Tesina Timbre Automatico Programable

Introducción Antecedentes

El timbre automático programable se define como un reloj digital capaz de ser programado con varias alarmas según sea requerido.

En el mercado existen ya bastantes tipos de relojes que tienen esta función incluso otro tipo de aparatos que pueden hacer exactamente lo mismo como son los PLC que son procesadores lógico programables que son utilizados en la industria para controlar todo tipo de procesos mediante programación con un software especifico de cada marca o tipo de PLC.

El timbre automático programable es un una combinación de un aparato sencillo con una aplicación útil.

La idea nació después de fijarnos que en muchos lugares es necesario un timbre para indicar el inicio o el final de algo, para esto buscamos circuitos que nos pudieran servir como el diseño del timer, los contadores, los codificadores, la fuente de alimentación, la visualización y la señalización de las alarmas que en este caso será un timbre.

Los beneficios de nuestro proyecto es que al ser un timbre automático es capaz de realizar este trabajo sin errores como son el timbrar antes o después de tiempo y evitar el olvidar ir hasta donde esta el interruptor para activarlo, haciendo esto algo simple pues solo tienes que conectarlo una vez y el reloj iniciara el conteo y cada que termine un día completo se reinicia y vuelve a contar desde cero.

Existen algunas cosas que nos gustaría mejorar como la estética ya que la caja donde lo acomodamos es muy grande para la circuitería y seria mejor alguna más pequeña en cuanto al diseño ya todo esta como debe para trabajar correctamente.

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Planteamiento

En las escuelas existen muchos factores que influyen en la falta de coordinación y esto lleva a una pérdida de tiempo, el proyecto trata de facilitar un poco uno de ellos que tal vez no sea para muchos algo muy importante pero en ocasiones provoca grandes problemas. Con el timbre automático que diseñamos se quitan de la lista muchísimos de estos factores como, son el tener que poner a un encargado de ir cada vez a timbrar, o en ocasiones puede tener errores como hacerlo antes o después de la hora correcta o simplemente no hacerlo etc., pues al contar con un timer que se encarga de hacer un conteo exacto segundo por segundo es casi improbable que ocurra algún problema, así solo se tiene que esperar para escuchar el timbre que ya estará previamente programado para cada cambio de hora y para el inicio o el fin de los recesos y la hora de salida de cada grado, pero aunque todo esto se escuche muy bien el circuito tiene algunos inconvenientes como son el alto costo de los componentes que en él se utilizan así como el numero de estos y algo más que para algunos pudiera ser importante, que es que una vez programadas las diferentes alarmas ya no se pueden cambiar con facilidad y tal vez no cualquiera lo haría pues se programan en números binarios directamente en las compuertas con las que se hacen las operaciones digitales del conteo, esa sería la única mejora que a mí me gustaría hacer para facilitar la programación de los timbrados con otros componentes externos y en numeración decimal para que cualquiera que quiera pueda programarlo según sean sus necesidades. En conclusión puedo decir que el proyecto solo elimina el timbrado de forma manual y lo hace un poco más cómodo convirtiéndolo en algo automatizado.

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Objetivo general

La intención de nuestro proyecto es convencer al publico general de que es un aparato muy versátil que no solo puede ser utilizado como un simple reloj sino también como un aparato capaz de manipular distintas aplicaciones ya sea el motor de un ventilador, la bomba que llena el tinaco desde el aljibe o la que se encarga de regar el césped, o como el control de las luces de un hogar.

Objetivo especifico

En muchos lugares surge la necesidad de un timbre para avisar el comienzo o el fin de algo, con este proyecto es posible satisfacer esto, pues al configurar correctamente algunas combinaciones se obtienen las alarmas a las horas deseadas.

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Justificación

Este proyecto lo realizamos en gran parte para respaldar los conocimientos adquiridos durante todo el bachillerato técnico y para recibir el título de técnico en electrónica, con el comprobamos que el aprovechamiento de la electrónica digital y la electrónica de potencia son muy útiles en el manejo de otros componentes u otras aplicaciones. El trabajo que realizamos con el diseño de este proyecto fue básicamente hacer una mejora en el molesto timbrado manual haciéndolo algo automatizado y con bajo margen de error para tener más seguridad y confiabilidad en los cambios de hora, en el inicio o el fin de cada receso o para el timbre que avisa que la jornada ha terminado, pues en distintas escuelas aun se usa el tener a un encargado de tener que ir a timbrar y en ocasiones esto puede provocar problemas de organización o de pérdida de tiempo por variaciones en los tiempos que hay entre cada timbre. En esta tesina se encuentra el análisis y la comprensión de todos los componentes que conforman el circuito del proyecto así como el comportamiento de cada uno de ellos dentro y fuera del circuito y sus funciones básicas y se explica la razón por la que dichos componentes fueron utilizados.

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Capítulo I Aquí se hablara de las dos partes fundamentales del proyecto, que son el reloj y el timbre eléctrico.

1.1 Historia del reloj

El mecanismo interior de un reloj mecánico es una máquina de precisión de suma complejidad. Se denomina reloj a un instrumento que permite medir el tiempo. Existen diversos tipos, que se adecuan según el propósito: •

Conocer la hora actual (reloj de pulso, reloj de bolsillo, reloj de salón o pared)

•

Medir la duración de un suceso (cronómetro, reloj de arena)

•

Señalar las horas por sonidos parecidos a campanadas o pitidos (reloj de péndulo, reloj de pulso con bip a cada hora)

Activar una alarma en cierta hora específica (reloj despertador) Los relojes se utilizan desde la antigüedad. A medida que ha ido evolucionando la ciencia y la tecnología de su fabricación, han ido apareciendo nuevos modelos con mayor precisión, mejor prestancia y menor coste de fabricación. Es quizá uno de los instrumentos más populares que existen actualmente y casi todas las personas disponen de uno o varios relojes personales de pulsera. Mucha gente, además de la utilidad que los caracteriza, los ostenta como símbolo de distinción, por lo que hay marcas de relojes muy finos y lujosos. Asimismo, en los hogares hay varios y diferentes tipos de relojes; muchos electrodomésticos incorporan relojes digitales y en cada computadora hay un reloj. El reloj es un instrumento omnipresente en la vida actual, debido a la

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importancia que se da al tiempo en las sociedades modernas. Sin embargo, las personas que viven en las comunidades rurales, lejos del ruido de la vida moderna, pueden darse el lujo de omitir el uso de este instrumento debido a que no tienen prisa en su modo de vida. Aun las personas que viven en las grandes ciudades industriales, podrían omitir el uso del reloj cuando ya tienen un esquema de actividades en pleno dominio o bien cuando su vida ya no requiere los tiempos precisos de estar en determinados lugares. La mayor precisión conseguida hasta ahora es la del último reloj atómico desarrollado por la Oficina Nacional de Normalización (NIST) de los EE.UU., el NIST-F1, puesto en marcha en 1999, es tan exacto que tiene un margen de error de solo un segundo cada 30 millones de años.

