Universidad Tecnológica de Querétaro

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Universidad Tecnológica Digitally
Tecnológica de Querétaro
DN: CN = Universidad Tecnológica de
de Querétaro
Querétaro, C = MX, O = UTEQ
Date: 2005.01.21 10:38:22 -06'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Voluntad. Conocimiento. Servicio
CONMUTADOR ESPECIAL DE 4 POSICIONES A 90º
CON 20 CONTACTOS SOSTENIDOS
ASEI INGENIERÍA S.A DE C.V.
Reporte de Estadía para obtener el
Título de Técnico Superior Universitario
en Electrónica y Automatización
CUAUHTÉMOC FLORES CÁRDENAS
Santiago de Querétaro, Qro
Diciembre de 2004
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Voluntad. Conocimiento. Servicio
CONMUTADOR ESPECIAL DE 4 POSICIONES A 90º
CON 20 CONTACTOS SOSTENIDOS
ASEI INGENIERÍA S.A DE C.V.
Reporte de Estadía para obtener el
Título de Técnico Superior Universitario
en Electrónica y Automatización
ASESOR DE LA EMPRESA:
ING. ARTURO RUIZ NUÑEZ
ASESOR DE LA UTEQ:
ING. GERARDO VERGARA
NOMBRE DEL ALUMNO:
CUAUHTÉMOC FLORES CÁRDENAS
Santiago de Querétaro, Qro
Diciembre de 2004
ÍNDICE
AGRADECIMIENTOS
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN
CAPÍTULO I. ANTECEDENTES GENERALES DE LA EMPRESA
1.1. Antecedentes generales de la empresa
9
1.2. Misión
9
1.3. Visión
9
1.4. Política de calidad
10
1.5. Organización
10
1.6. Campo de desarrollo nacional e internacional
11
1.7. Proceso general de producción (Diagrama)
12
CAPÍTULO II. EL PROYECTO
2.1. Antecedentes
14
2.2. Definición del proyecto
14
2.3. Objetivo del proyecto
15
2.4. Alcance del proyecto
15
CAPÍTULO III. PLAN DE TRABAJO
3.1. Separación de actividades
16
3.2. Secuencia de actividades
17
3.3. Asignación de tiempos
17
3.4. Gráfica de Gantt
18
CAPÍTULO IV. MARCO TEÓRICO
Introducción
20
4.1
Tensión.
20
4.2
Corriente eléctrica
21
4.3
Potencia
22
4.4
Frecuencia
24
4.5
Introducción al NE555
24
4.5.1 Conocimientos previos del NE555
25
4.5.2 Funcionamiento del NE555
26
4.5.3
Circuitería Interna del NE555
27
4.5.4
Características generales del NE555
29
4.6
Aplicaciones del NE555
4.6.1 El multivibrador astable con el NE555
4.7
4.8
¿Qué es un optoacoplador?
30
30
32
4.7.1 Operación del fotodiodo
34
4.7.2 Operación del fototransistor
35
4.7.3 Visión general de los optoacopladores
36
Componentes externos empleados para realizar el circuito
4.9 Circuitos combinacionales
39
45
4.9.1 Compuertas lógicas
45
4.9.2 Compuerta NAND
46
4.10
Conmutador
47
4.10.1 Contactos
47
CAPÍTULO V.
DESARROLLO DEL PROYECTO
5.1
Descripción del sistema
48
5.2
Cálculos
49
5.2.1 Fuente de alimentación a 12 V
49
5.2.2 Circuito temporizador
50
Diseños preliminares
50
5.3.1 Fuente
50
5.3.2 Circuito electrónico (temporizador)
51
Pruebas de funcionamiento
52
5.4.1 Fuente de alimentación
52
5.4.2 Circuito electrónico (temporizador)
52
5.5
Creación del PCB
54
5.6
Placa impresa terminada
56
5.3
5.4
CAPÍTULO VI. EVALUACIÓN ECÓNOMICA
6.1
Evaluación económica
57
CAPÍTULO VII. RESULTADOS OBTENIDOS
7.1.
Resultados obtenidos
58
CONCLUSIONES
Conclusiones
59
BIBLIOGRAFÍA
Bibliografía
60
ANEXOS
Anexos
61
AGRADECIMIENTOS
En esta etapa de mi vida comprendo lo importante que es la culminación de mis estudios
en la UTEQ como Técnico Superior Universitario dentro mi desarrollo como persona y
estudiante. Pero esto no lo hubiera realizado sin el apoyo moral y económico de muchas
personas que me favorecieron generosamente, a quien deseo hacer explícito mi
agradecimiento.
A mi familia:
Quiero agradecer primeramente a nuestro Dios por prestarme la vida y lograr un paso
más en mi formación y superación como persona.
Les doy las gracias a mis padres (Francisco Flores y Ma. Guadalupe Cárdenas) y
hermanos (Arturo, Carlos, Segismundo Y Francisco), por estar al pendiente de mi
persona y por estar siempre conmigo en los momentos en que los necesité así como por
sus consejos que me brindaron.
A Ramiro y Mary por haberme brindado el alojamiento durante mis estudios así como al
Sr. Fidel Sánchez.
A la escuela y al profesorado
Estoy muy agradecido con la UTEQ, por brindarme la oportunidad de cursar la carrera
de Electrónica y Automatización. A todos los profesores de la carrera, gracias.
Gracias porque día a día se esforzaron por darnos nuevos conocimientos, habilidades y
las herramientas necesarias para nuestro desarrollo.
A la empresa ASEI INGENIERÍA S.A DE C.V.
Finalmente agradezco a la empresa ASEI INGENIERIA S.A DE C.V. el haberme
brindado la oportunidad de ejercer la estadía, sus instalaciones y de aprender más sobre
el diseño electrónico. Muchas gracias al Ing. Arturo Ruiz Nuñez, y a todas las demás
personas que laboran en la empresa ya que siempre me orientaron y apoyaron en lo que
necesité mientras estuve laborando con ellos.
INTRODUCCIÓN
El presente proyecto es una propuesta, sobre la creación de un sistema que sea capaz de
enviar los pulsos al solenoide de un conmutador de 4 posiciones, para que éste a su vez
direccione correctamente la posición que el usuario elija.
En la actualidad se ha observado y comprobado que la electrónica ha logrado incursionar
en sectores muy diversos de la actividad humana. Por otra parte, se han destacado los
logros alcanzados, por ejemplo, en la miniaturización y en las múltiples funciones que
pueda realizar un dispositivo electrónico. Además, cada día su empleo es más frecuente.
El presente trabajo comienza con la relación de los antecedentes generales (capítulo I) de
la empresa. El capítulo II se define el proyecto, así como sus antecedentes, objetivos y
alcance. A continuación, en el capítulo III se expone el plan de trabajo, el cual se
fundamenta teóricamente en el capítulo IV y se desarrolla en el capítulo V. Finalmente
se muestra la evaluación económica del proyecto (capítulo VI), los resultados obtenidos
(capítulo VII) y las conclusiones.
CAPÍTULO I
ANTECEDENTES
GENERALES DE LA
EMPRESA
1.1
Antecedentes de la empresa
La empresa ASEI INGENIERÍA S.A. de C.V. fue fundada por el Ing. Arturo Ruiz
Núñez en el año de 1991. Esta empresa surgió a partir de la fuerte demanda de productos
y servicios en el sector de la electrónica y la automatización.
