en consumo de energía y reducción en su espacio físico. Aunado a lo escrito en el párrafo anterior, utilizar elementos electrónicos de nueva generación permite diseñar circuitos electrónicos cada vez más reducidos y, por otro lado, también se pueden aplicar para la sustitución de dispositivos que, por el paso del tiempo y también por el número de operaciones mecánicas o eléctricas, presentan fallas debido a la naturaleza de sus elementos que lo constituyen. Una aplicación de la tecnología en la industria es la optoelectrónica, en la cual se aprovecha las propiedades de los semiconductores con la óptica. En ésta área de la electrónica, se pueden hallar soluciones por medio de la aplicación de dispositivos ópticos, con la finalidad de acoplar o remplazar circuitos que utilizan diferente tecnología. Así, en el campo de la electrónica de control y potencia, no siempre se puede realizar una conexión directa entre dos o más secciones, debido a las características eléctricas incompatibles de un circuito y otro, por ejemplo, entre uno de control con voltajes generalmente de 5 a 24 Vcc y uno de potencia con voltajes 2 de 120 a 220 Vca. Para solucionar el problema del acoplamiento se utilizan de forma básica dos métodos como los siguientes: 1. Magnético. 2. Optoelectrónico. En el acoplamiento de tipo magnético se utilizan como dispositivos de interfaz el relevador o el transformador de aislamiento. Sin embargo, en este último dispositivo se genera entre sus partes eléctricas el llamado efecto corona. El mismo fenómeno también aparece a través de la superficie del aislante, destruyéndolo y por consiguiente se generan interferencias de radiofrecuencias que afectan a equipos y circuitos complementarios. Por otra parte, en el relevador se generan arcos eléctricos (efecto corona como se mencionó anteriormente) en sus terminales o nodos de conexión, comúnmente llamados platinos, situación que es de alto riesgo en lugares donde se concentran ambientes explosivos. En un segundo método de acoplamiento se encuentra el optoelectrónico. Aquí se emplea el optoacoplador, comúnmente llamados optoaislador. Su principio es emplear un haz de luz para transferir energía, a través de una zona de aislamiento, de un circuito a otro sin ninguna conexión eléctrica entre sí. Para ello se utilizan básicamente un emisor de luz y un fotodetector. 3 Se espera que el tema de la presente tesis profesional sea de utilidad para comprender el funcionamiento y utilidad de los optoaisladores, así como la amplia gama que existe de ellos. En el primer capítulo se citan los aspectos principales que se relacionan con la optoelectrónica, como las característicaspropias de la luz y los diversos dispositivos emisores y fotodetectores de esta. En el segundo capítulo se presentan las características fundamentales e inherentes de los optoaisladores para su aplicación como interfaz, así como un panorama general de las interfaces magnéticas. En el tercer capítulo presenta el circuito integrado MOC 8102, dispositivo electrónico del cual se proporciona parámetros eléctricos, terminales de conexión y curvas de operación para su aplicación como interfaz. Por último en el cuarto capítulo se presenta la implementación del optoaislador MOC 8102 como interfaz y de igual manera como controlador del movimiento del motor, así como un panorama general del puente “H” 4 JUSTIFICACIÓN La rebanadora automática de productos embutidos marca Bizerba modelo A330 es un equipo electromecánico que se ubica dentro de cámaras de refrigeración, donde las temperatura en el interior es de 0 ºC a 5º C, con la finalidad de mantener los embutidos en buen estado para su conservación y para preservar la consistencia del producto en el momento de ser rebanado, evitando perdidas monetarias. El funcionamiento del equipo inicia cuando un relevador activa un motor en función de avance, esto hace pasar embutidos a través de la cuchilla para ser rebanados. Posteriormente, un accesorio llamado bastidor sujeta la pieza rebanada para que al terminar de girar un mecanismo acomodador deposite el producto en una charola receptora. Cuando el primer relevador es bloqueado, un segundo relevador permite que el mismo motor realice la acción contraria, es decir, gira en retroceso. Sin embargo, las condiciones climáticas mencionadas no son las ideales para el funcionamiento de relevadores, ya que en estos dispositivos suelen acumular sarro entre sus componentes, especialmente en los platinos de su interruptor. Ello provoca que la actividad de apertura y cierre de sus contactos sea defectuoso, provocando que el funcionamiento del equipo sea inestable, generando problemas en la producción. 5 Para solucionar el problema descrito se propone utilizar optoaisladores en donde se combina las propiedades de los semiconductores y la óptica, para sustituir el funcionamiento. Se plantea aplicar esta tecnología ya que es de bajo costo y su mantenimiento preventivo y correctivo es menor que en un relevador. 6 OBJETIVOS 1. GENERAL Aplicar el método de acoplamiento optoelectrónico como una alternativa en sustitución de una interfaz electromecánica. 2. ESPECÍFICOS Proporcionar las configuraciones, fundamentales y parámetros eléctricos de los diversos tipos de optoaisladores. Proporcionar las características y parámetros eléctricos del optoaislador MOC 8102 y del transistor de potencia. Aplicar el circuito MOC 8102 como interfaz para el acoplamiento de voltajes de corriente continua, en sustitución de relevadores. Implementar el optoaislador MOC 8102 como un controlador de giro de un motor, aplicado con un puente “H”. 7 CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS DE OPTOELECTRÓNICA 1.1 INTRODUCCIÓN La optoelectrónica es el acoplamiento de la radiación luminosa y la corriente eléctrica en elementos semiconductores, la referida interacción permite la fabricación de dispositivos que cubren una amplia gama de funciones: algunos generan señales luminosas, con longitudes de onda que abarcan desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, a partir de corrientes eléctricas como el diodo emisor de luz y el diodo láser o, por el contrario, como el fotodiodo, el fototransistor y la fotocelda; elementos que convierten la energía luminosa en corrientes eléctricas. Los dispositivos optoelectrónicos son una alternativa para su implementación como indicadores en paneles de control, emisores de luz infrarroja, optoaisladores o como fotodetectores de silicio, los cuales se utilizan ampliamente en la electrónica. 