ESCUELA DE ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES

“Automatización del Sistema de Pruebas de Materiales MTS para ensayos de carga y deformación”

Proyecto de Fin de carrera previo a la obtención del Título de Ingeniería en Electrónica y

Telecomunicaciones.

AUTORES: Leonardo Alberto Camacho Ruilova Juan Pablo Cabrera Samaniego

DIRECTOR: Ing. Carlos Calderón

Loja- Ecuador 2010

SESIÓN DE DERECHOS EN TESIS DE GRADO

Yo, Leonardo Alberto Camacho Ruilova, declaro conocer y acepto la disposición del

Art.67 del Estatuto Orgánico de la Universidad Técnica Particular de Loja, el cual de

forma textual menciona: “Forman parte de patrimonio de la Universidad la

propiedad intelectual de investigaciones, trabajos científicos y tesis de grado que se

realicen a través, o con el apoyo financiero, académico o institucional de la

Universidad”

Loja, Marzo del 2010

Leonardo Alberto Camacho Ruilova

TESISTA

AUTORIA

Las ideas, conceptos, procedimientos y resultados escritos en el presente trabajo,

son de exclusiva responsabilidad de los autores

Juan Pablo Cabrera Samaniego

TESISTA

Leonardo Alberto Camacho Ruilova

TESISTA

CERTIFICACIÓN

Ing. Carlos Calderón, Ingeniero en Electrónica y Telecomunicaciones y Docente de

la Escuela de Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones de la Universidad

Técnica Particular de Loja.

CERTIFICO:

Que el presente trabajo realizado por Juan Pablo Cabrera Samaniego y Leonardo

Alberto Camacho Ruilova, ha sido orientado y revisado continuamente durante la

ejecución del proyecto, el mismo que reúne los requisitos exigidos para este tipo de

investigación, por lo que autorizo su presentación, sustentación y defensa,

Loja, abril del 2010

Ing. Carlos Calderón

DIRECTOR DE TESIS

DEDICATORIA

Mi tesis la dedico con todo mi amor y cariño. A ti Dios que me diste la oportunidad

de vivir y de regalarme una familia maravillosa.

Con mucho cariño y de manera especial a mis adorados padres que me dieron la

vida y han estado conmigo en todo momento. Gracias por todo Papá y Mamá por

darme una carrera universitaria para mi futuro y principalmente por creer en mí a

pesar que les causé muchas frustraciones, hemos vivido momentos difíciles pero

siempre han esto apoyándome y brindándome todo su amor, por todo esto les

agradezco de todo corazón el que sigan conmigo a mi lado.

Mis sentimientos de cariño con todo mi corazón hacia este mi trabajo de tesis que

me llevo un año hacerlo para ustedes. Para ti Johanna, la mujer y compañera que

me brindó su amor, cariño, dedicación y toda su paciencia apoyándome cuando

quería desmayar en la consecución de este objetivo.

A ti Cecilia a pesar de que no estás aquí ahora en estos momentos conmigo, sé

que tu alma si lo está y porque tuviste los mismos sueños que yo. Para Ti mi

amada hermana te dedico con todo mi corazón mi tesis. Nunca te olvidare…

Leonardo Alberto Camacho Ruilova.

AGRADECIMIENTOS

Esta tesis está dedicada a mis padres, a quienes agradezco de todo corazón por su

amor, cariño y comprensión. En todo momento los llevo conmigo.

Agradezco a mis hermanas por su compañía y el apoyo que me brindan. Sé que

cuento con ellas siempre.

Agradezco a Dios por regalarle a mi vida dicha y bendiciones, permitiéndome

encontrar el amor y compartir mi existencia con ella.

Agradezco a los amigos, por su confianza y lealtad; a mis maestros y en especial

al ingeniero Carlos Calderón por su disposición y ayuda brindada. A mi país

porque espera lo mejor de mí.

Leonardo Alberto Camacho Ruilova.

RESUMEN DE LA INVESTIGACIÓN

Cabrera Samaniego Juan Pablo, Camacho Ruilova Leonardo Alberto, realizan el

diseño y la implementación de la Automatización del Sistema de Pruebas de

materiales M.T.S (Material Test System) para ensayos de carga y deformación.

La presente investigación está dentro del campo investigativo y científico, en la que

la conceptualización enfoca planteamientos teóricos - prácticos para el desarrollo

de la presente tesis. Se fundamenta el análisis, diseño e implementación bajo la

problemática que implica el uso de nuevas tecnologías que sustituyen a la

tecnología implementada en el sistema M.T.S adquirido por la Universidad Técnica

Particular de Loja.

El trabajo consta de:

El diseño y construcción de un sistema que maneja las variables velocidad -

frecuencia que determinan el correcto funcionamiento del sistema de testeo de

materiales en compresión y tensión de especímenes sólidos. Para establecer el

correcto funcionamiento se realizó varias pruebas de ensayo, con el objetivo de

verificar que los métodos y procedimientos estaban funcionando correctamente. De

esta manera se llegó a determinar los métodos específicos para realizar el control

de velocidad, ascenso y descenso del actuador hidráulico encargado de realizar las

operaciones de ensayo.

Se analizó parámetros como: economía, robustez, sensibilidad, estabilidad, esto

con la finalidad de obtener el punto de partida necesario para ensamblar un

prototipo funcional destinado a permanecer en las instalaciones del U.C.G. (Unidad

de Ingeniería Civil, Geología y Minas) de la U.T.P.L. (Universidad Técnica Particular

de Loja).

INDICE CAPITULO I 1. MTS INTERACTIVO SISTEMA DE TESTEO DE MATERIALES ……………… 1

1.1. MTS Sistema de Testeo de Materiales …………………………………..... 1

1.1.1. Unidad de control ……………………………………………………… 2

1.1.2. Controlador (Modelo 442) ……………………………………………. 2

1.1.2.1. Acondicionador de transductor de carga (Modelo 440.21) …………………………………………………………………………. 2

1.1.2.2. Acondicionador de transductor de desplazamiento (Modelo 440.22) …………………………………………………….. 2

1.1.2.3. Generador de funciones (Modelo 436.11FG) …………….. 2

1.1.2.4. Procesador de control (PDP 11/04)………………………… 3

1.1.2.5. Unidad de interface a procesador digital (MTS Modelo 433.50)………………………………………………………………… 3

1.1.3. Unidad de poder hidráulico HPU …………………………………… 3 1.2. Sistema de Testeo de Materiales MTS JPC-LAC1 ……………………… 5

1.2.1. Etapa de Control Digital. Modelo MTS JPC-LAC1/CD …………... 6

1.2.2. Etapa de Potencia. Modelo JPC-LAC1/P ………………………….. 7

1.2.3. Etapa Unidad Remota de Control. Modelo JPC-LAC1/URC …… 8

CAPITULO II 2. HARDWARE MTS JPC-LAC1 ……………………………………………………. 10

2.1. Etapa de Control Digital Modelo MTS JPC-LAC1/CD …...…………… 10 2.1.1. Diseño e implementación del generador de funciones – señal

seno ………………………………………………………………………. 10 2.1.1.1. Multiplexación Analógica……………………………………. 14

2.1.2. Diseño e implementación del preamplificador de señal…….... 15 2.2. ETAPA DE POTENCIA MODELO MTS JPC-LAC1/P……………………. 17

2.2.1. Diseño e implementación del amplificador de potencia con simetría complementaria clase AB…………………………………... 17

2.2.1.1. Amplificador de potencia en contrafase…………………. 18 2.2.1.2. Amplificador clase AB……………………………………….. 19 2.2.1.3. Diseño del amplificador de potencia……………………… 22

2.2.1.3.1. Cálculo de la fuente de alimentación ………………. 23

2.2.1.3.2. Cálculo de R8

2.2.1.3.3. Elección de los diodos D……………………………………………. 25

1, D2 y D3

2.2.1.3.4. Elección de Q

…………………… 25

2

2.2.1.3.5. Cálculo de R

………………………………………….. 25

7

2.2.1.3.6. Cálculo de R ……………………………………………. 25

5

2.2.1.3.7. Cálculo de R …………………………………………… 26

6

2.2.1.3.8. Cálculo del capacitor de entrada……………………. 26 ……………………………………………. 26

2.2.1.4. Simulaciones ………………………………………………… 28 2.2.1.4.1. Simulación del amplificador………………………….. 28 2.2.1.4.2. Respuesta en frecuencia del amplificador…………. 29 2.2.1.4.3. Análisis espectral ……………………………………… 30

2.2.2. Diseño e implementación, etapa de conmutación …………… 30 2.3. UNIDAD DE CONTROL REMOTA. MODELO MTS JPC- LAC1/UCR… 33

2.3.1. Diseño e implementación interfaz inteligente microcontrolada…………………………………………………………. 33

2.3.1.1. Conexiones básicas de un microcontrolador 16F871....... 34 2.3.1.1.1. Circuito Oscilador………………………………………… 34 2.3.1.1.2. Circuito de Reset…………………………………………. 34 2.3.1.1.3. Circuito de alimentación………………………………… 34

2.3.1.2. Conexiones circuito panel de control URC ………………. 35 2.3.1.3. Conexiones circuito LCD – Zumbador …………………….. 36 2.3.1.4. Conexiones circuito Conmutación ………………………… 37

2.3.2. Diagrama General de conexiones………………………………... 38

CAPITULO III

3. Implementación ……………………………………………………………………. 39 3.1. Etapa de control analógico ………………………………………………… 40

3.1.1. Conexión serie ………………………………………………………. 41 3.1.2. Conexión diferencial …………………………………………………. 42 3.1.3. Conexión paralelo ……………………………………………………. 43

3.2. Etapa de control digital.…………………………………………………….. 44 3.3. Unidad remota de Control ………………………………………………… 45

3.3.1. Pulsantes de operación. Modo Compresión ……………………. 46 3.3.1.1. Ajuste …………………………………………………………. 46 3.3.1.2. Subida ………………………………………………………… 46 3.3.1.3. Bajada ………………………………………………………… 46

3.3.2. Pulsantes de operación. Modo Tensión …………………………. 47 3.3.2.1. Ajuste …………………………………………………………. 47 3.3.2.2. Subida ………………………………………………………… 47 3.3.2.3. Bajada ………………………………………………………… 47

3.4. Montaje.……………………………………………………………………….. 48 3.5. Presupuesto………………………………………………………………….. 50 Conclusiones…………………………………………………………………………54 Recomendaciones…………………………………………………………………..59 Bibliografía y Referencias …………………………………………………………61

ANEXOS Anexo A. Tecnología Utilizada...............................................................................62

A.1 Microcontrolador..............................................................................................62

A.2 Visualizador de Cristal Líquido (Display – LCD)………………………………63 A.3 VCO Intersil ICL8038………………………………………………………………..63 A.4 Servoválvulas modelo 252………………………………………………………...64 A.5 Amplificador operacional NEC μPC4558……………………………………….66 A.6 Multiplexor/Demultiplexor CMOS CD4051BE con niveles de conversión lógica……………………………………………………………………………………….66 A.7 Relés…………………………………………………………………………………..67 Anexo B. Generador de Funciones ICL 8038……………………………………….69 Anexo C. Amplificador operacional NEC μPC4558………………………………..77 Anexo D. Servoválvula 252.24C…………………………………………………........79 Anexo E. Multiplexor analógico CD4051BE…………………………………………84 Anexo F. Microcontrolador PIC 16F871……………………………………………...89 Anexo G. Buffer Driver IC-TTL. Quad/Non inverting……………………………...95 Anexo H. Relé Electromecánico JRC-19F (4078)…………………………………..97 Anexo H.1. Información Técnica de Relés…………………………………………..99 Anexo I. Manual de usuario…………………………………………………………..107

INDICE DE FIGURAS

Figura 1.1. Diagrama de bloques del Sistema de Testeo de Materiales MTS

antiguo…………………………………………………………………………………….....1

Figura 1.2. Diagrama de bloques Etapa de Control Digital. Modelo JPC-

LAC1/CD……………………………………………………………………………………..7

Figura 1.3. Diagrama de bloques Etapa de Potencia. Modelo JPC-

LAC1/P……………………………………………………………………………………….8

Figura 1.4. Etapa Unidad Remota de Control. Modelo JPC- AC1/URC……………..9

Figura 2.5. Generador de onda senoidal……………………………………………….10

Figura 2.6. Conexiones multiplexor analógico CD4051BE…………………………..15

Figura 2.7. Preamplificador con TL082…………………………………………………16

Figura 2.8. Señal de salida Preamplicador TL082.Osciloscopio: LabVolt 797……17

Figura 2.9. Distorsión de cruce por cero……………………………………………….18

Figura 2.10. Amplificador de potencia en contrafase……………………………… 18

Figura 2.11. Espejo de corriente……………………………….……………………….19

Figura 2.12. Amplificador AB con espejo de corriente………………………………..20

Figura 2.13. Amplificador de potencia AB en configuración de simetría

complementaria y Darlington…………………………………………………………22

Figura 2.14. Amplificador de potencia AB en configuración de simetría

complementaria y Darlington (diseño final)…………………………………………23

Figura 2.15. Respuesta temporal en voltaje, amplificador de potencia AB en

configuración de simetría complementaria y salida Darlington. Simulador:

Workbench 9.0 Multisim…………………………………………………………………..28

Figura 2.16. Respuesta Temporal de corriente del Amplificador de potencia AB en

configuración de simetría complementaria y Darlington. Simulador: Workbench9.0

Multisim……………………………………………………………………………………..28

Figura 2.17. Respuesta temporal de voltaje, amplificador de potencia AB en

configuración de simetría complementaria y salida Darlington con fuente de

alimentación ± 24V. Simulador: Workbench 9.0 Multisim…………………………….29

Figura 2.18. Respuesta en frecuencia, amplificador de potencia AB en

configuración de simetría complementaria y salida Darlington con fuente de

alimentación ± 24V. Simulador: Workbench 9.0 Multisim…………………………….29

Figura 2.19. Análisis espectral, amplificador de potencia AB en configuración de

simetría complementaria y salida Darlington ± 24V. Simulador: Workbench 9.0

Multisim……………………………………………………………………………………..30

Figura 2.20. Salida amplificador de Potencia. Osciloscopio: LabVolt 797………….30

Figura 2.21. Tiempos de duración de rebotes para contactos normalmente abiertos

NA o normalmente cerrados NC…………………………………………………………32

Figura 2.22. Etapa de conmutación (Diseño Final)…………………………………...33

Figura 2.23. Conexiones básicas microcontrolador…………………………………..34

Figura 2.24. Panel de control. Unidad Remota de control…………………………...35

Figura 2.25. Conexión pulsante Unidad Remota de control…………………………36

Figura 2.26. Conexiones visualizador LCD…………………………………………….36

Figura 2.27. Conexión Zumbador……………………………………………………….37

Figura 2.28. Conexiones microcontrolador- Relés……………………………………37

Figura 2.29. Diagrama General de conexiones, etapa microcontrolada-LCD-

Unidad Remota de control……………………………………………………………….38

Figura 3.30. Prototipo MTS JPC-LAC1…………………………………………………39

Figura 3.31. PCBs Generador de onda senoidal y Amplificador de Potencia AB...40

Figura 3.32. Disposición conectores y bobinas de servoválvulas 252.24C………..41

Figura 3.33. Conexión en serie de servoválvulas……………………………………..42

Figura 3.34. Conexión Diferencial Servoválvulas……………………………………..43

Figura 3.35. Conexión Diferencial Servoválvulas……………………………………..43

Figura 3.36. Señales de salida de acuerdo a la tabla de canales multiplexados….45