1.2 Funciones básicas de un reloj. La más importante y esencial de las funciones de un reloj común es proporcionar la hora actual, que debe ser la misma para todas las personas que viven en la misma zona horaria. Por convenio, el día se divide en veinticuatro horas. Existen dos modos de leer la hora actual: 1º: Por 24 horas, es decir, desde las 0:00 horas (12 de la noche en el otro empleo horario) hasta las 23:59 horas. Aquí, cuando pasa el minuto de las 12:59 del día, continúa a las 13:00 horas en lugar de ir a la 1 de la tarde o P.M. Este empleo horario considera el día como una unidad completa de tiempo. Es el más elegante pero menos comprensible para la mayoría. 2º: El empleo horario más utilizado considera el día dividido en dos partes iguales de 12 horas cada una. Es menos elegante que el de 24 horas pero más comprensible para la mayoría de las personas: Desde las 12 de la noche hasta las 11:59 de la mañana: A.M. (ante meridiem, antes del mediodía). P.M. (post meridiem, después del mediodía) desde las 12 del mediodía hasta las 11:59 de la noche.

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Cada hora comprende sesenta minutos y cada minuto comprende sesenta segundos. El segundo es la unidad básica de tiempo y se mide igual en todo el mundo, es decir, no existen diferentes unidades de tiempo en diversas regiones. Un reloj normal marca siempre la hora y los minutos, en algunos casos los segundos. Los relojes despertadores incorporan, muchos de ellos, un sintonizador de radio y permite escuchar la radio y marcar el tiempo, asimismo hay diferentes tipos de alarma. Los relojes que están en espacios abiertos, suelen marcar el tiempo y muchos de ellos también marcan la temperatura ambiente. Los relojes de campanarios o torres tienen diferentes melodías para marcar las horas.

1.3 Tipos de relojes. Hay una gran variedad de tipos diferentes de relojes, según sean sus aplicaciones, actualmente los relojes personales son electrónicos, ya sean analógicos1 o digitales2, que funcionan con una pequeña pila eléctrica que mediante impulsos hace girar las agujas de los relojes analógicos o marca los números de los relojes digitales.

1.3.1 Reloj de arena. Los antiguos conocieron varias especies de relojes. Vitrubio habla del reloj de agua o clepsidra, del de aire, del de sol y de otras especies que nos son desconocidas. Los egipcios medían con la clepsidra los movimientos del sol y de igual medio se valía el ilustre astrónomo Tycho Brahe para sus observaciones. Las clepsidras y los relojes de sol fueron inventados en Egipto en tiempos de los Ptolomeos; las clepsidras fueron después perfeccionadas por Escipión Nasica o según otros por Ctesibo y los oradores romanos medían con ellas la duración de sus discursos.

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Se cree que los grandes relojes de pesas y ruedas fueron inventados en Occidente por el monje benedictino Gerberto (Papa, con el nombre de Silvestre II, hacia finales del siglo X) aunque ya con alguna anterioridad se conocían en el Imperio bizantino. Según otras fuentes, el primer reloj de que habla la historia construido sobre principios de mecánica es el de Richard Wasigford, abad de San Albano, en Inglaterra, que vivió hacia el 1326 pues al parecer la invención de Gerberto, después Silvestre II, papa, no era más que un reloj de sol. El segundo es el que Santiago Dondis mandó construir en Padua hacia el 1344 y en el cual según refieren se veía el curso del sol y de los planetas. El tercero fue el que había en el Louvre de París mandado traer de Alemania por el rey Carlos V de Francia. El antepasado directo de estas calculadoras podría ser el complejo mecanismo de Anticitera, datado entre el 150 y el 100 a. C. En España, el primer reloj de torre fue el de la catedral de Barcelona llamado seny de les hores, de 1393. El de Sevilla data de 1396. El primero que imaginó construir relojes de bolsillo fue Pedro Bell de Núremberg, en donde les vino por su figura el nombre de huevos de Nuremberg. En 1647, aplicó Christiaan Huygens a los relojes de torre o de pared el péndulo cuyo descubrimiento se debe a Galileo. Huygens dividió la hora en 60 minutos y éstos en 60 segundos. El mismo físico aplicó en 1665 el muelle de espiral a los relojes de bolsillo. En 1647, el ginebrino Gruet, residente en Londres aplicó al reloj la cadenilla de acero que sirve para transmitir el movimiento del tambor al cono sustituyéndola a las cuerdas de vihuela empleadas hasta entonces. Dos años después se inventaron los relojes de repetición. 1.3.2 Relojes de pulsera Al principio, sólo los llevaban las mujeres, hasta la Primera Guerra Mundial (1914-1918), en que se hicieron populares entre los hombres de las trincheras. Los relojes de pulsera vienen todos con dos correas ajustables que se colocan en alguna de las muñecas para su lectura. Son de tipo analógico y digital.

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Aunque la carátula de la mayoría de ellos es generalmente redonda, también existen de carátula cuadrada, hexagonal y hasta pentagonal. 1.3.3 En los relojes analógicos (de variable continua) la hora se indica en la carátula mediante dos o tres manecillas: una corta para la hora, una larga para los minutos y, opcionalmente, una tercera manecilla también larga que marca los segundos. En los relojes digitales (de variable discreta) se lee la hora directamente en números sobre la pantalla. También existen relojes mixtos, es decir, analógicos y digitales en la misma carátula. Los relojes calendarios son relojes digitales que marcan el año en vigor, el mes, el día de la semana, la hora, los minutos e incluso los segundos. 1.3.4 El reloj de sol es un instrumento usado desde tiempos muy remotos con el fin de medir el paso de las horas, minutos y segundos (tiempo). En castellano se le denomina también cuadrante solar. Emplea la sombra arrojada por un gnomon o estilo sobre una superficie con una escala para indicar la posición del Sol en el movimiento diurno. Según la disposición del gnomon y de la forma de la escala se puede medir diferentes tipos de tiempo, siendo el más habitual el tiempo solar aparente. La ciencia encargada de elaborar teorías y reunir conocimiento sobre los relojes de sol se denomina gnomónica. 1.3.5 Los cronómetros son relojes muy precisos (normalmente hasta las milésimas de segundo) utilizados para medir intervalos de tiempo, por ejemplo en pruebas deportivas o en experimentos científicos. En alta relojería se refiere a instrumentos de precisión certificados por el COSC3 1.3.6 Relojes de torres y campanarios Antes de inventarse los relojes personales de pulsera y de bolsillo se inventaron relojes muy grandes de mecanismos complicados y pesados que se colocaban en lo alto de las torres y campanarios de los pueblos y ciudades para que los ciudadanos tuviesen conocimiento de la hora del día. A estos Ver glosario pag54

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relojes se les conectaba a una campana grande y sonora y es la que iba indicando con un toque peculiar las horas y cuartos de hora cuando se iban cumpliendo. A lo largo de los años hay relojes de este tipo que se han hecho muy famosos, como el situado en la Torre de Londres o el situado en la Puerta del Sol de Madrid.