ASEI tiene una concesión con el grupo SCHNEIDER y con ESCACIA, que son
distribuidores líderes en el mercado en lo que se refiere a la venta de material eléctrico.
Los principales productos que maneja son: Telemecanique, Siemens, ABB, Square D,
Telco, Legrand, Omron, entre otros.
Sus principales proyectos de ingeniería son: tableros de control, tableros de fuerza,
tableros para variadores de velocidad para motores asíncronos, programas de PLC´s
para automatización de diferentes máquinas y mecanismos.
ASEI INGENIERÍA S.A. DE C.V. Se encuentra ubicada en Plaza de la conchita No. 57
Colonia Las Plazas, C.P. 76810. Santiago de Querétaro, Qro.
1.2
Misión
Tener un alto nivel competitivo dentro del mercado de material y equipo eléctrico y
electrónico. Además, ofrecer a sus clientes los mejores productos de calidad, con un
asesoramiento, así como prestar los mejores servicios electrónicos industriales de
mantenimiento y a todas las empresas que lo requieran.
1.3
Visión
Automatizar el sector industrial y comercial del Estado de Querétaro y parte de la
República Mexicana. Ser líder en el mercado en la venta de sus productos, y de los
servicios y asesoramientos que ofrece a las industrias, usando la tecnología, equipos y
productos de vanguardia.
1.4
Política de calidad
Ofrecer a nuestros clientes soluciones integrales innovadoras, prácticas y oportunas que
satisfagan así expectativas, a través del continuo mejoramiento de la empresa y de sus
trabajadores.
1.4 Organización
ASEI INGENIERÍA S.A. DE C.V. es una empresa de servicio a la industria en general.
A continuación se muestra su organigrama específico.
Departamento
de Ventas
Departamento
de Ingeniería
Apoyo
Técnico
Fig. 1.1 Organigrama de la empresa
Como se observa en el organigrama la empresa es muy pequeña, sin embargo su campo
de desarrollo es muy amplio.
Las actividades de la empresa las realizan principalmente el departamento de ventas y el
de ingeniería.
•
Departamento de ventas: Se venden distintos materiales eléctricos y electrónicos,
tales como arrancadores, botoneras, gabinetes para control, sensores, PLC´s,
contadores, relevadores, transformadores, etc.
•
Departamento de ingeniería: Se realizan los diferentes proyectos, desde tableros de
•
control
hasta la automatización de una línea de producción. Básicamente este
departamento es un outsourcing ya que presta servicios a las empresas que lo
soliciten.
1.5 Campo de desarrollo nacional
El desarrollo de la empresa ha sido principalmente en el ámbito regional, se ha trabajado
con importantes empresas y centros de investigación tales como los que se mencionan a
continuación.
•
SIEGFRED RHEIN S.A. DE C.V.
Monte Elbruz No. 124 México D.F.
•
ESCACIA.
Belisario Domínguez No. 121 Casa Blanca, Qro.
•
AGROSURTE S.A DE C.V.
Prol. Hidalgo No.119 Las Fuentes Celaya, Gto.
•
AICSESA QRO S.A. DE C.V.
Corregidora Sur No. 72-A Estrella, Qro.
•
Alpha HI-LEX S.A. de C.V.
Av. Peñuelas No. 9 Fracc. Industrial San Pedrito, Qro.
•
PROQUE S.A de C.V.
Av. 5 de febrero Km 5.5 Zona Industrial Benito Juárez, Qro.
•
MABE México S. De. R.L. de C.V.
Acceso B No. 406 Parque Industrial Jurica, Qro.
•
CIATEQ
Manantiales 23-A Parque Industrial Bernardo Quintana, Marqués, Qro.
1.6 Proceso general de producción
ASEI INGENIERÍA se dedica al desarrollo de proyectos, como tableros de control,
tableros de fuerza, tableros para variadores de velocidad para motores asíncronos,
programas de PLC´s. Simultáneamente la empresa desarrolla otras actividades, como la
asesoría a la industria, pero todas están interrelacionadas entre sí dentro de este campo.
Planteamiento
de la
necesidad
Elaboración
de diagramas
Ensamble,
ajustes y
pruebas
Propuesta de
solución
Elaboración de
lista de materiales
y orden de compra
Pruebas
preliminares
Costos
Diseño
conceptual y
presentación al
cliente.
Requisición
de materiales
Revisión de
materiales
y pruebas
con el cliente
Entrega de
producto
terminado
Fig. 1 .2 Proceso general de la producción.
CAPÍTULO II
EL PROYECTO
2.1
Antecedentes
En el presente proyecto se desarrollan los conocimientos técnicos y elementos
necesarios para impulsar a la creación de conmutador automático, con el apoyo en los
recursos que ofrece la electrónica.
El
proyecto surge por requerimiento de la empresa VOLTAMP (distribuidora de
conmutadores) a la empresa ASEI INGENIERÍA especializada en al armado de tableros
de control y servicios electrónicos.
El problema que se debía resolver era que los contactos requeridos para la función son
de alta corriente, por lo que era necesario utilizar un conmutador, para que la función
dejara de ser manual y se hiciera automática.
Es por eso que este proyecto surge con la necesidad de mandar a control remoto el giro
en las posiciones del conmutador a través de una señal remota, la cual es mandada por
los 4 hilos que se posesione exactamente en el lugar solicitado por el usuario. La única
manera como se logró hacer girar al conmutador fue con un solenoide mandando
impulsos hasta llegar a la posición requerida.
La combinación de contactos del conmutador y la señal que reciben a través de los
cables de las 4 posiciones dio la posición deseada.
2.2
Definición del proyecto
El presente proyecto consiste en la creación de un “conmutador de 4 posiciones a 90º
con 20 contactos sostenidos”, para ello se pretende realizar en el campo de la electrónica
un circuito temporizador que permita mandar los pulsos a un conmutador (voltamp) de
20 Amperes.
2.3
Objetivo
Realizar un circuito electrónico para mandarle los pulsos a un conmutador. Es decir,
llevar a cabo el diseño y fabricación de:
♦ Circuito Electrónico.
♦ Pruebas de funcionamiento en protoboard.
♦ Construcción de PCB.
♦ Armado del PCB y pruebas.
2.4
Alcance
Con la realización de este proyecto se pretende desarrollar un sistema electrónico que
sea capaz de mandarle pulsos a un conmutador de 4 posiciones a 90º, para que éste, a su
vez, abra y cierre los contactos de modo que los haga girar cuando se cierra el contacto y
a su vez, se detenga el contacto cuando se abra y así obtener la posición deseada.
CAPÍTULO III
PLAN DE TRABAJO
3.1
Separación de actividades
A continuación se muestra la separación de las actividades que son de importancia para
la ejecución de este proyecto.
A. Investigación sobre el funcionamiento de los componentes a emplear.
B. Compra de materiales.
C. Diseño y armado del circuito.
D. Pruebas del circuito
E. Realizar las tarjetas impresas.
F. Montaje y pruebas del circuito impreso.
G. Resultados.
H. Entrega de reporte final.
3.2
Secuencia de actividades
Cada actividad tiene un valor para la ejecución, pero además es necesario determinar la
secuencia de actividades (ver fig. 3.1), para indicar el orden de realización de cada una y
señalar cuáles pueden realizarse a la par.
