pwm-driver

555 timer PWM driver - Schematic, PCB and case
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Author: Martin Kloeckner <mjkloeckner@gmail.com>
Date:   Sat,  7 Dec 2024 18:21:03 -0300

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-# Controlador PWM: Diseño de Placa Base y Gabinete
-
-Introducción al Diseño Asistido por Computadora (86.70) - FIUBA  
-Martin Klöckner ([mklockner@fi.uba.ar](mailto:mklockner@fi.uba.ar)) - 9 Diciembre 2024  
-
-## Introducción
-
-En el presente trabajo se diseña la placa base y el gabinete de un controlador
-modulado por ancho de pulsos. Para el diseño de ambos componentes se utilizan
-programas de computadora, en particular KiCAD para el diseño y simulación de la
-placa base y FreeCAD para el diseño del gabinete y modelos 3D de componentes de
-la placa. Al final del trabajo se ensambla y se indican los costes de
-producción.
-
-## Esquemático y Simulación
-
-El circuito se trata de un controlador modulado por ancho de pulsos (controlador
-PWM en adelante) el diseño del circuito se obtuvo del post del usuario Creative
-Creator en el sitio web [hackster.io](hackster.io).[^1]
-
-[^1]: Creative Creator. (2020, Mar 17). LED Dimmer Circuit with 555 Timer. *hackster.io*. [https://www.hackster.io/dhritimanhb2015/led-dimmer-circuit-with-555-timer-bc30f7](https://www.hackster.io/dhritimanhb2015/led-dimmer-circuit-with-555-timer-bc30f7)
-
-En la figura \ref{schematic} a continuación se muestra el esquemático completo
-dibujado en KiCAD siguiendo el diseño mencionado previamente. Además se agrega
-una fuente de alimentación de 12 volts, B1, junto con un LED y una resistencia
-como carga, esto para simular el circuito, como se muestra en la directiva de
-simulación de LTSpice, la cual indica una simulación de tipo transitoria con
-intervalo de tiempo de 10 us y un total de muestra de 2 ms.
-
-![Circuito Diseñado en KiCAD\label{schematic}](./img/sch.png){ width=80% }
-
-El circuito se trata de alimentar un MOSFET Canal-N con la señal proveniente de
-un timer 555, el cual genera una señal PWM cuyo ciclo de trabajo es controlado
-por el potenciómetro RV1.
-
-La salida del timer 555 se conecta al terminal Gate del MOSFET, el terminal
-Source se conecta a tierra, y el terminal Drain se conecta al negativo de la
-carga, de esta manera cuando el MOSFET esté en corte la carga no recibe
-alimentación y por ende permanecerá apagada, por el contrario cuando el MOSFET
-esté encendido, circulará corriente y la carga se encenderá.
-
-En la figura \ref{pwm_sig}, se muestra la salida del timer 555 cuando se varía
-la posición del potenciómetro RV1, se puede ver como cambia el ciclo de trabajo
-de la señal, es decir, se controla el tiempo en que la señal permanece activa,
-el máximo siendo la señal activa en todo momento, y el mínimo, la señal
-inactiva o apagada en todo momento.
-
-![Señal generada por el timer 555 para diferentes posicones del potenciómetro
-RV1\label{pwm_sig}](./img/g_vgs.png){ width=100% }
-
-El timer 555 genera una señal PWM de frecuencia relativamente constante, como se
-puede ver en la figura \ref{pwm_sig} en la cual aun variando el ciclo de trabajo
-el periodo sigue siendo aproximadamente el mismo: aproximadamente 0.405 ms. Esta
-frecuencia fija es controlada por el capacitor C2, la resistencia R2 y el valor
-total del potenciómetro RV1; siendo el calculo para la frecuencia el siguiente:
-
-$$f=\left( 5\cdot (R1+RV1)*C2 \right)^{-1}$$
-
-Con los valores elegidos, $1\ k\Omega$ para R1, $50k\Omega$ para RV1 y $10nF$
-para C2, la frecuencia resulta:
-
-$$f=\left( 5\cdot 51k\Omega*10 nF \right)^{-1} \Rightarrow \boxed{f \approx 2222 Hz}$$
-
-Teniendo en cuenta que la frecuencia es aproximadamente 2000 Hz, la carga se
-enciende y apaga muy rápido, utilizando un diodo LED como carga, y variando el
-ciclo de trabajo de la señal PWM se enciende y apaga el LED muy rápido, más
-rápido de lo que los ojos humanos pueden percibir, por lo que se logra un efecto
-de atenuación del LED, en función de la posición del potenciómetro. Este
-controlador PWM también puede ser utilizado para variar la velocidad de motores
-de corriente continua de igual forma en que se varia la intensidad del LED,
-encendiendo y apagando la fuente muchas veces por segundo.
