REPORTE: FUENTE SIMETRICA 12V AMPLIFICADOR CONTROL PID

Instrumentacin

Hctor Snchez Maldonado Ariel Mndez Martnez Pgina 1

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE TLAXCALA

FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS INGENIERIA Y TECNOLOGIA

INGENIERIA EN SISTEMAS ELECTRONICOS

Ing. Adriana Ruiz Pastor

INSTRUMENTACION

REPORTE: FUENTE SIMETRICA 12V

AMPLIFICADOR CONTROL PID

PRESENTA: HECTOR SANCHEZ MALDONADO

ARIEL MENDEZ MARTINEZ

Instrumentacin


OBJETIVO 1 (FUENTE SIMETRICA)

Disear una fuente simtrica de 12 volts, con el fin de reutilizarla en fines prcticos. Con

el diseo de la fuente aplicar los principios bsicos de los diodos, transformadores, y

elementos pasivos.

INTRODUCCION

La funcin de una fuente de alimentacin es convertir la tensin alterna en una tensin

continua y lo ms estable posible.

La fuente de alimentacin se puede dividir en cuatro bloques fundamentales, en los que se distribuyen las diferentes fases en las que se trata la seal de entrada para proporcionar la tensin y corriente de alimentacin que deseamos en la salida.

El primer bloque sera el que realizara la transformacin de la seal que nos proporciona la red a una seal en alterna pero de tensin similar a la que nosotros queremos utilizar para alimentar nuestra carga.

El segundo bloque se encargara de la rectificacin de esa seal obtenida en el secundario del transformador, que tratar de proporcionar una seal pulsante de la seal alterna proporcionada por la etapa anterior.

El tercer bloque es el encargado de convertir la seal pulsante obtenida de la rectificacin en una seal ms prxima a una seal continua, esta etapa la realizamos con un filtro.

El cuarto bloque ser el encargado de estabilizar la seal, es decir, se encargar de mantener constante la tensin de alimentacin de salida frente a posibles variaciones de la tensin de entrada o de la carga.

RED SALIDA

MATERIAL

1 transformador de 12 V a 1 A

Un puente rectificador de diodos

2 capacitores de 2200 F

2 capacitores de 0.1 F

2 capacitores de 10 F

1 C.I. LM7812

1 C.I. LM7912

Transformador

de entrada

Rectificador de

diodos

Filtro Regulador

Instrumentacin


DESARROLLO Disear una fuente calculando los valores de los capacitores, de modo tal que cumplan

con un factor de rizo del 5 %.

( )

Donde:

N1 y N2 son el nmero de espiras del embobinado primario y secundario respectivamente.

Tenemos una relacin como la siguiente 120 Vrms, 24 Vrms a 1 Ampere, entonces de

acuerdo a nuestra formula tendremos la siguiente relacin:

( ) (

) (

) (

)

Debido a que por el devanado primario y secundario van a circular diferentes corrientes,

tenemos lo siguiente:

( )

Donde:

I2= Corriente mxima del transformador

Y sustituyendo en la ecuacin tenemos lo siguiente:

( )

Para que el fusible sea confiable, debe de tener un valor de por lo menos un 30 % mayor

al de la corriente calculada en la ecuacin anterior; por lo que haremos una regla de 3

simple.

Por lo que el fusible deber de ser de 260 mA.

Instrumentacin


Ahora calcularemos los valores de los capacitores con la siguiente formula:

( )

( )

Dnde:

( )

Pero para calcular el necesitamos la siguiente relacin:

Se le restan 2 volts debido a que si se usa un puente de onda completa se pierden 2 volts.

Ahora sustituyendo en la frmula del capacitor tenemos lo siguiente:

( )

( )

Y el capacitor ms cercano a ese valor es el de 2200 F

Se colocara un regulador de voltaje llamado LM7812 y otro LM7912 para el voltaje

positivo y negativo, este regulador funciona como un convertidor, reductor, o regulador

de voltaje CD, y es ms exacto en los valores, eliminado el ruido y la variacin excesiva de

voltaje, lo cual hace una seal de corriente directa, ms exacta a los 12volts en DC. Este

regulador cuenta con tres pines y cada Pin tiene una caracterstica de conexin.

