MODULO INTERACTIVO DE PROXIMIDAD

Cristian Guerra Alvarez

David García

Catalina Ussa

Universidad Autónoma de Occidente; Departamento de Automática y Electrónica

Cali, Colombia

Noviembre 2014

Abstract-El presente documento expone la implementación de un

módulo interactivo de proximidad como proyecto de curso,

consiste en una distribución grupal de diodos led controlados por

la presencia de algún objeto por encima de los mismos. El

funcionamiento del sistema se basa en emisores y receptores de

infrarrojos cuya señal se envía a comparación ante una tensión

de referencia obteniendo como resultado una seña de carácter on

-off.

Keywords: infrarrojo, comparador, tensión de referencia.

INTRODUCCIÓN

Un módulo interactivo de proximidad es un arreglo de diodos leds cuyo encendido es controlado por la presencia de un objeto sobre un grupo determinado. Este dispositivo no tiene una aplicación definida en un campo puesto que solamente se encarga de un proceso, más bien está orientado al campo de la domótica en cuanto la personalización de algunas superficies.

Conceptos:

Reflexión: fenómeno propio de las ondas, se presenta durante el cambio de dirección de la misma ante un obstáculo. La dirección del rebote es la misma que la onda incidente con respecto a la normal.

Fig.1 reflexión. Tomado de: https://sites.google.com

Rayos infrarrojos: onda de radiación electromagnética con frecuencia entre 300GHz y 380GHz, fuera del espectro visible, no logran atravesar objetos sólidos, en comunicaciones son útiles a cortas distancias.

Diodo emisor: semiconductor capas de emitir rayos infrarrojos, opera máximo a 2V, funcionan convirtiendo corriente eléctrica en luz infrarroja, tienen un encapsulado similar a un LED. Fototransistor: semiconductor con estructura similar a un transistor diferenciado por que la excitación en la base se hace mediante luz gracias a un cristal fotosensible para controlar la corriente en colector.

Fig. 2 fototransistor Fig.3 símbolo fototransistor Tomado de: http://www.freepik.es/

Amplificador no inversor: configuración Op. Amp.

Amplifica señales a partir de las resistencias de

retroalimentación y divisor de tención.

Ganancia.

Fig. 4 amplificador no inversor Comparador: integrado especial catalogado como amplificador operacional, caracterizado por tener una salida alta o baja en función de la tensión en sus entradas inversora y no inversora. Su funcionamiento consiste en cuando el voltaje en terminal no inversor es mayor tiene una salida alta (positiva) siendo inversor mayor lo contrario (negativa).

Vin

VCC

R1

VDD

R2

Vout

U4

LM7413

2

74

6

1

5+

-

V+

V-

OUT

OS1

OS2

0

DESARROLLO

Planteamiento El proyecto consiste en crear un sistema ordenado de diodos leds que al pasar un objeto sobre ellos prendan cuando estén a determinada distancia (Fig 5).

Fig. 5 modulo interactivo de proximidad

Solución Para detectar la presencia de un objeto por encima del tablero se implementa un par de diodos por grupo emisor infrarrojo y fototransistor, cuando la onda infrarroja choque contra un objeto cerno se reflectara, posteriormente volverá al tablero en donde es detectada por un fototransistor que permitirá el flujo de corriente en colector esto prendera un grupo de diodos. Puesto que la señal del fototransistor es muy débil de un orden de mV es necesario amplificar la señal. Para obtener un encendido de los diodos uniforme es necesario tener un nivel de tención de referencia que represente una distancia ante la cual si el objeto la sobrepasa se logren pender los diodos esto es mediante un comparador enviando referencia a terminal inversor y señal amplificada a no inversor. Posteriormente a partir de la señal de comparador se ha definido el encendido de 6 diodos leds esto implica opera a corrientes mayores a 100mA por ende a la salida del comparador se conecta a la base de un transistor manejando estados de corte y saturación, este se encargar de encender los diodos. Implementación: Para la configuración del emisor se ha definido una corriente de trabajo de 14mA con 2.5 V el sistema será alimentado con 5 v, en cuanto al fototransistor se requiere una alta impedancia en el emisor mayor a colector, la estructura definida se presenta en la figura 7: Resistencia para infrarrojo ( ):

Para el foto transistor de acuerdo a las condiciones se define una resistencia de colector de 220 y 10K en emisor:

Fig. 6 configuración emisor y receptor

Ahora se procede a la fase de amplificación, debe tenerse en cuenta que se requiere que los leds enciendan a una distancia de 5cm esto para el fototransistor serán aproximadamente una intensidad de 2uA sobre la resistencia establecida en emisor (10KΩ) se calcula la tención a partir de la ley de ohm:

Esta tención se destinara apara amplificación, se requiere aproximadamente un valor de 1 V por lo que la ganancia está dada así:

Con este valor se haya los valores de las resistencias del amplificador proponiendo :

Con una señal amplificada se procede a trabajar con el proceso de comparación para el cual se requiere una tención de referencia de 1V (ecuación 2);

Ecuación 2

Para la ecuación 2:

A partir de una referencia y la tención amplificada se llevan a la señales al comparador en el orden previamente establecido. El comparador en salida máximo tendrá 4.5 V que serán enviados a la base del transistor, para la polarización de este se debe tener en cuenta que se optó por que este controle 6 leds en paralelo que consumen 20mA cada uno por lo tanto la corriente de colector ( ) es:

X1

PH

OT

OT

RA

NS

IST

OR

R1

220Ω

R2

10KΩ

InfraRojo

R3

180Ω

V1

5V

Se sabe que la tención de base es 4.5 V por ende el voltaje de emisor ( ) es:

Ahora se encuentra la resistencia del emisor ( ) para cada uno de los leds a partir del voltaje de emisor y la corriente que consume cada diodo, si los 6 led en paralelo consumen 2 V:

Para una polarización adecuada la tención restante debe consumirse en una resistencia de colector hallada con la corriente :

El esquema de la figura 7 presenta la configuración establecida anteriormente:

Fig.7 modulo interactivo de proximidad

Simulación Para la simulación del esquema propuesto sea sustituido la respuesta del emisor del foto transistor por una fuente cuya tención este por encima y debajo de 20mV. Para la simulación se dividido en 3 partes: amplificación, comparación, encendido de diodos. Amplificación:

Fig. 8 amplificador Fig.9 resultado amplificador De acuerdo a la lectura del multímetro fig.8 el resultado de la amplificación es el calculado (fig.9) 1V. Comparación:

Fig.10 comparador Fig.11 salida comparador Por las lecturas de salida en el comparador se obtiene la aproximadamente tención calculada 4.5 V. Encendido de diodos:

Fig.12 diodos

Fig.13 voltaje diodos

X1

PHOTOTRANSISTORR

1

220Ω

R2

10KΩ

Infr

aR

ojo

R3

180Ω

V1

5V

U

1A

LM

358A

D

3 2

48

1

U1B

LM

358A

D

56

4 8

7

R4

49kΩ

R5

1kΩ

R6

4kΩ

R7

1kΩ

Q2

2N

3904

R8

10Ω

R9

90Ω

R10

90Ω

R11

90Ω

R12

90Ω

R13

90Ω

R14

90Ω

LE

D1

LE

D2

LE

D3

LE

D4

LE

D5

LE

D6

V1

5V

U1BLM358AD

5

6

48

7

R6

4kΩ

R7

1kΩ

XMM1

Q2

2N3904

R9

90Ω

R10

90Ω

R11

90Ω

R12

90Ω

R13

90Ω

R14

90Ω

LED1 LED2 LED3 LED4 LED5LED6

XMM1

De acuerdo a la figura 13 la tensión en los diodos es adecuada para su funcionamiento. Montaje:

Fig.14 montaje modulo interactivo de proximidad.

El montaje respondió de manera deseada ante la distancia propuesta y de forma calculada. CONCLUSIONES De manera práctica la ubicación de los diodos emisor y receptor influye mucho en la recepción de la onda puesto que la óptima reflexión se produce cuando ambos diodos se ubican el uno al otro a un Angulo de 90° con respecto a la normal. El papel del control de offset fue vital puesto que en algunos integrados las señales que se filtraban eran mucho mayores a las destinadas a la amplificación como la respuesta del foto transistor , por estas razones se hizo uso del integrado LM358 el cual tiene bajo nivel de offset. Para los diodos las alimentaciones empleadas fueron grandes debido a que estos semiconductores consumen un bajo nivel de energía para una operación media. BIBLIOGRAFÍA

BOYLESTAD, Robert L. NASHELSKY, Louis. Teoría de

circuitos y dispositivos electrónicos. Editorial Prentice-Hall,

Octava Edición, 2003.

MALVINO, Albert P. “Principios de Electrónica”.

Editorial McGraw-Hill, Sexta Edición, 2000.

FLOYD, Thomas L. “Dispositivos Electrónicos”.

Editorial Prentice-Hall, novena Edición, 201

Circuitos electrónicos con amplificadores, Juan José

González .Ed, marcombo, pág. 25.

Sistemas de comunicaciones electrónicas, Wayne Tomasi, Ed,

Pearson, pág. 76.

Prácticas de electrónica, Paul B. Zbar. Ed, Marcombo, pág.

34.