1.3.7 Relojes de salón. Los relojes han figurado durante siglos como piezas importantes en el amueblamiento de salones, para lo cual se construían con diversas formas decorativas. Prescindiendo del reloj de arena, que viene usándose desde las civilizaciones griega y romana para medir lapsos cortos y prefijados, los relojes fueron usados en cantidad muy pequeña hasta finales del siglo XIII o mediados del siglo XIV, época en la cual se inventó el motor de resorte o muelle real, difundiéndose el uso del reloj-mueble en el siglo XVI. De esta época se conservan algunos ejemplares muy curiosos en los Museos del Louvre, Berlín y Viena, que tienen la forma exterior de un edificio coronado con una pequeña cúpula donde se halla el timbre o campana de las horas. 1.3.8 El reloj de bolsillo. Los relojes de bolsillo se inventaron en Francia a mediados del siglo XV, poco después de aplicarse a la relojería el muelle espiral. Al principio tenían forma cilíndrica, variando mucho y con raros caprichos, y desde el comienzo del siglo XVI se construyeron en Núremberg con profusión y en forma ovoidea, de donde deriva el nombre de huevos de Núremberg, creyéndose inventados en esta ciudad alemana. 1.3.9 Reloj de diapasón. El oscilador está controlado por un diapasón intercalado en el lazo de realimentación. Ya ha caído en desuso, pero en su momento eran de gama alta, y Bulova, por ejemplo, disponía de relojes de diapasón de pulsera. 1.3.10 Reloj de cuarzo. Sustituye el diapasón por un resonador de cuarzo, habitualmente a 32768 Hz, por ser potencia exacta de dos, lo que simplifica el

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divisor de frecuencia. Por su estabilidad y economía ha desplazado a todos los otros tipos de reloj en las aplicaciones habituales. 1.3.11 Reloj atómico (Amoníaco, cesio, etc.) Se basa en incluir en el lazo de realimentación una cavidad con moléculas de la sustancia adecuada, de manera que se excite la resonancia de alguno de sus átomos. 1.3.12 Reloj mecánico se basa en un pulsador que puede ser de 1 Hz o submúltiplo. Por lo general este pulsador era un escape mecánico en el cual la energía almacenada en un muelle era liberada de manera constante y lenta. El sonido de tic-tac del reloj corresponde a este sistema de escape que es el responsable de generar la base de tiempo del reloj y brinda movimiento al segundero; tanto el minutero como el horario son movidos mediante trenes de engranajes que transforman la relación del segundero en 1/60 para el minutero y de éste 1/60 para el horario. 1.3.13 Reloj de agua. La necesidad de saber la hora aun en los días nublados y por la noche, preocupo ya desde muy antiguo. Los relojes de agua fueron fundados en la regularidad del descenso de la superficie de un líquido contenido en un recipiente con un orificio pequeño de salida del cual a velocidad de salida depende de la presión. Amoutons fue el primero que construyo uno de estos relojes. Los egipcios emplearon estos relojes pero ya perfeccionados, pues tenían una polea y una cadena en la que sus extremos estaban unidos a un flotador y el otro a un contrapeso. También utilizaron dos recipientes. Platón introdujo el reloj de agua en gracia en año 157 a.c otro tipo de relojes son los llamados hidráulicos o de clepsidras a rodaje, en los cuales la acción del agua movía un mecanismo de relojería. 1.3.14 Reloj de aceite Este reloj es llamado también silencioso, se componía, de un dispositivo cilíndrico de cristal o porcelana translucida que tenia en la parte inferior una lamparita de aceite sin mecha con tubo de aspiración alimentada por el aceite que llenaba el recipiente y cuya altura trascendía al arder en la lamparita. Se graduaba por comparación y tanteos variando el orificio de salida.

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1.3.15 Un reloj digital consta de un oscilador4, generalmente de cuarzo el cuál mediante multiplicadores de frecuencia5, a similitud de los trenes de engranajes, genera las señales de 1 Hz, 1/60 Hz 6 y 1/3600 Hz para el segundero, minutero y horario respectivamente. En este caso los distintos pulsos eléctricos pasan a 3 contadores en cascada que se corresponden en la pantalla a los segundos, minutos y horas respectivamente estos contadores están acoplados para permitir la secuencia necesaria de conteo y de señalización entre un contador y otro, a saber 0 al 59 para los segundos y los minutos y 0 a 24 o 1 a 12 para las horas, según el diseño particular o la configuración en modelos que permiten ambas.

1.3.16 Otros tipos Otros tipos de relojes según su forma o empleo:

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Reloj cucú

•

Reloj Foliot

•

Relojes de sol

•

Relojes de misa

•

Relojes de arena

•

Relojes de agua (Clepsidra)

•

Relojes mecánicos

•

Relojes de péndulo

•

Relojes de bolsillo

•

Relojes de pared

•

Despertadores

•

Minuteros

•

Relojes electrónicos

•

Relojes de diapasón

•

Relojes de cuarzo

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•

•

Relojes atómicos

•

Relojes digitales

1.4 Partes del reloj El reloj con esfera tradicional suele contar con manecillas para la hora, minutero (para los minutos) y segundero (para los segundos). Además, puede contar adicionalmente con despertador y/o calendario

1.5 Funcionamiento de los relojes electrónicos7 Un reloj electrónico es un reloj en el que la base de tiempos es electrónica o electromecánica, al igual que la división de frecuencia. La exactitud del reloj depende de la base de tiempos, que puede consistir en un oscilador o en un adaptador que, a partir de una referencia, genera una señal periódica. El divisor de frecuencia es un circuito digital formado por una sucesión de contadores hasta obtener una frecuencia de 1 Hz, que permite mostrar segundos. Si se quiere mostrar décimas, la división se detiene al llegar a los 10 Hz. Esta frecuencia pasa al módulo de presentación, que puede ser de carácter electrónico o mecánico, donde otros divisores van separando los segundos, minutos y horas para presentarlas mediante algún tipo de pantalla.

