Introducción

Las baterías también conocidas como celdas de energía, son una fuente de energía fácil de transportar y adquirir, sin embargo, tiene una limitante solo almacenan una cantidad limitada de carga eléctrica antes de dejar de funcionar. No obstante, eso puede no ser un problema al utilizar baterías recargables la cual puede durar muchos ciclos antes de adquirir una nueva.

Un Cargador de batería, es un dispositivo utilizado, para colocar energía en una celda o batería recargable; en su forma más simple estos proveen un suministro constante de corriente eléctrica, al proveer una corriente eléctrica constante, y dejar la batería conectada al cargador, puede destruirla o reducir su capacidad de almacenamiento de carga.

El presente trabajo de curso nos permitirá consolidar o afianzar los conceptos teóricos necesarios, para llevar a cabo la construcción del presente proyecto.

Objetivos

General

Desarrollar nuestros conocimientos teórico-prácticos con la finalidad de construir un circuito previamente diseñado.

Específicos

- Recopilación de información pertinente de los componentes a utilizar.- Cálculos de los parámetros del circuito.- Construcción del esquema electrónico.- Diseñar una PCB.- Construcción del circuito electrónico.

Diseño del circuito

Funcionamiento

Esquema Electrónico

Finalidad del circuito

El circuito presentado, tiene como finalidad recargar baterías de 9 volts, de igual forma proveer una ventaja económica al usuario final, ya que no se debe de adquirir baterías de forma continua, a su vez evitar la contaminación que produce la fabricación de nuevas baterías.

Componentes

Tiristor

Dispositivo semiconductor de estado sólido constituido por cuatro capas de material tipo N y tipo P de forma alterna. El cual conduce cuando una corriente es aplicada en la compuerta o se sobrepasa su voltaje “Breakover”.

Poseen similitudes a los transistores BJT, JFET, entre otros al tener una terminal designada “compuerta”, sin embargo se diferencian de

estos por:

Solo puede estar en estado ‘ON’ u ‘OFF’, esto significa, que es el equivalente a los interruptores mecánicos.

No son utilizados como amplificadores de señal. Solo puede ser apagado con la interrupción de la fuente de alimentación, interrumpiendo

el paso de corriente a través del dispositivo o haciendo circular una corriente en forma inversa a través del dispositivo.

Solo deja circular la corriente en un solo sentido.

Diodo

Dispositivo electrónico que posee dos terminales con una conductancia asimétrica, fabricado con materiales semiconductores del tipo P y tipo N.

Comparte características similares a las del tiristor, sin embargo se diferencia por:

Supresión del ciclo negativo de una señal alterna. Un cierto potencial debe ser pasado para permitir la circulación de corriente. Poseen una tensión de ruptura, la cual si se es sobrepasada producirá “el efecto

avalancha”. No poseen una terminal denominada “compuerta”.

Diodo Zener

Dispositivo electrónico de dos capas, al igual que los diodos de propósito general, poseen una conductancia asimétrica.

No obstante se diferencia de los diodos de propósito general por las siguientes características:

Permiten el flujo de corriente de forma inversa respecto a los diodos de propósito general cuando el voltaje “zener” es alcanzado.

Funciona como regulador de voltaje ya que utiliza “el efecto túnel” ante la presencia de fuerte campo eléctrico.

Permiten modificar la forma de una señal para prevenir picos de voltaje.

Capacitor

También conocido como condensador, es un dispositivo eléctrico pasivo de dos terminales utilizado para almacenar energía de forma electroestática en un campo eléctrico, constituido por dos conductores paralelos separador por un material aislante, también conocido como dieléctrico.

Sus principales usos son:

Almacenamiento de carga por un periodo de tiempo, por consiguiente, puede ser usado como una batería temporal.

Utilizados para la atenuación del ruido o picos no deseados en una señal alterna. Utilizados en filtro de “paso bajo” y “paso alto”.

Resistencia

Es un dispositivo eléctrico de dos terminales que implementa la resistencia eléctrica al formar parte en un circuito eléctrico.

Sus principales usos son:

Reducir el flujo de corriente. Disminuir los niveles de voltaje. Ajustar niveles de señal.

Transformador

Dispositivo eléctrico que transfiere energía entre dos o más circuitos a través de la inducción electromagnética, está constituido por dos bobinas de material conductor aisladas entre sí, devanadas sobre un núcleo de material ferromagnético, el cual se denomina “lado primario” donde se encuentra el devanado principal y “lado secundario” en el cual reside el devanado secundario.