1.2 CARACTERÍSTICAS DE LA LUZ Antes de iniciar el siglo XIX, la luz se consideraba como una corriente de partículas que se emitían por una fuente luminosa y que después estimulaban el sentido de la vista al entrar en el ojo. El impulsor principal de ésta teoría corpuscular de la luz fue Isaac Newton, quien explicó sobre las bases de la teoría corpuscular algunos hechos experimentales relacionados con la naturaleza de la luz, principalmente las leyes de la reflexión y la refracción. Sin embargo, surgió otra teoría, que argumentaba la 8 existencia de la luz como un movimiento de tipo ondulatorio. En 1678, el físico y astrónomo holandés Cristian Huygens (1629-1695) demostró que la teoría ondulatoria de la luz podría explicar también las leyes de la reflexión y la refracción; dicha teoría indica que “cada frente de onda primario sirve como foco de ondas esféricas secundarias que avanzan con una velocidad y frecuencia igual a las de la onda primaria. El frente de onda primario al cabo de cierto tiempo es la envolvente de estas ondas elementales”.1 La mayoría de los científicos de esa época rechazaron la teoría ondulatoria y se adhirieron a la teoría corpuscular de Newton; ello se debió en gran parte a la reputación de Newton como científico. La primera demostración de la naturaleza de la luz se obtuvo en 1801 por conducto de Thomas Young (1773-1829) quien demostró que, en condiciones apropiadas, los rayos luminosos interfieren entre sí. El físico francés Agustín Fresnel (1788-1829) efectuó varios experimentos relacionados con la interferencia y la difracción varios años después. En 1850, Jean Foulcault (1791-1868) proporcionó pruebas adicionales de lo inadecuado de la teoría corpuscular al demostrar que la velocidad de la luz en vidrios y líquidos es menor que en el aire. De acuerdo con el modelo de partículas, el efecto sería inverso. James Clerk Maxwell en 1873 afirmó “que la luz era una forma de onda electromagnética de alta frecuencia”.2 Enrique Hertz proporcionó la confirmación experimental de la teoría de Maxwell al producir y detectar ondas electromagnéticas. 1 Tipler, Paul A. 1999. Física para la ciencia y la tecnología. Volumen 2. Cuarta edición. Reverte. España. p. 1088. 2 Serway, Raymond. Física, Tomo II. Cuarta edición. Mc. Graw Hill. p.1026. 9 Albert Einstein (1879-1955) utilizó el concepto de cuantización, desarrollado por Max Planck (1858-1947). El modelo indica que la energía de una onda de luz se presenta en paquetes de energía llamados fotones; entonces se dice que la luz está cuantizada, y de acuerdo con la teoría de Einstein, la energía de un fotón es proporcional a la frecuencia de la onda electromagnética. Eq. 1.1. hfE …………………………(1.1) Donde: 341063.6h js (constante de Planck). f = Frecuencia (Hz). E = Energía del fotón. 1.3 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Las comunicaciones por radio o televisión, los rayos X, y por supuesto la luz tienen una característica en común: todos son radiaciones electromagnéticas. La longitud de onda en la luz visible se sitúa en el margen desde los 400 nanómetros (nm) hasta los 700 nm, las longitudes de onda menores a 400 nm se denominan radiaciones ultravioleta, y las mayores a 700 nm se denominan radiaciones infrarrojas. La Figura 1.1 muestra la división del espectro electromagnético. La velocidad a la que se desplazan las ondas electromagnéticas en el vacío es de 299, 792,457 m/s, es decir, casi 300, 000,000 m/s. 10 ULTRAVIOLETA INFRARROJO BANDA VISIBLE FRECUENCIA ( Hz ) LONGITUD DE ONDA (m) 17 10 16 10 13 10 14 10 15 10 12 10 9 10 8 10 7 10 7 10 5 10 6 10 1 nm 400 - 450 nm VIOLETA 450 - 500 nm AZUL 500 - 555 nm VERDE 555 - 600 nm AMARILLO 600 - 650 nm NARANJA 650 - 700 nm ROJO La relación matemática correspondiente parala longitud de onda es. Eq 1.2. f c …………………………(1.2) Donde: = Longitud de onda (m/ciclo). c = Velocidad de la luz (300, 000, 000 m/s). = Frecuencia (Hz). Es preciso señalar que el ojo humano es sensible a todas las frecuencias, donde es más susceptible al color verde que tiene una longitud de onda de 500 nm. Figura 1.1 Espectro de longitudes de ondas electromagnéticas. 11 Emisor Fotodetector Flujo radiante 1.4 PARÁMETROS DE LA LUZ La fotometría y la radiometría son dos sistemas básicos de uso común para describir y realizar medidas en los sistemas ópticos; a continuación se describen ambos. 1.4.1 FOTOMETRÍA La fotometría utiliza y mide únicamente las ondas luminosas visibles al ojo humano. La respuesta del ojo humano al brillo de una superficie iluminada depende de la longitud de onda de la luz. Es decir, para la misma cantidad de iluminación, los diferentes colores del espectro tienen diferentes grados de brillo. En el sistema fotométrico, la potencia de salida del emisor se llama flujo luminoso (Φv). La unidad de medida del flujo luminoso es el lumen (lm). 1.4.2 RADIOMETRÍA La radiometría es la medida de la energía electromagnética (energía radiante) emitida por una fuente, o la energía captada por un receptor. La radiación puede estar en las regiones del infrarrojo y ultravioleta en el espectro electromagnético, así como en la región visible. La potencia total de salida del emisor se llama flujo radiante (Φe) y se expresa en watts (W). La Figura 1.2 muestra un sistema radiométrico básico formado por un emisor, un medio de transmisión y un fotodetector. Figura 1.2 Sistema radiométrico. 12 1.5 DISPOSITIVOS EMISORES DE LUZ En electrónica existen dispositivos que tienen la propiedad de transformar la corriente eléctrica en energía luminosa. Estos dispositivos son básicamente el diodo emisor de luz y el diodo láser de inyección. 1.5.1 DIODO EMISOR DE LUZ El diodo emisor de luz (LED, por light-emitting diode) es una de las fuentes de luz más utilizadas en la industria. Los LED son diodos que cuando se polarizan en directa radian energía luminosa. La energía puede ser visible, como el V-LED (por visible light-emitting diode), o invisible como el diodo emisor de luz infrarroja (ILED, por infrared light-emitting diode). El V-LED o LED es útil como luz indicadora o de advertencia, debido a que se encuentra en la banda visible para el ojo humano. El ILED produce radiación no visible para el ojo, pero se puede detectar mediante un dispositivo especial para detectar luz infrarroja. El diodo emisor de luz es un dispositivo de unión p-n, se fabrica casi siempre con un material semiconductor como el arseniuro de galio (GaAs), fosfuro de galio (GaP) o combinaciones sólidas conocidas como fosfuro arseniuro de galio (GaAsP) y arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs). Para obtener colores especiales se utilizan el seleniuro de zinc (ZnSe) y el carbono de silicio (SiC). Los LED emiten luz por emisión espontánea como resultado de la recombinación de electrones con huecos. Cuando tienen polarización directa, los 13 portadores minoritarios se inyectan a través de la unión p-n. Una vez que se rebasa la unión, esos portadores minoritarios se recombinan con portadores mayoritarios y desprenden energía en forma de luz. Éste proceso es esencialmente el mismo que en un diodo semiconductor convencional, pero en los LED se eligen ciertos materiales semiconductores y dopantes tales que el proceso es radiativo; esto es, se produce un fotón. En los diodos semiconductores convencionales (por ejemplo, de germanio y de silicio) el proceso es principalmente no radiativo. La longitud de onda del fotón determina el color de la luz emitida; ésta se obtiene con la siguiente expresión. Eq. 1.3. 