1.5.1 Base de tiempos.8 El tipo de base de tiempos utilizada es tan importante que suele dar nombre al tipo de reloj. Las más habituales son: 1.5.2 Patrón red. No tiene oscilador y utiliza como referencia los 50 Hz (ó 60 Hz) de la red. Es la más simple, pero es bastante exacta a medio plazo, pues las alteraciones en la frecuencia de red suelen compensarse a lo largo del día. Tiene dos inconvenientes importantes: Ver anexo 1

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Ver anexo 2

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Necesita una señal “limpia”, para lo cual se suele filtrar antes de aplicarla a los contadores. Necesita la red, lo que no permite su utilización portátil y además, frenta a un corte de luz, pierde la hora. Existen modelos que incluyen un oscilador y pilas o baterías, de modo que el oscilador y los contadores siguen funcionando durante el corte, con lo que no se pierde la hora. 1.5.3 Emisora patrón. La base de tiempos viene a ser algún tipo de PLL, enganchado con alguna de las emisoras horarias. Se ponen en hora solos y cambian al horario de invierno o verano de forma autónoma. Su inconveniente es que necesita la señal horaria, de modo que en zonas “oscuras” no presenta mayores ventajas.

1.6 El timbre eléctrico 1.6.1 Funcionamiento El timbre consta de una bobina9 provista de un núcleo y una lámina que se puede desplazar al resultar atraída por la bobina. El extremo de la lámina golpea una campana que es la que produce el sonido. El circuito está interrumpido por una lámina fija, que está en contacto con la móvil. Cuando la corriente10 circula, la bobina atrae a una lámina fija y el circuito se abre, con lo cual la bobina deja de atraer a una lámina móvil. Otra vez se cierra el circuito y se vuelve a repetir el proceso. Como resultado, la lámina empieza a vibrar golpeando repetidas veces una campana y produciéndose el sonido característico.

1.6.2 Historia Ver glosario pag.54

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El timbre tiene antecedentes muy interesantes como lo son las campanas de Benjamín Franklin, que consistían en algo curioso: conectado a un pararrayos se colocaban campanas de bronce u otro metal en un hilo conductor, cuando el aire venía cargado de electricidad11, cargaba las campanas que estaban muy cerca unas de otras, esto hacía que se repelieran, pues tenían la misma carga, y empezaban replicar solas, así se podía prever la llegada de una tormenta eléctrica, con algún tiempo. El aparato diseñado por Henry y Faraday estaba destinado a demostrar como un campo magnético podía ser utilizado para realizar un trabajo mecánico. Un dispositivo casi idéntico es el que utiliza Samuel Morse para construir su famoso telégrafo. Pero el genial Thomas Alba Edison, que debemos recordar era medio sordo, creó los timbres tales como los conocemos ahora, con forma acampanada y bulliciosa, porque en su taller, que era grande y con mucho ruido, él no escuchaba cuando tocaban la puerta…

Capitulo II Ver glosario pag.55

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Procedimiento del proyecto

2.1 EL PULSADOR Según el diagrama de bloques del proyecto12 comenzare explicando la función del pulsador13 y como esta construido: Capacitor 1 Resistencia 1 potenciómetro

Integrado 555

capacitor 2

El capacitor14 1 es el encargado de filtrar el voltaje de entrada y proteger al integrado de alguna pequeña sobre carga. El que usamos tiene un valor de 100 µf a 25 volts, puede ser de algún otro valor, pero con ese es más que suficiente para esta aplicación. El capacitor 2 es el que se encarga de enviar los pulsos al integrado, esto lo hace al cargarse y descargarse, el tiempo que tarda en hacer esto depende directamente de la resistencia del capacitor, que en este caso es el potenciómetro de precisión La resistencia15 1 trabaja en conjunto con el potenciómetro para regular el voltaje de entrada del capacitor para ajustar el tiempo en que se carga por completo.

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Ver anexo 3 Ver glosario pag.56

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El circuito integrado 555 es un dispositivo que es capas de producir pulsos de temporización con una gran precisión y que además puede trabajar como un oscilador. Tiene diversos modos de funcionamiento astable16 y monoestable17, el que se encuentra en el proyecto es de modo astable, pues en este modo genera una señal cuadrada oscilante de frecuencia.

2.2 Las compuertas para las combinaciones18 son las encargadas de hacer operaciones lógicas para hacer los reseteos.

Or and19

And

Se usan dos compuertas tipo and, estas tienen una salida digital de 5 volts pero solo si sus dos entradas están en nivel alto.

También se usan compuertas tipo or20 y su función es la de hacer operaciones lógicas para el manejo de los reseteos y oras funciones. Estas compuertas suman sus entradas, es decir, si sus dos entradas están en nivel alto21, su 16

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Ver anexo 4

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Ver glosario pag.54 ver anexo 5

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Ver Glosario pag.55 ver anexo 6 Ver glosario pag.55

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salida estará en nivel alto, y se mantendrá asi hasta que sus dos entradas estén en nivel bajo22.

2.3 Contadores.

Los contadores que usamos son dos de tipo dual de cuatro bits23, en el mercado existen varios tipos de contadores pero el que usamos lo elegimos por ser un contador doble, esto quiere decir que en un mismo integrado se encuentran dos, ahorrando costos y espacio aquí se muestra su localización:

Contadores duales 74ls393

2.4 Codificadores. Los codificadores son los elementos que reciben los números en código binario24 para después convertirlo a numeración decimal para poder verlos en los displays.

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Ver glosario pag.55 Ver glosario pag.54 Ver glosario pag.54

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En esta imagen se muestra la configuración del codificador25 que utilizamos Los codificadores que usamos son del tipo 74ls48 que es un codificador BCD26 a 7 segmentos que son para displays de ánodo común. La razón de esto es que entregan ceros lógicos27, es un circuito convinacional diseñado para convertir un número binario a decimal.

Resistencias de los displays

2.5 Los displays. Existen displays de dos tipos: de común ánodo28 y común cátodo29. En el proyecto utilizamos displays de común cátodo, pues esto significa que todas las conexiones a tierra de cada led, ya están unidad internamente y solo Ver anexo 8

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basta con mandar una señal digital, que en este caso viene desde los codificadores

2.5.1 Las resistencias de los displays: En la figura de arriba, se muestra la localización de estas, su función principal es la de proteger de una sobrecarga para no saturar de voltaje los ánodos de los displays

2.6 Compuertas para las combinaciones de la alarma: Como la programación de las alarmas de nuestro reloj, es de forma manual, se debe hacer desde la etapa de las compuertas del reloj y los contadores, las configuraciones que se hagan dependen directamente de la hora a la que se desee comenzar la alarma o el proceso para el que se va a utilizar, esta programación se hace por medio de operaciones lógicas que realizan estas compuertas y varían según el tipo de la compuerta que se utilice para esta aplicación nosotros usamos nuevamente compuertas tipo and, or e inversores, a los que también se les llama compuertas not30 . A continuación se señala su localización dentro del circuito:

Leds indicadores

Todos los circuitos integrados que se observan aquí son las compuertas para las combinaciones de las alarmas o procesos

2.7 Etapa de potencia.

Ver glosario pag.55 ver anexo 7

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En esta parte, las señales que son emitidas por las compuertas de configuración de alarmas, son usadas como controladores para un circuito de alta corriente o de alto voltaje, esto se hace por medio de algún elemento de potencia. En el mercado existen varios tipos de elementos de potencia o de control, como es el caso de los moc31, que son opto acopladores, los triac32 y diac33, que son tiristores34 y los relevadores de estado sólido, relevadores de dos estados, todos estos son elementos con los que se puede controlar altos voltajes y corrientes por medio de un voltaje pequeño de control. Para el proyecto utilizamos un relevador de estado solido35 que puede ser manejado con un voltaje que puede ser de tres volts hasta treinta y dos volts en la bobina, y por el contacto es capaz de soportar hasta doscientos cuarenta de corriente alterna.

