Dispositivo de control modular de procesos fluido-térmicos Procon

TRABAJO FIN DE ESTUDIOS

Dispositivo de control modular de procesos fluido-térmicos Procon

Gabriel Tobías García

PROYECTO FIN DE CARRERA

Tutores: Javier Rico Azagra y Montserrat Gil Martínez

Curso 2011-2012

© El autor© Universidad de La Rioja, Servicio de Publicaciones, 2012

publicaciones.unirioja.esE-mail: [email protected]

Dispositivo de control modular de procesos fluido-térmicos Procon, trabajo finde estudios

de Gabriel Tobías García, dirigido por Javier Rico Azagra y Montserrat Gil Martínez(publicado por la Universidad de La Rioja), se difunde bajo una Licencia

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“Dispositivo de control modular de procesos

fluido-térmicos Procon”

Peticionario: Universidad de La Rioja

Informantes: Gabriel Tobías García Alumno de Ingeniería Industrial en Electrónica Industrial

Javier Rico Azagra (Director de proyecto) Montserrat Gil Martínez (Directora del Proyecto)

Lugar y Fecha: Logroño a 20 de Julio del 2012



DOCUMENTO Nº1 INDICE GENERAL





Dispositivo de control modular de procesos fluido-térmicos Procon Indice Universidad de La Rioja

3

Gabriel Tobías García JUL-20 E.T.S.I.I.

INDICE MEMORIA ................................................................................................................... 13

1. INTRODUCCION .................................................................................................. 13

1.1 OBJETIVO Y ALCANCE ............................................................................... 14

1.2 ANTECEDENTES .......................................................................................... 15

1.2.1 DISPOSITIVOS ....................................................................................... 15

1.2.2 CONOCIMIENTOS ................................................................................. 15

1.3 ENUMERACION DE OBJETIVOS ESPECIFICOS ...................................... 17

2. DESCRIPCION DEL PROCESO .......................................................................... 19

3. EQUIPOS DE PARTIDA ....................................................................................... 20

3.1 MODULO 38-100 ............................................................................................ 20

3.2 MODULO 38-600 ............................................................................................ 23

3.3 MODULO 38-610 ............................................................................................ 25

4. NECESIDADES DEL PROCESO ......................................................................... 27

4.1 CONVERSOR CORRIENTE-TENSION ....................................................... 29

4.1.1 OPCIONES EVALUADAS ..................................................................... 29

4.1.2 OPCION ESCOGIDA .............................................................................. 33

4.2 CONVERSOR TENSION-CORRIENTE ....................................................... 35


4.2.2 OPCION ESCOGIDA .............................................................................. 40

4.3 CONVERSOR TEMPERATURA-TENSION ................................................ 42


4.3.2 OPCION ESCOGIDA .............................................................................. 48

4.4 CONTROL DIGITAL ..................................................................................... 51

5. SOFTWARE ELEGIDO ........................................................................................ 54

6. ESQUEMA ELECTRONICO ................................................................................ 55

6.1 TARJETAS CONTROL CIRCUITOS ............................................................ 57

6.2 TARJETA CONTROLADORA DE TEMPERATURA Y NIVEL ................ 67

6.3 TARJETA DE CONTROL DIGITAL ............................................................. 72

6.4 TARJETA CALEFACTOR - REFRIGERADOR ........................................... 78

6.4.1 CALEFACTOR ........................................................................................ 78


4


6.4.2 REFRIGERADOR ................................................................................... 91

6.5 TARJETA EXPANSORA ............................................................................... 96

6.6 ALIMENTACION ........................................................................................... 99

6.7 CONTROL DE POTENCIA ......................................................................... 105

7. TARJETA DE ADQUISICION DE DATOS ....................................................... 119

8. DISEÑO EXTERIOR ........................................................................................... 121

8.1 PANEL FRONTAL ....................................................................................... 122

8.2 PANEL POSTERIOR .................................................................................... 123

8.2.1 CONECTORES JACK ........................................................................... 126

8.2.2 CONECTORES DIN5 ............................................................................ 129

8.2.3 CONECTORES DIN7 PLACA 1 Y PLACA 2 ...................................... 132

8.2.4 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS ......................................... 135

8.3 RESULTADO FINAL ................................................................................... 140

ANEXOS ..................................................................................................................... 148

COMPONENTES ......................................................................................................... 149

1.1 RCV420 ......................................................................................................... 151

1.2 AD694 ............................................................................................................ 161

1.3 LM741 ........................................................................................................... 175

1.4 LM35 ............................................................................................................. 184

1.5 2N2219A ........................................................................................................ 197

1.6 TL431 ............................................................................................................. 205

1.7 HGTP12N60A4D .......................................................................................... 215

1.8 KBPC 1006 ......................................................................................................... 222

MANUAL DE USUARIO ........................................................................................... 224

2.1 PARTES DE LA CONSOLA DE MANDOS ............................................... 229

2.1.1 PANEL FRONTAL ................................................................................ 229

2.1.2 PANEL POSTERIOR ............................................................................ 230

2.1 CONTROL DE SEÑALES DEL PANEL FRONTAL .................................. 231

2.1.1 TARJETAS CONTROL CIRCUITOS ................................................... 232

2.1.2 CALEFACTOR Y REFRIGERADOR .................................................. 234

2.1.3 MANDO DIGITAL ................................................................................ 236

2.1.4 SENSORES ............................................................................................ 236


5


2.2 CONEXIÓN DE LOS CONECTORES A PANEL POSTERIOR ................ 238

2.3 SOLUCION DE PROBLEMAS .................................................................... 241

PAPER XXXIII ............................................................................................................ 242

PLANOS ..................................................................................................................... 251

1. PLANOS DE PLACAS INTERNAS ................................................................... 251

2. PLANOS DEL EXTERIOR ................................................................................. 268

PLIEGO DE CONDICIONES ................................................................................. 272

1. DISPOSICIONES GENERALES ........................................................................ 272

1.1 OBJETO ......................................................................................................... 272

1.2 PROPIEDAD INTELECTUAL ..................................................................... 272

1.3 CONDICIONES GENERALES .................................................................... 272

1.4 NORMAS, LEYES Y REGLAMENTOS ..................................................... 273

2. DEFINICIÓN Y ALCANCE DEL PLIEGO DE CONDICIONES ..................... 274

2.1 OBJETO DEL PLIEGO DE CONDICIONES .............................................. 274

2.2 DOCUMENTOS QUE DEFINE LAS OBRAS ............................................ 275

2.3 COMPATIBILIDAD ENTRE DOCUMENTOS .......................................... 276

3. CONDICIONES DE MATERIALES .................................................................. 276

3.1 CONDICIONES TECNICAS DE LOS MATERIALES ............................... 276

3.1.1 RCV420 .................................................................................................. 277

3.1.2 AD694 .................................................................................................... 277

3.1.3 LM741 .................................................................................................... 277

3.1.4 LM35 ...................................................................................................... 277

3.1.5 2N2219A ................................................................................................ 278

3.1.6 1N4007 ................................................................................................... 278

3.1.7 LM311 .................................................................................................... 278

3.1.8 BC558 ..................................................................................................... 278

3.1.9 LM358 .................................................................................................... 279

3.1.10 TL431 ..................................................................................................... 279

3.1.11 BT136 ..................................................................................................... 279

3.1.12 MOC3041 ............................................................................................... 279

3.1.13 LM7805, LM7810, LM7812 .................................................................. 279

3.1.14 CONECTOR SCPI 68 ............................................................................ 280


6


3.1.15 ZENER 12 VOLTIOS ............................................................................ 280

3.1.16 ZENER 10 VOLTIOS ............................................................................ 280

3.2 CONDICIONES TECNCIAS DE CIRCUITO IMPRESO ........................... 280

3.3 CONDICIONES TECNICAS DEL MATERIAL INFORMATICO ............. 281

4. CONDICIÓN DE EJECUCIÓN Y MONTAJE ................................................... 282

4.1 CONEXIONADO .......................................................................................... 282

4.2 CONDICIONES DE FABRICACION DE CIRCUITO IMPRESO ............. 282

4.3 PRUEBAS Y ENSAYO DE MONTAJES .................................................... 284

5. CONDICIONES DE MANTENIMIENTO .......................................................... 288

5.1 CONSERVACION ........................................................................................ 288

5.2 INICIALIZACION DEL EQUIPO ................................................................ 288

6. EXCLUSIVIDAD DEL APARATO .................................................................... 289

7. CONDICIONES ECONOMICAS ........................................................................ 290

7.1 ERRORES EN EL PROYECTO ................................................................... 290

7.2 JORNADAS Y SALARIOS .......................................................................... 290

8. DISPOSICION FINAL ........................................................................................ 291

PRESUPUESTO ........................................................................................................ 293

1. INTRODUCCION ................................................................................................ 293

2. ESTADO DE MEDICIONES .............................................................................. 294

2.1 INTRODUCCION ......................................................................................... 294

2.2 CAPITULO 1: RECURSOS MATERIALES ................................................ 294

2.2.1 CONVERSOR CORRIENTE-TENSION .............................................. 294

2.2.2 CONVERSOR TENSION-CORRIENTE .............................................. 294

2.2.3 CONVERSOR TEMPERATURA-TENSION ....................................... 294

2.2.4 TARJETA CIRCUITO CALEFACTOR ................................................ 294

2.2.5 TARJETA CIRCUITO DEPOSITOS .................................................... 295

2.2.6 TARJETA CIRCUITO PRODUCTOS .................................................. 295

2.2.7 TARJETA TEMPERATURA Y NIVEL ............................................... 295

2.2.8 TARJETA DIGITAL .............................................................................. 295

2.2.9 TARJETA CALEFACTORA Y REFRIGERADORA .......................... 296

2.2.10 TARJETA EXPANSORA ...................................................................... 296

2.2.11 DISEÑO Y CABLEADO ....................................................................... 296


7


2.2.12 ALIMENTACION ................................................................................. 298

2.2.13 CONTROL DE POTENCIA .................................................................. 298

2.3 CAPITULO 3: RECURSOS HUMANOS ..................................................... 298

2.3.1 DISEÑO EXTERIOR ............................................................................. 298

2.3.2 DISEÑO Y REALIZACION DE CIRCUITOS ..................................... 298

2.3.3 BUSQUEDA DE INFORMACION Y REDACCION DEL DOCUMENTO ..................................................................................................... 299

3. PRESUPUESTO PARCIAL DE EJECUCION DE MATERIAL ....................... 300

3.1 INTRODUCCION ......................................................................................... 300


3.2.1 CONVERSOR CORRIENTE-TENSION .............................................. 300

3.2.2 CONVERSOR TENSION-CORRIENTE .............................................. 300

3.2.3 CONVERSOR TEMPERATURA-TENSION ....................................... 301

3.2.4 TARJETA CIRCUITO CALEFACTOR ................................................ 301

3.2.5 TARJETA CIRCUITO DEPOSITOS .................................................... 301

3.2.6 TARJETA CIRCUITO PRODUCTO .................................................... 302

3.2.7 TARJETA TEMPERATURA Y NIVEL ............................................... 302

3.2.8 TARJETA CONTROL DIGITAL .......................................................... 302

3.2.9 TARJETA CALEFACTORA Y REFRIGERADORA .......................... 303

3.2.10 TARJETA EXPANSORA ...................................................................... 304

3.2.11 DISEÑO Y CABLEADO ....................................................................... 304

3.2.12 ALIMENTACION ................................................................................. 305

3.2.13 CONTROL POTENCIA ........................................................................ 306


3.3.1 DISEÑO EXTERIOR ............................................................................. 306

3.3.2 DISEÑO Y REALIZACION DE CIRCUITOS IMPRESOS ................. 306

3.3.3 BUSQUEDA DE INFORMACION Y REDACCION DEL DOCUMENTO ..................................................................................................... 307

4. PRESUPUESTO TOTAL DE EJECUCION DE MATERIAL ........................... 308



4.3 PRESUPUESTO TOTAL .............................................................................. 308


8


IMÁGENES Figura 3-1 Esquema módulo 38-100 .......................................................................................................... 20

Figura 3-2 Fotografía módulo 38-100 ........................................................................................................ 21

Figura 3-3 Indicador visual de flujo ........................................................................................................... 22

Figura 3-4 Esquema módulo 38-600 .......................................................................................................... 23



Figura 4-1 Diseño basado en amplificadores .............................................................................................. 29

Figura 4-2 Amplificador de transresistencia 1 ............................................................................................ 30

Figura 4-3 Amplificador de transresistencia 2 ............................................................................................ 31

Figura 4-4 RCV420 .................................................................................................................................... 32

Figura 4-5 Circuito RCV420 ...................................................................................................................... 33

Figura 4-6 Circuito conversor corriente tensión ......................................................................................... 34

Figura 4-7 Amplificador ganancia 2 ........................................................................................................... 34

Figura 4-8 Diseño con operacionales ......................................................................................................... 37

Figura 4-9 Circuito con masa flotante ........................................................................................................ 37

Figura 4-10 Circuito con masa normal ....................................................................................................... 38

Figura 4-11 AD694 .................................................................................................................................... 40

Figura 4-12 Tabla posibles entradas salidas AD694 .................................................................................. 40

Figura 4-13 Circuito para ajuste AD694 .................................................................................................... 41

Figura 4-14 Circuito conversor Tensión corriente ...................................................................................... 42

Figura 4-15 NTC ........................................................................................................................................ 43

Figura 4-16 Variación de la resistencia de una NTC con la temperatura ................................................... 44

Figura 4-17 Puente Wheastone ................................................................................................................... 44

Figura 4-18 PT100 ...................................................................................................................................... 45

Figura 4-19 Tabla valores resistencia/ temperatura .................................................................................... 45

Figura 4-20 Circuito conversor XTR105 .................................................................................................... 46

Figura 4-21 Grafica valores resistencias variables según temperatura ....................................................... 46

Figura 4-22 Circuito para el XTR105 ......................................................................................................... 47

Figura 4-23 LM35 ...................................................................................................................................... 47

Figura 4-24 Grafica relación tensión/temperatura ...................................................................................... 48

Figura 4-25 Conexión LM35 ...................................................................................................................... 49

Figura 4-26 LM741 .................................................................................................................................... 49

Figura 4-27 Amplificador ganancia 10 ....................................................................................................... 50

Figura 4-28 Conexionado LM35 ................................................................................................................ 50

Figura 4-29 LM7805 .................................................................................................................................. 51

Figura 4-30 Circuito de control digital ....................................................................................................... 52

Figura 4-31 Zócalo del relé y relé utilizados .............................................................................................. 52

Figura 4-32 Transistor 2N2219A Figura 4-33 Diodo 1N4007 utilizado ............................................ 53

Figura 5-1 Logo Desing Spark ................................................................................................................... 54

Figura 6-1 Servoválvula ............................................................................................................................. 57

Figura 6-2 Caudalímetro utilizado .............................................................................................................. 58

Figura 6-3 Selector utilizado en todos los procesos ................................................................................... 58

Figura 6-4 Conexiones del selector ............................................................................................................ 59

Figura 6-5 LM7810 .................................................................................................................................... 60

Figura 6-6 Potenciómetro multivuelta y Dial ............................................................................................. 60

Figura 6-7 Patillas del potenciómetro utilizado .......................................................................................... 60

Figura 6-8 Forma interna del potenciómetro. ............................................................................................. 61

Figura 6-9 Zener regulador de la entrada. .................................................................................................. 62

Figura 6-10 Grafica regulación del Zener de entrada ................................................................................. 62


9


Figura 6-11 Circuito regulador del Zener ................................................................................................... 63

Figura 6-12 Grafica tensión de entrada y tiempo que tarda en quemarse la resistencia ............................. 63

Figura 6-13 Conector 20 pines ................................................................................................................... 64

Figura 6-14 Esquema de las tarjetas de control de circuitos ...................................................................... 65

Figura 6-15 Tarjeta control circuitos en 3D ............................................................................................... 66

Figura 6-16 PCB tarjeta control circuitos ................................................................................................... 66

Figura 6-17 Tarjeta Control tarjeta control circuitos .................................................................................. 66

Figura 6-18 Esquema conexionado LM35 ................................................................................................. 67

Figura 6-19 Fotografía maqueta 38-100 con detector de nivel y boya de seguridad .................................. 68

Figura 6-20 Circuito detector de nivel ........................................................................................................ 68

Figura 6-21 Esquema electrónico tarjeta temperatura y nivel .................................................................... 70

Figura 6-22 Tarjeta temperatura y nivel en 3D .......................................................................................... 71

Figura 6-23 Diseño en PCB tarjeta temperatura y nivel ............................................................................. 71

Figura 6-24 Tarjeta temperatura y nivel ..................................................................................................... 71

Figura 6-25 Electroválvula ......................................................................................................................... 72

Figura 6-26 Bomba ..................................................................................................................................... 72

Figura 6-27 Interruptores utilizados ........................................................................................................... 73

Figura 6-28 Esquema Tarjeta control digital .............................................................................................. 76

Figura 6-29 Tarjeta control digital en 3D .................................................................................................. 77

Figura 6-30 Diseño en PCB Tarjeta control digital .................................................................................... 77

Figura 6-31 Tarjeta control digital.............................................................................................................. 77

Figura 6-32 Calefactor a controlar.............................................................................................................. 79

Figura 6-33 Señal Triangular ...................................................................................................................... 80

Figura 6-34 Señal Dientes de Sierra ........................................................................................................... 80

Figura 6-35 Generación de Señal Triangular .............................................................................................. 82

Figura 6-36 Etapa 1 Amplificación ............................................................................................................ 82

Figura 6-37 Etapa 2 Amplificación ............................................................................................................ 83

Figura 6-38 Reducción de Potencia ............................................................................................................ 84

Figura 6-39 Comparación de Señales ......................................................................................................... 85

Figura 6-40 Esquema funcionamiento Optoacoplador ............................................................................... 86

Figura 6-41 Señales del Circuito ................................................................................................................ 86

Figura 6-42 Esquema Circuito PWM ......................................................................................................... 87

Figura 6-43 Fotografía potenciómetro termostato ...................................................................................... 88

Figura 6-44 Circuito del Termostato .......................................................................................................... 88

Figura 6-45 TL431 ..................................................................................................................................... 89

Figura 6-46 Patillas LM358 ........................................................................................................................ 90

Figura 6-47 Circuito del termostato ............................................................................................................ 90

Figura 6-48 Circuito del refrigerador ......................................................................................................... 91

Figura 6-49 Refrigerador a controlar .......................................................................................................... 91

Figura 6-50 Circuito de la tarjeta del Calefactor y Refrigerador ................................................................ 94

Figura 6-51 Tarjeta del Calefactor y Refrigerador en 3D ........................................................................... 94

Figura 6-52 Diseño en PCB tarjeta del Calefactor y Refrigerador ............................................................. 95

Figura 6-53 Tarjeta Calefactor y Refrigerador ........................................................................................... 95

Figura 6-54 Formato de la tarjeta expansora .............................................................................................. 96

Figura 6-55 Diseño electrónico tarjeta expansora ...................................................................................... 97

Figura 6-56 Tarjeta Expansora en 3D ......................................................................................................... 98

Figura 6-57 Cara superior Tarjeta Expansora ............................................................................................. 98

Figura 6-58 Fotografía tarjeta expansora .................................................................................................... 98

Figura 6-59 Fuente de alimentación de 24v ............................................................................................. 102

Figura 6-60 Fuente de alimentación de ±15v ........................................................................................... 103

Figura 6-61 Conector alimentación de las placas ..................................................................................... 103


10


Figura 6-62 Esquema conexiones placa alimentaciones ........................................................................... 104

Figura 6-63 Placa Alimentaciones en 3D ................................................................................................. 104

Figura 6-64 Fotografía placa alimentaciones ........................................................................................... 104

Figura 6-65 Grafica Control por fase (P/V) .............................................................................................. 106

Figura 6-66 Grafica Control por ciclos (P/V) ........................................................................................... 107

Figura 6-67 Control de Continua .............................................................................................................. 107

Figura 6-68 Rectificación y Filtrado ........................................................................................................ 109

Figura 6-69 Esquema conexionado control de potencia ........................................................................... 111

Figura 6-70 Potencia al 10% .................................................................................................................... 111

Figura 6-71 Potencia al 100% .................................................................................................................. 112

Figura 6-72 Red RC Snubber ................................................................................................................... 113

Figura 6-73 Modelo Térmico ................................................................................................................... 114

Figura 6-74 Grafica R.C-D ....................................................................................................................... 115

Figura 6-75 Disipador utilizado ................................................................................................................ 116

Figura 6-76 Ventilador incorporado ......................................................................................................... 116

Figura 6-77 Esquema Circuito de Potencia .............................................................................................. 116

Figura 6-78 Esquema electrónico tarjeta control de potencia ................................................................... 117

Figura 6-79 Tarjeta de potencia 3D .......................................................................................................... 118

Figura 6-80 Tarjeta de potencia ................................................................................................................ 118

Figura 6-81 Fotografía tarjeta control de potencia ................................................................................... 118

Figura 7-1 PCI 6229 ................................................................................................................................. 119

Figura 7-2 Conexiones PCI 6229 ............................................................................................................. 120

Figura 7-3 Componentes necesarios para la PCI6229 .............................................................................. 120

Figura 8-1 Caja sin montar ....................................................................................................................... 121

Figura 8-2 Chapa delantera mecanizada ................................................................................................... 122

Figura 8-3 Conector DIN5 ........................................................................................................................ 123

Figura 8-4 Conector DIN7 ........................................................................................................................ 124

Figura 8-5 Conector JACK de 3 y 2 conexiones ...................................................................................... 125

Figura 8-6 Conector de red ....................................................................................................................... 125

Figura 8-7 Conectores para la tarjeta de adquisición de datos .................................................................. 125

Figura 8-8 Esquema conexiones placa conectores JACK......................................................................... 127

Figura 8-9 Placa conectores JACK en 3D ............................................................................................... 127

Figura 8-10 Placa conectores JACK ........................................................................................................ 128

Figura 8-11 Placa conectores JACK ......................................................................................................... 128

Figura 8-12 Conexionado Sensores de temperatura ................................................................................. 129

Figura 8-13 Conexionado Termostato ...................................................................................................... 129

Figura 8-14 Conexionado boya ................................................................................................................ 130

Figura 8-15 Diseño placa conectores DIN5.............................................................................................. 130

Figura 8-16 Placa conectores DIN5 3D .................................................................................................... 131

Figura 8-17 PCB Placa conectores DIN5 ................................................................................................ 131

Figura 8-18 Placa conectores DIN5 .......................................................................................................... 131

Figura 8-19 Conexiones conector DIN7 ................................................................................................... 132

Figura 8-20 Diseño placa conectores DIN7 placa 1 y placa 2 .................................................................. 133

Figura 8-21 PCB placa conectores DIN7 3D ........................................................................................... 133

Figura 8-22 PCB placa conectores DIN7 placa 1 y 2 ............................................................................... 134

Figura 8-23 Tarjeta conectores DIN7 ....................................................................................................... 134

Figura 8-24 Conexiones placa T.A.D. 1 ................................................................................................... 135

Figura 8-25 Conexiones placa T.A.D. 2 ................................................................................................... 136

Figura 8-26 Selector Salida Analógica ..................................................................................................... 137

Figura 8-27 Esquema de las placas de T.A.D ........................................................................................... 138

Figura 8-28 Placa1 y placa 2 T.A.D en 3D............................................................................................... 138


11


Figura 8-29 Placa 1 y placa 2 T.A.D ........................................................................................................ 139

Figura 8-30 Placa T.A.D. ......................................................................................................................... 139

Figura 8-31 Fotografía Panel Frontal ....................................................................................................... 140

Figura 8-32 Fotografía selector y logo UR ............................................................................................... 140

Figura 8-33 Fotografía tarjetas de Circuitos ............................................................................................. 141

Figura 8-34 Fotografía borneros ............................................................................................................... 141

Figura 8-35 Fotografía tarjetas ................................................................................................................. 142

Figura 8-36 Fotografía panel posterior ..................................................................................................... 142

Figura 8-37Fotografia conexiones Electroválvulas .................................................................................. 143

Figura 8-38 Fotografía conectores Tarjeta de adquisición de datos ......................................................... 143

Figura 8-39 Fotografía actuadores y sensores .......................................................................................... 143

Figura 8-40 Fotografía sensores ............................................................................................................... 144

Figura 8-41 Fotografía conectores de alterna ........................................................................................... 144

Figura 8-42 Fotografía interior del modulo .............................................................................................. 145

Figura 8-43 Fotografía placas del panel posterior .................................................................................... 145

Figura 8-44 Fotografía tarjetas panel frontal ............................................................................................ 146

Figura 8-45 Fotografía canaleta ................................................................................................................ 146

Figura 8-46 Cableado unido con bridas .................................................................................................... 147

Figura 8-47 Fotografía ventilador y radiador ........................................................................................... 147

TABLA DE CONEXIONES

Tabla 6-1 Conexiones alimentación tarjeta control circuitos (Conector de 5) ........................................... 64

Tabla 6-2 Conexiones bus control tarjeta control circuitos (Conector de 20) ............................................ 64

Tabla 6-3 Conexiones bus datos tarjeta control circuitos (Conector de 8) ................................................ 65

Tabla 6-4 Conexiones alimentación tarjeta temperatura y nivel (Conector de 5) ....................................... 69

Tabla 6-5 Conexiones bus control tarjeta temperatura y nivel (Conector de 8) ......................................... 69

Tabla 6-6 Conexiones bus datos tarjeta temperatura y nivel (Conector de 20) ......................................... 70

Tabla 6-7 Conexiones alimentación tarjeta control digital (Conector de 5) ............................................... 74

Tabla 6-8 Conexiones alimentación 220v tarjeta control digital (Conector de 2) ...................................... 74

Tabla 6-9 Conexiones alimentación 220v para bomba 1 tarjeta control digital (Conector de 2) ................ 75

Tabla 6-10 Conexiones alimentación 220v para bomba 2 tarjeta control digital (Conector de 2).............. 75

Tabla 6-11 Conexiones bus control1 tarjeta control digital (Conector de 20) ............................................ 75

Tabla 6-12 Conexiones bus control2 tarjeta control digital (Conector de 8) .............................................. 75

Tabla 6-13 Conexiones bus datos tarjeta control digital (Conector de 20) ................................................. 76

Tabla 6-14 Conexiones alimentación tarjeta Calefactor y refrigerador (Conector de 5) ............................ 92

Tabla 6-15 Conexiones bus control tarjeta Calefactor y Refrigerador (Conector de 20) ........................... 92

Tabla 6-16 Conexiones bus datos tarjeta Calefactor y Refrigerador (Conector de 8) ................................ 93

Tabla 6-17 Conexiones tarjeta Calefactor y Refrigerador y Control de Potencia (Conector de 8) ............. 93

Tabla 6-18 Conexiones alimentación 220v para control de potencia (Conector de 2) ............................. 117

Tabla 6-19 Conexiones carga calefactor para control de potencia (Conector de 2) ................................. 117

Tabla 6-20 Conexiones condensador para control de potencia (Conector de 2) ...................................... 117

Tabla 6-21 Conexiones datos para control de potencia (Conector de 8) .................................................. 117

Tabla 8-1 Conector placa conectores Jack (Conector de 5) ...................................................................... 127

Tabla 8-2 Conexiones conectores Din5 (Conector de 20) ........................................................................ 130

Tabla 8-3 Conexiones conector Din7 placa 1 (Conector de 5) ................................................................ 132

Tabla 8-4 Conexiones conector Din7 placa 2 (Conector de 5) ................................................................. 133

Tabla 8-5 Conexiones placa T.A.D. 1 (Conector de 20) .......................................................................... 135

Tabla 8-6 Conexiones placa T.A.D. 2 (Conector de 20) .......................................................................... 136



DOCUMENTO Nº2 MEMORIA



Javier Rico Azagra (Director de proyecto)


Dispositivo de control modular de procesos fluido-térmicos Procon Memoria Universidad de La Rioja

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MEMORIA

1. INTRODUCCION

El objeto principal del presente proyecto “Dispositivo de control modular de

procesos fluido-térmicos Procon” es la obtención del título de Ingeniero Técnico Industrial Especialidad en Electrónica Industrial por parte de la Universidad de la Rioja.

El proyecto surge debido a la necesidad de controlar una serie de sensores y actuadores encontrados en las plantas PROCON 38-100, 38-600 y 38-610. Las señales del proceso no son controlables con las herramientas hardware disponibles. Para solucionar este problema se realiza el diseño y desarrollo de un interface que permite acondicionar las señales generadas por los siguientes sensores y actuadores:

Servoválvulas Sensores de temperatura Electroválvulas Caudalímetros Calefactor Refrigerador Detector de nivel.

Todos estos circuitos de adaptación de señales estarán englobados dentro de una consola de mandos y organizados en tarjetas separadas para poder realizar un mejor mantenimiento y conexionado de las mismas a los diferentes sensores y actuadores. De esta forma el diseño será modular y más compacto.


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1.1 OBJETIVO Y ALCANCE

El objetivo de este proyecto es el diseño e implementación de un dispositivo de control modular encargado del gestionar los dispositivos incorporados en las maquetas educativas PROCON. Estos equipos de laboratorio representan procesos de nivel/caudal/temperatura a escala de laboratorio. Todos los elementos empleados por el dispositivo de control estarán englobados dentro de una caja de policarbonato adecuadamente serigrafiada, que actuara como panel de operación.

Para lograr este objetivo principal deberemos abordar una serie de objetivos secundarios:

- Diseño y desarrollo de conversor tensión-corriente - Diseño y desarrollo de conversor corriente-tensión - Diseño y desarrollo de conversor ac-dc - Diseño y desarrollo de interface hombre-maquina - Diseño y desarrollo de estructura modular - Chasis - Distribucón de señales - Control de elementos digitales - Completa esta lista con lo que consideres oportuno

Para la realización de montajes y pruebas de montaje se utilizará, si es necesario, los laboratorios de Taller Electrónico así como el Laboratorio de Electrónica I para el desarrollo de fotolitos.

En resumen, el objetivo es construir una consola de mandos desde la cual se regulen las señales de las plantas PROCON disponibles en el laboratorio. Dichas señales, dependiendo de su naturaleza, podrán ser modificadas desde un PC, desde equipos externos o de forma manual mediante elementos de actuación hombre-máquina. Finalizado el proyecto el equipo será entregado de forma totalmente funcional y listo para ser empleado en las plantas reales. Los acabados serán realizados de forma que el prototipo presente un aspecto similar a los equipos comercializados de similares características.


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1.2 ANTECEDENTES

Hay de destacar 2 partes importantes, los dispositivos sobre los que se van a realizar las técnicas de control y se va a actuar sobre los sensores y actuadores, y las asignaturas de las cuales previamente hemos adquirido unos conocimientos durante los cursos de los cuales consta la carrera.

1.2.1 DISPOSITIVOS

La consola de mandos diseñada será la encargada de realizar la gestión de los equipos de laboratorio comercializados por Feedback, disponibles en el laboratorio L111 de la Universidad de La Rioja.

Módulo 38-100 Proceso de Nivel/Caudal Módulo 38-600 Proceso Térmico Módulo 38-610 Refrigerador complementario para la planta 38-600

Estos tres equipos permiten múltiples configuraciones en función del tipo de interconexión seleccionada y de la estrategia de control aplicable. El equipo desarrollado deberá ser capaz de trabajar en cualquiera tipo de configuración, garantizando un funcionamiento adecuado en todos los casos.

1.2.2 CONOCIMIENTOS

Para empezar a desarrollar este proyecto previamente se han necesitado adquirir una serie de conocimientos de diferentes materias que influirán de manera importante en la toma de decisiones del diseño. Cabe destacar las siguientes materias:

Regulación Automática I y II Instrumentación electrónica I y II Electrónica Analógica Tecnología Electrónica I y II Electrónica de Potencia Oficina Técnica

Regulación Automática I y II

De estas dos asignaturas tendré muy en cuenta los conocimientos de las teóricas de control y de los tipos de sistemas. Estas asignaturas son claves ya que se han adquirido conocimientos para el control de procesos y la realización de pruebas


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experimentales, ya que principalmente se realizaran en aplicación como MATLAB y SIMULINK.

Instrumentación Electrónica I y II

De estas asignaturas he aprendido a elegir los sensores que existen en el mercado, sus características y los circuitos de acondicionamiento de señal para resistencias dependientes de la temperatura. También necesitare tener muy en cuenta todo lo aprendido de las tarjetas de adquisición de datos.

Electrónica Analógica

La materia de esta asignatura me ayudará a convertir las señales procedentes de los sensores y adecuarlas a mi gusto para poder tratarlas de la manera más sencilla mediante amplificadores de ganancia y también convertidores corriente-tensión como convertidores tensión-corriente.

Tecnología Electrónica I y II

De estas asignaturas se han obtenido los conocimientos para el diseño y montaje de placas de circuito impreso, así como de su correcto funcionamiento y colocación de componentes.

Electrónica de Potencia

Debido a que el calefactor funciona con la tensión de red, es necesario realizar un circuito que linealice dicha tensión, para ello ha sido clave esta asignatura, ya que sin ella no habríamos adquirido los conocimientos necesarios para su ejecución.

Oficina Técnica

Para la creación de la documentación se necesitara esta asignatura en lo que se refiere a su constitución, el orden de documentos, la información que contempla en cada uno de ellos, etc. Las responsabilidades del diseño del proyecto y el valor contractual de la documentación se han estudiado en esta asignatura.


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1.3 ENUMERACION DE OBJETIVOS ESPECIFICOS

Los objetivos a conseguir son la creación individual de varios conversores, que

de forma conjunta o aislada, nos permitan la interacción con los sensores y actuadores disponibles en las plantas PROCON. Dicha realización nos permitirá poder hacer un control lineal sobre los elementos de los cuales constan los módulos PROCON. Dichos conversores y controladores son: Conversor Tensión – Corriente

Dicho conversor será el principal encargado de transformar los datos de entrada en forma de tensión de 0 a 10v en corriente para poder actuar en las servoválvulas disponibles. También es el encargado de pilotar sobre el refrigerador ya que tanto las servoválvulas como el refrigerador operan de 4 a 20mA.

Conversor Corriente- Tensión

Este conversor es el encargado de hacer entendible las señales procedentes tanto de los módulos conversores de pulso a corriente como del detector de nivel. Puesto que la salida de estos sensores es de 4 a 20mA, se necesita una conversión a tensión entendible para el usuario.

Conversor Temperatura – Tensión

Gracias a los sensores de temperatura, podemos saber con exactitud la temperatura del fluido en los puntos estratégicos de las maquetas. Dicha temperatura hace falta convertirla a tensión para un correcto manejo del calefactor o refrigerador. Hay que elegir un sensor de temperatura óptimo que sea lineal y una vez elegido transformar los valores de salida del mismo en tensión de 0v a 10v que sea lineal con 0ºC a 100ºC.

Control digital

Debido a que las Electroválvulas operan con 24v y las Bombas con 220v, es necesaria la implementación de una tarjeta que se encargue del control de ambas mediante relés. Dichos relés serán los encargados de permitir la conmutación de estados de dichos actuadores. Puesto que desde el PC las tensiones máximas son de 10 voltios, hay que acondicionar la señal de alguna manera para que la tensión de control sea inferior a 10v y consiga pilotar los 220v en alterna o los 24v de continua.


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Control del calefactor

Dicho calefactor opera con 220v, si bien es cierto que se puede controlar con un relé como en el apartado de control digital, lo que se pretende en este caso es un control lineal, y un relé no lo es ya que solo deja realizar un calentamiento de todo o nada.

Mediante la creación de una tarjeta especializada en el calefactor, se pretende un control lineal de la potencia a aportarle al mismo. De esta forma se podrá controlar la temperatura a la cual se quiere el fluido desde un 0% a un 100% de la misma.

Además de esto un sensor de temperatura deberá cortar la alimentación del calefactor una vez llegados a los 70ºC, para evitar quemaduras en quien controle el dispositivo.


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2. DESCRIPCION DEL PROCESO

Se necesita crear una consola de mandos la cual englobe en slots todas las tarjetas de regulación del conjunto de plantas PROCON para poder controlarlo mediante una tarjeta de adquisición de datos desde el ordenador o desde el exterior de la maqueta manualmente mediante diferentes formas (Interruptores, Potenciómetros o bornas de entrada de tensión)

Se ha tomado la decisión de hacerlo en slots para de esta forma poder unir todas las placas cómodamente a la consola, y así poder realizar mejor el conexionado a la misma. También esta organización solventara los posibles problemas de mantenimiento ya que como cada placa tiene un área de funcionamiento diferente, si una fallara sería mucho más fácil la reparación de la misma ya que soltarla sería muy sencillo por estar cada placa unida con buses de datos con tomas rápidas. Además de la organización en tarjetas independientes para cada proceso, estas deberán ir fijadas al panel frontal de forma que vista la consola desde arriba se puedan ver las tarjetas de perfil, haciendo que la refrigeración de las mismas sea sencillo. Por otro lado los conectores del panel posterior deben ir en placas para reducir el cableado de los terminales de cada conector, haciendo la maqueta más intuitiva y agradable a la vista una vez abierta. El mantenimiento de la misma es muy importante, para ello se tratara de espaciar las tarjetas al máximo y reducir el cableado individual al máximo, haciendo que todo el cableado valla en buses para poder seguir las señales entre las diferentes tarjetas. Por otro lado todas las tarjetas deben ir fijadas mediante tornillería al panel frontal, posterior o al fondo de la maqueta cuando proceda, para evitar daños internos cuando se transporte.


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3. EQUIPOS DE PARTIDA

3.1 MODULO 38-100

Esta planta engloba:

3 Electroválvulas 1 Servoválvula 1 Detector de nivel 1 Caudalímetro

Figura 3-1 Esquema módulo 38-100


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Figura 3-2 Fotografía módulo 38-100

Características:

Sistema autónomo. Utilización de agua para el proceso. Contiene sensores de nivel, flujo e indicadores. Flujo controlado por una única. Bomba centrífuga de 5 litros / min. ON / OFF y control proporcional. Señales estándar de 4-20mA P, PI y PID completo con instalación de autoajuste.

Descripción:

Dicha maqueta se basa en el sistema básico de procesos de PROCON. Este es un sistema de circuito único, usando agua como fluido de proceso, que permite el estudio de los principios de control de procesos utilizando un nivel de líquido y las tasas de flujo como las variables de proceso a ser controlados.


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Este sistema de control incluye:

Procesos básicos. Proceso de Interfaz. Controlador de Proceso. Sensor de nivel. Sensor de flujo. Módulo de visualización digital. Descubrimiento de software.

El sistema consta de un circuito de agua completamente autónomo, de baja presión que fluye apoyado en un panel montado en un banco, lo que es adecuado para el trabajo individual del estudiante, o para la demostración de grupo.

El circuito incluye:

Sumidero del tanque. Bomba de circulación. Indicación visual de flujo. Electroválvula. 3 válvulas de solenoide. 4 válvulas manuales. Sensor de flujo. Sensor de nivel.

Figura 3-3 Indicador visual de flujo


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3.2 MODULO 38-600


2 Caudalímetros 4 Sensores de temperatura 1 Servoválvula

Figura 3-4 Esquema módulo 38-600



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Características:

Sistema dual de funcionamiento en mesa. El agua utilizada como fluido de proceso. Puede ser operado desde el suministro de agua de la red o conectado a nivel

PROCON / Sistema de Flujo de Control de Procesos. Temperatura monitorizada por cinco sensores en los circuitos primario y

secundario. Detección de flujo. El flujo del circuito primario es controlado por electroválvula. Calentador del circuito primario y con bomba. Circuito de refrigeración por ventilador. P, PI y PID completo con instalación de autoajuste. Señales estándar de 4-20mA Se puede acoplar a la Plataforma de nivel / flujo para el control de doble

lazo.

Descripción:

El sistema PROCON de temperatura se basa en el en el proceso de temperatura. Este es un sistema de circuito dos, usando agua como fluido de proceso, que permite el estudio de los principios de proceso de control utilizando circuito primario y secundario las temperaturas como las variables de proceso a ser controlado.

Este sistema de control incluye:

Proceso de calentamiento de agua. Proceso de Interfaz. Controlador de Proceso. Temperatura del paquete de sensores. Paquete de control de temperatura auxiliar. Módulo de visualización digital. Descubrimiento de software.


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3.3 MODULO 38-610


1 Sensor de Temperatura 1 Bomba 1 Refrigerador

En este caso la utilización de un esquema no es realmente importante ya que dicho módulo no contiene excesivos elementos que no se puedan ver en la imagen.


Este equipo está diseñado para ser utilizado como intercambiador de temperatura entre el modulo elevador de temperatura y el módulo de nivel y flujo, para mantener la temperatura uniforme en el conjunto de maquetas. Características:

Sistema de refrigeración básico. Uso como un enfriador controlado manualmente Control de temperatura mediante la variación de la velocidad del ventilador Control de la temperatura mediante la variación de velocidad de la bomba

El módulo 38-610 es una unidad de enfriamiento de aire forzado diseñado para extender el rango de operación de las maquetas.


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Consiste en una bomba eléctrica con ventilador y el radiador para enfriar el agua circulante. La unidad puede ser cargada inicialmente a través del depósito de cabecera que deberá mantenerse situado hacia arriba para evitar la entrada de aire. Hay dos señales que pueden aplicarse para controlar el grado de enfriamiento. La velocidad del ventilador puede ser controlada mediante el control de una corriente de 4-20mA en la parte superior con un conector DIN de la sección de control. Y por otro lado la velocidad de la bomba puede ser similarmente controlada con una señal de 4-20mA a través del conector adyacente del módulo DIN. La velocidad de la bomba y el ventilador están controlados a través de circuitos de fase controlada, comando como entrada la señal de 4-20mA. Alternativamente el ventilador y la bomba pueden ser ajustados para el rango de velocidades, en nuestro caso se podrán regular al unísono.


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4. NECESIDADES DEL PROCESO

Los sensores y actuadores del proceso trabajan en corriente, a excepción de los sensores de temperatura, que es el modo habitual de la transmisión de señales, mientras que la tarjeta de adquisición de datos instalada en el PC solo permite la lectura y escritura por tensión. De este modo se necesita diseñar un interfaz que transforme las corrientes en tensión y viceversa.

Puesto que los módulos exteriores son insuficientes para la conversión de todas

las señales que engloban las maquetas, será necesaria la creación de tarjetas que convierta estas señales. Para realizar una conexión completa se ha optado por diseñar un conversor de señales que nos permita adaptar todos los elementos de la planta comercial a la tarjeta de adquisición de datos instalada en el PC. Ya que las señales a tratar son de diferente magnitud y medida, se ha optado por la creación de diferentes tarjetas para cada proceso.

El primer paso es realizar un estudio de las señales que intervienen en el proceso, para poder determinar cómo realizar su adaptación de forma adecuada y en cuantos módulos hay que dividirlo.

Las señales procedentes de sensores hacia el PC y exterior de la maqueta son las siguientes:

5 Sensores de temperatura (Señal analógica 0-1v) 3 Caudales (4-20mA) 1 Nivel (4-20mA) 1 Boya de seguridad (Señal digital)

Las señales que deben llegar a los actuadores de la planta a partir de líneas del PC o maqueta son:

2 Servoválvulas (4-20mA) 3 Electroválvulas (señal digital 24V) 1 Bomba regulada por corriente (4-20mA) 1 Calentador (220v alterna) 1 Refrigerador (4-20mA) 2 Bombas de agua (220v alterna)


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Del estudio anterior obtenemos que muchos de los sensores puedan ser adaptados mediante la conversión de dos tipos de señales:

a) Realizando el acondicionado directamente del sensor b) Apoyándonos en los módulos de adaptación de señales del sensor a 4-20mA, módulos 38-421, 38-401,38-441. Esta última es la mejor opción por la linealidad de los módulos pero puesto que

no hay suficientes para el control de todas las señales se opta por realizar tarjetas que acondicionen las señales para su óptimo uso mediante el PC.

En conclusión se diseñaran diferentes conversores los cuales son:

Conversor Tensión – Corriente Conversor Corriente- Tensión Conversor Temperatura-Tensión Control de señales digitales

La unión de uno o más controladores nos servirá para actuar en las diferentes partes del proyecto, tales como servoválvulas, electroválvulas, sensores de temperatura, bombas, caudalímetros, refrigerador, detectores de nivel y boya de seguridad. De esta forma podremos controlar el equipo teniendo límites de seguridad gracias a los sensores de temperatura y a la boya.


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4.1 CONVERSOR CORRIENTE-TENSION

4.1.1 OPCIONES EVALUADAS

Vamos a estudiar 3 opciones:

Diseño basado en amplificadores Conversión con resistencias Circuito integrado comercial

DISEÑO BASADO EN AMPLIFICADORES

El empleo de este tipo de circuitos permite obtener señales de salida comprendidas entre los márgenes 0-10V.

Figura 4-1 Diseño basado en amplificadores

Mediante este circuito se convierte la entrada del primer amplificador UA741, en la cual tenemos una señal de 4-20mA, a una salida de 0-5Voltios.

Los dos amplificadores LM741 se encargaran del acondicionado de señal para convertir corriente en tensión.

El potenciómetro para ajuste de Offset nos definirá el 0 para que cuando tengamos 4mA sean 0 voltios a la salida. El potenciómetro que se encarga del Span lo que hará será cuadrar la salida entre 0 y 5v.


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Para realizarlos necesitamos emplear varias resistencias así como amplificadores operacionales. En este caso se consigue una tensión de salida adecuada, pero por el contrario la precisión en el dispositivo es difícil de conseguir. La dificultad se debe a que los componentes empleados presentan tolerancias elevadas, que sumadas pueden producir derivas importantes.

Además esta solución presenta un número elevado de componentes para cada unidad de conversión, lo que supone un aumento de los costes, tamaño del dispositivo, dificultad de montaje y mayor probabilidad de fallo. No obstante, esta solución puede ser interesante desde un punto de vista educativo. No siendo este el objetivo del proyecto, se descarta esta solución.

Otra posibilidad de crear un conversor con amplificadores es la siguiente:

Los llamados amplificadores de transresistencia responden a la necesidad de construir fuentes de tensión constante independiente de la carga y controlados por corriente. Existen dos circuitos básicos: con la salida invertida y con la salida no invertida. - Salida Invertida

Figura 4-2 Amplificador de transresistencia 1

1; 1 1 ;

1

∙ 1 → ∙ 1 → ∙

Siendo K la constante de traducción -R1. - Salida no invertida


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Figura 4-3 Amplificador de transresistencia 2

0; 1; 1 1 ;

1

Por la masa virtual tenemos:

1 → ∙ 1

Siendo K = R1

CONVERSIÓN CON RESISTENCIAS

Esta es la solución más sencilla de todas las estudiadas. Se basa únicamente

en hacer pasar la corriente proporcionada por el circuito acondicionador de señal a través de una resistencia de 100Ω y de este modo obtendríamos valores de tensión comprendidos entre 0.4V-2V.

La expresión de la corriente en este caso será la siguiente:

V 100 ∙ I

El punto fuerte de esta opción es la sencillez en el montaje y la reducción de materiales, lo que nos permite obtener un sistema más robusto (menor cantidad de materiales implica una menor probabilidad de fallo). Por el contrario la falta de precisión y la reducción de la sensibilidad en la toma de medidas son sus puntos débiles.

En nuestro caso se ha desechado esta opción por la escasa precisión que ofrece, ya que deseamos obtener un margen de tensión comprendido entre 0-5V ó 0-10V.


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CIRCUITO INTEGRADO COMERCIAL

En este caso hay en el mercado un componente que reúne las características

deseadas, se trata el RCV420.