-
-## Diseño de Placa Base
-
-En la figura \ref{pcb} se muestra una vista superior de la placa base del
-circuito, también realizado utilizando KiCAD. Cabe destacar que en la figura se
-ha ocultado el plano a tierra y la placa en sí, en donde se colocan los
-componentes, tiene opacidad nula de manera que se aprecien mejor los
-componentes. 
-
-La mayoría de las pistas de la placa base tienen un espesor de 20 mils, solo en
-la pista de salida (pin central del MOSFET Q1) se ha utilizado un diámetro de
-aproximadamente 40 mils (1mm) puesto que por ahí circula la corriente de
-la carga, la cual puede llegar a valores muy altos, en principio limitado por
-los parámetros máximos de la fuente y el MOSFET Q1.
-
-<!-- la cual luego será impresa utilizando una maquina CNC, -->
-
-![Diseño Placa Base a Partir del Circuito en KiCAD\label{pcb}](./img/pcb.png){ width=60% }
-
-Para la vista en 3D de la placa, se han utilizado los modelos disponibles en
-KiCAD, a excepción de los modelos del potenciómetro, el transistor de paquete
-TO-220 y la bornera, debido a que, en el caso del potenciómetro y la bornera no
-se incluyen en la librería estándar de KiCAD, en cuanto al paquete TO-220 se
-utilizó una versión modificada del modelo incluido en la librería estándar de
-KiCAD, en esta version modificada se cortan los pines de modo que se asemeje a
-una version del mismo ya montado y soldado en la placa.
-
-En la figura \ref{vistas_mod_faltantes} se pueden ver vistas axonométricas de los
-modelos propios diseñados en FreeCAD. En la figura \ref{vista_mod_potenciometro}
-se muestra el modelo del potenciómetro, en la figura \ref{vista_mod_bornera} se
-muestra el modelo de la bornera y en la figura \ref{vista_mod_to220}, se muestra
-la version modificada del paquete TO-220.
-
-\begin{figure}[H]%
-  \centering
-  \subfloat[\centering Potenciómetro\label{vista_mod_potenciometro}]{
-    {\includegraphics[width=0.20\textwidth,height=\textheight]{
-      img/pote.png
-    }}
-  }
-  \hspace{3em}
-  \subfloat[\centering Bornera\label{vista_mod_bornera}]{
-    {\includegraphics[width=0.15\textwidth,height=\textheight]{
-      img/terminal-block.png
-    }}
-  }
-  \hspace{3em}
-  \subfloat[\centering TO-220\label{vista_mod_to220}]{
-    {\includegraphics[width=0.10\textwidth,height=\textheight]{
-      img/to220.png
-    }}
-  }
-  \caption{Vistas axonométricas de los modelos 3D propios}
-  \label{vistas_mod_faltantes}
-\end{figure}
-
-En ambos diseños propios (potenciómetro y bornera) se puede ver que el nivel de
-detalle no es el máximo, ya que por ejemplo en la bornera faltarían los
-tornillos, o en el potenciómetro faltaría modelar la soldadura de los pines con
-la placa del mismo; se optó por este nivel de detalle ya que como veremos es
-suficiente para modelar el gabinete que contendrá la placa base. En caso de
-querer un mayor detalle, es más conveniente recurrir a librerías de terceros en
-caso de que estén disponibles.
-
-<!-- 
-como pueden ser el diseño de bornera[^2] de Daniel Školník o el diseño de
-potenciómetro[^3] de Vasily Kashirin.