Figura 3.37. PCBs Etapa conmutación y Etapa inteligente microcontrolada…… ...47

Figura 3.38. Disposición del Gabinete………………………………………………….48

Figura 3.39. Conectores y controles principales………………………………………49

Figura 3.40. Disposición del módulo dentro del gabinete…………………………….49

Figura 3.41. Placa de conmutación a conectores externos………………………… 50

FIGURAS ANEXOS Figura A.42............................................................................................................ 63

Figura A.43............................................................................................................ 63

Figura A.44............................................................................................................. 64

Figura A.45………………………………………………………………………………..64

Figura A.46………………………………………………………………………………..65

Figura A.47………………………………………………………………………………..66

Figura A.48……………………………………………………………………………... 67

Figura A.49……………………………………………………………………………... 68

Figura I.50. Disposición del gabinete……...………………………………………… 107

Figura I.51. Conectores y conexiones……………………………………………….. 107

Figura I.52. Controles frontales………………………………………………………. 108

Figura I.53. Mensaje, error de alimentación………………………………………….109

Figura I.54. Mensaje de inicio………………………………………………………….109

Figura I.55. Unidad Remota de Control (URC)………………………………………110

Figura I.56. Selector de tipo de ensayo……………………………………………….110

Figura I.57. Mensaje de encendido……………………………………………………111

Figura I.58. Mensaje, operación ajuste……………………………………………….111

Figura I.59. Mensaje, operación subida………………………………………………111

Figura I.60. Mensaje, operación bajada………………………………………………112

Figura I.61. Mensaje, operación subida en modo tensión………………………. ...112

Figura I.62. Mensaje, operación bajada en modo tensión………………………….112

Figura I.63. Mensaje, operación apagado……………………………………………113

INDICE DE TABLAS

Tabla 2.1. Valores de Capacitancia y frecuencia base……………………………..13

Tabla 2.2. Lógica binaria multiplexación de canales………………………………..14

Tabla 2.3. Descripción PIN-OUT conector DB 15……………………...…………...35

Tabla 3.4. Combinaciones control servoválvulas. Conexión en serie……………..42

Tabla 3.5. Combinaciones control servoválvulas. Conexión Diferencial………….43

Tabla 3.6. Combinaciones control servoválvulas. Conexión en paralelo………….44

Tabla 3.7. Combinaciones de selección de canal y frecuencia del multiplexor

CD4057BE…………………………………………………………………………………44

Tabla 3.8. Presupuesto…………………………………………………………………. 50

Tabla 3.8.a…………………………………………………………………………………50

Tabla 3.8.b…………………………………………………………………………………51

Tabla 3.8.c…………………………………………………………………………………51

Tabla 3.8.d…………………………………………………………………………………51

Tabla 3.8.e…………………………………………………………………………………52

Tabla 3.8.f………………………………………………………………………………….52

Tabla 3.8.g…………………………………………………………………………………52

Tabla 3.8.h…………………………………………………………………………………53

- 1 -

CAPITULO I

1. MTS INTERACTIVO SISTEMA DE TESTEO DE MATERIALES 1.1 MTS Sistema de Testeo de Materiales

Desde los años 80 la Universidad Técnica Particular de Loja (UTPL) cuenta en las

instalaciones de la UCG con el sistema MTS 820 (Material Test System). La

Estación de Control es una de sus unidades de procesos, la misma que a su vez se

presenta como un bloque modular conformado por:

• Unidad de almacenamiento.

• Unidad de control.

• Controlador analógico.

• Procesador de control.

• Unidad de interface a procesador digital.

• Terminal grafica.

Actualmente varias de estas unidades no están operativas, no siendo todos los

componentes de nuestro interés. Los elementos descritos a continuación son

aquellos que intervienen de manera directa en el control de las operaciones del

sistema hidráulico.

FUENTE DE PODER

HIDRAULICA

PANEL DE CONTROL

PRESION ALTA,BAJA,ON/OFF

SENSORES:PRESION,NIVEL DE

FLUIDO,TEMPERATURA

ALIMENTACION220 VAC

FLUIDO A ALTA PRESION

SERVO VALVULAS

CONTROLADOR ANALOGICO

FLUIDO A ALTA PRESION

ACTUADORHIDRAULICO

CELDA DE CARGA

LVDT

ESTACION SIMPLE

ACONDICIONADOR AC 440.21

ACONDICIONADOR DC 440.22

GENERADOR436.11FG

UNIDAD DE CONTROL

436.11

UNIDAD DE CONTROL

436.11

Figura 1.1. Diagrama de bloques del Sistema de Testeo de Materiales MTS antiguo

- 2 -

1.1.1 Unidad de control

Reúne los controles que actúan sobre las fuentes de poder hidráulicas y eléctricas

tales como:

• Control hidráulico

• Conmutador de alta y baja presión

• Conmutador principal de poder

• Parada de emergencia

• Contador de control cíclico

• Indicador de funcionamiento anormal

1.1.2 Controlador (Modelo 442)

Genera las señales de control que guían los actuadores hidráulicos, acondiciona las

señales de AC y DC para los respectivos transductores de censado; además del

monitoreo de variables de ensayo de forma simultánea.

Su estructura incorpora varias tarjetas como:

• Acondicionador de transductor de carga (señal AC)

• Acondicionador de transductor de desplazamiento (señal DC)

• Generador de funciones

1.1.2.1 Acondicionador de transductor de carga (Modelo 440.21). Aplica voltaje

de excitación a la celda de carga y acondiciona la señal que va a ser ingresada en

el servo-controlador, opera en varios rangos de ganancia con indicadores visuales

de los rangos usados.

1.1.2.2 Acondicionador de transductor de desplazamiento (Modelo 440.22). Aplica voltaje de excitación alterno con una frecuencia de 10KHz al LVDT y

acondiciona la señal que va a ser ingresada en el servo-controlador, opera en

varios rangos de ganancia con indicadores frontales de los rangos usados.

1.1.2.3 Generador de funciones (Modelo 436.11FG). Este modelo provee

señales de tipo seno, cuadrada y triangular a frecuencias desde 0.01 Hz a 1100 Hz

- 3 -

que puede ser ajustable manualmente en pasos de 10. Todas las frecuencias

comienzan en 0 para prevenir altas velocidades y aceleración.

1.1.2.4 Procesador de control (PDP 11/04). El procesador es fabricado por The

Digital Equipment Corporation, cuenta con una memoria interna de 56 Kbytes con

acceso directo a memoria (DMA) e interrupciones por prioridad, bootstrap

(proporciona estimaciones al error estadístico imponiendo escasas restricciones a

las variables aleatorias analizadas) automático al iniciar y diagnostico mecánico de

hardware.

1.1.2.5 Unidad de interface a procesador digital (MTS Modelo 433.50). Especialmente diseñada por la MTS para mantener control en tiempo real y proveer

la interface entre el procesador de control y los controles analógicos del sistema en

la prueba de materiales. La unidad gráfica puede ser un computador o una

impresora, en esta última la unidad cuenta con una propia añadida al gabinete

principal.

La ciencia hidráulica es la encargada de estudiar y definir a cualquier sistema

hidráulico; por tanto al estar fuera de nuestro campo de desempeño no se lo analiza

ni explica a profundidad. A continuación se hace una breve descripción de las

partes que lo conforman.

• Fuente de poder hidráulico

• Servoválvulas

• Service manifold

• Actuador hidráulico

1.1.3. Unidad de poder hidráulico HPU

Es la base de potencia del sistema hidráulico, entrega aceite a altas presiones,

capaz de llegar a 5000 psi de presión o 30000 KN de unidades fuerza. Se puede

controlar de forma manual mediante un panel frontal con encendido-apagado y un

conmutador de alta y baja presión.

- 4 -

Cuenta con sensores de temperatura, presión y nivel de aceite digital y analógico,

que actúan en forma conjunta con la unidad de control y autónoma como el sensor

de temperatura que apaga la fuente en caso de exceder los límites de tolerancia;

los sensores analógicos permiten visualizar estas variables directamente.

La refrigeración de la fuente de poder hidráulica se la hace mediante un complejo

sistema de cañerías que conducen agua bombeada desde una cisterna hacia el

interior del reservorio de aceite sin tener contacto directo con el mismo.

Además; contiene un control primario de presión mediante una válvula manual y un

motor de 220VAC

que acciona la bomba principal de flujo de aceite.

El fluido a alta presión es llevado hacia las servoválvulas a través de dos

mangueras confeccionadas de caucho con nylon y malla metálica. Los servos

actúan como dos llaves controladas por frecuencia que se abren y cierran según

varié este parámetro.

El service manifold (multi-servicios) es el siguiente paso. Contiene en su estructura

a las servoválvulas (dual manifold) lo que le da una mayor potencia; y, al actuador

hidráulico. El fluido llega en forma pura (sin burbujas de aire) debido a la acción de

un par de acumuladores. Finalmente, para evitar la sobre presión el sistema service

manifold está dotado con mangueras de retorno de flujo de aceite.

Finalmente, el actuador hidráulico es el elemento terminal de este circuito, montado

conjuntamente con el service manifold, aplica la fuerza sobre el espécimen a ser

probado. En su interior se encuentra el LVDT con un conjunto de protecciones para

evitar su degradación debido a la exposición a factores ambientales y de prueba.

Gracias a la modularidad del sistema aún a este nivel es posible montar varias

piezas adicionales para realizar muchos tipos de pruebas, tanto de carga como de

fatiga de materiales.

La estructura mecánica está alojada bajo el suelo de modo que el actuador queda

expuesto a nivel del piso. La celda de carga se ubica sobre un cabezal metálico

(crooshead) sujeto a dos postes de acero y actuadores hidráulicos mediante 24

- 5 -

pernos, este cabezal es móvil, puede subir y bajar mediante una válvula manual

para adaptarse a diversos tipos de elementos de prueba.

1.2 Sistema de Testeo de Materiales MTS JPC-LAC1

La aparición de nuevas tecnologías ha permitido el desarrollo de un nuevo

hardware y software para el control del Sistema de Testeo de materiales

manteniendo sus funciones y desempeño para el cual fue diseñada mecánica y

electrónicamente.

El nuevo hardware MTS JPC-LAC1, representa un avance en tecnología digital y

analógica entregando un elevado y avanzado control de servo válvulas dejando en

el pasado el Sistema de control MTS con el cual fue adquirida el Sistema de Testeo

de Materiales a mediados de los años 80.

El MTS JPC-LAC1 consiste de 3 etapas principales:

1. Etapa de Control digital (modelo MTS JPC-LAC1/CD )

a. Generador de Funciones

b. Entradas y Salidas I/O digitales preamplificadas

c. Entradas y Salidas I/O microcontroladas

2. Etapa de Potencia (modelo MTS JPC-LAC1/P)

a. Amplificador de Simetría Complementaria clase AB

b. Circuitos de conmutación

3. Etapa Unidad Remota de Control (modelo MTS JPC-LAC1/URC)

a. Espécimen de carga

b. Visualizador LCD

c. Controles Hidráulicos

Cada una de las etapas en conjunto constituyen un sistema optimizado interactivo

entre usuario y sistema; permitiendo las cualidades necesarias para requerimientos

de análisis de materiales sólidos.

El sistema de control presenta características interactivas mediante la configuración

de varias propiedades tales como determinar la presión de fluido (alta/baja), ajuste

- 6 -

de espécimen (compresión/expansión), velocidad de compresión o tensión (7

velocidades), entre otras.

1.2.1 Etapa de Control Digital. Modelo MTS JPC-LAC1/CD

El modelo MTS JPC-LAC1/CD es un interface digital que tiene como función

principal la generación de ondas tanto analógicas como digitales. Este modelo

genera formas de onda senoidales, cuadradas y triangulares generadas desde 1

KHz hasta 20 KHz (ciclos por segundo). La frecuencia es manualmente ajustada

entre 7 opciones mediante la unidad de control que mantiene los valores

configurados almacenados de manera segura en un sistema embebido

microcontrolado que es el encargado de las decisiones inteligentes en el sistema.

Al ser la onda senoidal de carácter analógico fue necesario implementar en nuestro

diseño un dispositivo que funcione con alimentación digital de 5 voltios pero que

permita la multiplexación de señales analógicas; de esta manera fue posible brindar

a esta etapa de generación de ondas las distintas frecuencias de oscilación

necesarias para el control y funcionamiento de las servoválvulas.

Siendo la generación de formas de onda a valores que no sobrepasan la

alimentación de dispositivos digitales fue necesaria la utilización de una etapa

preamplificadora de voltaje. Dicha etapa provee de la circuitería necesaria para

subir a niveles pico - pico las señales senoidales requeridas por las servoválvulas.

Todos los procesos de selección y configuración del Sistema JPC-LAC1 son

operados en un sistema embebido llamado microcontrolador que no es más que

una microcomputadora contenida en un solo chip, el cual deberá ser programado y

configurado previamente para su óptimo desempeño. Es en éste dispositivo donde

se mantendrá un constante escaneo de las funciones y prestaciones necesarias

para el testeo y análisis de los materiales.

En posteriores capítulos se hará un análisis más detallado y exhaustivo de esta

etapa. De la misma manera se determinará la operación y prestaciones de cada

uno de los dispositivos que forman el modelo MTS JPC-LAC1/CD.

- 7 -

OSCILADORALIMENTACION+/- 15 VDC PREAMPLIFICADOR

MULTIPLEXOR

CAPACITORES DE VARIACION

DE FRECUENCIA

CANA

L DE

FR

ECUE

NCIA

SENOIDAL

ALIMENTACION+/- 5 VDC

ALIMENTACION+/- 15 VDC

AMPLIFICADOR EN SIMETRIA

COMPLEMETARIA AB

MICROCONTROLADOR

SEÑA

L DE

CO

NTRO

L TT

L

Figura 1.2. Diagrama de bloques Etapa de Control Digital. Modelo JPC-LAC1/CD

1.2.2 Etapa de Potencia. Modelo JPC-LAC1/P

El modelo JPC-LAC1/P es el interface de fuerza que permite el óptimo

funcionamiento del control de las servoválvulas y éstas a su vez mantengan un

correcto funcionamiento en su operación al paso de fluido que pase por ellas.

El modelo JPC-LAC1/P aplica la excitación de voltaje y corriente necesarios para el

control de las 2 servoválvulas existentes en el Sistema de Testeo MTS. Con este

objetivo se diseño e implemento un amplificador de salida, también denominado de

potencia que tienen como misión entregar a la carga una señal de potencia con la

minina distorsión y el máximo rendimiento. Para nuestro sistema fue implementado

el amplificador de simetría complementaria clase AB que consta de dos transistores

de características idénticas pero diferente tipo, uno PNP y otro NPN (de aquí su

nombre “complementario”). Están polarizados cada uno de los transistores en clase

B por lo que cada transistor conducirá en semiciclos opuestos de la señal de

entrada, de esta manera es posible obtener a la salida la onda completa.

Para mantener la característica principal del sistema de testeo de materiales la

subida y bajada del actuador se debe realizar la inversión de alimentación de las

bobinas de las servoválvulas; con este propósito esta etapa contiene un bloque de

- 8 -

conmutación mediante relés electromecánicos que fueron escogidos

minuciosamente para que cumplan y resistan las exigencias de potencia y control.