Figura 4-4 RCV420

Dicho componente se encarga de convertir una señal de entrada de 4-20mA en

tensión de 0-5v, teniendo una gran precisión. Tiene un elevado coste en comparación con los otros métodos estudiados pero su

alta linealidad hace de un componente muy atractivo, ya que se busca que la conversión sea altamente lineal con escaso margen de ruido.


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4.1.2 OPCION ESCOGIDA

Debido a la poca eficiencia de los circuitos creados por transistores o amplificadores, y en un afán por eliminar componentes y hacer más sencillos los procesos se optó por emplear un circuito integrado comercial diseñado de forma específica para este tipo de conversión de señales. Por esto se ha decidido utilizar el RCV420.

Los beneficios principales que presentan estos dispositivos y que los configuran como mejor solución son:

Mayor precisión que los diseños propios Mayor facilidad de diseño Mayor facilidad de montaje Mayor facilidad en el mantenimiento

En concreto se ha empleado el circuito integrado RCV240 de Texas Instruments. Este circuito nos permite transformar de forma sencilla una señal de 4-20mA en una tensión de 0-5V. Las principales características de este elemento son:

Encapsulado DIP 16

Error máximo FSR ±0.1

Desviación 50µV/ºC

No linealidad máxima FSR ±0.002

Rango de temperaturas de funcionamiento desde -25ºC hasta +85ºC

Figura 4-5 Circuito RCV420

Seleccionado el integrado a emplear debemos de estudiar las posibilidades que presenta, para poder seleccionar su configuración y realizar el diseño del circuito que debe rodear al mismo para su interconexión con la planta.

El dispositivo escogido presenta varias configuraciones, que parten de la solución convencional en la que únicamente se realiza la conversión de tensión en corriente, a configuraciones más complejas en las que podemos realizar el ajuste


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Este módulo contiene lo necesario para convertir una entrada de 4-20mA en una salida de 0-5Voltios. Para conseguir una mayor linealidad se necesitara añadirle unos componentes que hagan que la recta de salida nos de lo deseado.

Circuito adoptado para el proceso

Figura 4-6 Circuito conversor corriente tensión

Debido a que la salida la entrega en rango de 0v a 5v necesitamos un circuito amplificador de ganancia 2 que amplifique la tensión de 0v a 10v. Para ello contamos con una etapa de amplificación.

Figura 4-7 Amplificador ganancia 2


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Como queremos amplificar de 0-5v a 0-10v, lo que necesitamos es un amplificador de ganancia 2, es decir que las resistencias R1 y R2 serán:

1 2

1

Vo/Vi será igual a 2.

2 1 21

1 21

2 1

Por lo tanto al ser las dos resistencias iguales:

1 1Ω2 1Ω


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4.2 CONVERSOR TENSION-CORRIENTE


El conversor tensión-corriente debe permitirnos transformar las tensiones generadas por la tarjeta de adquisición de datos en una corriente que para cerrar un lazo de corriente con el controlador de la servoválvula. Estudiado el problema debemos de analizar posibles soluciones que nos permitan realizar esta tarea, para posteriormente obtener la que mejor se adapte a nuestras necesidades. En nuestro caso se van a estudiar tres posibles diseños:

Diseño con transistores Diseño con operacionales Circuito integrado comercial

DISEÑO CON TRANSISTORES

El empleo de esta opción soluciona la limitación de corriente, pero produce

otra serie de problemas:

Mayor número de componentes

Mayor dificultad de diseño

Mayor dificultad de montaje y calibración

Con este tipo de montajes podemos obtener una fuente de corriente variable con

precisión elevada, pero desarrollar esta fuente supone un esfuerzo de diseño elevado.

Debemos destacar que para obtener una precisión adecuada el circuito incrementa su complejidad de forma notable, aumentando el número de componentes necesarios y con ellos los costes del montaje final.

Debido a los problemas anteriores se ha decidido desechar esta opción para realizar el montaje con opciones más sencillas.

DISEÑO CON OPERACIONALES

Como en los casos anteriores la primera opción estudiada fue realizar un circuito electrónico formado por amplificadores operacionales y resistencias que nos permitiese transformar la tensión generada por la tarjeta en corriente.

Para implementar este circuito se pensó en la estructura de conversor tensión corriente más simple, que se muestra en la siguiente figura. Presenta limitaciones, que son determinadas por el operacional empleado para el desarrollo del dispositivo. En


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nuestro caso se ha desechado este montaje puesto que las corrientes proporcionadas por los operacionales son inferiores a las deseadas, impidiendo que el montaje funcione de forma correcta.

Figura 4-8 Diseño con operacionales

Otra posibilidad de crear un conversor con amplificadores es la siguiente:

También llamados amplificadores de transresistencia. Estos circuitos se basan en que la corriente de salida tiene que ser función de la tensión de entrada pero independiente de la resistencia de carga. Existen dos circuitos básicos, uno con masa flotante y el otro con masa normal.

Circuito con masa flotante.

Figura 4-9 Circuito con masa flotante

RL es la resistencia de carga.

1 2

1 1

1 → 1

1 → ∙

Siendo K la constante de traducción. RL no podrá tomar cualquier valor y estará limitada por la tensión de saturación (Vcc).


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Si:

∙ →

Por consiguiente Rl podrá tomar valores:

0Ω Ω

Circuito con masa normal.

Figura 4-10 Circuito con masa normal

Se verifica:

3 4 1 21 2 1 2

2 3 3

4 4

Si:

3 4 → 3

4 #1$


39


Si:

1 2 → 1

2 → 21

∙ 21 ∙ 2

1 → ∙ 21 ∙ 2

1

∙ 21 ∙ 2

1

Retomando la fórmula [1] y sustituyendo:

∙ 21 ∙ 2

13

4 → ∙ 21 ∙ 3

∙ 21 ∙ 3

4

21 ∙ 3

14

∙ 21 ∙ 3 → 2

1 ∙ 3 14 0

Si hacemos que R1=R2

13

14 0

Si hacemos que R3=R4

14 → 4 ∙

El valor máximo para RL será: Si VR3+VRL > -Vcc no funciona.

3 % → ∙ 3 4 %

∙ 3 ∙ 34 %

∙ 3 ∙ 3 ∙ 4 %

∙ 3 ∙ 4 3 ∙ %

% 3 ∙ 3 ∙

4→ 3 4 → % 3 ∙


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% 3 ∙ 2 ∙

Es decir RL tomará valores:

&'(0Ω 3 ∙ 2 ∙ Ω

CIRCUITO INTEGRADO COMERCIALMENTE

Por último se optó por emplear un circuito integrado comercial diseñado de forma específica para la implementación de lazos de corriente. Puesto que este tipo de montajes en lazo de corriente son muy frecuentes, existen en el mercado multitud de circuitos integrados que nos permiten realizar toda la tarea de conversión de señales de forma directa como son el XTR110 o el AD694.

Figura 4-11 AD694

De todos los componentes se ha decidido utilizar el AD694 como circuito integrado para este estudio ya que su versatilidad de adoptar tensiones de entrada para transformarlas en corrientes a la salida le da mucho juego.

Figura 4-12 Tabla posibles entradas salidas AD694


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Se ha decidido la utilización del AD694 por su comodidad a la hora de convertir la tensión en corriente y por la unificación de los dispositivos conversores.

Los beneficios principales que presentan estos dispositivos son:

Mayor precisión en la generación de corriente Mayor facilidad de calibrado Mayor facilidad de diseño Mayor facilidad de montaje Mayor facilidad en el mantenimiento

Figura 4-13 Circuito para ajuste AD694

El gran número de ventajas nos ha llevado a escoger esta opción. En concreto se ha empleado el circuito integrado AD694 de Analog Devices. Este circuito nos permite transformar de forma sencilla una señal de 0-10V en una corriente de 4-20mA. Las principales características de este elemento son:

Encapsulado DIP 16 Error máximo FSR ±0.3 Desviación 25µV/ºC No linealidad máxima FSR ±0.015 Rango de temperaturas de funcionamiento desde -40ºC hasta +85ºC

Seleccionado el integrado a emplear debemos de estudiar todas las posibilidades que ofrece, para poder realizar un diseño adecuado del sistema de conversión de señales.


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Este dispositivo permite trabajar con los siguientes formatos de señal:

Entrada 0-2V Salida 4-20mA Entrada 0-10V Salida 4-20mA Entrada 0-2.5V Salida 0-20mA Entrada 0-12.5V Salida 0-20mA

En nuestro caso vamos a trabajar con las señales de la segunda opción, es decir,

la entrada del dispositivo será una señal de tensión de 0-10V, obteniendo una salida en corriente de 4-20mA. Para trabajar en este modo debemos de configurar los pines del dispositivo de forma adecuada. En este caso debemos de conectar el Pin5 con el Pin9, el Pin 8 con el Pin7 y dejar el Pin 4 al aire. Conocido el modo de trabajo y la configuración inicial del dispositivo debemos de analizar las opciones que presenta el mismo para su implementación.

En la figura anterior podemos comprobar como únicamente necesitamos un condensador para desarrollar el montaje seleccionado. Este condensador realiza el filtrado de la tensión de alimentación del circuito, evitando errores debidos a ruidos en esta tensión.

Esta será la opción escogida debido a su facilidad de montaje y la fiabilidad de la salida obtenida.

Figura 4-14 Circuito conversor Tensión corriente

Tomando el transistor 2N2219A y la resistencia de 47Ω en colector hacemos un ajuste de 0, cuestión que nos interesa gravemente porque necesitamos que como mínimo cuando tengamos 0 voltios de a la salida 4.01mA para que no crea el proceso que es un cable roto, ya que si al proceso le llegan menos de 4mA detecta rotura de cable y no opera en condiciones.


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4.3 CONVERSOR TEMPERATURA-TENSION


El conversor temperatura-tensión debe permitirnos transformar las variaciones de temperatura en una variación de tensión interpretable por la tarjeta de adquisición de datos e intuitiva para poder leerla desde el panel frontal y un polímetro. En este caso debemos tener en cuenta que vamos a trabajar directamente sobre el sensor de la planta, no como en los casos anteriores en los que trabajábamos sobre los acondicionadores de señal. De este modo deberemos tener en cuenta que el circuito implementado puede interferir en las medidas realizadas por el sensor. Analizaremos posibles soluciones que nos permitan realizar esta tarea, para posteriormente obtener la que mejor se adapte a nuestras necesidades. Se van a estudiar tres posibles diseños:

NTC

PT100

LM35

A continuación se muestra el análisis realizado para cada una de las estructuras

descritas.

NTC El empleo de esta opción soluciona el que no hay que montar nada den las

maquetas, puesto que estas tienen NTC para medir la temperatura, pero producen un problema muy importante, la poca linealidad de dichos componentes.

Figura 4-15 NTC

Los termistores NTC son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura sea elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura. Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, etc.


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La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial (no

cumple la ley de Ohm). Dicha relación cumple con la fórmula siguiente:

R = A .eB/T

Donde A y B son constantes que dependen del resistor. La curva nos muestra esa variación:

.

Figura 4-16 Variación de la resistencia de una NTC con la temperatura

Los termistores NTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: sensor de temperatura, medidor de la velocidad de fluidos, estabilización de tensiones, etc.

Figura 4-17 Puente Wheastone


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La utilización de un puente de wheastone para linealizar las NTC no es suficiente para la captura de todos los datos ya que no es lineal totalmente. Incluso con una doble linealización. Debido a esto se rechaza la idea.

PT100

Para la realización de este circuito acondicionador se ha optado por el encapsulado XTR105, el cual convierte la resistencia de la PT100 según el rango de temperatura que se desee con el valor prefijado por en las resistencias de calibración en corriente de 4 a 20mA.

Figura 4-18 PT100

El rango de temperaturas será de 0ºC a 100ºC, tomando a la salida los 4mA para los 0ºC y los 20mA para los 100ºC.

Esta es la tabla de resistencia en ohmios de la pt100 a diferentes temperaturas.

Figura 4-19 Tabla valores resistencia/ temperatura


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A continuación se detalla el correcto conexionado del componente XTR105 y como se han de colocar las resistencias y condensadores de calibración de temperatura.

Figura 4-20 Circuito conversor XTR105

Las resistencias de calibración vienen dadas en esta tabla, la cual viene incluida en el datasheet del componente XTR105 y habiendo tomado las del círculo azul, todo será alimentado por una fuente de 24 voltios.

Figura 4-21 Grafica valores resistencias variables según temperatura


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El circuito resultante de la conversión resistencia-tensión por la PT100 es el siguiente:

Figura 4-22 Circuito para el XTR105

Con este montaje convertimos la resistencia de la PT100 en corriente de 4-20mA. Para poder estudiarla necesitamos convertirla a tensión de 0v a 10v. Para ello necesitamos conectar un conversor RCV420 y amplificar la señal con un circuito amplificador de ganancia 2 para así obtener a la salida un rango de tensiones de 0v a 10v.

En resumen, dicho componente es más lineal que una NTC pero el circuito acondicionador de señal tiene un coste elevado, sin contar el precio de las 5 PT100 que necesitan las maquetas. Por todo esto se desecha esta opción.

LM35

Para esta última opción de conversor Resistencia-Tensión se ha optado por el componente LM35 que convierte la temperatura en tensión de forma lineal.

Figura 4-23 LM35


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Las características de dicho componente son:

Calibrado directamente en º Celsius Lineal + 10.0 mV/°C factor de escala 0.3°C precisión garantizarle (at +25°C) Escala de temperaturas de −55° a +150°C Tensiones de alimentación de 4 a 30 voltios Menos de 60 µA corriente de drenado Baja impedancia de salida, 0.1 W para1 mA de carga

Este componente es perfecto puesto que nuestro rango de temperaturas oscilara entre los 0 y 100ºC y las especificaciones de dicho componente son óptimas al tener un rango de funcionamiento de -55ºC a 150ºC. De esta forma convertimos 0ºC en 0v y 100ºC en 1v, que posteriormente amplificaremos para una correcta visualización.

Figura 4-24 Grafica relación tensión/temperatura


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Debido a que el precio de este integrado es menor que el montaje necesario para la linealización de la PT100, y por otro lado es mucho más lineal que una NTC, se opta por la integración de dicho componente como sensor de temperatura.

Figura 4-25 Conexión LM35

La salida es directamente proporcional a la temperatura por la simple ecuación que nos presenta el datasheet. Si alimentamos a 15v y tomamos R entre la salida y -15v, la resistencia tendrá que ser 300KΩ. Al no disponer de tal resistencia, deben sumarse dos de 150 KΩ en serie.

50μ+ 15

50μ 300Ω

Como lo que queremos es que las tensiones de salidas nos den todas en el rango de 0v a 10v lo que tenemos que poner es a la salida un amplificador de ganancia 10 para conseguir que cuando tengamos 1v a la entrada, tengamos 10v a la salida, lo cual equivaldría a 100ºC. Dicho amplificador será el LM741 con alimentación de ±15v.

Figura 4-26 LM741


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Se requiere montar una realimentación negativa de ganancia finita, en nuestro caso ganancia 10. Para ello el montaje será el siguiente:

Figura 4-27 Amplificador ganancia 10

Dónde:

1 2

1 10

10 1 21

9 21

2 91

Fijamos R1 con un valor normalizado:

1 1Ω&'&2 9Ω

Como no existe la resistencia de 9kΩ, lo que se hace es poner en serie una de 2.2kΩ con una de 4.8kΩ.El circuito resultante es el siguiente.

Figura 4-28 Conexionado LM35


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4.4 CONTROL DIGITAL

Mediante el control digital se actúa en los relés de forma que nos habrá un circuito de alimentación para el proceso. Dicho control se efectuara mediante:

Conexión a PC (I/O Port) Interruptores frontales (ON/OFF)

Mediante la conexión a PC, efectuada por la tarjeta de adquisición de datos conectada en la parte trasera de la maqueta, introduciremos 5v para la conmutación del relé. Y desde el panel frontal con los interruptores podremos activar las salidas. Dicha elección entre el conexionado a PC o los interruptores se efectuara mediante un selector.

La alimentación de los interruptores será con una tensión de 5v que entrega el regulador de tensión L7805.

Figura 4-29 LM7805

Atacaremos al relé mediante la señal de 5V transmitida desde el selector y una resistencia R1 de 1kΩ. De este modo, cuando se presenten 5V el transistor se saturara, aportando 24V en los terminales de la bobina, lo que producirá la conexión del relé. En caso de que se ataque el transistor con 0V este se cortara impidiendo el paso de corriente y desconectando el relé. Para que el relé pueda conmutar de forma correcta se ha incorporado un diodo en paralelo con la bobina. De este modo cuando cortemos la corriente en los terminales de la bobina esta circulará a través del diodo, facilitando la descarga de esta.

De este modo solo hace falta saber desde donde queremos actuar sobre el relé, si desde el PC entregando 5 voltios mediante la tarjeta de adquisición de datos, o con los interruptores del panel frontal. Podemos observar el esquema de conexión del relé en la siguiente figura.


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Figura 4-30 Circuito de control digital

Conocido el esquema de diseño, debemos de analizar los relés que se van a incorporar al diseño. Para seleccionar adecuadamente los relés debemos de tener en cuenta las siguientes características:

Tensión de la bobina Corriente máxima

Figura 4-31 Zócalo del relé y relé utilizados


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CARACTERISTICAS DEL RELE

Número de contactos: 2 contacto conmutados Corriente nominal (A): 8A Tensión nominal/Tensión Max (V): 250V Carga nominal en AC1 (VA): 2000 VA Material de los contactos: AgNi Tensión de alimentación: 24V Versión de la bobina: DC Vida eléctrica a plena carga en AC1 (ciclos): 200.000 Temperatura ambiente (°C): -40+85 ºC Dimensiones (mm) 29x12.4x25 mm

La tensión en la bobina nos indica con que tensión debemos alimentar la bobina encargada de realizar la conmutación en el relé. En nuestro caso, como debemos de pilotar señales de 24V y de 220v, se ha optado por emplear una tensión de alimentación de bobina de 24V y que soporte 250v como máximo, evitando tener que realizar adaptación de tensiones y simplificando el diseño ya que con el mismo relé podemos pilotar las electroválvulas (24v de continua) como las bombas (220v de alterna).

Figura 4-32 Transistor 2N2219A Figura 4-33 Diodo 1N4007 utilizado

Si analizamos la corriente máxima, podemos deducir que para el control de las señales de 24V la corriente necesaria es muy pequeña, puesto que únicamente debemos pilotar otros relés situados en la planta. Por el contrario, para controlar las bombas situadas en la planta debemos de obtener valores de corriente elevados, que limitan el tamaño mínimo de los relés. En nuestro caso se ha estudiado que la corriente máxima en las bombas es inferior a 5A. Para seleccionar unos relés que sean capaces de pilotar esta corriente se ha optado por emplear relés capaces de controlar 8A, con lo que garantizamos un buen funcionamiento del dispositivo.


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5. SOFTWARE ELEGIDO

Para la creación de las tarjetas se ha decidido por utilizar un software novedoso y no muy aplicado en la escuela de ingenieros.

Figura 5-1 Logo Desing Spark

Se trata del software gratuito que suministra RS en su página web en el apartado de acceso rápido o en la página: http://www.designspark.com/

Se ha elegido este software por 4 razones fundamentalmente:

Software diferente. Sistema intuitivo de conversión esquemas en pcb. Visualización del diseño en 3D. Herramienta gratuita potente.

Es un punto diferente el utilizar un software no enseñado en la universidad, y la creación de esquemas y su posterior paso a PCB es realmente sencillo ya que solo hace falta seleccionar la unidad de medida y en cuantas caras se quiere la placa resultante. Una vez que está creando la placa, al igual que otro software también tienes la opción de AutoRoute, lo cual hace que realizar el diseño final sea extremadamente fácil.

Por otro lado está el diseño en 3D que una vez que das por finalizada tu placa puedes ver el resultado de la misma una vez soldados los componentes y vías, eso sí, los componentes no tienen por qué ajustarse exactamente a la forma o color de los que utilizas ya que la base de datos del programa tiene unos prefijados. Además se puede cambiar el color de la placa así como de las pistas para hacer que las placas sean lo más fieles a la realidad.

Se ha empleado este software puesto que nos permite en un único paquete de desarrollo realizar todo el proceso de diseño, partiendo del esquema electrónico y hasta la final implementación en una placa de circuito impreso incluso de un modelo en 3D.


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6. ESQUEMA ELECTRONICO

Realizados los diseños de los diferentes elementos que componen los circuitos encargados de realizar las conversiones de señales, debemos de diseñar el esquema electrónico final que contenga todos los elementos necesarios separados en placas. Este esquema electrónico será desarrollado mediante la aplicación DesingSpark-PCB desarrollado por RS.

El primer paso es pensar como deseamos desarrollar el montaje final del dispositivo. Disponemos de dos opciones que marcarán el diseño a realizar:

Diseño unificado de todos los conversores Diseño modular

El diseño unificado implica un único esquema electrónico que contendrá todos los elementos del conversor de señales. Por el contrario, el diseño modular permite realizar el diseño en varias tarjetas que serán interconectadas transmitiendo las señales por separado. La primera opción presenta como ventaja la reducción de conectores, puesto que en este caso únicamente debemos de aplicar un bornero para la conexión de las señales duplicadas. Por el contrario, esta estructura presenta varios inconvenientes, de los que podemos destacar los siguientes:

Mayor tamaño del circuito impreso obtenido Mayor complejidad en el proceso de ruteo Fallos producen la caída total del sistema Imposibilidad de crear una única tarjeta

Al ser imposible crear una única tarjeta para unir todos los circuitos, debido a que el tamaño sería tan grande que no se pudiera crear la placa, habría que realizar al menos 2 lo cual ya nos marca el camino para dividir el diseño en placas individuales.

Paralelamente si realizamos el diseño de forma modular podemos encontrar los siguientes problemas:

Duplicidad de componentes Dificultad de montaje

Y entre las ventajas que ofrece esta segunda opción modular:

Reducción del tamaño del dispositivo final Limitar el efecto de los fallos Facilitar el proceso de ruteo Facilidad de sustitución de elementos dañados Sustitución de placa dañada sin afectar al funcionamiento de las demás.


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Estudiadas las dos opciones se ha decidido realizar el diseño en formato modular. En concreto se ha optado por diseñar el dispositivo mediante seis tarjetas que serán denominadas:

Tarjeta de control de circuito calefactor Tarjeta de control de circuito depósitos Tarjeta de control de circuito producto Tarjeta de control de temperatura-nivel Tarjeta de control digital Tarjeta controladora del Calefactor – Refrigerador Tarjeta expansora de señales Tarjeta de control de potencia

Las tarjetas de control de circuitos serán las encargadas de realizar las tareas de conversión de las señales analógicas del proceso, es decir, en ella encontraremos los conversores diseñados anteriormente (corriente-tensión y tensión-corriente). La tarjeta de control de temperatura tendrá los conversores temperatura-tensión además de un conversor corriente-tensión para el sensor de nivel. Esta tarjeta será también la encargada de la boya de seguridad. La estructura de la tarjeta de control digital englobara los relés encargados de las servoválvulas y de las bombas (tres de 24V D.C. y dos de 220V A.C.). La tarjeta encargada del calefactor y del refrigerador contendrá un conversor tensión-corriente para el refrigerador, y un creador de PWM para atacar al calefactor. Por último la tarjeta expansora de señales se encarga de realizar la conexión con los conectores del panel posterior, los cuales enviaran las señales al proceso y también reciben las señales de dichos procesos.

A partir de ahora se diferenciara entre tarjetas, las cuales engloban componentes necesarios para adaptar las señales, y por tanto son fundamentales para el proceso, a excepción de la tarjeta expansora que divide las señales, y placas, que simplemente serán encargadas de conectar la tarjeta expansora con los conectores del panel posterior.


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6.1 TARJETAS CONTROL CIRCUITOS

Para el control de las servoválvulas y de los caudalímetros, se ha diseñado una tarjeta que convierta los parámetros de entrada en valores entendibles por dichos equipos. Por lo tanto como hay 2 servoválvulas y una bomba que opera con corriente, las tarjetas tendrán similares montajes. Las tarjetas circuito calefactor y circuito producto envían la señal de control a las servoválvulas 1 y 2 y reciben las corrientes provenientes de los módulos 38-421 que convierte la señal en forma de pulsos proveniente de los caudalímetros a corriente en rangos de 4-20mA.

La uniformidad de tarjetas hará que si en un futuro alguna de ellas tiene que ser reparada, pueda sustituirse por otra igual y por tanto la implementación de dicha tarjeta tendrá que ser por 3.

Figura 6-1 Servoválvula

Para el pilotaje de dichas tarjetas se podrá optar por 3 formas de entrada de tensión, las cuales se seleccionaran mediante un selector de 3 posiciones:

I/O Port-Entrada desde PC Manual- Entrada mediante potenciómetro (10 vueltas con rango total de 0-10v) Input-Entrada mediante bornes (0-10v)

Dichas tarjetas son encargadas de convertir la tensión suministrada mediante el componente AD694 a corriente de 4mA a 20mA. Esta corriente será trasladada a la tarjeta de expansora la cual se encargara del conexionado de los conectores posteriores.

La señal procedente de los módulos 38-421, mediante la tarjeta expansora de señales, es enviada a un conversor RCV420 que la convertirá a tensión en un rango de 0-5 voltios y posteriormente mediante un amplificador de ganancia 2.


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Dicha señal podrá ser estudiada mediante:

Salida a PC Salida bornas

Esta señal será en forma de tensión y nos indicara el grado en el que está operando el caudalímetros, es decir, que 0v es a un 0% y 10v será un 100%.

Figura 6-2 Caudalímetro utilizado

La forma de enviar las señales a los procesos será utilizando un bus de datos en el cual conectaremos las señales que atacan a dicho proceso, las que reciben del mismo y las que se envían y reciben a la tarjeta de adquisición de datos.

Las servoválvulas y la bomba accionada por corriente se dividen en 3 sectores diferentes.

Circuito de calefactor (Servoválvula 1 y Caudalímetro 1) Circuito de depósitos (Servoválvula 2 y Caudalímetro 2) Circuito de producto (Bomba por corriente y Caudalímetro 3)

Mediante el selector de 3 posiciones (I/O Port, Manual, Input) se podrá hacer llegar la señal del exterior a la tarjeta. De esta forma la señal de entrada será la que marques con el selector.

SELECTOR

Figura 6-3 Selector utilizado en todos los procesos


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Características del selector:

Diámetro del actuador 6.35mm Duración >10.000 operaciones Numero de polos 4 Numero de posiciones 3 Profundidad detrás del panel 21.1mm Rango de temperaturas -30ºC a 85ºC Resistencia del contacto <20mΩ

Dichos selectores son de 4 posiciones con 3vias. Esto quiere decir que tenemos 4 salidas diferentes en las cuales se pueden elegir 3 entradas para cada una.

Figura 6-4 Conexiones del selector

Salida A-------------Entradas 1,2,3 Salida B-------------Entradas 4,5,6 Salida C-------------Entradas 7,8,9 Salida D-------------Entradas 10,11,12

ENTRADA MEDIANTE PC Si con el selector utilizas la señal I/O Port, mediante una tarjeta de adquisición

de datos, la señal de entrada de 0 a 10v será controlada por PC.

De esta forma junto con el programa simulink, se selecciona la entrada al igual que se haría desde el exterior con una fuente de alimentación externa.

ENTRADA MEDIANTE POTENCIÓMETRO Mediante la utilización del potenciómetro, los 10v se están introduciendo gracias

a un sistema de conversión resistencia-tensión interno mediante el cual se consigue que girando el potenciómetro en el cristal aparecen los voltios, y según lo que marque el dial


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las decenas de voltio. De esta forma cuando marque 5 vueltas y 30º, estas alimentando a la tarjeta a 5,3v.

El conversor Resistencia-Tensión se ejecuta mediante el propio potenciómetro y una entrada de 10v creada por el regulador de tensión L7810.

Figura 6-5 LM7810

El potenciómetro utilizado es un potenciómetro multivuelta de 10 vueltas, que se acoplara en un dial que muestra las vueltas y grados de 0 a 100. De esta forma será más intuitiva la entrada de tensiones y se podrá afinar mejor en la elección de tensiones de entrada.

Figura 6-6 Potenciómetro multivuelta y Dial

Se utiliza el potenciómetro como regulador de tensión de forma que mediante el giro del mismo entreguemos a la salida más o menos tensión, en nuestro caso de 0v a 10v.

Figura 6-7 Patillas del potenciómetro utilizado

Para realizar esto la patilla 3 irá a alimentación positiva, 10 voltios, la patilla 1 a masa y la patilla 2 la utilizaremos como salida. Al utilizarlo de esta forma lo que se crea


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es un divisor de tensión, haciendo que entre las patillas 1 y 2 tengamos una resistencia A y entre las patillas 2 y 3 tengamos la Resistencia del potenciómetro menos la resistencia A. Al efectuar el giro del potenciómetro lo que se consigue es que varíen las resistencias de cada lado y nos den diferentes tensiones a la salida.

Tomando un potenciómetro de 1KΩ y la Vin de 10v.

Figura 6-8 Funcionamiento interno del potenciómetro.

-' & ∙ ./ .

Si el potenciómetro se encuentra en la mitad tenemos: / 500Ω .

-' 10 ∙ 500500 500 50

Si se encuentra con un reparto de 1/4 y 3/4: / 250Ω . 750Ω

-' 10 ∙ 750250 750 7.50

Y así sucesivamente, haciendo que el valor de R2 sea el que marque la tensión de salida de este divisor de tensión.

Lo importante es saber a qué patilla se le introduce 10v y a cual la masa, ya que si se pone de una forma obtendremos los voltios deseados y si se conecta de la forma contraria obtendremos 10v menos lo que se pretendía, haciendo una forma inversa de tensión.


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ENTRADA MEDIANTES BORNAS Y FUENTE DE ALIMENTACIÓN EXTERNA La utilización de este método para la regulación de tensión necesita un sistema

de seguridad debido a que se debe poner un el elementoque impida la entrada de tensiones mayores a 10v.

Existen dos posibles elementos a colocar como medida de seguridad, el diodo Zener o un varistor. Como la fuente de tensión aplicable en este caso será de 15v como máximo se ha decidido utilizar como elemento de seguridad un Zener ya que soportara bien las tensiones y es de coste reducido.

Figura 6-9 Zener regulador de la entrada.

Dicho diodo Zener tendrá las siguientes características:

Impedancia máxima 2Ω Rango de voltaje -3.3v 200v Temperatura máxima de funcionamiento 200ºC Corriente de fuga inversa máxima 5µA

Lo que se pretende es que de 0v a 10v de alimentación, entreguemos 10v, pero para alimentaciones superiores a 10v solo entregue 10v. De esta manera se consigue que aunque haya un error por parte de quien este manejando la maqueta, no pueda provocar averías en la placa por sobretensiones.

Figura 6-10 Grafica regulación del Zener de entrada


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El montaje será el siguiente:

Figura 6-11 Circuito regulador del Zener

Colocando una Resistencia de 47Ω evitaremos que a tensiones mayores a 10v entregue dicho valor al resto del circuito. Ahora bien, existe el problema de la sobretensión ya que dicho diodo no es efectivo a cualquier tensión y tras varios experimentos se comprueba que a tensiones de 15v de entrada tarda más de 10minutos en quemar la resistencia. A una tensión de entrada de 20v tarda 30 segundos y a 30v de entrada, 10 segundos.

Debido a que las fuentes de alimentación externas serán únicamente con el rango de tensiones de 0v a 15v, no debe preocuparnos la destrucción de la resistencia. Si por un casual se alimentaria a más tensión y dicha resistencia se quemara, el circuito quedaría aislado.

Figura 6-12 Grafica tensión de entrada y tiempo que tarda en quemarse la resistencia

De esta grafica se denota que a partir de los 19v la destrucción de la resistencia se realizara en un escaso tiempo. Por ello siempre tenemos que estar atentos a la entrada de tensión, y que nunca supere los 10v.

Esquema de conectores Como se ha hecho en todas las tarjetas, los conectores se dividen en 3 categorías,

alimentación, las conexiones que van al panel frontal y a los actuadores frontales y las


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conexiones que van a la tarjeta expansora que posteriormente alimentara partes de los módulos Procon y enviara y recibirá las señales de los mismos.

Alimentación Conexiones a panel frontal Conexiones a tarjeta expansora

Para evitar que cada placa tenga conectores diferentes, se ha elegido la utilización de 3 conectores diferentes, de 2 y 5 pines para alimentaciones, de 8 pines y de 20 pines. Estos últimos son para señales y como hay casos en que con menos de 8 pines se puede solucionar y en otros se necesitan más, se ha elegido la utilización de dos conectores de diferente tamaño.

Tabla 6-1 Conexiones alimentación tarjeta control circuitos (Conector de 5)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Fuente de alimentación 24V Alimentación positiva de 24v 2 Fuente de alimentación 15V Alimentación positiva de 15v 3 Fuente de alimentación -15V Alimentación negativa de 15v 4 Fuente de alimentación Masa Masa de referencia

Se necesitan 11 conexiones para utilizar las señales de entrada de forma que la placa pueda fácilmente entenderlas. Por esto se necesitara un conector de 20, ya que es por el que se ha optado como medida de unificar conectores.

Figura 6-13 Conector 20 pines

Tabla 6-2 Conexiones bus control tarjeta control circuitos (Conector de 20)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Patilla 1 Selector I/O Port Selección de entrada desde PC 2 Patilla 2 Selector Input Selección de entrada desde Fuente

alimentación externa 3 Patilla 3 Selector Manual Selección de entrada desde

Potenciómetro 4 Patilla A Selector Salida Salida del selector 5 Borna entrada + de fuente

alimentación externa Borna + Entrada

Entrada positiva de la fuente de alimentación externa

6 Borna entrada - de fuente alimentación externa

Borna - Entrada

Masa de la fuente de alimentación externa


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7 Borna salida + a panel Borna + Salida

Salida positiva a bornas del panel frontal de la consola.

8 Borna salida - a panel Borna - Salida

Salida a masa de las bornas del panel frontal.

9 Patilla 1 del Potenciómetro Pot. Pat1 Patilla 1 del potenciómetro. 10 Patilla 2 del Potenciómetro Pot. Pat2 Patilla 2 del potenciómetro. 11 Patilla 3 del Potenciómetro Pot. Pat3 Patilla interna del potenciómetro. Tabla 6-3 Conexiones bus datos tarjeta control circuitos (Conector de 8)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Señal procedente del AD694 a

proceso Entrada + Señal de 4mA a 20mA que

actúa en las SV. 2 Masa Entrada - Masa 3 Señal procedente del caudalímetros. Salida + Señal de 4mA a 20mA

procedente del caudalímetros. 4 Masa Salida - Masa 5 Señal de control desde el PC en

forma de tensión Entrada + PC

Señal procedente del PC para controlar las SV.

6 Masa Entrada - PC

Masa

7 Señal procedente del RCV420 a panel frontal por Borna + Salida y a PC.

Salida + PC

Señal de salida en forma de tensión de los caudalímetros.

8 Masa Salida - PC

Masa

Esquema electrónico de la placa

Figura 6-14 Esquema de las tarjetas control circuitos


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Diseño de PCB en 3D

Figura 6-15 Tarjeta control circuitos en 3D

Diseño en PCB

Figura 6-16 PCB tarjeta control circuitos

Diseño Final Una vez montados todos los componentes y soldadas las vías, el diseño final es el siguiente.

Figura 6-17 Tarjeta Control tarjeta control circuitos


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6.2 TARJETA CONTROL DE TEMPERATURA Y NIVEL

Esta tarjeta será encargada de la medición de temperatura en los diferentes puntos estratégicos de las maquetas así como del nivel de agua en el tanque superior. Aunque son dos cosas totalmente diferentes, ambas son mediciones de la maqueta, por lo cual se ha decidido implementarlas en una misma tarjeta.

En primer lugar tenemos la parte encargada de medición de temperatura. Mediante los componentes LM35, debidamente situados en puntos de las maquetas, entregan la tensión escalable a temperatura, y mediante una etapa de amplificación de ganancia 10 obtendremos tanto en las bornas de salida como en la tarjeta de adquisición de datos, las tensiones ya más lineales que representan la temperatura.

Voltios Salida(v) Temperatura(ºC)

0 0

1 10

2 20

3 30

4 40

5 50

6 60

7 70

8 80

9 90

10 100

El circuito resultante para los sensores de temperatura es el siguiente, visto con anterioridad:

Figura 6-18 Esquema conexionado LM35


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Figura 6-19 Fotografía maqueta 38-100 con detector de nivel y boya de seguridad

Por otro lado está la medición de nivel, la cual la realizaremos apoyándonos en el módulo 38-401, nos entrega corriente en el rango de 4 a 20 mA para un 0% y un 100% del nivel respectivamente. Dicha señal será conectada a la maqueta por el conector del panel posterior, y mediante la tarjeta expansora enviara la señal a la tarjeta controladora de temperatura y nivel que se encargara de convertirla, mediante un RCV420, a 0-5v. Como ya se ha mencionado, todas las tensiones que vamos a manejar serán en el rango de 0 a 10 voltios, por lo cual debemos amplificarla con un operacional de ganancia 2. Esta salida ya implementada, será enviada al PC y a unas bornas en el panel frontal para poder medir el nivel. Dicho modulo es el 38-401.

Figura 6-20 Circuito detector de nivel


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A parte de la temperatura y del nivel, esta tarjeta es encargada de mostrar la posición de la boya. Para ello se encenderá el led rojo del panel frontal si dicha boya ha alcanzado la posición máxima, así como que enviara 5v al PC mediante la tarjeta de adquisición de datos.

Dicha señal es muy importante a la hora de manejar las plantas PROCON, ya que una vez que la boya ha alcanzado el nivel máximo es imprescindible que se vacíe el tanque superior para evitar desbordamientos y fallos eléctricos producidos en el equipo por el fluido.

Esquema de conectores Como se ha hecho en todas las tarjetas, los conectores se dividen en 3 categorías,

alimentación, las conexiones que van al panel frontal y a los actuadores frontales y las conexiones que van a la tarjeta expansora que posteriormente alimentara partes de los módulos Procon y enviara y recibirá las señales de los mismos.

Alimentación Conexiones a panel frontal Conexiones a tarjeta expansora

Tabla 6-4 Conexiones alimentación tarjeta temperatura y nivel (Conector de 5)


Tabla 6-5 Conexiones bus control tarjeta temperatura y nivel (Conector de 8)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Salida LM741 de Temperatura

1 T1 Salida del sensor de temperatura 1 a

panel frontal 2 Salida LM741 de Temperatura








panel frontal 6 Masa Masa Masa 7 Salida del conversor corriente

tensión Nivel+ Salida en tensión del detector de nivel

8 Masa Nivel - Masa de nivel a panel frontal


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Tabla 6-6 Conexiones bus datos tarjeta temperatura y nivel (Conector de 20)

Nº Origen Nombre Descripción 1 LM35 de temperatura 1 Vout T1 Salida del sensor de temperatura 2 LM35 de temperatura 2 Vout T2 Salida del sensor de temperatura 3 LM35 de temperatura 3 Vout T3 Salida del sensor de temperatura 4 LM35 de temperatura 4 Vout T4 Salida del sensor de temperatura 5 LM35 de temperatura5 Vout T5 Salida del sensor de temperatura 6 Masa Masa Masa 7 Detector de nivel Nivel + Salida del detector de nivel 8 Boya Vout boya Cable de salida de la boya 9 Salida LM741 de Temperatura 1 T1 PC Salida de temperatura a PC 10 Salida LM741 de Temperatura 2 T2 PC Salida de temperatura a PC 11 Salida LM741 de Temperatura 3 T3 PC Salida de temperatura a PC 12 Salida LM741 de Temperatura 4 T4 PC Salida de temperatura a PC 13 Salida LM741 de Temperatura 5 T5 PC Salida de temperatura a PC 14 Masa Masa PC Masa 15 RCV420 Nivel + PC Salida de nivel a PC 16 Boya Boya PC Salida de boya a PC


Figura 6-21 Esquema electrónico tarjeta temperatura y nivel


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Figura 6-22 Tarjeta temperatura y nivel en 3D

Diseño de PCB

Figura 6-23 Diseño en PCB tarjeta temperatura y nivel

Diseño Final

Figura 6-24 Tarjeta temperatura y nivel


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6.3 TARJETA DE CONTROL DIGITAL

El controlador de señales digitales debe ser capaz de pilotar todas las entradas digitales que presenta la planta. Hay que recordar que las señales digitales a controlar son las siguientes.

3 Electroválvulas (24V) Bomba caudal primario (220V) Bomba caudal secundario (220V)

Figura 6-25 Electroválvula

Se debe tener en cuenta que estas señales presentan diferentes formatos. Por un lado disponemos de señales digitales de 24V en corriente continua y, por otro lado, señales digitales de 220V en corriente alterna. Debemos clasificar las salidas digitales del interfaz en función de sus niveles de tensión. En resumen, debemos disponer las siguientes variables de potencia:

3 Salidas 24V 2 Salidas 220V

Figura 6-26 Bomba


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El control de las señales se va a realizar mediante relés. Estos serán controlados por un circuito electrónico diseñado expresamente para este propósito. Los circuitos de excitación de los relés serán iguales para los relés encargados de pilotar las señales de 24V y las señales de 220V. Únicamente deberemos cambiar las tensiones de alimentación de los terminales de salida de los relés, es decir, que cuando se active el relé de la tensión oportuna, ya sean 24v para las electroválvulas, o 220 para las bombas. El circuito electrónico encargado de pilotar los relés deberá ser capaz de conmutar el relé a partir de una señal de 5V, que es la salida ofrecida o por la tarjeta de adquisición de datos o por los interruptores del panel frontal. Debido a la sencillez de diseño y los pocos problemas de montaje y funcionamiento que presentan este tipo de sistemas se ha optado por realizar un diseño propio que se adapte de forma adecuada a las necesidades del proyecto. El diseño consiste en un transistor bipolar que funcionara en modo corte–saturación. De este modo seremos capaces de excitar la bobina del relé mediante la tensión de alimentación de 24V.

La forma de actuar sobre las Electroválvulas y las Bombas es la siguiente:

Conexión a PC (I/O Port) Interruptores frontales (ON/OFF)

Figura 6-27 Interruptores utilizados

Como la alimentación de las electroválvulas es 24v y las bombas son 220v, se ha optado por utilizar dos selectores, uno para elegir la forma de actuación en las electroválvulas y otro para la forma de actuar en las bombas.

Primer selector (Electroválvulas)

SALIDA Nº Patilla SALIDA A 1 Interruptor EV1

2 PC EV1 B 4 Interruptor EV2

5 PC EV2 C 7 Interruptor EV3

8 PC EV3


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Segundo selector (Bombas)

SALIDA Nº Patilla SALIDA A 1 Interruptor Bomba1

2 PC Bomba1 B 4 Interruptor Bomba2

5 PC Bomba2

Mediante esta utilización de dos selectores lograremos la correcta alimentación de los relés encargados de activar o desactivar las electroválvulas y las bombas para el correcto movimiento del fluido.

Esquema de conectores

Como se ha descrito anteriormente, esta tarjeta generara las señales digitales encargadas del pilotado de los relés que controlan elementos de potencia instalados en la planta (bombas y electroválvulas). Como en el caso anterior debemos dotar a la planta de los puntos de conexión necesarios para las señales de control así como para las salidas de los diferentes relés. Podemos dividir las señales que intervienen en el funcionamiento del sistema en tres grupos:

Alimentación

Señales de control desde la tarjeta de adquisición

Salidas de relé hacia los elementos de potencia de la planta

Para la alimentación son necesarios dos conectores, uno el que se ha tomado por universal para todas las tarjetas, y otro el de 220 voltios de la red.

Tabla 6-7 Conexiones alimentación tarjeta control digital (Conector de 5)


Tabla 6-8 Conexiones alimentación 220v tarjeta control digital (Conector de 2)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Toma de corriente 220+ Alimentación positiva 220V 2 Toma de corriente 220- Alimentación negativa 200V


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Tabla 6-9 Conexiones alimentación 220v para bomba 1 tarjeta control digital (Conector de 2)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Salida Relé Bomba 1 220+ Alimentación positiva 220V 2 Toma de corriente 220- Alimentación negativa 200V

Tabla 6-10 Conexiones alimentación 220v para bomba 2 tarjeta control digital (Conector de 2)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Salida Relé Bomba 2 220+ Alimentación positiva 220V 2 Toma de corriente 220- Alimentación negativa 200V

Debido a que en esta tarjeta hay muchas conexiones a panel frontal, son necesarios dos conectores, uno de 20 conexiones y otro de 8.

Tabla 6-11 Conexiones bus control1 tarjeta control digital (Conector de 20)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Datos del PC para EV1 PC1 Control desde Pc de la EV1 2 Datos de Int1 para EV1 Int1 Control por interruptores de la EV1 3 Salida A del selector 1 Sal1 Salida a Relé del selector para EV1 4 Datos del PC para EV2 PC2 Control desde Pc de la EV2 5 Datos de Int2 para EV2 Int2 Control por interruptores de la EV2 6 Salida B del selector 1 Sal2 Salida a Relé del selector para EV2 7 Datos del PC para EV3 PC3 Control desde Pc de la EV3 8 Datos de Int3 para EV3 Int3 Control por interruptores de la EV3 9 Salida C del selector 1 Sal3 Salida a Relé del selector para EV3 10 Datos del PC para Bomba1 PC4 Control desde Pc de la Bomba1 11 Datos de Int3 para Bomba1 Int4 Control por interruptores de la Bomba1 12 Salida A del selector 2 Sal4 Salida a Relé del selector para Bomba1 13 Datos del PC para Bomba2 PC5 Control desde Pc de la Bomba2 14 Datos de Int3 para Bomba2 Int5 Control por interruptores de la Bomba2 15 Salida B del selector 2 Sal5 Salida a Relé del selector para Bomba2 16 Patilla 1 del Int 1 Int 1+ Al cerrar el Int1, unimos Int1+ y Int1-

17 Patilla 2 del Int 1 Int 1- 18 Patilla 1 del Int 2 Int 2+ Al cerrar el Int2, unimos Int2+ y Int2- 19 Patilla 2 del Int 2 Int 2- 20 Patilla 1 del Int 3 Int 3+ Al cerrar el Int3, unimos Int3+ y Int3-

Tabla 6-12 Conexiones bus control2 tarjeta control digital (Conector de 8)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Patilla 2 del Int 3 Int 3- Al cerrar el Int3, unimos Int3+ y Int3- 2 Patilla 1 del Int 4 Int 4+ Al cerrar el Int4, unimos Int4+ y Int4- 3 Patilla 2 del Int 4 Int 4- 4 Patilla 1 del Int 5 Int 5+ Al cerrar el Int5, unimos Int5+ y Int5- 5 Patilla 2 del Int 5 Int 5-


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Las conexiones a la tarjeta expansora serán 10 por lo cual se necesita un conector de 20 pines.