-
-[^2]: Daniel Školník (2021, Nov 16), Screw terminal DG-301 5mm, *grabcad.com*. [https://grabcad.com/library/screw-terminal-dg-301-5mm-1](https://grabcad.com/library/screw-terminal-dg-301-5mm-1)
-[^3]: Vasily Kashirin (2021, Mar 8), Alpha RV16AF-20, *grabcad.com*. [https://grabcad.com/library/alpha-rv16af-20-1](https://grabcad.com/library/alpha-rv16af-20-1)
-
-![Diseño Placa Base a Partir del Circuito en KiCAD](./pcb_view.png)
--->
-
-## Diseño de Gabinete
-
-Para el diseño del gabinete se exporta la vista en 3D de la placa base de
-KiCAD, y se importa en FreeCAD, teniendo el modelo 3D de la placa base en
-FreeCAD, se comienza a diseñar el gabinete en torno a las dimensiones de la
-placa, intentando minimizar las dimensiones del mismo e intentando que el
-proceso de ensamble sea sencillo y además teniendo en cuenta el tiempo de
-impresión del mismo. 
-
-<!--
-Además se tiene en cuenta el tiempo de impresión, el
-cual no debe superar 75 minutos según el software de impresión CURA utilizando
-la impresora 3D prusa i3.
--->
-
-En la figura \ref{vistas_gabinete} se muestra una serie completa de vistas del
-gabinete ya finalizado, excluyendo la tapa superior del gabinete, y la tapa
-superior del soporte para cables.
-
-\begin{figure}[H]%
-  \centering
-  \subfloat[\centering Frontal superior izquierda]{
-    {\includegraphics[width=0.25\textwidth,height=\textheight]{
-      img/frente-arriba-izquierda.png
-    }}
-  }
-  \hspace{3em}
-  \subfloat[\centering Superior]{
-    {\includegraphics[width=0.25\textwidth,height=\textheight]{
-      img/arriba.png
-    }}
-  }
-  \hspace{3em}
-  \subfloat[\centering Frontal superior derecha]{
-    {\includegraphics[width=0.25\textwidth,height=\textheight]{
-      img/frente-arriba-derecha.png
-    }}
-  }
-
-  \vspace{2em}
-
-  \centering
-  \subfloat[\centering Derecha]{
-    {\includegraphics[width=0.25\textwidth,height=\textheight]{
-      img/derecha-izquierda.png
-    }}
-  }
-  \hspace{3em}
-  \subfloat[\centering Frontal\label{gab_vista_frontal}]{
-    {\includegraphics[width=0.25\textwidth,height=\textheight]{
-      img/frente.png
-    }}
-  }
-  \hspace{3em}
-  \subfloat[\centering Izquierda]{
-    {\includegraphics[width=0.25\textwidth,height=\textheight]{
-      img/derecha-izquierda.png
-    }}
-  }
-
-  \vspace{2em}
-
-  \centering
-  \subfloat[\centering Frontal inferior izquierda]{
-    {\includegraphics[width=0.25\textwidth,height=\textheight]{
-      img/frente-abajo-izquierda.png
-    }}
-  }
-  \hspace{3em}
-  \subfloat[\centering Trasera]{
-    {\includegraphics[width=0.25\textwidth,height=\textheight]{
-      img/atras.png
-    }}
-  }
-  \hspace{3em}
-  \subfloat[\centering Frontal inferior derecha]{
-    {\includegraphics[width=0.25\textwidth,height=\textheight]{
-      img/frente-abajo-derecha.png
-    }}
-  }
-  \caption{Vistas sin Tapa del Gabinete Modelado en FreeCAD}
-  \label{vistas_gabinete}
-\end{figure}
-
-Las dimensiones del gabinete visto de frente (figura \ref{gab_vista_frontal})
-son 48 mm de ancho, 31 mm de alto y 56 mm de profundidad, para las paredes y la
-tapa superior del gabinete se utilizó 3 mm de espesor. Con estas dimensiones el
-tiempo de impresión resulta de 68 minutos según SuperSlicer (software similar a
-ultimaker CURA), utilizando la impresora 3D Prusa i3 MK2S con extrusor de 0.4 mm
-y altura de capa de 0.35 mm.
