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UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA LABORATORIO DE CIRCUITOS I

GUÍA DE LA PRÁCTICA N°4 ALARMA LASER Durante esta práctica desarrollaremos una alarma laser, la cual debe generar una alerta cuando un rayo laser sea interrumpido. Dicha alarma debe continuar encendida hasta que se desactive por medio de un botón de reset, es decir, no debe desactivarse cuando el laser deje de interferirse.

Figura 1. Objetivo de la practica 4.

A continuación se explica, paso por paso, una forma en la que puede hacerse este proyecto. Se describe también cada uno de los componentes utilizados.

a. EL SENSOR: FOTORRESISTENCIA Y LASER Lo primero que necesitamos, es un laser y un elemento sensor, que indique cuando se interrumpe este. Por su simplicidad, utilizaremos en este caso una fotorresistencia. La fotorresistencia nos servirá como receptor de la luz laser, de manera que podamos saber si el laser llega hasta el final de su recorrido o si fue cortado por el paso de alguna u objeto, como se ve en la figura siguiente.

Figura 2. Par laser – fotorresistencia

Una fotorresistencia es simplemente un resistor cuyo valor disminuye cuando la luz incide sobre él. También se conoce como fotoconductor, célula fotoeléctrica o light-dependent light resistor (LDR). En la figura 3 se ven su apariencia física más común, así como el símbolo con el que se representa en un diagrama circuital.

Figura 3. LDR y su símbolo circuital.

Dependiendo de la LDR comprada, los valores de resistencia entre los que el elemento varía pueden ser distintos. Por ejemplo, una LDR específica puede tener una resistencia de 46 K ohm cuando no recibe ninguna luz (esta oscuro) y este valor irá bajando a medida que la luz incide sobre ella, hasta a 7K ohm cuando recibe plena luz. Para otros LDR estos valores específicos de resistencia pueden ser distintos. Para ara utilizar una fotorresistencia como elemento para medir la si llega o no la luz del laser, laser basta con conectarla formando un divisor de voltaje, como se muestra en la figura 4.

Figura 4. Divisor de voltaje.

Donde R1 es la fotorresistencia y R2 es un resistor de valor fijo. En este sencillo divisor de voltaje tendremos la siguiente relación: 1

2 2

Cuando sobre la resistencia llega la luz del laser, la resistencia de ella es más baja y el voltaje Vx será alto. Cuando el laser se interrumpe no llega la luz a la fotorresistencia, su valor sube y el voltaje Vx es más bajo. Entonces, si una persona pasa e interrumpe el laser, durante el tiempo que el laser no llega al LDR habrá un cambio del voltaje Vx. El voltaje Vx será algo asi:

Figura 5. Variación del voltaje en Vx cuando el laser es interrumpido.

b. COMPARACIÓN DE SEÑALES: AMPLIFICADOR OPERACIONAL En la gráfica anterior no se muestran valor especifico del voltaje Vx cuando esta alto o cuando esta bajo. Estos valores dependen de la relación entre los valores que toma la fotorresistencia R1 y el valor de la resistencia fija R2. Para hacer que este nivel de voltaje varíe entre dos niveles de voltaje deseados, podemos comparar el voltaje Vx con un determinado nivel de referencia. Para esto podemos usar un amplificador operacional conectado como comparador y a la salida obtendremos 0v o 5V únicamente (o los valores con los que polarice el amplificador operacional). Esto se ilustra en la figura siguiente.

Figura 6. Comparación del voltaje Vx con un nivel de refencia. Para poner en la entrada inversora (-) del amplificador operacional un voltaje de referencia Vref, bastará con usar un divisor de voltaje, escogiendo las resistencias para que el valor del voltaje de comparación (Vref) sea el deseado

c. MANTENIENDO UN ESTADO. EL FLIP-FLOP La señal a la salida del amplificador operacional, solo cambia de estado durante un momento. Pero lo que queremos es que, cuando el ladrón interrumpa el laser, una alarma se encienda y no se apague hasta que alguien no la desactive. Para lograr esto, utilizaremos un flip-flop, el cual usaremos para obtener lo siguiente: Inicialmente, mientras el laser llegue hasta la fotorresistencia, habrá un nivel bajo a la salida del sistema, el cual significa que la alarma está apagada. Cuando el laser se interrumpa (aunque sea sólo por un instante) el sistema debe poner la salida en alto y este estado debe conservarse hasta que se haga un reset del sistema, aun si la luz vuelve a incidir sobre la fotorresistencia. Esto se ilustra en la figura siguiente.

Figura 7. Mantener el estado de encendido.

El flip fop o biestable es un dispositivo capaz de permanecer en uno de dos estados posibles durante un tiempo indefinido en ausencia de perturbaciones. Esta característica es ampliamente utilizada en electrónica digital para memorizar información. El paso de un estado a otro se realiza variando sus entradas. Existen varios tipos de flip flop y estos pueden usarse de diversas formas. En esta caso usaremos un flip flop JK, y le daremos un uso muy simple, sólo para actuar como elemento que conserva un estado hasta la llegada de un reset. Por eso, de todas las terminales del flip flop, sólo usaremos la de preset y clear (o reset). Se usará de la siguiente forma.