Tabla 6-13 Conexiones bus datos tarjeta control digital (Conector de 20)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Tarjeta A.D.D. de PC Control EV1 Control EV1 desde PC 2 Tarjeta A.D.D. de PC Control EV2 Control EV2 desde PC 3 Tarjeta A.D.D. de PC Control EV2 Control EV3 desde PC 4 Tarjeta A.D.D. de PC Control Bomba1 Control Bomba 1 desde PC 5 Tarjeta A.D.D. de PC Control Bomba2 Control Bomba 2 desde PC 6 Masa Masa Masa 7 Salida EV1 Sal-EV1 Salida a Jack de EV1 8 Salida EV2 Sal-EV2 Salida a Jack de EV2 9 Salida EV3 Sal-EV3 Salida a Jack de EV3 10 Salida del LM7805 5v Salida de 5v para la boya


Figura 6-28 Esquema Tarjeta control digital


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Figura 6-29 Tarjeta control digital en 3D

Diseño de PCB

Figura 6-30 Diseño en PCB Tarjeta control digital

Diseño Final

Figura 6-31 Tarjeta control digital


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6.4 TARJETA CALEFACTOR - REFRIGERADOR

Esta tarjeta es la encargada del control del calefactor y del refrigerador. Para ambos procesos se puede elegir la entrada de datos de control mediante un selector, y dichos datos de entrada son:

I/O Port (Operación desde PC) Manual (Operación por el potenciómetro) Input (Operación mediante fuente de alimentación externa)

Mediante el selector estudiado con anterioridad, se selecciona entre la toma de datos por PC, fuente de alimentacion externa o un potenciometro multivuelta. Esta selección se realiza conjuntamente para el calefactor y para el refrigerador.

SALIDA Nº Patilla SALIDA A 1 PC Calefactor

2 Bornas Calefactor 3 Potenciómetro Calefactor

B 4 PC Refrigerador 5 Bornas Refrigerador 6 Potenciómetro

Refrigerador

De esta forma con un único selector se elige la toma de datos de entrada de ambos procesos. Debido a que dichos procesos son muy diferentes, se procede a estudiarlos por separado.

6.4.1 CALEFACTOR

El calefactor utilizado es el que se encuentra en la maqueta 38-100 y tiene una potencia de 1000W.

La alimentación es mediante la tensión de red y para poder controlar la temperatura máxima se le colocara un termostato que evitara que se caliente por encima de los 70ºC en el exterior, de esta forma evitaremos daños a quien maneje la maqueta si por accidente tocara la carcasa azul.


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Figura 6-32 Calefactor a controlar

Para la creación del circuito encargado del control del calefactor serán necesarias 3 partes muy diferenciadas:

Circuito de control PWM (Conversor tensión en señal PWM) Circuito encargado del termostato (Evitar sobrecalentamiento)

6.4.1.1 CIRCUITO CONTROL PWM

Es necesario controlar la potencia, para ello se necesitara realizar un proceso de control que permita manejar el sistema a tiempo real y de la manera más eficaz y lineal.

OBJETIVO Como el objetivo es controlar la potencia dependiendo de la señal de control que

se mande, se realizara un control PWM que modifique la potencia suministrada a la resistencia. Lo que se va a realizar es limitar el tiempo que está expuesta la resistencia a la tensión de la red.

Para controlar la resistencia se necesita realizar un circuito que compare una señal de control con una señal fija con el fin de aportar al circuito una potencia equivalente a dicha señal. Para ello se diseñara una señal triangular o similar de 0 a 10 voltios con el fin de compararla con la acción de control para obtener la señal PWM.

POSIBLES ALTERNATIVAS Es necesario realizar una señal con frecuencia variable que permita comparar la

señal de control enviada por el usuario. Se han encontrado una serie de tipologías de diseño que realizaran dicha función.

Una de ellas se trata de una práctica realizada en clase de Electrónica Analógica en la cual se genera una onda triangular entre 10 y -10 voltios. En Internet se encontró


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un diseño diferente en que se utiliza una señal tipo diente de sierra que oscila entre 4 y 8 voltios.

Como lo que se quiere es comparar con una señal de 0 a 10 voltios será necesario en ambos casos realizar diferentes etapas de amplificación con el fin de ajustar ambas señales entre 0 y 10 y conseguir un control PWM exacto.

SEÑAL TRIANGULAR Mediante un circuito sencillo basado en dos operacionales y en la descarga y

carga de un condensador a través de una resistencia se consigue una señal triangular con frecuencia ajustable mediante un potenciómetro y que tiene un rango de control entre 10 y -10 voltios.

Figura 6-33 Señal Triangular

SEÑAL DIENTES DE SIERRA Mediante este diseño, un oscilador 555 generara a la salida una señal de dientes

de sierra de frecuencia fija entre unos valores comprendidos de 4 a 8 voltios.

Figura 6-34 Señal Dientes de Sierra


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OPCIÓN ELEGIDA Una vez hechas las pruebas con ambos diseños, se ha decantado por la primera

opción porque la capacidad de variar la frecuencia supone una ventaja sobre la otra. Elegir esta opción no supone incrementar el número de etapas de amplificación para conseguir la señal estipulada.

Una vez elegida la opción más adecuada para el proyecto hay que hacer una pequeña mención a las especificaciones de diseño de la tarjeta:

- Señal Triangular de 0 a 10 Es necesario realizar una señal triangular de 0 a 10 con el fin de comparar una

acción de control fijada por el usuario. Para poder trabajar con una amplia gama de frecuencias se diseñara para generar una señal que oscile entre 200 y 10000 Hz. La frecuencia será regulada por el potenciómetro de 100 K. Todo ello se realizara con dos etapas de amplificación además de la propia para general la señal triangular.

- Potencia máxima del 50% Este concepto se explicará más adelante, pero se necesita que la señal máxima,

correspondiente a una tensión de control del 100%, equivalga en la salida a aportar un 50% de la potencia del calefactor al sistema. Con otros dos operacionales la tarjeta será capaz de realizar esta función.

- Aislamiento de masas e inversión de pulsos Como en el caso anterior este concepto se explicara en el capítulo

correspondiente al circuito de potencia. Es necesario aislar ambas masas del circuito tanto la masa general de la maqueta como la señal de masa de la red eléctrica. Para ello se colocara un optoacoplador que se encargara de ese fin. Es necesario introducirle una señal PWM con valor máximo de 5 voltios y con valor mínimo de 0. Con la comparación de la señal triangular y de la señal de control y fijando el nivel alto del PWM se obtendrá dicha señal que atacara al optoacoplador.

Para que la potencia aportada al calefactor se corresponda con la acción de control es necesario que la señal PWM este invertida. Es decir, si se quiere aportar un 20% de la potencia a la planta, la señal que ataca al optoacoplador debe estar un 80 % a nivel alto. Todo esto es debido a la conmutación del transistor de salida y a la colocación de la puerta del dispositivo de potencia. En el capítulo correspondiente se explica este detalle.


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SEÑAL TRIANGULAR Mediante dos operacionales LM741 y junto una serie de resistencias y un

condensador se generara una señal triangular con frecuencia variable. El condensador y la resistencia junto con el potenciómetro del primer amplificador permitirán modificar la frecuencia y aumentar o disminuir el rango de la misma.

Figura 6-35 Generación de Señal Triangular

En la patilla 6 del primer operacional habrá una triangular de 10 a -10 voltios. Esta señal tiene que ser acondicionada para que la acción de control pueda ser comparada con una señal triangular de 0 a 10 voltios. Hay que realizar varias etapas de amplificación. Se realizara en dos pasos: primero una reducción de la misma mediante una amplificación de ganancia negativa y después se le sumara una señal de voltaje constante y mediante ambos potenciómetros se conseguirá ajustar la señal triangular de 0 a 10 voltios.

ETAPA 1 – GANANCIA NEGATIVA Para realizar esta etapa se necesita un potenciómetro y una resistencia fija junto

con un operacional.

Figura 6-36 Etapa 1 Amplificación


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Se espera que en la salida de este amplificador aparezca una señal triangular de 5 a -5 voltios. La ecuación que relaciona la ganancia de esta etapa es:

A V4V/ R.R/

Como la resistencia del potenciómetro es variable la señal se ajusta de manera más fácil a las especificaciones.

ETAPA 2 – SUMADOR Esta etapa requiere la utilización de 3 resistencias fijas del mismo valor y de un

potenciómetro de resistencia variable. El operacional seguirá siendo el LM741.

Figura 6-37 Etapa 2 Amplificación

El ajuste de esta señal debe dar una señal de 0 a 10 voltios, de tipo triangular. En conjunto con la etapa anterior tiene que dar dicha señal. Para ello se sumara la señal de la etapa anterior con 10 voltios fijos. La relación de suma variara en función del potenciómetro.

V4 1 R.R/ V/ V.

La señal resultante será introducida al comparador.


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POTENCIA MAXIMA AL 50% Como ya se dijo anteriormente esto se realizara mediante una etapa de

acondicionamiento de la señal de control. Se espera que para los valores de control de 0 a 10 equivalgan a valores comprendidos entre 0 y 5. De esta manera se despreciaría un 50% de la potencia, reduciendo el ciclo de trabajo que es lo que se quiere conseguir.

La razón por la que hay que realizar esta reducción viene de la rectificación y posterior filtrado de la señal de red. Explicado en el circuito de potencia.

La potencia nominal del calefactor, a 220 voltios de alterna, es de 500W, pero se produce un aumento considerable de la potencia cuando no se alimenta con alterna sino con una señal continua rectificada, que es el caso.

6 . → 1000 220. → 48.389:

Con la resistencia teórica obtenida la nueva potencia es:

6 . ;220 ∗ √2>.48.3 → 6 2004?

Al doblarse la potencia real del calefactor y estando ese alimentado con tensión continúa y constante, si no se reduciría dicha potencia, estaría sometido a un consumo mayor del que debería, la resistencia calefactora terminaría por dañarse y quemarse. Por esta razón se va a reducir a la mitad la potencia máxima.

Figura 6-38 Reducción de Potencia


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Mediante dos etapas de amplificación de ganancia negativa se consigue llegar al objetivo. La primera reduce la señal a la mitad y la deja invertida. Y la segunda se encarga de volver dicha señal de control a valores positivos.

AISLAMIENTO DE MASAS E INVERSION DE PULSOS Lo que se quiere conseguir es que las masas del circuito de control y la masa de

la red eléctrica estén separadas para no provocar puntos calientes en la tarjeta y dañar los circuitos. Esto se realizara mediante un optoacoplador con aislamiento galvánico.

Al optoacoplador se le introducirá la señal de la comparación entre la señal triangular y la señal de control reducida. La inversión de pulsos se debe realizar ya que el circuito de disparo del IGBT se produce de la siguiente manera. Cuando se envía una señal a un 20% a nivel alto supone que la excitación del IGBT sea durante un 80% del tiempo, esto es debido al corte y la saturación del transistor a la salida del optoacoplador.

Figura 6-39 Comparación de Señales

Para realizar esto no hace falta más que comparar la señal de control con la triangular y de esta manera el control PWM estaría invertido. Los pulsos de entrada del diodo emisor del optoacoplador deben tener 5 voltios de nivel máximo y una corriente de entrada de al menos 20 mA.


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Figura 6-40 Esquema funcionamiento Optoacoplador

Para entender todos los pasos que se producen en todo momento, mediante un sencillo ejemplo y con la gráfica siguiente se observara la creación del PWM cumpliendo con los objetivos especificados.

Con una señal triangular de frecuencia 100 Hz y una acción de control de 8 V, el PWM final quedaría de la siguiente manera:

Figura 6-41 Señales del Circuito


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Esquema Una vez explicadas todas las partes del proceso el esquema general para esta parte ha quedado así:

Figura 6-42 Esquema Circuito PWM

Además de lo comentado antes en el diseño de la placa hay que incluir las alimentaciones así como los bornes de conexión para la salida de las señales.

Además de estas alimentaciones es necesario colocar un regulador de 5 voltios para que genere los pulsos del control PWM con esa tensión.

6.4.1.2 CIRCUITO DEL TERMOSTATO

Hay que controlar el circuito para que no pase de una determinada temperatura para evitar riesgos innecesarios o daños por un exceso de la misma.

Como medida de control por si la temperatura se descontrola se realizara otro diseño que servirá como termostato para que a una determinada temperatura el circuito de fuerza se desconecte. Esto se realizara con un relé de 12 voltios que abrirá y cerrará su contacto.

Para que funcione se utilizara otro sensor sensible a la temperatura como es el LM35. Mediante el ajuste del potenciómetro y midiendo a la salida del operacional con la referencia a masa se podrá fijar la temperatura de corte del relé. Si se quiere una temperatura máxima de 70 grados centígrados la tensión en esos bornes deberá ser de 700 mV.


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Figura 6-43 Fotografía potenciómetro termostato

Ya que es un diseño patentado y con garantía de seguridad, no se han buscado otras alternativas al observar las buenas críticas del diseño que se realizara.

Figura 6-44 Circuito del Termostato

Con este circuito se conseguirá la aplicación deseada. El circuito partirá del LM35 que genera una tensión proporcional a la temperatura que registra, esta tensión está asociada con una etapa de amplificación. El TL431 y el potenciómetro se utilizan para establecer la temperatura límite de funcionamiento de la planta. A partir de esa temperatura el circuito desconectara y conmutara el relé para que corte el suministro de corriente a la resistencia calefactora.


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En el momento en el que la temperatura que mida el sensor este por debajo de la temperatura de desconexión el relé se rearmara y volverá a funcionar el circuito con normalidad. El led rojo instalado nos indicara visualmente si la temperatura ha alcanzado a la de consigna o no, esto quiere decir que si el calefactor esta encendido y por tanto todavía no ha llegado a la temperatura de consigna el led estará OFF, y si la temperatura del calefactor ha alcanzado la temperatura de consigna, el led estará en ON.

Componentes principales El diseño se compondrá de dispositivos integrados no vistos hasta entonces

como son el TL431, que es un generador de voltaje de referencia y el LM358 un amplificador doble con tensión a la salida baja. Además como sensor de temperatura se utilizara un LM35.

LM35 Con este sensor se controlara la temperatura del calefactor y junto con el circuito

generara la tensión necesaria que corte el relé y desconecte la resistencia cuando su temperatura sobrepase la temperatura máxima de corte, regulada con un potenciómetro.

TL431 Es un dispositivo que mantiene un voltaje de referencia a la salida del mismo

con estabilidad frente a los cambios bruscos de temperatura. Al tener una precisión aceptable se utiliza en el mercado para sistemas que necesiten tanto una alimentación como una señal de control específica y que no varíe en ningún momento.

Figura 6-45 TL431

Las principales características del TL431 son:

Voltaje de alimentación ajustable (2.5 a 36V) Impedancia de salida típica (0.22 Ohm) Voltaje de precisión del 2%

Junto con el potenciómetro de 2.2K se podrá ajustar el nivel de tensión de la salida del operacional o lo que es lo mismo, la temperatura a la cual se abrirá el contacto del relé y desconectara el suministro al calefactor.


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LM358 Es un amplificador operacional que sirve para realizar operaciones matemáticas

alimentadas con una única fuente de alimentación.

Figura 6-46 Patillas LM358

Las características principales son:

Frecuencia internamente compensada Amplio rango de alimentación Tensión de salida entre 0 y 1.5 V

Este componente generara la tensión correspondiente que ayudara a seleccionar fácilmente la temperatura de desconexión del circuito. Si en la salida la tensión equivale a 800mV, la temperatura que hace referencia es a 80 grados.

Esquema

Este sería el diseño que será trasladado a la placa:

Figura 6-47 Circuito del termostato


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Así quedaría el diseño listo para su unión al resto de circuitos encargados del calefactor. El relé está alimentado a 12 voltios. Tanto el operacional como el sensor utilizaran la misma alimentación del circuito. El LM35 no estará directamente soldado en la placa para poder llevar el sensor al exterior del calefactor.

6.4.2 REFRIGERADOR

La parte encargada de este proceso es más sencilla que para el calefactor, ya que su regulación se hace en un rango de 4 a 20mA. Para ello entonces utilizaremos el conversor Tensión-Corriente, estudiado con anterioridad, y el componente antes mencionado ADG694.

Figura 6-48 Circuito del refrigerador

Con este circuito se puede regular el calefactor mediante las entradas antes mencionadas.

Figura 6-49 Refrigerador a controlar


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Esquema de conectores Esta tarjeta será encargada de actuar sobre el calefactor y el refrigerador, y como

ambos operan con magnitudes diferentes, se necesitaran más conectores.

El calefactor opera con tensión de red, por lo cual se necesita que la placa tenga toma re red de entrada y otra de salida al calefactor. Por otro lado el refrigerador va de 4 a 20mA, así que se podrá enviar la señal en el mismo bus que recibe del PC y del LM35 Podemos dividir las señales que intervienen en el funcionamiento del sistema en tres grupos:

Alimentación

Bus de conexión a panel frontal

Bus de datos a tarjeta expansora

Toma de tensión 220v

Para la alimentación son necesarios dos conectores, uno el que se ha tomado por universal para todas las tarjetas, y otro el de 220 voltios de la red.

Tabla 6-14 Conexiones alimentación tarjeta Calefactor y refrigerador (Conector de 5)


Debido a que en esta tarjeta hay muchas conexiones a panel frontal es necesario un conector de 20 pines.

Tabla 6-15 Conexiones bus control tarjeta Calefactor y Refrigerador (Conector de 20)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Patilla 1 Selector PC-CAL Selección de entrada desde PC-CAL 2 Patilla 2 Selector Born-CAL Selección de entrada desde Fuente

alimentación externa-CAL 3 Patilla 3 Selector Pot-CAL Selección de entrada desde

Potenciómetro-CAL 4 Patilla A Selector Salida-CAL Salida del selector-CAL 5 Borna entrada + de fuente

alimentación externa Borna + Ent-CAL

Entrada positiva de la fuente de alimentación externa-CAL


Borna - Ent-CAL

Masa de la fuente de alimentación externa-CAL

7 Patilla 1 del Potenciómetro Pot. Pat1-CAL

Patilla 1 del potenciómetro. -CAL


Patilla 2 del potenciómetro. -CAL


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Patilla Salida del potenciómetro-CAL

10 Patilla 1 Selector PC- REF Selección de entrada desde PC-REF 11 Patilla 2 Selector Born- REF Selección de entrada desde Fuente

alimentación externa- REF 12 Patilla 3 Selector Pot- REF Selección de entrada desde

Potenciómetro- REF 13 Patilla A Selector Salida- REF Salida del selector- REF 14 Borna entrada + de fuente

alimentación externa Borna + Ent- REF

Entrada positiva de la fuente de alimentación externa- REF


Borna - Ent- REF

Masa de la fuente de alimentación externa- REF

16 Patilla 1 del Potenciómetro Pot. Pat1- REF

Patilla 1 del potenciómetro. - REF


Patilla 2 del potenciómetro. - REF


Patilla Salida del potenciómetro- REF

Para conectar a la tarjeta expansora se precisan 2 conectores de 8 pines, el primero que se encargue de las conexiones generales y el segundo para conectar a la tarjeta de potencia.

Tabla 6-16 Conexiones bus datos tarjeta Calefactor y Refrigerador (Conector de 8)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Entrada + (4-20mA) Entrada+ Entrada al refrigerador 2 Masa Masa Masa 3 PC Calefactor PC-CAL Entrada de PC para regular el calefactor 4 PC Refrigerador PC-REF Entrada de PC para regular el refrigerador 5 Masa Masa Masa 6 Vout LM35 VoutLM35 Salida del LM35 del calefactor 7 Patilla 1 LM35 V+LM35 Tensión alimentación LM35 8 Patilla 3 LM35 MasaLM35 Masa del LM35

Tabla 6-17 Conexiones tarjeta Calefactor y Refrigerador y Control de Potencia (Conector de 8)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Optoacoplador

colector Opto1 Patilla colector del optoacoplador, que generará

los pulsos necesarios para el IGBT. 2 Optoacoplador

emisor Opto2 Patilla emisor del optoacoplador.

3 4 5 6


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7 Relé alimentación Relé 1 Alimentación para el relé de corte de tensión. 8 Relé masa Relé 2 Masa para el relé.


Figura 6-50 Circuito de la tarjeta del Calefactor y Refrigerador


Figura 6-51 Tarjeta del Calefactor y Refrigerador en 3D


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Diseño de PCB

Debido a la complicación de la tarjeta, es necesaria la utilización de dos puentes para transferir las señales. Ya que de todas las posibles soluciones la utilización de dos puentes es la mejor.

Figura 6-52 Diseño en PCB tarjeta del Calefactor y Refrigerador

Diseño Final Una vez montados todos los componentes y soldadas las vías, el diseño final es

el siguiente.

Figura 6-53 Tarjeta Calefactor y Refrigerador


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6.5 TARJETA EXPANSORA

Esta tarjeta es la encargada de enviar las señales procedentes de las placas a los procesos, mediante la conexión de los conectores del panel posterior, así como de la recepción de las señales de los procesos, por medio de los conectores, y enviarlas a las tarjetas. De esta forma junto con la tarjeta de alimentación, son ambas las más importantes de todas, ya que sin ellas el dispositivo de control no serviría de nada.

Figura 6-54 Formato de la tarjeta expansora

Además de esto, es encargada de la alimentación de los procesos enviando las tensiones correspondientes para el correcto funcionamiento de los componentes eléctricos como son las servoválvulas, bombas, caudalímetros, etc.

El diseño de la tarjeta se ha hecho a lo largo ocupando una parte importante del fondo de la maqueta, y a su vez pegándola lo más posible al lateral derecho para dejar de este modo más espacio para las fuentes de alimentación.

Todas las demás tarjetas y placas van conectadas a dicha tarjeta con un conector y esta es la encargada de repartir las señales y del conexionado de los conectores posteriores.

Se ha diseñado para que pueda gestionar bien las señales y los conectores y desde el punto de vista estético sea más atractiva la vista dentro de la maqueta. Las conexiones de las placas son:

Tarjeta Circuito Calefactor Conector de 8 Tarjeta Circuito Depósitos Conector de 8 Tarjeta Circuito Producto Conector de 8 Tarjeta Calefactor-RefrigeradorConector de 8 Tarjeta Control Digital Conector de 20 y 3 Conectores de 2 Tarjeta de Temperatura y nivel Conector de 20


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Y las conexiones de conectores a panel posterior son:

Placa Conectores JackConector de 5 Placa Conectores DIN5 Conector de 20 y Conector de 5 Placa Conectores DIN7 placa1 Conector de 20 y Conector de 5 Placa Conectores DIN7 placa2 Conector de 20 y Conector de 5 Placa Tarjeta de adquisición de datos placa 1 Conector de 20 Placa Tarjeta de adquisición de datos placa 2 Conector de 20 Conector Bomba1 Conector de 2 Conector Bomba2 Conector de 2

A parte también tiene alimentaciones:

Conector alimentación de redConector de 2 Conector fuentes de alimentación Conector de 5


Debido a que la única misión de dicha tarjeta es la de establecer un enlace entre los conectores de las tarjetas principales y las placas que albergan los conectores directos a proceso, esta placa solo tiene conectores y ningún componente electrónico.

Figura 6-55 Diseño electrónico tarjeta expansora


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Figura 6-56 Tarjeta Expansora en 3D

Diseño de PCB

Figura 6-57 Cara superior Tarjeta Expansora

Diseño Final

Figura 6-58 Fotografía tarjeta expansora


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6.6 ALIMENTACION

Debido a las características de los circuitos integrados en el proyecto, y como ya se ha estudiado, se necesitan las siguientes alimentaciones:

+24v +15v -15v Referencia

Si bien es cierto, en ocasiones se necesitan otras tensiones de alimentación pero debido a que solo se utilizan en tarjetas específicas y no son comunes para el resto del circuito, se ha optado por utilizar reguladores. Las tensiones mencionadas son:

+5v +10v +12v

Estas serán generadas por los reguladores LM7805, LM7810 y LM7812 en la tarjeta donde se necesiten.

Se ha optado por esta diferenciación entre las tensiones de alimentación y las tensiones secundarias puesto que se ha intentado rebajar el precio del proyecto en todo lo posible, y el utilizar fuentes de tensión de +24v y ±15v reduciría mucho el coste a utilizar una fuente con todos los valores de tensiones necesarios.

Fuente de alimentación integrada

Se necesita una fuente que proporcione alimentación a los dispositivos y placas del proyecto ya que dichas tensiones de entrada suelen ser muy variadas y sobre todo bastante inferiores a la tensión de la red eléctrica.

Durante el diseño de la maqueta se ha dejado un espacio considerable para poder introducir las fuentes de alimentación que alimenten al equipo. Dichas fuentes de alimentación encenderán mediante el interruptor diferencial del panel frontal.

Dicho esto se colocara una fuente con dichas alimentaciones. Como no se sabe la potencia máxima a aportar de los diferentes dispositivos se realizara un estudio de consumo con el fin de saber la potencia y elegir la fuente de alimentación necesaria y con las especificaciones exactas.


100


Tarjeta tarjetas control circuitos TENSION ALIMENTACION

COMPONENTE CORRIENTE CANTIDAD CORRIENTE TOTAL

+24 AD694 2mA 1x3 6 mA LED 20mA 1x3 60 mA 2N2219A 1mA 1x3 3 mA LM7810 8.5mA 1x3 25.5 mA ZENER 10v 2mA 1x3 6 mA

Subtotal 24v Control circuitos 100.5mA +15 UA741 2.8mA 2x3 8.4 mA

RCV420 3mA 1x3 6 mA Subtotal +15 Control circuitos 14.4mA -15 UA741 2.8mA 2x3 8.4 mA

RCV420 3mA 1x3 6 mA Subtotal -15v Control circuitos 14.4mA

Tarjeta Control Temperatura y nivel TENSION ALIMENTACION


+24 LED 20mA 1 20 mA Subtotal 24v Temperatura y nivel 20mA +15 UA741 2.8mA 7 19.6 mA

RCV420 3mA 1 3 mA LM35 0.1mA 5 0.5 mA

Subtotal +15v Temperatura y nivel 23.1mA -15 UA741 2.8mA 7 19.6 mA

RCV420 3mA 1 3 mA Subtotal -15v Temperatura y nivel 22.6mA

Tarjeta Control Digital TENSION ALIMENTACION


+24 RELE 5mA 5 25 mA LED 20mA 1 20 mA 2N2219A 1mA 5 5 mA 1N4007 2mA 5 10 mA

Subtotal 24v Digital 50mA +15 LM7805 8mA 1 8 mA Subtotal +15v Digital 8 mA


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Tarjeta Calefactor-Refrigerador TENSION ALIMENTACION


+24 LED 20mA 1 20 mA Subtotal 24v Calefactor- Refrigerador 20mA +15 LM7810 8.5mA 1 8.5 mA

LM7812 9mA 1 9 mA LM35 0.1 mA 1 0.1 mA LM358 20 mA 1 20 mA TL431 1 mA 1 1 mA 1N4148 2 mA 2 4 mA 1N4007 2 mA 2 4 mA LED 20mA 1 20 mA BC558 20 mA 1 20 mA ZENER 12V 1.54 mA 1 1.54 mA MOC3041 15 mA 1 15 mA BT136 10 mA 1 10 mA LM741 2.8mA 4 11.2 mA LM311 4mA 1 4 mA

Subtotal +15v Calefactor-Refrigerador 124.34mA -15 LM741 2.8mA 4 11.2 mA

LM311 4mA 1 4 mA Subtotal -15v Calefactor-Refrigerador 15.2mA

Total +24v

CAPITULO CORRIENTE Control circuitos 100.5 mA Temperatura y nivel 20 mA Digital 50 mA Calefactor- Refrigerador 20 mA TOTAL 190.5 mA

Total +15v

CAPITULO CORRIENTE Control circuitos 14.4 mA Temperatura y nivel 23.1 mA Digital 8 mA Calefactor- Refrigerador 124.34 mA TOTAL 169.84 mA


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Total -15v

CAPITULO CORRIENTE Control circuitos 14.4 mA Temperatura y nivel 22.6 mA Digital 0 mA Calefactor- Refrigerador 15.2 mA TOTAL 52.2 mA

Por lo tanto se necesita que la fuente de 24v nos genere 0.2A y la de ±15v unos 0.25A como mínimo. Debido a las alimentaciones necesarias de los sensores y actuadores, la fuente de alimentación de ±15v tendrá que generar como máximo 1A. Por otro lado, ya que las electroválvulas consumen 0.6A cada una, y en el peor de los casos (funcionando las 3 a la vez) el consumo de corriente será 1.8A, la fuente de alimentación de 24v tiene que poder generar 2.5A.

Fuente alimentación 24v

Figura 6-59 Fuente de alimentación de 24v

Corriente de salida 2.5A Dimensiones 36x97x99mm Eficacia 84% Encapsulado Encapsulado Número de salidas 1 Peso 410g Potencia nominal 52,8W Regulación de carga ±0,5% Regulación de línea ±0,5% Rizado y ruido 120mV Temperaturas de funcionamiento -25 → +70°C Tensión de entrada 88 → 264Vac Tensión de salida 24V D.C. Tiempo medio entre fallos MTBF 288000 hrs Tipo Modo conmutado


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Fuente alimentación ±15v

Figura 6-60 Fuente de alimentación de ±15v

Corriente de salida 1.3; 1.3A Dimensiones 35x82x99mm Encapsulado Encapsulado Número de salidas 2 Peso 300g Potencia nominal 35W Regulación de carga ±4/±6% Regulación de línea ±1% Rizado y ruido <1% Temperaturas de funcionamiento -10 → +70°C Tensión de entrada 85 → 264Vac Tensión de salida +15/-15Vd.c. Tiempo medio entre fallos MTBF >250,000 hrs Tipo Modo conmutado

Para el reparto de señales de alimentación se ha creado una placa que se encargara de los conectores de alimentación para todas las demás. De esta forma hacemos más compacto el montaje y más seguro ya que no se cablea internamente nada salvo que sea de placa a placa con conectores rápidos.

Figura 6-61 Conector alimentación de las placas


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Figura 6-62 Esquema conexiones placa alimentaciones

Diseño de PCB en 3D La forma de los componentes es meramente orientativa ya que la base de datos

del programa así lo tiene estipulado.

Figura 6-63 Placa Alimentaciones en 3D

Diseño Final Una vez montados todos los componentes y soldadas las vías, el diseño final es el siguiente.

Figura 6-64 Fotografía placa alimentaciones


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6.7 CONTROL DE POTENCIA

Hay que realizar una tarjeta que gestione la tensión de la red eléctrica y mediante la señal PWM excite al calefactor.

Objetivo El objetivo es realizar un diseño que permita linealizar la potencia en función de

una señal de ancho de banda. En esta misma tarjeta se encontraran las protecciones del circuito. Se colocara un fusible a la entrada de la red eléctrica y también el relé que desconectara el suministro de corriente a la carga en el caso de que haya superado la temperatura máxima.

Posibles alternativas Ya que se trata de un objetivo clave del proyecto, se van a estudiar múltiples

alternativas que ofrece el mercado para realizar este tipo de control. Serán las siguientes:

Control por Fase (Sin Integrado) Control por Fase (Con Integrado) Control por Ciclos Control por Continua

CONTROL POR FASE (SIN INTEGRADO) Con la idea del control de potencia del equipo de partida, se probó el diseño

empleado en la maqueta MT542. Resulto un diseño sencillo ya que con la señal PWM del circuito de control solo es necesario el dispositivo de potencia así como una resistencia para comprobar el consumo de corriente.

Mediante un osciloscopio de potencia se observaran las señales de la corriente consumida por parte de la resistencia, así como, la caída de tensión alterna en el calefactor

CONTROL POR FASE (CON INTEGRADO) La idea es la misma pero de esta manera entre la señal de control y el dispositivo

de potencia se colocara un circuito integrado. Dicho integrado será capaz de detectar el paso por 0 de la señal de red con el fin de que el disparo del dispositivo de potencia (Triac) este alineado con la señal de la red. De esta manera se prescinde de un circuito de control PWM ya que únicamente con introducir el nivel de la acción de control al dispositivo valdría para realizar la función especificada.


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Siguiendo el mismo proceso que en la alternativa anterior se estudió la corriente y la tensión absorbida por la resistencia en función de la acción de control.

Figura 6-65 Grafica Control por fase (P/V)

Dicho control utiliza una idea diferente para hacer la misma aplicación. Con este modelo se va a hacer ante todo un control lineal de la potencia. Para este diseño es necesario fijar un tiempo equivalente a un número de ciclos de la red.

Fijando inicialmente el número de ciclos de la red se diseña un control PWM con la característica de que tenga una frecuencia equivalente al tiempo en recorrer el número de ciclos fijados. Realizado esto el funcionamiento es sencillo. Poniendo un ejemplo: si se ha establecido que serán 100 los ciclos de la red que se controlaran, si la acción de control es de 5 voltios, el PWM mantendrá disparado el TRIAC durante 50 ciclos y de esta manera se estará aprovechando al 50% la potencia del calefactor.

Aumentando el total de ciclos a controlar, se podrá diseñar un control más preciso de la temperatura de la cámara.

CONTROL POR CICLOS ENTEROS Dicho control utiliza una idea diferente para hacer la misma aplicación. Con este

modelo se va a hacer ante todo un control lineal de la potencia. Para este diseño es necesario fijar un tiempo equivalente a un número de ciclos de la red.

Fijando inicialmente el número de ciclos de la red se diseña un control PWM con la característica de que tenga una frecuencia equivalente al tiempo en recorrer el número de ciclos fijados. Realizado esto el funcionamiento es sencillo. Poniendo un ejemplo: si se ha establecido que serán 100 los ciclos de la red que se controlaran, si la acción de control es de 5 voltios, el PWM mantendrá disparado el TRIAC durante 50 ciclos y de esta manera se estará aprovechando al 50% la potencia del calefactor.


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Aumentando el total de ciclos a controlar, se podrá diseñar un control más preciso de la temperatura de la cámara.

Figura 6-66 Grafica Control por ciclos (P/V)

CONTROL POR CONTINUA Se ha contemplado la idea de realizar una rectificación de la red y mediante un

filtrado de capacidad conseguir un nivel de continua más o menos estable. La función de la tarjeta será trocear dicha señal en función de la señal PWM. Este diseño como en el anterior será ante todo muy lineal.

Figura 6-67 Control de Continua

Objetivo El diseño del control por fase sin integrado ha dado resultados muy poco fiables por la imposibilidad de ajustarse a la frecuencia de la red. Ya que la red no tiene fija la frecuencia en ningún momento, ya que esta ronda siempre los 50 Hz. Por este motivo las capturas de la señal no se corresponden con la lógica inicial.

Lo que ocurre que al no estar sincronizada la señal PWM con la señal de la red, el disparo del Triac no se realiza en el punto de la senoidal que debería. Lo que se observa es que la corriente consumida por la resistencia es un continuo vaivén con lo que estará consumiendo para cualquier acción de control la misma corriente.


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Debido a este aspecto se descarta este diseño ya que no supone ningún control sobre la potencia del calefactor. Y como todos los controles por fase, supone la creación de armónicos en la señal de la red que alteran los resultados de las mediciones.

Descartada la primera alternativa se decidió estudiar otra vía diferente. Se estudió el control por ciclos enteros con el atractivo de obtener un control de potencia lineal ante todo.

La señal PWM se fijó con una frecuencia de 0.8 Hz lo que supone en tiempo algo más de 1 segundo. De esta manera se haría un control sobre alrededor de 80 ciclos de la red y con un refresco de la acción de control de 1 segundo.

Para ello se necesita utilizar un circuito integrado capaz de realizar la detección de cruce por cero y dejar pasar los ciclos necesarios. Dicho componente es el optoacoplador MOC3041. En el que se introduce la señal PWM y él se encarga de realizar el disparo. Mediante el osciloscopio se ha comprobado su fiabilidad al realizar justo lo que se pretende con él. Se realizó la tarjeta y se comprobó su funcionamiento en la planta. Se diseñó un controlador que se encargaría de fijar en la cámara una temperatura de consigna. Surgió el problema de que la temperatura real del sistema presentaba un error considerable con la temperatura de consigna.

La razón de esto es que el sistema está muy limitado por la acción de control. Si quisiéramos una tensión de control con 2 decimales supondría diseñar una señal de 0.05 Hz de frecuencia. Esto supondría un refresco de 20 segundos. Algo que es poco recomendable porque en ese tiempo la variación de la temperatura puede ser muy grande. Así que este diseño supondría mucha precisión para tiempos de refresco muy grandes y mucha velocidad para tiempos pequeños. Ya que es imposible fijar un término medio del tiempo de refresco y del error producido se ha desestimado esta opción.

Tras esto, se ha realizado el estudio de la siguiente alternativa documentada. El control por fase mediante la utilización del circuito integrado TCA785 significa volver al control inicial. Esta vez el problema de la sincronización de la señal con la red desaparecía por completo.

Dicho circuito integrado genera a la salida unas señales que servirán como disparo del Triac en función de una señal de control. El problema encontrado es la imposibilidad de tener una referencia común. El circuito de control tiene una masa distinta a la masa de la red. Esto produce puntos calientes en el sistema y muchos componentes sufren las variaciones del nivel de cero, llegándose a quemar en el instante. Además de por este motivo, el circuito integrado no permite una variación de la acción de control salvo que sea por un potenciómetro ligado al componente. Esto no se ajusta a nuestras especificaciones así que se descarta también esta opción.


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Por último, se estudió la rectificación de la red como posible alternativa para el control lineal de la potencia. Mediante una rectificación y un filtrado por capacidad, se consigue una señal lineal con algo de rizado de unos 320 voltios. Mediante un IGBT se consigue trocear la continua y conseguir una precisión alta en el control de la potencia del calefactor.

Visto esto y estudiadas las diferentes alternativas con detenimiento se ha procedido al diseño de esta última, debido a que es la solución más lineal y que como veremos una vez montado tiene un error de 0.5ºC.

Principios de Diseño Como la principal característica del diseño es la rectificación y filtrado de la red,

se colocara un puente de diodos que realiza un rectificado de onda completa y gracias a un condensador se consigue que la señal se filtre y se aplane.

Figura 6-68 Rectificación y Filtrado

CALCULO DE CONDENSADORES

Queremos que la tensión de rizado no supere los 20 voltios. Para ello hay que realizar un cálculo sencillo para obtener el valor de los condensadores que se necesitan y conseguir como mucho, esa minina variación de tensión.

6 . → 1000 220. → 48.4Ω

La frecuencia de la red eléctrica en Europa es de 50 Hz pero al hacer un rectificado de onda completa la nueva frecuencia es el doble por lo que será de 100 Hz. El valor medio de la tensión será equivalente a 220 voltios por raíz de 2. Con estos datos se puede calcular el condensador que se necesita para realizar el filtrado.

@ A2BC 3112 ∗ 100 ∗ 48.4 ∗ 20 1300μD


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Al no disponer de un valor tan grande se colocaran dos condensadores de valor 390 µF en paralelo para sumar 780 µF. Dicha tensión de rizado será fácilmente asumible por el sistema, debido a que no es preciso un rizado tan pequeño para controlar el calefactor. Estos condensadores tienen que haber sido construidos previamente para aguantar dicha tensión, por ello, se ha escogido unos que aguantan hasta un máximo de 400 voltios.

Ya que el condensador conserva la tensión almacenada mucho tiempo se ha colocado una resistencia de descarga, con valor de 150 K Ω, para que en el paso de 20 segundos desde que se produzca la desconexión de potencia, este se descargue y no suponga un peligro al realizar algún tipo de mantenimiento en la electrónica.

DISPARO DEL IGBT El IGBT tiene la peculiaridad de que solo se dispara con valores positivos entre

2 y 30 voltios. Para ello se colocara un Zener de 24 voltios delimitado con varias resistencias de potencia para que la tensión de ruptura del mismo no baje de la tensión que se necesita. Los cálculos para conseguir un nivel de 24 voltios constante son:

CAE FF 340 2410:+ 28Ω

Para asegurarse que el nivel de 24 voltios es constante se colocara un resistencia mayor. En este caso dos resistencias en paralelo de 68 K Ohm. Hay que decir que estas resistencias tienen que ser de potencia ya que deben de disipar 3 W por la diferencia de tensiones.

Esta tensión de 24 voltios se introducirá en el colector del transistor del optoacoplador para que los pulsos que salgan hacia la puerta del IGBT tengan como nivel alto dicha tensión.

La razón de aislar el circuito PWM con el de potencia supone librarse de problemas relacionados con la referencias de las masas. Otra de las razones de diseño del PWM es la de reducir la potencia a la mitad. Esto se debe a que el calefactor esta previamente diseñado para 220 V de alterna. Con este diseño le llegaran valores superiores a los 300 voltios de continua lo que significa que si esta mucho tiempo expuesto podría dañar el calefactor.


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Figura 6-69 Esquema conexionado control de potencia

Por último, se han invertido los pulsos ya que la saturación y el corte del transistor se produce de manera diferente a la lógica inicial de control. Esto significa que el emisor del transistor se colocara a masa y por tanto no habrá disparo del IGBT cuando detecte un nivel alto en la entrada del diodo emisor. Cuando el diodo detecta un nivel positivo el transistor se satura y coloca en la puerta del IGBT la referencia a masa. Para el caso contrario, cuando detecta un nivel bajo coloca los 24 voltios que dispararan al IGBT.

Para ver su funcionamiento se han realizado dos capturas donde se observa la relación entre el control PWM y la tensión que cae en la carga. En la parte de arriba se observa la señal de 300 voltios troceada y en la parte de abajo la señal PWM que le llega del circuito de control.

Figura 6-70 Potencia al 10%

Se observa como el PWM es inversamente proporcional a la tensión absorbida por la carga.


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Figura 6-71 Potencia al 100%

En este caso, la potencia esta al máximo y esto equivale a un 50% del ciclo de trabajo de la señal.

Ya que se trata de una tarjeta con mucha tensión, además se trata de tensión continua, se incluirán una serie de sistemas de protección. Se colocara el relé de temperatura máxima del sistema, así como, un fusible para cortar el circuito en el caso de que haya un consumo excesivo de corriente. Se colocaran antes del rectificado ya que las corrientes y las tensiones se disparan tras el filtrado de la señal rectificada. Además el relé de 12 V no es capaz de controlar tensiones superiores a 220 V de alterna. Lo mismo ocurre al fusible, ya que está construido para aguantar la tensión de la red eléctrica.

Otra forma de hacer la tarjeta más segura va a ser la colocación de los condensadores en un lugar de la caja de conexiones que no esté al alcance de la mano para no recibir descargas innecesarias, que pueden llegar a ser mortales al tratarse de tensión continua.

Además, para proteger la carga, ya que se trata de una carga con algo de inducción se colocara un diodo en paralelo con la misma, que protegerá a la carga y sobre todo al circuito. A su vez, se colocara una red Snubber para que el IGBT no sufra tanto al realizar las conmutaciones y disminuir las perdidas. Como es un elemento de potencia se incluirá un pequeño disipador para poder irradiar con más superficie el calor que genera.

RED SNUBBER Se colocará dentro del circuito de potencia una red RC Snubber con el fin de

amortiguar las posibles resonancias parasitas y controla la pendiente de la tensión del semiconductor. La incorporación de esta red permite reducir las pérdidas en el paso a bloqueo. Las pérdidas de conmutación pueden verse reducidas en un 40 %.


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Figura 6-72 Red RC Snubber

Para calcular el valor de la R y C hay que realizar los siguientes cálculos:

@E G H ∗ 'B2 ∗ IJ 3 ∗ 210&K2 ∗ 311 1,02&D

Como el objetivo principal es que este condensador se cargue más rápido se va a colocar un condensador con una capacidad superior. @E 1,2&D

Ahora se calculara la resistencia de la red Snubber:

Res. Mínima

E G JA H 3117+ 3+ 77.75Ω

Res. Máxima

E % MNOAPO3 ∗ @E 1 ∗ 10QR3 ∗ 0.1-D 3333.33Ω

Como lo que se quiere conseguir es una carga y descarga rápida se colocara una resistencia lo más baja posible. De esta manera la red Snubber estará compuesta por los siguientes componentes: @E 1,2&DE 100Ω

DISIPADOR Debido a que el IGBT disipa mucha potencia debido a las conmutaciones del

mismo, se va a colocar un disipador que realice dicha función. Como se va a trabajar a media potencia la corriente eficaz que consumirá el calefactor será:


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6 . → 1000 220. → 48.4Ω

CAE S1MT'.'U4 S1MT 340.'VU

4 340 ∗ √W

Como delta como máximo va a ser 0.5, la corriente máxima eficaz va a ser:

CAE 340 ∗ √W 340 ∗ √0.5 240

CAE CAE 24048.4Ω 4.95+

Para asegurarse que la corriente con la que se hacen los cálculos es fiable, se utilizara una corriente mayor. El IGBT tiene como característica de disipación una tensión de emisor de 2v y una intensidad máxima de 7 A con lo que la potencia del disipador será: 6 ∗ 2 ∗ 7 14?

Para asegurarse de que el disipador vaya holgado y no sufra tanto, se van a sobredimensionar algunos datos del IGBT. Se harán los cálculos para disipar una potencia de 25 W a una temperatura de 40ºC. El modelo térmico de cualquier elemento semiconductor con disipador es el siguiente:

Figura 6-73 Modelo Térmico

Los datos que se obtienen de la hoja de características son los siguientes: 6AXY 167[ → M:\ 25º@ M QAXY 260º@

Con estos datos la relación entre las diferentes resistencias térmicas es:

M QI MIQJ MJQX M QAXY M_6

M QI M QAXY M_6AXY 260 25167 1.40º@/?


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Para el cálculo de la resistencia térmica que relaciona la capsula y el disipador, hay que distinguir entre los diferentes aislantes que existen en el mercado y conseguir aislar eléctricamente el disipador del IGBT.

En este caso se ha colocado una tira de Mica, material que aísla eléctricamente y transmite bien el calor. Para obtener el valor de la resistencia térmica hay que mirar en la siguiente gráfica.

Figura 6-74 Grafica R.C-D

De aquí se obtiene que el valor de la resistencia sea: MIQJ 1.6º@/?

La única incógnita es la resistencia que relaciona la temperatura del disipador con la del ambiente, que dependiendo el valor nos permitirá escoger entre un disipador u otro.

MJQX M QAXY M_6 M QI MIQJ 150 4025 0.52 1.6 2.28º@/?

Se dispone en el laboratorio de un disipador tipo ZD-27, que como característica principal presenta que la resistencia térmica entre disipador y ambiente es de 1.8 lo que significa que anda justo para nuestros requisitos. Pero al haber sobredimensionado el cálculo el disipador se puede implementar.


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Figura 6-75 Disipador utilizado

Además este disipador está diseñado para eliminar el calor producido por elementos de media potencia. Al estar diseñado con aletas permite disipar mejor y más rápido el calor. Además para evitar calentamientos del IGBT y de las fuentes de alimentación, se ha añadido un ventilador que opera a 15v y que permite refrigerar el interior gracias a las aperturas de ventilación de que dispone la caja.

Figura 6-76 Ventilador incorporado

Esquema Una vez explicado el funcionamiento general de la tarjeta el esquema electrónico

resultante es el siguiente:

Figura 6-77 Esquema Circuito de Potencia

Como se trata de una tarjeta que depende de las demás placas que engloban el proyecto se necesitan una serie de conectores.


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Tabla 6-18 Conexiones alimentación 220v para control de potencia (Conector de 2)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Toma de corriente 220+ Alimentación positiva 220V 2 Toma de corriente 220- Alimentación negativa 200V

Tabla 6-19 Conexiones carga calefactor para control de potencia (Conector de 2)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Salida a Carga 311v-Cal Salida 1 a Calefactor 2 Salida a Carga 0v-Cal Salida 2 a Calefactor Tabla 6-20 Conexiones condensador para control de potencia (Conector de 2)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Condensador + C+ Conexión positiva a condensador 2 Condensador - C- Conexión negativa a condensador

Tabla 6-21 Conexiones datos para control de potencia (Conector de 8)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Tarjeta Calefactor-

Refrigerador Rele1 Activación/Desactivación Relé, patilla

1 2 Tarjeta Calefactor-

Refrigerador Rele2 Activación/Desactivación Relé, patilla

1 3 4 5 6 7 Tarjeta Calefactor-

Refrigerador PWM1 Control PWM patilla 1

8 Tarjeta Calefactor-Refrigerador

PWM2 Control PWM patilla 2


Figura 6-78 Esquema electrónico tarjeta control de potencia


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Figura 6-79 Tarjeta de potencia 3D

Diseño de PCB

Figura 6-80 Tarjeta de potencia

Diseño Final Una vez terminas todas las soldaduras el resultado es el siguiente.