240,1 …………………………(1.3) Donde: = longitud de onda del fotón (en nanómetros). = energía de fotón. El GaAs tiene una energía que produce fotones en la región del infrarrojo, con una longitud de onda de aproximadamente 900nm. El GaP puro produce fotones en la región del verde visible aproximadamente a 550nm. La aleación del 60% de GaAs con el 40% de GaP que se utiliza en la fabricación de algunos LED produce fotones en la región del rojo visible, alrededor de 655nm. 14 El cuadro 1.1 muestra los diferentes tipos de materiales para la elaboración del LED y las longitudes de onda que se producen. MATERIAL DOPANTE LONGITUD MÁXIMA DE ONDA COLOR AlGaAs GaAs GaP GaP GaP GaAsP GaAsP GaAsP SiC ZnSe - Zn,Si N N, N Zn, O - N N - - 900 900 –1020 500 590 700 650 632 589 490 490 Infrarrojo Infrarrojo Verde Amarillo Rojo Rojo Naranja Amarillo Azul Azul Cuadro 1.1 Material y longitud de onda del LED. Los LED ofrecen ventajas que los colocan como dispositivos insustituibles en diversas aplicaciones dentro de la electrónica. A continuación se indican algunas propiedades de los LED. 15 Ánodo (A) Cátodo (K) + - Los LED disipan poco calor, por lo tanto es posible montarlos cerca de componentes sensibles al calor. Sin embargo, Cuando se produce un incremento de calor, la luz de salida disminuye ligeramente debido al coeficiente de temperatura (-1%°C). Los LED pueden soportar trabajos físicos excesivos debido a que son dispositivos de estado sólido. Los LED consumen poca corriente. Los LED no generan ruido de radiofrecuencia, por lo que se puede utilizar cerca de dispositivos sensibles a la RF. La Figura 1.3 muestra el símbolo del LED. Figura 1.3 Símbolo y terminales del LED. 16 1.5.2 DIODO LÁSER DE INYECCIÓN El diodo láser de inyección (ILD, por injection laser diode) produce la emisión láser cuando el diodo de unión p-n se polariza en directa; como consecuencia, la corriente provoca que en la unión se genere luz por emisión espontánea a una frecuencia determinada por la banda prohibida del material semiconductor. Cuando se llega a determinado valor de la corriente, la cantidad de portadores minoritarios y de fotones que se producen comienzan a chocar con portadores mayoritarios previamente excitados. Esto causa un aumento en el nivel de la energía de ionización y provoca que los portadores sean inestables; al suceder tal evento, un portador minoritario se recombina con uno mayoritario con una energía que es mayor a su valor normal antes de la colisión. A continuación se mencionan algunas propiedades de los diodos láser de inyección. Los ILD crean una emisión de luz más dirigida. La potencia radiante de salida de un ILD es mayor que la de un LED. Una potencia normal de salida de un ILD es 5 mW (7 dBm), en comparación con 0.5 mW (–3 dBm) para los LED. Esto permite que los ILD proporcionen una mayor potencia de activación. 17 A pesar de que los ILD proporcionan ventajas en su aplicación, éstos presentan algunas desventajas en comparación con los LED. Los ILD cuestan más que los LED. Los ILD trabajan con mayores potencias, por lo tanto suelen tener una vida trabajo más corta comparado con los LED. Los ILD dependen más de la temperatura que los LED. 1.6 DISPOSITIVOS DETECTORES DE LUZ En el campo de la optoelectrónica existen dispositivos semiconductores como los detectores de luz (también llamados fotodetectores), los cuales tienen la característica de efectuar la acción inversa de los LED o ILD; es decir, transforman la energía luminosa en corriente eléctrica. Algunos ejemplos de detectores de luz son el fotodiodo, el fototransistor, la fotorresistencia y la fotocelda. 1.6.1 CARACTERÍSTICASLas características o conceptos más importantes que se manejan en los detectores de luz son: 1. Respuesta inmediata. Es la relación entre la corriente de salida y la potencia óptica que recibe un fotodetector. 18 2. Corriente oscura. Es la corriente de reposo que pasa por un fotodetector cuando no hay entrada luminosa. Se debe a portadores generados térmicamente en el dispositivo. 3. Tiempo de tránsito. Es el tiempo que tarda un portador inducido por la luz en cruzar la región de agotamiento. 4. Respuesta espectral. Es el intervalo de longitudes de onda que se puede usar con determinado fotodetector. En general, la respuesta espectral relativa se grafica en función de la longitud de onda o de la frecuencia. 5. Sensibilidad a la luz. La sensibilidad es la potencia óptica mínima que puede recibir un detector para producir una señal eléctrica útil de salida. 1.6.2 FOTOTRANSISTOR El fototransistor es eléctricamente similar al transistor de baja potencia, como el BC 547 por ejemplo, la diferencia estructural es la unión colector-base es más grande y es expuesta a la luz. El material de la base es delgado para que la luz incidente pueda chocar con la unión colector-base; cuando la luz incide sobre ésta unión se crean pares de electrón-hueco. De ésta forma se crea la corriente de base, la cual se amplifica por la ganancia de corriente que presenta el fototransistor; entonces, la unión 19 C E B colector-base actúa como una fuente de corriente. Aunque la corriente del fotodiodo necesita amplificación, la del fototransistor no; la corriente generada en este, se amplifica automáticamente en el colector. Los fototransistores se presentan en formato de dos o tres terminales. En el encapsulado de dos pines son conectados el colector y el emisor, la base no está eléctricamente disponible para su polarización. La única excitación en éste dispositivo es la luz que incide sobre la unión colector-base (cb). El encapsulado de dos terminales es el formato más común de los fototransistores. El formato con tres terminales permite la conexión eléctrica de la base para propósitos de polarización, sin embargo decrece la sensibilidad del dispositivo. La Figura 1.4 muestra el símbolo del fototransistor. Figura 1.4 Símbolo del fototransistor. 20 1.6.3 FOTODIODO El fotodiodo es un dispositivo de la familia de los detectores de luz, éste se polariza en forma inversa y la corriente de saturación inversa se controla por la intensidad de luz que incide sobre el diodo. La luz genera pares electrón-hueco, los cuales inducen corriente. El resultado es una fotocorriente, que es proporcional a la intensidad efectiva de la luz sobre el dispositivo. El diodo se comporta como un generador de corriente constante siempre que el voltaje no supere el voltaje de avalancha. Los tiempos de respuesta son menores que 1µs. La sensibilidad del fotodiodo puede incrementarse si el área de la unión se hace más grande, ya que se absorben más fotones, aunque lo anterior también incrementa el tiempo de respuesta debido a que aumenta la capacitancia de la unión p-n. La Figura 1.5 muestra el símbolo del fotodiodo. Figura 1.5 Símbolo y terminales del fotodiodo. La corriente del fotodiodo ( Ip ) se puede calcular a partir de la expresión matemática siguiente: gqHIp …………………………(1.4) Ánodo (+) A Cátodo (-) K 21 Donde: g = Eficiencia cuántica. q = Carga de un electrón ( 19106.1 ). H = uA Intensidad luminosa en fotones/s. u = Densidad de flujo de fotones en fotones/s - 2cm . A= Área de la unión p-n en 2cm . Ip = Corriente del fotodiodo. 1.6.4 FOTOCELDAS Las fotoceldas son dispositivos que producen una variación eléctrica en respuesta a un cambio en la intensidad de la luz, y se clasifican como fotovoltaicas o fotoconductivas. La celda fotovoltaica es una fuente de energía cuyo voltaje de salida varía en relación con la intensidad de la luz que incide sobre su superficie. La Figura 1.6 muestra el símbolo que representa a una celda fotovoltaica. Figura 1.6 Símbolo de una celda fotovoltaica. 22 La celda fotoconductiva varía su resistencia eléctrica como respuesta a los cambios en la intensidad de la luz incidente; esto se produce cada vez que aumenta o disminuye tal intensidad. El símbolo que se utiliza para representar una celda fotoconductiva se muestra en la Figura 1.7. Figura 1.7 Símbolo de la celda fotoconductiva La ventaja principal de las celdas fotoconductivas es su sensibilidad; la resistencia eléctrica de las celdas puede variar de más de 1MΩ a menos de 1KΩ a medida que se gradúa la intensidad de la luz. Las celdas fotoconductivas se eligen sobre las fotovoltaicas cuando se requiere una respuesta altamente sensible a las condiciones cambiantes de luz. Cuando se requiere de una respuesta rápida, las celdas fotovoltaicas son preferibles a las fotoconductivas. De la misma manera, si una fotocelda debe conmutarse rápidamente entre encendido y apagado, se seleccionan las celdas fotovoltaicas debido a que pueden conmutarse a frecuencias mayores que las fotoconductivas. 