AMPLIFICADOR DESIMETRIA

COMPLEMENTARIA AB

SENOIDALPREAMPLIFICADA

ALIMENTACION+/- 24 VDC

CIRCUITOS DE CONMUTACION

SEÑAL VAC DE CONTROL

SERVOVALVULAS

FUENTE DE PODER

HIDRAULICA

SEÑ

AL V

AC D

E C

ON

TRO

LSE

ÑAL

VAC

DE

CO

NTR

OL

Figura 1.3. Diagrama de bloques Etapa de Potencia. Modelo JPC-LAC1/P

1.2.3 Etapa Unidad Remota de Control. Modelo JPC-LAC1/URC

El modelo JPC-LAC/URC es el interface de control manual remoto microcontrolado

entre el Load Frame y el usuario, permitiendo que se mantenga un análisis y

seguimiento en el proceso de compresión, tensión y fractura del espécimen.

El modelo JPC-LAC/URC o Unidad Remota de Control tiene disponible un panel de

control arriba/abajo para el actuador tanto en compresión como tensión, un panel

de control para velocidad del actuador y un panel para el control del

encendido/apagado, alta/baja presión del Sistema Hidráulico. Todos los parámetros

están visualmente disponibles por medio de una pantalla LCD. Adicional, están

disponibles botoneras para parada del Sistema Hidráulico de Presión y una parada

de emergencia.

En términos generales La Unidad Remota de control es un dispositivo portable que

puede ser usado para:

- 9 -

• Reiniciar el sistema microcontrolado.

• Activar y deshabilitar el sistema hidráulico.

• Control manual del actuador.

• Inicio y parada del testeo de especímenes.

• Parada normal y de emergencia del sistema.

MICROCONTROLADOR

CONTROLESMANUALES

ALIMENTACION5 VDC

VISUALIZADORLCD

CIRCUITO DECONMUTACION

FUENTE DEPODER

HIDRAULICO

SERVOVALVULAS

SE

ÑA

LES

TTL

DE

C

ON

TRO

LP

ULS

OS

INFO DE OPERACION

Figura 1.4. Etapa Unidad Remota de Control. Modelo JPC- LAC1/URC

- 10 -

CAPITULO II 2. HARDWARE MTS JPC-LAC1 2.1 Etapa de Control Digital Modelo MTS JPC-LAC1/CD 2.1.1 Diseño e Implementación del generador de funciones - señal seno

Figura 2.5. Generador de onda senoidal

El montaje mostrado en la figura 2.5 representa al generador de onda senoidal, el

mismo que radica en el circuito integrado ICL8038 (NTE864) [Anexo B] el cual es

un oscilador controlado por tensión. Permite obtener una precisión del 0.5% en la

onda senoidal [Anexo B]. Dicha precisión en el ajuste de distorsión necesita de la

acción de dos potenciómetros ajustables de 100kΩ (RA2 y RA3) en los pines

de ajuste 1 para señal positiva y 12 para la señal negativa de alimentación VCC

3

21

84

5

67

84

+15V

5 4 6 12

1211108

3.3K3.3K

100nF

10K

47M

20K

47uF

47uF

500

22K

100K

10K

10K

100K

100K

100uF

10K

10K

10K

100nF

47K

47K

47K

10pF

47K100K

47K

10pF

47

-15V

NTE864

TL082TL082

SALIDA

S

DESDE PIN 3M ULTIPLEXOR

.

- 11 -

Según las características del integrado, al pin 1 no se le aplicará directamente una

tensión de -Vcc, y al pin 12 no se le aplicará tensión de +Vcc. Este inconveniente se

soluciona al incluir las resistencias R7 y R8 conectadas en serie a los

potenciómetros multivuelta de 100KΩ que se conectan hacia los pines 1 y 12 del

circuito integrado ICL8038. Escogiendo R7=R8

=10KΩ se encuentra que la tensión

máxima presente en los pines 1 y 12 son:

( ) ( ) VKK

KR

VVRIRVTotal

CCCC 727,210010

151510min −=+

+−−⋅=

−−⋅=⋅= (2.1)

( ) ( ) VKK

KR

VVRIRVTotal

CCCC 727,210010

151510min =+

−−⋅=

−−⋅=⋅=

(2.2)

Las ecuaciones 2.1 y 2.2 son el resultado del análisis de rama, aplicando la ley de

Voltajes de Kirchhoff. Los potenciómetros RA2 y RA3

son del tipo multivuelta ya que

estos ofrecen una elevada precisión de ajuste.

A continuación se revisa los pasos a seguir para que la onda senoidal sea

simétrica. Para obtener simetría, debe existir la misma tensión en los pines 4 y 5,

esto se consigue poniendo dos resistencias del mismo valor 3,3KΩ entre los

pines antes mencionados. Las resistencias de los pines 4 y 5, junto con el

capacitor que se conectará mediante el multiplexor que va hacia el pin 10

determinan la frecuencia de base del integrado. De esta manera para ajustar el

integrado a una frecuencia deseada se debe colocar una resistencia variable

(P2=500 Ω) y dos resistencias fijas R9 y R10

(R9=R10= 3,3KΩ) entre los pines 4, 5 y

la tensión de alimentación positiva.

Las características del integrado determina que los valores de R9+P2

se deben

mantener entre 1KΩ y 1MΩ,con la finalidad de mantener la corriente entre los

pines 4 y 5 a valores que oscilen entre 10µA y 1mA. El valor de corriente máximo

que pueden pasar por estos pines no debe superar los 5mA [Anexo B].

Los niveles menores a 1µA producen una gran cantidad de errores a altas

temperaturas y con niveles mayores a 5mA los transistores internos entran en zona

de saturación lo cual produce errores mayores de oscilación [Anexo B].

- 12 -

Las características del integrado determinan que la intensidad que puede circular

por los pines 4 y 5, se puede calcular por la fórmula 2.3 [Anexo B]:

( )A

CCCC

RVV

I−

=+22,0

(2.3)

Esta corriente sirve de la misma manera para el cálculo de la corriente que pasa por

RA como por RB. El valor de la corriente que circulará con RA=RB

=3,3 KΩ

es el siguiente:

( )( ) mAK

I 23.3

151522,0=

Ω−−

=

(2.4)

La corriente que pasa por los pines 4 y 5 es aproximadamente igual a la que se

recomiendan en las hojas de datos del integrado.

El valor que se recomienda en las hojas de datos del integrado, es el valor del

capacitor que se coloca en el pin 10 determinando la frecuencia de referencia del

oscilador, su valor se puede determinar mediante la siguiente ecuación 2.5 [Anexo

B]:

fRC

⋅⋅=

131

, Si RA=RB

=R (2.5)

Dependiendo del valor de la frecuencia que se desee obtener, siempre dentro del

rango de tolerancia del integrado (0.01H a 200KHz) podemos asumir la

capacitancia a ser colocada en el pin 10. Es importante tener en cuenta los valores

comerciales de estos elementos. La frecuencia se puede obtener mediante la

ecuación 2.6 que se obtiene a partir de despejarƒ:

CRf

⋅⋅=

31

(2.6)

Al determinar el rango de trabajo se encuentra mayor problema de diseño, debido a

- 13 -

las características de cantidad de fluido que debe pasar por las servo válvulas (37

litros por minuto) que es consecuencia directa de las frecuencias menores a 100Hz.

Pasado este límite el flujo disminuye de manera logarítmica [Anexo D. Figuras:

Perfomance Curves.]. Se ensayo el prototipo con este rango de frecuencias sin

obtener resultados favorables.

De manera experimental se opto por el rango mostrado en la Tabla 2.1:

Tabla 2.1. Valores de Capacitancia y frecuencia base

Capacitancia (nF) Frecuencia (Hz)

10 10000 20 5000 25 4000 33 3030,3 47 2127,6 57 1754,3

Una vez encontrados los valores de capacitores adecuados y las frecuencias base

que estos generan; en caso de ser necesario, se coloca un potenciómetro en serie

con las resistencia RA y RB

para que exista una ligera variación de frecuencia. Las

recomendaciones del dispositivo sugieren un valor de 1KΩ, se opto por 500Ω pues

las frecuencias serán modificadas por distintos valores de capacitancia, mas no con

variaciones de resistencia.

Se determinar el valor de la frecuencia modificada por el potenciómetro mediante la

ecuación 2.7 igualmente obtenida al despejarƒ de la ecuación 2.5:

( ) CPRf

⋅+⋅=

231

(2.7)

Para obtener un rango de barrido considerablemente alto (1000:1) el voltaje entre

las resistencias RA y RB debe ser decrementado, para ello se requiere que el voltaje

en el pin de control 8 sea superior en unos cuantos cientos de milivoltios. La

configuración sugerida para lograrlo [anexo B], se da mediante un potenciómetro

P1 en serie con una resistencia de 20KΩ y en paralelo con un capacitor de 100nF.

- 14 -

La resistencia colocada en el pin 5 reduce las variaciones de este rango.

El generador de señales trabaja con dos tipos de alimentación; con una fuente

simple de 10 a 30V o con fuentes diferenciales de +/-5 a +/-15V. Con los valores de

fuente simple la señal sinusoidal tiene una salida de exactamente la mitad del

voltaje de alimentación, la ventaja de esta configuración es que la onda oscila

simétricamente con respecto a tierra. En la siguiente configuración la onda

sinusoidal llega a oscilar a la mitad del voltaje de alimentación en cada semiciclo

con respecto a tierra.

La señal obtenida en el pin 2 [Figura 2.5] pasa por una red de resistencias cuya

función es colocar la carga necesaria al integrado, siguiendo las recomendaciones

este valor debe ser de 100KΩ con lo cual se obtiene un voltaje de 0.2*Vcc= 3V

[Anexo B], además de una resistencia de 22KΩ para no aplicar de manera directa el

voltaje y la corriente a la siguiente etapa.

2.1.1.1 Multiplexación Analógica El sistema de control digital integra un seleccionador de frecuencias de operación

para los servos. El diseño de este control se lo hace mediante multiplexores

analógicos con entradas de comando digitales. El dispositivo es el multiplexor

CD4051BE con 8 canales multiplexados simples y 3 bits de control binario [Anexo

E]. Los canales son seleccionados según la Tabla 2.2:

Tabla 2.2. Lógica binaria - multiplexación de canales

Entradas Canales INHIBIT C B A activos

0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 0 1 0 0 4 0 1 0 1 5 0 1 1 0 6 0 1 1 1 7 1 x x X Ninguno

Las señales de control son enviadas desde el microcontrolador hacia el multiplexor.

El esquema de conexión se muestra en la Figura 2.6:

- 15 -

Figura 2.6. Conexiones multiplexor analógico CD4051BE

La Figura 2.6 muestra la conexión de 5 capacitores para ser multiplexados sus

valores y ser utilizados por un solo canal (pin 3). El prototipo cuenta con 7 valores

diferentes por lo tanto tendremos 7 frecuencias de operación.

2.1.2 Diseño e Implementación del preamplificador de señal

La etapa anterior al preamplificador cumple también con la función de hacer que la

señal oscile con respecto a cero, es decir que no existan desplazamientos del

centro de referencia.

El prototipo del controlador cuenta con un control sobre la amplitud de la señal

senoidal de salida entregada por el circuito integrado ICL8038. Para esto se diseña

un sistema a base de amplificadores operacionales TL082 de alto rendimiento y de

baja distorsión (0.02%) [Anexo C], además de acondicionar la señal a niveles de

voltaje deseados y limpiarla de cualquier remanente de corriente continua.

El TL082 es un integrado que contiene dos amplificadores operacionales [Anexo C].

Ambas etapas están configuradas como filtros amplificadores pasa-bajas, que

X013

X114

X215

X312

X41

X55

X62

X74

A11

B10

C9

INH6

X 3U1

CD4051BE

AL PIN 10OSCILADOR

RA0

RA1

RA2

10nF

20nF

25nF

33nF

47nF

-15V

- 16 -

imposibilita trabajar con frecuencias superiores a los 100KHz, los filtros están

calibrados a frecuencias superiores gracias al capacitor de 10pF en paralelo con la

resistencia de 100KΩ entre los pines 2 y 8 [Figura 2.7].

La salida se dirige a un potenciómetro cuya función es subir o bajar el nivel de la

señal que se entrega a la segunda etapa, además de pasar por una red compuesta

por un potenciómetro y dos resistencias conectadas a alimentación positiva y

negativa [Figura 2.7]. Se eligen resistencias de 10KΩ cuya función es ubicar a la

señal de salida en el origen, es decir colocar el voltaje continuo en cero calibrando

el potenciómetro, debido a cualquier irregularidad surgida por el control previo sobre

la amplitud. Una vez corregida la señal pasa por un divisor de tensión compuesto

por dos resistencias de 47KΩ que van al pin 6 del integrado, la última etapa está

configurada exactamente igual a la primera y brinda la salida total que irá hacia el

amplificador de potencia [Figura 2.7]. La señal obtenida de la implementación del

preamplificador de señal senoidal se muestra en la Figura 2.8.

Figura 2.7. Preamplificador con TL082

3

21

84

5

67

84

+15V

22K

100K

10K

10K

10K

100nF

47K

47K

47K

10pF

47K

100K

47K

10pF

47

-15V

TL082

TL082SALIDA

DEL OSCILADOR

- 17 -

Figura 2.8. Señal de salida Preamplicador TL082

Osciloscopio: LabVolt 797 (y=5V/div)

2.2 ETAPA DE POTENCIA MODELO MTS JPC-LAC1/P

2.2.1 Diseño e Implementación del amplificador de potencia con simetría

complementaria clase AB

Al diseñar amplificadores de potencia podemos optar por algunos caminos, dentro

de la aplicación fueron dos las opciones: mediante circuitos integrados o mediante

elementos discretos. La elección fue por elementos discretos debido a que al

trabajar en frecuencias en las cuales pueden utilizarse amplificadores de audio que

vienen en circuitos integrados, estos entregaban potencia según las cargas típicas

(8Ω típica), lo cual era un problema al tratar de conectar una carga mucho mayor

(80Ω). Además, se necesitaba generar corrientes altas pero con niveles de voltaje

bajos.

Antes de describir el diseño mostrado en la Figura 2.12 vale la pena entender

algunos conceptos que se tomaron como conocimientos previos para llegar al

diseño final. Los principales inconvenientes fueron llegar a los niveles de voltaje

deseados de ± 20VAC

y el acople a la carga. La primera opción fue un diseño

multietapa combinando polarizaciones de transistores de emisor común, base

común y colector común. En este caso no se logró el acople debido a que la carga

era demasiado baja.

Teóricamente fueron analizados diseños como clase A y clase B. En clase A el

rendimiento es bajo de alrededor del 50%, esta configuración amplifica todo el

tiempo incluso en ausencia de señal de entrada. En clase B se mejora el

rendimiento llegando al 78%. El principal inconveniente es la distorsión de cruce por

- 18 -

cero [Figura 2.9], que se produce al estar los transistores en corte. Para que entren

en conducción es necesario superar la barrera de potencial de los diodos existentes

entre base y emisor cuyo valor aproximadamente es de 0.7 V. Como la polarización

viene determinada por la propia señal, aparece una distorsión denominada

distorsión de cruce [Figura 2.9]. En ambos diseños la señal amplificada es

ensamblada por un trasformador el cual añade distorsión a la salida.

Figura 2.9. Distorsión de cruce por cero

2.2.1.1 Amplificador de Potencia en contrafase

Utilizando un transistor NPN y otro PNP como lo muestra la Figura 2.10 no hace

falta un transformador de salida para acoplamiento de la señal.