Figura 6-81 Fotografía tarjeta control de potencia


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7. TARJETA DE ADQUISICION DE DATOS

Para poder tanto recoger los datos como enviar señales de control desde el PC, se necesita utilizar un dispositivo hardware. Para ello se empleara una tarjeta de adquisición de datos.

Figura 7-1 PCI 6229

La tarjeta que emplearemos será una National Instruments PCI-6229 que presenta las siguientes características:

Cuatro salidas analógicas de 16 bits (833 kS/s) 48 E/S digitales; contadores de 32 bits; disparo digital E/S digital correlacionadas (32 líneas sincronizadas, 1 MHz) Certificado trazable de calibración expedido por el NIST y más de 70

opciones de acondicionamiento de señal Seleccione las tarjetas de alta velocidad de la Serie M para multiplicar

por cinco su velocidad de muestreo o las tarjetas de gran precisión de la Serie M para multiplicar por cuatro la resolución.

El software de NI-DAQmx y software interactivo NI Labview Signal Express para registro de datos


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Figura 7-2 Conexiones PCI 6229

Dado que la cantidad de entradas y salidas que obtienes con un solo conector es inferior a las que se precisan, será necesaria la utilización de dos conectores, tanto el de la izquierda como el de la derecha de la figura 6-2.

Estas son las características más importantes. Además de la tarjeta se necesitan otros elementos físicos para transmitir las señales.

Figura 7-3 Componentes necesarios para la PCI6229

Aplicaciones Software Para gestionar todos los datos que se obtengan por la tarjeta de adquisición de

datos se podrá utilizar una serie de programas de software que nos ayudaran a interpretar las señales de la maqueta. En dichos software se podrá realizar todo tipo de tratamiento de señal, y mediante el diseño de programas de código, se realizaran diversas aplicaciones y estudios que nos ayuden a entender en comportamiento de la maqueta. Se utiliza el software Simulink de Matlab.


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8. DISEÑO EXTERIOR

Para el estudio del diseño exterior de la maqueta se ha decidido separarlo en 2 zonas, el panel frontal y el panel posterior. La caja utilizada para el proyecto es la siguiente:

Figura 8-1 Caja sin montar

En la misma se engloban todas las tarjetas estudiadas con antelación y es simétrica y desmontable. A parte tiene rejillas de ventilación que conseguirán que no haya un excesivo calentamiento en el interior. Para el mecanizado se ha utilizado tanto los taladros del Taller electrónico como los taladros industriales que se encuentran en Laboratorio de fabricación de prototipos. Dicho mecanizado se ha realizado manualmente sin la ayuda de ninguna empresa ajena, simplemente la utilización de los equipos de mecanizado ubicados en la universidad.


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8.1 PANEL FRONTAL

En el panel frontal es donde se encuentra toda la interfaz que permite al usuario

el manejo de las señales, es decir, los potenciómetros, selectores, bornas de entrada y salida e interruptores.

Todos estos componentes están organizados según las tarjetas a las que actúa. Puesto que las tarjetas están detrás de los paneles frontales y atornillados mediante escuadras al mismo y de forma vertical, los conectores de cada tarjeta estarán en posiciones que hagan intuitiva la regulación de señales. Además de esto tenemos un interruptor diferencial que alimentara a todas las tarjetas, y un diodo led en cada tarjeta para la verificación de que estén alimentadas.

Figura 8-2 Chapa delantera mecanizada

Los componentes de dicho panel son:

Caja de PVC 1 Interruptor diferencial 7 Selectores 5 Potenciómetros multivuelta 8 Led 28 Bornas Tornillerías para fijado de componentes

En dicho panel se encuentran todos los mandos para la regulación de las señales, estas se unirán a las tarjetas mediante buses, siendo para cada placa un bus correspondiente.


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8.2 PANEL POSTERIOR

En el panel posterior lo que nos encontramos son todos los conectores necesarios

para el envío y recepción de señales a los procesos, así como una toma de corriente de 220v y dos conectores para la tarjeta de adquisición de datos.

7 Conectores DIN de 5 polos (hembra) 8 Conectores DIN de 7 polos (hembra) 3 Conectores Jack (hembra) 3 Conectores 220V (macho) 1 Conector 220V (hembra) 2 Conector de la tarjeta de adquisición de datos. Tornillerías para fijado de componentes

Conocidos los elementos necesarios para realizar el montaje vamos a realizar

una breve descripción de los mismos. Esta caja se emplea para realizar el montaje final de dispositivo de conversión de

señales. En el interior de la caja instalaremos las tarjetas diseñadas, y en el exterior dispondremos las conexiones para los diferentes elementos de la planta. Sus dimensiones y su material permiten realizar un mecanizado de forma sencilla.

Los conectores DIN de 5 polos hembra empleados presentan un montaje frontal que es ajustado mediante dos tornillos que serán situados en la parte exterior del dispositivo. Estos conectores nos permiten realizar el conexionado de las sondas de temperatura. Pese a disponer de 5 polos estos conectores únicamente emplean dos terminales para la conexión del sensor.

Figura 8-3 Conector DIN5


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Los conectores DIN de 7 polos hembra para realizar el conexionado de los siguientes elementos:

Caudalímetros Sensor de nivel Servoválvulas

Estos conectores presentan las mismas dimensiones y método de ensamblado

que los anteriores, la única diferencia con ellos es que en este caso el conector presenta siete terminales de conexión, frente a los cinco que presentaban los conectores anteriores.

Figura 8-4 Conector DIN7

En este caso el conector deberá transmitir 5 señales:

+15V 0V -15V I+ I-

Para transmitir las señales de activación y desactivación de los elementos

alimentados a 24V se van a implementar conectores Jack hembra. Estos conectores nos permitirán conectar de forma sencilla los elementos al dispositivo encargado de la conversión de señales.

La elección de estos elementos ha sido determinada por los elementos de la

planta que presentan este tipo de conector, forzándonos a emplear el mismo para no tener que realizar modificaciones en el cableado de la planta. Los conectores empleados presentan un método de ensamblado frontal, que nos permite ajustarlos al chasis mediante una tuerca que llevan incorporada, facilitando su ensamblaje.


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Figura 8-5 Conector JACK de 3 y 2 conexiones

Empleamos los conectores hembra de 220V para conectar la red a la caja de conversión de señales. Se ha empleado este tipo de conector puesto que presenta una conexión sencilla, empleando un cable muy común en el mercado. Para realizar el fijado de este conector necesitamos emplear dos tornillos que serán los encargados de unir el conector al chasis del sistema.

Figura 8-6 Conector de red

El conector de 68 polos macho nos permitirá realizar el conexionado de la tarjeta de adquisición de datos con la caja de conversión de señales. El conector empleado está diseñado para ser montado en una tarjeta PCB.

Este elemento será el encargado de enviar y recibir los datos necesarios para que los diferentes elementos incorporados en la planta funcionen de forma adecuada. Como en casos anteriores el empleo de este tipo de conector ha sido forzado por la tarjeta de adquisición de datos, que en sus especificaciones marca el tipo de cable y conector que debe de emplearse en sus aplicaciones.

Figura 8-7 Conectores para la tarjeta de adquisición de datos


126


Por último, emplearemos tortillería, en este grupo englobamos todos los elementos de fijado que se han empleado para realizar el fijado de los diferentes elementos que componen el sistema.

Debemos destacar los siguientes grupos:

Tornillos para el fijado de los conectores DIN Tornillos para el fijado de los conectores de 220V Tornillos para el fijado del conector de 68 polos Tornillos para el fijado de las tarjetas al chasis Expansores roscados Escuadras para la unión de las tarjetas

Para la conexión de los conectores se precisa la creación de unas placas auxiliares que se encargue de conectar uniformemente y sin excesivo cableado todos los antes mencionados conectores.

Se intenta aglutinar en cada placa los conectores similares pero debido a la gran envergadura de la placa resultante de los conectores DIN7, estos mismos tienen que dividirse en 2 placas, placa 1 y placa 2. Por otro lado, ya que se necesitan los dos conectores de la T.A.D. se crearan 2 placas.

Para esto se crean 6 placas:

Conexiones Jack Conexiones DIN5 Conexiones DIN7 placa 1 Conectores DIN7 placa 2 Conector 1 Tarjeta de adquisición de datos. Conector 2 Tarjeta de adquisición de datos.

8.2.1 CONECTORES JACK

Las conexiones de los JACK son:

+24v 0v

La tarjeta es encargada de transferir las señales a los siguientes actuadores:

Electroválvula 1 Electroválvula 2 Electroválvula 3


127


Tabla 8-1 Conector placa conectores Jack (Conector de 5)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Tarjeta

Expansora Ev1 Señal de control electroválvula 1 de tarjeta control

digital 2 Tarjeta


digital 3 Tarjeta


digital 4 5 Tarjeta

Expansora Masa Masa


Figura 8-8 Esquema conexiones placa conectores JACK


Figura 8-9 Placa conectores JACK en 3D


128


Diseño de PCB

Figura 8-10 Placa conectores JACK

Diseño Final

Figura 8-11 Placa conectores JACK


129


8.2.2 CONECTORES DIN5

La tarjeta es encargada de transferir las señales a los siguientes sensores:

Sensor Temperatura 1 Sensor Temperatura 2 Sensor Temperatura 3 Sensor Temperatura 4 Sensor Temperatura 5 Sensor Termostato Boya

Para los sensores de temperatura las conexiones son:

+15v -15v Vout

Figura 8-12 Conexionado Sensores de temperatura

Para el sensor de temperatura:

+V termostato -V termostato Vout

Figura 8-13 Conexionado Termostato


130


Y para la boya:

+5Vcc Vout

Figura 8-14 Conexionado boya

Tabla 8-2 Conexiones conectores Din5 (Conector de 20)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Tarjeta Expansora Tem1 Vout Lm35 del sensor 1 2 Tarjeta Expansora Tem2 Vout Lm35 del sensor 2 3 Tarjeta Expansora Tem3 Vout Lm35 del sensor 3 4 Tarjeta Expansora Tem4 Vout Lm35 del sensor 4 5 Tarjeta Expansora Temp5 Vout Lm35 del sensor 5 6 Tarjeta Expansora V+ termo Alimentación sensor temperatura del termostato 7 Tarjeta Expansora V- termo Masa sensor temperatura del termostato 8 Tarjeta Expansora Vout termo Salida del sensor de temperatura del termostato 9 Tarjeta Expansora Boya Salida de la boya


Figura 8-15 Diseño placa conectores DIN5


131



Figura 8-16 Placa conectores DIN5 3D

Diseño PCB

Figura 8-17 PCB Placa conectores DIN5

Diseño Final

Figura 8-18 Placa conectores DIN5


132


8.2.3 CONECTORES DIN7 PLACA 1 Y PLACA 2

Estas tarjetas son encargadas de:

Placa 1:

Servoválvula 1 Servoválvula 2 Servoválvula 3 Refrigerador

Placa 2:

Caudalímetro 1 Caudalímetro 2 Caudalímetro 3 Nivel

Para todos los conectores las conexiones son:

Figura 8-19 Conexiones conector DIN7

Tabla 8-3 Conexiones conector Din7 placa 1 (Conector de 5)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Tarjeta Expansora Caud 1 Salida del caudalímetro 1 a la tarjeta

Circuito Calefactor 2 Tarjeta Expansora Caud 2 Salida del caudalímetro 2 a la tarjeta

Circuito Producto 3 Tarjeta Expansora Caud 3 Salida del caudalímetro 3 a la tarjeta

Circuito Depósitos 4 Tarjeta Expansora Refrig Entrada al refrigerador


133


Tabla 8-4 Conexiones conector Din7 placa 2 (Conector de 5)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Tarjeta Expansora Sv1 Salida de la servoválvula 1 a la tarjeta

Circuito Calefactor 2 Tarjeta Expansora Bom1-Corri Salida de la bomba 1 a la tarjeta Circuito

Producto 3 Tarjeta Expansora Sv 2 Salida de la servoválvula 2 a la tarjeta

Circuito Depósitos 4 Tarjeta Expansora Nivel Salida del detector de nivel

Esquema electrónico de la placa Placa 1 Placa 2

Figura 8-20 Diseño placa conectores DIN7 placa 1 y placa 2


Figura 8-21 PCB placa conectores DIN7 3D


134


Diseño PCB

Figura 8-22 PCB placa conectores DIN7 placa 1 y 2

Diseño Final

Figura 8-23 Tarjeta conectores DIN7

La placa 2 es exactamente igual a la placa 1, ya que todas las alimentaciones y la toma de datos son las mismas.


135


8.2.4 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS

Para estas placas se utilizara el conector de 68 y un conector de 20 que lleve las señales a la tarjeta de adquisición de datos.

Figura 8-24 Conexiones placa T.A.D. 1

Debido a que será necesaria la utilización de dos conectores para la tarjeta de adquisición de datos, se ha optado por hacer dos placas individuales y así de este modo su colocación en la caja será una encima de la otra, ahorrando espacio y dejando más espacio para la refrigeración de la caja.

Tabla 8-5 Conexiones placa T.A.D. 1 (Conector de 20)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Tarjeta Expansora Caud1-AI0 Salida del caudalímetro 1 2 Tarjeta Expansora Caud2-AI1 Salida del caudalímetro 2 3 Tarjeta Expansora Caud3-AI2 Salida del caudalímetro 3 4 Tarjeta Expansora Control EV1-P0.0 Señal de control de electroválvula 1 5 Tarjeta Expansora Control EV2-P0.1 Señal de control de electroválvula 2 6 Tarjeta Expansora Control EV3- P0.2 Señal de control de electroválvula 3 7 Tarjeta Expansora Control B1- P0.3 Señal de control de bomba 1 8 Tarjeta Expansora Control B2- P0.4 Señal de control de bomba 2 9 Tarjeta Expansora Masa Masa 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Tarjeta Expansora SV1-AO0 Entrada de control de SV1 20 Tarjeta Expansora SV2-AO1 Entrada de control de Bomba1 corriente


136


Figura 8-25 Conexiones placa T.A.D. 2

Tabla 8-6 Conexiones placa T.A.D. 2 (Conector de 20)

Nº Origen Nombre Descripción 1 Tarjeta Expansora T1-AI0 Salida del sensor de temperatura 1 2 Tarjeta Expansora T2-AI1 Salida del sensor de temperatura 2 3 Tarjeta Expansora T3-AI2 Salida del sensor de temperatura 3 4 Tarjeta Expansora T4-AI3 Salida del sensor de temperatura 4 5 Tarjeta Expansora T5-AI4 Salida del sensor de temperatura 5 6 Tarjeta Expansora Termostato-AI5 Salida del sensor del termostato 7 Tarjeta Expansora Nivel-AI6 Salida del sensor de nivel 8 Tarjeta Expansora Boya-AI7 Salida de la boya 9 Tarjeta Expansora Masa Masa 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Tarjeta Expansora Calf-AO0 Entrada de control de Calefactor 20 Tarjeta Expansora Varia-AO1 Entrada de control de Refrigerador-SV2

Entradas y salidas Analógicas

Para las entradas analógicas no hay ningún problema ya que se necesitan 14 y cada placa suministra hasta 15.


137


El problema son las salidas analógicas, ya que cada placa tiene 2 salidas y se necesitan 5:

SV1 Bomba por corriente SV2 Calefactor Refrigerador

Para solventar la conexión de las salidas analógicas se utilizan 2 tarjetas, pero aun así de esta forma se pueden conexionar 4 salidas y se tienen 5.

Debido a que la maqueta 38-100 solo tiene la salida analógica SV2, y las demás salidas están todas entre las maquetas 38-600 y 38-610, lo que se pretende es con un selector poder operar mediante el PC entre las maquetas 39-600 y la 38-100. Así de esta manera si seleccionamos la operación de la 38-100 actuaremos sobre las salidas analógicas:

SV1 Bomba por corriente SV2 Calefactor

Y si seleccionamos la maqueta 38-600 las salidas analógicas serán:

SV1 Bomba por corriente Calefactor Refrigerador

Ya que están divididas dentro de las maquetas de esta forma.

Figura 8-26 Selector Salida Analógica

Así tenemos para el conector 1 de la Tarjeta de adquisición de datos, las salidas analógicas de la SV1 y la Bomba por corriente, y para el conector 2 las salidas analógicas del calefactor y por otro lado o la SV2 o el refrigerador, según


138


seleccionemos con el selector principal. Las entradas analógicas siempre estarán disponibles sea cual sea la opción escogida.

Entradas y salidas digitales Además, en la placa TAD 1 es donde se controlan las electroválvulas y las bombas. Debido a esto la tarjeta cambia con respecto a la 2 ya que lo que se usan son las entradas desde la P0.0 hasta la P0.4. Haciendo:

Electroválvula 1 P0.0 Electroválvula 2 P0.1 Electroválvula 3 P0.2 Bomba 1 P0.3 Bomba 2 P0.4


Figura 8-27 Esquema de las placas de T.A.D


Figura 8-28 Placa1 y placa 2 T.A.D en 3D


139


Diseño en PCB Placa 1 y Placa 2

Figura 8-29 Placa 1 y placa 2 T.A.D

Diseño Final

Figura 8-30 Placa T.A.D.


140


8.3 RESULTADO FINAL

El resultado final del dispositivo de control modular de procesos está basado en 3 partes diferentes:

Panel frontal Panel posterior Interior y cableado

Panel frontal En este panel se pueden encontrar todos los selectores, potenciómetros, bornas e interruptores necesarios para operar en los sensores y actuadores. También hay un diferencial para dar tensión al equipo.

Figura 8-31 Fotografía Panel Frontal

Figura 8-32 Fotografía selector y logo UR


141


Figura 8-33 Fotografía tarjetas de Circuitos

Figura 8-34 Fotografía borneros


142


Figura 8-35 Fotografía tarjetas

Panel posterior

La parte posterior es más sencilla ya que solo se encuentran los conectores de todos los sensores y actuadores.

Figura 8-36 Fotografía panel posterior


143


Figura 8-37Fotografia conexiones Electroválvulas

Figura 8-38 Fotografía conectores Tarjeta de adquisición de datos

Figura 8-39 Fotografía actuadores y sensores


144


Figura 8-40 Fotografía sensores

Figura 8-41 Fotografía conectores de alterna


145


Interior y cableado El interior está organizado de forma modular, tal y como es el título del proyecto. De esta forma si alguna tarjeta resulta dañada su extracción es sencilla y permite al resto de tarjetas funcionar perfectamente, siempre y cuando las tarjetas dañadas no sean la de alimentación o la tarjeta expansora, ya que de estas 2 depende todo el equipo para funcionar.

Figura 8-42 Fotografía interior del modulo

Figura 8-43 Fotografía placas del panel posterior


146


Figura 8-44 Fotografía tarjetas panel frontal

Se han llevado todos los cables de tensión alterna por regletas blancas, de esta forma hacen que no se vea el excesivo cableado y quede mejor a la vista.

Figura 8-45 Fotografía canaleta


147


Las conexiones de buses se han unido mediante bridas para hacer que el interior sea más agradable a la vista y de esta forma también poder organizar los cables según la utilidad que tienen

Figura 8-46 Cableado unido con bridas

Debido a los calentamientos producidos por el IGBT y las fuentes de tensión, se decide poner un ventilador que mueva el aire dentro de la cámara, y se orienta hacia el radiador y las fuentes de alimentación, que son los elementos que más calor irradiaran.

Figura 8-47 Fotografía ventilador y radiador



DOCUMENTO Nº3 ANEXOS

ANEXOS







ANEXO I:

COMPONENTES





Dispositivo de control modular de procesos fluido-térmicos Procon Anexos Universidad de La Rioja

150


COMPONENTES:

1. RCV420 2. AD694 3. LM741 4. LM35 5. 2N2219A 6. TL431 7. HGTP12N60A4D 8. LM7805/10/12

1.1 RCV420

2®

RCV420

SPECIFICATIONSELECTRICAL

At T = +25°C and VS = ±15V, unless otherwise noted.

RCV420KP, JP

CHARACTERISTICS MIN TYP MAX UNITS

GAIN

Initial 0.3125 V/mAError 0.05 0.15 % of spanError—JP Grade 0.25 % of span

vs Temp 15 ppm/°CNonlinearity(1) 0.0002 0.002 % of span

OUTPUT

Rated Voltage (IO = +10mA, –5mA) 10 12 VRated Current (EO = 10V) +10, –5 mAImpedance (Differential) 0.01 ΩCurrent Limit (To Common) +49, –13 mACapacitive Load 1000 pF

(Stable Operation)

INPUT

Sense Resistance 74.25 75 75.75 ΩInput Impedance (Common-Mode) 200 kΩCommon-Mode Voltage ±40 VCMR(2) 70 80 dB

vs Temp (DC) (TA = TMIN to TMAX) 76 dBAC 60Hz 80 dB

OFFSET VOLTAGE (RTO)(3)

Initial 1 mVvs Temp 10 μV/°Cvs Supply (±11.4V to ±18V) 74 90 dBvs Time 200 μV/mo

ZERO ERROR(4)

Initial 0.025 0.075 % of spanInitial—JP Grade 0.15 % of span

vs Temp 10 ppm ofspan/°C

OUTPUT NOISE VOLTAGE

fB = 0.1Hz to 10Hz 50 μVp-pfO = 10kHz 800 nV/√Hz

DYNAMIC RESPONSE

Gain Bandwidth 150 kHzFull Power Bandwidth 30 kHzSlew Rate 1.5 V/μsSettling Time (0.01%) 10 μs

VOLTAGE REFERENCE

Initial 9.99 10.01 VTrim Range(5) ±4 %

vs Temp 5 ppm/°Cvs Supply (±11.4V to ±18V) 0.0002 %/Vvs Output Current (IO = 0 to +10mA) 0.0002 %/mAvs Time 15 ppm/kHz

Noise (0.1Hz to 10Hz) 5 μVp-pOutput Current +10, –2 mA

POWER SUPPLY

Rated ±15 VVoltage Range(6) –5, +11.4 ±18 VQuiescent Current (VO = 0V) 3 4 mA

TEMPERATURE RANGE

Specification 0 +70 °COperation –25 +85 °CStorage –40 +85 °CThermal Resistance, θJA 80 °C/W

NOTES: (1) Nonlinearity is the max peak deviation from best fit straight line. (2) With 0 source impedance on Rcv Com pin. (3) Referred to output with all inputsgrounded including Ref In. (4) With 4mA input signal and Voltage Reference connected (includes VOS, Gain Error, and Voltage Reference Errors). (5) External trimslightly affects drift. (6) IO Ref = 5mA, IO Rcv = 2mA.

®

RCV4203

Supply ............................................................................................... ±22VInput Current, Continuous ................................................................ 40mAInput Current Momentary, 0.1s ........................... 250mA, 1% Duty CycleCommon-Mode Input Voltage, Continuous ....................................... ±40VLead Temperature (soldering, 10s) ............................................... +300°COutput Short Circuit to Common (Rcv and Ref) ..................... Continuous

NOTE: (1) Stresses above these ratings may cause permanent damage.

ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS(1)

V+

Rcv f

Rcv Out

Rcv Com

Ref In

Ref Out

Ref f

NC

–In

C

+In

V–

Ref Com

NC

Ref Noise Reduction

Ref Trim

1

2

3

4

5

6

7

8

16

15

14

13

12

11

10

9

T B

B

PIN CONFIGURATION

ORDERING INFORMATION

PERFORMANCE

PRODUCT GRADE PACKAGE

RCV420KP 0°C to +70°C 16-Pin Plastic DIPRCV420JP 0°C to +70°C 16-Pin Plastic DIP

Top View DIP

The information provided herein is believed to be reliable; however, BURR-BROWN assumes no responsibility for inaccuracies or omissions. BURR-BROWN assumesno responsibility for the use of this information, and all use of such information shall be entirely at the user’s own risk. Prices and specifications are subject to changewithout notice. No patent rights or licenses to any of the circuits described herein are implied or granted to any third party. BURR-BROWN does not authorize or warrantany BURR-BROWN product for use in life support devices and/or systems.

PACKAGE INFORMATION

PACKAGE DRAWING

PRODUCT PACKAGE NUMBER(1)

RCV420KP 16-Pin Plastic DIP 180RCV420JP 16-Pin Plastic DIP 180

NOTE: (1) For detailed drawing and dimension table, please see end of datasheet, or Appendix C of Burr-Brown IC Data Book.

4®

RCV420

TYPICAL PERFORMANCE CURVESAt TA = +25°C, VS = ±15V, unless otherwise noted.

STEP RESPONSENO LOAD

SMALL SIGNAL RESPONSERL = ∞, CL = 1000pF

SMALL SIGNAL RESPONSENO LOAD

POSITIVE COMMON-MODE VOLTAGE RANGEvs POSITIVE POWER SUPPLY VOLTAGE

Positive Power Supply Voltage (V)

Pos

itive

Com

mon

-Mod

e R

ange

(V

)

80

70

60

50

40

3011 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Max Rating = 40V

–VS = –5V to –20V

TA = –55°C

TA = +25°C

TA = +125°C

11.4

NEGATIVE COMMON-MODE VOLTAGE RANGEvs NEGATIVE POWER SUPPLY VOLTAGE

Negative Power Supply Voltage (V)

Neg

ativ

e C

omm

on-M

ode

Ran

ge (

V)

–80

–70

–60

–50

–40

–30

–20

–10–5 –20

Max Rating = –40V

+VS = +11.4V to +20V

TA = +25°C

TA = –55°C to +125°C

–10 –15

COMMON-MODE REJECTIONvs FREQUENCY

Frequency (Hz)

CM

R (

dB)

100

80

60

401 10 100 1k 10k 100k

POWER-SUPPLY REJECTIONvs FREQUENCY

Frequency (Hz)

PS

R (

dB)

100

80

60

401 10 100 1k 10k 100k

90

V+ V–

®

RCV4205

75Ω

75Ω

RS

RS

+In 3

CT

–In 1

IIN

4–20mA

16 4

+10VReference

5Ref Com

13Rcv Com

V+ V–

12 Ref In

15 Rcv f

14 Rcv Out

B

VO(0–5V)

7 Ref Noise Reduction8 Ref Trim

10 Ref fB

11 Ref Out

1µF1µF

RCV4202

RX

RXCT

3

2

1 15

14

Rcv Out

R1

NOTE: (1) Typical values. See text.

±0.5% GainAdjustment

10kΩ(1)

200Ω(1)

10kΩ(1)

RCV420

+In

–In

FIGURE 2. Optional Gain Adjustment.

necessary level shifting. If the Ref In pin is not used for levelshifting, then it must be grounded to maintain high CMR.

GAIN AND OFFSET ADJUSTMENT

Figure 2 shows the circuit for adjusting the RCV420 gain.Increasing the gain of the RCV420 is accomplished byinserting a small resistor in the feedback path of the ampli-fier. Increasing the gain using this technique results in CMRdegradation, and therefore, gain adjustments should be keptas small as possible. For example, a 1% increase in gain istypically realized with a 125Ω resistor, which degradesCMR by about 6dB.

A decrease in gain can be achieved by placing matchedresistors in parallel with the sense resistors, also shown inFigure 2. The adjusted gain is given by the followingexpression

VOUT/IIN = 0.3125 x RX /(RX + RS).

A 1% decrease in gain can be achieved with a 7.5kΩresistor. It is important to match the parallel resistance oneach sense resistor to maintain high CMR. The TCR mis-match between the two external resistors will effect gainerror drift and CMR drift.

There are two methods for nulling the RCV420 output offsetvoltage. The first method applies to applications using theinternal 10V reference for level shifting. For these applica-

FIGURE 1. Basic Power Supply and Signal Connections.

THEORY OF OPERATION

Refer to the figure on the first page. For 0 to 5V output with4–20mA input, the required transimpedance of the circuit is:

VOUT/IIN = 5V/16mA = 0.3125V/mA.

To achieve the desired output (0V for 4mA and 5V for20mA), the output of the amplifier must be offset by anamount:

VOS = –(4mA)(0.3125V/mA) = –1.25V.

The input current signal is connected to either +In or –In,depending on the polarity of the signal, and returned toground through the center tap, CT. The balanced input—twomatched 75Ω sense resistors, RS—provides maximum rejec-tion of common-mode voltage signals on CT and true differ-ential current-to-voltage conversion. The sense resistorsconvert the input current signal into a proportional voltage,which is amplified by the differential amplifier. The voltagegain of the amplifier is:

AD = 5V/(16mA)(75Ω) = 4.1667V/V.

The tee network in the feedback path of the amplifierprovides a summing junction used to generate the required–1.25V offset voltage. The input resistor network provideshigh-input impedance and attenuates common-mode inputvoltages to levels suitable for the operational amplifier’scommon-mode signal capabilities.

BASIC POWER SUPPLY

AND SIGNAL CONNECTIONS

Figure 1 shows the proper connections for power supply andsignal. Both supplies should be decoupled with 1μF tanta-lum capacitors as close to the amplifier as possible. To avoidgain and CMR errors introduced by the external circuit,connect grounds as indicated, being sure to minimize groundresistance. The input signal should be connected to either+In or –In, depending on its polarity, and returned to groundthrough the center tap, CT. The output of the voltage refer-ence, Ref Out, should be connected to Ref In for the

6®

RCV420

tions, the voltage reference output trim procedure can beused to null offset errors at the output of the RCV420. Thevoltage reference trim circuit is discussed under “VoltageReference.”

When the voltage reference is not used for level shifting orwhen large offset adjustments are required, the circuit inFigure 3 can be used for offset adjustment. A low impedanceon the Rcv Com pin is required to maintain high CMR.

ZERO ADJUSTMENT

Level shifting the RCV420 output voltage can be achievedusing either the Ref In pin or the Rcv Com pin. Thedisadvantage of using the Ref In pin is that there is an 8:1voltage attenuation from this pin to the output of the RCV420.Thus, use the Rcv Com pin for large offsets, because thevoltage on this pin is seen directly at the output. Figure 4shows the circuit used to level-shift the output of the RCV420

using the Rcv Com pin. It is important to use a low-outputimpedance amplifier to maintain high CMR. With this methodof zero adjustment, the Ref In pin must be connected to theRcv Com pin.

MAINTAINING COMMON-MODE REJECTION

Two factors are important in maintaining high CMR: (1)resistor matching and tracking (the internal resistor networkdoes this) and (2) source impedance. CMR depends on theaccurate matching of several resistor ratios. The high accu-racies needed to maintain the specified CMR and CMRtemperature coefficient are difficult and expensive to reli-ably achieve with discrete components. Any resistance im-balance introduced by external circuitry directly affectsCMR. These imbalances can occur by: mismatching senseresistors when gain is decreased, adding resistance in thefeedback path when gain is increased, and adding seriesresistance on the Rcv Com pin.

The two sense resistors are laser-trimmed to typically matchwithin 0.01%; therefore, when adding parallel resistance todecrease gain, take care to match the parallel resistance oneach sense resistor. To maintain high CMR when increasingthe gain of the RCV420, keep the series resistance added tothe feedback network as small as possible. Whether the RcvCom pin is grounded or connected to a voltage reference forlevel shifting, keep the series resistance on this pin as low aspossible. For example, a resistance of 20Ω on this pindegrades CMR from 86dB to approximately 80dB. Forapplications requiring better than 86dB CMR, the circuitshown in Figure 5 can be used to adjust CMR.

PROTECTING THE SENSE RESISTOR

The 75Ω sense resistors are designed for a maximum con-tinuous current of 40mA, but can withstand as much as250mA for up to 0.1s (see absolute maximum ratings).There are several ways to protect the sense resistor from

FIGURE 4. Optional Zero Adjust Circuit. FIGURE 5. Optional Circuit for Externally Trimming CMR.

FIGURE 3. Optional Output Offset Nulling Using ExternalAmplifier.

+In

CT

3

2

1

1514

VRCV420

–In

12

13

5

+15V

OPA237

–15V

O

100kΩ100kΩ

1kΩ±150mV adjustment at output.

+In

CT

3

2

115

14VRCV420

–In

12

135

OPA237

O

50kΩ10kΩ

10kΩ

Use 10V Ref for +and 10V Ref with INA105 for –.

1011

56

13

2

INA105–10V

VZERO

±5V adjustmentat output.

VO = (0.3125)(I IN) + VZERO

+10V

OPA237

13

1k

RCV420

200ΩCMRAdjust

Ω1kΩ

1kΩ

1kΩ

Procedure:1. Connect CMV to C2. Adjust potentiometer for near zero

T.

at the output.

®

RCV4207

+In

CT

3

2

1

1514

VRCV420

–In

8

10

11

O

±400mV adjustment at output of reference, and ±50mVadjustment at output of receiver if reference is used forlevel shifting.

VREF

20kΩ

2

315

14VRCV420 O

1

2

315

14VRCV420 O

1

2

315

14VRCV420 O

1

VRX RX 4–20mA

a) RX = (V+)/40mA – 75Ω

4–20mA

4–20mA

2N3970

200ΩRX

b) RX set for 30mA current limit at 25°C.

f1

V+

V+

V+

c) f1 is 0.032A, Lifflefuse Series 217 fast-acting fuse.

overcurrent conditions exceeding these specifications. Referto Figure 6. The simplest and least expensive method is aresistor as shown in Figure 6a. The value of the resistor isdetermined from the expression

RX = VCC/40mA – 75Ωand the full scale voltage drop is

VRX = 20mA x RX.

For a system operating off of a 32V supply RX = 725Ω andVRX = 14.5V. In applications that cannot tolerate such alarge voltage drop, use circuits 6b or 6c. In circuit 6b apower JFET and source resistor are used as a current limit.The 200Ω potentiometer, RX, is adjusted to provide a currentlimit of approximately 30mA. This circuit introduces a1–4V drop at full scale. If only a very small series voltagedrop at full scale can be tolerated, then a 0.032A series 217fast-acting fuse should be used, as shown in Figure 6c.

For automatic fold-back protection, use the circuit shown inFigure 15.

VOLTAGE REFERENCE

The RCV420 contains a precision 10V reference. Figure 8shows the circuit for output voltage adjustment. Trimmingthe output will change the voltage drift by approximately0.007ppm/°C per mV of trimmed voltage. Any mismatch inTCR between the two sides of the potentiometer will alsoaffect drift, but the effect is divided by approximately 5. Thetrim range of the voltage reference using this method istypically ±400mV. The voltage reference trim can be used totrim offset errors at the output of the RCV420. There is an8:1 voltage attenuation from Ref In to Rcv Out, and thus thetrim range at the output of the receiver is typically ±50mV.

The high-frequency noise (to 1MHz) of the voltage refer-ence is typically 1mVp-p. When the voltage reference isused for level shifting, its noise contribution at the output ofthe receiver is typically 125μVp-p due to the 8:1 attenuationfrom Ref In to Rcv Out. The reference noise can be reducedby connecting an external capacitor between the NoiseReduction pin and ground. For example, 0.1μF capacitorreduces the high-frequency noise to about 200μVp-p at theoutput of the reference and about 25μVp-p at the output ofthe receiver.

Request Application Bulletin AB-014 for details of amore complete protection circuit.

FIGURE 6. Protecting the Sense Resistors.

FIGURE 7. Optional Voltage Reference External Trim Circuit.

8®

RCV420

FIGURE 8. RCV420 Used in Conjunction with XTR101 to Form a Complete Solution for 4-20mA Loop.

0.01µFQ1

1N4148

–12V

1µF

54

2

3

15

1314

1110

12

1µF

VO = 0 to 5VRCV420

16

+12V

8

7

9

E

B

1411

12

13

4

3

2

XTR105

RCM = 1kΩ

1

0.01µF

RZ137Ω

RLIN15760Ω

RG402Ω

RTDPt100

100°C to600°C

6

RG

RG

VIN–

VIN+

VLIN IR1 IR2VREG

V+

IRET

IO

10

IO = 4mA – 20mA

NOTE: A two-wire RTD connection is shown. For remotelylocated RTDs, a three-wire RTD conection is recommended.RG becomes 383Ω, RLIN2 is 8060Ω. See Figure 3 andTable I.

FIGURE 9. Isolated 4-20mA Instrument Loop (RTD shown).

54

2

3

15

1314

1110

12

RCV420

16

162

15

1087

9

V–

VO

V+

0 – 5V

ISO122

1

+15V

0

–15V

1µF

1µF

Isolated Powerfrom PWS740

0.01µFQ1

1N4148

8

7

9

E

B

1411

12

13

4

3

2

XTR105

RCM = 1kΩ

1

0.01µF

RLIN1

RG

RLIN2

RTD

6

RG

RG

VLIN IR1 IR2VREG

V+

IRET

IO

10

IO = 4mA – 20mA

VIN–

VIN+

RZ

NOTE: A three-wire RTD connection is shown.For a two-wire RTD connection eliminate RLIN2.

®

RCV4209

1

2

315

14 VRCV420

1213

5

OPA237

O

20kΩ

1011

CT

4–20mA

(5–0V)

+6.25V

12kΩ

+10V

+6.25V

RS

RS

CT

1

2

3

RCV420

–In

+In

15

14

12

5

VO

I1

I2 13

RS

RS

CT

1

2

3

RCV420

–In

+In

10

11

1215

14

13

4–20mA

5

(1)

VO(0–5V)

RS

RS

CT

1

2

3

RCV420

–In

+In

10

11

12

1514

13

5

(N)

VO(0–5V)

RCM(1)

RG(1)

FIGURE 10. Series 4-20mA Receivers.

FIGURE 13. Power Supply Current Monitor Circuit.

FIGURE 12. 4-20mA to 5-0V Conversion.

VO = 6.25V – (0.3125) (IIN)

NOTE: (1) RCM and RG are used to provide a first order correction of CMRand Gain Error, respectively. Table 1 gives typical resistor values for RCM

and RG when as many as three RCV420s are stacked. Table II givestypical CMR and Gain Error with no correction. Further improvement inCMR and Gain Error can be achieved using a 500kΩ potentiometer forRCM and a 100Ω potentiometer for RG.

RCV420 RCM (kΩ) RG (Ω)

1 ∞ 02 200 73 67 23

TABLE 1. Typical Values for RCM and RG.

TABLE II. Typical CMR and Gain ErrorWithout Correction.

RCV420 CMR (dB) GAIN ERROR %

1 94 0.0252 68 0.0753 62 0.200

FIGURE 11. Differential Current-to-Voltage Converter.

VO = 0.3125 (I1 – I2)Max Gain Error = 0.1% (RCV420BG)

(IL MAX

16mA–1)NOTE: (1) RX = RS/

CT

15

5

1213

3

2

1

14RCV420

+In

+In

Load

Load

PowerSupply

CT

15

5

1213

14RCV420

–In

IL

+In

PowerSupply

–40V (max)

+40V (max)

RX(1)

RX(1)

RX(1)

RX(1) RS

RS

RS

RS

VO(0-5V)

VO(0-5V)

IL

10®

RCV420

301Ω

301Ω

0-20mAInput

75Ω

75Ω

1

2

3

16 4

+15V –15V

100kΩ

RCV420

13

1.01kΩ

5

11.5kΩ

92kΩ99kΩ300kΩ

300kΩ

10

11

14

15

12

VO

0-5V

10.0VRef

1

2

12

15

14

10

11

75Ω

75Ω

300kΩ 99kΩ

10.0VReference

1.01kΩ

RCV420

V0–5V

OUT

13 5

16 4–15V+15V

LM193

1.27kΩ

10kΩ

604Ω

6.95V

UnderrangeOutput

OverrangeOutput

1MΩ 10kΩ 10kΩ

3

10.0V

10kΩ

+15V

2N3904

22.9kΩ

10kΩ

0.57V

8

4

4–20mAInput

+5V

AT&TLH1191

Solid-StateRelay

555Timer

8 4

3 1

2

5

1µF 0.01µF

1µF

7

6

470Ω 47kΩ

92kΩ

11.5kΩ

300kΩ 100kΩ

FIGURE 14. 4-20mA Current Loop Receiver with Input Overload Protection.

See Application Bulletin AB-014 for more details.

FIGURE 15. 0-20mA/0-5V Receiver Using RCV420.

See Application Bulletin AB-018 for more details.

1.2 AD694

AD694–SPECIFICATIONSModel AD694JN/AQ/AR AD694BQ/BR

Min Typ Max Min Typ Max Unit

INPUT CHARACTERISTICSInput Voltage Range –0.2 VS –2.0 V VS –2.5 V –0.2 VS –2.0 V VS –2.5 V VInput Bias Current

Either Input, TMIN to TMAX 1.5 5 1.5 5 nAOffset Current, TMIN to TMAX ±0.1 1 ±0.1 1 nAOffset Current Drift ±1.0 ±5.0 ±1.0 ±5.0 pA/°C

Input Impedance 5 5 MΩ

OUTPUT CHARACTERISTICSOperating Current Range 0 23 0 23 mASpecified Performance 4 20 4 20 mAOutput Voltage Compliance VS –36 V VS –2 V VS –36 V VS 2 V VOutput Impedance, 4–20 mA 40.0 50.0 40.0 50.0 MΩCurrent Limit (@ 2 × FS Overdrive 24 44 24 44 mASlew Rate 1.3 1.3 mA/μs

SPAN AND ZERO ACCURACY1

4 mA Offset Error @ 0 V Input2

Error from 4.000 mA, 4 mA On ±10 20 ±5 10 μAError from 0.000 mA, 4 mA Off 0 +10 +20 0 +5 +10 μATMIN to TMAX ±10 40 ±5 20 μAvs. Supply (2 V Span/10 V Span) 0.3/0.05 0.8/0.4 0.3/0.05 0.8/0.4 μA/VTrim Range, 4 mA Zero 2.0 4.8 2.0 4.8 mA

SpanNominal Transfer Function

Input FS = 2 V 8.0 8.0 mA/VInput FS = 10 V 1.6 1.6 mA/V

Transfer Function Error from Nom,Input FS = 2 V, 10 V ±0.1 0.3 ±0.05 0.15 % of SpanTMIN to TMAX ±0.002 ±0.005 ±0.001 0.0025 % of Span/°Cvs. Supply ±0.001 0.005 ±0.001 0.005 % of Span/VNonlinearity3 ±0.005 0.015 ±0.001 0.005 % of Span

4 mA On: Max Pin 9 Voltage 0.8 0.8 V4 mA Off: Min Pin 9 Voltage 3.0 2.5 3.0 2.5 V

VOLTAGE REFERENCEOutput Voltage: 10 V Reference 9.960 10.000 10.040 9.980 10.000 10.020 VOutput Voltage: 2 V Reference 1.992 2.000 2.008 1.996 2.000 2.004 V

TMIN to TMAX4 30 50 20 30 ppm/°C

vs. Load, VREF = 2 V, 10 V 0.15 0.50 0.15 0.50 mV/mAvs. Supply, VREF = 2 V, 10 V ±0.001 0.005 ±0.001 0.005 %/VOutput Current

Source 5 5 mASink 0.2 0.2 mA

ALARM CHARACTERISTICSVCE(SAT) @ 2.5 mA 0.35 0.35 VLeakage Current 1 1 μAAlarm Pin Current (Pin 10) 20 20 mA

POWER REQUIREMENTSSpecified Performance 24 24 VOperating Range

2 V FS, VREF = 2 V 4.5 36 4.5 36 V2 V, 10 V FS, VREF = 2 V, 10 V 12.5 36 12.5 36 V

Quiescent Current, 4 mA Off 1.5 2.0 1.5 2.0 mA

TEMPERATURE RANGESpecified Performance5 AD694AQ/BQ/AR/BR –40 +85 –40 +85 °C

AD694JN 0 +70 0 +70 °COperating AD694AQ/BQ/AR/BR –55 +125 –55 +125 °C

AD694JN –40 +85 –40 +85 °C

(@ +25C, RL = 250 , and VS = +24 V, unless otherwise noted.)

REV. B–2–

Model AD694JN/AQ/AR AD694BQ/BRMin Typ Max Min Typ Max Unit

BUFFER AMPLIFIER6

Input Offset VoltageInitial Offset ±150 500 ±50 500 μVTMIN to TMAX ±2 ±3 ±2 ±3 μV/°Cvs. Supply 80 90 80 90 dBvs. Common Mode 80 90 80 90 dBTrim Range 2.5 ±4.0 2.5 ±4.0 mV

Frequency ResponseUnity Gain, Small Signal 300 300 kHz

Input Voltage Noise (0.1 Hz to 10 Hz) 2 2 μV p-pOpen-Loop Gain

VO = +10 V, RL ≥ 10 kΩ 50 50 V/mVOutput Voltage @ Pin 1, FB1

Minimum Output Voltage 1.0 10 1.0 10 mVMaximum Output Voltage VS –2.5 V VS–2 V VS –2.5 V VS –2 V V

NOTES1The single supply op amps of the AD694, lacking pull down current, may not reach 0.000 V at their outputs. For this reason, span, offset, and nonlinearity arespecified with the input amplifiers operating in their linear range. The input voltage used for the tests is 5 mV to 2 V and 5 mV to 10 V for the two precalibratedinput ranges. Span and zero accuracy are tested with the buffer amplifier configured as a follower.

2Offset at 4 mA out and 0 mA out are extrapolated to 0.000 V input from measurements made at 5 mV and at full scale. See Note 1.3Nonlinearity is specified as the maximum deviation of the output, as a % of span, from a straight line drawn through the endpoints of the transfer function.4Voltage reference drift guaranteed by the Box Method. The voltage reference output over temperature will fall inside of a box whose length is determined by thetemperature range and whose height is determined by the maximum temperature coefficient multiplied by the temperature span in degrees C.

5Devices tested at these temperatures with a pass transistor. Allowable temperature range of operation is dependent upon internal power dissipation. Absolutemaximum junction and case temperature should not be exceeded. See section: “Power Dissipation Considerations.”

6Buffer amplifier specs for reference. Buffer amplifier offset and drift already included in Span and Zero accuracy specs above.

Specifications subject to change without notice.Specifications shown in boldface are tested on all production units at final electrical test. Results from those tests are used to calculate outgoing quality levels.All min and max specifications are guaranteed, although only those shown in boldface are tested on all production units.

AD694

–3–REV. B

PIN CONFIGURATION (N, R, Q PACKAGE)

ABSOLUTE MAXIMUM RATINGSSupply Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 VVS to IOUT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 VInput Voltage, (Either Input Pin 2 or 3) . . . . . –0.3 V to +36 VReference Short Circuit to Common . . . . . . . . . . . . IndefiniteAlarm Voltage, Pin 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 V4 mA Adj, Pin 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 V4 mA On/Off, Pin 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 V to 36 VStorage Temperature Range

AD694Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .–65°C to +150°CAD694N, R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .–65°C to +125°C

Lead Temperature, 10 sec Soldering . . . . . . . . . . . . . . . 300°CMaximum Junction Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . 150°CMaximum Case Temperature

Plastic Package (N, R) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125°CCerdip Package (Q) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125°C

ORDERING GUIDE

Temperature PackageModel Range Option*

AD694JN 0°C to 70°C N-16AD694AQ –40°C to +85°C Q-16AD694AR –40°C to +85°C R-16AD694BQ –40°C to +85°C Q-16AD694BR –40°C to +85°C R-16

*N = Plastic DIP; Q = CERDIP, R = SOIC

Transistor Count: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Active DevicesSubstrate Connection: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . to Com, Pin 5Thermal Characteristics:Plastic (N) Package: θJC = 50°C/Watt

θCA (Still Air) = 85°C/WattCerdip (Q) Package: θJC = 30°C/Watt

θCA (Still Air) = 70°C/WattPlastic (R) Package: θJC = 27°C/Watt

θCA (Still Air) = 73°C/Watt

ESD SusceptibilityAll pins are rated for a minimum of 4000 V protection, exceptfor Pins 2, 3 and 9 which are rated to survive a minimum of1500 V. ESD testing conforms to Human Body Model. Alwayspractice ESD prevention.