23 CAPÍTULO 2 PRINCIPIOS DE OPTOAISLADORES 2.1 INTRODUCCIÓN Los optoaisladores se utilizan dentro de la industria electrónica como interfaz para acoplar y aislar circuitos o etapas electrónicas que tienen características eléctricas y electrónicas incompatibles. Los optoaisladores se basan en la utilización del haz de luz para el acoplamiento de los circuitos sin conexión eléctrica directa. Los principales fabricantes de optoaisladores son: General Electric, Hewlett- Packard, Motorola, Monsanto/General Instrument, Fairchild y Texas Instruments, así como varios fabricantes en menor escala que se dedican específicamente a la optoelectrónica como Litronix, Optron y Spectronics. En el presente capítulo se proporcionan los fundamentos y características eléctricas inherentes a los optoaisladores; de igual manera, se entregan los parámetros. 2.2 INTERFAZ Una interfaz es un circuito o dispositivo del tipo eléctrico, electrónico o magnético, que tiene la capacidad de acoplar o interconectar secciones de un circuito para la transferencia de energía cuando es imposible la conexión directa entre éstas. Su función consiste en recibir la señal de control o mando de baja potencia, 5 Vcc por 24 ejemplo, para su transferencia, acoplamiento y aislamiento con una etapa de potencia en donde se manejan voltajes mayores a la etapa de control, por ejemplo 127 Vca. El circuito de interfaz, de acuerdo con Ronald Tocci, “es aquel que se conecta entre el manejador y la carga”.3 El diagrama a bloques de la Figura 2.1 muestra la misión de una interfaz en un sistema electrónico. Figura 2.1 Diagrama a bloques: etapa de control, interfaz, etapa de potencia y carga. 2.3 DISPOSITÍVOS ELECTRÓNICOS Y MAGNÉTICOS DE INTERFAZ El acoplamiento y aislamiento entre circuitos de control y potencia se llevan a cabo con la utilización de alguna de las siguientes dos interfases: 1. Interfaz optoelectrónica. 2. Interfaz magnética. La primera se realiza con circuitos integrados llamados optoaisladores; mientras que la segunda se realiza con transformadores de aislamiento o relevadores. 3 Tocci, Ronald. Sistemas digitales. Sexta edicion. Prentice-Hall Hispanoamericana. Mexico. p.448. ETAPA DE CONTROL Entrada INTERFAZ Acoplamiento ETAPA DE POTENCIA Salida CARGA RL 25 El objetivo de éste proyecto se enfoca en el acoplamiento vía optoelectrónica; sin embargo, se presenta un panorama general de la interfaz magnética. Al final del mismo, se exponen lasrazones por las cuales se utiliza el acoplamiento optoelectrónico. 2.3.1 RELEVADOR El relevador es un dispositivo que se utiliza como interfaz magnética. Su funcionamiento básicamente es el siguiente: cuando la señal de mando activa la bobina se genera un campo magnético que provoca el cierre o apertura de los platinos, también llamados contactos metálicos, que forman el interruptor. La apertura y el cierre de los platinos, según su configuración normalmente cerrado (NC) o normalmente abierto (NO), generan el desgaste en su superficie de contacto provocando con ello arcos eléctricos, con lo cual se da origen a un funcionamiento intermitente; tal acción es de alto riesgo en lugares donde se concentran atmósferas explosivas. La Figura 2.2 muestra la estructura interna y la vista externa de un relevador. Figura 2.2 Estructura interna y vista externa de un relevador. 26 2.3.2 TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO El transformador de aislamiento es una interfaz magnética, que tiene por objetivo proporcionar un acoplamiento magnético entre las etapas de control y potencia. Sin embargo, el transformador de aislamiento presenta fallas en el dieléctrico debido a los voltajes de corriente alterna a los cuales son expuestos los devanados primarios o secundarios de éste. Las fallas que se presentan en un transformador de aislamiento son el flashover y el alargamiento superficial del aislante (creepage). El flashover es la formación del arco eléctrico entre las partes del transformador mientras que el alargamiento superficial es la formación del arco eléctrico sobre la superficie del aislante; por lo tanto, al presentarse dichas fallas se generan interferencias que provocan alteraciones en el funcionamiento en los circuitos electrónicos involucrados. 2.3.3 OPTOAISLADORES Los optoaisladores, también llamados optoacopladores, son dispositivos que se utilizan como interfaz optoelectrónica, y contienen al menos un diodo emisor de luz infrarroja acoplados a un fotodetector (también conocido como controlador o detector) permitiendo comunicar y aislar circuitos de control con circuitos de potencia. En general para cualquiera de las configuraciones de los optoaisladores el 27 Z O N A D E A IS L A M IE N T O E M IS O R D E T E C T O R principio de funcionamiento es similar; de tal manera que cuando una señal de mando o salida de la etapa de control polariza en directa al LED, la energía luminosa que produce el emisor cruza la zona de aislamiento e incide sobre el fotodetector, provocando con ello el paso de una corriente hacia la base o compuerta (según el tipo de detector) para la activación del dispositivo de potencia. La zona de aislamiento en los optoaisladores es una área que se localiza entre el emisor y el detector la cual evita cualquier contacto físico entre ambos elementos del optoacoplador; con ello se permite únicamente el paso del haz de luz hacia el fotodetector. La zona de aislamiento en los optoaisladores proporciona una resistencia del orden de los megahoms (MΩ), motivo por el cual se logran aislar voltajes de aproximadamente 8,000V. La Figura 2.3 ilustra la zona de aislamiento y los sectores que ocupan el emisor y el detector de una interfaz optoelectrónica en un circuito integrado. Así mismo, en ésta figura se observa que la señal de mando (Vcc) manipula al emisor; mientras que el fotodetector es operado con voltajes de corriente continua de mayor potencia o con voltajes de corriente alterna. Figura 2.3 Zona de aislamiento, emisor y detector en un optoaislador. Señal de mando Voltajes de corriente continúa Voltajes de corriente continúa o Voltajes de corriente alterna 28 Led Acabado exterior Zona de aislamiento Detector Cavidad En un optoacoplador, el emisor y el detector se colocan en una cavidad con el propósito de protegerlos de las agresiones ambientales o físicas como lo son el ruido, las interferencias y las presiones mecánicas que se presentan al ser manipulados. La Figura 2.4 muestra a un LED y a un detector los cuales se colocan frente a frente dentro de una cavidad; éste tipo de configuración recibe el nombre de opuesta por la posición de sus elementos. Figura 2.4 Dispositivos en configuración opuesta. La Figura 2.5 muestra una cavidad en forma oval, en donde el emisor y el detector son colocados horizontalmente dentro de una cubierta tipo domo, ésta configuración recibe el nombre de coplanar por la posición de sus dispositivos. 29 Domo Iled Detector Cavidad Acabado exterior Zona de aislamiento Figura 2.5 Dispositivos en configuración coplanar. 