Figura 2.10. Amplificador de potencia en contrafase

En el circuito de la figura 2.10 cada transistor conduce durante un semiciclo.

Q1

Q2RL

+Vcc

-Vcc

VinC

- 19 -

Cuando Q1 está en corte, la energía almacenada en el capacitor C permite la

conducción de Q2

. El funcionamiento también es en clase B, para eliminar el

problema por cruce por cero se diseña en configuración de clase AB.

2.2.1.2 Amplificador clase AB

Este tipo de amplificadores funcionan básicamente como los amplificadores en

clase B, excepto en el que se inyecta una pequeña corriente de polarización para

que ya estén conduciendo previamente a la llegada de la señal [Figura 2.12]. Se

diseñan casi en corte, pero sin llegar a estar en ese estado. De esta forma se

consigue eliminar la distorsión de cruce por cero.

La principal dificultad es conseguir la estabilidad del punto de funcionamiento del

transistor. Se debe garantizar que los transistores no entrarán en corte. La mejor

solución es recurrir al espejo de corriente [Figura 2.11].

El espejo de corriente se basa en la conexión en paralelo de dos diodos iguales. Si

son iguales y tienen la misma curva característica, por los dos diodos circula la

misma corriente puesto que los puntos de funcionamiento son idénticos. Para una

misma tensión ánodo cátodo en los dos diodos se tiene una misma corriente en

cada uno de ellos.

Si el diodo y el transistor son de silicio se pueden considerar iguales la tensión en

extremos del diodo y la tensión entre base y emisor. En la Figura 2.11, la corriente

que circula por el diodo es la misma que circula por la unión base emisor.

Es decir:

Figura 2.11. Espejo de corriente

Q1

R

+Vcc

D1

- 20 -

La corriente Io que circula por la resistencia R permite despreciar la que se deriva

por la base, la corriente que circule por el diodo será prácticamente Io

. Esto se

puede considerar si se cumple [2]:

(2.8)

La corriente de colector se determina a partir de la ley de voltajes de Kirchhoff

aplicada a la Figura 2.11:

(2.9)

Para evitar problemas térmicos es necesario colocar una resistencia de potencia en

serie con el emisor, la cual colabora además con el acople a la carga [Figura 2.12].

Estos criterios se aplican en el diseño del amplificador AB mostrado en la figura

2.12.

Figura 2.12. Amplificador AB con espejo de corriente

Q2

R3

+Vcc

D1

D2

R

R

Q3

RL

Q1

R4

R1

R2

C1

100n

-Vcc

Vin

RVccIc 7,0−

≈

IbIo .10≥

- 21 -

El transistor Q1 polarizado por R1 y R2

se comporta como una fuente de corriente

[1]:

47,0

RV

IcIe base −≈≈

(2.10)

La corriente Ic en régimen estático es constante. La corriente por los diodos D1, D2

y la corriente lo es constante. La polarización de los transistores queda garantizada

el estar los diodos en paralelo con las uniones base emisor. Para voltajes alternos,

los diodos se comportan como una resistencia dinámica por estar polarizados en el

primer cuadrante [2]. Las bases para alterna están unidas; para ello y para

minimizar las diferencias de voltaje puede conectarse entre ambas un capacitor. En

reposo, la tensión continua en extremos de la carga debe ser 0 voltios. Se ajustará

retocando ligeramente la resistencia R4 o la resistencia R3

. [Figura 2.12]

Si se introduce una señal variable en la entrada, Q1 la amplifica. A la salida de Q1,

Q2 amplifica el semiperiodo positivo y Q3

el negativo [Figura 2.12]. En la salida se

tiene una señal reconstruida totalmente. Para conseguir que los transistores de

potencia puedan ser del mismo tipo, se recurre a la configuración con simetría

complementaria y Darlington. En la Figura 2.13 se puede observar esta

configuración.

- 22 -

Figura 2.13. Amplificador de potencia AB en configuración de simetría complementaria

y Darlington

Se añade otro diodo (D3

), para compensar otra unión base emisor en la

configuración del espejo de corriente. Los transistores finales son de potencia. El

β de estos transistores suele ser de 20 [2]. La del resto de los transistores suele

ser de 100 [2].

2.2.1.3 Diseño del amplificador de potencia

En la Figura 2.14 se indica el diseño final del Amplificador de Potencia AB en

configuración de simetría complementaria utilizado en este proyecto. Debemos

comenzar indicando que se diseñará un amplificador de potencia en contra fase y

funcionando en clase AB. Se ha elegido una potencia de 30 W. La frecuencia

inferior de corte será de 20Hz. El esquema que se describe a continuación

corresponde al de la figura 2.14:

Q2

R3

+Vcc

D1

D2

R

R

Q3

RL

Q1

R4

R1

R2

C1

100n

-Vcc

Vin

Q4

Q5

D3

- 23 -

Figura 2.14. Amplificador de potencia AB en configuración de simetría complementaria

y Darlington (diseño final)

2.2.1.3.1 Cálculo de la fuente de alimentación

Como: PL =VL⋅IL

L

LL R

VI =

, por ser carga resistiva. Además

(2.11)

Resulta:

L

LL R

VP2

=

(2.12)

VL

LL RPVcc ⋅⋅= 2

es el valor eficaz. Al estar alimentado el amplificador con una fuente simétrica, la

máxima tensión Vcc resulta de la ecuación 2.13 [1]:

(2.13)

Con nuestros valores de elementos, obtenemos:

R641100

R52900

RL160

R7440

R910

R84120

Q22N2222A

Q42N2222A

Q62N3905

Q52N3905

Q32N2905

D31N4148

D21N4148

D11N4148 V1

24V

V224V

R1010

- 24 -

VVcc 229,218302 ≈=⋅⋅= (2.14)

La fuente de alimentación debe suministrar una tensión simétrica de ±22 voltios. La

corriente máxima que debe suministrar cada fuente es:

AR

VccIcL

75,2822

===

(2.15)

Los transistores Q5 y Q6

indicados en la Figura 2.14 deben de cumplir con las

siguientes características de diseño [1]:

2075,222

=≥

≥

βAIc

VVce

Q4 es un transistor NPN en configuración Darlington junto con Q6. Q3 es un

transistor PNP en configuración Darlington complementario junto con Q5

.

Q4 y Q5 equivalen a un transistor NPN; de la misma manera Q3 y Q5

equivalen a un

transistor PNP de ganancia:

21 βββ ⋅= (2.16)

En cuanto a transistores de potencia se escoge el 2N3055 con un beta aproximado

de 20. Para Q4 se escogió el 2N2222A con un beta cercano a 100 y para Q5

el

2N2905 con un beta aproximado de 100.

Las resistencias encargadas de la estabilidad térmica debido a las diferencias entre

los transistores se obtienen mediante el criterio de diseño [1]:

Ω=== 208

1608

LRR

(2.17)

- 25 -

La corriente máxima que se desea que circule por estas resistencias y por ende

hacia la carga es de 1A, la potencia que tendrían que disipar es de 20V⋅1A = 20W.

2.2.1.3.2 Cálculo de R

8

Para calcular R8 [Figura 2.14] es necesario saber la corriente y la diferencia de

potencial en extremos. En reposo, la tensión en RL es 0V. Despreciando la caída de

tensión en la resistencia de potencia, la tensión en la base de Q4

es 1.4V.

El valor máximo de la corriente por la base es [1]:

mAIcIb 4,11002075,2

21

=⋅

=⋅

=ββ

(2.18)

Se toma una corriente un tanto superior para poder garantizar que los diodos al

igual que el transistor Q2

siempre estén conduciendo. Por ejemplo 5mA.

Ω=−

=⋅−

= − 4120105

4,122238 xI

VbeVccR

(2.19)

2.2.1.3.3 Elección de los diodos D1, D2 y D

3

La corriente que va a circular por los diodos es pequeña, de 5mA. Con lo cual sirve

cualquier diodo de señal, como por ejemplo el 1N4148 [Figura 2.14].

2.2.1.3.4 Elección de Q2

Q2

funciona bajo corrientes y tensiones bajas. Cualquier transistor de señal sirve

para esta aplicación. Se elige el transistor 2N2222A con un beta de 100 [Figura

2.14].

2.2.1.3.5 Cálculo de R7

R7 debe calcularse de manera que permita a Q2 funcionar correctamente ante

cualquier variación en la entrada. Se escoge Vcc/10, es decir 2,2V.

- 26 -

Ω=== − 440105

2,237 xI

VRC

CC

(2.20)

2.2.1.3.6 Cálculo de R

5

Se elige una corriente por R5 y R6 superior a la de la base. La corriente por la base

de Q2

mAxII Cb 05,0

100105 3

2

22 ===

−

β

es [Figura 2.14]:

(2.21)

Para despreciar la corriente de la base se toma una corriente de 1mA.

Ω=+

= − 2900101

7,02,235 x

R

(2.22)

2.2.1.3.7 Cálculo de R

6

La corriente es de 1mA, por tanto el voltaje es:

( ) VV 1,411,1922 =−−= (2.23)

La resistencia,

(2.24)

2.2.1.3.8 Cálculo del capacitor de entrada Para el cálculo del capacitor de entrada [Figura 2.14], y de la impedancia de ingreso

Zi [1] [2], utilizamos las ecuaciones 2.25 y 2.26:

fZiC

π21

=

(2.25)

Ω== − 41100101

1,4136 x

R

==

mAmArd 5/252100β

- 27 -

( ) Ω=+= 25537265 RrdRRZi β (2.26)

FC µπ

11.32553202

1=

⋅⋅⋅=

(2.27)

Se elige un superior, 10µF.

La combinación de estas configuraciones nos da como resultado amplificación en

voltaje (la primera etapa) y corriente (la segunda etapa) [Figura 2.14]. Las

ganancias se muestran a continuación tanto matemáticamente como en simulación:

in

OPQV V

VA 2= , donde RLOPOPQ VVV +=2 (2.28)

Vamos a despreciar VRL

por ser muy pequeño

VVOP 9,218302 =⋅⋅= (2.29)

16,128,19,21

==VA

(2.30)

( ) dBAVdB 7,2116,12log20 =⋅= (2.31)

La ganancia en corriente esta dado por [1] [2]:

LE

E

LEB

Bi RR

RRRR

RA++

=21/ ββ (2.32)

154120 +=BR ; 20=ER ; 160=LR ; 1001 =β ; 201 =β

2316020

207.172000/4135

4135=

++=iA

(2.33)

( ) dBAidB 2.2723log20 =⋅= (2.34)

- 28 -

2.2.1.4 Simulaciones 2.2.1.4.1 Simulación del amplificador

Se ingresa una señal de 1,5V de amplitud y una frecuencia de 1KHz en la entrada,

la respuesta temporal en voltaje y corriente respectivamente son tal y como lo

indica la Figura 2.15:

Figura 2.15. Respuesta temporal en voltaje, amplificador de potencia AB en configuración

de simetría complementaria y salida Darlington. Simulador: Workbench 9.0 Multisim

Figura 2.16. Respuesta Temporal de corriente del Amplificador de potencia AB en Configuración de simetría complementaria y Darlington.

Simulador: Workbench 9.0 Multisim

Como se puede apreciar en la Figura 2.15 no alcanzamos los niveles de voltaje

planteados, debido a que no se tomó en cuenta las caídas de tensión sobre las

resistencias de potencia; además de las restricciones sobre R7 y R8 [Figura 2.14].

Este problema se soluciona aumentando el voltaje de la fuente de alimentación

- 29 -

hasta llegar al nivel deseado. En nuestro caso redujimos nuestra expectativa a

15VAC en la salida, con una fuente de 24VCD. Es necesario ajustar la resistencia R7

para obtener un voltaje de 0V en continua en los extremos de la salida, para ello fue

reemplazada por un potenciómetro multivuelta para ser más exacto el sistema.

Estos resultados se los visualiza en la Figura 2.17.

Figura 2.17. Respuesta temporal de voltaje, amplificador de potencia AB en configuración de simetría complementaria y salida Darlington con fuente de alimentación ± 24V.

Simulador: Workbench 9.0 Multisim

2.2.1.4.2 Respuesta en frecuencia del amplificador:

Figura 2.18. Respuesta en frecuencia, amplificador de potencia AB en configuración de

simetría complementaria y salida Darlington con fuente de alimentación ± 24V.

Simulador: Workbench 9.0 Multisim

- 30 -

2.2.1.4.3 Análisis espectral

Figura 2.19. Análisis espectral, amplificador de potencia AB en configuración de simetría

complementaria y salida Darlington ± 24V. Simulador: Workbench 9.0 Multisim

Figura 2.20. Salida amplificador de Potencia

Osciloscopio: LabVolt 797 (y=5vol/div)

En la figura 2.18, observamos que la respuesta en frecuencia del amplificador

comienza a ser plana a partir de los 9Hz (frecuencia de corte) debido a la inclusión

de valores de capacitancia diferentes a los calculados.

En cuanto al análisis espectral [Figura 2.19], el armónico fundamental tiene una

amplitud aproximadamente de 1,4V, mientras que los demás tienen amplitudes

menores a los 9,6µV (de acuerdo a la simulación).

2.2.2 Diseño e Implementación, etapa de conmutación Todo diseño de etapas de conmutación está directamente ligadas al tipo de

contacto y las acciones que deben cumplir todo relé. Conceptos como contacto

móvil debe estar claramente entendido ya que no existe diferenciación con polo. El

diseño se realiza cumpliendo los requerimientos de las siguientes normas Europeas

e Internacionales, tal como se lo muestra en el anexo H.1:

- 31 -

• Los relés no deben funcionar en ambientes que produzcan en su interior

condensaciones importantes o hielo.

• En el caso de usar los relés con tensiones de alimentación ≥ 110 V, se

recomienda utilizar, en paralelo con la bobina, circuitos de protección

(varistores para corriente alterna y diodos para corriente continua) [Anexo

H.1].

• La corriente nominal se determina como la corriente de utilización en servicio

continuo, es decir, la más elevada que un contacto puede conducir de forma

permanente sin sobrepasar los límites de calentamiento especificados. Este

valor coincide con la corriente máxima de maniobra que es la que un contacto

puede abrir o cerrar en condiciones específicas [Anexo H.1].

• La tensión máxima de conmutación, implican condicionantes a su valor

máximo de tensión, con tolerancias incluidas, que los contactos pueden

conmutar [Anexo H.1].

• Valores de carga mínima conmutable como valores mínimos de potencia,

corriente y tensión que los contactos pueden conmutar de forma fiable; son de

vital importancia en nuestro diseño al permitirnos tomar decisiones correctas y

exactas para determinar el tipo de transistor (2N3904) para el óptimo

funcionamiento de la etapa de conmutación.

• La polarización del transistor se realiza en zona activa en donde se logra

polarizar la unión base-emisor mediante una resistencia conectada a la base.

De esta manera circulará la corriente necesaria que activar la bobina del relé

[Anexo H.1].

Por ejemplo, si los valores mínimos son 300 mW, 5 V / 5 mA

Con 5 V, la corriente debe ser, como mínimo, 60 mA

Con 24 V, la corriente debe ser, como mínimo, 12.5 mA

Con 5 mA, la tensión debe ser, como mínimo, 60 V

- 32 -

• Se determinó la vida eléctrica para tensiones inferiores a 125 V, lo que

significa que para cargas con tensiones menores a 125 V (ej: 110 o 24 VAC)

la vida eléctrica aumenta considerablemente con la disminución de la tensión.