2.8 Elementos de salida: Por medio de la etapa de control o de potencia, es posible manejar todo tipo de componentes externos, estos elementos pueden ser desde un simple foco, un timbre, un motor, una bomba de agua, en fin una gran gama de posibilidades para todo tipo de aplicaciones y procesos. En el proyecto, solo pusimos un timbre. Este timbre funciona con un voltaje de corriente directa de 24 volts, nosotros lo alimentamos con una fuente extra por motivos de costos36.

2.9 Fuente de alimentación

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Ver anexo 9 Ver anexo 10

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Dentro del proyecto circula un voltaje que es suministrado por una fuente comercial, de las que se usan en el laboratorio, esta fuente puede ser reemplazada por una fuente común con un transformador y un puente rectificador 2.9.1 Regulador de voltaje37 Este elemento, que es un integrado que tiene como función principal, la de mantener un voltaje constante de cinco volts. Este integrado tiene tres patas, la entrada, común y salida. En la entrada se puede conectar un voltaje máximo mayor a tres en función de la salida, esto significa que si el regulador es de cinco volts, se le puede poner una entrada de hasta nueve volts incluso con un poco de variación, y en la salida se obtiene una señal limpia de cinco volts. Este regulador es un circuito integrado 7805. Existen varios tipos de reguladores pero este es el que se acopla a nuestras necesidades por tener una salida de cinco volts.

Capitulo III Elementos que se utilizaron

En este proyecto que realizamos se realizan diversos procesos para los cuales fueron necesarios diferentes componentes electrónicos para su ensamble.

3.1 Resistencias Se denomina resistencia eléctrica, R, de una sustancia, a la dificultad o facilidad que encuentra la corriente eléctrica para circular a través de dicha sustancia. Su valor viene dado en ohmios38, se designa con la letra griega omega mayúscula, Ω, y se mide con el ohmímetro. Esta definición es válida para la corriente continua y para la corriente alterna cuando se trate de elementos resistivos puros, esto es, sin componente Ver anexo 11

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inductiva ni capacitiva. De existir estos componentes reactivos, la oposición presentada a la circulación de corriente recibe el nombre de impedancia. Según sea la magnitud de esta oposición, las sustancias se clasifican en conductoras, aislantes y semiconductoras. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad39, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo.

3.1.1 Tipos de resistencias Resistencias lineales fijas: su valor de resistencia es constante y ya esta determinado por el fabricante, estos valores son la resistencia nominal la temperatura máxima de funcionamiento, la tensión nominal, la tolerancia etc. Resistencias variables: es dispositivo que tiene un contacto móvil que se mueve a lo largo de la superficie de una resistencia de valor total constante. Este contacto móvil se llama cursor o flecha y divide la resistencia en dos resistencias cuyos valores son menores y cuya suma tendrá siempre el valor de la resistencia total. 3.1.2 Resistencias de hilo bobinado40. Fueron de los primeros tipos en fabricarse, y aún se utilizan cuando se requieren potencias algo elevadas de disipación. Están constituidas por un hilo conductor bobinado en forma de hélice o espiral (a modo de rosca de tornillo) sobre un sustrato cerámico.

Las patas de conexión se implementaban con hilo enrollado en los extremos del tubo de grafito, y posteriormente se mejoró el sistema mediante un tubo hueco cerámico (figura inferior) en el que se prensaba el grafito en el interior y finalmente se disponían unas bornas a presión con patillas de conexión.

Ver glosario pag.56

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Ver anexo 12

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Las resistencias de este tipo son muy inestables con la temperatura, tienen unas tolerancias de fabricación muy elevadas, en el mejor de los casos se consigue un 10% de tolerancia, incluso su valor óhmico puede variar por el mero hecho de la soldadura, en el que se somete a elevadas temperaturas al componente. Además tienen ruido térmico también elevado, lo que las hace poco apropiadas para aplicaciones donde el ruido es un factor crítico, tales como amplificadores de micrófono, fono o donde exista mucha ganancia. Estas resistencias son también muy sensibles al paso del tiempo, y variarán ostensiblemente su valor con el transcurso del mismo. 3.1.3 Resistencias de carbón prensado41 Estas fueron también de las primeras en fabricarse. Están constituidas en su mayor parte por grafito en polvo, el cual se prensa hasta formar un tubo como el del dibujo. Las patas de conexión son de con hilo enrollado en los extremos del tubo de grafito. Las resistencias de este tipo son muy inestables con la temperatura, tienen unas tolerancias de fabricación muy elevadas, en el mejor de los casos se consigue un 10% de tolerancia, incluso su valor óhmico puede variar por el mero hecho de la soldadura, en el que se somete a elevadas temperaturas al componente. Además tienen ruido térmico también elevado, lo que las hace poco apropiadas para aplicaciones donde el ruido es un factor crítico, tales como amplificadores de micrófono, fono o donde exista mucha ganancia. Estas resistencias son también muy sensibles al paso del tiempo, y variarán ostensiblemente su valor con el transcurso del mismo. 3.1.4 Resistencias de película de carbón Este tipo es muy habitual hoy día, y es utilizado para valores de hasta 2 watios. Se utiliza un tubo cerámico como sustrato sobre el que se deposita una película de carbón tal como se aprecia en la figura.

Ver anexo 13

55

41

Para obtener una resistencia más elevada se practica una hendidura hasta el sustrato en forma de espiral, tal como muestra (b) con lo que se logra aumentar la longitud del camino eléctrico, lo que equivale a aumentar la longitud del elemento resistivo. Las conexiones externas se hacen mediante crimpado de cazoletas metálicas a las que se unen hilos de cobre bañados en estaño para facilitar la soldadura. Al conjunto completo se le baña de laca ignífuga y aislante o incluso vitrificada para mejorar el aislamiento eléctrico. Se consiguen así resistencias con una tolerancia del 5% o mejores, además tienen un ruido térmico inferior a las de carbón prensado, ofreciendo también mayor estabilidad térmica y temporal que éstas.