2.3.3.1 ENCAPSULADO Los optoaisladores en general se encapsulan con base en el formato de doble fila de conexiones (DIP, por Dual In Line Package), con una presentación de 4, 6, 8 y 16 terminales de conexión. Para una configuración de cuatro terminales, los pines 1 y 2 corresponden al emisor, mientras que en las terminales 3 y 4 es ubicado el detector. Un optoaislador con seis pines presenta cierta similitud con el anterior formato debido a que contiene un solo emisor, y éste se localiza en las mismas terminales; para el detector se tienen reservados los pines 4, 5, y 6 sin embargo esto depende exclusivamente del tipo de detector a utilizar. El optoacoplador con ocho terminales de conexión contiene más de un emisor ubicados en los pines 1, 2, 3 y 4. Los detectores se encuentran disponibles en las terminales 5, 6, 7 y 8; y su ubicación depende del tipo de detector. 30 El optoacoplador con dieciséis terminales contienen ocho emisores como máximo distribuidos desde el pin 1 hasta el 8; sus detectores ocupan frecuentemente la terminal 10 hasta la 16. La Figura 2.6 muestra el encapsulado tipo DIP con ocho terminales de conexión en un optoaislador. Figura 2.6 Encapsulado tipo DIP en un optoaislador con ocho terminales. 2.3.3.2 PARÁMETROS GENERALES Los parámetros de mayor importancia que se utilizan en los optoaisladores son: 1. Eficiencia. 2. Aislamiento eléctrico. 3. Temperatura. 4. Velocidad de respuesta. La eficiencia se define como la cantidad mínima de corriente que se requiere para obtener en el detector una respuesta. Para optoaisladores con detectores tipo 31 100 Entrada Salida I I RTC transistor o darlington a éste parámetro se le conoce como relación de transferencia de corriente (RTC), su expresión matemática es la siguiente: ………………………(2.1) Para el caso de optoaisladores con detectores a scr y triac, la RTC no se aplica ya que el emisor se polariza con voltajes de corriente continua; mientras que el detector se polariza con voltajes de corriente alterna. La relación de transferencia se puede observar en la Figura 2.7, en donde se compara la corriente del LED, la cual establece el flujo luminoso, con la corriente del colector resultante del transistor de salida (cuya corriente de base es determinada por el flujo incidente). Figura 2.7 Gráfica de transferencia en un optoaislador con salida a transistor. 32 El aislamiento es un parámetro de suma importancia que debe tener un optoaislador, ya que el aislamiento entre una etapa de control y una etapa de potencia debe ser altamente efectivo para evitar fallas en los sistemas electrónicos.Como ya se mencionó anteriormente, la mayoría de los optoacopladores proporcionan un aislamiento eléctrico del orden de los megaohms para acoplar voltajes de hasta 8 Kv. La temperatura de trabajo es un parámetro que influye en la corriente de salida y así mismo en el rendimiento del optoaislador. En la Figura 2.8 se observa el efecto de la temperatura en un optoacoplador a medida que ésta aumenta o disminuye. Figura 2.8 Efecto de la temperatura en un optoaislador. 33 La velocidad de respuesta es un parámetro que determina la rapidez con la cual opera un optoaislador y depende por completo de las características del detector. 2.3.3.3 PARÁMETROS ELÉCTRICOS Los siguientes términos eléctricos se aplican exclusivamente en los optoaisladores y se detallan a continuación: Corriente de entrada o trabajo (IFT): Se define como la corriente que circula por las terminales correspondientes al emisor cuando se polariza en directa, también se denomina IF. Corriente de salida (IO): Se define como la corriente que circula por las terminales correspondientes al fotodetector. Resistencia de aislamiento (RIO): Se define como la resistencia entre el emisor y el fotodetector, debiendo presentar valores elevados para un buen aislamiento. Voltaje de trabajo (VF): Se define como el voltaje que se puede aplicar continuamente al emisor en condiciones normales de funcionamiento sin dañar el dispositivo, también se denomina VFT. 34 Transferencia de señal (T): Representa la relación entre dos magnitudes eléctricas del optoacoplador, una de entrada y otra de salida, indicándose para cada dispositivo las magnitudes elegidas. 2.3.3.4 EMISOR El diodo emisor de luz infrarroja es el dispositivo que se utiliza como fuente óptica en los optoaisladores, y es a su vez quien recibe la señal de mando del circuito de control. No obstante que hay distintos tipos el más común es el AIGaAs, el cual tiene una emisión cercana al infrarrojo (750-900nm), y el GaAs con una longitud de 940nm. El material del emisor que se elige tiene que acoplarse a la respuesta espectral del detector para garantizar su compatibilidad. El arseniuro de aluminio y galio es el que se utiliza con mayor frecuencia, ya que su longitud de onda puede variarse fácilmente alterando la relación galio-aluminio, asimismo, el AIGaAs necesita una baja corriente de trabajo, por lo cual se puede controlar directamente por circuitos digitales. 2.3.3.5 FOTODETECTOR Los optoaisladores utilizan diferentes tipos de fotodetectores como salidas para acoplar y aislar la señal en una etapa de potencia. Los controladores que se utilizan son: 35 1. Transistor. 2. Darlington. 3. SCR. 4. Diac de cruce por cero. 5. Diac. El detector formado por un transistor de juntura bipolar (tbj) es de bajo costo con una velocidad de funcionamiento típica de 100-500Khz y una relación de transferencia de corriente mínima entre el 10% y el 100%. La salida a transistor de un optoaislador se utiliza para controlar básicamente transistores tbj y transistores de potencia. Ésta configuración se muestra en la Figura 2.9. Figura 2.9 Optoaislador salida a transistor. 1 2 3 4 5 6 36 La salida a darlington tiene una relación de transferencia entre el 100% y el 600%. La velocidad de funcionamiento es relativamente baja, la cual se sitúa entre los 2kHz y 10kHz. La salida a darlington de un optoacoplador también se utiliza para controlar transistores tbj y de potencia. La Figura 2.10 presenta el esquema de un optoacoplador con controlador darlington. Figura 2.10 Optoaislador salida darlington. La salida a SCR de un optoacoplador se muestra en la Figura 2.11. Éste tipo de configuración se utiliza para controlar básicamente al rectificador controlado de silicio (SCR, Silicon Controlled Rectifier) y puede trabajar con voltajes de corriente continua o alterna, esto depende de la función en turno del SCR. 1 2 3 4 5 6 37 Figura 2.11 Optoaislador salida SCR. La Figura 2.12 presenta un optoacoplador con salida tipo diac, mejorado, con un circuito de cruce por cero. Éste tipo de optoaislador se utiliza exclusivamente para controlar triodos de corriente alterna. El circuito de cruce por cero evita que las corrientes parásitas, las cuales se originan por la emisión de fotones del diodo emisor de luz infrarroja, activen el controlador con salida a diac. El detector de cruce por cero permite que un triac de potencia se conmute en los puntos de cruce por cero de la red de corriente alterna, por lo tanto se minimiza la generación de interferencias de radiofrecuencias (RF). Las interferencias se pueden originar por el cambio brusco de tensión que se produce al conectar el circuito a la red de corriente alterna así como las desconexiones aleatorias de la red. 1 2 3 4 5 6 38 Figura 2.12 Optoaislador salida tipo diac con circuito de cruce por cero. El optoacoplador con salida tipo diac se utiliza para controlar básicamente triacs. La Figura 2.13 muestra el tipo de optoaislador mencionado. Figura 2.13 Optoaislador salida diac. Circuito detector de cruce por cero 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 39 CAPÍTULO 3 CIRCUITO INTEGRADO MOC 8102 3.1 INTRODUCCIÓN El circuito integrado MOC 8102 es una interfaz de tipo optoelectrónico contiene en su interior dos dispositivos semiconductores como el diodo emisor de luz infrarroja y el fototransistor. Un optoaislador, como se menciona en capítulos anteriores, permite acoplar y aislar voltajes de diferente naturaleza o magnitud. En el presente capítulo se entregan los datos, parámetros y características eléctricas importantes que se relacionan con el circuito integrado MOC 8102 para su posterior implementación. 