No pin, other than IOUT (11) and ±Sig (2), (3) as noted, may be permitted to become more negative than Com (5). No pin may bepermitted to become more positive than VS (13).

AD694

–4– REV. B

Typical Minimum Supply Voltage vs. Temperature for 2 Vand 10 V Full Scale

Maximum RL vs. Supply Voltage

Voltage Reference Power Supply Rejection

IOUT: Voltage Compliance vs. Temperature

FUNCTIONAL DESCRIPTIONThe operation of the AD694 can best be understood by dividingthe circuit into three functional parts (see Figure 1). First, asingle supply input amplifier buffers the high level, single-endedinput signal. The buffer amplifier drives the second section, avoltage to current (V/I) converter, that makes a 0 to 16 mA sig-nal dependent current.

Figure 1. Functional Block Diagram

The third section, a voltage reference and offset generator, is re-sponsible for providing the 4 mA offset current signal.

BUFFER AMPLIFIERThe buffer amplifier is a single supply amplifier that may beused as a unity gain buffer, an output amplifier for a currentoutput DAC, or as a gain block to amplify low level signals. Theamplifier’s PNP input stage has a common-mode range that ex-tends from a few hundred mV below ground to within 2.5 V ofVS. The Class A output of the amplifier appears at Pin 1 (FB).The output range extends from about 1 mV above common towithin 2.5 V of VS when the amplifier is operated as a follower.The amplifier can source a maximum load of 5 kΩ, but can sinkonly as much as its internal 10 kΩ pulldown resistor allows.

V/I CONVERTERThe ground referenced, input signal from the buffer amplifier isconverted to a 0 to 0.8 mA current by A2 and level shifted tothe positive supply. A current mirror then multiplies this signalby a factor of 20 to make the signal current of 0 to 16 mA. Thistechnique allows the output stage to drive a load to within 2 Vof the positive supply (VS). Amplifier A2 forces the voltage atPin 1 across resistors R1 and R2 by driving the Darlington tran-sistor, Q2. The high gain Darlington transmits the resistor cur-rent to its collector and to R3 (900 Ω). A3 forces the levelshifted signal across the 45 Ω resistor to get a current gain of 20.The transfer function of the V/I stage is therefore:

I V R1 R2OUT PIN1= × +( )20 /

resulting in a 0-16 mA output swing for a 0–10 V input. TyingPin 4 (2 V FS) to ground shorts out R2 and results in a 2 Vfull-scale input for a 16 mA output span.

The output stage of the V/I converter is of a unique design thatallows the IOUT pin to drive a load below the common (sub-strate) potential of the device. The output transistor can alwaysdrive a load to a point 36 V below the positive supply (VS). An

AD694

REV. B –5–

Table I. Precalibrated Ranges for the AD694

Input Output Voltage MinRange Range Reference VS Pin 9 Pin 4 Pin 8

0–2 V 4–20 mA 2 V 4.5 V Pin 5 Pin 5 Pin 70–10 V 4–20 mA 2 V 12.5 V Pin 5 Open Pin 70–2.5 V 0–20 mA 2 V 5.0 V ≥3 V Pin 5 Pin 70–12.5 V 0–20 mA 2 V 15.0 V ≥3 V Open Pin 70–2 V 4–20 mA 10 V 12.5 V Pin 5 Pin 5 Open0–10 V 4–20 mA 10 V 12.5 V Pin 5 Open Open0–2.5 V 0–20 mA 10 V 12.5 V ≥3 V Pin 5 Open0–12.5 V 0–20 mA 10 V 15.0 V ≥3 V Open Open

BASIC CONNECTIONS: 12.5 V SINGLE-SUPPLYOPERATION WITH 10 V FSFigure 2 shows the minimal connections required for basicoperation with a 12.5 V power supply, 10 V input span,4–20 mA output span, and a 10 V voltage reference. The bufferamplifier is connected as a voltage follower to drive the V/Iconverter by connecting FB (Pin 1) to –Sig (Pin 2). 4 mA On/Off (Pin 9) is tied to ground (Pin 5) to enable the 4 mA offsetcurrent. The AD694 can drive a maximum load RL = [VS – 2 V]/20 mA, thus the maximum load with a 12.5 V supply is 525 Ω.

SELECTING A 2 V FULL-SCALE INPUTThe 2 V full-scale option is selected by shorting Pin 4 (2 V FS)to Pin 5 (Common). The connection should be as short as pos-sible; any parasitic resistance will affect the precalibrated spanaccuracy.

SELECTING THE 2 V VOLTAGE REFERENCEThe voltage reference is set to a 2 V output by shorting Pin 7 toPin 8 (10 V Force to 2 V Sense). If desired, the 2 V referencecan be set up for remote force and sense connection. Keep inmind that the 2 V Sense line carries a constant current of 100 μAthat could cause an offset error over long wire runs. The 2 Vreference option can be used with all supply voltages greaterthan 4.5 V.

optional NPN pass transistor can be added to transfer most ofthe power dissipation off-chip, to extend the temperature rangeof operation.

The output stage is current-limited at approximately 38 mA toprotect the output from an overdrive at its inputs. The V/I willallow linear operation to approximately 24 mA. The V/I con-verter also has an open collector alarm (Pin 10) which warns ofopen-circuit condition at the IOUT pin or of attempts to drive theoutput to a voltage greater than VS – 2 V.

4 mA OFFSET GENERATORThis circuit converts a constant voltage from the voltagereference to a constant current of approximately 200 μA. Thiscurrent is summed with the signal current at Pin 14 (BWAdjust), to result in a constant 4 mA offset current at IOUT. The4 mA Adj (Pin 6) allows the offset current to be adjusted to anycurrent in the range of 2 mA to 4.8 mA. Pin 9 (4 mA On/Off)can shut off the offset current completely if it is lifted to 3.0 V ormore, allowing 0 to 20 mA operation of the AD694. In normal4–20 mA operation, Pin 9 is connected to ground.

VOLTAGE REFERENCEA 2 V or 10 V voltage reference is available for user applications,selectable by pin-strapping. The 10 V option is available forsupply voltages greater than 12.5 V, the 2 V output is availableover the whole 4.5 V to 36 V power supply range. The referencecan source up to 5 mA for user applications. A boost transistorcan be added to increase the current drive capability of the 2 Vmode.

APPLYING THE AD694The AD694 can easily be connected for either dual or singlesupply operation, to operate from supplies as low as 4.5 V andas high as 36 V. The following sections describe the differentconnection configurations, as well as adjustment methods.Table I shows possible connection options.

Figure 2. Minimal Connections for 0 V to 10 V Single-Ended Input, 4–20 mA Output, 10 V Reference Output

AD694

–6– REV. B

An NPN boost transistor can be added in the 2 V mode to in-crease the current drive capability of the 2 V reference. The10 V force pin is connected to the base of the NPN, and theNPN emitter is connected to the 2 V sense pin. The minimumVS Of the part increases by approximately 0.7 V.

4.5 V SINGLE SUPPLY OPERATIONFor operation with a 4.5 V power supply, the input span and thevoltage reference output must be reduced to give the amplifierstheir required 2.5 V of headroom for operation. This is done byadjusting the AD694 for 2 V full-scale input, and a voltage ref-erence output of 2 V as described above.

GENERAL DESIGN GUIDELINESA 0.1 μF decoupling capacitor is recommended in all applica-tions from VS (Pin 13) to Com (Pin 5). Additional componentsmay be required if the output load is nonresistive, see section ondriving nonresistive loads. The buffer amplifier PNP inputsshould not be brought more negative than –0.3 V from com-mon, or they will begin to source large amounts of current. In-put protection resistors must be added to the inputs if there is adanger of this occurring. The output of the buffer amplifier, Pin1 (FB), is not short circuit protected. Shorting this pin toground or VS with a signal present on the amplifier may damageit. Input signals should not drive Pin 1 (FB) directly; always usethe buffer amplifier to buffer input signals.

DRIVING NONRESISTIVE LOADSThe AD694 is designed to be stable when driving resistive loads.Adding a 0.01 μF capacitor from IOUT (Pin 11) to Com (Pin 5),as shown in Figure 3, ensures the stability of the AD694 whendriving inductive or poorly defined loads. This capacitor is rec-ommended when there is any uncertainty as to the characteris-tics of the load.

Figure 3. Capacitor Utilized When Driving NonresistiveLoads; Protection Diodes Used When Driving InductiveLoads

Additional protection is recommended when driving inductiveloads. Figure 3 shows two protective diodes, D1 and D2, addedto protect against voltage spikes that may extend above VS orbelow common that could damage the AD694. These diodesshould be used in addition to the 0.01 μF capacitor. When theoptional NPN transistor is used, the capacitor and diodesshould connect to the NPN emitter instead of Pin 11.

0-20 mA OPERATIONA 0–20 mA output range is available with the AD694 by remov-ing the 4 mA offset current with the 4 mA On/Off pin. In nor-mal 4–20 mA operation, the 4 mA On/Off (Pin 9) is tied toground, enabling the 4 mA offset current. Tying Pin 9 to a po-tential of 3 V or greater turns off the 4 mA offset current; con-necting Pin 9 to the 10 V reference, the positive supply, or aTTL control pin, is a convenient way to do this. In 0–20 mAmode, the input span is increased by 20%, thus theprecalibrated input spans of 2 V and 10 V become 2.5 V and12.5 V. Minimum supply voltages for the two spans increase to5 V and 15 V.

The 4 mA On/Off pin may also be used as a “jiggle pin” tounstick valves or actuators, or as a way to shut off a 4–20 mAloop entirely. Note that the pin only removes the 4 mA offsetand not the signal current.

DUAL SUPPLY OPERATIONFigure 4 shows the AD694 operated in dual supply mode. (Notethat the pass transistor is shown for illustration and is not re-quired for dual supply operation.) The device is powered com-pletely by the positive supply which may be as low as 4.5 V. Theunique design of the output stage allows the IOUT pin to extendbelow common to a negative supply. The output stage cansource a current to a point 36 V below the positive supply. Forexample, when operated with a 12.5 V supply, the AD694 cansource a current to a point as low as 23.5 V below common.This feature can simplify the interface to dual supply DACs byeliminating grounding and level-shifting problems while increas-ing the load that the transmitter is able to drive. Note that theIOUT pin is the only pin that should be allowed to extend lowerthan –0.3 V of common.

OPERATION WITH A PASS TRANSISTORThe AD694 can operate as a stand-alone 4–20 mA converterwith no additional active components. However, provisions havebeen made to connect IOUT to the base of an external NPN passtransistor as shown in Figure 4. This permits a majority of thepower dissipation to be moved off-chip to enhance performanceand extend the temperature range of operation. Note that thepositive output voltage compliance is reduced by approximately0.7 V, the VBE of the pass device. A 50 Ω resistor should beadded in series with the pass transistor collector, when theAD694 is operated with dual supplies, as shown in Figure 4.This will not reduce the voltage compliance of the output stage.

The external pass transistor selected should have a BVCEO

greater than the intended supply voltage with a sufficient powerrating for continuous operation with 25 mA current at the sup-ply voltage. FT should be in the 10 MHz to 100 MHz range andβ should be greater than 10 at a 20 mA emitter current. Heatsinking the external pass transistor is suggested.

AD694

REV. B –7–

Figure 4. Using Optional Pass Transistor to Minimize Self-Heating Errors; Dual Supply Operation Shown

POWER DISSIPATION CONSIDERATIONSThe AD694 is rated for operation over its specified temperaturewithout the use of an external pass transistor. However, it ispossible to exceed the absolute maximum power dissipation,with some combinations of power supply voltage and voltagereference load. The internal dissipation of the part can be calcu-lated to determine if there is a chance that the absolute maxi-mum dissipation may be exceeded. The die temperature mustnever exceed 150°C.

Total power dissipation (PTOT), is the sum of power dissipatedby the internal amplifiers, P (Standing), the voltage reference,P(VREF) and the current output stage, P(IOUT) as follows:

PTOT = P (Standing) + P (VREF) + P (IOUT)where: P (Standing) = 2 mA (max) × VS

P (VREF) = (VS – VREF) × IVREF

P(IOUT) (VS – VOUT) × IOUT (max):

IOUT (max) may be the max expected operating cur-rent, or the overdriven current of the device.

P(IOUT) drops to (2 V × IOUT) if a pass transistoris used.

Definitions: VREF = output voltage of reference IVREF = output current of reference VS = supply voltage VOUT = voltage at IOUT pin.

An appropriate safety factor should be added to PTOT.

The junction temperature may be calculated with the followingformula:

TJ = PTOT (θJC + θCA) + TAMBIENT

θJC is the thermal resistance between the chip and the package(case), θCA is the thermal resistance between the case and itssurroundings and is determined by the characteristics of thethermal connection of the case to ambient.

For example, assume that the part is operating with a VS of 24 Vin the CERDIP package at 50°C, with a 1 mA load on the 10 Vreference. Assume that IOUT is grounded and that the max IOUT

would be 20 mA. The internal dissipation would be:

P(TOT) = 2 mA × 24 V + (24 V – 10 V) × 1 mA + (24 V – 0 V) × 20 mA

= 48 mW + 14 mW + 480 mW = 542 mW

Using θJC of 30°C/W and θCA of 70°C/W (from specificationspage), the junction temperature is:

TJ = 542 mW (30°C/W + 70°C/W) + 50°C = 104.2°CThe junction temperature is in the safe region.

Internal power dissipation can be reduced either by reducing thevalue of θCA through the use of air flow or heat sinks, or by re-ducing PTOT of the AD694 through the use of an external passtransistor. Figure 5 shows the maximum case and still air tem-peratures for a given level of power dissipation.

Figure 5. Internal Power Dissipation in mW

ADJUSTMENT PROCEDURESThe following sections describe methods for trimming the out-put current offset, the span, and the voltage reference.

ADJUSTING 4 mA ZEROThe 4 mA zero current may be adjusted over the range of 2 mAto 4.8 mA to accommodate large input signal offsets, or to allowsmall adjustment in the zero current. The zero may be adjustedby pulling up or down on Pin 6 (4 mA Adj) to increase or de-crease the nominal offset current. The 4 mA Adj. (Pin 6) shouldnot be driven to a voltage greater than 1 V. The arrangement of

AD694

–8– REV. B

Figure 6 will give an approximately linear adjustment of the4 mA offset within fixed limits. To find the proper resistor val-ues, first select X, the desired range of adjustment as a fractionof 4 mA. Substitute this value in the appropriate formula belowalong with the chosen reference output voltage (VREF = 2 V or10 V usually), to determine the resistor values required.

RP = 180 Ω (1/X – 4.5)

RF = 500 Ω [(VREF / 1.22 V) – 0.18 – 0.82X][1/X – 4.5]

These formulae take into account the ±10% internal resistortolerance and ensure a minimum adjustment range for the 4 mAoffset. For example, assume the 2 V reference option has beenselected. Choosing X = 0.05, gives an adjustment range of ±5%of the 4 mA offset.

RP = 180 Ω (1/0.05 – 4.5) = 2.79 kΩRF = 500 Ω [(2 V / 1.22) – 0.18 – 0.82 × 0.05][1/0.05 – 4.5]

= 10.99 kΩThese can be rounded down to more convenient values of2.5 kΩ and 9.76 kΩ. In general, if the value of RP is roundeddown slightly, the value of RF should be rounded down propor-tionately, and vice versa. This helps to keep the adjustmentrange symmetrical.

Figure 6. Optional 4 mA Zero Adjustment

ADJUSTING SPAN FOR 10 V FSWhen the AD694 is configured with a 10 V input full-scale thespan maybe adjusted using the network shown in Figure 7. Thisscheme allows an approximately linear adjustment of the spanabove or below the nominal value. The span adjustment doesnot interact with the 4 mA offset. To select RS and RT, choose

Figure 7. Span Adjustment, 10 V Full Scale

X, the desired adjustment range as a fraction of the span. Sub-stitute this value in the appropriate formula below.

RT = 1.8 kΩ ((1 – X)/X)

RS = 9 kΩ [1 – 0.2 (1 + X)( 1 – X )] / 2X

These formulae take into account the ±10% absolute resistortolerance of the internal span resistors and ensure a minimumadjustment range of the span. For example, choosing the adjust-ment range to be ±2%, or 0.02 gives:

RT = 1.8 kΩ ((1 – 0.02) / 0.02) = 88.2 kΩ.RS = 9 kΩ [1 – 0.2 (1 + 0.02)( 1 – 0.02 )] / (2 × 0.02) =

175.5 kΩThese values can be rounded up to the more convenient valuesof 100 kΩ and 198 kΩ. In general, if RT is rounded up, then thevalue of RS should be rounded up proportionally, and vice versa.

ADJUSTING SPAN FOR 2 V FSThe precalibrated 2 V full-scale range requires a different ad-justment scheme due to the single supply nature of the AD694.Figure 8 shows an adjustment scheme that allows an approxi-mately linear adjustment of the 2 V span plus or minus thenominal value. The span adjustment does not affect the value ofthe 4 mA offset current.

To find the proper resistor values first select X, the desiredrange of adjustment as a fraction of the output span. Substitutethis value into the following formulae:

RA = 2 × X × RB where RB is greater than 5 KRC = (2.75 kΩ × X)/(1 – 0.275X)

These formulae take into account the ±10% absolute toleranceof the internal span resistors and ensure a minimum adjustmentrange.

For example, choosing the adjustment range to be ±320 μA ofFS or, ±2%, let X = 0.02. Thus:

Setting RB = 10 K, then RA = 2(.02) × 10 kΩ = 400 ΩRC = (2.75 kΩ × 0.02)/ (1 – 0.275 × (0.02)) = 55.3 ΩThe value of RC can be rounded to the more convenient value of49.9 Ω. In general, if RA is rounded up, then RC should berounded up proportionally, and vice versa; rounding up will in-crease the range of adjustment.

AD694

REV. B –9–

Figure 8. Span Adjustment, 2 V Full Scale

PROGRAMMING OTHER SPANSThere are two methods for programming input spans less than10 V. The first decreases the input span by programming a non-inverting gain into the buffer amplifier. For example, to achievean input span of 0–5 V, the AD694 is set in its 10 V full-scalemode and the buffer amplifier is configured with a noninvertinggain of 2 by adding 2 resistors. Now a 5 V signal at +Sig resultsin a 10 V full-scale signal at FB (Pin 1), the input to the V/I.This method requires that the V/I be programmed to a 10 V fullscale for input spans between 2 V to 10 V. It should be pro-grammed to a 2 V full scale if input spans of less than 2 V arerequired. This adjustment scheme makes the accuracy of thespan adjustment dependent upon the ratio accuracy of the re-quired gain resistors. Thus, it is possible to accurately configurespans other than 2 V or 10 V without using trimming potenti-ometers, given that the resistor ratios are sufficiently accurate. Asupply voltage of 12.5 V is required for spans between 2 V and10 V. Spans below 2 V require a VS of 4.5 V or greater.

A second method, allows other spans of less than 10 V to beprogrammed when supply voltage is less than 12.5 V. Since theAD694 amplifiers require 2.5 V of headroom for operation, a5 V full-scale input is possible with a 7.5 V supply. This isachieved by placing a resistor, in parallel with R2, (2 V FS [Pin4] to Com [Pin 5]), to adjust the transconductance of the V/Iconverter without a headroom penalty. A disadvantage of thismethod is that the external resistor must match the internal re-sistor in a precise manner, thus a span trim will be required.The value should be chosen to allow for the ±10% uncertaintyin the absolute value of the internal resistor R2.

ADJUSTING REFERENCE OUTPUTFigure 9 shows one method of making small adjustments to the10 V reference output. This circuit allows a linear adjustmentrange of ±200 mV. The 2 V reference may also be adjusted butonly in the positive direction.

Other reference voltages can be programmed by adding externalresistors. For example, a resistor placed in parallel with R5 canbe added to boost the reference output as high as 20 V. Con-versely, a resistor in parallel with R6 can be used to set the refer-ence voltage to a value between 2 V and 10 V. The outputvoltage VREF = 2 V (R6 + R5)/R5. In choosing external

adjustment resistors remember that the internal resistors, whileratio matched to a high degree of accuracy, have an absolute re-sistor tolerance of only ±10%. Be prepared to compensate forthis if a precise voltage other than the precalibrated values of 2V or 10 V is required.

Figure 9. 10 V Reference Output Adjustment

BANDWIDTH CONTROLThe bandwidth of the AD694 can be limited to provide noisefiltering. This is achieved by connecting an external capacitorfrom BW ADJ (Pin 14) to VS (Pin 13) as shown in Figure 10.To program the bandwidth, substitute the desired bandwidth inHz, into the formula below to determine the required capacitor.

C BW = × ×1 2 900/ ( )π ΩThe bandwidth chosen will vary ±10% due to internal resistortolerance, plus an additional amount due to capacitor tolerance.

This method of bandwidth control is not recommended as away to filter large high frequency transients in the input signal.It is recommended that frequencies greater than the BW of thebuffer amplifier be eliminated with an input filter to avoid recti-fication of noise by the input amplifiers.

Figure 10. Noise Filtering with an External Capacitor

BUFFER AMPLIFIER OFFSET ADJUSTThe buffer amplifier input voltage offset has been laser trimmedto a high degree of accuracy; however, there may be occasionswhen an offset trim is desired. Figure 11 shows the adjustmentmethod; a trim range of greater than ±2.5 mV is available withthis scheme. It is not recommended that this adjustmentmethod be used to affect the 4 mA offset current as the trim willinduce offset drift into the buffer amplifier. The buffer amplifierwill drift approximately 1 μV/°C for each 300 μV of inducedoffset. To adjust the 4 mA offset current refer to the Adjusting4 mA Zero section.

AD694

–10– REV. B

Figure 11. Buffer Amplifier VOS Adjustment

APPLICATIONS

CURRENT OUTPUT DAC INTERFACEThe AD694 can be easily interfaced to current output DACssuch as the AD566A to construct a digital to 4–20 mA interfaceas shown in Figure 13. The AD694 provides the voltage refer-ence and the buffer amplifier necessary to operate the DAC.Only simple connections are necessary to construct the circuit.The 10 V reference of the AD694 supplies reference input of theAD566. The buffer amplifier converts the full-scale current to+10 V utilizing the internal resistors in the DAC; therefore theAD694 is configured for a 10 V full-scale input. A 10 pF capaci-tor compensates for the 25 pF output capacitance of the DAC.An optional 100 Ω trim resistor (RT) allows the full-scale to betrimmed, a 50 Ω resistor may be substituted if a trim is not re-quired; accuracy will be typically ±1 LSB and the trim does notaffect the 4 mA offset. Care should be taken in managing thecircuit grounds. Connections from AD694 Pins 9, 3 and AD566Pins 3 and 7 should be as short as possible and to a single pointclose to Pin 5 of the AD694. Best practice would have separateconnections to the star ground from each pin; this is essential

Figure 12. Using the Alarm to Drive a TTL Gate

ALARM CIRCUITThe AD694 has an alarm circuit which warns of open circuitconditions at IOUT (Pin 11), or of attempts to drive the voltageat IOUT higher than VS – 2 V. The alarm transistor will pulldown if an out of control condition is sensed. The alarm currentis limited to about 20 mA.

Figure 12 shows a typical application. In a digital/analog systemthe alarm can provide a TTL signal to a controller. The collec-tor of the alarm transistor is tied to the system logic supplythrough a 20 kΩ pull-up resistor. The alarm is off in normal op-eration and the voltage at the alarm pin is high. In the event thatthe wire from IOUT (Pin 11) is opened, or if a large input over-drive forces IOUT too close to VS, then the alarm pin is drivenlow. This configuration is compatible with CMOS or TTL logiclevels. The alarm transistor can also be used to directly drive anLED or other indicators.

for the AD566 power ground from Pin 12. The 4–20 mA output(Pin 11) must have a return path to the power ground. The re-turn line from the load may be connected to the power ground,or to the –15 V supply based upon the size of the load to bedriven, and on power dissipation considerations.

SINGLE-SUPPLY DIGITAL TO 4–20 mA INTERFACEA 12 bit input to 4–20 mA output interface can be constructedthat operates on a single 15 V supply. The DAC is operated inits voltage switching mode; this allows the DAC, when suppliedwith a voltage reference of less than 2.5 V, to provide an outputvoltage that is proportional to the digital input code and rangesfrom 0 V to VREF. The AD694 voltage reference is connected tosupply 2 V and the input stage is set to a 2 V full scale; the inputbuffer amplifier serves to buffer the voltage output from theDAC. Connected in this manner, a full-scale DAC input codewill result in a 20 mA output and an all 0 code will result in a4 mA output. The loading on the AD694 voltage reference is

AD694

REV. B –11–

Figure 13. Digital to 4–20 mA Interface Using a Current Steering DAC

Figure 14. Single-Supply Digital Input to 4–20 mA Output

code dependent, and the response time of the circuit will be de-termined by the reaction of the voltage reference. The supplyvoltage to the AD7541A should be kept close to 15 V. If VS isreduced significantly from 15 V the differential nonlinearity ofthe DAC will increase and the linearity will be degraded.

In some applications it is desirable to have some underrange andoverrange in the 4–20 mA output. For example, assume an overand under range capability of ±5% of span is needed, then theoutput current range corresponding to the full scale of the DACis 3.2 mA to 20.8 mA. To accomplish this, the span of theAD694 would be increased 10% to 17.6 mA by adding a nonin-verting gain of 1.1 to the buffer amplifier. The 4 mA offsetwould then be reduced by 0.8 mA, by utilizing the adjustmentscheme explained in Adjusting 4 mA Zero section. Then a digi-tal input from all zero code to full scale would result in an out-put current of 3.2 mA to 20.8 mA.

LOW COST SENSOR TRANSMITTERSensor bridges typically output differential signals in the 10 mVto 100 mV full-scale range. With an AD694, a dual op amp, and

some resistors, an instrumentation amplifier front end can beadded which easily handles these types of low level signals.

The traditional 3 op amp instrumentation amplifier is built us-ing an AD708 dual op amp for the front end, and the AD694’sbuffer amplifier is used for the subtractor circuit, as shown inFigure 15. The AD694’s 2 V reference is used to provide a“ground” of 2 V that ensures proper operation of the in ampover a wide common mode range. The reference pin of thesubtractor circuit is tied to the 2 V reference (point C). A 2 kΩpull-down resistor ensures that the voltage reference will be ableto sink any subtractor current. The 2 V FS (Pin 4) is attached tothe 2 V reference; this offsets the input range of the V/I con-verter 2 volts positive, to match the “ground” of the in amp.

The AD694 will now output a 4–20 mA output current for a0 V to 2 V differential swing across VA. The gain of the in ampfront end is adjusted so that the desired full-scale input signal atVIN results in a VA of 2 V. For example a sensor that has a 100mV full scale will require a gain of 20 in the front end. The gainis determined according to the equation:

G = [2RS/Rg] + 1

AD694

–12– REV. B

Figure 15. Low Cost Sensor Transmitter

The circuit shown, will convert a positive differential signal atVIN to a 4–20 mA current. The circuit has common-mode rangeof 3 V to 8 V. The low end of the common-mode range is limitedby the AD708’s ability to pull down on RS. A single supply am-plifier could be used instead to extend the common-mode rangedown to about 1.5 V.

As shown, the circuit handles positive differential signals (VIN

positive). To handle bipolar differential signals (VIN is positiveor negative), the reference pin of the in amp (Point C) must beoffset positively from the 2 V reference. For example, discon-necting Point C from the 2 V reference and connecting it to a3 V source would result in a VA of 1 V (or half scale) for a zerovolt differential input from the sensor.

AD694

REV. B –13–

OUTLINE DIMENSIONS

16-Lead Ceramic DIP-Glass Hermetic Seal Package [CERDIP](Q-16)

Dimensions shown in millimeters and (inches)

16

1 8

9

7.87 (0.3100)

5.59 (0.2200)

PIN 1

0.13(0.0051)

MIN

2.03 (0.0799)MAX

15 0

8.13 (0.3201)

7.37 (0.2902)

0.38 (0.0150)

0.20 (0.0079)

SEATINGPLANE

5.08 (0.2000)MAX

21.34 (0.8402) MAX

3.81(0.1500)MIN

5.08 (0.2000)

3.18 (0.1252)

0.58 (0.0228)

0.36 (0.0142)

2.54(0.1000)

BSC

1.78 (0.0701)

0.76 (0.0299)

1.52 (0.0598)

0.38 (0.0150)

CONTROLLING DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS; INCH DIMENSIONS(IN PARENTHESES) ARE ROUNDED-OFF MILLIMETER EQUIVALENTS FORREFERENCE ONLY AND ARE NOT APPROPRIATE FOR USE IN DESIGN

16-Lead Plastic Dual-in-Line Package [PDIP](N-16)

Dimensions shown in millimeters and (inches)

16

1 8

9

PIN 1

21.34 (0.8402)

18.92 (0.7449)

7.11 (0.2799)

6.10 (0.2402)

SEATINGPLANE

1.52 (0.0598)

0.38 (0.0150)5.33 (0.2098)

MAX

0.56 (0.0220)

0.36 (0.0142)

4.06 (0.1598)

2.93 (0.1154)

2.54(0.1000)

BSC

1.77 (0.0697)

1.15 (0.0453)

3.30(0.1299)MIN

4.95 (0.1949)

2.93 (0.1154)

0.38 (0.0150)

0.20 (0.0079)

8.25 (0.3248)

7.62 (0.3000)


16-Lead Standard Small Outline Package [SOIC]Wide Body

(R-16)Dimensions shown in millimeters and (inches)

SEATINGPLANE

0.30 (0.0118)

0.10 (0.0039)

0.51 (0.0201)

0.33 (0.0130)

2.65 (0.1043)

2.35 (0.0925)1.27 (0.0500)

BSC

16 9

81

10.65 (0.4193)

10.00 (0.3937)

7.60 (0.2992)

7.40 (0.2913)

PIN 1

10.50 (0.4134)

10.10 (0.3976)

0.32 (0.0126)

0.23 (0.0091)

80

0.75 (0.0295)

0.25 (0.0098) 45

1.27 (0.0500)

0.40 (0.0157)COPLANARITY

0.10


COMPLIANT TO JEDEC STANDARDS MS-013AA

1.3 LM741

LM741Operational AmplifierGeneral DescriptionThe LM741 series are general purpose operational amplifi-ers which feature improved performance over industry stan-dards like the LM709. They are direct, plug-in replacementsfor the 709C, LM201, MC1439 and 748 in most applications.

The amplifiers offer many features which make their appli-cation nearly foolproof: overload protection on the input and

output, no latch-up when the common mode range is ex-ceeded, as well as freedom from oscillations.

The LM741C is identical to the LM741/LM741A except thatthe LM741C has their performance guaranteed over a 0˚C to+70˚C temperature range, instead of −55˚C to +125˚C.

Features

Connection Diagrams

Metal Can Package Dual-In-Line or S.O. Package

00934102

Note 1: LM741H is available per JM38510/10101

Order Number LM741H, LM741H/883 (Note 1),LM741AH/883 or LM741CH

See NS Package Number H08C

00934103

Order Number LM741J, LM741J/883, LM741CNSee NS Package Number J08A, M08A or N08E

Ceramic Flatpak

00934106

Order Number LM741W/883See NS Package Number W10A

Typical Application

Offset Nulling Circuit

00934107

August 2000

LM741

OperationalA

mplifier

© 2004 National Semiconductor Corporation DS009341 www.national.com

Absolute Maximum Ratings (Note 2)

If Military/Aerospace specified devices are required,please contact the National Semiconductor Sales Office/Distributors for availability and specifications.

(Note 7)

LM741A LM741 LM741C

Supply Voltage ±22V ±22V ±18V

Power Dissipation (Note 3) 500 mW 500 mW 500 mW

Differential Input Voltage ±30V ±30V ±30V

Input Voltage (Note 4) ±15V ±15V ±15V

Output Short Circuit Duration Continuous Continuous Continuous

Operating Temperature Range −55˚C to +125˚C −55˚C to +125˚C 0˚C to +70˚C

Storage Temperature Range −65˚C to +150˚C −65˚C to +150˚C −65˚C to +150˚C

Junction Temperature 150˚C 150˚C 100˚C

Soldering Information

N-Package (10 seconds) 260˚C 260˚C 260˚C

J- or H-Package (10 seconds) 300˚C 300˚C 300˚C

M-Package

Vapor Phase (60 seconds) 215˚C 215˚C 215˚C

Infrared (15 seconds) 215˚C 215˚C 215˚C

See AN-450 “Surface Mounting Methods and Their Effect on Product Reliability” for other methods ofsoldering

surface mount devices.

ESD Tolerance (Note 8) 400V 400V 400V

Electrical Characteristics (Note 5)

Parameter Conditions LM741A LM741 LM741C Units

Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max

Input Offset Voltage TA = 25˚C

RS ≤ 10 kΩ 1.0 5.0 2.0 6.0 mV

RS ≤ 50Ω 0.8 3.0 mV

TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX

RS ≤ 50Ω 4.0 mV

RS ≤ 10 kΩ 6.0 7.5 mV

Average Input Offset 15 μV/˚C

Voltage Drift

Input Offset Voltage TA = 25˚C, VS = ±20V ±10 ±15 ±15 mV

Adjustment Range

Input Offset Current TA = 25˚C 3.0 30 20 200 20 200 nA

TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX 70 85 500 300 nA

Average Input Offset 0.5 nA/˚C

Current Drift

Input Bias Current TA = 25˚C 30 80 80 500 80 500 nA

TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX 0.210 1.5 0.8 μA

Input Resistance TA = 25˚C, VS = ±20V 1.0 6.0 0.3 2.0 0.3 2.0 MΩTAMIN ≤ TA ≤ TAMAX, 0.5 MΩVS = ±20V

Input Voltage Range TA = 25˚C ±12 ±13 V

TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX ±12 ±13 V

LM74

1

www.national.com 2

Electrical Characteristics (Note 5) (Continued)

Parameter Conditions LM741A LM741 LM741C Units

Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max

Large Signal Voltage Gain TA = 25˚C, RL ≥ 2 kΩVS = ±20V, VO = ±15V 50 V/mV

VS = ±15V, VO = ±10V 50 200 20 200 V/mV

TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX,

RL ≥ 2 kΩ,

VS = ±20V, VO = ±15V 32 V/mV

VS = ±15V, VO = ±10V 25 15 V/mV

VS = ±5V, VO = ±2V 10 V/mV

Output Voltage Swing VS = ±20V

RL ≥ 10 kΩ ±16 V

RL ≥ 2 kΩ ±15 V

VS = ±15V

RL ≥ 10 kΩ ±12 ±14 ±12 ±14 V

RL ≥ 2 kΩ ±10 ±13 ±10 ±13 V

Output Short Circuit TA = 25˚C 10 25 35 25 25 mA

Current TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX 10 40 mA

Common-Mode TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX

Rejection Ratio RS ≤ 10 kΩ, VCM = ±12V 70 90 70 90 dB

RS ≤ 50Ω, VCM = ±12V 80 95 dB

Supply Voltage Rejection TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX,

Ratio VS = ±20V to VS = ±5V

RS ≤ 50Ω 86 96 dB

RS ≤ 10 kΩ 77 96 77 96 dB

Transient Response TA = 25˚C, Unity Gain

Rise Time 0.25 0.8 0.3 0.3 μs

Overshoot 6.0 20 5 5 %

Bandwidth (Note 6) TA = 25˚C 0.437 1.5 MHz

Slew Rate TA = 25˚C, Unity Gain 0.3 0.7 0.5 0.5 V/μs

Supply Current TA = 25˚C 1.7 2.8 1.7 2.8 mA

Power Consumption TA = 25˚C

VS = ±20V 80 150 mW

VS = ±15V 50 85 50 85 mW

LM741A VS = ±20V

TA = TAMIN 165 mW

TA = TAMAX 135 mW

LM741 VS = ±15V

TA = TAMIN 60 100 mW

TA = TAMAX 45 75 mW

Note 2: “Absolute Maximum Ratings” indicate limits beyond which damage to the device may occur. Operating Ratings indicate conditions for which the device isfunctional, but do not guarantee specific performance limits.

LM741

www.national.com3

Electrical Characteristics (Note 5) (Continued)Note 3: For operation at elevated temperatures, these devices must be derated based on thermal resistance, and Tj max. (listed under “Absolute MaximumRatings”). Tj = TA + (θjA PD).

Thermal Resistance Cerdip (J) DIP (N) HO8 (H) SO-8 (M)

θjA (Junction to Ambient) 100˚C/W 100˚C/W 170˚C/W 195˚C/W

θjC (Junction to Case) N/A N/A 25˚C/W N/A

Note 4: For supply voltages less than ±15V, the absolute maximum input voltage is equal to the supply voltage.

Note 5: Unless otherwise specified, these specifications apply for VS = ±15V, −55˚C ≤ TA ≤ +125˚C (LM741/LM741A). For the LM741C/LM741E, thesespecifications are limited to 0˚C ≤ TA ≤ +70˚C.

Note 6: Calculated value from: BW (MHz) = 0.35/Rise Time(μs).

Note 7: For military specifications see RETS741X for LM741 and RETS741AX for LM741A.

Note 8: Human body model, 1.5 kΩ in series with 100 pF.

Schematic Diagram

00934101

LM74

1

www.national.com 4

Physical Dimensions inches (millimeters)unless otherwise noted

Metal Can Package (H)Order Number LM741H, LM741H/883, LM741AH/883, LM741AH-MIL or LM741CH

NS Package Number H08C

LM741

www.national.com5

Physical Dimensions inches (millimeters) unless otherwise noted (Continued)

Ceramic Dual-In-Line Package (J)Order Number LM741J/883NS Package Number J08A

Dual-In-Line Package (N)Order Number LM741CN

NS Package Number N08E

LM74

1

www.national.com 6


10-Lead Ceramic Flatpak (W)Order Number LM741W/883, LM741WG-MPR or LM741WG/883

NS Package Number W10A

National does not assume any responsibility for use of any circuitry described, no circuit patent licenses are implied and National reservesthe right at any time without notice to change said circuitry and specifications.

For the most current product information visit us at www.national.com.

LIFE SUPPORT POLICY

NATIONAL’S PRODUCTS ARE NOT AUTHORIZED FOR USE AS CRITICAL COMPONENTS IN LIFE SUPPORT DEVICES OR SYSTEMSWITHOUT THE EXPRESS WRITTEN APPROVAL OF THE PRESIDENT AND GENERAL COUNSEL OF NATIONAL SEMICONDUCTORCORPORATION. As used herein:

1. Life support devices or systems are devices or systemswhich, (a) are intended for surgical implant into the body, or(b) support or sustain life, and whose failure to perform whenproperly used in accordance with instructions for useprovided in the labeling, can be reasonably expected to resultin a significant injury to the user.

2. A critical component is any component of a life supportdevice or system whose failure to perform can be reasonablyexpected to cause the failure of the life support device orsystem, or to affect its safety or effectiveness.

BANNED SUBSTANCE COMPLIANCE

National Semiconductor certifies that the products and packing materials meet the provisions of the Customer Products StewardshipSpecification (CSP-9-111C2) and the Banned Substances and Materials of Interest Specification (CSP-9-111S2) and contain no ‘‘BannedSubstances’’ as defined in CSP-9-111S2.

National SemiconductorAmericas CustomerSupport CenterEmail: [email protected]: 1-800-272-9959

National SemiconductorEurope Customer Support Center

Fax: +49 (0) 180-530 85 86Email: [email protected]

Deutsch Tel: +49 (0) 69 9508 6208English Tel: +44 (0) 870 24 0 2171Français Tel: +33 (0) 1 41 91 8790

National SemiconductorAsia Pacific CustomerSupport CenterEmail: [email protected]

National SemiconductorJapan Customer Support CenterFax: 81-3-5639-7507Email: [email protected]: 81-3-5639-7560

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LM741

OperationalA

mplifier

IMPORTANT NOTICE

Texas Instruments Incorporated and its subsidiaries (TI) reserve the right to make corrections, modifications, enhancements, improvements,and other changes to its products and services at any time and to discontinue any product or service without notice. Customers shouldobtain the latest relevant information before placing orders and should verify that such information is current and complete. All products aresold subject to TI s terms and conditions of sale supplied at the time of order acknowledgment.

TI warrants performance of its hardware products to the specifications applicable at the time of sale in accordance with TI s standardwarranty. Testing and other quality control techniques are used to the extent TI deems necessary to support this warranty. Except wheremandated by government requirements, testing of all parameters of each product is not necessarily performed.

TI assumes no liability for applications assistance or customer product design. Customers are responsible for their products andapplications using TI components. To minimize the risks associated with customer products and applications, customers should provideadequate design and operating safeguards.

TI does not warrant or represent that any license, either express or implied, is granted under any TI patent right, copyright, mask work right,or other TI intellectual property right relating to any combination, machine, or process in which TI products or services are used. Informationpublished by TI regarding third-party products or services does not constitute a license from TI to use such products or services or awarranty or endorsement thereof. Use of such information may require a license from a third party under the patents or other intellectualproperty of the third party, or a license from TI under the patents or other intellectual property of TI.

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TI products are not authorized for use in safety-critical applications (such as life support) where a failure of the TI product would reasonablybe expected to cause severe personal injury or death, unless officers of the parties have executed an agreement specifically governingsuch use. Buyers represent that they have all necessary expertise in the safety and regulatory ramifications of their applications, andacknowledge and agree that they are solely responsible for all legal, regulatory and safety-related requirements concerning their productsand any use of TI products in such safety-critical applications, notwithstanding any applications-related information or support that may beprovided by TI. Further, Buyers must fully indemnify TI and its representatives against any damages arising out of the use of TI products insuch safety-critical applications.

TI products are neither designed nor intended for use in military/aerospace applications or environments unless the TI products arespecifically designated by TI as military-grade or enhanced plastic. Only products designated by TI as military-grade meet militaryspecifications. Buyers acknowledge and agree that any such use of TI products which TI has not designated as military-grade is solely atthe Buyer s risk, and that they are solely responsible for compliance with all legal and regulatory requirements in connection with such use.

TI products are neither designed nor intended for use in automotive applications or environments unless the specific TI products aredesignated by TI as compliant with ISO/TS 16949 requirements. Buyers acknowledge and agree that, if they use any non-designatedproducts in automotive applications, TI will not be responsible for any failure to meet such requirements.

Following are URLs where you can obtain information on other Texas Instruments products and application solutions:

Products Applications

Audio www.ti.com/audio Communications and Telecom www.ti.com/communications

Amplifiers amplifier.ti.com Computers and Peripherals www.ti.com/computers

Data Converters dataconverter.ti.com Consumer Electronics www.ti.com/consumer-apps

DLP Products www.dlp.com Energy and Lighting www.ti.com/energy

DSP dsp.ti.com Industrial www.ti.com/industrial

Clocks and Timers www.ti.com/clocks Medical www.ti.com/medical

Interface interface.ti.com Security www.ti.com/security

Logic logic.ti.com Space, Avionics and Defense www.ti.com/space-avionics-defense

Power Mgmt power.ti.com Transportation and Automotive www.ti.com/automotive

Microcontrollers microcontroller.ti.com Video and Imaging www.ti.com/video

RFID www.ti-rfid.com

OMAP Mobile Processors www.ti.com/omap

Wireless Connectivity www.ti.com/wirelessconnectivity

TI E2E Community Home Page e2e.ti.com

Mailing Address: Texas Instruments, Post Office Box 655303, Dallas, Texas 75265Copyright 2011, Texas Instruments Incorporated

1.4 LM35

Connection Diagrams

TO-46

Metal Can Package*

DS005516-1

*Case is connected to negative pin (GND)

Order Number LM35H, LM35AH, LM35CH, LM35CAH or

LM35DH

See NS Package Number H03H

TO-92

Plastic Package

DS005516-2

Order Number LM35CZ,

LM35CAZ or LM35DZ

See NS Package Number Z03A

SO-8

Small Outline Molded Package

DS005516-21

N.C. = No Connection

Top View

Order Number LM35DM

See NS Package Number M08A

TO-220

Plastic Package*

DS005516-24

*Tab is connected to the negative pin (GND).Note: The LM35DT pinout is different than the discontinued LM35DP.

Order Number LM35DT

See NS Package Number TA03F

LM

35

www.national.com 2

Absolute Maximum Ratings (Note 10)

If Military/Aerospace specified devices are required,

please contact the National Semiconductor Sales Office/

Distributors for availability and specifications.

Supply Voltage +35V to −0.2VOutput Voltage +6V to −1.0VOutput Current 10 mAStorage Temp.;

TO-46 Package, −60˚C to +180˚CTO-92 Package, −60˚C to +150˚CSO-8 Package, −65˚C to +150˚CTO-220 Package, −65˚C to +150˚C

Lead Temp.:TO-46 Package,

(Soldering, 10 seconds) 300˚C

TO-92 and TO-220 Package,(Soldering, 10 seconds) 260˚C

SO Package (Note 12)Vapor Phase (60 seconds) 215˚CInfrared (15 seconds) 220˚C

ESD Susceptibility (Note 11) 2500VSpecified Operating Temperature Range: TMIN to T MAX(Note 2)

LM35, LM35A −55˚C to +150˚CLM35C, LM35CA −40˚C to +110˚CLM35D 0˚C to +100˚C

Electrical Characteristics(Notes 1, 6)

LM35A LM35CA

Parameter Conditions Tested Design Tested Design Units

Typical Limit Limit Typical Limit Limit (Max.)

(Note 4) (Note 5) (Note 4) (Note 5)

Accuracy T A=+25˚C ±0.2 ±0.5 ±0.2 ±0.5 ˚C

(Note 7) T A=−10˚C ±0.3 ±0.3 ±1.0 ˚C

T A=TMAX ±0.4 ±1.0 ±0.4 ±1.0 ˚C

T A=TMIN ±0.4 ±1.0 ±0.4 ±1.5 ˚C

Nonlinearity T MIN≤TA≤TMAX ±0.18 ±0.35 ±0.15 ±0.3 ˚C

(Note 8)

Sensor Gain T MIN≤TA≤TMAX +10.0 +9.9, +10.0 +9.9, mV/˚C

(Average Slope) +10.1 +10.1

Load Regulation T A=+25˚C ±0.4 ±1.0 ±0.4 ±1.0 mV/mA

(Note 3) 0≤IL≤1 mA T MIN≤TA≤TMAX ±0.5 ±3.0 ±0.5 ±3.0 mV/mA

Line Regulation T A=+25˚C ±0.01 ±0.05 ±0.01 ±0.05 mV/V

(Note 3) 4V≤V S≤30V ±0.02 ±0.1 ±0.02 ±0.1 mV/V

Quiescent Current V S=+5V, +25˚C 56 67 56 67 µA

(Note 9) V S=+5V 105 131 91 114 µA

V S=+30V, +25˚C 56.2 68 56.2 68 µA

V S=+30V 105.5 133 91.5 116 µA

Change of 4V≤VS≤30V, +25˚C 0.2 1.0 0.2 1.0 µA

Quiescent Current 4V≤V S≤30V 0.5 2.0 0.5 2.0 µA

(Note 3)

Temperature +0.39 +0.5 +0.39 +0.5 µA/˚C

Coefficient of

Quiescent Current

Minimum Temperature In circuit of +1.5 +2.0 +1.5 +2.0 ˚C

for Rated Accuracy Figure 1, IL=0

Long Term Stability T J=TMAX, for ±0.08 ±0.08 ˚C

1000 hours

LM

35

www.national.com3

Electrical Characteristics(Notes 1, 6)

LM35 LM35C, LM35D

Parameter Conditions Tested Design Tested Design Units

Typical Limit Limit Typical Limit Limit (Max.)