El valor se puede estimar aplicando un factor multiplicador al valor de la vida

eléctrica en 250 V entregado en las hojas de datos del relé JRC-19F1 012-2Z,

[anexo H] - [Anexo H.1]. El factor multiplicador se obtiene por la razón de los

voltajes para el que fue diseñado el relé y el voltaje que se aplica en nuestra

etapa de conmutación; la expresión queda determinada como;

250/2UN = 250/2*20 = 6.25 (2.35)

Por lo tanto el valor de vida útil de nuestro relé nos da como resultado:

100000*6.25 = 6250000 operaciones. (2.36)

• Un análisis que no se paso por alto hace referencia al tiempo de rebotes

presentado en la Figura 2.21, que no es más que el valor típico de duración

del total de los rebotes para los contactos normalmente abiertos NA o

normalmente cerrados NC. [Anexo H.1]

BOBINA

CONTACTO

Excitación

NC

NO

UN

TA TB

TC

TD TE

Desexitacion

TA Tiempo de conexiónTB Tiempo de rebotes NATC Tiempo de desconexión (tipo NA) TD Tiempo de desconexión (tipo conmutado)TE Tiempo de rebotes contacto NC

Figura 2.21. Tiempos de duración de rebotes para contactos normalmente abiertos NA o normalmente cerrados NC

Nuestro sistema de conmutación nos entrega valores de 6ms para el tiempo de

conexión de los contactos NA y de 4ms para el tiempo de desconexión de los

contactos NC. [Anexo H]

- 33 -

La Figura 2.22 nos muestra el diseño final de la Etapa de Conmutación utilizada en

este proyecto.

Figura 2.22. Etapa de conmutación (Diseño Final)

2.3 UNIDAD DE CONTROL REMOTA. MODELO MTS JPC- LAC1/UCR

2.3.1 Diseño e implementación interfaz inteligente microcontrolada 2.3.1.1 Conexiones básicas de un microcontrolador 16F871

La figura 2.23 nos muestra las conexiones básicas necesarias para el

funcionamiento de un microcontrolador.

RL1 RL2 RL3

2N3904

1K

1N4004

2N3904

1K

1N4004

2N3904

1K

1N4004

+5v

+5V

+5V

2N3904

1K

1N4004

+5V

2N3904

1K

1N4004

+5V

2N3904

1K

1N4004

+5V

RELE1

RELE2

RELE3ALTA PRESION BAJA PRESION PARADADE

SDE

EL u

CDE

SDE

EL u

C

FUENTEHIDRAULICA

TIERRA

15 VAC

SERVO1

SERVO2

AD

AD

ON/OFF

ON/OFF

ON/OFF

- 34 -

Figura 2.23. Conexiones básicas microcontrolador

2.3.1.1.1 Circuito Oscilador: Este circuito sirve para dar la frecuencia de

operación del microcontrolador, y de esta manera establecer la velocidad de

ejecución de las instrucciones, En la figura se observa un circuito oscilador formado

por un cristal de cuarzo y 2 condensadores del orden de los pico faradios. También

se puede hacer el circuito oscilador de tipo RC, pero es más usado el cristal de

cuarzo de 2Mhz a 20Mhz. Siendo el utilizado en este diseño uno de 4MHz. Tiempo

ejecución de las instrucciones 1µs. [4] [5]

2.3.1.1.2 Circuito de Reset: Este circuito es simplemente para reinicializar el

programa dentro del PIC, al igual que una PC común que tiene su Reset. Su lógica

debe ser baja para su efecto. [4] [5]

2.3.1.1.3 Circuito de alimentación: El microcontrolador trabaja a una tensión

nominal de 5V, correspondiente al pin 11 ó 32, tomar este valor, también se tiene

naturalmente la referencia a tierra, siempre importante en cualquier circuito

eléctrico, sea por motivos de protección o medición, pines 12 ó 31. [4] [5]

10k

100nF

5V

22pF

22pF

5V1

13

14

1112

PIC 16F871

35

2.3.1.2 Conexiones circuito panel de control URC La Tabla 2.3 y la Figura 2.24 indican la descripción de las conexiones del

conector DB15 y la conexión con la Unidad Remota de Control respectivamente

en su orden. Tabla 2.3. Descripción PIN-OUT conector DB15

CONEXIONES CONECTOR DB15 MACHO PIN COLOR CABLE FUNCION

1 Blanco Relé 1

2 Blanco/negro Relé 2

3 Blanco/café Relé 3

4 Amarillo Relé Alta

5 Verde Relé Apagado

6 Celeste Relé Baja

7 NC* NC*

8 NC* NC*

9 Rojo Alimentación +5V

10 Café Bit A (MUX)

11 Morado Bit B (MUX)

12 Gris Bit C (MUX)

13 NC* NC*

14 NC* NC*

15 Negro Tierra

* NC= No conexión

Figura 2.24 Panel de control. Unidad Remota de control

ARRIBAAjuste

(Encendido U.P.H) ABAJO

MODO

UNIDAD REMOTA DE CONTROL

CONTROL VELOCIDAD

+ -PARADA

123456789

101112131415

J2

192103114125136147158

36

Figura 2.25. Conexión pulsante Unidad Remota de control

La Figura 2.25 representa la conexión básica de cada pulsante ubicado en la

Unidad Remota de Control

2.3.1.3 Conexiones circuito LCD - Zumbador

Las actividades de control se visualización mediante una LCD de 2 líneas con 16

caracteres cada una. Las conexiones se indican en la Figura 2.26.

Figura 2.26. Conexiones visualizador LCD

La LCD puede ser configurada para funcionar en modo de 4 o de 8 bits, siendo la

más común de 4 bits ubicados desde el más significativo D7 a D4

10k

100nF

5V PIN uC

(pin 14 al 11). Los

mandos de habilitación (E-pin 6) y de selección de dato o comando (RS-pin 4) se

conectan al microcontrolador en los pines 9 y 10 respectivamente. El pin 1 es

conectado a +5V mientras que el potenciómetro de 20KΩ referenciado a tierra va

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-4

RA4/T0CKI6

RA5/AN47

RE0/AN5/RD8

RE1/AN6/WR9

RE2/AN7/CS10

OSC1/CLKIN13

OSC2/CLKOUT14

RC1/T1OSI 16

RC2/CCP1 17

RC3 18

RD0/PSP0 19

RD1/PSP1 20

RB7/PGD 40RB6/PGC 39

RB5 38RB4 37

RB3/PGM 36RB2 35RB1 34

RB0/INT 33

RD7/PSP7 30RD6/PSP6 29RD5/PSP5 28RD4/PSP4 27RD3/PSP3 22RD2/PSP2 21

RC7/RX/DT 26RC6/TX/CK 25

RC5 24RC4 23

RA3/AN3/VREF+5

RC0/T1OSO/T1CKI 15

MCLR/Vpp/THV1

D7

14D

613

D5

12D

411

D3

10D

29

D1

8D

07

E6

RW

5R

S4

VSS

1

VD

D2

VEE

3

VCC

20K

PIC1

6F87

1

LCD2x16

37

hacia el pin 3 que se encarga del contraste, el pin 2 se referencia a tierra así como

el 5 en caso de realizar únicamente escritura sobre el LCD.

Para verificar la funcionalidad del sistema, luego de la selección de cualquier

operación se confirma mediante un zumbido, el circuito que permite la operación es

el mostrado en la figura 2.27:

Figura 2.27. Conexión Zumbador

La fuente de la señal para el zumbador es el pin 35 (RB2) del microcontrolador, el

cual genera un tren de pulsos configurado mediante software.

2.3.1.4 Conexiones circuito Conmutación La Figura 2.28 indica las conexiones entre el microcontrolador y los reles.

Figura 2.28. Conexiones microcontrolador- Relés

VCC

100

10K

10K

ZUMBADOR

2N3906

RB2

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-4

RA4/T0CKI6

RA5/AN47

RE0/AN5/RD8

RE1/AN6/WR9

RE2/AN7/CS10

OSC1/CLKIN13

OSC2/CLKOUT14

RC1/T1OSI 16

RC2/CCP1 17

RC3 18

RD0/PSP0 19

RD1/PSP1 20

RB7/PGD 40RB6/PGC 39

RB5 38RB4 37

RB3/PGM 36RB2 35RB1 34

RB0/INT 33

RD7/PSP7 30RD6/PSP6 29RD5/PSP5 28RD4/PSP4 27RD3/PSP3 22RD2/PSP2 21

RC7/RX/DT 26RC6/TX/CK 25

RC5 24RC4 23

RA3/AN3/VREF+5

RC0/T1OSO/T1CKI 15

MCLR/Vpp/THV1

PIC1

6F87

1

RELE1

RELE2

RELE3

RELE BAJA PRESION

RELE ALTA PRESION

38

2.3.2 Diagrama General de conexiones

Figura 2.29. Diagrama General de conexiones, etapa microcontrolada-LCD-Unidad

Remota de control

Finalmente en la Figura 2.29 se indica el Diagrama General de Conexiones entre la

etapa inteligente del sistema, el LCD y la Unidad Remota de Control. La longitud del

cable entre la etapa microcontrolada y la Unidad Remota de control es de 7m. A lo

largo de este trayecto los pulsos generados por la etapa inteligente microcontrolada

se pueden deformar. Para evitar dicha deformación de señal digital, en el caso de

los relés el transistor actúa como disparador o interruptor al excitar la base;

mientras que, en el caso de los bits de selección de canal del multiplexor estos son

pasados por un buffer [Anexo G] eliminando de esta manera la posibilidad de

errores debido a la mala interpretación de los datos.

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-4

RA4/T0CKI6

RA5/AN47

RE0/AN5/RD8

RE1/AN6/WR9

RE2/AN7/CS10

OSC1/CLKIN13

OSC2/CLKOUT14

RC1/T1OSI 16

RC2/CCP1 17

RC3 18

RD0/PSP0 19

RD1/PSP1 20

RB7/PGD 40RB6/PGC 39

RB5 38RB4 37

RB3/PGM 36RB2 35RB1 34

RB0/INT 33

RD7/PSP7 30RD6/PSP6 29RD5/PSP5 28RD4/PSP4 27RD3/PSP3 22RD2/PSP2 21

RC7/RX/DT 26RC6/TX/CK 25

RC5 24RC4 23

RA3/AN3/VREF+5

RC0/T1OSO/T1CKI 15

MCLR/Vpp/THV1

VC

C

VC

C

ARRIBA

AJUSTE

ABAJO

ENCENDIDO

VC

C

D7

14D

613

D5

12D

411

D3

10D

29

D1

8D

07

E6

RW

5R

S4

VSS

1

VD

D2

VEE

3

VCC

VCC

20K

10K

10K

10K

22pF

22pF 100

10K

10K

4MHz

10K

10K

10K

10K

ZUMBADOR

PIC1

6F87

1

LCD2x16

TIPO DE PRUEBA

SUBIR VELOCIDAD

BAJAR VELOCIDAD

APAGADO NORMAL10K

RELE2

RELE3

RELE BAJA PRESION

RELE ALTA PRESION

A

B

C

AL MULTIPLEXOR

ANALOGICO

2N3906

RELE2

RELE APAGADA

A0 2

A1 4

A2 6

A3 8

OE 1

Y018

Y116

Y214

Y312

74LS244

39

CAPITULO III

3. Implementación

Finalmente, todo el proyecto y su análisis permiten el desarrollado para la

implementación tangible del prototipo “sistema de control MTS JPC-LAC1”. Para

efectos prácticos de este proyecto se procedió al montaje e implementación de

las siguientes partes:

1. Etapa de control analógico

2. Etapa de control digital

3. Unidad Remota de control

(a) (b) (c)

(d) (e)

(f)

Figura 3.30. Prototipo MTS JPC-LAC1. (a) Generador de Funciones, (b)

Amplificador de Simetria complementaria clase AB, (c) Circuito de conmutación, (d)

Etapa microcontrolada + Etapa de Potencia, (e) Prototipo MTS JPC-LAC1, (f)

Prototipo MTS-LAC1 montado sobre PCB.

40

3.1 Etapa de control analógico

Las servoválvulas son controladas en función de la frecuencia tal como se lo

verifica en la Tabla 3.7, partiendo de esta premisa se tiene:

Un generador de funciones, a partir de un VCO genera una onda senoidal de

35mA de corriente y hasta 3V en tensión, valores que son ineficientes según las

características eléctricas de las servoválvulas [anexo D], la salida del oscilador

pasa por un amplificador operacional dual el cual eleva el voltaje hasta 10V sin

saturar el amplificador además de poder variar la amplitud de la señal de salida

[Figura 2.5]. Por último el amplificador de potencia controla los niveles de voltaje

de la señal que se utilizará en el control de los procesos elevando la tensión

hasta 20V ajustables con una corriente máxima de 1A. [Figura 2.14]

La etapa de alimentación necesita por sus características una fuente más

robusta, por lo cual se precisa una fuente de 24V de tensión con 2A de corriente.

Para cada elemento de esta etapa se diseño e implemento placas

independientes para obtener un diseño modular, que se comunica a través de un

bus compartido que permite en caso de falla o reconfiguración un tratamiento

más simple o en caso extremo reemplazarlas de forma individual.

Las placas PCB (Printer Circuit Board) del oscilador y amplificador se muestran

en la Figura 3.31.

(a) (b)

Figura 3.31. (a) PCBs Generador de onda senoidal. (b) Amplificador de Potencia

clase AB

41

Un aspecto determinante es la configuración que se escogerá para la conexión

de las servoválvulas, según sus especificaciones [Anexo D] existen tres

opciones:

• Serie

• Diferencial

• Paralelo

Cada una con diferentes características. Las servoválvulas poseen dos bobinas

en su interior conectadas según la Figura 3.32:

Figura 3.32. Disposición conectores y bobinas de servoválvulas 252.24C

3.1.1 Conexión serie

Esta conexión permite a las servoválvulas ser capaces de controlar un mayor

flujo de aceite a alta presión así como una “obediencia” más notoria al cambio en

las frecuencias de control, con la desventaja que no es posible mantener al

actuador en estado de espera. Desde el punto de vista eléctrico se tiene una

inductancia más baja que en las demás opciones, lo que implica menor consumo

de corriente. La conexión serie se la indica en la Figura 3.33.

42

Figura 3.33. Conexión en serie de servoválvulas

El consumo de corriente es de 25mA [anexo D], es el consumo más bajo de

todas las configuraciones. La falta de información sobre la acción concreta de

cada bobina sobre el flujo de líquido obligó a probar la acción de la señal de

control en diferentes combinaciones. La Tabla 3.4 indica los resultados de cada

una de ellas.

Tabla 3.4. Combinaciones control servoválvulas. Conexión en serie

Servo 1 Servo 2 Acción

Señal Tierra Señal Tierra A D A D Subida

D A D A Ninguna

A D D A Ninguna D A A D Ninguna

A D A y D Subida

A y D A D Ninguna

D A A y D Ninguna

A y D D A Bajada

3.1.2 Conexión diferencial

Este tipo de configuración permite que la presión a controlar sea inferior,

teóricamente es de 3000psi por cada servoválvula. Las acciones de control son:

subida, bajada y parada, teniendo en cuenta el límite de presión soportado. De la

misma manera se probaron diferentes combinaciones, sin obtener resultados

satisfactorios por la antigüedad de las servoválvulas existentes. Este tipo de

conexión se muestra en la Figura 3.34.