Puede ser utilizado para:

Aumento o disminución de tensión manteniendo la potencia. Limitar la corriente en el sector

Cálculos

Aspectos teóricos

Corriente alterna

Se designa CORRIENTE ALTERNA, al flujo de corriente que cambia de dirección y magnitud en un ciclo, o, periodo.

Se utiliza la función trigonométrica “seno” para describir el cambio del voltaje a través del tiempo. El voltaje que se produce en una bobina estacionaria, dependerá de la

velocidad de rotación del imán.

Corriente directa

Se denomina CORRIENTE DIRECTA al flujo unidireccional de la corriente entre dos puntos de potenciales distintos, la cual no cambia de sentido a través del tiempo.

Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con una corriente constante, es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad, así disminuya su intensidad conforme se va

consumiendo la carga (por ejemplo cuando se descarga una batería eléctrica).

Equivalencias entre análisis AC y DC

No obstante, a diferencia del análisis realizado en presencia de corriente directa, la cual es generalmente estable, resulta complejo obtener una medición de su magnitud exacta de algo que está cambiando constantemente en el tiempo.

Ya sea el análisis con valores pico (VPP) o RMS, es muy confuso al comparar dos formas de onda diferentes.

Por ejemplo, una forma de onda cuadrada entrega igual voltaje que una forma de onda triangular, no obstante las diferencias de tiempo en el cual son entregadas son mayores en una onda cuadrada.

La medición de la amplitud de la onda en AC, es la mejor forma de relacionar magnitudes AC con

DC, ya por produciría una disipación de calor similar a la producida por una fuente de DC.

Distorsión

Al hacer uso de la AC, esta, a como se sabe, varia a través del tiempo, no obstante, el suministro eléctrico residencial no es constante, es decir, existen fluctuaciones, a la cuales se les conoce como distorsión, la cual en muchas ocasiones es no deseada, y para suprimirla efectivamente, se hace uso de un capacitor.

Análisis numérico

Se procederá a calcular el voltaje en la salida del transformador, para llevarlo a cabo se utilizara la siguiente formula:

Ep = Voltaje en el primario

Es = voltaje en el secundario

Ns = número de vueltas en el secundario

Np = número de vueltas en el primario

V o=120 V5

=24 V

Al haber obtenido el resultado se comparó con voltaje especificado en el transformador a utilizar, y se obtuvieron los voltajes esperados.

Al estar en presencia de un rectificador de onda completa, utilizaremos la siguiente fórmula para calcular el voltaje promedio que recibe el circuito y a su vez obtendremos el voltaje entrante al circuito:

Vo=24 V−0.7 V=23.3 V

Vdc=Vo∗2π

=14.83 V

Procedemos a calcular la corriente necesaria para activar el tiristor, no obstante, debemos tomar en cuenta ciertos parámetros internos del tiristor proporcionados por el fabricante, y a su vez recordar que se utiliza AC como suministro de energía en el circuito.

Utilizando la ley de Kirchhoff de los voltajes para calcular la corriente entrante que circulara en la compuerta del tiristor cuando este se encuentra en estado ‘OFF’.

23.3 V−i∗R 3−0.7 V −1.3V −7V=0

Realizando la operación matemática correspondiente obtenemos la corriente que circula a través de la compuerta es:i=333 mA.

Recurriendo a la ley de Kirchhoff de los voltajes para obtener la corriente en el segmento que comprende a R5 y R6 se obtiene:

23.3 V−0.7V −i∗R 5−i∗R 6−7V =0.

Llevando a cabo la operación matemática pertinente, se obtiene que la corriente que se circula es de: i=23.63 mA.

Debemos recordar, que la frecuencia en la que se suministra la energía eléctrica en América es en una frecuencia de 60Hz, lo cual indica que un ciclo dura 16 milisegundos aproximadamente.

El tiristor BT 151 utilizado tiene una respuesta de 2µs en el cambio de estado de “OFF”-“ON” cuando le es aplicada una corriente a la compuerta, lo cual disminuye la cantidad de tiempo que

en la cual, esta es aplicada en la misma, por consecuente se evita sobrepasar los valores picos que son especificados por el fabricante, que corresponden a 20ms, 2 A, para el tiempo máximo y corriente máxima respectivamente que pueden ser aplicados.

Se procederá a realizar el cálculo cuando el tiristor ha sido activado, no obstante se debe conocer que el tiristor BT 151 en estado “ON”, su resistencia interna es aproximadamente de 1Ω, por consecuente la corriente que fluye a través del resistor R3 se volverá lo suficientemente diminuta para ser despreciada de los cálculos.

Tomando en cuenta que el transformador a utilizar entrega una corriente máxima de 1A, se utilizara para conocer las proporciones en las cuales la corriente circula, tanto en el tiristor, como en el segmento del circuito que contiene a los resistores R5 y R6.