Actividad
Secuencia
Similitud (actividades)
A
1
AYB
B
2
C
C
3
D
D
4
E
E
5
F
F
6
G
G
7
H
H
8
Tabla 3.1 Secuencia de actividades.
3.3
Asignación de tiempos
La asignación de los tiempos para cada actividad se determinó de la manera que se
muestra en la (fig. 3.2).
Actividad
Tiempo optimo
Tiempo Medio
Tiempo Pésimo
Tiempo Real
A
8 días
10 días
11 días
9 días
B
5 días
6 días
8 días
6 días
C
10 días
12 días
15 días
12 días
D
7 días
8 días
13 días
9 días
E
6 días
8 días
12 días
8 días
F
6 días
7 días
9 días
7 días
G
7 días
8 días
2 días
9 días
H
2 días
3 días
4 días
3 días
Fig. 3.2 Asignación de tiempos.
CAPÍTULO IV
MARCO TEÓRICO
Introducción
En el siguiente apartado se desarrolla la investigación que se realizó para obtener el
conocimiento previo a cerca de las variables a emplear, como lo son: la tensión, la
corriente eléctrica
y la frecuencia; así como las definiciones, características
y
aplicaciones de los componentes a emplear en el presente proyecto.
Es de gran importancia el conocer y estudiar esta sección, ya que de aquí parten los
cimientos para el correcto funcionamiento y desarrollo del proyecto.
4.1
Tensión
El concepto de tensión se relaciona con los conceptos de energía potencial y de trabajo.
Esto es, cuando se mueven cargas eléctricas en contra de la fuerza de un campo
eléctrico, se debe efectuar trabajo para moverlos. Este trabajo implica energía, como lo
dice la ley de la conservación de la energía “ esta no se puede crear ni destruir”. La
energía empleada para mover cargas contra un campo eléctrico debe convertirse a otra
forma.
4.2
Corriente eléctrica
La diferencia de la corriente alterna con la corriente continua es que la continua circula
sólo en un sentido.
La corriente alterna (como su nombre lo indica) circula por un tiempo en un sentido y
después en sentido opuesto, volviéndose a repetir el mismo proceso en forma constante.
Este tipo de corriente es la que nos llega a nuestras casas y la usamos para alimentar la
TV, el equipo de sonido, la lavadora, la refrigeradora, etc. El siguiente gráfico (fig.4.1)
aclara el concepto:
Fig. 4.1 Gráfica de onda senoidal en corriente alterna.
En este caso el gráfico muestra el voltaje (que es también alterno) y tenemos que la
magnitud de éste varía primero hacia arriba y luego hacia abajo (de la misma forma en
que se comporta la corriente) y nos da una forma de onda llamada onda senoidal.
Este voltaje varía continuamente, y para saber qué voltaje tenemos en un momento
específico, se utiliza la fórmula; V = Vp x Seno (µ ) donde Vp (V pico) (ver gráfico) es
el valor máximo que obtiene la onda y µ es una distancia angular y se mide en grados.
Aclarando un poco esta última parte y analizando el gráfico anterior, se ve que la onda
senoidal es periódica (se repite la misma forma de onda continuamente)
Si se toma un período de ésta (un ciclo completo), se dice que tiene una distancia
angular de 360o. Y con ayuda de la fórmula que ya dimos, e incluyendo µ (distancia
angular para la cual queremos saber el voltaje) obtenemos la tensión instantánea de
interés.
Para cada distancia angular diferente el valor de la tensión es diferente, siendo en
algunos casos positivo y en otros negativo (cuando se invierte su polaridad.)
Se define a la corriente eléctrica como el número de cargas que se mueven más allá de
un punto dado en un circuito en un segundo. Se escribe en forma matemática esta
definición para corriente estable como:
i=q/t
Siendo i la corriente y q la carga neta que pasa por el punto en t segundo. La unidad de
medida para la corriente es el Ampere (A).
4.3
Potencia
La potencia es una indicación de la cantidad de trabajo efectuado en una cantidad
específica de tiempo: esto es, la velocidad con la que se efectúa el trabajo. En forma de
ecuación:
Trabajo
w
Potencia = ------------- = ---Tiempo
t
(Ec 1-1)
Siendo la unidad eléctrica de medición de la potencia el Watt.
La potencia suministrada a dispositivos electrónicos se puede expresar en términos de
corriente y tensión. Para expresar esta Ec. 1-1 se utilizan las siguientes ecuaciones:
W=q*V
(Ec.1-2)
q
i = ------- (Ec. 1- 3)
t
Siendo q la carga en coulombs y V la diferencia de potencial Volts e i la corriente en
Amperes.
Para los circuitos de cd, se puede expresar la ley de ohm para escribir una ecuación para
la potencia en otras dos formas:
P = I2 * R
(1)
V2
P = ---
(2)
R
La potencia de un circuito o aparato electrónico es directamente proporcional a la
tensión eléctrica y la intensidad de corriente que por él circula.
P=V*I
P = Potencia
V= Tensión
I = Corriente
4.4
Frecuencia
Se define a la frecuencia como el número de eventos recurrentes que tienen lugar en un
intervalo unitario de tiempo.
Cuando alguien se refiere a señales eléctricas, la frecuencia (f) es por lo general el
número de ciclos de una onda periódica que se presentan por segundo. La duración de
tiempo (en segundos) de un ciclo completo de esa onda se llama periodo (T) de la onda.
Por lo tanto, la frecuencia y el periodo de una onda periódica se relacionan mediante.
f = 1/T
La unidad de la frecuencia es el Hertz (Hz, que antes se llamaba ciclos por segundo).
Si se pudiera contar cuantos ciclos de esta señal de tensión suceden en un segundo
tendríamos: la frecuencia de esta señal, con unidad de ciclos / segundo, que es lo mismo
que Hertz o Hertzios.
El tiempo necesario para que un ciclo de la señal anterior se produzca, se llama período
(T) y tiene la fórmula: T = 1 / f, o sea el período (T) es el inverso de la frecuencia. (f)
4.5
Introducción al NE555
Ante la necesidad de obtener circuitos generadores de pulsos, multivibradores
(temporizadores) se crearon circuitos basados en amplificadores operacionales en
distintas aplicaciones.
Sin embargo en 1972 la compañía Signetics introdujo en el mercado un nuevo
componente, que no sólo cumplía con estas necesidades, sino que mejoraba los
resultados obtenidos por los circuitos basados en amplificadores operacionales en
muchos aspectos.
El 555 es un circuito integrado analógico-digital comúnmente llamado “Timer” ya que
la mayoría de sus aplicaciones están dirigidas hacia el control o medición del tiempo.
Hoy en día el 555 sigue siendo un componente básico en la construcción de circuitos
multivibradores, generadores de pulsos, divisores de frecuencia.
La principal ventaja del 555 radica en que consigue temporizaciones más precisas.
Además, al ser un circuito integrado reduce el número de conexiones a la vez que el
precio, factor que todo ingeniero debe tener en cuenta a la hora del diseño.