Cabe mencionar que este regulador en su datasheet indica que debemos de aadirle dos capacitores del valor de 0.1 F a la entrada y de 10 F a la salida para lograr que el regulador lineal trabaje de manera efectiva.

Instrumentacin


Tambin se aadieron dos diodos leds para indicar el estado de la fuente si es que se encuentra apagada o encendida (ON-OFF), las cuales llevan unas resistencias debido a que los leds solo soportan un rango de 10 a 40 mA, por lo tanto:

Instrumentacin


SIMULACIN:

La simulacin se realiz en Multisim. El circuito real quedo de la misma manera en la cual

se muestra en la simulacin, con algunas variantes en los valores de los elementos:

Circuito de la fuente simulacin

Ejecucin de la simulacin donde se aprecian los voltajes.

V1

120 Vrms

60 Hz

0

T1

TS_POWER_10_TO_1

C12200F

C22200F

C30.1F

C40.1F

C510F

C610F

U1LM7812CT

LINE VREG

COMMON

VOLTAGE

U2LM7912CT

LINE VREG

COMMON

VOLTAGE

R11k

R21k

LED1

LED2

1

8

9

0

D1

3N246

1

2

4

3

2

4

XMM2

XMM1

6

7

5

3

0

Instrumentacin


Funcionamiento de la fuente

Fuente encendida.

Medicin de los voltajes.

Instrumentacin


OBJETIVO 2(AMPLIFICADOR)

Simular y armar un circuito amplificador de instrumentacin, el cual tiene un diseo de alta

estabilidad (baja corriente de desviacin), entrada diferencial, alto factor de ganancia y bajo nivel

de fset. Esto para comprender y entender algunas etapas de un sistema automatizado.

INTRODUCCIN

Una de las principales y ms delicadas etapas de un sistema automatizado de supervisin y control

es la interfaz de entrada. Atreves de ella se reciben todos los sensores que forman parte del

sistema y cuyas caractersticas elctricas de tencin, corriente e impedancia de salida pueden ser

diferentes entre s. Es en esta etapa, tambin conocida como etapa de adecuacin de seales, en

donde se requiere un tipo de amplificador de propsito especial conocido como amplificador de

instrumentacin (AI).

Amplificador de instrumentacin:

El amplificador de instrumentacin es un amplificador diferencial tensin-tensin cuya ganancia

puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a

su propia especificacin an en un entorno hostil. Es un elemento esencial de los sistemas de

medida, en los que se ensambla como un bloque funcional que ofrece caractersticas funcionales

propias e independientes de los restantes elementos con los que interacciona. Para ello, se le

requiere:

a) Tengan unas caractersticas funcionales que sean precisas y estables.

b) Sus caractersticas no se modifiquen cuando se ensambla con otros elementos.

A los amplificadores de instrumentacin se les requieren las siguientes caractersticas:

1) Son amplificadores diferenciales con una ganancia diferencial precisa y estable, generalmente

en el rango de 1 a 1000.

2) Su ganancia diferencial se controlada mediante un nico elemento analgicos (potencimetro

resistivo) o digital (conmutadores) lo que facilita su ajuste.

3) Su ganancia en modo comn debe ser muy baja respecto de la ganancia diferencial,

esto es, debe ofrecer un CMRR muy alto en todo el rango de frecuencia en que opera.

4) Una impedancia muy alta para que su ganancia no se vea afectada por la impedancia

de la fuente de entrada.

5) Una impedancia de salida muy baja para que su ganancia no se vea afectada por la carga que se

conecta a su salida.

6) Bajo nivel de la tensin de offset del amplificador y baja deriva en el tiempo y con la

temperatura, a fin de poder trabajar con seales de continua muy pequeas.

7) Una anchura de banda ajustada a la que se necesita en el diseo.

8) Un factor de ruido muy prximo a la unidad, Esto es, que no incremente el ruido.

9) Una razn de rechazo al rizado a la fuente de alimentacin muy alto.

Instrumentacin


En la figura1 se muestra el esquema de bloque equivalente al amplificador de instrumentacin.

Figura 1

En la figura 2 se encuentra el diagrama esquemtico detallado del circuito completo.

Figura 2

Instrumentacin


MATERIAL

DESARROLLO PRCTICO

Inicio del armado del circuito (placa).