(Note 4) (Note 5) (Note 4) (Note 5)

Accuracy, T A=+25˚C ±0.4 ±1.0 ±0.4 ±1.0 ˚C

LM35, LM35C T A=−10˚C ±0.5 ±0.5 ±1.5 ˚C

(Note 7) T A=TMAX ±0.8 ±1.5 ±0.8 ±1.5 ˚C

T A=TMIN ±0.8 ±1.5 ±0.8 ±2.0 ˚C

Accuracy, LM35D(Note 7)

T A=+25˚C ±0.6 ±1.5 ˚C

TA=TMAX ±0.9 ±2.0 ˚C

TA=TMIN ±0.9 ±2.0 ˚C

Nonlinearity T MIN≤TA≤TMAX ±0.3 ±0.5 ±0.2 ±0.5 ˚C

(Note 8)

Sensor Gain T MIN≤TA≤TMAX +10.0 +9.8, +10.0 +9.8, mV/˚C

(Average Slope) +10.2 +10.2

Load Regulation T A=+25˚C ±0.4 ±2.0 ±0.4 ±2.0 mV/mA

(Note 3) 0≤IL≤1 mA T MIN≤TA≤TMAX ±0.5 ±5.0 ±0.5 ±5.0 mV/mA

Line Regulation T A=+25˚C ±0.01 ±0.1 ±0.01 ±0.1 mV/V

(Note 3) 4V≤V S≤30V ±0.02 ±0.2 ±0.02 ±0.2 mV/V

Quiescent Current V S=+5V, +25˚C 56 80 56 80 µA

(Note 9) V S=+5V 105 158 91 138 µA

V S=+30V, +25˚C 56.2 82 56.2 82 µA

V S=+30V 105.5 161 91.5 141 µA

Change of 4V≤VS≤30V, +25˚C 0.2 2.0 0.2 2.0 µA

Quiescent Current 4V≤V S≤30V 0.5 3.0 0.5 3.0 µA

(Note 3)

Temperature +0.39 +0.7 +0.39 +0.7 µA/˚C

Coefficient of

Quiescent Current

Minimum Temperature In circuit of +1.5 +2.0 +1.5 +2.0 ˚C

for Rated Accuracy Figure 1, IL=0

Long Term Stability T J=TMAX, for ±0.08 ±0.08 ˚C

1000 hours

Note 1: Unless otherwise noted, these specifications apply: −55˚C≤TJ≤+150˚C for the LM35 and LM35A; −40˚≤TJ≤+110˚C for the LM35C and LM35CA; and0˚≤TJ≤+100˚C for the LM35D. VS=+5Vdc and ILOAD=50 µA, in the circuit of Figure 2. These specifications also apply from +2˚C to TMAX in the circuit of Figure 1.Specifications in boldface apply over the full rated temperature range.

Note 2: Thermal resistance of the TO-46 package is 400˚C/W, junction to ambient, and 24˚C/W junction to case. Thermal resistance of the TO-92 package is180˚C/W junction to ambient. Thermal resistance of the small outline molded package is 220˚C/W junction to ambient. Thermal resistance of the TO-220 packageis 90˚C/W junction to ambient. For additional thermal resistance information see table in the Applications section.

Note 3: Regulation is measured at constant junction temperature, using pulse testing with a low duty cycle. Changes in output due to heating effects can becomputed by multiplying the internal dissipation by the thermal resistance.

Note 4: Tested Limits are guaranteed and 100% tested in production.

Note 5: Design Limits are guaranteed (but not 100% production tested) over the indicated temperature and supply voltage ranges. These limits are not used tocalculate outgoing quality levels.

Note 6: Specifications in boldface apply over the full rated temperature range.

Note 7: Accuracy is defined as the error between the output voltage and 10mv/˚C times the device’s case temperature, at specified conditions of voltage, current,and temperature (expressed in ˚C).

Note 8: Nonlinearity is defined as the deviation of the output-voltage-versus-temperature curve from the best-fit straight line, over the device’s rated temperaturerange.

Note 9: Quiescent current is defined in the circuit of Figure 1.

Note 10: Absolute Maximum Ratings indicate limits beyond which damage to the device may occur. DC and AC electrical specifications do not apply when operatingthe device beyond its rated operating conditions. See Note 1.

Note 11: Human body model, 100 pF discharged through a 1.5 kΩ resistor.

Note 12: See AN-450 “Surface Mounting Methods and Their Effect on Product Reliability” or the section titled “Surface Mount” found in a current NationalSemiconductor Linear Data Book for other methods of soldering surface mount devices.

LM

35

www.national.com 4

Typical Performance Characteristics

Thermal Resistance

Junction to Air

DS005516-25

Thermal Time Constant

DS005516-26

Thermal Response

in Still Air

DS005516-27

Thermal Response in

Stirred Oil Bath

DS005516-28

Minimum Supply

Voltage vs. Temperature

DS005516-29

Quiescent Current

vs. Temperature

(In Circuit of Figure 1.)

DS005516-30

Quiescent Current

vs. Temperature

(In Circuit of Figure 2.)

DS005516-31

Accuracy vs. Temperature

(Guaranteed)

DS005516-32

Accuracy vs. Temperature

(Guaranteed)

DS005516-33

LM

35

www.national.com5

Typical Performance Characteristics (Continued)

ApplicationsThe LM35 can be applied easily in the same way as otherintegrated-circuit temperature sensors. It can be glued orcemented to a surface and its temperature will be withinabout 0.01˚C of the surface temperature.

This presumes that the ambient air temperature is almost thesame as the surface temperature; if the air temperature weremuch higher or lower than the surface temperature, theactual temperature of the LM35 die would be at an interme-diate temperature between the surface temperature and theair temperature. This is expecially true for the TO-92 plasticpackage, where the copper leads are the principal thermalpath to carry heat into the device, so its temperature mightbe closer to the air temperature than to the surface tempera-ture.

To minimize this problem, be sure that the wiring to theLM35, as it leaves the device, is held at the same tempera-ture as the surface of interest. The easiest way to do this isto cover up these wires with a bead of epoxy which willinsure that the leads and wires are all at the same tempera-ture as the surface, and that the LM35 die’s temperature willnot be affected by the air temperature.

The TO-46 metal package can also be soldered to a metalsurface or pipe without damage. Of course, in that case theV− terminal of the circuit will be grounded to that metal.Alternatively, the LM35 can be mounted inside a sealed-endmetal tube, and can then be dipped into a bath or screwedinto a threaded hole in a tank. As with any IC, the LM35 andaccompanying wiring and circuits must be kept insulated anddry, to avoid leakage and corrosion. This is especially true ifthe circuit may operate at cold temperatures where conden-sation can occur. Printed-circuit coatings and varnishes suchas Humiseal and epoxy paints or dips are often used toinsure that moisture cannot corrode the LM35 or its connec-tions.

These devices are sometimes soldered to a smalllight-weight heat fin, to decrease the thermal time constantand speed up the response in slowly-moving air. On theother hand, a small thermal mass may be added to thesensor, to give the steadiest reading despite small deviationsin the air temperature.

Temperature Rise of LM35 Due To Self-heating (Thermal Resistance,θJA)TO-46, TO-46*, TO-92, TO-92**, SO-8 SO-8** TO-220

no heat

sink

small heat fin no heat

sink


sink


sink

Still air 400˚C/W 100˚C/W 180˚C/W 140˚C/W 220˚C/W 110˚C/W 90˚C/W

Moving air 100˚C/W 40˚C/W 90˚C/W 70˚C/W 105˚C/W 90˚C/W 26˚C/W

Still oil 100˚C/W 40˚C/W 90˚C/W 70˚C/W

Stirred oil 50˚C/W 30˚C/W 45˚C/W 40˚C/W

(Clamped to metal,

Infinite heat sink) (24˚C/W) (55˚C/W)

*Wakefield type 201, or 1" disc of 0.020" sheet brass, soldered to case, or similar.**TO-92 and SO-8 packages glued and leads soldered to 1" square of 1/16" printed circuit board with 2 oz. foil or similar.

Noise Voltage

DS005516-34

Start-Up Response

DS005516-35

LM

35

www.national.com 6

Typical Applications

CAPACITIVE LOADS

Like most micropower circuits, the LM35 has a limited abilityto drive heavy capacitive loads. The LM35 by itself is able todrive 50 pf without special precautions. If heavier loads areanticipated, it is easy to isolate or decouple the load with aresistor; see Figure 3. Or you can improve the tolerance ofcapacitance with a series R-C damper from output toground; see Figure 4.

When the LM35 is applied with a 200Ω load resistor asshown in Figure 5, Figure 6 or Figure 8 it is relatively immuneto wiring capacitance because the capacitance forms a by-pass from ground to input, not on the output. However, aswith any linear circuit connected to wires in a hostile envi-ronment, its performance can be affected adversely by in-tense electromagnetic sources such as relays, radio trans-mitters, motors with arcing brushes, SCR transients, etc, asits wiring can act as a receiving antenna and its internaljunctions can act as rectifiers. For best results in such cases,a bypass capacitor from VIN to ground and a series R-Cdamper such as 75Ω in series with 0.2 or 1 µF from output toground are often useful. These are shown in Figure 13,Figure 14, and Figure 16.

DS005516-19

FIGURE 3. LM35 with Decoupling from Capacitive Load

DS005516-20

FIGURE 4. LM35 with R-C Damper

DS005516-5

FIGURE 5. Two-Wire Remote Temperature Sensor

(Grounded Sensor)

DS005516-6


(Output Referred to Ground)

DS005516-7

FIGURE 7. Temperature Sensor, Single Supply, −55˚ to

+150˚C

DS005516-8


(Output Referred to Ground)

DS005516-9

FIGURE 9. 4-To-20 mA Current Source (0˚C to +100˚C)

LM

35

www.national.com7

Typical Applications (Continued)

DS005516-10

FIGURE 10. Fahrenheit Thermometer

DS005516-11

FIGURE 11. Centigrade Thermometer (Analog Meter)

DS005516-12

FIGURE 12. Fahrenheit ThermometerExpanded Scale

Thermometer

(50˚ to 80˚ Fahrenheit, for Example Shown)

DS005516-13

FIGURE 13. Temperature To Digital Converter (Serial Output) (+128˚C Full Scale)

DS005516-14

FIGURE 14. Temperature To Digital Converter (Parallel TRI-STATE™ Outputs for

Standard Data Bus to µP Interface) (128˚C Full Scale)

LM

35

www.national.com 8

Typical Applications (Continued)

DS005516-16

*=1% or 2% film resistorTrim RB for VB=3.075VTrim RC for VC=1.955VTrim RA for VA=0.075V + 100mV/˚C x TambientExample, VA=2.275V at 22˚C

FIGURE 15. Bar-Graph Temperature Display (Dot Mode)

DS005516-15

FIGURE 16. LM35 With Voltage-To-Frequency Converter And Isolated Output

(2˚C to +150˚C; 20 Hz to 1500 Hz)

LM

35

www.national.com9

Block Diagram

DS005516-23

LM

35

www.national.com 10

Physical Dimensions inches (millimeters) unless otherwise noted

TO-46 Metal Can Package (H)

Order Number LM35H, LM35AH, LM35CH,

LM35CAH, or LM35DH

NS Package Number H03H

SO-8 Molded Small Outline Package (M)

Order Number LM35DM

NS Package Number M08A

LM

35

www.national.com11


Power Package TO-220 (T)

Order Number LM35DT

NS Package Number TA03F

LM

35

www.national.com 12


LIFE SUPPORT POLICY

NATIONAL’S PRODUCTS ARE NOT AUTHORIZED FOR USE AS CRITICAL COMPONENTS IN LIFE SUPPORTDEVICES OR SYSTEMS WITHOUT THE EXPRESS WRITTEN APPROVAL OF THE PRESIDENT AND GENERALCOUNSEL OF NATIONAL SEMICONDUCTOR CORPORATION. As used herein:

1. Life support devices or systems are devices orsystems which, (a) are intended for surgical implantinto the body, or (b) support or sustain life, andwhose failure to perform when properly used inaccordance with instructions for use provided in thelabeling, can be reasonably expected to result in asignificant injury to the user.

2. A critical component is any component of a lifesupport device or system whose failure to performcan be reasonably expected to cause the failure ofthe life support device or system, or to affect itssafety or effectiveness.

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Tel: 65-2544466Fax: 65-2504466Email: [email protected]


Japan Ltd.

Tel: 81-3-5639-7560Fax: 81-3-5639-7507

www.national.com

TO-92 Plastic Package (Z)

Order Number LM35CZ, LM35CAZ or LM35DZ

NS Package Number Z03A

LM

35

Pre

cis

ion

Cen

tigra

de

Tem

pera

ture

Sen

so

rs

National does not assume any responsibility for use of any circuitry described, no circuit patent licenses are implied and National reserves the right at any time without notice to change said circuitry and specifications.

1.5 2N2219A

1997 Sep 03 2

Philips Semiconductors Product specification

NPN switching transistors 2N2219; 2N2219A

FEATURES

• High current (max. 800 mA)

• Low voltage (max. 40 V).

APPLICATIONS

• High-speed switching

• DC and VHF/UHF amplification, for 2N2219 only.

DESCRIPTION

NPN switching transistor in a TO-39 metal package.PNP complement: 2N2905 and 2N2905A.

PINNING

PIN DESCRIPTION

1 emitter

2 base

3 collector, connected to case

Fig.1 Simplified outline (TO-39) and symbol.

handbook, halfpage3

1

2

MAM317

1

2

3

QUICK REFERENCE DATA

SYMBOL PARAMETER CONDITIONS MIN. MAX. UNIT

VCBO collector-base voltage open emitter

2N2219 − 60 V

2N2219A − 75 V

VCEO collector-emitter voltage open base

2N2219 − 30 V

2N2219A − 40 V

IC collector current (DC) − 800 mA

Ptot total power dissipation Tamb ≤ 25 °C − 800 mW

hFE DC current gain IC = 10 mA; VCE = 10 V 75 −fT transition frequency IC = 20 mA; VCE = 20 V; f = 100 MHz

2N2219 250 − MHz

2N2219A 300 − MHz

toff turn-off time ICon = 150 mA; IBon = 15 mA; IBoff = −15 mA − 250 ns

1997 Sep 03 3



LIMITING VALUES

In accordance with the Absolute Maximum Rating System (IEC 134).

THERMAL CHARACTERISTICS


VCBO collector-base voltage open emitter

2N2219 − 60 V

2N2219A − 75 V

VCEO collector-emitter voltage

2N2219 open base − 30 V

2N2219A open base; IC ≤ 500 mA − 40 V

VEBO emitter-base voltage open collector

2N2219 − 5 V

2N2219A − 6 V

IC collector current (DC) − 800 mA

ICM peak collector current − 800 mA

IBM peak base current − 200 mA

Ptot total power dissipation Tamb ≤ 25 °C − 800 mW

Tcase ≤ 25 °C − 3 W

Tstg storage temperature −65 +150 °CTj junction temperature − 200 °CTamb operating ambient temperature −65 +150 °C

SYMBOL PARAMETER CONDITIONS VALUE UNIT

Rth j-a thermal resistance from junction to ambient in free air 190 K/W

Rth j-c thermal resistance from junction to case 50 K/W

1997 Sep 03 4



CHARACTERISTICS

Tj = 25 °C unless otherwise specified.


ICBO collector cut-off current

2N2219 IE = 0; VCB = 50 V − 10 nA

IE = 0; VCB = 50 V; Tamb = 150 °C − 10 μA

ICBO collector cut-off current

2N2219A IE = 0; VCB = 60 V − 10 nA

IE = 0; VCB = 60 V; Tamb = 150 °C − 10 μA

IEBO emitter cut-off current IC = 0; VEB = 3 V − 10 nA

hFE DC current gain IC = 0.1 mA; VCE = 10 V 35 −hFE DC current gain IC = 1 mA; VCE = 10 V 50 −hFE DC current gain IC = 10 mA; VCE = 10 V 75 −hFE DC current gain IC = 10 mA; VCE = 10 V; Tamb = −55 °C

2N2219A 35 −hFE DC current gain IC = 150 mA; VCE = 1 V; note 1 50 −hFE DC current gain IC = 150 mA; VCE = 10 V; note 1 100 300

hFE DC current gain IC = 500 mA; VCE = 10 V; note 1

2N2219 30 −2N2219A 40 −

VCEsat collector-emitter saturation voltage IC = 150 mA; IB = 15 mA; note 1

2N2219 − 400 mV

2N2219A − 300 mV

VCEsat collector-emitter saturation voltage IC = 500 mA; IB = 50 mA; note 1

2N2219 − 1.6 V

2N2219A − 1 V

VBEsat base-emitter saturation voltage IC = 150 mA; IB = 15 mA; note 1

2N2219 − 1.3 V

2N2219A 0.6 1.2 V

VBEsat base-emitter saturation voltage IC = 500 mA; IB = 50 mA; note 1

2N2219 − 2.6 V

2N2219A − 2 V

Cc collector capacitance IE = ie = 0; VCB = 10 V − 8 pF

Ce emitter capacitance IC = ic = 0; VEB = 500 mV

2N2219A − 25 pF

fT transition frequency IC = 20 mA; VCE = 20 V; f = 100 MHz;

2N2219 250 − MHz

2N2219A 300 − MHz

F noise figure IC = 0.2 mA; VCE = 5 V; RS = 2 kΩ;f = 1 kHz; B = 200 Hz2N2219A − 4 dB

1997 Sep 03 5



Note

1. Pulse test: tp ≤ 300 μs; δ ≤ 0.02.

Switching times (between 10% and 90% levels) for type 2N2219A; see Fig.2

ton turn-on time ICon = 150 mA; IBon = 15 mA;IBoff = −15 mA

− 35 ns

td delay time − 15 ns

tr rise time − 20 ns

toff turn-off time − 250 ns

ts storage time − 200 ns

tf fall time − 60 ns


Fig.2 Test circuit for switching times.

handbook, full pagewidth

RC

R2

R1

DUT

MLB826

Vo

RB(probe)

450 Ω(probe)

450 Ωoscilloscope oscilloscope

VBB

Vi

VCC

Vi = 9.5 V; T = 500 μs; tp = 10 μs; tr = tf ≤ 3 ns.

R1 = 68 Ω; R2 = 325 Ω; RB = 325 Ω; RC = 160 Ω.

VBB = −3.5 V; VCC = 29.5 V.

Oscilloscope: input impedance Zi = 50 Ω.

1997 Sep 03 6



PACKAGE OUTLINE

UNIT a b D D1 j k L w

REFERENCESOUTLINE

VERSION

EUROPEAN

PROJECTIONISSUE DATE

IEC JEDEC EIAJ

mm 6.606.35

0.480.41

9.399.08

8.338.18

0.850.75

0.950.75

14.212.7

α

0.2 45°

DIMENSIONS (mm are the original dimensions)

SOT5/11 TO-39 97-04-11

k

j

D A L

seating plane

b

D1

0 5 10 mm

scale

A

5.08

Metal-can cylindrical single-ended package; 3 leads SOT5/11

A

w AM M B M

α

B

a

1

2

3

1997 Sep 03 7



DEFINITIONS

LIFE SUPPORT APPLICATIONS

These products are not designed for use in life support appliances, devices, or systems where malfunction of theseproducts can reasonably be expected to result in personal injury. Philips customers using or selling these products foruse in such applications do so at their own risk and agree to fully indemnify Philips for any damages resulting from suchimproper use or sale.

Data sheet status

Objective specification This data sheet contains target or goal specifications for product development.

Preliminary specification This data sheet contains preliminary data; supplementary data may be published later.

Product specification This data sheet contains final product specifications.

Limiting values

Limiting values given are in accordance with the Absolute Maximum Rating System (IEC 134). Stress above one ormore of the limiting values may cause permanent damage to the device. These are stress ratings only and operationof the device at these or at any other conditions above those given in the Characteristics sections of the specificationis not implied. Exposure to limiting values for extended periods may affect device reliability.

Application information

Where application information is given, it is advisory and does not form part of the specification.

1.6 TL431

ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS

Symbol Parameter Value Unit

VKA Cathode to Anode Voltage 37 V

IK Continuous Cathode Current Range -100 to +150 mA

Iref Reference Input Current Range -0.05 to +10 mA

Toper Operating Free-air Temperature Range TL431C/ACTL431I/AI

0 to +70-40 to +105

oC

Tstg Storage Temperature Range -65 to +150 oC

OPERATING CONDITIONS

Symbol Parameter Value Unit

VKA Cathode to Anode Voltage Vref to 36 V

IK Cathode Current 1 to 100 mA

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

Tamb = 25oC (unless otherwise specified)

Symbol ParameterTL431C TL431AC

UnitMin. Typ. Max. Min. Typ. Max.

Vref Reference Input Voltage - (figure 1)VKA = Vref, IK = 10mA Tamb = 25oC

Tmin. ≤ Tamb ≤ Tmax.

2.442.423

2.495 2.552.567

2.472.453

2.495 2.522.537

V

ΔVref Reference Input Voltage Deviation OverTemperature Range - (figure 1, note1)

VKA = Vref, IK = 10mA, Tmin. ≤ Tamb ≤ Tmax. 3 17 3 15

mV

ΔVref

ΔVKA

Ratio of Change in Reference Input Voltage toChange in Cathode to Anode Voltage - (figure 2)

IK = 10mA ΔVKA = 10V to VrefΔVKA = 36V to 10V

-1.4-1

-2.7-2

-1.4-1

-2.7-2

mV/V

Iref Reference Input Current - (figure 2)IK = 10mA, R1 = 10kΩ, R2 = ∞

Tamb = 25oCTmin. ≤ Tamb ≤ Tmax.

1.8 45.2

1.8 45.2

μA

ΔIref Reference Input Current Deviation OverTemperature Range - (figure 2)

IK = 10mA, R1 = 10kΩ, R2 = ∞Tmin. ≤ Tamb ≤ Tmax.

0.4 1.2 0.4 1.2

μA

Imin Minimum Cathode Current for Regulation - (figure 1)VKA = Vref 0.5 1 0.5 0.6

mA

Ioff Off-State Cathode Current - (figure 3) 2.6 1000 2.6 1000 nA

|ZKA| Dynamic Impedance - (figure 1, note 2)VKA = Vref, ΔIK = 1 to 100mA, f ≤ 1kHz 0.22 0.5 0.22 0.5

Ω

T1 T2Tempe ra ture

V ref ma x.

Vre fmin.

Notes : 1. ΔVref is defined as the difference between the maximum and minimum values obtained over the full temperaturerange.ΔVref = Vrefmax. - Vref min

2. The dynamic Impedance is defined as |ZKA| = ΔVKA

ΔIK

TL431

2/9

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

Tamb = 25oC (unless otherwise specified)

Symbol ParameterTL431I TL431AI

UnitMin. Typ. Max. Min. Typ. Max.

Vref Reference Input Voltage - (figure 1)VKA = Vref, IK = 10mA Tamb = 25oC

Tmin. ≤ Tamb ≤ Tmax.

2.442.41

2.495 2.552.58

2.472.44

2.495 2.522.55

V

ΔVref Reference Input Voltage Deviation OverTemperature Range - (figure 1, note1)

VKA = Vref, IK = 10mA, Tmin. ≤ Tamb ≤ Tmax. 7 30 7 30

mV

ΔVref

ΔVKA

Ratio of Change in Reference Input Voltage toChange in Cathode to Anode Voltage - (figure 2)

IK = 10mA ΔVKA = 10V to VrefΔVKA = 36V to 10V

-1.4-1

-2.7-2

-1.4-1

-2.7-2

mV/V

Iref Reference Input Current - (figure 2)IK = 10mA, R1 = 10kΩ, R2 = ∞

Tamb = 25oCTmin. ≤ Tamb ≤ Tmax.

1.8 46.5

1.8 46.5

μA

ΔIref Reference Input Current Deviation OverTemperature Range - (figure 2)

IK = 10mA, R1 = 10kΩ, R2 = ∞Tmin. ≤ Tamb ≤ Tmax.

0.8 2.5 0.8 1.2

μA

Imin Minimum Cathode Current for Regulation - (figure 1)VKA = Vref 0.5 1 0.5 0.7

mA

Ioff Off-State Cathode Current - (figure 3) 2.6 1000 2.6 1000 nA

|ZKA| Dynamic Impedance - (figure 1, note 2)VKA = Vref, ΔIK = 1 to 100mA, f ≤ 1kHz 0.22 0.5 0.22 0.5

Ω

T1 T2Tempe ra ture

V ref ma x.

Vre fmin.

Notes : 1. ΔVref is defined as the difference between the maximum and minimum values obtained over the full temperaturerange.ΔVref = Vrefmax. - Vref min

2. The dynamic Impedance is defined as |ZKA| = ΔVKA

ΔIK

TL431

3/9

Reference voltage vs Temperature

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

2,42

2,44

2,46

2,48

2,5

2,52

2,54

2,56

2,58

Temperature(°C)

Refe

ren

ce

vo

ltag

e(V

)

Average

2%range

1%range

Vka=Vref

Ik=10mA

Input

Vka

Vref

Ik=10mA

Output

Test circuit for Vka=Vref

Cathode current vs Cathode voltage

-2 -1 0 1 2 3-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Vka Cathode voltage(V)

Ika

Cath

od

ecu

rren

t(m

A)

Vka=Vref

Ta=25°C

Cathode current vs Cathode voltage

-1 0 1 2 3-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

Vka Cathode voltage(V)

Ika

Cath

od

eC

urr

en

t(m

A)

Vka=Vref

Ta=25°C

Reference input current vs temperature

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

Temperature(°C)

Iref

Refe

ren

ce

inp

utcu

rren

t(μ

A)

Ika=10mA

R1=10K

R2=inf

Rka - Static impedance vs Temperature

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000,215

0,22

0,225

0,23

0,235

0,24

Temperature (°C)

Rka (Ohms)

Vka=Vref

Ika =1 to 100mA

TL431

4/9

Off State cathode current vs temperature

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

Temperature(°C)

Ioff

Off

Sta

tecath

od

ecu

rren

t(μA

) Vka=36V

Vref=0V Input Vka=36V

Ioff

Test circuit for Off-state current measurement

Phase & Gain vs Frequency

1 2 5 10 20 50 100 200 500 1,0000

10

20

30

40

50

60

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Frequency(KHz)

Gain(dB) Phase (°)

Gain

Phase

Input Vref

Ik=10mAOutput

10μF

10μF

6.8K

4.3K

Test circuit for Phase & Gain measurements

Pulse response for Ik=1mA

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1

0

1

2

3

4

5

6

Time (μs)

Inp

ut&

Ou

tpu

tvo

ltag

e(V

)

Vka=Vref

Ik=1mA

Ta=25°C

Input

OutputIk=1mA

Out

put50ΩΩ

2.5KΩΩ

Test circuit for pulse response at Ik=1mA

PulseGenerator

Intp

ut

TL431

5/9

Pulse response for Ik=10mA

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1

0

1

2

3

4

5

6

Time (μs)

Inp

ut

&O

utp

ut

vo

ltag

e(V

)

Input

Output

Vka=Vref

Ik=10mA

Ta=25°C

Test circuit for pulse response at Ik=10mA

Ik=10mA

Out

put50ΩΩ

250ΩΩ

PulseGenerator

Intp

ut

Stabil ity conditionsvs Capacitive loads

1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 0,000001 0,000010

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Capacitiveload(F)

Cath

od

ecu

rren

t(μA

)

Vka=12V

Vka=5V

Vka=Vref

Vka=24V

UnstableareaStable

areaStablearea

Input Vka

Vref

Ik

R1

R2

IrefVka = Vref . (1+R1/R2) + Iref . R1

Test circuit for Vka > Vref

TL431

6/9

PACKAGE MECHANICAL DATA

8 PINS - PLASTIC DIP

Dim.Millimeters Inches

Min. Typ. Max. Min. Typ. Max.

A 3.32 0.131

a1 0.51 0.020

B 1.15 1.65 0.045 0.065

b 0.356 0.55 0.014 0.022

b1 0.204 0.304 0.008 0.012

D 10.92 0.430

E 7.95 9.75 0.313 0.384

e 2.54 0.100

e3 7.62 0.300

e4 7.62 0.300

F 6.6 0260

i 5.08 0.200

L 3.18 3.81 0.125 0.150

Z 1.52 0.060

TL431

7/9


8 PINS - BATWING PLASTIC MICROPACKAGE (SO)

DimensionsMillimeters Inches


A 1.75 0.069a1 0.1 0.25 0.004 0.010a2 1.65 0.065a3 0.65 0.85 0.026 0.033b 0.35 0.48 0.014 0.019

b1 0.19 0.25 0.007 0.010C 0.25 0.5 0.010 0.020c1 45o (typ.)D 4.8 5.0 0.189 0.197E 5.8 6.2 0.228 0.244e 1.27 0.050

e3 3.81 0.150F 3.8 4.0 0.150 0.157L 0.4 1.27 0.016 0.050M 0.6 0.024S 8o (max.)

TL431

8/9


3 PINS - PLASTIC PACKAGE TO92

DimensionsMillimeters Inches


L 1.27 0.05B 3.2 3.7 4.2 0.126 0.1457 0.1654

O1 4.45 5.00 5.2 0.1752 0.1969 0.2047C 4.58 5.03 5.33 0.1803 0.198 0.2098K 12.7 0.5

O2 0.407 0.5 0.508 0.016 0.0197 0.02a 0.35 0.0138

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TL431

9/9

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Datasheets for electronics components.

1.7 HGTP12N60A4D

©2001 Fairchild Semiconductor Corporation HGTG12N60A4D, HGTP12N60A4D, HGT1S12N60A4DS Rev. B

Absolute Maximum Ratings TC = 25oC, Unless Otherwise Specified

HGTG12N60A4D,

HGTP12N60A4D,

HGT1S12N60A4DS UNITS

Collector to Emitter Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BVCES 600 V

Collector Current Continuous

At TC = 25oC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IC25 54 A

At TC = 110oC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IC110 23 A

Collector Current Pulsed (Note 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ICM 96 A

Gate to Emitter Voltage Continuous. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VGES ±20 V

Gate to Emitter Voltage Pulsed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VGEM ±30 V

Switching Safe Operating Area at TJ = 150oC, Figure 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . SSOA 60A at 600V

Power Dissipation Total at TC = 25oC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PD 167 W

Power Dissipation Derating TC > 25oC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.33 W/oC

Operating and Storage Junction Temperature Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TJ, TSTG -55 to 150 oC

Maximum Temperature for SolderingLeads at 0.063in (1.6mm) from Case for 10s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TLPackage Body for 10s, see Tech Brief 334. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tpkg

300260

oCoC

CAUTION: Stresses above those listed in “Absolute Maximum Ratings” may cause permanent damage to the device. This is a stress only rating and operation of thedevice at these or any other conditions above those indicated in the operational sections of this specification is not implied.

NOTE:

1. Pulse width limited by maximum junction temperature.

Electrical Specifications TJ = 25oC, Unless Otherwise Specified

PARAMETER SYMBOL TEST CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS

Collector to Emitter Breakdown Voltage BVCES IC = 250μA, VGE = 0V 600 - - V

Collector to Emitter Leakage Current ICES VCE = 600V TJ = 25oC - - 250 μA

TJ = 125oC - - 2.0 mA

Collector to Emitter Saturation Voltage VCE(SAT) IC = 12A,VGE = 15V

TJ = 25oC - 2.0 2.7 V

TJ = 125oC - 1.6 2.0 V

Gate to Emitter Threshold Voltage VGE(TH) IC = 250μA, VCE = 600V - 5.6 - V

Gate to Emitter Leakage Current IGES VGE = ±20V - - ±250 nA

Switching SOA SSOA TJ = 150oC, RG = 10Ω, VGE = 15V,L = 100μH, VCE = 600V

60 - - A

Gate to Emitter Plateau Voltage VGEP IC = 12A, VCE = 300V - 8 - V

On-State Gate Charge Qg(ON) IC = 12A, VCE = 300V

VGE = 15V - 78 96 nC

VGE = 20V - 97 120 nC

Current Turn-On Delay Time td(ON)I IGBT and Diode at TJ = 25oC,ICE = 12A,VCE = 390V,VGE = 15V,RG = 10Ω,L = 500μH,Test Circuit (Figure 24)

- 17 - ns

Current Rise Time trI - 8 - ns

Current Turn-Off Delay Time td(OFF)I - 96 - ns

Current Fall Time tfI - 18 - ns

Turn-On Energy (Note 3) EON1 - 55 - μJ

Turn-On Energy (Note 3) EON2 - 160 - μJ

Turn-Off Energy (Note 2) EOFF - 50 - μJ

Current Turn-On Delay Time td(ON)I IGBT and Diode at TJ = 125oC,ICE = 12A,VCE = 390V, VGE = 15V,RG = 10Ω,L = 500μH,Test Circuit (Figure 24)

- 17 - ns

Current Rise Time trI - 16 - ns

Current Turn-Off Delay Time td(OFF)I - 110 170 ns

Current Fall Time tfI - 70 95 ns

Turn-On Energy (Note3) EON1 - 55 - μJ

Turn-On Energy (Note 3) EON2 - 250 350 μJ

Turn-Off Energy (Note 2) EOFF - 175 285 μJ

HGTG12N60A4D, HGTP12N60A4D, HGT1S12N60A4DS


Diode Forward Voltage VEC IEC = 12A - 2.2 - V

Diode Reverse Recovery Time trr IEC = 12A, dIEC/dt = 200A/μs - 30 - ns

IEC = 1A, dIEC/dt = 200A/μs - 18 - ns

Thermal Resistance Junction To Case RθJC IGBT - - 0.75 oC/W

Diode - - 2.0 oC/W

NOTES:

2. Turn-Off Energy Loss (EOFF) is defined as the integral of the instantaneous power loss starting at the trailing edge of the input pulse and ending at the point where the collector current equals zero (ICE = 0A). All devices were tested per JEDEC Standard No. 24-1 Method for Measurement of Power Device Turn-Off Switching Loss. This test method produces the true total Turn-Off Energy Loss.

3. Values for two Turn-On loss conditions are shown for the convenience of the circuit designer. EON1 is the turn-on loss of the IGBT only. EON2is the turn-on loss when a typical diode is used in the test circuit and the diode is at the same TJ as the IGBT. The diode type is specified in Figure 24.

Typical Performance Curves Unless Otherwise Specified

FIGURE 1. DC COLLECTOR CURRENT vs CASE

TEMPERATURE

FIGURE 2. MINIMUM SWITCHING SAFE OPERATING AREA

FIGURE 3. OPERATING FREQUENCY vs COLLECTOR TO

EMITTER CURRENT

FIGURE 4. SHORT CIRCUIT WITHSTAND TIME

Electrical Specifications TJ = 25oC, Unless Otherwise Specified (Continued)

PARAMETER SYMBOL TEST CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS

TC, CASE TEMPERATURE (oC)

I CE

, D

C C

OL

LE

CT

OR

CU

RR

EN

T (

A)

50

10

0

40

20

30

25 75 100 125 150

60

50

VGE = 15V,

VCE, COLLECTOR TO EMITTER VOLTAGE (V)

700

40

0I CE

, C

OL

LE

CT

OR

TO

EM

ITT

ER

CU

RR

EN

T (

A)

10

20

300 400200100 500 6000

50

60

30

70TJ = 150oC, RG = 10Ω, VGE = 15V, L = 200μH

TC VGE

15V 75oC

f MA

X, O

PE

RA

TIN

G F

RE

QU

EN

CY

(kH

z)

1

ICE, COLLECTOR TO EMITTER CURRENT (A)

103

300

3010 20

500

fMAX1 = 0.05 / (td(OFF)I + td(ON)I)

RØJC = 0.75oC/W, SEE NOTES

PC = CONDUCTION DISSIPATION

(DUTY FACTOR = 50%)

fMAX2 = (PD - PC) / (EON2 + EOFF)

TJ = 125oC, RG = 10Ω, L = 500μH, VCE = 390V

100

VGE, GATE TO EMITTER VOLTAGE (V)

I SC

, P

EA

K S

HO

RT

CIR

CU

IT C

UR

RE

NT

(A

)

t SC

, S

HO

RT

CIR

CU

IT W

ITH

STA

ND

TIM

E (

μs)

9 10 11 12 150

2

10

16

50

125

175

300

tSC

ISC

20

250

13 14

4

6

8

12

14

18

75

100

150

200

225

275VCE = 390V, RG = 10Ω, TJ = 125oC



FIGURE 5. COLLECTOR TO EMITTER ON-STATE VOLTAGE FIGURE 6. COLLECTOR TO EMITTER ON-STATE VOLTAGE

FIGURE 7. TURN-ON ENERGY LOSS vs COLLECTOR TO

EMITTER CURRENT

FIGURE 8. TURN-OFF ENERGY LOSS vs COLLECTOR TO

EMITTER CURRENT

FIGURE 9. TURN-ON DELAY TIME vs COLLECTOR TO

EMITTER CURRENT

FIGURE 10. TURN-ON RISE TIME vs COLLECTOR TO

EMITTER CURRENT

Typical Performance Curves Unless Otherwise Specified (Continued)

0 0.5 1.0


I CE

, C

OL

LE

CT

OR

TO

EM

ITT

ER

CU

RR

EN

T (

A)

0

4

8

1.5 2 2.5

16

20

12

TJ = 125oC

TJ = 150oC

PULSE DURATION = 250μs

DUTY CYCLE < 0.5%, VGE = 12V24

TJ = 25oC

I CE

, C

OL

LE

CT

OR

TO

EM

ITT

ER

CU

RR

EN

T (

A)


DUTY CYCLE < 0.5%, VGE = 15V


TJ = 150oC

TJ = 25oC

TJ = 125oC

0 0.5 1.0 1.5 2 2.5

4

8

16

12

20

24

0

EO

N2

, T

UR

N-O

N E

NE

RG

Y L

OS

S (

μJ)

500

300

ICE , COLLECTOR TO EMITTER CURRENT (A)

400

200

600

0

700

64 10 12 14 168 18 20 22 24

TJ = 125oC, VGE = 12V, VGE = 15V

RG = 10Ω, L = 500μH, VCE = 390V

TJ = 25oC, VGE = 12V, VGE = 15V100

2

300


EO

FF,

TU

RN

-OF

F E

NE

RG

Y L

OS

S (

μJ)

0

50

200

100

250

350

400

TJ = 25oC, VGE = 12V OR 15V

TJ = 125oC, VGE = 12V OR 15V

150

642 10 12 14 168 18 20 22 24

RG = 10Ω, L = 500μH, VCE = 390V


t d(O

N)I,

TU

RN

-ON

DE

LA

Y T

IME

(ns)

10

11

12

13

14

15

642 10 12 14 168 18 20 22 24

16

17

18

TJ = 25oC, TJ = 125oC, VGE = 15V

TJ = 25oC, TJ = 125oC, VGE = 12V

RG = 10Ω, L = 500μH, VCE = 390V


t rI,

RIS

E T

IME

(ns)

0

4

16

12

8

642 10 12 14 168 18 20 22 24

20

32

28

24

RG = 10Ω, L = 500μH, VCE = 390V

TJ = 125oC OR TJ = 25oC, VGE = 12V

TJ = 25oC OR TJ = 125oC, VGE = 15V



FIGURE 11. TURN-OFF DELAY TIME vs COLLECTOR TO

EMITTER CURRENT

FIGURE 12. FALL TIME vs COLLECTOR TO EMITTER

CURRENT

FIGURE 13. TRANSFER CHARACTERISTIC FIGURE 14. GATE CHARGE WAVEFORMS

FIGURE 15. TOTAL SWITCHING LOSS vs CASE

TEMPERATURE

FIGURE 16. TOTAL SWITCHING LOSS vs GATE RESISTANCE


4 82

95

685

90


t d(O

FF

)I,

TU

RN

-OF

F D

EL

AY

TIM

E(n

s)

12

115

1614

105

110

10

100

VGE = 12V, VGE = 15V, TJ = 25oC

VGE = 12V, VGE = 15V, TJ = 125oC

RG = 10Ω, L = 500μH, VCE = 390V

18 20 22 24


t fI,

FA

LL

TIM

E(n

s)

10

30

20

50

70

40

60

RG = 10Ω, L = 500μH, VCE = 390V

TJ = 25oC, VGE = 12V OR 15V

TJ = 125oC, VGE = 12V OR 15V

4 82 6 12 161410 18 20 22 24

80

90

I CE

, C

OL

LE

CT

OR

TO

EM

ITT

ER

CU

RR

EN

T (

A)

0

50

100

137 8 9 10 12


11

150

200

14 15

250

6


DUTY CYCLE < 0.5%, VCE = 10V

16

TJ = 125oC

TJ = -55oC

TJ = 25oC

VG

E,

GA

TE

TO

EM

ITT

ER

VO

LTA

GE

(V

)

QG, GATE CHARGE (nC)

2

14

00 2010 30

4

10

40

IG(REF) = 1mA, RL = 25Ω, TC = 25oC

VCE = 200V

VCE = 400V

50 60 70 80

6

8

12

16

VCE = 600V

ICE = 24A

ICE = 12A

ICE = 6A

0

0.2

0.4

50 75 100

TC, CASE TEMPERATURE (oC)

0.6

1.0

12525 150

1.2

0.8

ET

OTA

L, T

OTA

L S

WIT

CH

ING

RG = 10Ω, L = 500μH, VCE = 390V, VGE = 15V

ETOTAL = EON2 + EOFF

EN

ER

GY

LO

SS

(m

J)

0.110 100

RG, GATE RESISTANCE (Ω)

1

5 1000

ICE = 12A

ICE = 24A

ICE = 6A

10TJ = 125oC, L = 500μH,

ETOTAL = EON2 + EOFF

ET

OTA

L, T

OTA

L S

WIT

CH

ING

EN

ER

GY

LO

SS

(m

J)

VCE = 390V, VGE = 15V



FIGURE 17. CAPACITANCE vs COLLECTOR TO EMITTER

VOLTAGE

FIGURE 18. COLLECTOR TO EMITTER ON-STATE VOLTAGE

vs GATE TO EMITTER VOLTAGE

FIGURE 19. DIODE FORWARD CURRENT vs FORWARD

VOLTAGE DROP

FIGURE 20. RECOVERY TIMES vs FORWARD CURRENT

FIGURE 21. RECOVERY TIMES vs RATE OF CHANGE OF

CURRENT

FIGURE 22. STORED CHARGE vs RATE OF CHANGE OF

CURRENT



C, C

AP

AC

ITA

NC

E (

nF

)

CRES

0 5 10 15 20 250

0.5

1.0

2.0

2.5

3.0

1.5

FREQUENCY = 1MHz

COES

CIES


8 91.9

10 12

2.0

2.2

2.1

11 13 14 15 16

2.3

2.4

VC

E,

CO

LL

EC

TO

R T

O E

MIT

TE

R V

OLTA

GE

(V

)

ICE = 18A

ICE = 12A

ICE = 6A

DUTY CYCLE < 0.5%, VGE = 15V

PULSE DURATION = 250μs, TJ = 25oC

0.5 1.0 1.5 2.5

I EC

, F

OR

WA

RD

CU

RR

EN

T (

A)

VEC, FORWARD VOLTAGE (V)

0 2.00

4

6

8

10

25oC125oC

2

14

12PULSE DURATION = 250μs

DUTY CYCLE < 0.5%,

60

40

20

0

t rr,

RE

CO

VE

RY

TIM

ES

(n

s)

IEC, FORWARD CURRENT (A)

1 12118

70

50

30

10

2 3 4 5 6 7 9 10

80

90

25oC trr

25oC ta

25oC tb

125oC tb

125oC ta

dIEC/dt = 200A/μs

125oC trr

300 400 500 700 800

t rr, R

EC

OV

ER

Y T

IME

S (

ns)

diEC/dt, RATE OF CHANGE OF CURRENT (A/μs)

200 600

10

5

25

35

45

55

15

20

30

40

50

60

65

900 1000

125oC ta

125oC tb

25oC ta

25oC tb

IEC = 12A, VCE = 390V

300

200

100

0Qrr

, R

EV

ER

SE

RE

CO

VE

RY

CH

AR

GE

(n

c)

diEC/dt, RATE OF CHANGE OF CURRENT (A/μs)

1000500

350

250

150

50

200 300 400 900

400

600 700 800

125oC IEC = 12A

125oC IEC = 6A

25oC IEC = 6A

25oC IEC = 12A

VCE = 390V



FIGURE 23. IGBT NORMALIZED TRANSIENT THERMAL RESPONSE, JUNCTION TO CASE


t1, RECTANGULAR PULSE DURATION (s)

ZθJ

C,

NO

RM

AL

IZE

D T

HE

RM

AL

RE

SP

ON

SE

10-2

10-1

100

10-5 10-3 10-2 10-1 100 10110-4

t1

t2

PD

DUTY FACTOR, D = t1 / t2PEAK TJ = (PD X ZθJC X RθJC) + TC

SINGLE PULSE

0.50

0.20

0.05

0.02

0.01

0.10

Test Circuit and Waveforms

FIGURE 24. INDUCTIVE SWITCHING TEST CIRCUIT FIGURE 25. SWITCHING TEST WAVEFORMS

RG = 10Ω

L = 500μH

VDD = 390V

+

-

HGTP12N60A4D

DUT

DIODE TA49371

tfI

td(OFF)I trI

td(ON)I

10%

90%

10%

90%

VCE

ICE

VGE

EOFF

EON2



Handling Precautions for IGBTs

Insulated Gate Bipolar Transistors are susceptible to gate-insulation damage by the electrostatic discharge of energy through the devices. When handling these devices, care should be exercised to assure that the static chargebuilt in the handler’s body capacitance is not discharged through the device. With proper handling and application procedures, however, IGBTs are currently being extensively used in production by numerous equipment manufacturers in military, industrial and consumer applications, with virtually no damage problems due to electrostatic discharge. IGBTs can be handled safely if the following basic precautions are taken:

1. Prior to assembly into a circuit, all leads should be kept shorted together either by the use of metal shorting springs or by the insertion into conductive material such as “ECCOSORBD™ LD26” or equivalent.

2. When devices are removed by hand from their carriers, the hand being used should be grounded by any suitable means - for example, with a metallic wristband.

3. Tips of soldering irons should be grounded.

4. Devices should never be inserted into or removed from circuits with power on.

5. Gate Voltage Rating - Never exceed the gate-voltage rating of VGEM. Exceeding the rated VGE can result in permanent damage to the oxide layer in the gate region.

6. Gate Termination - The gates of these devices are essentially capacitors. Circuits that leave the gate open-circuited or floating should be avoided. These conditions can result in turn-on of the device due to voltage buildup on the input capacitor due to leakage currents or pickup.

7. Gate Protection - These devices do not have an internal monolithic Zener diode from gate to emitter. If gate protection is required an external Zener is recommended.

Operating Frequency Information

Operating frequency information for a typical device (Figure 3) is presented as a guide for estimating device performance for a specific application. Other typical frequency vs collector current (ICE) plots are possible using the information shown for a typical unit in Figures 5, 6, 7, 8, 9 and 11. The operating frequency plot (Figure 3) of a typical device shows fMAX1 or fMAX2; whichever is smaller at each point. The information is based on measurements of a typical device and is bounded by the maximum rated junction temperature.

fMAX1 is defined by fMAX1 = 0.05/(td(OFF)I+ td(ON)I).Deadtime (the denominator) has been arbitrarily held to 10% of the on-state time for a 50% duty factor. Other definitions are possible. td(OFF)I and td(ON)I are defined in Figure 25. Device turn-off delay can establish an additional frequency limiting condition for an application other than TJM. td(OFF)Iis important when controlling output ripple under a lightly loaded condition.

fMAX2 is defined by fMAX2 = (PD - PC)/(EOFF + EON2). The allowable dissipation (PD) is defined by PD = (TJM - TC)/RθJC.The sum of device switching and conduction losses must not exceed PD. A 50% duty factor was used (Figure 3) and the conduction losses (PC) are approximated by PC = (VCE x ICE)/2.