4.5.1 Conocimientos previos del NE555
♦ Descripción
El circuito integrado 555 presenta varios tipos de encapsulado.
a. 8 patillas en MINIDIP en plástico.
b. Cápsula DIP de 14 patillas.
c. Encapsulado metálico TO-99.
Estando las dos últimas casi en desuso, se utilizó el DIP de 8 patillas (ver fig. 4.1).
Fig. 4.1 del DIP de 8 patillas
♦ Encapsulados
El encapsulado más popular es el DIP-8 (ver fig.4.2). Existen otras versiones de 555 en
DIP14 (ver fig. 4.3), debido a que en su interior aloja dos 555 independiente uno de otro,
su denominación es 556.
Encapsulado DIP8
Encapsulado para SMD SOIC-8
Encapsulado DIP14 del 556
SOIC14
Fig. 4.2 Encapsulados DIP 8
Fig. 4.3 Encapsulado DIP 14
4.5.2 Funcionamiento del NE 555
La tensión de funcionamiento del 555 va de 5V a 20V. Interiormente, en la patilla 8 va
conectado un divisor de tensión mediante 3 resistencias.
La patilla 6 es una de las importantes, sale del comparador superior y cuando la tensión
de referencia, en la patilla 6, sea mayor a dos tercios de Vcc, entonces este comienza a
funcionar llegando al flip flop y sacando un uno, donde llega a un transistor que en este
momento actúa como un interruptor cerrado y también llega a la salida invirtiendo esta
señal que entra y transformándola en 0.
La patilla 5 es la entrada negativa del comparador superior.
La patilla 2 es la entrada negativa del comparador inferior, cuando éste tiene una tensión
de referencia inferior a un tercio de Vcc, entonces el comparador inferior empieza a
funcionar, dando un impulso al flip flop saliendo de el un 0, entonces llega al transistor
que al no llegar tensión a la base de éste, funciona como interruptor cerrado, y llegando
a la salida que invirtiéndolo saca un 1 ósea vcc.
La patilla 1 va directamente a tierra o común (GND).
La patilla 7 es la de descarga del condensador.
La patilla 3 es la salida.
La patilla 6 y 2 es el reset.
La patilla 8 y 4 es +VCC.
4.5.3 Circuitería Interna del NE555
La circuitería interna del 555, es la que se muestra en la (fig. 4.4).
♦ Transistores
T1 descarga el condensador que se colocará externamente.
T2 se encarga de resetear el flip-flop, poniéndolo a nivel alto independientemente de los
niveles de R y S.
♦ Etapa de salida
La etapa de salida suele tener la siguiente forma:
Vin=0, Vout=1
Vin=1, Vout=0
La patilla 5 "control" permite variar los niveles de comparación a valores distintos de los
fijados por el divisor de tensión, lo que aumenta la versatilidad del circuito. En caso de
no utilizar esta posibilidad es recomendable utilizar un condensador (valor típico: 0.01
uF) que aumenta la inmunidad al ruido y disminuye el rizado de las tensiones de
comparación.
4.5.4 Características generales del NE555
♦ Elevada estabilidad térmica: variación del orden de 0.005 por 100ºC.
♦ El 555 se alimenta entre +Vcc y masa (no +Vcc y -Vcc como estamos
acostumbrados). El margen de tensiones se sitúa entre 5V a 20V, lo que le permite
ser compatible con tecnología digital TTL, CMOS.
♦ Corriente de salida de hasta 200 mA tanto entregada como absorbida, lo que en
muchos casos hace necesario el uso de circuitos exteriores para excitar a la carga.
♦ Es un componente de rápida respuesta que puede trabajar a frecuencias mayores de
500 kHz. Con tiempo de subida y bajada del orden de 100 ns, independientemente de
la tensión de salida.
4.6.
Aplicaciones del NE555
4.6.1 El multivibrador astable con el NE555
A continuación, se muestra el circuito para que el 555 funcione en modo astable (ver fig.
4.5). Este tipo de funcionamiento se caracteriza por una salida con forma de onda
cuadrada (ver fig. 4..6) continua de ancho predefinido por el diseñador del circuito. El
esquema de conexión es el que se muestra. La señal de salida tiene un nivel alto por un
tiempo T1 y en un nivel bajo un tiempo T2. Los tiempos de duración dependen de los
valores de R1 y R2.
T1 = 0.693(R1+R2)C1 y T2 = 0.693 x R2 x C1
La frecuencia con que la señal de salida oscila está dada por la fórmula:
f = 1/(0.693 x C1 x (R1 + 2 x R2))
y el período es simplemente = 1 / f
Hay
que
recordar
que
el
período
es
el
tiempo
hasta que ésta se vuelve a repetir (Tb - Ta), ver gráfico.
que
dura
la
señal
Fig. 4.5 Conexión astable
Fig. 4.6 Salida del oscilador
Este circuito funciona solo aplicándole una +Vcc sin necesidad de ningún impulso.
Cuando se le aplique la alimentación el circuito en la salida va de nivel alto a nivel bajo
continuamente y con una frecuencia constante que le dan los componentes externos del
circuito.
Cuando se le aplica la tensión de alimentación la salida da primero nivel alto por que los
conectados juntos y en el punto donde están conectados la
tensión es inferior a 1/3 +Vcc y por lo tanto se activará el comparador inferior dando
nivel alto a la salida y permaneciendo TR14 en corte permitiendo la carga de C1 por
medio de las 2 resistencias. R1a, R1b y C1 están en serie formando un divisor de
tensión, la patilla 7 esta conectada entre las dos resistencias y los comparadores están
conectados entre R1b y C1 por lo tanto C1 sé ira cargando y al llegar a 2/3 de +Vcc y se
uperior y la salida cambiará de estado pasando a nivel bajo y
permanecerá en este estado hasta que el condensador descienda a 1/3 de +Vcc.
Al activarse anteriormente el comparador superior TR14 se comportará como un
interruptor cerrado y C1 podrá descargarse por
R1b por ello no se descarga
instantáneamente y por ello también es que al cargarse por medio de 2 resistencias y
descargarse por una sola está más tiempo cargándose que descargándose y esto se refleja
en la salida permaneciendo más tiempo a nivel alto que a nivel bajo. Así permanecerá
sucesivamente mientras tenga una tensión de alimentación.
4.7
El optoacoplador
El optoacoplador es un dispositivo que se compone de un diodo LED y un fototransistor,
de manera de que cuando el diodo LED emita luz, ésta ilumine el fototransistor y
conduzca. Estos dos elementos están acoplados de la forma más eficiente posible.
Es una fuente fotoemisiva, como un diodo emisor de luz, encapsulada con dispositivo
fotosensible, como un fototransistor, diseñado para responder a la radiación
(normalmente infrarroja) de la fuente. Esta combinación da una salida eléctrica que
depende de la entrada eléctrica, y pueda así acoplar dos circuitos. Sin embargo, no hay
conexión eléctrica entre la entrada y la salida del optoacoplador, por lo que este
dispositivo es útil cuando se necesita que los circuitos acoplados estén aislados
La corriente de salida IC (corriente de colector del fototransistor) es proporcional a la
corriente de entrada IF (corriente en el diodo LED). La relación entre estas dos
corrientes se llama "razón de transferencia de corriente" (CTR) y depende de la
temperatura ambiente. A mayor temperatura ambiente, la corriente de colector en el
fototransistor es mayor para la misma corriente IF (la corriente por el diodo LED).