3.1.5 Resistencias de película de óxido metálico Son muy similares a las de película de carbón en cuanto a su modo de fabricación, pero son más parecidas, eléctricamente hablando a las de película metálica. Se hacen igual que las de película de carbón, pero sustituyendo el carbón por una fina capa de óxido metálico (estaño o latón). Estas resistencias son más caras que las de película metálica, y no son muy habituales. Se utilizan en aplicaciones militares (muy exigentes) o donde se requiera gran fiabilidad, porque la capa de óxido es muy resistente a daños mecánicos y a la corrosión en ambientes húmedos. 3.1.6 Resistencias de película metálica Son muy similares a las de película de carbón. Este tipo de resistencia es el que mayoritariamente se fabrica hoy día, con unas características de ruido y estabilidad mejoradas con respecto a todas las anteriores. Tienen un coeficiente de temperatura muy pequeño, del orden de 50 ppm/ºC (partes por millón y grado Centígrado). También soportan mejor el paso del tiempo, permaneciendo su valor en ohmios durante un mayor período de tiempo. Se

55

fabrican este tipo de resistencias de hasta 2 watios de potencia, y con tolerancias del 1% como tipo estándar. 3.1.7 Resistencias de metal vidriado Son similares a las de película metálica, pero sustituyendo la película metálica por otra compuesta por vidrio con polvo metálico. Como principal característica cabe destacar su mejor comportamiento ante sobrecargas de corriente, que puede soportar mejor por su inercia térmica que le confiere el vidrio que contiene su composición. Como contrapartida, tiene un coeficiente térmico peor, del orden de 150 a 250 ppm/ºC. Se dispone de potencias de hasta 3 watios. 3.1.8 Resistencias dependientes de la temperatura Aunque todas las resistencias, en mayor o menor grado, dependen de la temperatura,

existen

unos

dispositivos

específicos

que

se

fabrican

expresamente para ello, de modo que su valor en ohmios dependa "fuertemente" de la temperatura. Se les denomina termistores y como cabía esperar, poseen unos coeficientes de temperatura muy elevados, ya sean positivos o negativos. Coeficientes negativos implican que la resistencia del elemento disminuye según sube la temperatura, y coeficientes positivos al contrario, aumentan su resistencia con el aumento de la temperatura. El silicio, un material semiconductor, posee un coeficiente de temperatura negativo. A mayor temperatura, menor resistencia. Esto ocasiona problemas, como el conocido efecto de "avalancha térmica" que sufren algunos dispositivos semiconductores cuando se eleva su temperatura lo suficiente, y que puede destruir el componente al aumentar su corriente hasta sobrepasar la corriente máxima que puede soportar. A los dispositivos con coeficiente de temperatura negativo se les denomina NTC (negative temperature coefficient). A los dispositivos con coeficiente de temperatura positivo se les denomina PTC (positive temperature coefficient).

55

Una aplicación típica de un NTC es la protección de los filamentos de válvula, que son muy sensibles al "golpe" de encendido o turn-on. Conectando un NTC en serie protege del golpe de encendido, puesto que cuando el NTC está a temperatura ambiente (frío, mayor resistencia) limita la corriente máxima y va aumentando la misma según aumenta la temperatura del NTC, que a su vez disminuye su resistencia hasta la resistencia de régimen a la que haya sido diseñado. Hay que elegir correctamente la corriente del dispositivo y la resistencia de régimen, así como la tensión que caerá en sus bornas para que el diseño funcione correctamente. 3.1.9 Resistencias variables42 Estas resistencias pueden variar su valor dentro de unos límites. Para ello se les ha añadido un tercer terminal unido a un contacto móvil que puede desplazarse sobre el elemento resistivo proporcionando variaciones en el valor de la resistencia. Este tercer terminal puede tener un desplazamiento angular (giratorio) o longitudinal (deslizante). Según su función en el circuito estas resistencias se denominan: 3.1.9.1 Potenciómetros: Se aplican en circuitos donde la variación de resistencia la efectúa el usuario desde el exterior (controles de audio, video, etc.). 3.1.9.2 Trimmers, o resistencias ajustables: Se diferencian de las anteriores en que su ajuste es definitivo en el circuito donde van aplicadas. Su acceso está limitado al personal técnico (controles de ganancia, polarización, etc.).

3.1.9.3 Reostatos43: Ver anexo 15

43

Ver glosario pag.56 ver anexo 16

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42

Son resistencias variables en las que uno de sus terminales extremos está eléctricamente anulado. Tanto en un potenciómetro como un trimmer, al dejar unos de sus terminales extremos al aire, su comportamiento será el de un reostato, aunque estos están diseñados para soportar grandes corrientes.

3.1.10 Resistencias usadas en el proyecto: Utilizamos dos diferentes resistencias que son del tipo lineal fija y variable. Lineal fija: la utilizamos por que necesitábamos valores constantes y no demasiado precisos, se encuentran en todas las entradas de los displays y en el diseño del timer44 Resistencia variable: fue utilizada por su capacidad de variar sus valores, se encuentra en la entrada del timer para variar los tiempos de carga del capacitor y variar los pulsos que marca.

3.2 CONDENSADORES 45 Un condensador consiste básicamente en dos placas metálicas conductoras llamadas armaduras separadas entre si por un material aislante, denominado dieléctrico. EN la siguiente tabla se muestran las constantes dieléctricas de algunos materiales con respecto de la del vació. 3.2.1 Condensador electrolítico46 Se hacen formando un arrollamiento de película de aluminio, e inicialmente separadas por una capa de un material absorbente como tela o papel impregnado con una solución o gel, aunque modernamente se emplea óxido de aluminio o tántalo. El conjunto se introduce en un contenedor de aluminio, dando un aspecto de "bote".

Ver glosario pag.56

45

Ver glosario pag.54

46

Ver anexo 17

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44

Según la disposición de las patillas, existe la configuración axial y la radial. Los condensadores electrolíticos modernos se fabrican utilizando un electrolito dentro del propio condensador, y la acción de una tensión en bornas del condensador refuerza la capa dieléctrica de óxido, de modo que es imprescindible la correcta polarización del condensador. Si aplicamos una polarización errónea, el dieléctrico se destruye y las placas entran en contacto. Además, generalmente la polarización inversa origina generación de gases por electrolisis y pueden provocar una explosión. La ventaja de este tipo de condensadores es su tamaño reducido, por lo que se consiguen capacidades muy grandes. Esto es debido a la finísima capa dieléctrica. Al principio, se fabricaban estos condensadores sumergidos en un electrolito formado por agua y glicol, y quizás ácido bórico para incrementar la viscosidad y mejorar el auto sellado del dieléctrico. Sin embargo, la corrosión era un problema, y modernamente se emplean electrolitos de tipo orgánico, tales como dimetil acetamida o metil-formamida. Recientemente se han desarrollado condensadores electrolíticos de "aluminio sólido" basados en electrolito de dióxido de manganeso. Son muy similares a los de tántalo, aunque mucho más baratos. Un gran inconveniente de los condensadores electrolíticos es su relativamente corta duración. Normalmente tienen un período de vida medio de 1000 - 5000 horas, y también se estropean aunque no se utilicen, aunque se alargue su período de vida. Es cuando decimos que un condensador está "seco" y hay que sustituirlo. Otro inconveniente es su gran margen de tolerancia; son normales tolerancias del 20% en este tipo de condensadores. Habitualmente se denomina a este tipo de condensadores "polarizados", pero es un término impreciso. Existen condensadores electrolíticos no polarizados, empleados profusamente en crossovers de baja calidad, y cuyo aspecto es exactamente igual al de los polarizados, o sea, parecen un "bote", pero podemos conectarlos sin atender a ninguna polarización. Muchos autores

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tachan a este tipo de condensadores, incluso a los electrolíticos normales como no aconsejables para su utilización en circuitos de audio de calidad, por su distorsión y sus pérdidas, pero este es un tema que abordaremos en otro apartado.