Armado en placa

Instrumentacin


Entre las partes que se soldaron primero, se encuentra: La etapa ms importante del circuito, el

amplificador de diferencia (AI), que se encarga de recibir la seal en modo diferencial proveniente

del censor atreves de sus entradas IN+ e IN-, rechazar los posibles ruidos superpuestos en modo

comn y amplificarla por un factor fijo de 5.

La siguiente etapa del circuito que es un amplificador no inversor con ganancia variable (G) y se

encarga de amplificarla nuevamente por un factor ajustable y mximo de 2.5, logrndose un valor

mximo de ganancia de la seal de entrada diferencial =150, que es el producto lineal de las

ganancias de ambas etapas.

Instrumentacin


La etapa final se encarga de sustraer un voltaje positivo o negativo de la salida amplificada

proveniente de la etapa anterior.

CALIBRACIN

La calibracin del circuito amplificador se debe realizar de forma particular para cada tipo de

sensor ajustando primero el nivel de ganancia de la seal por medio de la entrada GAN y

posteriormente reduciendo al mximo el nivel de voltaje presente en la salida por medio de la

entrada CERO, cuando se cort circuitan las entradas del amplificador.

Instrumentacin


OBJETIVO 3(CONTROL PID)

Crear un controlador PID (Proporcional Integral Derivativo).

INTRODUCCION

Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control

por realimentacin que calcula la desviacin o error entre un valor medido y el valor que

se quiere obtener, para aplicar una accin correctora que ajuste el proceso.

El algoritmo de clculo del control PID se da en tres parmetros distintos: el proporcional,

el integral, y el derivativo. El valor Proporcional determina la reaccin del error actual. El

Integral genera una correccin proporcional a la integral del error, esto nos asegura que

aplicando un esfuerzo de control suficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. El

Derivativo determina la reaccin del tiempo en el que el error se produce. La suma de

estas tres acciones es usada para ajustar al proceso va un elemento de control.

Ajustando estas tres variables en el algoritmo de control del PID, el controlador puede

proveer un control diseado para lo que requiera el proceso a realizar. La respuesta del

controlador puede ser descrita en trminos de respuesta del control ante un error, el

grado el cual el controlador llega al "set point", y el grado de oscilacin del sistema.

Diagrama a bloques del controlador PID

Instrumentacin


FUNCIONAMIENTO

Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un proceso o sistema se

necesita, al menos:

1. Un sensor, que determine el estado del sistema

2. Un controlador, que genere la seal que gobierna al actuador.

3. Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada.

El sensor proporciona una seal analgica o digital al controlador, la cual representa

el punto actual en el que se encuentra el proceso o sistema. La seal puede representar

ese valor en tensin elctrica, intensidad de corriente elctrica o frecuencia. En este

ltimo caso la seal es de corriente alterna, a diferencia de los dos anteriores, que son

con corriente continua.

El controlador lee una seal externa que representa el valor que se desea alcanzar. Esta

seal recibe el nombre de punto de consigna (o punto de referencia), la cual es de la

misma naturaleza y tiene el mismo rango de valores que la seal que proporciona el

sensor.

El controlador resta la seal de punto actual a la seal de punto de consigna, obteniendo

as la seal de error, que determina en cada instante la diferencia que hay entre el valor

deseado (consigna) y el valor medido. La seal de error es utilizada por cada uno de los 3

componentes del controlador PID. Las 3 seales sumadas, componen la seal de salida

que el controlador va a utilizar para gobernar al actuador. La seal resultante de la suma

de estas tres se llama variable manipulada y no se aplica directamente sobre el actuador,

sino que debe ser transformada para ser compatible con el actuador utilizado.

Las tres componentes de un controlador PID son: parte Proporcional, accin Integral y

accin Derivativa. El peso de la influencia que cada una de estas partes tiene en la suma

final, viene dado por la constante proporcional, el tiempo integral y el tiempo derivativo,

respectivamente. Se pretender lograr que el bucle de control corrija eficazmente y en el

mnimo tiempo posible los efectos de las perturbaciones.

A continuacin se describir cada componente que conforma al controlador PID, para

comprender ms como operan de manera individual.