Todos estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del
tipo DIP (ver fig.4.7).
Figura No. 4.7 Encapsulado y esquema funcional.
Se acaba de ver que la respuesta del semiconductor a la luz es una función de la energía,
luego lo es de la frecuencia. Usualmente, esta relación se expresa en función del
recíproco de la frecuencia, o sea, la longitud de onda. La Figura 4.8 ilustra un ejemplo
de esta respuesta. Según se discutió, tal relación debería ser simétrica, sin embargo,
algunos fenómenos de absorción no modelados aquí ocasionan la forma de la curva.
Figura 4.8. Efecto fotónico en un semiconductor.
La curva de la Figura 4.9 también puede alterarse mediante la adición de impurezas, de
electrones libres. Estas impurezas mueven o varían la forma de la curva de respuesta en
frecuencia.
Figura 4.9. Sensibilidad de un semiconductor en función de la longitud de onda de la
luz.
4.7.1. Operación del fotodiodo
El desempeño de conmutación del optoacoplador en este modo de operación es
generalmente medido con una resistencia de carga de 1 K. El tiempo de retardo son
determinados por los siguientes parámetros:
a) El tiempo de subida de la radiación desde el diodo luminiscente.
b) La capacitancia de unión del fotodiodo (la capacitancia del diodo depende de la
c) El valor de las resistencias de carga, que junto con la capacitancia del diodo
determina la constante de tiempo del circuito de salida.
Como esta aplicación sólo se usa si se requieren tiempos de conmutación pequeños, un
aumento significativo de la resistencia de carga no se usa en la práctica, de tal forma que
prevalezca el efecto de la capacitancia del fotodiodo y la capacitancia del circuito
subsecuente tan pequeñas como sea posible.
4.7.2. Operación del fototransistor
La figura muestra el circuito de la medición para determinar los tiempos de conmutación
en la operación del fototransistor. Básicamente, los argumentos dados para la operación
del fotodiodo también se aplican en este caso. Como el fototransistor puede visualizarse
como una combinación de un fotodiodo y un transistor NPN.
La capacitancia del fotodiodo está en paralelo con la unión base-colector y por lo tanto,
actúa como una capacitancia de Miller.
Con la tensión de colector Vb > 10 V usado en los circuitos de
medición, la
capacitancia es relativamente pequeña y la ganancia de voltaje del circuito de medición,
con una resistencia de carga RL = 100 ohmios es pequeña. La capacitancia de Miller
efectiva Cm se calcula como:
C = C (V +1)
M
CB U
En la práctica, una resistencia de carga de varios kilohmios se usan ampliamente, por lo
que la ganancia del circuito es 10 o 50 veces más grande que en el circuito de medición.
Además, el transistor se activa incluso hasta la saturación, pero con esto la tensión
colector-base son tan pequeños, la capacitancia del fotodiodo (igual a la capacitancia de
-base) sube más en un factor de 3 o 4, lo que incrementa más los
tiempos de subida y de bajada. Esto explica por qué las frecuencias de transmisión de 5
a 10 KHz se obtienen con circuitos relativamente sencillos.
4.7.3 Visión general de los optoacopladores
Los optoacopladores, también llamados aisladores fotónicamente acoplados, pares
fotoacoplados y pares ópticamente acoplados, tienen todas sus características eléctricas,
no tienen características ópticas externas, de aquí que los optoacopladores no pueden ser
considerados dispositivos optoelectrónicos, ellos son, de hecho los dispositivos
Un optoacoplador está formado por un LED, el cuál excita una etapa de salida
conformada por un fotoled que en algunos dispositivos maneja la base de un transistor.
La transmisión de la información se realiza mediante paquetes de energía o fotones que
atraviesan un medio traslúcido entre ambos.
La longitud de onda de la luz emitida por el LED es directamente proporcional al
voltaje a través de los terminales del mismo siempre y cuando este voltaje se encuentre
montado sobre una corriente DC suficiente para mantener el diodo polarizado
directamente. El fotoled reconstruye la información luminosa en una réplica exacta de
La principal necesidad de los optoacoples es el aislamiento. Los optoacoples no sólo
aíslan potencia sino también ruido y tienen varias ventajas sobre otros dispositivos que
realizan la misma tarea.
1. Pueden reemplazar interruptores y relés dando velocidades de conmutación mucho
más rápidas, con eliminación de rebotes mejor confiabilidad y mejor aislamiento
eléctrico salvo en configuraciones especiales.
2. Pueden reemplazar transformadores de pulso en aplicaciones de punto flotante. Los
opto acopladores pueden transmitir DC y AC de muy baja frecuencia, mientras que
los transformadores de pulso solamente acoplan los componentes de la señal de
entrada de alta frecuencia y se requiere de seguros (latches) para reconstruir la
información DC.
3. En la transmisión de información digital en presencia de ruido de modo común. En
algunas situaciones en la práctica donde el ruido de modo común puede alcanzar los
varios cientos de voltios cuando su valor típico es de 30V, los optoacopladores
pueden llegar a proveer protección incluso sobre los miles de voltios.
La siguiente (figura 4.10) ilustra las principales ventajas y desventajas de los
optoacopladores y puede proveer al diseñador de información útil sobre la escogencia
de qué tecnología a utilizar a la hora de imple
Dispositivo
Optoacoplador
Ventajas
Desventajas
Económico
Resistencia de encendido y
Confiabilidad de estado sólido
de apagado finitas
Velocidad de transmisión de media a (Limitación de el ciclo de
alta
trabajo)
Transmisión DC y de baja frecuencia Baja eficiencia de
Alto aislamiento de voltaje
transmisión CTR
Alta impedancia de aislamiento
Tamaño pequeño del encapsulado
Eliminación de rebotes
Bajo consumo de potencia
Relé
Alta capacidad en potencia
Alto costo
Ciclo de trabajo hasta el 99%
Alto consumo de potencia
Transmisión DC
Poco confiable
Alto aislamiento de voltaje
Operación muy lenta
Físicamente grande
Transformador de Alta velocidad de transmisión
Pulso
Controladores de
No puede transmitir DC
Tamaño moderado
Costoso para lograr alta
Buena eficiencia de transmisión
impedancia de aislamiento
Confiabilidad
o voltaje.
Tamaño pequeño
Muy bajo voltaje de
línea y receptores Alta velocidad de transmisión
quiebra
Transmisión DC
Baja impedancia de
Bajo costo
aislamiento
Fig. 4. 10. Tabla propiedades de los dispositivos de acoplamiento de señal.
4.8
Componentes externos empleados para realizar el circuito
♦ Diodo zener
Tienen la misma función que los diodos normales, con la salvedad de que vienen
construidos de manera que a partir una tensión determinada (2V7 á 2.7 Voltios) dejan
pasar la corriente en cualquier dirección. Estos diodos se utilizan para regular la tensión
l otro lado a tierra. También llevan dibujada una línea en
uno de sus lados para indicar la posición en la que tienen que ir colocados.