3.2 CIRCUITO INTEGRADO MOC 8102 El circuito integrado esta fabricado en seis terminales de conexión. Contiene dentro de su encapsulado los siguientes dispositivos: Diodo emisor de luz infrarroja, fabricado de la combinación de Arsenio y Galio. Fototransistor, elaborado esencialmente de Silicio. 40 3.2.1 FUNCIONAMIENTO El funcionamiento del optoaislador se explica con la utilización del esquema simplificado de la Figura 3.1. Cuando una corriente fluye a través del LED se genera una radiación infrarroja que incide sobre el fotodetector provocando el paso de la corriente de colector hacia la base de transistor de potencia. El estado de conducción permanece hasta que la corriente que fluye a través del detector cae por debajo de su valor mínimo. Figura 3.1 Funcionamiento optoaislador 3.2.2 TERMINALES DE CONEXIÓN Las terminales de conexión del circuito integrado MOC 8102 se distribuyen como se muestra en la Figura 3.2, y se mencionan a continuación: R + - V + - Corriente I Señal de mando Salida a la base del transistor de potencia 41 FOTOTRANSISTOR NC NC Figura 3.2 Terminales de conexión del circuito integrado MOC 8102. Ánodo, pin 1. En este punto de conexión se localiza el ánodo del LED de luz infrarroja del optoaislador. En ésta terminal se conecta el resistor limitador de corriente para el LED. Cátodo, pin 2. En éste punto de conexión se localiza el cátodo del LED. Generalmente, cuando la señal de mando es 1 lógico, ésta terminal se conecta directamente al polo negativo de la fuente de alimentación. No Conexión, pin 3. Terminal sin conexión. Emisor de fototransistor, pin 4. Ésta terminal se conecta con la base del transistor depotencia, para poder controlarlo. Colector de fototransistor, pin 5. En este punto, se conecta el resistor limitador generalmente con valor de 100 a 1 000 ohms, o un arreglo resistivo. Terminal Principal (pin 6). No conexión. LED 42 3.2.3 PARÁMETROS ELÉCTRICOS Las especificaciones eléctricas que Motorola proporciona del circuito integrado MOC 8102, se muestran en las siguientes tablas. 3.1 y 3.2. Tabla 3.1 Especificaciones máximas eléctricas MOC 8102. 43 Tabla 3.2 Especificaciones generales eléctricas MOC 8102. 44 3.2.4 DIODO EMISOR El diodo emisor de luz infrarroja es la combinación de GaAs es el dispositivo emisor utilizado en el C.I, tiene un voltaje mínimo y máximo de trabajo de 1.0 y 1.5 V respectivamente con voltaje de polarización inversa (VR) de 6 V. La corriente máxima de trabajo que el dispositivo puede soportar es de 60 mA, éstos datos pueden ser consultados en las tablas 3.1 y 3.2. El objetivo de éste es emitir un haz de luz infrarroja hacia el fototransistor, a través de la zona de aislamiento, cada vez que el emisor recibe un pulso digital. 3.2.4.1 RENDIMIENTO Todos los diodos emisores de luz disminuyen gradualmente su rendimiento, es decir, su potencia decae con respecto al tiempo de utilización, además, si la temperatura de trabajo es más alta que la sugerida por el fabricante, el LED tiende a desgastarse de una forma más acelerada. Para prolongar el tiempo de vida del LED, se recomienda que éste trabaje con corrientes cercanas a los 20mA, es decir a 1/3 de IFT, las cuales se pueden obtener con la implementación de un resistor limitador de corriente. 3.2.4.2 CIRCUITO DE PROTECCIÓN El manual del fabricante del optoacoplador MOC 8102 proporciona y recomienda utilizar un circuito de protección para el emisor, este circuito blinda al LED contra 45 variaciones que se pudieran presentar en la señal de mando. La Figura 3.3 muestra el circuito de protección para el circuito emisor. Figura 3.3 Circuito electrónico de protección para el emisor. 3.2.5 FOTODETECTOR El fototransistor del circuito integrado 8102 es su dispositivo fotodetector. Figura 3.4. El objetivo del detector es convertir el haz de luz proveniente del LED en corriente eléctrica para conducir e introducir la corriente de disparo hacia base de un transistor de potencia, para controlar el movimiento del motor. Figura 3.4 Fotodetector en CI. 8102 FOTOTRANSISTOR 46 3.2.6 ENCAPSULADO El circuito integrado MOC 8102 es encapsulado en base al formato DIP (Dual In Line Package) con seis terminales de conexión. El encapsulado protege o proporciona al circuito integrado: Resistencia al medio de trabajo. Inmunidad al ruido. Inmunidad a interferencias de RF. La Figura 3.5 es una imagen ampliada del optoaislador MOC 8102. Figura 3.5 Optoaislador MOC 8102. 47 3.2.7 CURVAS DE OPERACIÓN Las curvas de operación del circuito integrado MOC 8102 son proporcionadas por el fabricante a través del manual del optoaislador, las cuales se reproducen a continuación. Figuras 3.6, 3.7, 3.8 y 3.9. Figura 3.6. Voltaje y corriente en LED, con polarización directa. Figura 3.7 Corriente de entrada y corriente de salida. 48 Figura 3.8 Corriente de salida y temperatura ambiental Figura 3.9 Corriente en colector y voltaje en colector-emisor 49 CAPÍTULO 4 APLICACIÓN DEL CIRCUITO INTEGRADO MOC 8102 4.1 INTRODUCCIÓN En el capítulo cuatro y último, se presenta la implementación del circuito integrado MOC 8102 como interfaz optoelectrónica. Su función específica consiste en recibir un voltaje de corriente continua de 5 Vcc para acoplarse con un circuito de potencia de mayor voltaje. 4.2 APLICACIÓN DEL OPTOAISLADOR MOC 8102 La implementación del circuito integrado MOC 8102 como interfaz consiste en analizar y calcular: 1. El resistor limitador de corriente para emisor del circuito integrado MOC 8102. 2. La potencia eléctrica en motor de 24 Vcc. 3. Análisis del puente H. 4. Mediciones eléctricas. Es fundamental señalar que al utilizar dos optoaisladores, uno para avance y otro para retroceso, y ser de la misma configuración y a su vez de similares parámetros eléctricos, los cálculos se realizarán para un circuito integrado pero se aplicarán a ambos optoaisladores. 50 4.2.1 ANÁLISIS FUNCIONAL El funcionamiento de cada dispositivo en la implementación del circuito integrado MOC 8102 se presenta en el siguiente análisis funcional, y se indica a continuación: C.I 1: es el circuito integrado MOC 8102, número 1, que se utiliza como interfaz optoelectrónica. C.I 2: es el circuito integrado MOC 8102, número 2, que se utiliza como interfaz optoelectrónica. 24 Vcc: es el voltaje que se suministra para el funcionamiento del puente H, motor y fototransistor de los circuitos integrados MOC 8102. 5 Vcc: es el voltaje (señal de avance o retroceso) que proporciona el circuito de control para activar el led del circuito integrado MOC 8102, números 1 y 2. MT1: es el motor de 24 volts de corriente continua que genera movimientos de avance y retroceso en el acomodador de producto de la rebanadora de embutidos. Sw1: es el dispositivo encargado de conducir y enviar el voltaje de 5 vcc hacia el circuito integrado 1 MOC 8102. Sw2: es el dispositivo encargado de conducir y enviar el voltaje de 5 vcc hacia el circuito integrado 2 MOC 8102. D5 y D6: son diodos semiconductores 1N4002 utilizados en el circuito de protección del diodo emisor de luz infrarroja para los optoaisladores MOC 8102, números 1 y 2. Q5 y Q6: son transistores BC 547 utilizados en el circuito de protección para el diodo emisor de luz infrarroja del circuito integrado MOC 8102, números 1 y 2 respectivamente. 