Instrumentacin


Proporcional

La parte proporcional consiste en el producto entre la seal de error y la constante

proporcional como para que hagan que el error en estado estacionario sea casi nulo, pero

en la mayora de los casos, estos valores solo sern ptimos en una determinada porcin

del rango total de control, siendo distintos los valores ptimos para cada porcin del

rango. Sin embargo, existe tambin un valor lmite en la constante proporcional a partir

del cual, en algunos casos, el sistema alcanza valores superiores a los deseados. Este

fenmeno se llama sobreoscilacin y, por razones de seguridad, no debe sobrepasar el

30%, aunque es conveniente que la parte proporcional ni siquiera produzca

sobreoscilacin. Hay una relacin lineal continua entre el valor de la variable controlada y

la posicin del elemento final de control (la vlvula se mueve al mismo valor por unidad de

desviacin). La parte proporcional no considera el tiempo, por lo tanto, la mejor manera

de solucionar el error permanente y hacer que el sistema contenga alguna componente

que tenga en cuenta la variacin respecto al tiempo, es incluyendo y configurando las

acciones integral y derivativa.

La frmula del proporcional est dada por:

El error, la banda proporcional y la posicin inicial del elemento final de control se

expresan en tanto por uno. Nos indicar la posicin que pasar a ocupar el elemento final

de control.

Figura 1 Respuesta de la accin proporcional

Instrumentacin


Proporcional Integral

El modo de control Integral tiene como propsito disminuir y eliminar el error en estado

estacionario, provocado por el modo proporcional. El control integral acta cuando hay

una desviacin entre la variable y el punto de consigna, integrando esta desviacin en el

tiempo y sumndola a la accin proporcional. El error es integrado, lo cual tiene la funcin

de promediarlo o sumarlo por un perodo determinado; Luego es multiplicado por una

constante I. Posteriormente, la respuesta integral es adicionada al modo Proporcional

para formar el control P + I con el propsito de obtener una respuesta estable del sistema

sin error estacionario.

El control integral se utiliza para obviar el inconveniente del offset (desviacin

permanente de la variable con respecto al punto de consigna) de la banda proporcional.

La frmula del integral est dada por:

Figura 2 Respuesta de la accin proporcional integral

Instrumentacin


Derivativo

La accin derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error; (si

el error es constante, solamente actan los modos proporcional e integral).

El error es la desviacin existente entre el punto de medida y el valor consigna, o "Set

Point".

La funcin de la accin derivativa es mantener el error al mnimo corrigindolo

proporcionalmente con la misma velocidad que se produce; de esta manera evita que el

error se incremente.

Se deriva con respecto al tiempo y se multiplica por una constante D y luego se suma a

las seales anteriores (P+I). Es importante adaptar la respuesta de control a los cambios

en el sistema ya que una mayor derivativa corresponde a un cambio ms rpido y el

controlador puede responder acordemente.

La frmula del derivativo est dada por:

Figura 3 Respuesta de la accin derivativa

La salida de estos tres trminos, el proporcional, el integral, y el derivativo son sumados para calcular la salida del controlador PID. Definiendo u (t) como la salida del controlador, la forma final del algoritmo del PID es:

Instrumentacin


ARMADO DEL CONTROLDAOR PID

El ensamblaje de todos los componentes, que constituyen el controlador PID, se puede

efectuar con facilidad si se sigue la siguiente gua de ensamblaje.

Instrumentacin


El circuito se arm en una tabilla Protoboard en principio para ver que funcionara de

manera adecuada el controlador PID. El diseo se puede observar en la siguiente figura.

Figura 4 Armado en protoboard

Y para visualizar el resultado del este controlador PID, utilizamos un osciloscopio y un

sensor, con este ltimos se generaban pulsos los cuales estaban al PID y este los correga

como se muestra en la figura 5 Y figura 6.

Figura 5 conexiones de osciloscopio y el sensor Figura 6 respuesta visual del PID

Instrumentacin


Una vez probado el circuito ahora el montaje se realiz en una tablilla perforada, en la

cual ya iba a quedar fijo el controlador PID para despus ser utilizo cuando se requiera.

Figura 7 circuito final

REPORTE: FUENTE SIMETRICA 12V AMPLIFICADOR CONTROL PID

Documents

Transcript of REPORTE: FUENTE SIMETRICA 12V AMPLIFICADOR CONTROL PID