3.2.2Condensadores de película47 Todos los condensadores de película son no polarizados, es decir, no requieren marcar una patilla como positiva o negativa, siendo indiferente su conexión en el circuito. Son los preferidos en los circuitos de audio de calidad, siempre que el tamaño lo permita, por sus pocas pérdidas y distorsión reducida. Se pueden construir enrollando el conjunto placas-dieléctrico, similar a un electrolítico, o bien apilando en capas sucesivas como un libro. Se emplean mayoritariamente como dieléctricos diferentes plásticos, como polipropileno (MKP), poliéster/mylar (MKT), poliestireno, policarbonato (MKC) o teflón. Pala las placas se utiliza mayoritariamente aluminio con un alto grado de pureza. Según el tipo de dieléctrico utilizado, para una misma capacidad y tensión de trabajo, se obtienen condensadores de distinto tamaño. La alta rigidez dieléctrica del poliéster, permite hacer condensadores de poco tamaño y a costes relativamente bajos, de uso rutinario allí donde no se necesiten calidades especiales. Se disponen de capacidades de entre 1000 pF y 4.7 uF, a tensiones de trabajo de hasta 1000V. El factor de pérdidas por dieléctrico es relativamente alto en el poliéster. Para audio, el polipropileno o poliestireno permiten unas pérdidas mucho menores en el dieléctrico, pero son mucho mayores en tamaño, además de mucho más caros. Los de poliestireno son utilizados en filtros. Un inconveniente de los condensadores de poliestireno es el bajo punto de fusión del dieléctrico. Por ello suelen diferenciarse estos condensadores, ya que se protege el dieléctrico separando los pines de soldadura del cuerpo del condensador, tal como muestra la foto. 3.2.3 Condensadores de mica48 Ver anexo 18

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47

Es un dieléctrico de unas características intermedias entre los condensadores electrolíticos y los de película, teniendo una rigidez dieléctrica alta y otras características excelentes, como muy bajas pérdidas, pero su capacidad se limita hasta los 4700 pF aproximadamente. Por el contrario, es muy caro, y al ser un material rígido, sólo se pueden construir condensadores en forma de láminas apiladas (stacked-film). Se utiliza en aplicaciones industriales de alta tensión, amplificadores de válvulas cuando se requiera poca capacidad y aplicaciones de precisión. 3.2.4 Condensadores cerámicos49 Son los que tienen un mayor rango de valores de su constante dieléctrica, pudiendo llegar a un valor de 50000 veces superior a la del vacío. Se basan en varias mezclas de óxido de titanio y zirconio, o bien en titanatos o zirconatos de calcio, bario, estroncio o magnesio, y atendiendo a esta variedad de compuestos, dan un rango amplísimo de constantes dieléctricas. Los materiales de alta constante dieléctrica, pueden ofrecer componentes pequeños para un valor relativamente elevado de capacidad. El inconveniente de estos dieléctricos de alta cte. dieléctrica es que el valor de la misma depende mucho de la temperatura, así como las pérdidas en el dieléctrico. Sin embargo, donde el valor de la capacidad es relativamente menos importante, como por ejemplo en filtros pasa RF, estos componentes son ampliamente utilizados.

3.3 BOBINAS50 Las bobinas son un tipo de elementos pasivos capaces de generar un campo magnético cuando son atravesados por una corriente eléctrica.

Ver anexo 19

49

Ver anexo 20

50

Ver anexo 21

55

48

Para construirlas se utilizan núcleos de materiales ferro magnético como el hierro dulce, chapa magnética, ferrita... Estos materiales conducen muy fácilmente el flujo magnético, aunque a veces en algunas aplicaciones el núcleo utilizado es el aire. En el proyecto solo se usa un capacitor es de tipo electrolítico y se sitúa en el timer y se encarga de ser cargado y descargado para mandar cada pulso.

3.4 Integrado 55551 El dispositivo 555 es un circuito integrado muy estable cuya función primordial es la de producir pulsos de temporización con una gran precisión y que, además, puede funcionar como oscilador. Sus características más destacables son: •

Temporización desde microsegundos hasta horas.

•

Modos de funcionamiento:

•

o

Monoestable.

o

Astable.

Aplicaciones: o

Temporizador.

o

Oscilador.

o

Divisor de frecuencia.

o

Modulador de frecuencia.

o

Generador de señales triangulares.

En este modo se genera una señal cuadrada oscilante de frecuencia: F = 1/T = 1.44 / [C*(Ra+2*Rb)] La señal cuadrada tendrá como valor alto Vcc (aproximadamente) y como valor bajo 0V.

Ver anexos 22

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Si se desea ajustar el tiempo que está a nivel alto y bajo se deben aplicar las fórmulas: Salida a nivel alto: T1 = 0.693*(Ra+Rb)*C Salida a nivel bajo: T2 = 0.693*Rb*C En el proyecto, este dispositivo tiene una de las funciones mas importantes, que es la de mandar los pulsos necesario y con la cadencia adecuada para hacer el cambio de cada segundo.

3.5 Displays52 Se llama visualizador, display en inglés, a un dispositivo de ciertos aparatos electrónicos que permite mostrar información al usuario, creado a partir de la aparición de calculadoras, cajas registradoras e instrumentos de medida electrónicos en los que era necesario hacerlo. Los primeros visualizadores, similares a los de los ascensores, se construían con lámparas que iluminaban las leyendas. Al permitir mostrar distintas informaciones, ya se puede hablar con propiedad de visualizadores. Un tubo Nixie es semejante a una lámpara de neón pero con varios ánodos que tienen la forma de los símbolos que se quiere representar. Otro avance fue la invención del visualizador de 7 segmentos. 3.5.1 Tipos de visualizador 3.5.1.1 Visualizador de segmentos En un visualizador de 7 segmentos se representan los dígitos 0 a 9 iluminando los segmentos adecuados. También suelen contener el punto o la coma decimal. A veces se representan también algunos caracteres como la "E" (Error), "b" o "L" (Low Battery), etc., pero para representar los caracteres alfabéticos se introdujo el visualizador de 14 segmentos. El visualizador de 14 segmentos tuvo éxito reducido y sólo existe de forma marginal debido a la Ver anexo 23 glosario pag.55

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52

competencia de la matriz de 5x7 puntos. Los visualizadores de segmentos se fabrican en diversas tecnologías: Incandescencia, de cátodo frío, LED, cristal líquido, fluorescente, etc.