51 R1 y R3: son resistores que se utilizan para limitar la corriente en el diodo emisor en el circuito integrado MOC 8102, números 1 y 2 respectivamente, sus valores se calculan. VR1: es un resistor variable de precisión que se utiliza para calibrar la corriente que entrega R1. VR2: es un resistor variable de precisión que se utiliza para calibrar la corriente que entrega R3. R2 y R4: son resistores de 47Ω utilizado para el circuito de protección del emisor. R5 y R6: son resistores de 100Ω utilizados para polarizar la base del fototransistor en los optoaisladores 1 y 2. R7: es un resistor de 10 KΩ utilizado para interconectar la base de los transistores, TIP 41 C, Q1 y Q4. R8: es un resistor de 10 KΩ utilizado para interconectar la base de los transistores, TIP 41 C, Q2 y Q3. Q1, Q2, Q3 y Q4: son transistores npn, TIP 41C, empleados para formar el puente H que permite la rotación del eje del motor hacia la izquierda o derecha. D1, D2, D3 y D4: son diodos semiconductores 1N4002 para limitar corrientes parasitas provocadas por devanados del motor. 52 La Figura siguiente, 4.1, muestra la conexión de cada elemento mencionado para su referencia. Figura 4.1 Referencia y conexión de los dispositivos. 53 4.2.2 RESISTOR LIMITADOR DE CORRIENTE PARA EL EMISOR El resistor limitador de corriente para el emisor, R1 y R3, es un dispositivo pasivo que tiene por función, como su nombre lo indica, limitar el paso de la corriente hacia el LED y permitir que su rendimiento aumente al igual que su vida útil. Su valor se calcula utilizando el diagrama dela Figura 4.2. Figura 4.2 Resistor limitador de corriente para LED en MOC 8102. Aplicando el método de mallas en donde se utiliza la Ley de Kirchhoff para voltajes (LKV) se tiene que. Eq. 4.1. 0LEDLEDLEDCC VIRV …………………………. (4.1) Al despejar LEDR de 4.1, se obtiene la expresión 4.2 para calcular el resistor para el LED. 5 Vcc 54 LED LEDCC LED I VV R ………………………………(4.2) Donde: LEDR = Valor del resistor limitador de corriente del emisor. CCV = Voltaje de la señal de avance o retroceso. LEDV = Voltaje de trabajo del LED infrarrojo. LEDI = Corriente de trabajo del LED infrarrojo. El resistor limitador de corriente se conecta en el ánodo del ILED (pin 1 del circuito integrado MOC 8102) para recibir la señal de avance o retroceso. El valor de los resistores limitadores R1 y R3 de corriente para el diodo emisor de luz infrarroja se calcula a partir de la expresión 4.2: LED LEDCC LED I VV R ILED de acuerdo al fabricante debe trabajar 1/3 de su valor máximo que es de 60 mA, entonces ILED = 20 mA Asignando valores, se tiene que: CCV = 5V LEDV = 1.5V LEDI = 20mA LEDR = ? 55 Los datos obtenidos, se sustituyen en 4.2 para encontrar el valor del resistor. 02.0 5.15 LEDR 175LEDR Ω El resistor de 175Ω no es un valor comercial, por lo tanto, se sustituye por un dispositivo de 150Ω a ½ watt ya que este valor es cercano a 175Ω con la ventaja que se encuentra en el mercado de la electrónica, y en consecuencia la corriente que circula por el diodo emisor de luz infrarroja rondará en los 20mA. La corriente que circula por el LED cuando LEDR = 150Ω se obtiene al despejar LEDI de la expresión matemática 4.1. LED LEDCC LED R VV I ……………………………….. (4.3) Donde: CCV = 5V LEDV = 1.5V LEDR = 150Ω LEDI = ? 56 Se realizan las sustituciones, con los valores citados anteriormente, en la expresión 4.3 para obtener el resultado de la corriente. 150 5.15 LEDI LEDI = 0.0233A = 23.3 mA El resultado indica que el valor del resistor de 150Ω limita la corriente de trabajo en 23.3mA, con una diferencia de 3.3mA con respecto a un uso virtual de un resistor de 175Ω. Sin embargo, es posible acondicionar la LEDI a 20mA con la adición de un resistor variable de precisión con un valor de 100Ω conectado en serie con el resistor de 150Ω. El valor total de un arreglo de resistores en serie se puede calcular con la aplicación de la expresión 4.4. En donde la resistencia total es igual a la suma de cada uno de sus elementos. NTOTAL RRRR 21 …………………. (4.4) Donde: 1R = 150Ω 2R = Resistor variable = 100Ω 57 Es necesario aclarar, de aquí en adelante, que LEDR no es un componente único, sino es la suma del resistor de 150Ω más el resistor variable de 100Ω. Por lo tanto: LEDR = 150Ω + 100Ω = 250Ω Se observa que LEDR adquiere valores en un intervalo de 150 hasta 250Ω; la resistencia de 175Ω se ubica precisamente dentro del intervalo, por lo tanto, solo es necesario realizar el ajuste en el resistor variable de precisión para obtener dicho valor. La Figura 4.3 muestra el diagrama de conexión entre el diodo emisor de luz infrarroja del optoaislador MOC 8102 y los dispositivos auxiliares (resistores de 47 y 150Ω, diodo semiconductor 1N4002, transistor npn BC 547, resistor variable de precisión de 100Ω). La conexión entre estos dispositivos permite en primer lugar el manejo de una señal de mando, que polariza en directa al LED infrarrojo, siendo ésta un voltaje de corriente continua y, en segundo lugar para la protección del mismo diodo emisor contra posibles alteraciones en la señal de 5 Vcc. Figura 4.3 Referencia de R1 y conexión de los dispositivos complementarios. 58 4.3. TRANSISTOR DE POTENCIA TBJ El transistor bipolar de unijuntura (TBJ), es un dispositivo con tres terminales de conexión llamadas; base (B), colector(C) y emisor(E): donde la primera es de entrada y puede admitir corrientes pequeñas para su operación, la segunda es de salida ya que deja pasar hacia la carga altas corrientes y la tercera puede ser entrada y/o salida. Internamente está formada por tres capas de material semiconductor, por lo cual existen dos tipos de transistores NPN Y PNP. Por las junturas o uniones el transistor se llama de juntura y bipolar porque existen cargas (+ y -). El nombre transistor significa transferir el valor alto de entrada a uno bajo de salida. Su símbolo eléctrico del transistor TBJ se muestra en la siguiente Figura 4.4. 1) TBJ NPN 2) TBJ PNP Figura 4.4 Símbolo eléctrico de los transistores TBJ 59 El transistor TBJ es un dispositivo que se utiliza en algunos casos como son los siguientes: a) Control de motores. b) Activación de relevadores. c) Fuentes de alimentación reguladas y conmutadas. d) Amplificadores de potencia. En el presente proyecto se utiliza el transistor TBJ de potencia TIP41C, como interruptor, para controlar el movimiento del motor en avance y retroceso aplicado en un circuito puente “H”. 