EON2 and EOFF are defined in the switching waveforms shown in Figure 25. EON2 is the integral of the instantaneous power loss (ICE x VCE) during turn-on and EOFF is the integral of the instantaneous power loss (ICE x VCE) during turn-off. All tail losses are included in the calculation for EOFF; i.e., the collector current equals zero (ICE = 0).


1.8 KBPC 1006

Fig. 1 : Forward characteristics (typical values) Fig. 2 : Rated forward current vs. ambient temperature

KBPC 1000FW ... KBPC 1016FW

2 26-10-2004 SCT © by SEMIKRON



ANEXO II:

MANUAL DE USUARIO






225


Manual de Usuario

Dispositivo de control modular de procesos fluido-térmicos PROCON


226


Instrucciones de seguridad

1) Lea estas instrucciones. 2) Guarde estas instrucciones. 3) Cumpla con todas las advertencias. 4) Siga todas las instrucciones. 5) No utilice este aparato cerca del agua. 6) Limpie el aparato solamente con un paño seco. 7) No tape las aberturas de ventilación. 8) No instale el aparato cerca de fuentes de calor como, por ejemplo, radiadores, salidas de aire caliente, estufas y otros aparatos (incluyendo amplificadores) que produzcan calor. 9) No anule la característica de seguridad del enchufe polarizado o del enchufe del tipo de puesta a tierra. Un enchufe polarizado tiene dos clavijas, una más ancha que la otra. Un enchufe de puesta a tierra tiene dos clavijas y una espiga de puesta a tierra. La clavija ancha y la espiga de estos enchufes han sido suministradas para su seguridad. Si el enchufe suministrado no puede conectarse al tomacorriente, consulte a un electricista para que le cambie el tomacorriente obsoleto. 10) Proteja el cable de alimentación para que no lo pisen ni lo pellizquen, especialmente en el enchufe, tomacorriente y en el punto donde sale del aparato. 11) Desenchufe este aparato durante las tormentas eléctricas o cuando no lo utilice durante un largo periodo de tiempo. 12) Solicite todas las reparaciones al personal de servicio calificado. Las reparaciones resultan necesarias cuando el aparato se ha estropeado de cualquier forma: se ha estropeado el cable o el enchufe de alimentación, se ha derramado líquido o han caído objetos dentro del aparato, el aparato ha quedado expuesto a la lluvia o a la humedad, no funciona normalmente o se ha caído.


227


13) Para impedir las descargas eléctricas, asegúrese de que la patilla de puesta a tierra de la clavija del cable de alimentación de CA esté firmemente conectada.

Limpieza y mantenimiento

Limpie suavemente la superficie del panel utilizando el paño de pulido o un paño suave. • Si la superficie está especialmente sucia, limpie con un paño suave empapado en agua o agua mezclada con una pequeña cantidad de detergente neutro, frote uniformemente con un paño seco del mismo tipo hasta que la superficie quede completamente seca. • El panel frontal es de aluminio, por lo tanto siga la limpieza típica de este material. Si la consola se ensucia, limpie con un paño suave y seco. • Si la consola está muy sucia, empape el paño en agua mezclada con una pequeña cantidad de detergente neutro y escurra el paño hasta eliminar el agua. Utilice el paño para limpiar la consola y seque frotando con un paño seco. • No permita que el detergente entre en contacto directo con las rendijas de ventilación. Si las gotas de agua entran en el interior del aparato, pueden surgir problemas en el funcionamiento. • Evite el contacto con sustancias volátiles tales como rociadores de insecticida, disolventes y diluyentes de pintura debido a que puede verse afectada la superficie de la consola y puede desprenderse el revestimiento. Tampoco deje la superficie por mucho tiempo en contacto con artículos de caucho o PVC.


228


Primeros Pasos Bienvenidos a la sección de soporte para el dispositivo modular de procesos, una guía completa de recursos para saber utilizar la consola de mandos. Los temas aquí tratados son:

1. Partes diferenciadas de la consola. 2. Conexión de los conectores a panel posterior. 3. Control de señales del panel frontal diferenciado en tarjetas específicas.

Coloca la consola en una superficie que:

• Sea plana y nivelada. • Sea estable. • Permita que los cuatro pies de la consola estén en contacto con la superficie. • No permite con facilidad que la consola de deslice. • Sea limpia y no tiene polvo ni basura. • Si la superficie o pies de la consola se ensucian, límpialos con un paño seco. • Ordena los cables de modo tal que las personas no se enreden ni tropiecen o accidentalmente tiren de ellos cuando caminan en las cercanías de la consola. Cuando la consola no está en uso, es posible que necesites desconectar los cables del frente de la consola. • No bloquees ninguna de las aberturas de ventilación en la consola. No coloques la consola en un espacio cerrado, tales como armarios pequeños, estantes o gabinetes para el estéreo, a menos que el espacio esté bien ventilado. • No coloques la consola cerca de ninguna fuente de calor, tal como radiadores, estufas o amplificadores. • Evita el humo y el polvo.


229


2.1 PARTES DE LA CONSOLA DE MANDOS

El dispositivo de control modular se divide en 2 partes significativas.

Panel frontal Panel posterior

2.1.1 PANEL FRONTAL

Aquí encontramos:

• 1- Interruptor diferencial

• 2- Selector entre las maquetas 38-100 y 38-600

• 3- Selectores de entrada de datos

• 4- Potenciómetros para ajustar entrada del 0% al 100%

• 5- Bornas de entrada de tensión de 0 a 10v

• 6- Bornas de salida de tensión

• 7- Interruptores de encendido

• 8-Diodos LED de encendido

• 9-Diodo Temperatura máxima

• 10-Diodo Boya


230


2.1.2 PANEL POSTERIOR

En este panel se encuentran los siguientes conectores:

• 1- Conectores Jack (EV1, EV2 y EV3)

• 2- Conectores de las tarjetas de adquisición de datos

• 3- Conectores DIN5 (Temp1, Temp2, Temp3, Temp4, Temp5, Termostato y Boya )

• 4- Conectores DIN7(Caudalímetro 1, Caudalímetro 2, Caudalímetro 3 y Refrigerador)

• 5- Conectores DIN7(SV1,Bomba por corriente,SV2 y Nivel)

• 6- Conectores red (Bomba1 y Bomba 2)

• 7- Conector de red del calefactor

• 8-Conector de alimentación de red

Todos ellos tienen el nombre puesto para evitar dudas a la hora de conectar los actuadores.

¡¡¡OJO!!! Conectar adecuadamente los sensores y actuadores para evitar daños al equipo.


231


2.1 CONTROL DE SEÑALES DEL PANEL FRONTAL

Para poder utilizar el dispositivo, previamente habrá que subir el diferencial de encendido [1]. Si el cuadrado inferior está de color rojo eso quiere decir que el dispositivo esta alimentado.

Una vez encendidos todos los leds de ON [8] de las tarjetas podemos empezar a utilizar el dispositivo de control modular.


232


Por otro lado tenemos las salidas analógicas, mediante el selector [2] podemos elegir entre seleccionar las siguientes salidas desde el PC.

Posición 38-600 Posición 38-100 Servoválvula 1 Servoválvula 1

Bomba por corriente Bomba por corriente Calefactor Calefactor

Refrigerador Servoválvula 2

2.1.1 TARJETA CONTROL CIRCUITOS

Debido a que las 3 primeras tarjetas son encargadas de acciones similares se muestran todas en un bloque.


233


Antes de nada hay que cerciorarse de que le llega alimentación y para ello el led verde de ON tiene que estar encendido, si no lo está tenemos que elevar el diferencial como se ha explicado en el punto 3.1.

La forma de control de dichas tarjetas puede seleccionarse con el selector, y para ello disponemos de 3 posiciones [3]:

Manual (Operación por el potenciómetro) Input (Operación mediante fuente de alimentación externa) I/O Port (Operación desde PC)

Mediante la selección de I/O Port la toma de entrada de datos será el Ordenador. Con la selección de Manual podemos seleccionar la apertura de la servoválvula desde un 0% a un 100%, ya que el potenciómetro es multivuelta y cada vuelta será un 10% del total [4].

La selección Input es mediante bornas [5] y sirve para hacer lo mismo que mediante el potenciómetro pero en este caso mediante una fuente de alimentación externa, para ello conectaremos la masa a la borna negra y la alimentación positiva a la borna roja. La alimentación de entrada será entre 0 voltios y 10 voltios, para hacer una apertura desde el 0% al 100%.


234


NOTA: No exceder nunca la tensión de entrada de más de 10 voltios o se podrían causar grabes daños al interior de la consola de mandos.

Estas serán las 3 formas de actuar sobre la servoválvula, pero por otro lado tenemos el caudalímetro y para saber el caudal en ese punto, podemos hacerlo mediante el PC o las bornas de salida [6]. Mediante estas últimas conectando un voltímetro se puede saber el caudal resultante desde un 0% equivalente a 0 voltios hasta un 100% equivalente a 10 voltios.

2.1.2 CALEFACTOR Y REFRIGERADOR

Para el manejo tanto del calefactor como del refrigerador se dispone de un único selector de 3 posiciones [3]. Las posiciones son las mismas que las tratadas en las tarjetas anteriores:

I/O Port Manual Input

Mediante el Pc podemos controlar el funcionamiento del calefactor de un 0% al 100% y el del refrigerador también de un 0% a un 100%.


235


Si se opta por el control mediante los potenciómetros [4], el funcionamiento es igual, marcando mediante las vueltas las decenas y con el potenciómetro las unidades en una escala hasta el 100% tanto para el potenciómetro como el calefactor.

Con una fuente de alimentación externa también se puede hacer esta regulación.

Mediante un Led Rojo sabremos cuando la temperatura ha alcanzado los 70ºC en el exterior del calefactor y por tanto el termostato habrá saltado para evitar calentamientos. Estos 70ºC son en la chapa, así se evita que el usuario pueda quemarse al tocarlo, interiormente el fluido alcanza una temperatura mayor.

El led verde nos indica si la tarjeta está alimentada.

La parte encargada del refrigerador es similar, ya que podemos hacer que funcione de un 0% (Apagado) a un 100% (Pleno rendimiento) mediante el PC, un potenciómetro y las bornas de entrada.


236


2.1.3 MANDO DIGITAL

En esta tarjeta se encuentran 2 selectores, uno para las electroválvulas y otro para las bombas, y para ambos actuadores las posiciones son las siguientes:

I/O Port On/Off

De esta forma no se puede controlar mediante una fuente de alimentación externa, puesto que la forma de control de las bombas y electroválvulas es por relés.

Si se desea utilizar el PC primero tenemos que poner el selector en la opción I/O Port y la entrada tiene que ser +5Vcc para alimentar los actuadores, y si se desea utilizar los interruptores bastara con accionar el que se desee para encender el actuador seleccionado.

2.1.4 SENSORES

Esta tarjeta es encargada de mostrar la temperatura en las diferentes partes del circuito, el nivel y el estado de la boya de seguridad. Para ello podemos utilizar 2 medios sin necesidad de un selector puesto que son salidas.

Bornes del panel frontal PC


237


Mediante ambos métodos se puede saber la temperatura en cualquier parte del circuito bastando solo con el ordenador o un voltímetro [6].

Para saber la temperatura solo tenemos que multiplicar por 10 el valor de la tensión medida, es decir, si obtenemos 2,5voltios la temperatura será 25ºC y así para las demás tensiones.

Por otro lado está el sensor de nivel, y la forma de saber es exactamente igual que con las temperaturas, bien podemos saberlo mediante el PC, o sino con un multímetro midiendo entre las bornas de Nivel la tensión. Dicha tensión estará entre 0v o 10v, indicando un 0% para 0v y un 100% para 10v, como en los casos anteriores.

Para poder saber si el líquido ha alcanzado el nivel máximo tendremos que fijarnos en la boya de seguridad, la cual una vez que alcanza dicho nivel hará que se encienda un led rojo del panel frontal, así como enviar 5v al PC.


238


2.2 CONEXIÓN DE LOS CONECTORES A PANEL POSTERIOR

Debido a que para el funcionamiento del dispositivo, es necesario que la secuencia de conexiones sea la mencionada anteriormente, primero hay que conectar los conectores al panel posterior antes de encender el aparato.

A continuación se explican que conector conlleva cada actuador o sensor y cuál es su grupo a la hora de conectarlo en la parte posterior de la maqueta.

Sensores/Actuadores Conector Bomba1 Red Bomba2 Red Calefactor Red EV1 Jack EV2 Jack EV3 Jack Boya DIN 5 Sensor Temperatura 1 DIN 5 Sensor Temperatura 2 DIN 5 Sensor Temperatura 3 DIN 5 Sensor Temperatura 4 DIN 5 Sensor Temperatura 5 DIN 5 Sensor Termostato DIN 5 SV1 DIN 7 Bomba por corriente DIN 7 SV2 DIN 7 Sensor Nivel DIN 7 Caudalímetro 1 DIN 7 Caudalímetro 2 DIN 7 Caudalímetro 3 DIN 7


239


Se necesita conectar principalmente la alimentación general mediante un conector de alimentación de 220v macho.

Conectores Jack:

Conectores Tarjeta de adquisición de datos:

Conectores Din7:


240


Conectores Din5:

Conectores Alimentación:

NOTA: Es imprescindible que todas las conexiones se realicen antes de encender el equipo puesto que si no se pueden realizar cortocircuitos que dañarían los componentes y actuadores.


241


2.3 SOLUCION DE PROBLEMAS

Problema 1 – La consola no funciona Asegurase que la conexión de la alimentación alterna este bien conectada tanto a la red como a su borne correspondiente. Asegúrese también de que el interruptor diferencial este elevado. Si aun así no funciona, puede deberse a un mal conexionado interno de las fuentes de alimentación.

Problema 2 – Algún sensor o actuador no funciona Antes de pedir la intervención de un técnico, asegúrese de que los conectores del panel posterior están correctamente colocados y que este encendido el equipo.

Problema 3 – El ordenador no recibe señal Asegúrese de que los conectores de las tarjetas de adquisición de datos están correctamente colocados, tanto en el PC como en la maqueta.

Problema 4 – Fallos en el Panel Frontal Si la selección de los métodos de entrada no funciona como debería asegúrese que los componentes mecánicos este perfectamente fijados al panel frontal. En el caso que sea necesaria una sustitución de algún componente, solicite la pieza a la distribuidora y esta le asignara una cuenta para pagar dichos arreglos.

Ya que los elementos vienen comprobados de fábrica, un fallo de estos elementos es debido a una mala utilización. Abrase el panel superior y certifíquese de que los conectores están bien enclavados.

NOTA: Si alguno de estos problemas persiste, por favor, pida la intervención de un técnico.



ANEXO III:

PAPER XXXIII JORNADAS DE AUTOMATA





DISEÑO Y CONTROL DE SISTEMA TÉRMICO A ESCALADE LABORATORIO

Javier Rico Azagra, Gabriel Sierra Somovilla, Gabriel Tobias García, Montserrat Gil MartínezÁrea de Ingeniería de Sistemas y Automática. Universidad de La Rioja

[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Resumen

En este trabajo se presenta el diseño y desarro-llo de una planta térmica a escala de laboratorio.El objetivo principal es disponer de una platafor-ma real para la enseñanza de Ingeniería de Con-trol orientada a la práctica. Las características delsistema permiten emplear un gran abanico de es-trategias de control, facilitando su empleo en cur-sos de distinto nivel. Se desarrolla el diseño y eje-cución de la electrónica de control asociada a lossensores/actuadores. Se ilustra la correspondenciaentre los modelos, de acuerdo a las leyes físicas delos sistemas térmicos y los resultados experimen-tales. Las leyes de control se calculan y adaptande acuerdo a su viabilidad práctica.

Palabras clave: Planta térmica, modelado,control de temperatura, perturbación

1. Introducción

La ingeniería de control es una ciencia fundamen-tal para conseguir una industria competitiva. Estehecho ha conducido a que en los actuales planes deestudios de las titulaciones de la rama industrial[1] esta materia ocupe un lugar importante. Aho-ra el reto fundamental es dotar a los contenidosteóricos de una clara funcionalidad práctica, queademás sirva de motivación al alumno.

En esta misma línea, el nuevo EEES (Espacio Eu-ropeo de Educación Superior) [2] fomenta un cam-bio en la metodología docente, que acerque los co-nocimientos adquiridos por el alumno a los deman-dados por el mercado laboral. Con los nuevos pla-nes de estudio (grados) se impulsa el aprendizajebasado en proyectos y la resolución de problemasreales en prácticas de laboratorio.

Este escenario de trabajo requiere de una seriede equipos de laboratorio que permitan al perso-nal docente realizar prácticas de laboratorio paracompletar los conocimientos teóricos adquiridos.Este equipamiento deberá cumplir una serie de ca-racterísticas que faciliten su empleo en docencia:tiempos de ensayo reducidos, aplicación en múlti-ples asignaturas, múltiples estrategias de control

aplicables, bajo coste, escaso mantenimiento, etc.

Este trabajo presenta el desarrollo de una plata-forma docente para el estudio de estrategias decontrol sobre un sistema térmico. El proceso repre-senta un horno industrial a escala de laboratorio,sobre el que se realiza el control de la temperaturade la cámara. El sistema permite el estudio de losdos problemas de control más frecuentes: rechazode perturbaciones y/o seguimiento de referencias.

Uno de los puntos fuertes de la plataforma es quepermite una gran variedad de modos de operación.Las estrategias aplicables (topología de control, ti-po de controlador, etc) dependen de la opción es-cogida, permitiendo su empleo en diferentes asig-naturas y facilitando el estudio de varias técnicasde diseño de controladores.

Cabe destacar que se ha dotado a la plataforma deuna gran conectividad, permitiendo implementarla lógica de control en un PC ó en un reguladorindustrial comercial ó en sistemas de control em-bebidos, entre otros. Es decir, podrán estudiarsetécnicas de control analógico y digital, así comométodos de implementación de controladores endiferentes entornos.

El hardware empleado ha sido seleccionado de for-ma que el equipo sea robusto y pueda ser reparadode forma sencilla. La mayor parte de los elementos(sensores-actuadores) así como la electrónica decontrol que los gobierna es estudiada en otras ma-terias relacionadas (instrumentación electrónica,electrónica analógica, electrónica de potencia, etc)por lo que la plataforma puede emplearse en di-chas asignaturas para ilustrar aplicaciones reales,estudiar el comportamiento de los diseños realiza-dos, etc.

La Sección 2 describe en detalle el diseño y mon-taje de la planta. En la Sección 3 se muestran losmodelos matemáticos no lineales y lineales que de-terminan el comportamiento del sistema. El con-trol del proceso empleando diferentes estrategiasde control es mostrado en la Sección 4. Por último,la Sección 5 contiene las conclusiones alcanzadas.

2. Diseño y desarrollo de la plantatérmica

2.1. Descripción general

La plataforma desarrollada consta de dos elemen-tos principales: cámara térmica (Figura 1) y panelde control (Figura 2). La primera, representa el in-terior del horno sobre el que se realiza el controlde temperatura. Esta cámara presenta forma deprisma rectangular (36 × 18 × 20cm3) sobre el quese han realizado dos perforaciones circulares en loslaterales. El material empleado ha sido metracri-lato (espesor: 1cm) permitiendo la visibilidad através de las paredes. En el interior de la cámarase ha incorporado un calefactor resistivo de altapotencia (0,5kW ) capaz de calentar en un tiemporeducido el interior de la cámara. Para homoge-neizar la temperatura se ha incorporado un ven-tilador encargado de recircular el aire mejorandola distribución de temperaturas. Por último, so-bre uno de los orificios laterales se ha instalado unventilador (3,3W ) que permite inyectar un caudalde aire frío en el interior del horno, forzando lasalida del aire caliente por el orificio situado en ellado contrario (ver Figura 8).

Figura 1: Cámara térmica

El panel de control contiene la electrónica necesa-ria para el funcionamiento del sistema. En su inte-rior se han incorporado elementos para el controlde la potencia calorífica, velocidad de los ventila-dores, acondicionado de la señal de los sensores,protección contra sobrecalentamiento, etc. Todosestos elementos han sido diseñados para funcionaren tres modos de operación:

IO-Port: emplea una tarjeta de adquisiciónde datos National Instruments 6229PCI [3]para la captura/envío de datos. Este modode operación será empleado para controlar elsistema desde PC.

Manual: permite regular la potencia calorífica

y las velocidades de giro mediante potenció-metros situados en el panel frontal.

Input: permite realizar la captura/envío dedatos desde unas bornas situadas en el pa-nel frontal. Este modo de operación puede serempleado para controlar el sistema emplean-do reguladores comerciales, PLC, etc.

Figura 2: Panel de control

2.2. Elementos del sistema

2.2.1. Actuadores

Los actuadores han sido seleccionados para mini-mizar la duración de los experimentos y que éstosse puedan realizar en un tiempo inferior a 2h (du-ración aproximada de una sesión de prácticas).

Como elemento calefactor se ha seleccionado unaresistencia de 100Ω y 500W de potencia en con-diciones nominales (230Vac). El calor disipado poreste elemento es mucho mayor que el necesario pa-ra generar un incremento de temperatura en la zo-na de operación (30 − 80). La distribución delcalor se realiza mediante un radiador con aletas degran tamaño, que permite una disipación térmicauniforme en todas las direcciones. La ventilaciónforzada en el interior de la cámara mejora estefenómeno, consiguiendo una temperatura homo-génea en toda la cámara.

Los ventiladores empleados presentan unas dimen-siones 80×80×25mm3, con una velocidad de girode 3000rpm cuando son alimentados a la tensiónnominal 24Vdc. En estas condiciones permiten des-plazar 61m3/h, lo que supone renovar la totalidaddel aire contenido en la cámara en menos de unsegundo.

2.2.2. Sensores de temperatura

La temperatura en el interior de la cámara es ana-lizada gracias a dos sondas de temperatura. Laprimera es un termistor PT100 (3 hilos) que pro-porciona una variación de resistencia proporcionala la temperatura. La segunda es un sensor electró-nico de precisión LM35.

El sensor PT100 es muy frecuente en la indus-tria dada su alta linealidad y facilidad de empleo.

Se emplearán las medidas aportadas por este sen-sor para calcular el error en lazo cerrado frente ala referencia de temperatura deseada. El circuitointegrado LM35 es empleado como sensor patrón(dada su gran precisión) y en labores de seguridad.En este último caso, si se supera la temperaturamáxima de funcionamiento, se corta la alimenta-ción de los elementos de potencia.

2.3. Electrónica de control

Para realizar el control de los diferentes elementosque componen el sistema se han desarrollado unaserie de interfaces electrónicos que permiten el go-bierno del sistema térmico. Todos estos dispositi-vos electrónicos han sido instalados en el interiordel panel de control, de forma que sus controlessean accesibles desde un panel de operación exte-rior (Figura 2).

2.3.1. Acondicionado de señal PT100

El acondicionado de la señal generada por la son-da PT100 se realiza mediante la transformaciónde la variación de resistencia en una variación decorriente que posteriormente es transformada entensión. Se ha optado por esta estructura puestoque es posible realizarla con dos CI (Circuito In-tegrado) comerciales que garantizan buenas pres-taciones y un mantenimiento sencillo en caso deavería.

En la primera etapa se emplea un CI XTR105 quees el encargado de transformar la señal del sensorPT100 en una corriente 4 − 20mA. Este elemen-to incorpora en su interior la linearización de laseñal, por lo que no es necesaria una etapa pre-via de adaptación de la medida del termistor. Pa-ra lograr un funcionamiento más preciso se añadeal montaje un transistor BDX53C que mejora latransmisión de la corriente generada.

RCV420PT100 XTR105 0-5VdcBDX53C

Figura 3: Acondicionado de señal PT100

La corriente producida por el XTR105 es transfor-mada en tensión por el CI RCV420 que garantizauna conversión lineal de la corriente 4 − 20mA entensión 0 − 5Vdc.

2.3.2. Control de la potencia calorífica

La resistencia calefactora empleada no esta prepa-rada para generar una potencia calorífica variable.Para poder regular el flujo calorífico aportado en elinterior de la cámara es necesario desarrollar unaetapa de potencia encargada de regular la potencia

suministrada. En este caso se ha optado por em-plear un conversor dc-dc controlado por una señalPWM.

La tensión continua empleada para alimentar alconversor dc-dc es obtenida mediante una rectifi-cación con puente de diodos y un posterior filtra-do por capacidad. La corriente continua obtenidapresenta 315Vdc con una profundidad de descar-ga máxima de 20Vdc (Vmin = 295Vdc). Para con-seguir esta descarga máxima debe emplearse unacapacidad de 800mF ; en nuestro caso se han ins-talado 2 condensadores electrolíticos en paralelo,cada uno con una capacidad de 390mF . Por razo-nes de seguridad, la descarga de los condensadorescuando el sistema se apaga es realizada medianteuna resistencia de 150kΩ situada en paralelo conel circuito de alimentación.

230Vac 315Vdc

LM35

24Vdc

PWM2x3

90

mF

50

0W

Ω10

0

Ω15

0k

Figura 4: Esquema empleado para el control depotencia; conversor dc-dc

El troceado de la señal continua es realizado porun MOSFET de potencia SSH7N90A capaz de so-portar 7A y 900V , con una resistencia en la zonade conducción Ron = 1,8Ω. Gracias a este elemen-to podemos inyectar en la resistencia fragmentosde la tensión de alimentación, con lo que el calorgenerado puede ser controlado de forma sencilla.La potencia consumida por el circuito a plena car-ga es de 1000W , por lo que la señal de control debeestar limitada de forma que el consumo máximono exceda de 500W , que es la potencia máximasoportada por la resistencia calefactora. En estascondiciones el MOSFET consume 8,9W , para di-sipar el calor generado se ha instalado un radiadorcon aletas.

Estudios realizados sobre el sistema real han de-terminado que la temperatura en el interior de lacámara puede alcanzar los 200C. Para evitar da-ños en el equipo y posibles quemaduras es necesa-rio emplear un sistema de seguridad que limite latemperatura máxima. La señal obtenida del sensorLM35 es comparada con la temperatura máximapermitida Tmax = 80C; en caso de superarse di-cho valor el sistema corta la alimentación de laresistencia calefactora, desactivando un relé situa-do aguas arriba de dicha resistencia. Se ha añadidoun indicador luminoso en el panel frontal que avi-

sa al usuario cundo este elemento de protección seencuentra activo.

Para realizar el aislamiento galvánico entre el cir-cuito de control y la etapa de potencia empleamosun optoacoplador de alta velocidad (ton = 6µs).La tensión de alimentación es obtenida del cátodode un Zener de 24Vdc alimentado con dos resis-tencias en paralelo de 68kΩ y 2W cada una. Estaalimentación de 24Vdc es conectada al colector deltransistor de salida del optocoplador y este a suvez esta conectado a la puerta del MOSFET depotencia mediante una resistencia de 390Ω . Porúltimo, la masa es conectada al emisor del transis-tor. Con este montaje generaremos una señal de24Vdc en la puerta del MOSFET cuando la señalde control del optoacoplador se encuentra a nivelbajo y una señal de 0Vdc cuando la entrada pre-senta un nivel alto.

PWM

24v

PWM

Gate

Carga

5v

24v

315v

Figura 5: Circuito de disparo con aislamiento gal-vánico

El generador de señales PWM está realizado em-pleando amplificadores operacionales de propósitogeneral. En la primera etapa genera un diente desierra con frecuencia ajustable 200Hz − 10KHz.Para obtener dicha señal, realizamos la carga-descarga de un condensador con corriente cons-tante. El ajuste de la frecuencia de trabajo es rea-lizado mediante un potenciómetro que determinala corriente de carga del condensador.

Diente sierra

Divisor 1/2

Señal de

controlIn

Out

Comparador

Figura 6: Esquema empleado para generar los pul-sos de anchura variable (PWM)

En paralelo se escala la señal de control reducien-do su valor al 50 %. Esta reducción de la tensiónde control garantiza que a plena carga la anchurade pulso máxima sea del 50 %, tal que la poten-cia máxima consumida sean 500W . El escalado dela tensión se realiza mediante dos amplificadores

inversores en cascada, el primero configurado conganancia 0,5 y el segundo con ganancia unitariak = 1,0.

Las dos señales son comparadas en una etapa pos-terior, generando un tren de pulsos con anchura depulso máxima del 50 %. Cuando la señal de con-trol supera al diente de sierra obtenemos un nivelalto en la salida (ver Figura 6); cuando sucede locontrario obtenemos un nivel bajo.

Generado el tren de pulsos empleamos una etapade acondicionado que proporciona una señal conlógica de control negativa. Es decir, presenta unnivel bajo cuando la entrada está a nivel alto yviceversa. Este paso es necesario debido a que eloptoacoplador empleado para pilotar el MOSFETemplea una lógica de control negativa. Para cam-biar la señal de control empleamos un amplifica-dor inversor con ganancia unitaria que cambia elsigno del tren de pulsos; posteriormente esta señalinvertida es sumada junto con una señal continuade 10Vdc (ver Figura 7), obteniendo en la salida eltren de pulsos a aplicar en la entrada del optoaco-plador.

Inversor

Sumador

10v

Figura 7: Esquema empleado para cambiar la ló-gica de control de la señal PWM

2.3.3. Control de los ventiladores

Los ventiladores empleados trabajan con una ten-sión nominal de 24Vdc. Para poder controlar suvelocidad de giro se emplea una etapa de amplifi-cación que transforma la señal de control 0−10Vdc

en un señal de 0 − 24Vdc. Esta etapa de amplifi-cación emplea un amplificador operacional de po-tencia L272. Este permite un consumo máximo de0,7A valor superior a los 0,15A consumidos por losventiladores funcionando a velocidad máxima.

El montaje configura el amplificador operación co-mo amplificador no inversor con ganancia 2,33(R1 = 1,5kΩ, R2 = 2kΩ), de este modo genera-mos 24Vdc en la salida cuando la señal de controles de 10Vdc.

2.4. Montaje del prototipo

La electrónica de control descrita ha sido imple-mentada en una serie de tarjetas PCB situadas enel panel de control. Los módulos empleados son:

Control de potencia: incorpora la etapa derectificado y el troceador de la tensión con-tinua empleada por el calefactor

Generador PWM: genera la señal de controlpara el MOSFET de potencia

Termostato: genera la señal de control para elrelé de protección contra sobrecalentamiento

Acondicionado señal PT100: transforma la re-sistencia del sensor en tensión 0 − 10Vdc

Control ventiladores: transforma la tensión0 − 10Vdc en 0 − 24Vdc

La inteconexión entre todas estas tarjetas y lasseñales del proceso se realiza a través de tres mó-dulos de concentración de señales:

Conexión PC:incorpora un conector SCSI de68 pines para comunicar el PC con la electró-nica del sistema

Conexión panel frontal: permite distribuir lasseñales del panel frontal al resto de elementosdel sistema

Alimentación: distribuye las diferentes tensio-nes de alimentación al resto de módulos

La alimentación del dispositivo se realiza desde elpanel de control con un conector de 220Vac paracorriente alterna. Esta toma de corriente es em-pleada para alimentar el sistema de potencia yuna fuente de alimentación interna que genera unatensión continua de 24Vdc,±15Vdc.

Por último, la unión entre el proceso y el panelde control es realizada empleando una mangueracon ocho hilos encargada de transportar las señalesdel proceso y un cable de alimentación de 3 hilosempleado para la alimentación del calefactor.

3. Modelado del sistema

3.1. Modelo matemático

El sistema térmico puede modelarse de forma sim-plificada según el esquema mostrado en la Figura8. Disponemos de una fuente de calor situada enel interior de una cámara que genera un flujo calo-rífico empleado para mantener la temperatura detrabajo. El calor aportado por la resistencia ca-lefactora qg está determinado por la acción u decontrol según:

qg(t) = δ(t) · V2

R= 0,01u(t) · 3152

100 (1)

V Tensión de alimentación 315Vdc

R Resistencia eléctrica del calefactor 100Ωδ Ciclo de trabajo del conversor cc-ccu Acción de control

Figura 8: Esquema simplificado del proceso

El calor cedido al ambiente por el flujo de aire fríoentrante en la cámara (2) depende del flujo másicode aire y de la temperatura en el exterior de lacámara. Las pérdidas a través de las paredes (3)dependen de la conductancia térmica de la mismay de la temperatura externa.

qp1(t) = maf(t)cp(T (t) − Ta(t)) (2)

qp2(t) = 1k

(T (t) − Ta(t)) (3)

T Temperatura en el interior de la cámaraTa Temperatura ambientek Conductancia térmica de la cámaramaf

Flujo másico de aire entrantecp Calor especifico del aire

En régimen permanente el balance energético debemantenerse [4], por lo tanto el calor generado seráigual al cedido al ambiente tal que:

δ(t) · V2

R=

(maf

cp + 1k

)(T − Ta) (4)

Durante el régimen transitorio parte del calor ge-nerado es empleado para incrementar la tempe-ratura en el interior de la cámara, por lo tanto elsistema dinámico simplificado puede ser modeladosegún la la ecuación diferencial:

macpdT (t)dt

= δ(t) · V2

R−maf

(t)cp(T (t)−Ta(t))

− 1k

(T (t) − Ta(t)) (5)

ma Masa de aire almacenada en la cámara

Conocidas las ecuaciones que determinan el com-portamiento del sistema, podemos obtener un mo-delo de simulación en Matlab-Simulink [5]. Este

modelo sera empleado para probar las diferentesestrategias de control antes de ser implementadassobre la plataforma real.

El modelo implementa en un diagrama de bloquesla ecuación (5). Parte de los parámetros que deter-minan (5) son constantes (V = 315Vdc, R = 100Ω,volumen Va = 5l, cp = 1012J/kgk), el resto (cp,Ta,maf

, k, densidad del aire δa) pueden variar enfunción del punto de operación, estructura de con-trol, etc. El la Tabla 1 se observan los datos esco-gidos para el punto de operación (2a columna) asícomo la incertidumbre paramétrica esperada.

Tabla 1: Incertidumbre paramétrica

Parámetro P.O. Incertidumbre UnidadesTa 25 15 − 35 [oC]δa 1,18 0,95 − 1,2 [kg/m3]k 0,659 0,5 − 0,8 [J/o]˙maf

40 0 − 61 [m3/h]u 3 0 − 10 [v]

0 0.5 1 1.5 2 2.5x 104

2

4

6

Ttempo (seg.)

Acc

ion

de c

ontro

l u(t)

0 0.5 1 1.5 2 2.5x 104

3040506070

Tiempo (seg.)

Tem

pera

tura

(ºC

)

Modelo matemático

Sitema real

Figura 9: Validación del modelo matemático

El la Figura 9 podemos comprobar como el mode-lo de simulación diseñado corresponde con el com-portamiento del sistema real, quedando este vali-dado. La distorsión observada en la parte final delexperimento es debida a cambios en la temperatu-ra ambiente. Al no disponer de dichos datos se haoptado por mantener la temperatura teórica en lasimulación.

La constante de tiempo del sistema en lazo abiertoesta determinada por (6). Donde mafe

representael caudal de aire frío empleado si éste permanececonstante.

τ = macp

mafecp+ 1

k

(6)

Para obtener una dinámica rápida debemos incre-mentar el flujo de aire frío (mafe

≥ 40m3/h). Conesta configuración la constante de tiempo dismi-nuye y disponemos de cierto margen para forzarperturbaciones en el caudal de aire frío.

3.2. Modelo lineal

Tras obtener el modelo de simulación que deter-mina el comportamiento real del proceso, debemoscalcular un modelo dinámico simplificado emplea-do para el diseño de controladores. En este casola respuesta dinámica en torno al punto de opera-ción definido en la Tabla 1 es modelada según (7),mediante un sistema de primer orden con retardo.

P (s) = k

τs+ 1e−Ls (7)

Los diferentes puntos de operación, así como la va-riación de las constantes que determinan el com-portamiento producen que el modelo obtenido pre-sente incertidumbre paramétrica (Tabla 2).

Tabla 2: Incertidumbre paramétricaParámetro Valor nominal Incertidumbre

k 7,6 6 − 10τ 310 200 − 400L 30 10 − 60

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500-1

0

1

2

3

4

5

Tiempo (seg.)

Incr

emen

to d

e Te

mpe

ratu

ra (º

C)

Modelo dinamico lineal

Respuesta del sistema real

Figura 10: Validación del modelo dinámico

En la Figura 10 podemos observar la correspon-dencia entre modelo teórico y real para uno de losexperimentos realizados.

4. Estrategias de control

Determinados los modelos del proceso podemosllevar a cabo el control del mismo. Las estrategiasde control aplicables son diversas y dependerándel nivel del curso en el que se emplee la plata-forma desarrollada. En principio, para cursos denivel básico-intermedio se propone controladoresde Tipo PI [6], a los que de cara a su implementa-ción [7, 8] hay que añadir estructuras antiwindup(limitan la acción integral), pesos en la consigna(limitan sobreimpulsos), polos de alta frecuencia,etc. La adición de la parte derivativa, cuyo diseñoteórico es relativamente simple, requiere de espe-cial cuidado desde un punto de vista práctico. Acontinuación se muestran algunos ejemplos:

4.1. Control PI

El ejemplo más sencillo es diseñar un controladorPI para la planta obtenida en (7). Para garantizarun funcionamiento adecuado bastará con fijar unacondiciones de diseño poco restrictivas, que den lu-gar a diseños lentos, en los que lo más importantesea mantener el punto de consigna en régimen per-manente. Siguiendo eta estrategia obtenemos (8),controlador que presenta la respuesta mostrada enla Figura 11.

C(s) = 0,035s+ 0,0017s

(8)

1500 2000 2500 3000 35002

4

6

Tiempo (sec.)Acc

ión

de c

ontro

l u(t)

1500 2000 2500 3000 3500

40

45

50

Tiempo (sec.)

Tem

pera

tura

(ºC

)

Figura 11: Validación del controlador PI

4.2. Control PID

De mayor complejidad, resulta el diseño adecuadode la parte derivada dentro de una estructura decontrol PID. Una estrategia para controlar siste-mas con grandes retardos es presentada en [8]. Seemplea la acción derivada para emular un predic-tor Smith en el que el controlador PI restante esdiseñado por cancelación de polos. La selección delas constantes se realiza según (10).

C(s) = kc(Tis+ 1)(Tds+ 1)Ti(αTds+ 1) (9)

Ti = T = 250Td = L/2 = 30

kc = T

(L+ Tc)kp = 225(60 + 100)6 = 0,234

α = Tc

Tc + L= 100

100 + 60 = 0,625

(10)

En la Figura 12 podemos comprobar como el con-trolador es capaz de realizar el seguimiento conla constante de tiempo de lazo cerrado empleadapara el diseño T = 100s.

5. Conclusiones

Se ha desarrollado un proceso térmico a escala delaboratorio para su empleo en la impartición de

2000 4000 6000 8000 10000 12000 1400030

40

50

60

Tiempo (sec.)

Tem

pera

tura

(ºC

)

2000 4000 6000 8000 10000 12000 140000

2

4

Tiempo (sec.)Acc

ión

de c

ontro

l u(t)

Figura 12: Validación del controlador PID

clases de ingeniería de control de acuerdo a las me-todología del nuevo EEES, que potencia el acer-camiento entre teoría y práctica. El sistema cons-truido puede ser operado siguiendo diversas estra-tegias, incrementando su aplicabilidad en múlti-ples asignaturas. La selección de los sensores/ac-tuadores así como la electrónica de control, se harealizado de forma que las tareas de montaje ymantenimiento sean sencillas.

Se han calculado un modelo no lineal para la si-mulación del proceso y un modelo lineal emplea-do para el diseño de controladores. Por último,son mostrados dos ejemplos de diseño, alcanza-dos empleando estrategias de control diferentes ymarcando las diferentes alternativas en función delnivel o curso en el que se emplea el prototipo.

Agradecimientos

Los autores agradecen la ayuda prestada por elGobierno de La Rioja a través del proyectoIMPULSA2010/01.

Referencias

[1] Universidad de La Rioja. Plan de estudios:http://www.unirioja.es/estudios/.

[2] Espacio Europeo de Edicacion Superior.http://www.eees.es/.

[3] National Instruments. Multifunction Data Ac-quisition PCI-6229 http://sine.ni.com/.

[4] E. Umez-Eronini. System Dynamics and Con-trol. General Engineering Series. PWS Publis-hing Company, 1999.

[5] Mathworks. http://www.mathworks.com/.

[6] H.Bishop C.Dorf. Modern Control Systems.Pearson Prentice Hall, 2008.

[7] K.J. Astrom and T. Hagglund. Control PIDavanzado. Instrument Society of America(ISA), 2009.

[8] E.F.Camacho J.E.Normey-Rico. Control ofDead-time Process. Springer, 2007.



DOCUMENTO Nº4 PLANOS





Dispositivo de control modular de procesos fluido-térmicos Procon Planos Universidad de La Rioja

251


PLANOS

1. PLANOS DE PLACAS INTERNAS

1.1.1 - 1.2.2 Tarjetas Control Circuitos

1.2.1 - 1.2.2 Tarjeta Calefactor y Refrigerador

1.3.1- 1.3.2 Tarjeta control digital

1.4.1 - 1.4.2 Tarjeta temperatura y nivel

1.5.1 - 1.5.2 Tarjeta expansora

1.6.1–1.6.2 Placa Control Potencia

1.7.1 Placa alimentación

1.8.1 Placa conectores Jack

1.9.1 Placa conectores Din5

1.10.1 Placa conectores Din7

1.11.1 – 1.11.2 Placa conectores T.A.D. 1 y T.A.D. 2

Dispositivo de control modular deprocesos fluido-térmicos Procon

Dispositivo de control modular de procesos fluido-térmicos Procon Planos Universidad de La Rioja

268


2. PLANOS DEL EXTERIOR

2.1.1 Panel frontal

2.1.2 Panel posterior

Dispositivo de control modular deprocesos fluido-térmicos Procon



DOCUMENTO Nº4 PLIEGO DE CONDICIONES





Dispositivo de control modular de procesos fluido-térmicos Procon Pliego de condiciones Universidad de La Rioja

272


PLIEGO DE CONDICIONES

1. DISPOSICIONES GENERALES

1.1 OBJETO

La realización del presente Proyecto titulado “Dispositivo de control modular de procesos fluido-térmicos Procon” se enmarca bajo la designación de Proyecto Fin de Carrera y tiene como propósito culminar con éxito los estudios de Ingeniería Técnica Industrial en Electrónica Industrial.

En este documento exponemos todas las condiciones técnicas de montaje, especificaciones a cumplir por los elementos y materiales comerciales que se deben considerar a la hora de llevar a cabo la realización del proyecto.

En caso de no realizarse las condiciones tal como se presenta en este documento el proyectista no se responsabilizará de los posibles fallos y averías propias del funcionamiento, repercutiendo todo el peso del problema sobre terceras personas.

Todas las modificaciones de las que pueda ser susceptible el proyecto, deberán ser aprobadas por el ingeniero o proyectista.

1.2 PROPIEDAD INTELECTUAL

Según el artículo 13 de la normativa vigente en el centro, la propiedad intelectual del autor y director del Proyecto o Trabajo Fin de Carrera se regirá por el Real Decreto Legislativo 1/1996, de 12 de abril, por el que se aprueba el texto refundido de la Ley de Propiedad Intelectual.

1.3 CONDICIONES GENERALES

Este proyecto se ajusta en su desarrollo a los reglamentos y disposiciones electrónicas vigentes.

Atendiendo a esto una vez se haya aprobado por el Ministerio de Industria, tendrá carácter de obligado cumplimiento.


273


Una vez realizado el proyecto, se podrán realizar diversas modificaciones siempre bajo la supervisión del ingeniero o proyectista.

En caso de efectuarse alguna modificación, el correspondiente proyecto modificado se considera como parte integrante del proyecto definitivo y como tal, sujeto a las condiciones y especificaciones citadas y aprobadas por el Ministerio.

La empresa adjudicataria suscribirá contrato ante notario donde se hará constar, a parte de los términos legales obligatorios, plazos de entrega y la conformidad con la sanción cuyo incumplimiento pueda acarrear.

1.4 NORMAS, LEYES Y REGLAMENTOS

La realización del proyecto se regirá por la Ordenanza General de Seguridad e

Higiene en el Trabajo del 7 de abril de 1970 y posteriores actualizaciones.

Así mismo, se regirá por el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, en el

que se tendrán en cuenta las siguientes normas:

M.I. B.T.029. La actual se refiere a instalaciones de pequeñas tensiones,

menores de 50 voltios.

M.I. B.T.031. La cual se refiere a las condiciones generales de instalación,

de utilización así como de los requisitos a cumplir a la hora del diseño.

Los espesores de los materiales con recubrimiento metálico y sus

tolerancias están especificadas en la norma UNE 20 620 80.

La norma UNE 20552:1975 especifica las tolerancias sobre el espesor

total en la zona de contactos.

En las distancias entre taladros para la colocación de componentes nos

referimos a la norma UNE 20524-2:1977.

Reglas de seguridad para los aparatos electrónicos de norma UNE

20514:1989.

DIN 40801-1:1977-08 referente a circuitos impresos, fundamentos,

orificios y espesores.

DIN 40803 referente a circuitos impresos, placas y documentación.

DIN 40804:1977-08 referente a circuitos impresos, conceptos.

DIN 41494 referente a las formas de construcción para dispositivos

electrónicos.

UNE 20902 que hace referencia a la técnica de circuitos impresos,

Terminología.

UNE-EN 60249 en la cual se citan los materiales base para circuitos

impresos. Parte 2: especificaciones. Sección 1: papel de celulosa con

resina fenólica, laminada en cobre de alta calidad eléctrica.

UNE 61204-3:2002 Fuentes de alimentación de baja tensión con salida en

corriente continua. Parte 3: Compatibilidad electromagnética (CEM).


274


UNE 61204-6:2001 Fuentes de alimentación de baja tensión de salida en

corriente continua. Parte 6: Requisitos para las fuentes de alimentación

de baja tensión de calidad asegurada.

UNE 61204-7:2007/A11:2010. Fuentes de alimentación de baja tensión

de salida en corriente continua. Parte 7: Requisitos de seguridad.

UNE 62041:2011 Seguridad de los transformadores, bobinas de

inductancia, unidades de alimentación, y de las combinaciones de estos

elementos. Requisitos CEM.

Directiva 2004/40/CE del parlamento europeo y del consejo, de 29 de

abril de 2004 sobre las disposiciones mínimas de seguridad y de salud

relativas a la exposición de los trabajadores a los riesgos derivados de los

agentes físicos (campos electromagnéticos) Trabajadores: campos estáticos 2 T, 40 mA/m2; bajas frecuencias (50 Hz): 10 mA/m2; altas frecuencias (300 GHz): 2000 µW/cm2. Niveles de

referencia: campos estáticos: 40 mT; bajas frecuencias (50 Hz): 5 kV/m, 100 µT; altas frecuencias (300 GHz): 1000 µW/cm2. Población general: restricciones básicas: campos estáticos: 400 mT, 8 mA/m2; bajas frecuencias (50 Hz): 2 mA/m2; altas frecuencias (300 GHz): 1000 µW/cm2. Niveles de referencia: campos estáticos: 40 mT; bajas frecuencias (50 Hz): 5 kV/m, 100 µT; altas frecuencias (300 GHz): 1000 µW/cm2

Este proyecto debido a sus característica se encuentra recogido, pues, dentro del reglamento electrónico de baja tensión. Dentro de este y más concretamente dentro del capítulo 1 (generalidades) se pueden destacar algún artículo como el siguiente: “Se calificará como instalación eléctrica de baja tensión, todo conjunto de

aparatos y circuitos asociados en previsión de un fin particular, producción, conversión,

transformación, distribución o utilización de la energía eléctrica cuyas tensiones

nominales sean iguales o inferiores a 1000 V para corriente alterna y 1500 V para

corrientes continuas”.