Se prepara una unión PN de modo que trabaje en polarización inversa, se encuentra con
que a partir de una cierta intensidad la caída de tensión es constante.
Así pues un diodo zener deberá polarizarse siempre inversamente, esto es, con el
-) del diodo.
No se diferencia de los diodos rectificadores más que por su tamaño que es más
La tensión de zener (Vz) depende de la construcción del componente, así se pueden
encontrar zeners en el mercado de diversas tensiones, desde 0,7V hasta 100V sin ningún
tipo de escala de valores normalizados.
♦ Diodo LED
Un tipo muy particular de unión PN preparada de tal manera que al circular una
intensidad desprende energía luminosa; a estos diodos se les denomina diodos emisores
de luz o LED abreviadamente.
Se polarizan directamente, de ánodo a cátodo. Soporta tensiones inversas medias y es
posible modularlo en frecuencia. En la mayoría de los casos, la caída de tensión en el
diodo led suele oscilar entre 1.7V y 2.2V, sugiriéndose intensidad de funcionamiento del
orden de los 10mA.
♦ Diodos
Los diodos valen para que la corriente solo pueda circular en un sentido. Llevan
dibujada una línea en uno de sus lados para indicar la posición en la que tienen que ir
colocados.
♦ Resistencias
Se suelen utilizar para provocar una caída de tensión en una línea y para reducir la
corriente de la misma. Contra mayor sea el valor de la misma, menos corriente circulará
por el circuito. Su valor viene dado en ohmios o en kilohmios ( k= 1000) (por ejemplo.
4,7k = 4k7 = 4700 ohmios). No tienen una posición, o sea que es indiferente que la
pongas hacia un lado o hacia otro
♦ Condensadores
Se usan principalmente para estabilizar la tensión en un circuito, así como a su vez,
eliminar las interferencias que se puedan ocasionar por elementos ajenos a la placa
Existen dos tipos distintos:
Electrolitos: Tienen polaridad, o sea que sólo se pueden poner de una manera. Lleva él
negativo marcado encima de la patilla con un (0) o un (-). La patilla más corta es
siempre el negativo.
Cerámicos: No tienen polaridad, es decir, que puede colocarlo en cualquier posición
♦ Regulador de tensión (78L12)
Sirve para disminuir y mantener así la tensión a 12 Voltios para alimentar el chip.
Básicamente se utilizan estos dos encapsulados: TO-92, de menor tamaño, proporciona
una corriente máxima de 0.5 amperios, y TO-220, algo más grandes y que puede
proporcionar hasta una corriente de 1 amperio.
De todos modos se dice que la letra L que lleva intercalada en la denominación 78L12,
indica ya de por sí que es el encapsulado TO-92 y con la propiedad mencionada
anteriormente.
♦ Transistores
El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser de
germanio o silicio.
Existen dos tipos transistores: el PNP (figura 4.11) y el NPN (figura 4.12), y la dirección
del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el gráfico de cada
tipo de transistor.
Hay dos tipos de Transistores Bipolares:
Fig. 4.11 transistor PNP
Fig. 4.12 transistor NPN
El transistor es un dispositivo de 3 patillas con los siguientes nombres: base (B), colector
(C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el
gráfico de transistor.
El transistor es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una
cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor), una
cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación. Este factor se llama b
(beta) y es un dato propio de cada transistor.
Entonces:
Ic (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a b (factor de amplificación) por Ib
(corriente que pasa por la patilla base).
Ic = â * Ib
Ie (corriente que pasa por la patilla emisor) es del mismo valor que Ic, sólo que, la
corriente en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de él, o viceversa.
Según la fórmula anterior las corrientes no dependen del voltaje que alimenta el circuito
(Vcc), pero en la realidad si lo hace y la corriente Ib cambia ligeramente cuando se
cambia Vcc.
Ver figura.
Fig. 4.13 Curva del transistor
Fig. 4.14 Región de corte del transistor
En el segundo gráfico las corrientes de base (Ib) son ejemplos para poder entender que a
más corriente la curva es más alta.
Regiones operativas del transistor
♦ Región de corte: Un transistor esta en corte cuando:
corriente de colector = corriente de emisor = 0, (Ic = Ie = 0)
En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de
ver Ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib
=0)
♦ Región de saturación: Un transistor está saturado cuando:
corriente de colector = corriente de emisor = corriente máxima, (
)
En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito
y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos, ver ley de Ohm.
Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es lo suficientemente
grande como para inducir una corriente de colector â veces más grande. (recordar que Ic
= â * Ib).
♦ Región activa: Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la
región de corte entonces está en una región intermedia, la región activa. En esta
región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base
(Ib), de â (ganancia de corriente de un amplificador, es un dato del fabricante) y de
las resistencias que hayan conectadas en el colector y emisor). Esta región es la más
importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador.
Configuraciones
Hay tres tipos de configuraciones típicas en los amplificadores con transistores, cada una
de ellas con características especiales que las hacen mejor para cierto tipo de aplicación.
Y se dice que el transistor no está conduciendo. Normalmente este caso se presenta
cuando no hay corriente de base (Ib = 0).
♦ Emisor común
♦ Colector común
♦ Base común
Nota: corriente de colector y corriente de emisor no son exactamente iguales, pero se
toman como tal, debido a la pequeña diferencia que existe entre ellas, y que no afecta en
casi nada a los circuitos hechos con transistores.
4.9
Circuitos combinacionales
Los circuitos combinacionales generan un estado en sus salidas que es una combinación
entradas presentes en ese momento, en el momento que cambie la entrada,
la salida cambia al correspondiente estado de salida.
Se describen en esta lección los circuitos combinacionales más usados con referencias a
los circuitos integrados correspondientes y ejemplos de aplicación.
4.9.1 Compuertas lógicas
Son circuitos que generan voltajes de salida en función de la combinación de entrada
correspondientes a las Funciones Lógicas, en este curso se usa la analogía llamada
lógica positiva en la cual alto (H) corresponde a Verdadero y bajo (L) corresponde a
Falso.
4.9.2 Compuerta NAND
La compuerta NAND, es un dispositivo lógico que opera de forma exactamente
contraria a una compuerta AND, entregando una salida baja cuando todas sus entradas
son altas y una salida alta mientras exista por lo menos un bajo en cualquiera de ellas.
Observar que le símbolo NAND (ver figura 4.15) es el símbolo AND con un pequeño
circulo a la salida.
Fig.4.15 Símbolo lógico de la compuerta NAND.
La tabla de verdad describe la operación exacta de la compuerta lógica, observe como
sus salidas son las inversas a las salidas de la compuerta AND. Como se muestra en la
siguiente figura.
X
Y
Salida
0
0
1
0
1
1
1
1
1
1
1
0
Figura 4.16 Tabla de verdad de una compuerta NAND de 2 entradas.
4.10
Conmutador
El cuerpo del conmutador es de tipo modular, utiliza secciones o cajas de contactos
compartimentadas de urea, lo cual asegura un óptimo aislamiento eléctrico entre
contactos. Requiere de un mínimo de espacio
y
ofrece gran facilidad para su
alambrado. En la primera unidad de cada conmutador se encuentra la caja del
mecanismo, la cual posiciona el dispositivo rotatorio.