60 4.4 CIRCUITO DE POTENCIA, EL PUENTE H Un Puente H es un circuito electrónico que controla la rotación en un motor eléctrico en sentidos de avance o retroceso. El término "puente H" es una representación gráfica y técnica del circuito para su entendimiento. El puente H se construye con 4 interruptores mecánicos o electrónicos. Cuando los transistores Q1 y Q4 se encuentran en estado de conducción, y Q2 - Q3 abiertos, se aplica una tensión positiva en el motor haciéndolo girar en un sentido. Cuando los transistores Q1 y Q4 pasan al estado de corte, y Q2 y Q3 a conducción, el voltaje se invierte, permitiendo el giro en sentido inverso del motor. La Figura 4.5 es una representación gráfica del puente H. Figura 4.5 Puente H La siguiente Figura 4.6 es la representación simbólica del puente H con transistores NPN Q1 Q2 Q3 Q4 61 Figura 4.6 Puente H con transistores El motor, que realiza la acción de avance y retroceso en el acomodador de producto, utilizado en la rebanadora de embutidos Bizerba es un dispositivo que requiere una alimentación de 24Vcc a 0.5, según el dato de placa. El motor debe cumplir con las siguientes acciones: I. Realizar movimientos hacia su derecha para avanzar en sentido a las manecillas del reloj. II. Girar hacia su izquierda para retroceder en sentido contrario a las manecillas del reloj. El puente H, para la presente implementación, esta formado por cuatro transistores tipo NPN de potencia con la siguiente nomenclatura: TIP 41 C. cada 62 transistor funciona, en modo de conducción o corte, de forma simultánea de la siguiente forma: Q1 y Q4. Q2 y Q3 Dónde: Q1 y Q4 permiten la rotación del motor en forma de avance cada vez que el switch 1 permite el paso de la señal hacia el optoaislador 1, mientras que Q2 y Q3 permanecen inactivos. Q2 y Q3 permiten la rotación del motor en forma de retroceso, cada vez que el switch 2 permite el paso de la señal hacia el optoaislador 2, mientras que Q1 y Q4 permanecen inactivos. 63 4. 5 CÁLCULO DE POTENCIA MÁXIMA EN CARGA La potencia máxima demandada en la carga se calcula a partir de la aplicación de la Ley de Watt en la siguiente expresión 4.8 maxmaxmax IVP ……………….. (4.8) Donde: maxP = Potencia máxima maxV = Voltaje = 24 Vcc maxI = Corriente máxima en carga Se sustituyen valores en 4.8; por lo tanto: maxmaxmax IVP 5.024maxP WP 12max El resultado indica que el motor genera un potencia eléctrica de 12Watts a 24 volts de corriente continua y 0.5 amperes de corriente. 64 4.6 MEDICIONES Las mediciones se realizan con el objetivo de conocer y comprobar los resultados teóricos obtenidos, éstas se concentran en el cuadro 4.1 para el emisor. PARÁMETRO VALOR TEÓRICO VALOR MEDIDO UNIDAD DE MEDIDA IILED (C.I 1) 20 18.1 mA RILED (C.I 1) 175 174 Ω VILED (C.I 1) 1.5 1.99 Vcc IILED (C.I 2) 20 18.2 mA RILED (C.I 2) 175 176 Ω VILED (C.I 2) 1.5 1.99 mA Cuadro 4.1 Mediciones de corrientes y voltajes. 65 4.7 DIAGRAMA GENERAL DE CONEXIONES El diagrama general de conexiones de la Figura 4.7 muestra el diseño final del circuito electrónico en conjunto; así mismo se presenta, simbólicamente, cada uno de los dispositivos con su respectiva nomenclatura y valor para su referencia e identificación en la tarjeta de circuito impreso PCB (Printed Circuit Board). Figura 4.7 Diagrama general de conexiones 66 CONCLUSIÓN El método de acoplamiento optoelectrónico a través de la utilización del circuito integrado MOC 8102 elimina la necesidad de utilizar relevadores o transformadores de aislamiento. Esto se debe principalmente a las ventajas operativas y físicas del circuito integrado, como las siguientes: El optoaislador no sufre desgaste con arcos eléctricos y su vida de trabajo es más prolongado. El método de acoplamiento óptico es superior en muchas aplicaciones, pues elimina algunas características menos deseables de los relevadores. Ocupa menos espacio con la tarjeta impresa y su mantenimiento se vuelve más económico, evitando el constante reemplazo de piezas. Permite comunicar y aislar circuitos de control con circuitos de potencia. El circuito integrado MOC 8102 aplicado como interfaz electrónica, con él se logra reducir costos en el mantenimiento correctivo constante por lo cual se pierde menos tiempo en la producción. 67 Dentro de su cavidad el circuito integrado MOC 8102 se protege de agresiones ambientales ó físicas como el ruido, las interferencias y las presiones mecánicas que presentan al ser manipulados. El circuito MOC 8102 es un dispositivo confiable para controlar básicamente transistores TBJ de potencia y tiene un tiempo de vida más largo que los relevadores. Con el circuito MOC 8102 como interfaz electrónica y aplicado con el puente “H” tiene un mejor control con el movimiento del motor. Por otro lado al utilizar el puente “H” es un circuito que puede controlar la rotación de un motor DC en sentido de avance y retroceso. El TIP 41C como interruptor, tiene un tiempo de vida más largo y un mejor funcionamiento. El transistor de potencia como interruptor de estado sólido aplicado en el puente “H”, tiene un mejor control en la rotación del motor. 68 GLOSARIO Acoplamiento optoelectrónico. Técnica de acoplamiento y aislamiento de señales de entrada de alto voltaje a señales lógicas de bajo voltaje, o viceversa, por una interfaz aislada y vinculada por medios fotoeléctricos entre dos circuitos electrónicos. Celda fotoconductiva. Fotocelda pasiva en la cual su resistencia varía en relación a la intensidad de luz que incide sobre su superficie. Celda fotovoltaica. Fotocelda que produce un voltaje de salida el cual cambia en relación a la intensidad de luz que incide sobre su superficie. Circuito integrado. Dispositivo que contiene sus propios transistores, resistencias y diodos. Un CI que emplee estos componentes microscópicos se puede fabricar de tal forma que solo ocupe el espacio de un transistor discreto. Fotocelda. Dispositivo que produce una variación eléctrica en respuesta al cambio en la intensidad de luz. Fototransistor. Transistor que responde a la intensidad de luz sobre su lente; frecuentemente utilizado con un LED para acoplamiento óptico. PCB. Siglas en el idioma inglés de Printed Circuit Board, referido a las tarjetas de circuito impreso. Semiconductor. Material de silicio o germanio, el cual se dopa con impurezas pentavalentes o trivalentes para obtener materiales N o P, que son las bases para la elaboración de circuitos integrados, diodos, transistores, tiristores. 69 Señal digital. La señal digital es aquella cuya información se conceptúa como del “todo o nada”; 0 y 1 lógicos; on-off, sin existir valores intermedios en el paso de un nivel alto de voltaje a un nivel bajo o viceversa (cambio súbito de 0-1, y de 1-0). 70 FUENTES DE CONSULTA 1. Boylestad, Robert y Nashelsky Louis. Fundamentos de electrónica. Cuarta edición. Rodolfo Navarro Salas, traductor. Prentice-Hall Hispanoamericana. México. 2. Chilet Seguí, Salvador, et al. Fundamentos básicos de la electrónica de potencia. Alfa Omega. 3. Gualda Gil, Juan Andrés; Martínez García Salvador; Martínez Martínez, Pedro Manuel. Electrónica industrial: Técnicas de potencia. Alfa Omega marcombo. España. 4. Humphires, James y Leslie, Sheets.1996. Electrónica industrial. Paraninfo. 5. Maloney, Timothy. Electrónica industrial moderna. Tercera edición. David Morales Peaje, traductor. Prentice-Hall Hispanoamericana. México. 6. Microelectrónica: teoría y aplicaciones. Marcombo Boixareu. Barcelona-México. 7. Motorola. Optoelectronics device data. U.S.A. 8. Morris, N.M. Fundamentos de electrónica industrial. Segunda edición. Luis Ibáñez Morlan, traductor. Marcombo Boixareu. Barcelona-México. 9. Serway, Raymond. Física. Tomo II. Cuarta edición. Gabriel Nagore Cazares, traductor. Mc. Graw-Hill. 10. Tipler, Paul A. 1999. Física para la ciencia y la tecnología. Volumen 2. Cuarta edición. Editorial Reverte, S.A. España. 11. Tocci, Ronald. 1996. Sistemas digitales. Sexta edición. Francisco G. Noriega, traductor. Prentice-Hall Hispanoamericana. México. 71 ANEXOS DIMENSIONES EXTERNAS DEL CIRCUITO INTEGRADO MOC 8102 72 ", -~- ;;j '~ -;-:; I • ", ' ---, "~ " -:;....-~~ "~~~ .. '~.;.,~~ 73 REBANADORA BIZERBA Portada Índice Introducción Justificación Objetivos Capítulo 1. Fundamentos de Optoelectrónica Capítulo 2. Principios de Optoaisladores Capítulo 3. Circuito Integrado MOC 8102 Capítulo 4. Aplicación del Circuito Integrado MOC 8102 Conclusión Glosario Fuentes de Consulta Anexos
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