2. DEFINICIÓN Y ALCANCE DEL PLIEGO DE CONDICIONES

2.1 OBJETO DEL PLIEGO DE CONDICIONES

El presente pliego regirá en unión de las disposiciones que con carácter general y particular se indican, y tiene por objeto la ordenación de las condiciones técnico-facultativas que han de regir en la ejecución del presente Proyecto.

Se considerarán sujetas a las condiciones de este Pliego, todas las obras y trabajos cuyas características, planos y presupuestos, se adjuntan en las partes correspondientes del


275


presente Proyecto. Se incluyen por tanto en este concepto los trabajos de diseño para el

control de los procesos formados por las plantas de trabajo y el diseño de la maqueta junto con el control del software de supervisión y manejo.

Se entiende por obras accesorias aquellas que, por su naturaleza, no pueden ser previstas en todos sus detalles, sino a medida que avanza la ejecución de los trabajos.

Las obras accesorias se construirán según se va conociendo su necesidad. Cuando su importancia lo exija se construirán en base a los proyectos adicionales que redacten. En los casos de menor importancia se llevarán a cabo conforme a la propuesta que formule el Ingeniero Industrial Director de Obra.

Si en el transcurso de los trabajos se hiciera necesario ejecutar cualquier clase de obras o instalaciones que no se encuentren descritas en este Pliego de Condiciones, el Adjudicatario estará obligado a realizarlas con estricta sujeción a las órdenes que, al efecto, reciba del Ingeniero Industrial Director de Obra y, en cualquier caso, con arreglo a las reglas del buen arte constructivo.

El Ingeniero Industrial Director de Obra tendrá plenas atribuciones para sancionar la idoneidad de los sistemas empleados, los cuales estarán expuestos para su aprobación de forma que, a su juicio, las obras o instalaciones que resulten defectuosas total o parcialmente, deberán ser demolidas, desmontadas o recibidas en su totalidad o en parte, sin que ello dé derecho a ningún tipa de reclamación por parte del Adjudicatario.

2.2 DOCUMENTOS QUE DEFINE LAS OBRAS El presente proyecto consta de los siguientes documentos:

Memoria Anexos Planos Pliego de Condiciones Presupuesto

El contenido de estos documentos se encuentra la memoria.

Los documentos contractuales son aquellos que están incorporados en el contrato y que son de obligado cumplimiento, excepto modificaciones debidamente autorizadas. Los documentos que podrían ser modificados son:

Planos Pliego de Condiciones Presupuesto

El resto de datos o documentos del Proyecto tienen carácter informativo y están constituidos por medio de la Memoria y todos sus anexos.


276


2.3 COMPATIBILIDAD ENTRE DOCUMENTOS

Los citados documentos informativos representan únicamente una opinión fundamentada. Estos datos han de considerarse tan solo como complemento de la información que el contratista ha de adquirir directamente y con sus propios medios.

Solamente los documentos contractuales definidos en la parte anterior constituyen la base del contrato. Por tanto, el contratista no podrá alegar modificación alguna de las condiciones del contrato en base a los datos contenidos de los documentos informativos a menos que estos datos aparezcan en algún documento contractual.

El contratista será, pues, responsable de los errores que se puedan derivar de no obtener la suficiente información directa que rectifique o ratifique el contenido de los documentos informativos del Proyecto.

En caso de contradicciones entre los Planos y las Prescripciones Técnicas contenidas en el presente Pliego de Condiciones, prevalece lo que se ha prescrito en estas últimas.

Lo que se haya citado en el Pliego de Condiciones y omitido en los Planos, o viceversa, habrá de ser ejecutado en ambos documentos, siempre en cuando que queden suficientemente definidas las unidades de obras correspondientes y están tengan precio en el Contrato.

3. CONDICIONES DE MATERIALES

3.1 CONDICIONES TECNICAS DE LOS MATERIALES

Las características de los siguiente componentes deberán ser respetados en todo momento. Todo parámetro que se haya modificado respecto a lo descrito aquí no será responsabilidad del diseñador del proyecto.

A continuación se especificaran las características técnicas de los componentes usados en el diseño:


277


DISPOSITIVOS INTEGRADOS

3.1.1 RCV420

Alimentación • V Max = + - 22V

• I Max = 40 mA

• V (Modo Común) = +-40V Encapsulado

• Tipo = DIP 16 Temperatura

• T Max = 70 ºC --------- Soldadura (300ºC, t=10s)

3.1.2 AD694

Alimentación • V Max = 36 V

• V Min = 20 V Encapsulado



3.1.3 LM741 Alimentación

• V Max = +- 22 V

• P Max = 500 mW Encapsulado



3.1.4 LM35

Alimentación • V Max = + 35V

• V Min = - 0.2V Encapsulado

• Tipo = TO 92 Temperatura



278


3.1.5 2N2219A

Alimentación • V Max = 75v

• V Min = 6v Encapsulado

• Tipo = TO-39 Temperatura

• T Max = -55 ºC a 200ºC

3.1.6 1N4007

Alimentación • Vrrm=1000v

• Vrms = 35v

• V dc = 50v Encapsulado

• Tipo = DO-41 Temperatura

• T Max = -65 ºC a 175ºC

3.1.7 LM311

Alimentación • V Max = +- 30 V




3.1.8 BC558

Alimentación • V CE Max = -30V

• V CB Max = - 30V

• I C = - 100 mA Encapsulado

• Tipo = T0-92 Temperatura

• T Max = 150 ºC


279


3.1.9 LM358 Alimentación

• V Max = + 32V

• V Min = - 0.3 V Encapsulado


• T Max = 70 ºC

3.1.10 TL431 Alimentación

• V KA Max = + 37V Encapsulado


• T Max = 70 ºC

3.1.11 BT136 Alimentación

• V Max = + 600V

• I Max = 4 A Encapsulado


• T Max = 150 ºC

3.1.12 MOC3041 Alimentación

• I Max = 60 mA




3.1.13 LM7805, LM7810, LM7812 Alimentación

• V Max = + 35V

• I Max = 1 A Encapsulado


• T Max = 125 ºC


280


3.1.14 CONECTOR SCPI 68 Resistencia de conexión

• Rmax=30mΩ Encapsulado

• Tipo = SCSI 68 Temperatura

• T Max = 105ºC Corriente

• Imax=1A

3.1.15 ZENER 12 VOLTIOS Potencia

• Pmax= 1W Encapsulado

• Tipo = DO-41 Corriente

• Imax = 10µA

3.1.16 ZENER 10 VOLTIOS Potencia

• Pmax= 1W Encapsulado

• Tipo = DO-41 Corriente

• Imax = 5µA

Las consecuencias de una alimentación superior a la establecida en algún componente no serán recriminadas al diseñador. Si dicha negligencia provocara daños tanto materiales como personales, el desarrollador del producto no se hará cargo de ninguna responsabilidad civil como penal.

3.2 CONDICIONES TECNCIAS DE CIRCUITO IMPRESO

Las placas de circuito impreso tendrán las características técnicas y de diseño establecidas por el diseñador principal del mismo. Ya que se dispone de diferentes tipos de tensión así como de diferentes corrientes la anchura de las pistas tendrán diferentes valores en función de la cantidad de componentes y de lo que consuman ellos mismos.


281


Se ha decido establecer tres tipos de anchuras diferentes:

Señales internas de la placa -> Anchura 0.8 mm Señales de alimentación general -> Anchura 1 mm Señales de alimentación alterna monofásica -> 2 mm

Lo mismo ocurre con los pads donde van a ir insertados los componentes, para cada componente tiene una medida correspondiente:

Conector 5 Alimentación 2.5 mm Forma Cuadrada Conector 8 Señales 2 mm Forma Redonda Conector 20 Señales 2mm Forma Redonda Conector SCSI 68 1.2 mm Forma Redonda Componentes Electrónicos 2 mm Forma Redonda Fijación Tornillería 6 mm Forma Redonda

El no cumplir estas medidas puede producir daños en los componentes. Otra de las consecuencias seria el mal funcionamiento de los componentes por no tener un suministro de corriente específico. Un aumento de la anchura no supondría ningún problema para el buen funcionamiento de los diseños salvo que el tamaño de las mismas no permita realizar las placas en las medidas fijadas en capítulos posteriores.

3.3 CONDICIONES TECNICAS DEL MATERIAL INFORMATICO

Para el desarrollo e implementación del proyecto debemos de disponer de un PC que actuara como equipo de análisis y control. En la memoria se describe el Terminal recomendado por el proyectista, pero en su defecto deberemos emplear un equipo con las siguientes características mínimas:

Pentium IV o equivalente a 2GHz 1GByte memoria RAM 40 GB disco duro Tarjeta gráfica VGA compatible con 128MB de memoria Monitor 17’’

Conocidas las características mínimas del equipo de control enumeramos el software mínimo que debe contener este equipo.

Windows XP. Matlab – Simulink R2007b Toolbox Real Time Worckshop Toolbox Real Time Windows Target


282


4. CONDICIÓN DE EJECUCIÓN Y MONTAJE

4.1 CONEXIONADO Para la realización del conexionado tanto interno como externo se deberán seguir

las siguientes instrucciones. Como existen diferentes tipos de conectores se establecerán unas prioridades en la conexión de las mismas y todas irán referenciadas a la tarjeta expansora.

Conexionado Alimentación General: Se realizara en primer lugar ya que no afecta al espacio físico para maniobrar en caso de rotura o recambio. Se utilizara un bus de 5 pads con una sección equivalente al consumo de corriente estudiado. Además del bus de 5 pads se conectara la alimentación de red. No supondrá mucho cableado.

Conexionado Panel Posterior: Ira en segundo lugar para dejar conectado y fijado los conectores al panel posterior. Se utilizaran buses de 20 pads y de 5 para alimentaciones según sean necesarios. Todas las placas de conectores se conectaran a la tarjeta expansora.

Conexionado Panel Frontal: Se conectaran a la tarjeta expansora todos los buses necesarios para la transmisión de señales, ya bien sean de 8 o 20 pads. Además se conectaran los conectores de 2 pads de alimentación alterna a la tarjeta expansora.

Se aconseja previamente a la conexión de los conectores, medir previamente las distancias entre los mismos y prepararlos fuera de la caja de conexiones ya que puede suponer un trabajo innecesario y más costoso.

La utilización de cableado en mal estado o de material que no cumplas con las especificaciones, podrán lugar a fallos en el proceso o a dañar componentes. Si se ha realizado de manera negligente el diseñador no se hará responsable de demandas económicas ni de carácter jurídico.

4.2 CONDICIONES DE FABRICACION DE CIRCUITO IMPRESO

Respetando en el diseño de las placas la anchura de las pistas en función de señal o alimentación que sea, las diferentes placas deben tener una serie de características de fabricación que en el caso de no cumplir no tendría peso legal en cualquier reclamación por parte del cliente.


283


TARJETAS CONTROL CIRCUITOS

Material Fibra de Vidrio Tipo placa circuito impreso

Dos caras

Medidas (mm) 150x100

TARJETA CONTROL TEMPERATURA Y NIVEL


Dos caras


TARJETA DIGITAL


Dos caras


TARJETA CALEFACTOR-REFRIGERADOR


Dos caras


TARJETA EXPANSORA


Dos caras


PLACA CONECTORES JACK


Una cara

Medidas (mm) 30x70

PLACA CONECTORES DIN 5


Una cara

Medidas (mm) 60x200


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PLACAS CONECTORES DIN 7 Material Fibra de Vidrio Tipo placa circuito impreso

Una cara

Medidas (mm) 2x60x140

PLACAS T.A.D.


Una cara

Medidas (mm) 2x85x37

ALIMENTACION


Una cara

Medidas (mm) 30x80

CONTROL DE POTENCIA


Dos caras

Medidas (mm) 50x100

4.3 PRUEBAS Y ENSAYO DE MONTAJES

Una vez que se hayan realizado las diferentes placas se procederá a realizar diferentes pruebas para comprobar que su funcionamiento es correcto. Esto se realizaría antes de colocar ninguna conexión con otras placas ya que la mala conexión de los componentes así como las soldaduras podrían alterar el comportamiento de las salidas y dañar otros dispositivos. No seguir estos pasos eximen al diseñador de cargo alguno.

TARJETAS CONTROL CIRCUITOS Una vez soldados los componentes se realizaran 2 pruebas para comprobar que tanto la corriente del conversor tensión-corriente como que la tensión del conversor corriente-tensión corresponde con las especificaciones de diseño.

La primera prueba se realiza tomando la entrada tanto por fuente de alimentación externa como del potenciómetro y comprobándose que a la salida del transistor 2N2219


285


tiene que ser lo establecido, esto quiere decir que con una entrada de 0v nos da a la salida 4mA y con 10v de entrada nos de 20mA. Y entre esta escala actúe linealmente.

La segunda prueba es la del conversor corriente tensión, y esta se efectúa conectando como entrada el conversor tensión-corriente y comprobando como a la salida del amplificador obtenemos la misma tensión que se pone en la entrada gracias a la fuente de alimentación externa y al potenciómetro.

TARJETA TEMPERATURA Y NIVEL Después de haber seguido los pasos para realizar el circuito impreso se comprueba que los objetivos se cumplen a la perfección.

Primero se conectan en una Protoboard el sensor LM35 y la salida del mismo se conecta a la tarjeta. Comprobando con un polímetro en el bus de señales a panel frontal de la tarjeta obtenemos una tensión correspondiente a la temperatura, esto es decir, que si hace 25ºC obtenemos 2.5v a la salida del amplificador correspondiente ha dicho sensor de temperatura. Esto mismo ocurre con los 5 sensores.

Por último se prueba el sensor de nivel, para esto utilizamos la tarjeta control circuitos y conectamos el conversor tensión corriente a la parte encargada del nivel en esta tarjeta. Al igual que se hacía con la otra placa, comprobamos como la tensión de entrada corresponde a la tensión de salida con un margen del -5%.

Para el funcionamiento de la boya solo tenemos que alimentar con 5v en la patilla de boya del bus de señales. Con esto se ve como el led rojo se ilumina.

TARJETA CONTROL DIGITAL Esta placa está alimentada a 220v en alterna, así que hay que tener cuidado a la hora de manejarla. La forma de comprobarla es relativamente sencilla ya que en si son 5 relés y su comprobación puede ser visual. Alimentando la tarjeta mediante el bus de alimentaciones conectamos al bus del panel frontal un interruptor para cada relé y el selector en la posición de Interruptor. Una vez conectado todo correctamente se comprueba como al accionar los interruptores alimentamos con 5v a los transistores que entran en saturación provocando que los relés actúen. Se comprueba que los 5 funcionan correctamente y con esto se da por bueno su funcionamiento.

TARJETA CALEFACTOR-REFRIGERADOR Para la comprobación de esta tarjeta se ha ido comprobando paso a paso el diseño de la misma, esto quiere decir que se comprobó en primer lugar la parte encargada del refrigerador, y luego las partes encargadas del calefactor, las cueles son el control PWM, luego el termostato, el circuito de control y por último el circuito del optoacoplador.


286


Para el refrigerador, puesto que es un conversor tensión-corriente, se conecta una fuente de alimentación externa y gracias a ella se comprueba como la tensión de 0 a 10v corresponde linealmente a corriente de 4 a 20mA. Una vez comprobado el correcto funcionamiento, se da por bueno el funcionamiento del refrigerador.

El control del calefactor comienza con el control PWM y lo primero será justar el potenciómetro para que la señal generada por los dos primeros operacionales de una frecuencia de 1.2KHz, frecuencia a la cual el IGBT funcionara correctamente. Con el uso de un osciloscopio y colocando la sonda de medida en los puntos se ajustaran los demás potenciómetros para que la señal triangular tenga el valor mínimo en 0 voltios y el valor máximo en 10 V.

Tras esto se realizara una prueba para comprobar que el control PWM funciona bien. Gracias al selector colocándolo en la posición de bornas y con una fuente de alimentación externa de 0 a 10v, se observa como el tiempo a ON de la señal varia proporcionalmente con el valor de la tensión de control.

Como se desea que la tensión nunca sea del 100% sino del 50%, se crea un circuito de ganancia la mitad para hacer que cuando la tensión de control sea de 10v la tensión que le llegue al PWM sea de 5v. Para ello mediante 2 amplificadores uno de ganancia -0.5 y el otro de ganancia -1 tendremos la ganancia de 0.5 a la salida.

Para el circuito del termostato se utiliza el polímetro en el punto de medida y modificando por otro lado el potenciómetro se fijara la temperatura en 40 grados. Una temperatura fácilmente asumible con un mechero. De esta manera el relé conmutar a dicha temperatura. Si no es correcto habrá que revisar continuidad en las soldaduras.

Para probar el Optoacoplador solo hace falta mirar que a la entrada tengamos la señal de PWM de 0 a 5v y en la salida conectando una tensión veremos como la señal PWM que teníamos de control es otra de igual frecuencia pero a una tensión superior, en nuestro caso 311v. Aislando las masas de uno y otro circuito.

Para poder probar esta tarjeta es necesaria la unión de la tarjeta de control de potencia. Se conectara la alimentación alterna a la tarjeta de control de potencia, así como, los bornes del calefactor a las conexiones correctas de la placa.

A continuación se conectara la tensión alterna y midiendo con el polímetro en los bornes del calefactor se observara como la tensión que recibe conmuta entre 0 y 311 voltios. Esto se puede observar ya que la frecuencia es muy baja. Para comprobar que no es fruto de la casualidad se modificara el PWM y realizaremos la misma operación y nos aseguramos que cumple con lo diseñado.

Una vez comprobado esto, se realiza la comprobación del relé conectando el sensor LM35 y fijando una temperatura fácil de alcanzar con un mechero para probar el correcto


287


funcionamiento de la placa en conjunto. Con esto se dan por finalizadas las pruebas de funcionamiento de esta placa.

TARJETA EXPANSORA La realización de dicha tarjeta es sencilla, puesto que solo alberga conectores. En primer lugar se delimita el espacio correspondiente a cada conector y se organizan según están colocadas las demás tarjetas en el panel frontal, para que no haya cruce de buses una vez conectado todo.

Con el diseño listo solo queda hacer la placa y una vez soldados todos los componentes será necesaria la comprobación las conexiones entre buses del panel frontal y los del panel posterior. Si todas las conexiones son correctas se da por finalizada dicha placa.

PLACA CONECTORES JACK Una vez soldados todos los componentes solo tenemos que comprobar

continuidades entre los pines de señales de alimentación (bus de 5 pines) y los conectores Jack.

La comprobación es sencilla, y el conexionado también, así que se decide conectar la electroválvula y alimentarla para poder actuar sobre ellas. De esta forma la placa se da por comprobada.

PLACA CONECTORES DIN 5 Tras haber soldado todos los componentes solo tenemos que comprobar

continuidades entre los conectores de alimentación y los pines de los conectores y el bus de señales y los pines necesarios. Si todas las conexiones son correctas se da por bueno el montaje de las placas.

PLACAS CONECTORES DIN 7 Al igual que la placa anterior solo hace falta comprobar continuidades para dar por finalizado el montaje de dicha placa.

PLACAS T.A.D. Con los dos componentes fijados y soldados las conexiones de cada placa, se

realizara una pequeña prueba de recepción de datos. Para ello es necesaria la utilización de software específico como la aplicación Simulink de Matlab.


288


Se diseñara un proceso de simulación en el cual se mandara por las dos salidas analógicas, dos tensión de 5 y 10 voltios cada una. Para comprobar su funcionamiento mediante un aparato de medida en los pines correspondientes se leerán dichos valores. Lo mismo se realizara para comprobar el funcionamiento de la entrada.

Mediante una fuente de alimentación se fijara un valor de 5 voltios y mediante el programa Simulink se deberán leer dichos valores. Si esto no sucede habrá que revisar las conexiones ya que es probable que no esté bien soldada las pistas a sus pines correspondientes.

ALIMENTACION Debido a la simplicidad de dicha placa solo hace falta mirar la continuidad de todos los conectores con respecto a las conexiones de alimentación.

TARJETA CONTROL DE POTENCIA Debido a las tensiones que se manejan en esta tarjeta son muy elevadas, cualquier comprobación de la misma habrá que hacerla siguiendo medidas de seguridad estrictas. Para la comprobación de la misma es necesaria la unión de dicha tarjeta a la del control del calefactor y del refrigerador, mediante la cual accionaremos el relé cuando la temperatura de consigna sea superior a la fijada y además mediante la cual gracias al optoacoplador podemos ver la conmutación del IGBT. Si la conmutación es correcta con respecto a la tensión de control, podemos asegurar que el funcionamiento de la tarjeta es el correcto.

5. CONDICIONES DE MANTENIMIENTO

5.1 CONSERVACION Si para el montaje y puesta en marcha de los equipos y materiales que componen el sistema de control se siguen todas las indicaciones y especificaciones que se dan en los Planos, Pliego de Condiciones, Anexos y Memoria, la vida útil de dichos elementos sólo dependerá de las condiciones de mantenimiento que da el fabricante.

5.2 INICIALIZACION DEL EQUIPO

Debido a que el equipo puede tomar los datos de entrada desde el exterior, mediante los mandos de acción o una fuente de alimentación externa, y mediante el PC, si se desea utilizar una de las 2 formas de datos del exterior el encendido puede hacerse sin mayor problema.


289


Por otro lado si se desea utilizar el PC siempre deberemos de inicializar el equipo cuando el PC este encendido, puesto que el sistema puede interpretar la falta de corriente como una ruptura del lazo de transmisiones, aplicando una corriente elevada a las salidas de las servoválvulas que pueden bloquear las mismas en el caso de haber seleccionado la entrada de datos mediante el PC. El proceso para el arranque se define según la secuencia: 1º Encendido del PC y establecimiento de señal entre PC y equipo. 2º Encendido del equipo. La desactivación del dispositivo debe realizar se empleando la secuencia inversa, es decir: 1º Apagado del equipo. 2º Apagado del PC. Con esta secuencia de activación conseguiremos alargar la vida del producto y evitar errores de inicialización.

6. EXCLUSIVIDAD DEL APARATO

El conversor de señales así como las diferentes estructuras de control empleadas en el desarrollo del proyecto han sido diseñadas específicamente para las planta PROCON 38-100 , 38-600 Y 38-610, empleando como elementos intermedios el PC y la tarjeta de adquisición de datos Advantech 1710HG, una fuente de alimentación externa o los propios controles del panel frontal.

No se recomienda el empleo del conversor de señales en ningún otro proceso que no sea el descrito en la memoria, puesto que puede producir errores graves que deterioren el comportamiento del mismo.

El proyectista no se hace responsable de los errores producidos en el sistema desarrollado o en las plantas de control empleadas si este elemento se emplea de un modo diferente al descrito en la memoria del presente proyecto.

El empleo de las estructuras de control diseñadas y de las aplicaciones de control en tiempo real en otro proceso puede producir graves errores de comportamiento. Será responsabilidad del operario las consecuencias derivadas de un mal uso de los mismos.


290


7. CONDICIONES ECONOMICAS

En este capítulo se describen las condiciones económicas a las que está sujeto el proyecto.

7.1 ERRORES EN EL PROYECTO

En el caso de existir errores materiales, de montaje o instalación en el proyecto, se hará saber al proyectista en el menor tiempo posible. De no realizar este aviso en un tiempo adecuado y según el protocolo de seguimiento desarrollado, el proyectista quedará libre de culpa o sanción por los posibles errores.

El proyectista no se hace responsable de los errores producidos por el empleo de materiales, técnicas de montaje, instalación o empleo erróneas, quedando exento de toda responsabilidad.

7.2 JORNADAS Y SALARIOS

Las jornadas y salarios empleados para desarrollar el “Dispositivo de control

modular de procesos fluido-térmicos Procon” corren a cargo de la empresa constructora, desde el comienzo del proceso de montaje hasta que se finalice y entregue el dispositivo final desarrollado.

Correrá a cargo de la empresa contratista el pago de los derechos de alta en la delegación provincial del Ministerio de Industria y los organismos competentes en el lugar de implantación del proyecto.

Para llevar a cabo la ejecución del proyecto deberán estar abonados los honorarios del proyectista, pudiendo recaer cargos sobre ello si esta parte no es cumplimentada para su desarrollo.


291


8. DISPOSICION FINAL

Las dos partes contratantes, dirección técnica y empresa, ratifican el contenido del siguiente pliego de condiciones, el cual tienen igual validez, a todos los efectos, que una estructura publica, prometiendo fiel cumplimiento.

FIRMADO:

D. Gabriel Tobías García

Logroño a 20 de Julio del 2012



DOCUMENTO Nº5 PRESUPUESTO





Dispositivo de control modular de procesos fluido-térmicos Procon Presupuesto Universidad de La Rioja

293


PRESUPUESTO

1. INTRODUCCION

La realización del presupuesto constara de los apartados pertinentes para un entendimiento preciso y claro del coste de cada una de las partidas así como del desembolso final para llevar a cabo el proyecto.

Se tendrán en cuenta cada uno de los componentes y las horas de la mano de obra invertidas.

RECURSOS MATERIALES

• Tarjeta Circuito calefactor

• Tarjeta Circuito depósitos

• Tarjeta Circuito producto

• Tarjeta de Temperatura y Nivel

• Tarjeta de Control Digital

• Tarjeta Calefactor- Refrigerador

• Tarjeta Expansora

• Módulo Conversor Pulsos- Tensión

• Placa Conectores Jack

• Placa Conectores Din5

• Placas Conectores Din7

• Placas T.A.D.

• Diseño y Cableado

• Alimentación

RECURSOS HUMANOS

• Diseño Exterior

• Diseño y Realización de circuitos

• Búsqueda de información y redacción del documento


294


2. ESTADO DE MEDICIONES

2.1 INTRODUCCION

El estado de mediciones tiene la misión de determinar las unidades de cada partida o unidad de obra que den forma a la totalidad del proyecto al que este destinado.

2.2 CAPITULO 1: RECURSOS MATERIALES

2.2.1 CONVERSOR CORRIENTE-TENSION Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad

P-003 Ud. RCV420 1 P-002 Ud. Condensadores 2 P-001 Ud. Resistencias 5 P-005 Ud. LM741 1 P-008 Ud. Zócalo DIP-16 1 P-007 Ud. Zócalo DIP-8 1

2.2.2 CONVERSOR TENSION-CORRIENTE Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad

P-004 Ud. AD694 1 P-002 Ud. Condensadores 1 P-001 Ud. Resistencias 1 P-009 Ud. Transistor 2N2219A 1 P-008 Ud. Zócalo DIP-16 1

2.2.3 CONVERSOR TEMPERATURA-TENSION Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad

P-010 Ud. LM35 1 P-005 Ud. LM741 1 P-001 Ud. Resistencias 5 P-007 Ud. Zócalo DIP-8 5

2.2.4 TARJETA CIRCUITO CALEFACTOR Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad

P-012 Ud. Conversor Corriente-Tensión 1 P-011 Ud. Conversor Tensión-Corriente 1 P-014 Ud. Led 1 P-001 Ud. Resistencias 1 P-019 Ud. Zener 10v 1 P-015 Ud. Conector 20 pines 1 P-016 Ud. Conector 8 pines 1 P-017 Ud. Conector 5 pines (Alimentación) 1


295


2.2.5 TARJETA CIRCUITO DEPOSITOS Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad

P-012 Ud. Conversor Corriente-Tensión 1 P-011 Ud. Conversor Tensión-Corriente 1 P-014 Ud. Led 1 P-001 Ud. Resistencias 1

P-0019 Ud. Zener 10v 1 P-015 Ud. Conector 20 pines 1 P-016 Ud. Conector 8 pines 1 P-017 Ud. Conector 5 pines (Alimentación) 1

2.2.6 TARJETA CIRCUITO PRODUCTOS Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad

P-012 Ud. Conversor Corriente-Tensión 1 P-011 Ud. Conversor Tensión-Corriente 1 P-014 Ud. Led 1 P-001 Ud. Resistencias 1 P-019 Ud. Zener 10v 1 P-015 Ud. Conector 20 pines 1 P-016 Ud. Conector 8 pines 1 P-017 Ud. Conector 5 pines (Alimentación) 1

2.2.7 TARJETA TEMPERATURA Y NIVEL Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad

P-013 Ud. Conversor Temperatura-Tensión 5 P-012 Ud. Conversor Corriente-Tensión 1 P-014 Ud. Led 2 P-001 Ud. Resistencias 2 P-015 Ud. Conector 20 pines 1 P-016 Ud. Conector 8 pines 1 P-017 Ud. Conector 5 pines (Alimentación) 1

2.2.8 TARJETA DIGITAL Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad

P-023 Ud. Relé 24v 5 P-024 Ud. Zócalo Relé 24v 5 P-014 Ud. Led 1 P-009 Ud. Transistor 2N2219A 1 P-025 Ud. Diodo 1N4007 5 P-001 Ud. Resistencias 6 P-026 Ud. LM7805 1 P-015 Ud. Conector 20 pines 2 P-016 Ud. Conector 8 pines 1 P-017 Ud. Conector 5 pines (Alimentación) 1 P-018 Ud. Conector 2 pines (Alimentación) 2


296


2.2.9 TARJETA CALEFACTORA Y REFRIGERADORA Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad

P-014 Ud. Led 2 P-017 Ud. Conector 5 pines (Alimentación) 1 P-015 Ud. Conector 20 pines 1 P-016 Ud. Conector 8 pines 1 P-017 Ud. Conector 2 pines (Alimentación) 2 P-027 Ud. LM7810 1 P-027 Ud. LM7812 1 P-010 Ud. LM35 1 P-029 Ud. LM358 1 P-030 Ud. TL431 1 P-031 Ud. 1N4148 2 P-025 Ud. 1N4007 2 P-032 Ud. BC558 1 P-033 Ud. Potenciómetros 1 vuelta 4 P-034 Ud. MOC3041 1 P-035 Ud. BT136 1 P-005 Ud. LM741 1 P-036 Ud. LM311 1 P-019 Ud. Zener 10v 2 P-020 Ud. ZENER 12V 1 P-001 Ud. Resistencias 22 P-002 Ud. Condensadores 8 P-021 Ud. Relé 12v 1 P-022 Ud. Zócalo Relé 12v 1 P-037 Ud. Fusible 1 P-011 Ud. Conversor Tensión-Corriente 1 P-007 Ud. Zócalo DIP-8 6 P-006 Ud. Zócalo DIP-6 1

2.2.10 TARJETA EXPANSORA Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad

P-015 Ud. Conector 20 pines 7 P-016 Ud. Conector 8 pines 5 P-017 Ud. Conector 5 pines (Alimentación) 5 P-018 Ud. Conector 2 pines (Alimentación) 9

2.2.11 DISEÑO Y CABLEADO

2.2.11.1 CONECTORES JACK

Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad P-045 Ud. Conector Jack 3 P-017 Ud. Conector 5 pines 1


297


2.2.11.2 CONECTORES DIN5

Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad P-041 Ud. Conector DIN5 7 P-017 Ud. Conector 5 pines 1 P-015 Ud. Conector 20 pines 1

2.2.11.3 CONECTORES DIN 7 PLACA 1 Y PLACA 2

Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad P-040 Ud. Conector DIN7 8 P-017 Ud. Conector 5 pines 2 P-015 Ud. Conector 20 pines 2

2.2.11.4 TARJETA DE ADQUISICION DE DATOS PLACA 1 Y PLACA 2

Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad P-072 Ud. Conector 68 pines 2 P-015 Ud. Conector 20 pines 2

2.2.11.5 DISEÑO EXTERIOR

Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad P-053 Ud. Selector 7 P-054 Ud. Botón cubre selector 7 P-055 Ud. Interruptores de palanca 5 P-056 Ud. Bornas 28 P-057 Ud. Potenciómetro multivuelta 3 P-058 Ud. Dial del potenciómetro 3 P-059 Ud. Caja para maqueta 1 P-070 Ud. Chapas Caja 2 P-073 Ud. Serigrafía 1 P-060 Ud. Conector 220v 1 P-061 m Cableado alimentación 2 P-062 m Bus datos 50 hilos 1 P-063 m Bus datos 8 hilos 1.5 P-064 Ud. Placa circuito impreso 1 cara 100x160 mm 3 P-065 Ud. Placa circuito impreso 2 caras 100x160 mm 10 P-066 L Agua oxigenada 3 P-067 L Agua fuerte 3 P-068 m Carrete estaño 1mm 60/40 c/flux de 250 grs. 1 P-069 Ud. Tornillería variada 1 P-071 Ud. Interruptor Diferencial 1 P-080 Ud. Pruebas 1


298


2.2.12 ALIMENTACION Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad

P-017 Ud. Conector 5 pines 7 P-046 Ud. Conector cable 3 hilos 1 P-047 Ud. Conector cable 2 hilos 1 P-048 Ud. Fuente alimentación 24v 1 P-049 Ud. Fuente alimentación ±15v 1 P-050 m Cable alimentación 4 hilos 2 P-051 m Cable alimentación 2 hilos 2 P-052 Ud. Conector toma tensión 1

2.2.13 CONTROL DE POTENCIA Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad

P-074 Ud. Resistencias de potencia 2 P-075 Ud. 1N4001 1 P-076 Ud. Zener 24v 1 P-001 Ud. Resistencia 2 P-021 Ud. Relé 12v 1 P-022 Ud. Zócalo Relé 12v 1 P-077 Ud. HGTP12N60A4D 1 P-078 Ud. Puente Rectificador 1 P-079 Ud. Condensador 400uF 600v 2 P-047 Ud. Conector cable 2 hilos 4

2.3 CAPITULO 3: RECURSOS HUMANOS

2.3.1 DISEÑO EXTERIOR Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad

P-081 h Diseño del exterior de la maqueta 52 P-082 h Enganche de placas a panel frontal 8 P-083 h Enganche conectores a panel posterior 10 P-084 h Cableado interno 15

2.3.2 DISEÑO Y REALIZACION DE CIRCUITOS Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad

P-085 h Tarjeta Circuito calefactor 40 P-086 h Tarjeta Circuito Producto 5 P-087 h Tarjeta Circuito Depósitos 5 P-088 h Tarjeta Temperatura y nivel 56 P-089 h Tarjeta Digital 19 P-090 h Tarjeta Calefactora-Refrigeradora 36 P-091 h Tarjeta expansora 10 P-092 h Placa Alimentación 3


299


P-093 h Placa conectores Din5 7 P-094 h Placas conectores Din7 7 P-095 h Placa conectores Jack 5 P-096 h Placa conectores T.A.D. 6

2.3.3 BUSQUEDA DE INFORMACION Y REDACCION DEL DOCUMENTO

Referencia Unidad Unidad de Obra Cantidad P-097 h Búsqueda de información 200 P-098 h Redacción del documento 500


300


3. PRESUPUESTO PARCIAL DE EJECUCION DE MATERIAL

3.1 INTRODUCCION

En este apartado se tienen en cuenta los capítulos y subcapítulos del estado de mediciones incluyendo el precio unitario por partida de cada uno de los elementos mencionados.

Se indicara el subtotal de cada subcapítulo para un estudio más desglosado y ver detalladamente a cuánto asciende.

3.2 CAPITULO 1: RECURSOS MATERIALES

3.2.1 CONVERSOR CORRIENTE-TENSION Referencia Concepto Precio

Unitario (€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-003 RCV420 7.77 1 7.77 P-002 Condensadores 0.07 2 0.14 P-001 Resistencias 0.005 5 0.025 P-005 LM741 0.306 1 0.306 P-008 Zócalo DIP-16 0.64 1 0.64 P-007 Zócalo DIP-8 0.64 1 0.64

SUBTOTAL SUBTAPITULO 3.2.1 9.521

3.2.2 CONVERSOR TENSION-CORRIENTE Referencia Concepto Precio

Unitario (€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-004 AD694 12.97 1 12.97 P-002 Condensadores 0.027 1 0.027 P-001 Resistencias 0.005 1 0.005 P-009 Transistor 2N2219A 0.816 1 0.816 P-008 Zócalo DIP-16 0.64 1 0.64



301


3.2.3 CONVERSOR TEMPERATURA-TENSION Referencia Concepto Precio

Unitario (€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-010 LM35 2.51 1 2.51 P-005 LM741 0.306 1 0.306 P-001 Resistencias 0.005 5 0.010 P-007 Zócalo DIP-8 0.64 5 3.2


3.2.4 TARJETA CIRCUITO CALEFACTOR Referencia Concepto Precio

Unitario (€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-012 Conversor Corriente-Tensión

9.521 1 9.521

P-011 Conversor Tensión-Corriente

14.458 1 14.458

P-014 Led 0.064 1 0.064 P-001 Resistencias 0.005 1 0.005 P-019 Zener 10v 0.696 1 0.696 P-015 Conector 20 pines 1.1 1 1.1 P-016 Conector 8 pines 0.6 1 0.6 P-017 Conector 5 pines

(Alimentación) 0.6 1 0.6


3.2.5 TARJETA CIRCUITO DEPOSITOS Referencia Concepto Precio

Unitario (€)

Numero Unidades

Precio Total (€)


9.521 1 9.521


14.458 1 14.458





302


3.2.6 TARJETA CIRCUITO PRODUCTO Referencia Concepto Precio

Unitario (€)

Numero Unidades

Precio Total (€)


9.521 1 9.521


14.458 1 14.458




3.2.7 TARJETA TEMPERATURA Y NIVEL Referencia Concepto Precio

Unitario (€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-013 Conversor Temperatura-Tensión

6.116 5 30.58


9.521 1 9.521

P-014 Led 0.064 2 0.328 P-001 Resistencias 0.005 2 0.01 P-015 Conector 20 pines 1.1 1 1.1 P-016 Conector 8 pines 0.6 1 0.6 P-017 Conector 5 pines



3.2.8 TARJETA CONTROL DIGITAL Referencia Concepto Precio

Unitario (€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-023 Relé 24v 7.2 5 36 P-024 Zócalo Relé 24v 1.2 5 6 P-014 Led 0.064 1 0.64 P-009 Transistor 2N2219A 0.816 1 0.816 P-025 Diodo 1N4007 0.043 5 0.215 P-001 Resistencias 0.005 6 0.03 P-026 LM7805 0.12 1 0.12 P-015 Conector 20 pines 1.1 2 2.2


303


P-016 Conector 8 pines 0.6 1 0.6 P-017 Conector 5 pines


P-018 Conector 2 pines (Alimentación)

0.6 2 1.2


3.2.9 TARJETA CALEFACTORA Y REFRIGERADORA Referencia Concepto Precio

Unitario (€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-014 Led 0.064 2 0.064 P-017 Conector 5 pines


P-015 Conector 20 pines 1.1 1 1.1 P-016 Conector 8 pines 0.6 1 0.6 P-017 Conector 2 pines


P-027 LM7810 0.12 1 0.12 P-027 LM7812 0.12 1 0.12 P-010 LM35 2.51 1 2.51 P-029 LM358 0.79 1 0.79 P-030 TL431 0.277 1 0.277 P-031 1N4148 0.011 2 0.022 P-025 1N4007 0.043 2 0.086 P-032 BC558 0.05 1 0.05 P-033 Potenciómetros 1 vuelta 0.6 4 2.4 P-035 BT136 0.556 1 0.556 P-005 LM741 0.306 1 0.306 P-036 LM311 0.496 1 0.496 P-019 Zener 10v 0.696 2 1.392 P-020 ZENER 12V 0.52 1 0.52 P-001 Resistencias 0.005 22 0.11 P-002 Condensadores 0.1 8 0.8 P-021 Relé 12v 2.41 1 2.41 P-022 Zócalo Relé 12v 1.1 1 1.1 P-037 Fusible 1.92 1 1.92 P-011 Conversor Tensión-

Corriente 14.458 1 14.458

P-007 Zócalo DIP-8 0.64 6 3.84 P-006 Zócalo DIP-6 0.64 1 0.64



304


3.2.10 TARJETA EXPANSORA Referencia Concepto Precio

Unitario (€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-015 Conector 20 pines 1.1 7 7.7 P-016 Conector 8 pines 0.6 5 3 P-017 Conector 5 pines

(Alimentación) 0.6 5 3

P-018 Conector 2 pines (Alimentación)

0.6 9 5.4


3.2.11 DISEÑO Y CABLEADO

3.2.11.1 CONECTORES JACK

Referencia Concepto Precio Unitario

(€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-045 Conector Jack 1.63 3 4.89 P-017 Conector 5 pines 0.6 1 0.6

SUBTOTAL SUBTAPITULO 3.2.12.1 5.49

3.2.11.2 CONECTORES DIN5


(€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-041 Conector DIN5 3.6 7 25.2 P-017 Conector 5 pines 0.6 1 0.6 P-015 Conector 20 pines 1.1 1 1.1


3.2.11.3 CONECTORES DIN7 PLACA 1 Y PLACA 2


(€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-040 Conector DIN7 3.12 8 24.96 P-017 Conector 5 pines 0.6 2 1.2 P-015 Conector 20 pines 1.1 2 2.2


3.2.11.4 TARJETA DE ADQUISICION DE DATOS PLACA 1 Y PLACA 2


(€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-072 Conector 68 pines 13.8 2 27.6 P-015 Conector 20 pines 1.1 2 2.2



305


3.2.11.5 DISEÑO EXTERIOR


(€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-053 Selectores posición 2.1 7 14.7 P-054 Botón cubre selector 0.742 7 5.19 P-055 Interruptores de palanca 1.4 5 7 P-056 Bornas 0.75 28 21 P-057 Potenciómetro multivuelta 11.2 5 56 P-058 Dial del potenciómetro 12.82 5 64.1 P-059 Caja para la consola 230 1 230 P-070 Chapas Caja 30.5 2 61 P-073 Serigrafía 30 1 30 P-060 Conector 220v 1.42 3 4.26 P-061 Cableado alimentación 4 2 8 P-062 Bus datos 50 hilos 5 1 5 P-063 Bus datos 8 hilos 3.75 1.5 5.62 P-064 Placa circuito impreso 1

cara 100x160 mm 4.75 3 14.25

P-065 Placa circuito impreso 2 caras 100x160 mm

7.16 10 71.6

P-066 Agua oxigenada 1.98 3 5.94 P-067 Agua fuerte 0.85 3 2.55 P-068 Carrete estaño 1mm 60/40

c/flux de 250 grs. 14.65 1 14.65

P-069 Tornillería variada 20 1 20 P-071 Interruptor Diferencial 7.2 1 7.2 P-080 Pruebas varias 100 1 100


3.2.12 ALIMENTACION Referencia Concepto Precio

Unitario (€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-017 Conector 5 pines 0.6 7 4.2 P-046 Conector cable 3 hilos 0.5 1 0.5 P-047 Conector cable 2 hilos 0.5 1 0.5 P-048 Fuente alimentación 24v 34.5 1 34.5 P-049 Fuente alimentación ±15v 36.2 1 36.2 P-050 Cable alimentación 4 hilos 4 2 8 P-051 Cable alimentación 2 hilos 2 2 4 P-052 Conector toma tensión 1.42 1 1.42



306


3.2.13 CONTROL POTENCIA Referencia Concepto Precio

Unitario (€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-074 Resistencias de potencia 0.5 2 1 P-075 1N4001 0.043 1 0.043 P-076 Zener 24v 0.2 1 0.2 P-001 Resistencia 0.005 2 0.01 P-021 Relé 12v 2.41 1 2.41 P-022 Zócalo Relé 12v 1.1 1 1.1 P-077 HGTP12N60A4D 12.3 1 12.3 P-078 Puente Rectificador 2.5 1 2.5 P-079 Condensador 400uF 600v 3 2 6 P-047 Conector cable 2 hilos 0.5 4 2


3.3 CAPITULO 2: RECURSOS HUMANOS

3.3.1 DISEÑO EXTERIOR Referencia Concepto Precio

Unitario (€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-081 Diseño del exterior de la maqueta

28 52 1456

P-082 Enganche de placas a panel frontal

28 8 224

P-083 Enganche conectores a panel posterior

28 10 280

P-084 Cableado interno 28 15 420 SUBTOTAL SUBTAPITULO 3.3.1 2380

3.3.2 DISEÑO Y REALIZACION DE CIRCUITOS IMPRESOS Referencia Concepto Precio

Unitario (€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-085 Tarjeta Circuito calefactor 36.50 40 1460 P-086 Tarjeta Circuito depósitos 36.50 5 182.5 P-087 Tarjeta Circuito producto 36.50 5 182.5 P-088 Tarjeta Temperatura y

nivel 36.50 56 2044

P-089 Tarjeta Digital 36.50 19 693.5 P-090 Tarjeta Calefactora-

Refrigeradora 36.50 36 1314

P-091 Tarjeta expansora 36.50 10 365 P-092 Placa Alimentación 36.50 3 109.5


307


P-093 Placa conectores Din5 36.50 7 255.5 P-094 Placas conectores Din7 36.50 7 255.5 P-095 Placa conectores Jack 36.50 5 182.5 P-096 Placa conectores T.A.D. 36.50 6 219


3.3.3 BUSQUEDA DE INFORMACION Y REDACCION DEL DOCUMENTO


(€)

Numero Unidades

Precio Total (€)

P-097 Búsqueda de información 15 200 3000 P-098 Redacción del documento 24 500 12000

SUBTOTAL SUBTAPITULO 3.3.3 15000


308


4. PRESUPUESTO TOTAL DE EJECUCION DE MATERIAL

4.1 CAPITULO 1: RECURSOS MATERIALES CONCEPTO Precio Total (€)

Subtotal Subcapítulo 3..2.4 27.044 Subtotal Subcapítulo 3. 2.5 27.044 Subtotal Subcapítulo 3. 2.6 27.044 Subtotal subcapítulo 3. 2.7 42.739 Subtotal Subcapítulo 3. 2.8 48.421 Subtotal Subcapítulo 3.2.9 39.987 Subtotal Subcapítulo 3. 2.10 19.1 Subtotal Subcapítulo 3. 2.11.1 5.49 Subtotal Subcapítulo 3. 2.11.2 26.9 Subtotal Subcapítulo 3. 2.11.3 28.36 Subtotal Subcapítulo 3. 2.11.4 29.8 Subtotal Subcapítulo 3. 2.11.5 733.36 Subtotal Subcapítulo 3. 2.12 89.32 Subtotal Subcapítulo 3. 2.12 27.56

SUBTOTAL CAPITULO 1 1172.17

4.2 CAPITULO 2: RECURSOS HUMANOS CONCEPTO Precio Total (€)

Subtotal Subcapítulo 3.3.1 2380 Subtotal Subcapítulo 3. 3.2 7263.5 Subtotal Subcapítulo 3. 3.3 15000

SUBTOTAL CAPITULO 2 24634.5

4.3 PRESUPUESTO TOTAL CONCEPTO Precio Total (€)

Subtotal Capitulo 1 (Recursos Materiales) 1172.17 Subtotal Capitulo 2 (Recursos Humanos) 24634.5 TOTAL SIN IVA 25806.67 IVA (18%) 4645.20

TOTAL 30451.87

Dispositivo de control modular de procesos fluido-térmicos Procon

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