Se requerirá la ley de Kirchhoff de las corrientes para poder encontrar las proporciones de corriente que circulan por cada uno de ellos.

i1= 1 A∗1Ω1 Ω+R 5+R 6

=1.515 mA

i2=1 A∗(R 5+R 6)1Ω+R 5+R 6

=0.998 A

Lo cual corresponde i1 para el segmento que contempla los resistores R5 y R6, e i2 determina la corriente que fluye a través del tiristor.

Ya que la corriente utilizada cambio a lo largo del tiempo, estos resultados solo nos indicaran la proporción de corriente que circula por el circuito. La cual es la siguiente:

i1=1.515 mA1 A

∗100 %=0.15 %

i2=0.998 A1 A

∗100 %=99.8 %

Para encontrar la cantidad de voltaje que se le aplica a la batería utilizaremos un divisor de voltaje, el cual queda de la siguiente forma:

Vbat=Vdc∗RaRb

=14.3

Rb= R5 + R6 + R1 + Rpot.

Ra = R1 + Rpot.

Al asegurar una diferencia de potencial mayor que el de la batería, se asegura que una corriente fluirá a través de ella.

La carga de la batería determinara el estado del diodo zener, el cual si este se encuentra en funcionamiento se determinara un divisor de voltaje, el cual es el siguiente:

Vpot=Vbat∗RpotRa

=¿Vzener

Cuando se encuentre cargada, el diodo zener entrara en funcionamiento, el cual permitirá que la corriente producida por la batería circule a través de la compuerta del tiristor No 2.

Una vez la carga total de la batería haya sido alcanzado, el potencial que se encuentra entre R2 y R3 disminuirá, debido a que la impedancia del tiristor dos en estado “ON” es baja, el potencial disminuirá, por consecuente la corriente fluirá únicamente a través del tiristor No 2, y así, deteniendo la carga de la batería, solo dejando la corriente de mantenimiento a través del segmento que contiene a R5 y R6.

Vgate1=Vdc∗R 2R 2+R 3

Conclusiones

Los conocimientos adquiridos a lo largo de las asignaturas cursadas, han permitido que de forma exitosa se pueda llevar a cabo los análisis correspondientes de los diferentes circuitos que son realizados de forma teórica, a su vez, una apropiada modelación de estos, que a su vez, conlleva a llevarlos a la práctica, lo cual permite desarrollar habilidades de resolución de problemas que no se encuentran presentes al momento de analizarlos teóricamente.

Comentarios

La experiencia adquirida durante la construcción del proyecto fue amplia, ya que se encontraron problemas, o, situaciones las cuales no están presentes en los análisis teóricos, por consecuente, un proyecto de curso en cada asignatura puede conllevar a la retención prolongada de los conocimientos que se adquirieren durante el curso correspondiente; no obstante, una observación, tutoría de parte del docente que imparte el curso, es esencial ya que no todos los estudiantes poseen el mismo nivel de conocimiento o experticia.

Bibliografía

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http://en.wikipedia.org/wiki/Rechargeable_battery

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http://en.wikipedia.org/wiki/Electrolytic_capacitor

http://en.wikipedia.org/wiki/Diode

http://en.wikipedia.org/wiki/Resistor

http://en.wikipedia.org/wiki/Alternating_current

http://www.allaboutcircuits.com/vol_2/chpt_1/2.html

http://www.allaboutcircuits.com/vol_2/chpt_1/3.html

Anexos

Presupuesto

Nombre Cantidad Precio (C$) Valor(C$)

Tiristor BT 151 2 43 86

Diodo 1N4004 4 6.67 26.68

Capacitor electrolítico 50µF, 25V

1 6.62 6.62

Resistor (5W) 47Ω 3 6.67 20.01

Resistor (5W) 390Ω 1 20 20

Resistor (5W) 270Ω 1 7.73 7.73

Diodo Zener 9.1V (1W)

1 5 5

Papel satinado 1 5 5

Potenciómetro (1KΩ) 1 20 20

Transformador LP-573

1 251.75 251.75

Tarjeta P/Proyectos 1 30.43 30.43

Ácido clorhídrico 1 40 40

Impresión 1 1 1

Cautín 1 343.98 343.98

Terminal de bloque 1 18.67 18.67

Resistor ¼ W 0.5KΩ 2 4.30 8.60

Brocas 4 26.5 106

Peróxido 1 110 110

Tornillos 1 20 20

Total 1127.65

Hojas de datos

Tiristor BT 151

Diodo 1N5239B

Diodo 1N4004