La forma de operación consiste en una transmisión mecánica integrada por una flecha
principal de acero, de sección cuadrada de 6.35 mm (1/4 de pulgada), engrane y levas de
Derlin, acopladas entre sí, y manija de accionamiento.
4.10.1 Contactos
Los portacontactos fijos y móviles son de latón de alta conductividad y alta resistencia
mecánica. Los contactos son pastillas de plata (90% Ag. 10% CdO), remachados a los
portacontactos.
La ventaja que brindan los contactos de plata es su alta conductividad, ya que presentan
una excepcional resistencia eléctrica baja, aun después de interrumpir altas corrientes y,
por lo tanto, cumplen con las especificaciones para conmutadores de medición y control,
relevadores y contactos auxiliares. Estos contactos son de doble ruptura.
Una buena presión de contactos se aseguran por medio de resortes cónicos de
compresión de acero inoxidable, que no conducen corriente y proveen autolimpieza de
los contactos, eliminando acumulación de polvo en sus superficies.
CAPÍTULO V
DESARROLLO DEL
PROYECTO
5.1
Descripción del sistema
En este proyecto se desarrolla un circuito electrónico diseñado para operar y mover el
giro de un conmutador de 360º en cuatro posiciones, a 90º cada una, las cuales deberán
posicionarse automáticamente de acuerdo al requerimiento del cliente. Por mencionar un
ejemplo.
Al inicio del ciclo, en la posición uno estará abierto el primer contacto y los otros tres
contactos estarán cerrados. Si se elige la posición dos, el conmutador solamente dará un
impulso y al girar se coloca en la posición señalada y el contacto se abrirá y dejará de
mandar impulsos, en ese momento quedaría abierta la posición dos y cerrados
las
posiciones uno, tres y cuatro.
Si se elige la posición cuatro dará tantos impulsos hasta llegar y colocarse en la posición
cuatro y en ese momento se abriría en contacto de esta posición y deja de mandar
impulsos, y los contactos uno, dos y tres estarían cerrados.
Para adquirir el movimiento y control de los movimientos se ha implementado un
circuito electrónico, con un temporizador conectado como astable que permita mandar
la señal de los pulsos a un optoacoplador a través de los cuatro hilos las cuales son sus
posiciones.
5.2
Cálculos
5.2.1 Fuente de alimentación a 12 V
Una vez descrito el sistema, primeramente se tuvo que construir una fuente de tensión a
una salida de 12 V. Para realizar esta fuente se calculó el valor de la resistencia de 7 KΩ,
que reduce la tensión (115VCD) de alimentación lo suficiente para sometarla a un
regulador de tensión LM7812. Posteriormente se calculó la potencia, para así evitar el
sobrecalentamiento de la resistencia.
El valor de la resistencia se calculó de la siguiente manera:
115 -----------14 mA
20 V -------- R?
Despejando:
R = 115 V*20 V / 14 mA
R = 164 K
La potencia se obtuvo con la fórmula siguiente:
P = V.I
P = 115 V*0.014
P= 1.61 Watt
Nota: Debido a que los cálculos obtenidos en los valores de la resistencia no daban el
valor adecuado, se realizó de manera manual; es decir, aumentándole o quitándole el
valor de la resistencia, para obtener los 7K que se requerían para reducir la tensión.
5.2.2 Circuitería para el Temporizador
La empresa proporcionó el diagrama de conexión ya elaborado, al cual solo se le
modificaron algunos valores en los componentes para que operara eficientemente.
5.3 Diseños preliminares
Cabe mencionar que los diseños preliminares de la fuente de alimentación y del circuito
electrónico (temporizador) se realizaron por separado, y se les hicieron pruebas para
detectar y obtener el correcto comportamiento de cada circuito, para modificarlos en
caso de requerirlo alguno de los valores en los componentes.
5.3.1 Fuente
Se diseñó como todas las fuentes típicas de 12 V. Pero para los fines que se requieren se
modificó la entrada, ya que sólo va con una resistencia que sirve para reducir la tensión
y puede enviarla al regulador LM7812.
Una vez
armada se envía la tensión la salida al circuito electrónico, que es el
temporizador así como a la compuerta NAND (CD4011); y los 115 V, que llegan antes
de la resistencia, se enviarán a la carga del circuito RL, que en este caso es el solenoide
del conmutador.
5.3.2 Circuito electrónico (temporizador)
Para poder manejar y realizar la serie de oscilaciones que se requieren para mover los
contactos del conmutador, es necesario aislar la tensión alta (115 VCD) que alimentará
al MOSFET (IRF640) de la tensión que alimentara el control electrónico (12VCD), que
en este caso es el temporizador.
Para poder realizar las series de oscilaciones mencionadas se requiere el desarrollo con
un temporizador (NE555), conectado como astable, ya que permite mandar los pulsos
en forma onda de cuadrada consecutivos, que servirán para enviar los pulsos a un
optoacoplador (4N28), para que éste de manera automática los envíe a unos transistores
(BC547 y BC557) conectados con la configuración emisor común, los cuales detectan la
un nivel alto o bajo de tensión y tienen básicamente dos funciones: como amplificador
de señal y como conmutador de señal. Enseguida se les conectan una resistencia de
47KΩ y un diodo zener para regular la tensión a 15 V, esto evita que la tensión que le
llega al IRF640 (115VCD) no vaya a pasar a los transistores y los dañe. Una vez
obtenidas las oscilaciones son enviadas al MOSFET (IRF640). Este a su vez manda la
señal a la bobina del conmutador, el cual comenzará a girar una vez que el usuario le
Fig. 5.1 Primer Diseño preliminar del temporizador.
5.4
Pruebas de funcionamiento
5..4.1 Fuente de alimentación.
Primeramente se montaron los componentes en una tablilla perforada y se soldaron los
componentes respectivos. Para la prueba de la fuente (una vez calculada la resistencia)
no hubo ningún inconveniente. Ya suministrada la carga, la fuente operó eficientemente.
Posteriormente, se procedió a realizar el circuito impreso (PCB).
5.4.2 Circuito electrónico (temporizador)
Las pruebas de este circuito temporizador se hicieron primero, en un protoboard antes
de realizar el PCB (circuito impreso), esto para poder modificar si así se requería. Una
vez armado el circuito, en las primeras pruebas se detectó que no operaba correctamente
ya que sólo estaba mandando un pulso a la salida; en consecuencia, la bobina del
conmutador se trababa, detectando el problema. Para poder corregir la salida, se tuvo
que invertir la señal. Se conecto una compuerta NAND (CD4011) y se le adaptó otro
optoacolador esto con el fin de enviar el pulso que está haciendo falta para que la bobina
del conmutador ya no se trabara. La forma de la conexión de la compuerta se realizó de
la siguiente forma:
♦ De la pata 3 del NE555 se envió la señal a la pata 1 de la compuerta.
♦ De la pata 2 de la compuerta se envió a la pata 4 del optoacoplador adaptado (U6) y
una resistencia de 47K conectada a tierra.
♦ De la pata 3 de la compuerta con una resistencia de 10K se envió a la pata 1 del
optoacoplador (U5).
♦ De la pata 1 ánodo del optoacoplador (U6) va una resistencia de 100K, ya que se
alimenta con 115 V provenientes del conmutador.
