TEMPORIZADOR PARA INSOLADORAS

Introducción.

Mi causa principal de fallo en la realización de PCBs es el tiempo de insolado, muchas veces estoy haciendo otras cosas a la vez y se me olvida mirar constantemente al reloj. Supongo que no seré el único, por eso he decidido colgar este proyecto.

Tiene una cierta complicación hacer un temporizador analógico que tenga una cierta precisión, en esta aplicación 30 segundos de diferencia no son decisivos pero... ¿qué más da hacer las cosas bien?

Quizás alguno de ustedes si que necesite una cierta precisión.

Como requisitos, que el tiempo sea variable entre 3 y 20 minutos, que tenga una salida a relé que desconecte la lámpara o la insoladora y que genere una señal sonora cuando termine el ciclo. Que sea reseteable.

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Esquema

El método habitual para hacer un temporizador es recurrir a un NE555, un integrado ya mítico en la electrónica del cual incluso se han desarrollado versiones CMOS (todo un símbolo de su larga estancia en el mercado y un gran futuro), pero siendo que lo único necesario es una red RC que produzca un retraso y un comparador; se puede elegir entre un NE555 y un LM311, ambos familiares con quienes hayan estudiado eletrónica. En mi caso elegí un LM311 para poder variar las señales de comparación.

El primer problema de un temporizador es precisamente la única manera analógica de hacerlo, un retraso mediante la carga de un condensador. Para empezar, la carga exponencial del condensador es muy susceptible a errores, porque al principio se carga rápido y ésto hace que la carga sea muy rápida en el tiempo, pero luego la pendiente baja y en el momento de comparar esa tensión con otra fija se producen errores porque la tensión crece demasiado despacio. Es mejor utilizar una tensión que crezca linealmente con el tiempo, una rampa.

A la derecha se pueden ver las simulaciones en Spice y el circuito empleado para simular la fuente de corriente y la carga RC.

Podemos ver cómo el Jfet tiene un comportamiento claramente ómhico cuando las condiciones lo imponen.

Otro problema es que necesitamos retrasos altos, entre 3 y 20 minutos, y esto implica que la constante RC sea alta, en nuestro caso será la constante "IC". Podemos poner un condensador grande, es lo lógico, pero implica que se debe usar un condensador electrolítico, y sus cifras de tolerancia y deriva térmica son demasiado pobres. -20+50% tol. También tienen unas corrientes de pérdidas demasiado altas, y si ponemos resistencias altas cometeremos errores por este motivo.

Debemos usar un condensador plástico, poliéster es suficiente. Las corrientes de pérdidas son prácticamente nulas pero su capacidad es mucho menor que el de un electrolítico del mismo tamaño. Debemos reducir la corriente y emplear un condensador del mayor tamaño posible.

Aqui empieza el segundo problema... una fuente de corrientes ínfimas, de entre 30 y 300 nA. Se probaron varios métodos:


Espejo de corriente de Widlar.

Falló por la escasa precisión y falta de linealidad de I frente a la resistencia de control, y por la alta dependencia de la tensión (efecto Early).

Espejo de corriente de Wilson con emisores degenerados.

Mejor, pero también falló por la escasa precisión y falta de linealidad de I frente a la resistencia de control. No era posible obtener linealidad de I frente a R con corrientes tan bajas, incluso aumentando las resistencias de degeneración del espejo. Este tipo de fuente de corriente es el que se emplea en circuitos integrados de PWM para generar el diente de sierra.

Espejo de corriente de Wilson con emisores degenerados carga del condensador a través de la base de un transistor.

Mucho mejor, al cargar el condensador con la corriente de base estamos empleando valores de corriente unas 100 veces superiores, donde el espejo se comporta de una manera más lineal. Pero dependemos de una no linealidad, beta (la ganancia del transistor), dependiente de temperatura y de la corriente de colector. En condiciones constantes era la mejor aproximación, pero las condiciones nunca son constantes.