43

Figura 3.34. Conexión Diferencial Servoválvulas

El consumo de corriente de esta configuración es de 50mA [anexo D]. El puente

existente entre los contactos A y B son tierra, de esta manera se logra manejar

cada bobina de manera individual. Las combinaciones examinadas fueron las

que muestra la Tabla 3.5.

Tabla 3.5. Combinaciones control servoválvulas. Conexión Diferencial Servo 1 Servo 2

Acción Señal Tierra Señal Tierra A D A D Ninguna D A D A Parada A D D A Subida D A A D Bajada A D A y D Ninguna

A y D A D Ninguna D A A y D Ninguna

A y D D A Ninguna

3.1.3 Conexión paralelo

Conserva las mismas características de la configuración en serie con la

diferencia de generar mayor consumo de corriente y las combinaciones para

activar el actuador. Dicha conexión se indica en la Figura 3.35.

Figura 3.35. Conexión diferencial Servoválvulas

44

Los contactos A, B, C, D deben ser puenteados entre sí, de esta manera se

determina que la señal que se ingresa por los puentes tenga el desempeño

mostrado en la Tabla 3.6.

Tabla 3.6. Combinaciones control servoválvulas. Conexión en paralelo Servo 1 Servo 2

Acción Señal Tierra Señal Tierra A,C B,D A,C B,D Subida B,D A,C B,D A,C Bajada A,C B,D B,D A,C Ninguna B,D A,C A,C B,D Ninguna

3.2 Etapa de control digital

Esta etapa comprende aspectos como oscilación y multiplexación. La señal

oscila según un capacitor colocado en el VCO [Figura 2.5], los 6 valores

seleccionados son conmutados por el multiplexor generando 6 valores de

frecuencia diferentes [Figura 2.6], los bits de control de los canales del

multiplexor son generados por el microcontrolador 16F871 mediante la conexión

de dos pulsantes que al ser accionados seleccionan la frecuencia tal como se

muestra en la tabla 3.7.

Tabla 3.7. Combinaciones de selección de canal y frecuencia del multiplexor CD4057BE

Entradas Canales Frecuencia INHIBIT C B A activos (Hz)

0 0 0 0 0 22000

0 0 0 1 1 11000 0 0 1 0 2 5000

0 0 1 1 3 4700 0 1 0 0 4 1400 0 1 0 1 5 800

0 1 1 0 6 400 0 1 1 1 7 libre

1 x x X Ninguno Ninguno

45

(a) (b) (c) (d) (e)

(f)

Figura 3.36. Señales de salida de acuerdo a la tabla de canales multiplexados. La

frecuencia esta expresada en Hz: (a) 400, (b) 800, (c) 1400, (d) 4700, (e) 5000, (f)

110000.

Cada pulso de subida selecciona un canal superior en el multiplexor y viceversa,

el proceso finaliza al llegar al canal 5 ó 0, mediante software se limita este

proceso.

La configuración de trabajo de las servoválvulas que se toma para el desarrollo

de este proyecto es la conexión en serie, ya que permite bajo consumo de

corriente, baja inductancia y mayor rango de operación de presión de fluido.

Para poder suministrar la señal y controlar los procesos del actuador la señal se

conmuta mediante relés, en este caso fueron necesarios únicamente tres los

cuales entregan la señal alterna correspondiente y la invierten según 3 pulsantes

de selección de operación, subida, bajada, ajuste, conectados al

microcontrolador y que forman parte de la Unidad Remota de control. [Figuras

2.22 – 2.26 – 2.28]

El microcontrolador tiene que mantener un control estricto de los procesos de

encendido, apagado y activación de alta presión de la Unidad de potencia

hidráulica. [Figura 2.29]

3.3 Unidad remota de Control La unidad almacena los controles de todos los procesos además de un

visualizador LCD que permite al usuario mantener un constante seguimiento de

las operaciones seleccionadas. [Figura 2.29]

46

Algunas características de funcionamiento son manejadas mediante software y

se cargarán por defecto al encender el dispositivo; uno de ellos es colocar los

bits de selección de canal del multiplexor en 000. Otra característica por defecto

mantiene la operación del actuador en bajada y la presión de la fuente en nivel

de baja potencia. Un selector de tipo de ensayo verifica la operación a realizar

por el sistema que se sugiere se encuentre en compresión, es decir que se va a

presionar el espécimen, caso contrario se lo tensionará. Para una mejor

comprensión del funcionamiento se sugiere dar lectura al anexo I.

3.3.1 Pulsantes de operación. Modo Compresión

3.3.1.1 Ajuste: de tipo multifunción, en cualquiera de los modos de ensayo al

encender el dispositivo de control activa la fuente de poder al presionarlo, el cual

envía un pulso de 5V con una duración de 1,5 segundos para activar el relé

encargado de energizar las bobinas del contactor de encendido de la Unidad de

potencia hidráulica UPH.

Otra de las funciones es elevar el actuador a una velocidad llamada “velocidad

de ajuste” ésta se realiza en nivel de presión bajo únicamente hasta posicionar el

espécimen en el lugar deseado.

3.3.1.2 Subida: esta opción es utilizada en el momento de realizar el ensayo. Al

presionarlo se envía un pulso que se sostiene durante el tiempo que dure el

ensayo, este dispara la alta presión desde la fuente hidráulica.

3.3.1.3 Bajada: en este caso al pulsar este botón; si estamos en alta presión

(ensayo), la presión automáticamente baja y el actuador desciende, caso

contrario el actuador simplemente desciende.

Las características antes mencionadas se dan en caso de estar en modo de

compresión, el modo de tensión tiene sus variantes y se explican a continuación.

47

3.3.2 Pulsantes de operación. Modo Tensión

3.3.2.1 Ajuste: Se encarga de encender o apagar la alta presión y en caso de

encender el dispositivo por primera vez se lo utilizará también para activar la

fuente de poder hidráulico.

3.3.2.2 Subida: al activar este pulsante el actuador se eleva.

3.3.2.3 Bajada: al activar este pulsante el actuador desciende.

En cualquiera de los casos anteriores la operación se realizará en alta o en baja

presión.

Los modos de ensayo serán escogidos mediante La Unidad de Control Remota,

todas las funciones que se realicen se visualizarán en el LCD, además de

informar de manera auditiva cada operación con un zumbido procedente de la

unidad remota.

Por comodidad y seguridad se colocaron controles de apagado normal y

apagado de emergencia, el primero se ubica en la unidad remota de control

mientras que el segundo se ubica en el gabinete principal. Estos controles son

conectados en paralelo a los ubicados en el panel de control de la fuente de

poder hidráulico. La velocidad puede ser cambiada en cualquier momento y en

cualquier modo de ensayo y nivel de presión.

Las placas encargadas de conmutar y controlar el sistema se muestran a

continuación:

(a) (b)

Figura 3.37 PCBs: (a) Etapa conmutación y (b) Etapa inteligente microcontrolada

48

La unidad remota se comunica con el modulo de control principal mediante cable

multipar apantallado con cubierta de PVC ideal para el ambiente de trabajo, la

malla metálica que recubre el interior del cable esta aterrizada a maza tratando

de evitar así interferencias electromagnéticas ya que lo por ella se conduce

señales de control digital.

3.4. Montaje

Ahora hay que ensamblar cada una de las partes constitutivas del sistema para el

funcionamiento completo del mismo. Las unidades de control analógico y digital se

encuentran contenidas dentro de un gabinete construido en base de acrílico

transparente de dos líneas (4,5mm), las paredes laterales y la base del gabinete se

encuentran reforzadas con doble pared de acrílico.

En la parte baja de las paredes laterales y trasera del modulo se ubican agujeros

por donde ingresa el aire frio destinado al enfriamiento de los transformadores, por

encima de ellos se colocan los ventiladores encargados de la refrigeración de

puntos críticos como: las fuentes de alimentación, amplificador de potencia y

oscilador. En la parte posterior se encuentra el último ventilador colocado lo más

alto posible, encargado de extraer el aire caliente que por ser menos denso tiende a

subir.

(a) (b) (c)

Figura 3.38 Disposición del gabinete: (a) Vista lateral-frontal izquierda, (b)Vista frontal-

lateral derecha, (c) vista de las paredes laterales

49

Todos las conectores del módulo (servoválvulas, UPH, URC), toma de alimentación

y fusibles de protección se ubican en la parte trasera del gabinete, dejando en su

parte frontal los controles de encendido/apagado y parada de emergencia. Toda la

distribución se puede mejor apreciar en la Figura 3.39.

(a) (b) (c)

Figura 3.39 (a) Conectores (servoválvulas, UPH, URC). (b) controles principales de

alimentación. (c) Conectores de red Eléctrica y fusible.

Todo el interior del gabinete está cubierto con aluminio el cual esta aterrizado a

tierra y es un efectivo filtro contra la radio frecuencia que podría alterar el

funcionamiento del oscilador. Dentro del gabinete se distribuye los componentes tal

como lo muestra la Figura 3.40.

Figura 3.40 Disposición del módulo dentro del gabinete

50

En la base inferior se colocan los transformadores, por ser elementos de gran peso,

estos mantendrán al gabinete verticalmente y harán que sea difícil de voltear. Las

placas de alimentación se encuentran un nivel más alto justo en frente de los

ventiladores laterales dispuestas en línea recta una junto a la otra. Las placas del

oscilador y amplificador de potencia en encuentran; por ultimo sujetada a la pared

trasera se encuentra la placa de conmutación. La Figura 3.41 indica la conexión de

la placa PCB de conmutación con los conectores externos.

Figura 3.41 Placa de conmutación a conectores externos

Esta disposición de placas facilita el cableado entre ellas y con los conectores de

salida, haciendo más fácil la tarea de buscar y encontrar algún desperfecto

dentro del cableado interno. Además, para facilitar la manipulación de placas y

mantener al cableado aislado se coloco cinta plástica helicoidal.

3.5. Presupuesto El presupuesto está detallado y dividido en cada una de las secciones que

componen el módulo, tal como se lo indica en la Tabla 3.8:

Tabla 3.8a. Fuente de poder ± 24 V

FUENTES DE PODER

FUENTE PODER ± 24V

ITEM CANTIDAD DESCRIPCIÓN VALOR $

1 2 LM7824T (NTE 972) IC-VOLTAGE REG,POS 24V,1A,TO-220 0,90

2 2 L7924CV (NTE 971)IC-NEG VR,24V,1A,TO-220 0,90

3 1 RS207 (NTE170)RECTIFIER-SI,BRIDGE,1000V 2ª 0,32

4 2 CAPACITORES ELECTROLÍTICOS 4700µF, (50V o algo superior) 2,44

5 2 CAPACITORES CERAMICOS 100NF, (50V o algo superior) 0,08

6 8 1N4001 (NTE116)RECTIFIER-SI,600V,1ª,DO-41 0,64

TOTAL 5,28

51

Tabla 3.8b. Fuente de poder ± 15 V

FUENTE PODER ± 15V

ITEM CANTIDAD DESCRIPCIÓN VALOR $

1 1 L7815CV (NTE 968) IC-VOLTAGE REG,POS 15V,1A,TO-220 0,45

2 1 L7915CV (NTE 969)IC-NEG VR,15V,1A,TO-220 0,45

3 1 RS207 (NTE170)RECTIFIER-SI,BRIDGE,1000V 2ª 0,32

4 2 CAPACITORES ELECTROLÍTICOS 4700µF, (50V o algo superior) 2,44

5 2 CAPACITORES CERAMICOS 100nF, (50V o algo superior) 0,08

6 2 CAPACITORES TANTALIO 100nF 25V o algo superior 0,18

7 2 1N4001 (NTE116)RECTIFIER-SI,600V,1ª,DO-41 0,16

TOTAL 4,08

Tabla 3.8c. Fuente de poder ± 12 V

FUENTE PODER + 12V

ITEM CANTIDAD DESCRIPCIÓN VALOR $

1 1 L7812CV (NTE 966) IC-VOLTAGE REG,POS 12V,1A,TO-220 0,45

2 1 RS207 (NTE170)RECTIFIER-SI,BRIDGE,1000V 2ª 0,32

3 2 CAPACITORES ELECTROLÍTICOS 4700µF, (25V o algo superior) 2,44

4 4 CAPACITORES CERAMICOS 100nF, (25V o algo superior) 0,16

5 2 1N4001 (NTE116)RECTIFIER-SI,600V,1ª,DO-41 0,16

TOTAL 3,53

Tabla 3.8d. Fuente de poder ± 5 V

FUENTE PODER ± 5V

ITEM CANTIDAD DESCRIPCIÓN VALOR $

1 1 L7805CP (NTE 1960)C-POS 5V VLTG REG, TO-220 ISOL 0,45

2 1 L7905CP (NTE 1961)IC-NEG 5V VLTG REG, TO-220 ISOL 0,45

3 1 RS207 (NTE170)RECTIFIER-SI,BRIDGE,1000V 2ª 0,32

4 2 CAPACITORES ELECTROLÍTICOS 4700µF, (50V o algo superior) 2,44

5 2 CAPACITORES CERAMICOS 100nF, (50V o algo superior) 0,08

6 4 CAPACITORES TANTALIO 100nF 25V o algo superior 0,36

7 2 1N4001 (NTE 116)RECTIFIER-SI,600V,1ª,DO-41 0,16

TOTAL 4,26

52

Tabla 3.8e. Etapa Microcontrolada

ETAPA MICROCONTROLADA

ITEM CANTIDAD DESCRIPCIÓN VALOR $

1 1 PIC16F871 40-PIN DIP 5,36

2 1 LCD 16X2 FONDO VERDE LETRAS NEGRAS 10,58

3 1 CRISTAL 4MHz 0,67

4 2 CAPACITORES 22PF 0,16

5 1 2N3904 ( NTE123AP) T-NPN,SI-AF/RF AMP,TO-92 0,10

6 2 RESISTENCIAS 10KΩ, ¼ W 0,06

7 1 SOCALO 40-PIN 1,74

8 3 PEINETAS 20-PIN 0,93

TOTAL 19,60

Tabla 3.8f. Etapa Conmutada

LISTADO DE COMPONENTES

ETAPA CONMUTADA ITEM CANTIDAD DESCRIPCIÓN VALOR $

1 6 2N3904 ( NTE123AP) T-NPN,SI-AF/RF AMP,TO-92 0,6

2 6 1N4001 (NTE 116)RECTIFIER-SI,600V,1ª,DO-41 0,48

3 7 CAPACITORES CERAMICOS 0,1uF, 25V 0,28

4 6 RESISTENCIAS 10KΩ, ½ W 0,24

5 7 RESISTENCIAS 10KΩ, ¼ W 0,21

6 2 PEINETAS 20-PIN 0,41

7 2 PS2501-4(NTE 3221 Ó 3222-4) OPTOISOLATOR, NPN TRANSISTOR OUTPUT 2

8 2 SOCALOS 16-PIN 0,08

TOTAL 4,30

Tabla 3.8g. Generador de ondas

GENERADOR DE ONDAS

ITEM CANTIDAD DESCRIPCIÓN VALOR $

1 1 ICL8038 (NTE 864)IC-PRECISION WAVE GEN,14-PIN DIP 22,00

2 1 TL082CP (NTE858M)IC-DUAL JFET INPOUT OP AMP,8-PIN DIP 0,54

Ó C4558C(NTE 778A)IC-DUAL OP AMP,8 PIN DIP

3 1 CD4051BE (NTE4051B)IC-CMOS,MULTIPLEXER,16-PIN DIP 0,49

4 2 CAPACITORES ELECTROLÍTICOS 47µF, (35V O ALGO SUPERIOR) 0,22

5 1 CAPACITOR ELECTROLÍTICO 100 µF, (35V O ALGO SUPERIOR) 0,11

2 CAPACITORES CERAMICOS 10pF (35V O ALGO SUPERIOR) 0,18

6 2 CAPACITORES CERAMICOS 100nF (35V O ALGO SUPERIOR) 0,80

7 2 POTENCIOMETRO MULTIVUELTA 10kΩ 3,22

8 2 POTENCIOMETRO MULTIVUELTA 100kΩ 3,22

9 1 POTENCIOMETRO MULTIVUELTA 47k Ω ó 50 KΩ 1,61

53

10 1 POTENCIOMETRO MULTIVUELTA 10kΩ 1,61

11 1 RESISTENCIA 27KΩ, 1/4 W 0,03

12 1 RESISTENCIA 4.7MΩ, ¼ W 0,06

13 2 RESISTENCIAS 3.3kΩ, ¼W 0,06

14 1 RESISTENCIAS 33kΩ, ¼W 0,03

15 3 RESISTENCIAS 100KΩ, ¼ W 0,09

16 1 RESISTENCIA 22 KΩ, ¼W 0,03

17 4 RESISTENCIAS 10KΩ, ¼ W 0,12

18 4 RESISTENCIAS 47KΩ, ¼W 0,12

19 1 RESISTENCIA 47Ω, ¼W 0,03

20 1 RESISTENCIA 50KΩ, ¼W 0,03

21 1 SOCALO 16-PIN 0,08

22 1 SOCALO 14-PIN 0,08

23 1 SOCALO 8-PIN 0,08

TOTAL 34,84

Tabla 3.8h. Varios

VARIOS

ITEM CANTIDAD DESCRIPCIÓN VALOR $

1 1 Transformador reductor de 15,12,5 voltios y 3 amperios 55,00

2 1 Transformador reductor de 26 y 4 amperios 55,00

3 1 Gabinete de acrílico 125,25

TOTAL 235,25

El valor total del sistema desarrollado es de 311.14 dólares americanos, se ha

incluido únicamente el costo del material electrónico empleado, no se ha tomado en

cuenta el diseño ni construcción de placas PCB.