♦ La pata 2 del optoacoplador (U6) va a tierra.
♦ La pata 5 del optoacoplador (U6) va a 12 V.
Fig. 5.2 Anexo de la compuerta NAND al circuito.
* Para observar el esquemático pasar al anexo A1.
Posteriormente se envían las oscilaciones a los transistores para que éstos detecten
cuándo les llega tensión y obtener los niveles altos o bajos requeridos, y así mandar las
oscilaciones al MOSFET (IRF640) para que pueda oscilar la bobina del conmutador, y
éste a su vez ya no se trabe una vez indicada su posición.
Ya una vez adjuntados los componentes adaptados al modulo electrónico, se procedió a
realizarle una serie de pruebas al conmutador indicándole varias posiciones y
verificando que efectivamente las realizará.
Una vez ya probado se procedió a realizar la tarjeta impresa. Para mayor comodidad y
ahorro de espacio se diseñaron la fuente y el circuito temporizador en una sola tarjeta
impresa.
5.5
Creación del PCB en OrCAD 9.0
En esta sección detallaremos los pasos a seguir para construir la placa.
1. - Preparación del revelado
Para el revelado se usó un recipiente pequeño. Para realizar la mezcla de sericrom
aproximadamente 10 Cm/LL se transporta hacia un cuarto oscuro para mezclarlo con
2.5 cm /LL de bicromato ya que si le da una luz más clara ya no sirve dicha mezcla.
Esta mezcla se le pone a una malla hasta que se cubre por completo y se pone a secar,
posteriormente se colocan los negativos en un vidrio, se le suministra una luz con una
lámpara de alógeno. Para el revelado se requieren 2 minutos, a fin de que se puedan
copiar perfectamente las caras de los circuitos.
Por último se le pone agua a presión, para que se vaya removiendo la mezcla de las
partes dónde no le entró la luz y así se vayan marcando dónde van las pistas y
componentes a emplear en la placa. Una vez obtenidas las pistas se deja secar la malla.
2. - Creación de la placa
Para la creación de la placa se lija un poco la placa fenólica donde se va a pasar el
circuito. Se le pone la malla por encima con la cara que se desea imprimir, en este caso:
primero la cara llamada Bot, que es la cara inferior del circuito de las pistas; enseguida,
con una pintura llamada policat color negra se le da un reserazo para que se calque la
figura en la placa. Luego se hornea por 10 minutos a 100ºC, para un secado más rápido.
Posteriormente se mete al ácido, y así queda impresa la cara de la placa. Se le hacen
unas guías de (5 a 9) para traspasar la otra cara en este caso Top; ésta es la cara superior
donde van a ir los componentes ensamblados. Para su calcado se repite el proceso
anterior. Ya una vez realizados estos pasos se le remueve la capa del policat negro con
acondicionador P1200.
3- Taladrado
Primero se marca el centro de los círculos con un punzón o una punta y un martillo;
después se taladran con una broca de 0.7mm. Algunos componentes, se taladran con
broca de 1mm.
4- Pintado
La placa de los circuitos se lijó por ambos lados. Se pinto con antisoldante verde y se
horneó para un secado más rápido, Posteriormente sobre la cara llamada Top se
imprimió el croquis que indica el lugar donde deben ir colocados los componentes.
5.6
Vista de la placa impresa
Fig. 5.3 Circuito impreso del temporizador
y fuente a 12 V.
Fig. 5.5 Presentación previa del temporizador
y fuente.
Fig. 5.4 Circuito impreso modificado del
temporizador y fuente a 12 V.
Fig. 5.6 Presentación final del
temporizador y fuente.
CAPÍTULO VI
EVALUACIÓN
ECONÓMICA
6.1
Evaluación económica
Por lo que respecta a la cotización de este proyecto, puede observase en la tabla 6.1 que
no es muy costoso, y aun cuando se emplea material de buena calidad y exactitud. La
tabla muestra con detalle la inversión que se hizo para la puesta en marcha del prototipo.
Conmutador de 4 posiciones a 90º (Voltamp)
Cantidad
Material
Precio
1
Regulador LM 7812
$ 7.00
1
MOSFET IRF640
$ 10.00
1
NE555
$ 4.00
2
Optoacopladores 4N28
$ 8.00
3
Resistencias 47K +-5%
$0.75
2
Resistencias 100K +-1%
$0.50
4
Resistencias 10K +-1%
$ 1.00
1
Capacitor de 1000uF
$ 3.00
1
Capacitor de 100uF
$ 3.00
1
Capacitor de 0.1uF
$ 1.00
1
Capacitor 0.47uF
$ 4.00
2
Disipadores
$ 7.00
1
Trimpot 20K
$ 10.00
1
BC547
$ 2.00
1
BC557
$ 2.00
1
Diodo IN4001
$ 1.00
1
Compuerta CD4511
1
Placa fenólica
Total
$ 7.00
$ 24.00
$ 95.25
Tabla 6.1 Evaluación económica.
CAPÍTULO VII
RESULTADOS
7.1
Resultados obtenidos
El presente proyecto se logró concluir satisfactoriamente. El avance se puede valorar
como bueno, tomando en cuenta que se logró concluir con los circuitos que a
continuación se mencionan.
Circuitos (fuente y temporizador)
Fuente: El avance en el diseño y desarrollo de este fue del 100 %, ya que en las pruebas
realizadas previamente en el protoboard se demostraron los resultados esperados.
Posteriormente se llevó a cabo
el
montaje en el circuito impreso (PCB) y sus
correspondientes pruebas finales, para verificar su comportamiento en la tensión salida.
Temporizador:
Este circuito se concluyó
también satisfactoriamente, pues se
obtuvieron los resultados esperados en el funcionamiento del sistema electrónico
durante las pruebas en el protaboard. Además se hizo el montaje en circuito impreso
(PCB) en el programa OrCAD 9.0. Por otra parte se realizaron las pruebas finales para
verificar el comportamiento final de las oscilaciones del circuito temporizador. Luego se
le conecto el conmutador para realizarle las pruebas y verificar que las posiciones que le
solicitaba el usuario las diera, para finalizar se comprobó su correcto funcionamiento.
En cuanto a los resultados económicos, se cotizó en $95.25 para la construcción y
armado de la tarjeta lo cual es un costo aceptable. En cuanto a la venta de la tarjeta,
fue adquirida en $ 1,000.00 por la empresa Voltamp distribuidora de conmutadores.
CONCLUSIONES
El proyecto de diseñar un sistema para determinar en forma automática las posiciones
operación y control en un conmutador de 4 posiciones a
90º; se realizó
satisfactoriamente.
Ahora bien, la ejecución del mismo también ha servido para ampliar y aplicar los
conocimientos adquiridos en la UTEQ sobre la electrónica. Con esta experiencia se han
reforzado conocimientos y habilidades, y se han adquirido otros.
Con la propuesta de este proyecto innovador se demuestra que se pueden elaborar
prototipos inexistentes en el mercado, lo cual ha significado para mí una grata
experiencia alentadora y una nueva motivación para la superación personal y
profesional.
Cabe mencionar que no se logro concluir el proyecto en el tiempo establecido, ya que
en las pruebas se fue modificando el circuito lo cual demoró
producto.
la construcción del