Finalmente fue necesario recurrir a una fuente de corriente de precisión con un amplificador operacional, lo que introducía sus propios errores. El más serio son las corrientes parásitas de entrada del operacional, cuando se trata de hacer una fuente de corriente de varios nanoamperios (10E-9) no sirven los operacionales con entrada bipolar, y los operacionales de instrumentación con cancelación de las corrientes de entrada también son insuficientes.

No hay más remedio que utilizar operacionales con entrada FET, bien sea MOSFET o JFET. En JFET hay un modelo, el TL071 que puede funcionar, absorve 85pA . Puede ser interesante emplear un OPA134, que absorve 5pA, aunque su función no es ni mucho menos la de instrumentación sus características son buenas y más que suficientes. Mejor todavía sería el LMC622, un operacional con entrada MOSFET que absorve unos pocos femtoamperios (10E-15).

Esta fuente se implementa mediante un seguidor de tensión, pero en la salida tendremos un dispositivo de transconductancia, un mosfet o un Jfet. No se puede emplear un BJT porque la corriente de base causaría errores en la corriente de colector respecto de la de emisor, y lo que controlamos es la de emisor. El BS170 tiene muy pocos nA de corriente de entrada y una capacidad de entrada baja, lo que evitará que el operacional oscile.

Quedan más problemas, por supuesto. La precisión de los operacionales cuando la entrada se aproxima a las tensiónes de alimentación es muy pobre, por lo que fue necesario añadir una alimentación negativa para corregir éste fenómeno.

Y más problemas, ahora ya nos acercamos al último. No se puede conectar la salida del temporizador (el condensador) para alimentar el comparador, porque la corriente parásta de entrada del LM311 es de entre 20 y 150nA. Debemos añadir un buffer, en un principio se usó un transistor mosfet pero es obvia la dependencia del voltaje con la corriente y la temperatura, precisamente lo que hemos tratado de evitar. Se puede emplear una versión doble de los operacionales citados anteriormente.

Una vez en el LM311 se ha de tener en cuenta que la corriente máxima que absorve su salida es de unos 50mA, y es la corriente que atraviesa un relé de 12V. Si añadimos la del zumbador estamos por encima del máximo, debemos emplear un transistor para cargar con el relé. Para ello, siendo la salida del LM311 en colector abierto se puede usar un PNP. Elegimos el BD682 porque es un darlington y tiene diodo en antiparalelo, ayuda a evitar daños por los picos de tensión que genera la bobina del relé cuando se conecta y se desconecta. Él alimentará al relé, al zumbador y aún quedarían 4 Amperios por aprovechar

Este LM311 cargará con un LED que nos indicará el fin del ciclo. Para hacer el reset, nada más fácil que cortocircuitar el condensador, aprovechando un pulsador DPST/DPDT para iluminar otro LED que indicará que el reset es correcto.

A la derecha se puede ver el esquema final. Al final, después de tanto problema se ha obtenido un circuito suficientemente sencillo y funcional.

La resistencia Rtemp marcará linealmente el tiempo de temporización, puede variar desde 220k hasta 4.7M Ohm. Los cálculos se indican en el siguiente apartado.

 

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Características

Bastante simple es su conexionado. Requiere una alimentación de +12V y otra entre -5 y-12V, los 12V deben estar regulados mediante un 7812. La salida consiste en un relé que activa o interrumpe una de las fases del 220V AC, que alimentarán la lámpara.

En el siguiente gráfico se indican las conexiones externas, y si se quieren poner los LEDs en el frontal de la caja, como es mi caso, también se indica la polaridad. En un LED, como en los demás dispositivos con polaridad (condensadores electrolíticos, etc...) la pata más larga corresponde al más.

También es habitual que lleven un rebaje en uno de los lados, concretamente en el lado correspondiente a la pata corta. Esto indica la posición del cátodo, la parte "plana" del símbolo del diodo, la contraria al triángulo.

Los zumbadores con oscilador interno tienen polaridad, respétela.