A continuación se esboza el case del prototipo y de la unidad remota en varias

perspectivas. Construido en acrílico y dispuesto en funcionalidad tal como se

muestra en la figura III.38.

Figura 3.38. Carcasa (case) MTS JPC-LAC1

54

Conclusiones

• Al finalizar el diseño e implementación del sistema electrónico de control en

su primera versión modelo JPC-LAC1 se logró cumplir con el objetivo

principal que es el darle funcionalidad al actuador hidráulico del sistema

MTS interactivo que es el encargado de aplicar la compresión o tensión en

las pruebas de laboratorio. Es importante mencionar que el equipo fue

adquirido por La Universidad Técnica Particular de Loja a mediados del año

1980; el mismo que se mantenía fuera de servicio por daños en su

estructura electrónica más no física.

• Bajo el avance tecnológico y las nuevas herramientas electrónicas se pudo

realizar un cambio radical en estructura física electrónica encargada del

control de las servoválvulas; las mismas que permiten el correcto

funcionamiento del actuador hidráulico que a su vez hace posible el ensayo

de pruebas de carga y deformación de gran utilidad en La Escuela de

Ingeniería Civil.

• Al ser nuestro diseño la primera versión de control y automatización se tuvo

como principal prioridad devolver la funcionalidad al actuador hidráulico que

fue conseguido como objetivo de nuestro proyecto de grado en un 100%

respetando todas las normativas industriales técnicas. El diseño queda

abierto para futuras actualizaciones y mejoras en hardware y software que la

mecánica del sistema MTS lo permite.

• Aunque no estaba dentro de nuestros objetivos al comenzar nuestro trabajo

de investigación y desarrollo tecnológico se implementó para darle mayores

prestaciones al usuario un control manual de la Unidad de Poder Hidráulico

desde la etapa Remota de Control. Con ello se tiene fácil acceso hacia los

interruptores de accionamiento eléctrico y de fluido hidráulico.

• La estructura hidráulica del sistema MTS se encuentran en funcionamiento

no siendo el óptimo para un normal proceso de las pruebas de ensayo.

Además, tenemos la desventaja respecto a las servoválvulas ya que no se

encuentran totalmente funcionales, esto debido al tiempo en que el sistema

se ha mantenido inactivo. A todo ello se agrega la ineficiente refrigeración

de La Unidad de Poder Hidráulico (UPH) que provoca excesivo

calentamiento del fluido (aceite) el mismo que se sedimenta y se acumula

en todo el circuito hidráulico, imposibilitando el correcto desempeño de las

55

pruebas de carga y deformación. Es importante volver a recalcar que el

nuevo modelo electrónico MTS JPC-LAC1 funciona en todas sus

capacidades permitiendo una fácil convergencia con modelos actuales de

servoválvulas.

• El sistema de control electrónico MTS modelo JPC-LAC1 respeta grados de

protección IP 20 industriales en su aspecto físico y técnico; con ello se

permite una mayor fiabilidad a posteriores actualizaciones. Tales normativas

permiten controlar de manera eficiente parámetros como: Temperatura: mediante el uso de todo un sistema de ventilación distribuido

de manera que los puntos críticos tales como: fuentes de alimentación y

amplificador de potencia no excedan las limites de tolerancia en temperatura

(125°C máximo).

Humedad: aplicando una fina capa de laca sobre las placas del circuito

impreso evitando también que el cobre se sulfate con el tiempo.

Picos de corriente y voltaje: aislando el sistema de alimentación con el uso

de varistores y al microcontrolador mediante opto acopladores.

Aislamiento de radio frecuencia: el case del sistema estará recubierto en su

interior por una capa de aluminio conectada a masa evitando interferencias

externas, filtros de tipo LC en las alimentaciones encargados de filtrar ruidos

de alta frecuencia que se introduzcan por la red eléctrica.

• Dentro del diseño de la etapa de potencia (amplificador AB en simetría

complementaria con salida Darlington, Figura 2.14) se presentaron

inconvenientes al no poder alcanzar el voltaje pico-pico deseado (40Vpp)

debido a las limitaciones impuestas por las resistencias que afectan

directamente el funcionamiento del transistor Q2

• Un inconveniente presentado en el diseño del amplificador de potencia en

simetría complementaria que no es más que la unión de dos transistores de

características idénticas pero de diferente tipo, uno PNP y otro NPN.

Polarizados en clase B cada transistor conducirá en semiciclos opuestos de

la señal de entrada. Configuraciones como la utilizada en el diseño presenta

un inconveniente llamado distorsión de cruce por cero como se muestra en

y debido también a que se

producen pérdidas en las resistencias de potencia de 20Ω. Para solucionarlo

fue necesario aumentar la tensión de las fuentes de alimentación desde 15V

a 24V. Con esto se logró un voltaje de salida de 20 Vp que nos permite un

amplio rango de trabajo en la alimentación de las servoválvulas.

56

la figura 2.9. Para solucionarlo se hace circular una corriente baja en ambos

transistores (NPN y PNP) de tal manera que circule corriente en el circuito

de salida aun cuando no haya señal de entrada o la misma sea muy

pequeña; los diodos D1, D2 y D3

• La resistencia R

son los encargados de la polarización

adecuada y de hacer circular una corriente pequeña a través de los

transistores durante todo el periodo. De esta manera se anula las

distorsiones de cruce por cero.

7 [Figura 2.5] tiene un tratamiento especial ya que su ajuste

nos entrega resultados críticos a la estabilidad de la señal de salida del

amplificador. El ajuste de la resistencia permite conseguir 0 VDC

• Las fuentes de alimentación para: generador de onda senoidal, multiplexor

analógico, amplificador de potencia tienen que ser simétricas. La fuente

simétrica es usada porque un circuito alimentado con esta puede tener

excursiones de tensión positiva y negativa respecto de maza, esto sin

capacitor de aislamiento de continua tanto a entrada como a la salida. Esto

mejora sensiblemente la respuesta a frecuencias bajas. En nuestras

aplicaciones es necesario un óptimo funcionamiento permitiendo la

excursión del semiciclo positivo con la fuente positiva y los semiciclos

negativos con la fuente complementaria.

en

extremos de salida por lo que fue imperioso sustituir esta resistencia por un

potenciómetro multivuelta que nos brinda un ajuste más fino del valor de la

resistencia que en este caso es de 440Ω.

• Fue necesario la utilización de alimentaciones independientes (5V) hacia la

etapa de conmutación y hacia la etapa digital, con esta implementación se

logra importantes resultados de aislamiento que permiten la estabilidad de la

onda senoidal generada por el circuito integrado ICL8038.

• Los parámetros eléctricos referidos en las hojas de datos del relé y de

acuerdo a los valores de voltaje y corriente en los cuales funcionara se

calculo una vida útil en 6250000 operaciones, que traducidos a tiempo y

tomando en cuenta un promedio de 100 operaciones por día tendríamos una

vida útil de 260 años descartando así cualquier posible falla de este

dispositivo.

• Las medidas de seguridad tomada para la filtración de interferencias y

eliminación de ruidos desde la alimentación sumada a la configuración

realizada en software le permiten al micro controlador mantenerse estable

57

dentro del funcionamiento del prototipo. Un sistema de test de alimentación

verifica que los niveles de voltaje sean los adecuados para entrar en

funcionamiento, caso contrario se escuchara una alarma, pasando a

funcionar luego de pulsar la operación de apagado de la UPH si el voltaje es

el requerido entra en funcionamiento normal.

• Los tiempos de respuesta electrónicos del sistema dependen de los

dispositivos empleados, en el caso del microcontrolador al usar un cristal de

cuarzo de 4MHz como clock la ejecución de las instrucciones demora 1us

los relés tardan en encenderse 6ms y en apagarse 5ms el multiplexor realiza

las operaciones típicamente en un tiempo de 30ns todo esto sumado al

tiempo de ejecución de las instrucciones programadas nos da como

resultado que el tiempo de repuesta al cambiar de frecuencias es de:

22 instrucciones * 1µs = 22µs

22µs + 30ηs = 22,3µs Tiempo de cambio de frecuencia

En la conmutación de los relés:

38 instrucciones * 1µs = 38µs

Tiempo de guarda para asegurar la conmutación = 50µs

38µs + 50µs + 6ms = 6,88ms Tiempo de conmutación

• Actualmente el desarrollo electrónico a nivel de producción en Ecuador está

conformado por microempresas dedicadas al campo de la electrónica

profesional, que comprende productos dirigidos a aplicaciones y sectores

especializados, los cuales brindan soluciones diseñadas a la medida. El

producto nacional como nuestro sistema de control presenta cierta

desventaja competitiva respecto a posibles productos sustitutos extranjeros.

• Nuestro sistema es el resultado de la integración de subensambles y

productos de niveles individuales que va más allá del ensamble de

determinados productos, proveyendo una serie de servicios que le añaden

valor de modernización, tecnificación y sistematización, necesario en el

sector productivo de la economía.

• La producción de equipos electrónicos en nuestra ciudad y país comienza

con la obtención de materiales que lamentablemente son muy escasos o

prácticamente nulos; es así que al iniciar con el diseño en muchos de los

58

casos nos vimos limitados influyendo esto en la utilización de un

considerable aumento en el tiempo inútil de trabajo. Por todo esto la

producción de componentes electrónicos en Ecuador está basada

únicamente en componentes diseñados a la medida como lo son los

circuitos impresos. Como etapa final se realizo el ensamblaje de dichas

tarjetas o circuitos con las demás partes y accesorios necesarios para su

funcionamiento, dentro de un soporte físico (case) que permite su adecuada

presentación y funcionalidad. De esta forma se obtuvo el equipo electrónico

o producto final.

59

Recomendaciones

• La principal recomendación que se deja para la administración de La

Escuela de Ingeniería civil es la adquisición de nuevas servoválvulas (2)

modelo 252.24C cuyas especificaciones técnicas se encuentran en el anexo

D. Con ello se podrá poner a punto nuestro diseño que se acopla a las

nuevas servoválvulas recomendadas.

• Se recomienda el cambio del aceite al realizar la adquisición de las nuevas

servoválvulas. Además es importante que se de funcionalidad al sistema de

refrigeración necesario para mantener La Unidad de Poder Hidráulico en

valores aceptables de funcionamiento (16°C – 55°C).

• Para futuras experiencias de personal técnico electrónico se recomienda

darle especial tratamiento al sistema de sensores ubicados en La Unidad De

poder hidráulico que permitirá óptimas funcionalidades al sistema MTS.

• Se recomienda adquirir un presostato (medidor de presión hidráulico)

necesario para no sobrepasar la presión de flujo de aceite hacia las

servoválvulas en 3000psi (21Mpa). Es importante no manipular de manera

arbitraria el control manual principal de presión que afectará al correcto

funcionamiento del sistema en las pruebas de ensayo.

• Es de vital importancia no manipular los controles de accionamiento de

energía eléctrica y presión que se ubican en el panel principal de la Unidad

de poder Hidráulico (UPH). Este control se encuentra ubicado en la Unidad

Remota de control de donde será posible la manipulación del mismo; caso

contrario se provocaría daños eléctricos severos de la UPH.

• Debido a las condiciones en las cuales tendrá que funcionar el modulo, se

recomienda reemplazar el gabinete de acrílico por un gabinete de aluminio o

de acero inoxidable con la finalidad de darle la debida protección en

ambientes industriales.

• Se recomienda buscar el asesoramiento de un ingeniero experto en

hidráulica de modo que inspeccione y verifique el correcto funcionamiento

del circuito hidráulico de modo de despejar dudas sobre el desempeño de

ciertos elementos del sistema.

• En caso de ser cambiada la carcasa, se recomienda reemplazar cualquier

perno por tornillos con tuerca y arandela de presión para eliminar posibles

problemas por vibración presentes al realizar los ensayos de carga y

60

deformación. Así mismo se recomienda verificar con cierta frecuencia el

estado del fusible de protección eléctrica. En caso de estar dañado o

deteriorado hay que reemplazarlo por otro que posea las mismas

características técnicas y eléctricas.

61

Bibliografía y Referencias [1] C. J. Savant, Jr – Martin S. Roden – Gordon L. Carpenter, Diseño Electrónico Circuitos y Sistemas

, Segunda edición (Primera en español), Addison-Wesley Iberoamericana., 1992

[2] Robert L. Boylestad – Louis Nashelsky, Electrónica: Teoría de Circuitos

, Sexta Edición, Prentice Hall Hispanoamericana S.A., 1997

[3] Ronald J. Tocci, Sistemas Digitales: Principios y aplicaciones

, Sexta Edición, Prentice Hall Hispanoamericana S.A., 1996

[4] José M.a Angulo Usategui – Ignacio Angulo Martinez, Microcontroladores PIC. Diseño de aplicaciones. Lenguajes Pbasic y Ensamblador

, Tercera Edición, McGraw-Hill/Interamericana de España S.A., 2003.