-
-<!--
-### Vista sin Tapas
-### Vista con Tapas
-
-\begin{figure}
-  \begin{subfigure}[htbp]{\linewidth}
-    \centering
-    \includegraphics[width=0.6\textwidth,height=\textheight]{./pcb.png}
-  \end{subfigure}
-
-  \caption{Diseño Placa Base a Partir del Circuito en KiCAD}
-\end{figure}
--->
-
-\begin{figure}[H]%
-  \centering
-  \subfloat[\centering Tapa Superior\label{vista_tapa_superior}]{
-    {\includegraphics[width=0.35\textwidth,height=\textheight]{
-      img/case_lid.png
-    }}
-  }
-  \hspace{3em}
-  \subfloat[\centering Tapa Soporta Cables\label{vista_soporte_cable}]{
-    {\includegraphics[width=0.35\textwidth,height=\textheight]{
-      img/cable_support_installed_cropped.png
-    }}
-  }
-  \caption{Vistas de Tapa del Gabinete}
-  \label{vistas_tapas}
-\end{figure}
-
-En la figura \ref{vistas_tapas} se muestran las tapas faltantes que no se
-muestran en la figura \ref{vistas_gabinete}.
-
-\pagebreak
-## Construcción de la Placa Base
-
-<!--
-### Consideraciones
-
-Por la resistencia R2 circulan aproximadamente $11 mA$ según simulación
-independientemente de la carga, esta corriente circula cuando el
-capacitor C2 se descarga. Esta corriente provoca que la resistencia R2 cuyo
-valor es $1000\ \Omega$ deba disipar $V_{CC}\frac{R2}{R2+RV1}\cdot 11mA$, siendo
-$RV1$ el valor del potenciómetro. Para el potenciómetro en un $50\%$, la
-potencia disipada por R2 resulta:
-
-$$P=12V\cdot \frac{1000\Omega}{1000\Omega + 25000\Omega} \cdot 11mA = 5mW$$
-
-Por lo que con un resistor que soporte potencia de $0.25W$ resulta mas que
-suficiente.
--->
-
-Para la producción de la placa base se utilizó un servicio de mecanizado CNC de
-una placa de cobre FR4, los componentes se compraron en una tienda de
-electronica y luego se soldaron a mano.
-
-### Materiales y Costo de Producción
-
-En la tabla \ref{tabla_precios} a continuación se muestra la lista de materiales
-necesarios para el armado de la placa base, también se incluye una lista de
-precios de referencia de cada componente obtenidos de la tienda
-[Microelectrónica Componentes SRL](https://www.microelectronicash.com/) y al
-final se muestra el precio total, el cual resulta $\$13.674,0$ pesos argentinos,
-o el equivalente en dolares siendo aproximadamente $\$13,0$.
-
-\vspace{0.00em}
-\renewcommand{\arraystretch}{1.25}
-\begin{table}[h]
-\begin{tabularx}{1.0\textwidth} { 
-  | >{\raggedright\arraybackslash}X 
-  | >{\centering\arraybackslash}c 
-  | >{\centering\arraybackslash}r| }
-  \hline
-  \textbf{Componente}          & \textbf{Cantidad} & \textbf{Precio [ARS \$]}    \\ \hline
-  Capacitor cerámico 10 nF     &    2     &      90,4            \\ \hline
-  Diodo 4148                   &    2     &      34,4            \\ \hline
-  Bornera triple               &    1     &   1.416,0            \\ \hline
-  MOSFET Canal-N IRF 1407      &    1     &   1.823,3            \\ \hline
-  Resistencia 330 k$\Omega$    &    1     &      87,3            \\ \hline
-  Resistencia 10 k$\Omega$     &    1     &      87,3            \\ \hline
-  Resistencia 1 k$\Omega$      &    1     &      87,3            \\ \hline
-  Potenciómetro 100 k$\Omega$  &    1     &   1.132,9            \\ \hline
-  Temporizador NE555P          &    1     &     687,5            \\ \hline
-  Impresión de Gabinete        &    1     &   4.200,0            \\ \hline
-  Mecanizado de PCB            &    1     &   4.030,0            \\ \hline\hline
-  \multicolumn{2}{|l|}{\textbf{Total}}    &  13.673,0            \\ \hline
-\end{tabularx}
-\caption{Resultados obtenidos con el modelo de orden 0 y exponencial}
-\label{tabla_precios}
-\end{table}
-
-Por supuesto en caso de querer comercializarse se pueden reducir mucho los
-costos de producción, por ejemplo en la placa base mediante la utilización de
-componentes más baratos como lo son los componentes SMD, o en el gabinete,
-mediante paredes más finas, o a su vez mediante la utilización de componentes
-SMD, se puede hacer el gabinete y la placa base mas chicos, reduciendo también
-el coste de producción de ambos. También en caso de querer producir en cantidad
-se pueden obtener descuentos tanto en la compra de componentes electrónicos como
-en la impresión y mecanizado del gabinete y la placa base respectivamente. 