Menos sencillo pero no imposible es calcular el periodo. Seguimos las siguientes ecuaciones:

Lo primero, las ecuaciones básicas de los condensadores y de la corriente:

Dividiendo la segunda ecuación por I, corriente, tenemos:

Simplicando y reordenando:

Sabemos cual es la capacidad y el voltaje (6V), pero desconocemos el valor de la corriente, en función de Rtemp; Vref es el voltaje de referencia del operacional, un divisor de tensión entre R9 y R10. Con R10=1M y R9=22k, ese voltaje es de 0,2583V.

Ahora podemos deducir el valor del tiempo en función de la resistencia:

Y para terminar, eligiendo el tiempo deseado, t, medido en segundos, podemos hallar la resistencia necesaria:

Resumiendo, para temporizar 3 minutos se requiere una resistencia de 945 kOhm, y para temporizar 20 minutos, 6.3 MOhm. Se puede ver que Rtemp es lineal respecto de t y viceversa, por lo que se puede aplicar una regla de tres, sabiendo que para 1 minuto se necesitan 315k Ohm el doble de tiempo requerirá el doble de resistencia.

No se han incluído cálculos de precisión, ésta se estima empíricamente en un rango del ±10% y se obtiene un ±5% típico, con componentes que no son de precisión; si se desean obtener tiempos muy precisos es necesario hacer lo siguiente:

  • Emplear un op-amp de instrumentación con entrada FET y bajo offset de entrada.
  • Emplear las siguientes resistencias de precisión: R1, R2, R9, R10, Rtemp. Reducir R1 y R2 a 4k7.
  • Sustituir (o medir y recalcular) el condensador C1 por un MKP de menor tolerancia. Podemos encontrar condensadores de éste tipo en el catálogo de Mundorff, con tolerancias del 3% y precios aún asequibles.
  • Emplear una tensión de alimentación de precisión o ajustar R10 mediante un potenciómetro cermet multivuelta.

Como se puede ver es más sencillo programar una PLD síncrona, con biestables de salida, o un microcontrolador y utilizar un ocilador de cuarzo.

PCBs y montaje.

Éstas son las PCBs. La primera es la capa de cobre inferior, la segunda es la guía de taladros, la tercera es la capa de componentes superior y la cuarta la capa de componentes inferior.

Y estos los componentes. Su uso es libre siempre que se comprenda que no se acepta ninguna responsabilidad por parte de pcpaudio.com de los errores que su uso pueda provocar y no se aproveche comercialmente. También es un excelente trabajo para presentar en asignaturas de electrónica analógica. No lo haga, hay otras formas de rebajarse mejores que copiar.

A la derecha podemos ver una sugerencia de montaje:Tres LEDs indicadores de diferentes colores indican el estado actual (fin de ciclo, funcionamiento normal y reset). El zumbador se ancla al chasis mediante tornillos, y para seleccionar el tiempo del ciclo, se emplea un conmutador rotativo de 12 posiciones y un circuito, que permite seleccionar 12 tiempos distintos.

Éste se ha hecho mediante combinaciones serie de resistencias de 680k (~2 minutos) y 1 MOhm (~3 minutos). La patilla nº 1 es la entrada del conmutador, debe llevar en seire la resistencia mínima. A partir de ella, cada resistencia se coloca entre terminal y terminal, así a medida que giremos iremos iremos añadiendo resistencias serie a la resistencia de remporizado, y por lo tanto, añadiendo segundos de temporizado.

Se puede hacer mediante resistencias en paralelo, pero como los tiempos empleados son altos, las resistencias también lo son y podemos encontrar que no existen valores tan altos (8 MOhm=24 min) sobre todo en resistencias de precisión, que por ser de metal tienen una gran dificultad en obtener valores de resistencia altos (el metal es buen conductor).

También se puede hacer mediante un potenciómetro con una resistencia serie que marque el tiempo mínimo, si se encuentran de valores tan altos como los requeridos.

 

 

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