[5] M.a Angulo Usategui – Ignacio Angulo Martinez – Romero Yesa Susana, Microcontroladores PIC. Diseño de aplicaciones: Diseño practico de aplicaciones Segunda Parte PIC 16F87X, PIC 18FXXXX

, Segunda Edición, McGraw-Hill/Interamericana de España S.A., 2006

[6] Dogan Ibrahim, Pic Basic Projects: 30 Projects Using PIC Basic and Pic Basic Pro

, Elsevier., 2006

[7] Carlos posada, “Como evitar interferencias en los circuitos electrónicos”, Revista Digital Electrónica Básica

, pp, 1-20, Febrero 2008.

62

Anexo A Tecnología utilizada A.1 Microcontrolador

Un Microcontrolador es un circuito integrado conocido como chip embebido, que

cumple las funciones de cerebro de cualquier aplicación, estas pueden ir desde

encender un simple led hasta el control de la correcta funcionalidad de un avanzado

circuito electrónico que gobierna.

Como cualquier organismo inteligente, el integrado procesa la información que tiene

en memoria para tomar decisiones sobre lo que tiene que hacer. A la información

se la denomina programa de aplicación o software.

Un microcontrolador es un pequeño computador que contiene en su interior

básicamente un procesador, soporte (reloj y reset), memoria y puertos de entrada-

salida, todo ello dentro de un pequeño chip que podemos programar fácilmente a

nuestro antojo, con relativa facilidad.

Los microcontroladores están presentes actualmente en casi todo lo que podemos

ver a nuestro alrededor, los podemos encontrar controlando las funciones de un

mouse, teclados de computador, teléfonos, televisores, y más dispositivos eléctricos

y electrónicos. Cuando un microcontrolador se usa en una aplicación, se comunica

con el mundo exterior a través de sus puertos de ENTRADA (pulsadores,

interruptores, sensores), procesa la información según un programa, y envía datos

a través de sus puertos de SALIDA a otros dispositivos (pantallas alfanuméricas,

indicadores visuales y sonoros, motores, etc.)

Resumiendo aun más esta introducción (para no agobiar a los lectores).

Para el desarrollo de este sistema MTS JPS-LAC1, específicamente la unidad de

control remota JPS-LAC1/UCR, se ha elegido el microcontrolador PIC16F871 (ver

anexo F), fabricado por la empresa Microchip.

Microcontrolador = Microprocesador + memorias + puertos E/S

63

La opción fue tomada previo análisis del número de entradas y salidas necesarias

en este proyecto. El número de pines necesarios debía ser de 40; de esta manera

concentraremos en un solo dispositivo todas las funciones de control inteligente del

sistema.

Figura A.42.

A.2 Visualizador de Cristal Líquido (Display – LCD).

Las pantallas LCD, por sus siglas en inglés “Liquid Crystal Display” (“Pantalla de

Cristal Líquido”). Están presenten en varios dispositivos industriales como de

consumo masivo. Un LCD se compone de una pequeña placa integrada que consta

de:

• Pantalla de cristal liquida LCD.

• Un microcontrolador.

• Una memoria con los caracteres disponibles.

• Contactos eléctricos para conexiones externas.

• Luz trasera (Bachlight).

Se trata de un sistema electrónico con dos capas conductoras transparentes en un

medio cristalino (cristal líquido), capaces de conducir la luz a su paso. El material

cristalino altera su transparencia según la corriente circulante. Nuestro sistema

utiliza el LCD 2x16.

Figura A.43

A.3 VCO Intersil ICL8038

El generador de formas de onda ICL8038 es un integrado monolítico (fabricados en

un solo monocristal, habitualmente de silicio) capaz de producir señales tipo seno,

64

triangular y cuadrada con el mínimo de elementos externos. La frecuencia (o tasa

de repetición) puede ser seleccionada entre dos extremos de 0.001Hz hasta

300KHz usando resistores y capacitores, frecuencia de modulación y de paso, que

pueden ser calibradas mediante voltaje externo. El ICL8038 está fabricado con una

avanzada tecnología monolítica, integra diodos Schottky y resistores tipo película, la

salida es estable a variaciones de temperatura y fuente de alimentación.

Este dispositivo es la opción más viable dentro del diseño del dispositivo por su fácil

configuración, relativamente bajo costo, fácil de encontrar en el mercado, además

de ofrecer una distorsión menor al 1% en un gran rango de frecuencias y niveles de

voltaje TTL a 28V (ver anexo F).

Figura A. 44

A.4 Servo válvulas modelo 252

Figura A.45

La servo válvula MTS modelo 252 posee 2 etapas y 4 vías, diseñada para soportar

flujos de presiones bajas a medias entre 1 a 60 galones por minuto (gpm)

equivalente a 3.8 a 227 L/min en sistemas hidráulicos de alta respuesta. Dentro de

las aplicaciones típicas se incluye el control y regulación para los sistemas de

prueba de fatiga, simuladores y procesos servo-hidráulicos industriales de control.

65

Cada servo válvula consiste en un motor de torque y dos etapas de regulación de

potencia hidráulica. El motor de torque controla la primera etapa posicionando la

trampa (flapper). La trampa controla el flujo de fluido hidráulico que va hacia las

boquillas (nozzle) de manera inversamente proporcional en la primera etapa. Como

el flujo de la primera boquilla aumenta, el flujo de la otra disminuye; el cambio

resultante en el flujo de fluido hidráulico crea una presión diferencial que se utiliza

para la posición del carrete de la segunda etapa. La segunda etapa el cilindro

(spool) controla la dirección y flujo hacia el actuador hidráulico.

Figura A.39

La segunda etapa reacciona con la diferencia de presión creada por la posición de

la trampa debido al motor de torque, un retorno (feedback) es posicionado por el

carrete que contrarresta la acción de la trampa y el motor. Cuando el cilindro llega a

la posición de comando, el motor y la trampa serán completamente contrarrestados.

El flujo de ambas boquillas será igual, por lo que la diferencia de presión equilibrará

y detendrá el cilindro. Este diseño proporciona un control preciso de la posición del

cilindro. Las aplicaciones que requieren un mayor caudal se encuentran disponibles

en el estándar de la serie 252 se pueden utilizar dos servo válvulas conectados en

paralelo para duplicar el flujo. Únicamente se requiere un manifold (colector)

especial para operar las válvulas en paralelo. La 252 servo válvula dual

proporcionan ventajas respecto a grandes válvulas a través de la reducción de

66

costos, aumento de la disponibilidad (en algunas aplicaciones), aumento de la tasa

de respuesta. Dentro del sistema MTS disponible se encuentra la servo válvula

252.24C (ver anexo D) conectada en paralelo a través del service maniflod 294.11

A.5 Amplificador operacional NEC μPC4558

El μPC4558 es integrado que posee dos amplificadores operacionales con circuitos

de compensación de fase, con características eléctricas de alta velocidad, ancho de

banda y bajo ruido en comparación con un amplificador de uso general (LM741).

Entre las aplicaciones más comunes están: filtros activos, amplificadores de audio,

VCO, etc. Que se pueden realizar mediante configuraciones muy simples (ver

anexo C).

Figura A.40

A.6 Multiplexor/Demultiplexor CMOS CD4051BE con niveles de conversión lógica

Es un dispositivo analógico controlado mediante señales digitales. En estado

encendido ON sus salidas se ponen en alta impedancia, mientras que en estado

apagado OFF la corriente es prácticamente nula.

Las señales que se pueden multiplexar son de hasta 20VP-P activadas mediante

señalas digitales que van de 4.5V hasta 20V máximo; el tiempo de respuesta

máximo es de 60ns (ver anexo E).

67

Figura A.48

La unidad de control resultante de la combinación de estos dispositivos tiene es la

encargada de generar señales analógicas de control para el sistema hidráulico

conformado por las servos, actuador y demás. Todas las señales serán controladas

mediante procesos digitales y visualizadas en todo momento.

A.7 Relés

El relé o relevador es un dispositivo electromecánico, que posee funcionalidades

muy similares a la de un interruptor que es controlado mediante un circuito eléctrico

en el que por medio de un electroimán, se acciona uno o varios contactos que

permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes.

Los contactos de un relé pueden ser Normalmente Abiertos (NA) o NO (Normally

Open), por sus siglas en inglés, Normalmente Cerrados (Normally Closed) (NC) o

de conmutación.

• Los contactos Normalmente Abiertos conmutan el circuito cuando el relé es

activado. Este tipo de contactos son ideales para aplicaciones en las que se

requiere conmutar fuentes de poder de alta potencia para dispositivos

remotos.

• Los contactos Normalmente Cerrados son contactos que se utilizan para

aplicaciones en las que se requiere que el circuito permanezca cerrado hasta

que el relé sea activado.

• EL voltaje que circulará por los contactos de conmutación es controlado

mediante un terminal común.

68

Tipos de contactos y acciones.

Cada contacto móvil de un relé se denomina polo. Un relé simple tiene un único

polo. En un relé con dos polos hay dos contactos móviles accionados

simultáneamente. Al activar el relé, el polo se mueve hasta que toca un contacto

cuya posición es fija (“THROW” en inglés). Para cada polo puede haber uno o dos

contactos fijos. Se habla en consecuencia de relés SPST (single pole single throw),

SPDT (single pole 68oublé throw), DPDT (dual pole dual throw), etc; todas estas

denominaciones las presentamos en la figura que se ilustra en este tema.

Los relés SPST son contactos normalmente abiertos, se denominan de tipo A (Form

A, en inglés), mientras que los SPST con contactos normalmente cerrados se

denominan tipo B (Form B).

De los relés con dos posiciones o contactos fijos, los hay cuya acción de apertura

(“BREAK”, en inglés) y de cierre (“MAKE”, en inglés) es tal que queda garantizado

que abrirá un circuito antes de cerrar el otro (bbm, break before make), mientras

que en otros sucede a la inversa (mbb, make before break). Los relés SPDT se

denomina entonces de tipo C (Form C) si son bbm y tipo D (Form D), o de

transferencia continua, si son mbb.

SPST

DPDT

DPST

SPDT

TIPO A

2 TIPO B

2 TIPO A

TIPO D

TIPO C

TIPO B

2 TIPO D

2 TIPO C

Figura A.41. Tipos de contactos de Relés y accionamientos

69

Anexo B Generador de Funciones ICL 8038

70

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72

73

74

75

76

77

Anexo C Amplificador operacional NEC μPC4558

78

79

Anexo D Servo válvula 252.24C

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83

84

Anexo E Multiplexor analógico CD4051BE

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87

88

89

Anexo F Microcontrolador PIC 16F871

90

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93

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95

Anexo G Buffer Driver IC-TTL. Quad/Non inverting

96

97

Anexo H Relé Electromecánico JRC-19F (4078)

98

99

Anexo H.1 Información Técnica Relés

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103

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106

107

Anexo I Manual de usuario

Disposición del modulo (a) (b) (c)

Figura I.50. Disposición del gabinete. (a)Vista lateral-frontal izquierda, (b)Vista frontal-

lateral derecha, (c) vista posterior

Ensamblaje

Antes de conectar el MTS JPC-LAC1, verificar que la unidad hidráulica de potencia

este apagada, esto se verifica mediante la luz de encendido del panel central.

Posteriormente se conecta el cable de poder a una línea de 110 VAC. Todos los

demás cables de los dispositivos de control (UPH, URC, Servo I y Servo II) se

colocan en los conectores correspondientes, etiquetados y ubicados en la parte

posterior del modulo tal como tal como se muestra a continuación

Figura I.51. Conectores y conexiones

108

Los conectores de las servo-válvulas son de tipo XLR y tienen seguros para poder

sacarlos hay que presionar el seguro hacia dentro, manteniéndolo así se extrae el

conector, los conectores del UPH y URC con de tipo DB15 y DB9 respectivamente

son de sujeción, es decir se colocan a presión pero siempre tomándolos de la

cubierta de protección.

Nota: hay que evitar tirar de los cables para desconectarlos, en especial los del

UPH y URC de este modo se garantiza que no sufran desconexiones en su interior

y el sistema funcione de manera óptima.

Puesta en funcionamiento

Una vez conectado el modulo se recomienda encenderlo primero antes que la UPH

evitando así cualquier contratiempo debido a algún rebote de voltaje, aunque no

sería común debido a las protecciones colocadas pero no está por demás.

En la parte frontal del modulo se encuentran dos controles: el de encendido y

apagado y la parada de emergencia. Como su nombre lo dice el primero enciende y

apaga el modulo.

Figura I.52. Controles frontales

La opción de parada de emergencia se usa únicamente en situaciones de

emergencia o peligro, este control se encuentra separado de cualquier control

digital y corta directamente la alimentación a los contactores de la UPH. Una vez

109

presionado este control para volver a las funciones normales hay que apagar el

modulo y encenderlo nuevamente para recuperar el sistema.

Una de las características que hacen interesante este modulo es el sistema de

verificación de voltaje de alimentación hacia los controles digitales, al encender el

modulo en caso de tener una falla de alimentación en la LCD de la URC aparecerá

lo siguiente:

Figura I.53. Mensaje, error de alimentación

En este caso simplemente de apaga el modulo por unos segundos y se lo vuelve a

encender, repitiendo este proceso hasta que en la pantalla aparezca el siguiente

mensaje:

Figura I.54. Mensaje de inicio

110

Funciones

Los controles manuales del modulo se encuentran en su mayoría ubicados en la

URC.

Figura I.55. Unidad Remota de Control (URC)

Existen dos modos para realizar los ensayos: uno de carga y el otro de compresión,

seleccionables mediante un selector, en cada uno de ellos las operaciones cambian

un poco. A continuación se define cada función en cada uno de los modos.

Figura I.56. Selector de tipo de ensayo

Pulsantes de operación. Modo Compresión

Ajuste: de tipo multifunción, en cualquiera de los modos de ensayo al encender el

dispositivo de control activa la fuente de poder al presionarlo, el cual envía un pulso

de 5V con una duración de 1,5 segundos para activar el relé encargado de

energizar las bobinas del contactor de encendido de la fuente, en la LCD se

muestra el estado de la función realizada.

111

Figura I.57. Mensaje de encendido

Otra de las funciones es elevar el actuador a una velocidad llamada “velocidad de

ajuste” esta se realiza en nivel de presión bajo únicamente hasta posicionar el

espécimen en el lugar deseado, en la LCD se muestra el estado de la operación y

el tipo de presión aplicada (alta o baja).

Figura I.58. Mensaje, operación ajuste

Subida: esta opción es utilizada en el momento de realizar el ensayo. Al

presionarlo se envía un pulso que se sostiene durante el tiempo que dure el

ensayo, este dispara la alta presión desde la fuente hidráulica.

Figura I.59. Mensaje, operación subida

Bajada: en este caso al pulsar este botón; si estamos en alta presión (ensayo), la

presión automáticamente baja y el actuador desciende, caso contrario el actuador

simplemente desciende.

112

Figura I.60. Mensaje, operación bajada

Pulsantes de operación. Modo Compresión Tensión

Ajuste: Se encarga de encender o apagar la alta presión y en caso de encender el

dispositivo por primera vez se lo utilizará también para activar la fuente de poder

hidráulico, en este modo los mensajes de función presentados en la LCD son

similares.

Subida: al activar este pulsante el actuador se eleva.

Figura I.61. Mensaje, operación subida en modo tensión

Bajada: al activar este pulsante el actuador desciende.

Figura I.62. Mensaje, operación bajada en modo tensión

En cualquiera de los casos anteriores la operación se realizará en alta o en baja

presión.

113

El último de los controles es el de parada, el cual detiene el funcionamiento de la

UPH hasta volver a encenderla nuevamente mediante el control de ajuste.

Figura I.63. Mensaje, operación apagado