-
-## Consideraciones para la próxima versión
-
-Luego del ensamble final del controlador se encontraron algunos inconveniente:
-en primer lugar al girar el potenciómetro RV1 en sentido horario se disminuye el
-ciclo de trabajo de la señal producida por el timer 555, esto es
-contra-intuitivo, ya que por lo general en sentido horario se incrementa la
-intensidad (piense en el control de volumen de un radio), una solución rápida a
-esto es invertir el sentido de los diodos D1 y D2. Otro inconveniente detectado
-utilizando un LED como carga, es la inestabilidad que se produce en la salida
-cuando el ciclo de trabajo de la señal es bajo, esto puede deberse a que cuando
-la salida del timer 555 esta apagada el terminal Drain del MOSFET queda
-flotando, una solución a esto es agregar una resistencia de pull-down entre los
-terminales 1 y 2 de la bornera J1. Por ultimo, para la próxima version
-resultaría conveniente utilizar tornillos con medidas estándar que sean fáciles
-de conseguir e incrementar la tolerancia entre las paredes del gabinete y los
-agujeros para en donde se enroscan los mismos.
-
-## Conclusión
-
-En este trabajo hemos visto el proceso de diseño y ensamble de un dispositivo
-electrónico, desde el circuito "en papel" hasta el producto finalizado listo
-para ser utilizado y/o instalado. 
-
-Utilizamos en su totalidad herramientas de código abierto (open-source) que no
-requieren de una licencia para utilizarlas, si bien en algunos casos se
-encuentran errores o fallos, hay que tener presente que son de código abierto,
-por lo que es fácil reportar errores a los desarrolladores.
-
-En cuanto al coste de producción, es muy elevado para lo que es el controlador,
-hay que tener en cuenta que el diseño del circuito y el tipo de producción es
-antiguo, a día de hoy se ha dejado de utilizar componentes through-hole y se
-utiliza en la mayaría de casos componentes SMD, así como también
-microcontroladores, ya que se ha decrementado mucho su valor en los últimos
-años.
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@@ -1,44 +0,0 @@
-import numpy as np
-import matplotlib.pyplot as plt
-from numpy import genfromtxt
-
-delimiter = ';'
-
-file_data_25 = 'vgs_25.csv';
-file_data_50 = 'vgs_50.csv';
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-
-time_25 = genfromtxt(file_data_25, delimiter=delimiter, skip_header=1, usecols=[0])
-vgs_25  = genfromtxt(file_data_25, delimiter=delimiter, skip_header=1, usecols=[1])
-
-time_50 = genfromtxt(file_data_50, delimiter=delimiter, skip_header=1, usecols=[0])
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-
-time_75 = genfromtxt(file_data_75, delimiter=delimiter, skip_header=1, usecols=[0])
-vgs_75  = genfromtxt(file_data_75, delimiter=delimiter, skip_header=1, usecols=[1])
-
-fig, axs = plt.subplots(3, figsize=(12, 4), sharex=True)
-fig.subplots_adjust(wspace=0.15, hspace=0.15)
-
-axs[1].set_ylabel('TENSIÓN [V]', fontsize=10)
-axs[2].set_xlabel('TIEMPO [ms]', fontsize=10)
-
-for i in range(3):
-    axs[i].minorticks_on()
-    axs[i].grid(True, linestyle='-', alpha=0.7)
-    axs[i].grid(True, which='minor', linestyle='--', alpha=0.4)
-
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-% remove the page number from all the pages that the TOC occupies
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-% add page break after TOC set it to page number 1
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-\renewcommand\tableofcontents{
-    \oldtableofcontents % use the standard toc
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-% nicer chemical figures
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-% change style of quote, see also https://tex.stackexchange.com/a/436253/114857
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-% https://www.overleaf.com/learn/latex/Footnotes
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