Figura 8. Modo de uso del flip flop para esta apliación. Note que el clear y el preset son activos en bajo (no se activan con 5V, si no con 0V). Lo que tendremos es lo siguiente: cuando el pulso en bajo proveniente del comparador llegue al present, la salida Q se pondrá en 5 V. Este estado se conservará hasta que se pongan 0V en el pin de CLR (que normalmente debe esta a 5V). Para el reset (pin CLR), una forma fácil de garantizar que normalemnte este conectado a Vcc y que cuando se necesite se le ponga un cero, s mediante el uso de un suiche pulsador y una resistencia, de la siguiente forma.

Figura 9. Conexión del reset. De esta forma, normalmente habrá 5 voltios en el pin de CLR y cuando se oprima e pulsador habrá 0V. La resistencia garantiza que no haya conto entre Vcc y tierra. Puede usarse un resistencia de 4.7K.

d. LA “ALARMA” Ahora, esta señal de salida del flip flop la podemos usar para activar una alarma de algún tipo. En nuestro caso, simplemente activaremos un led que va a parpadear, indicando la alarma. Para hacer que el led encienda y apague con una determinada frecuencia en lugar de simplemente estar encendido de forma constante, usaremos un integrado lm555. Con este integrado generaremos una onda cuadrada que aplicaremos al led, como se explica a continuación. El circuito integrado 555 es un circuito integrado de bajo costo y de grandes prestaciones. Se usa en aplicaciones como los osciladores, las alarmas, los temporizadores, relojes etc., donde se requiere de un circuito que produzca intervalos temporizados.

El 555 es el circuito integrado temporizador más popular por su reducido tamaño y bajo costo, además puede funcionar con voltajes de alimentación desde 5V hasta 18V, lo que lo hace compatible con diferentes tecnologías. En la figura 10 se muestra la configuración del 555. Para funcionar como un oscilador, solo necesita de 4 componentes adicionales C, RB, RA, C2 de los cuales depende la frecuencia de salida y los anchos de los pulsos.

Figura 10. Apariencia y forma de conexión del 555. Ahora, ¿cómo calcular la frecuencia de esa onda cuadrada que generará el 555? Un periodo T es el tiempo en el cual la señal de salida se repite nuevamente, la frecuencia se puede calcular si se tiene el valor del periodo así

f

1 T

Como se muestra en la figura 11 el periodo T es igual a la suma de los tiempos alto y bajo de la señal, la manera para calcular estos tiempos está dada por las siguientes formulas

Figura 11. Periodo de una onda cuadrada

t_alto 0.695. ( RA

RB ) . C

t_bajo 0.695 . RB . C

El periodo lo obtenemos de la suma de los dos tiempos.

T t_alto

t_bajo 0.695 . ( RA

2 RB ) . C

Y con el periodo T se obtiene la frecuencia de la salida (out) con la siguiente fórmula:

f

1 T ( RA

1.44 2 RB ) . C

En el caso del laboratorio, usaremos los siguientes valores de elementos en el 555.

Figura 12. 1 Conexión edl 555 para esta práctica Ra= 150K Rb=330k C=1uF El otro capacitor (Que no se marca su nombre) es de 1nF. Obtendremos un led que parpadea a una frecuencia de, aproximadamente, 2 Hz.

e. EL CIRCUITO COMPLETO Ahora miremos como quedaría el total del circuito para la alarma

Figura 13. Circuito completo.

Para montar este circuito, debe elegir los valores de algunos elementos. Siga el siguiente procedimiento. 1. Consiga la fotorresistencia que va a utilizar y un apuntador laser. Mida la resistencia de la fotorresistencia cuando el laser incide sobre ella y cuando el laser se interrumpe. 2. Elija un valor para la resistencia R2. Según el valor de esta resistencia y los valores que tome su LDR con el laser y sin el laser, será la variación del voltaje Vx para cada caso. Calcule los valores entre los que variará Vx con laser y sin laser. 3. Según la forma en la que varía Vx, elija un valor de voltaje de referencia o de comparación para el pin inversor (-) del amplificador operacional. Elija los valores para R3 y R4 que garanticen este valor de voltaje Vref.

f.

EL PREINFORME

Esta práctica no requiere la realización de un preinforme. EL circuito debe llevarse montado a la clase y, para esto, deben calcularse los valores de los elementos que se mencionaron más arriba.

g. RECOMENDACIONES • Consulte las hojas de datos de los elementos que va a usar (amplificador operacional, flip flop, 555). En ellas encontrará la configuración en pines de cada uno, así como sus requerimientos de polarización y otra información importante. • Es importante llevar la configuración en pines al laboratorio, pues esto permite revisar el circuito de forma más fácil. • En los divisores de voltaje, procure no usar resistencias muy pequeñas, para evitar corrientes altas. Use resistencias en el rango de los kilo-ohmios. • Aunque en el diagrama completo del circuito no se muestran, recuerde que los amplificadores operacionales tienen entradas de polarización que ay que conectar. Lo mismo sucede con el flip-flop. • Recuerde llevar el circuito montado a la clase. • Si tiene dudas o inconvenientes con el montaje, contacte al profesor vía correo electrónico.