3.5.1.2 Visualizador de matriz 53 Visualizadores de incandescencia. La matriz de 5x7 permite representar letras mayúsculas y minúsculas, signos de puntuación y caracteres especiales con un grado de legibilidad excelente. No es nueva y ya en los años 1940 se podía ver mostrando leyendas publicitarias. Estaban fabricadas con lámparas de incandescencia. Actualmente se fabrican con LED y LCD. A las matrices de 5x7 siguen las líneas de caracteres, principalmente LCD y VFD, presentándose en múltiples formatos, de una a cuatro líneas de ocho a cuarenta caracteres. 3.5.1.3 Matriz gráfica. Consiste en una matriz más grande, que puede representar tanto caracteres como gráficos. Se fabrican en LCD y VFD. Las matrices de LED están constituidas por un mosaico de visualizadores más pequeños (8x8, normalmente). Pueden ser multicolores (Rojo-Naranja-Verde o Rojo-Verde-Azul), encontrando su utilidad en vallas publicitarias, campos de fútbol, etc. 3.1.5.4 Visualizador electromecánico Los problemas de los primeros visualizadores para su uso a la intemperie: falta de luminosidad y fragilidad condujeron al desarrollo de otros tipos de visualizador, en los que se mueve mecánicamente alguna pieza que oculta o muestra un símbolo o leyenda. Pertenecen a este tipo los visualizadores "de cortinilla", que constan de un motor paso a paso que va pasando las "hojas" que contienen distintas leyendas hasta llegar al mensaje deseado. Gozó de gran popularidad en aeropuertos, estaciones de tren y autobuses, etc. Pero la Ver anexo 24

55

53

dificultad para cambiar los mensajes significó su fin cuando se pudo disponer de alternativas en otras tecnologías. Otro visualizador mecánico, que se ve como 7 segmentos y como matriz consiste en segmentos o puntos fluorescentes sobre láminas que pueden girar para ponerse perpendiculares mediante la acción de un electroimán. Presenta la ventaja de que son visibles a plena luz solar y sólo consumen en el cambio de estado. 3.1.5.5 Visualizador de proyección54 Consisten en una matriz de lámparas, de las que se ilumina sólo una cada vez. La luz se dirige a un condensador que la proyecta sobre una película que contiene los símbolos que se quiere representar. Después otro grupo de lentes enfoca la imagen sobre una pantalla translúcida, que se hacen visibles en su cara posterior. Como norma general el número de imágenes está limitado a doce y no se pueden cambiar, salvo que se desmonte la unidad y se cambie la película. 3.1.5.6 Visualizador fluorescente de vacío (VFD) Consisten en una ampolla de vidrio que contiene uno o varios filamentos que actúan de cátodo, varios ánodos recubiertos de fósforo y una rejilla por carácter. Al polarizar positivamente los ánodos y las rejillas, los electrones emitidos por cátodo alcanzan un ánodo, que se ilumina. Dependiendo del modelo, funcionan con tensiones de alimentación de rejillas y ánodos a partir de 12V.

3.6 Integrado 74ls48 Este es un codificador BCD a decimal. En ocasiones es necesario convertir de un código a otro, este es un circuito convinacional que entrega unos lógicos, por lo que es necesario relacionarlos con displays de común cátodo.

Ver anexo 25

55

54

3.7 Integrado 74ls393. Este es un contador dual de cuatro bits, esto quiere decir que dentro de el existen dos contadores, esto se hace para ahorrar costos y espacio

Capitulo IV fallas y pruebas

Cuando comenzamos a hacer el proyecto teníamos pensado un reloj pero no era precisamente el que presentamos al final, pues inicialmente era solo un reloj pero con un pic55, que es un micro controlador, como una pequeña computadora de bajas capacidades pero que tenía que ser programada desde una computadora con un software56 especial para que hiciera lo que teníamos en mente, comenzamos a buscar y encontramos en internet un diseño que era no muy complicado y decidimos que ese nos podría servir, comenzamos a conseguir los materiales que se necesitaban, lo armamos en el protoboard57 pero el pic todavía no estaba cargado con el programa y no lo pudimos probar, batallamos un poco para conseguir el quemador que es un aparato en el que se inserta el pic y se conecta a la computadora y por medio de un software, el programa del proceso que debe correr en el circuito se graba en el pic, como tardamos en conseguirlo, decidimos hacerlo en una tableta pero sin probarlo, nunca pensamos que tal vez tendríamos algunos problemas. Cuando por fin conseguimos el quemador , grabamos el pic e inmediatamente lo probamos en el circuito que ya estaba en la tableta pero no hacía nada, ni siquiera marcaba que estuviera encendido, así que revisamos la fuente de alimentación, el puente rectificador y checamos que estuvieran bien conectadas todas las entradas de vcc de los circuitos así como todas las conexiones a tierra de los mismos, como no encontramos falla en eso pensamos que tal vez el pic no se había grabado correctamente y lo revisamos, el programa si estaba completo y Ver glosario pag.56

56

Ver glosario pag.56

57

Ver glosario pag.56

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55

estaba exactamente igual al que habíamos encontrado en internet, fue entonces que pensamos que el programa estaba mal y después de eso fuimos con una persona que sabia un poco más del tema que nosotros y nos dijo que al programa le hacían falta algunas modificaciones pero que él no nos podía ayudar, y como nosotros no teníamos los conocimientos necesarios para hacerlas decidimos que era mejor cambiar de proyecto antes de que ya no pudiéramos hacerlo, fue así que nos dedicamos nuevamente a buscar diseños nuevos y encontramos uno que no era nada parecido al anterior pues no tenia micro controladores sino circuitos integrados de la familia de los ttl58 y que aparte podíamos usar no solo como un reloj de esos que solo están ahí y que no tienen ninguna función extra sino que con el podíamos conectar por medio de una etapa de potencia cualquier tipo de cosa que se pudiera manejar midiendo tiempo, es decir como si fueran las alarmas pero que en su lugar se encendieran las luces de la casa o se regara el césped o se prendiera la bomba que lleva agua al tinaco etc. Por todas estas cosas útiles que encontramos en este nuevo diseño fue que decidimos que fuera nuestro nuevo proyecto. A lo largo de todo el proceso de elaboración y ensamble de todo el nuevo proyecto surgieron muchísimos problemas de todos tipos, desde la circuitería hasta lo estético. La primera vez que lo ensamblamos, batallamos mucho pues al ser un circuito armado con ttl, es necesaria bastante circuitería y por lo tanto puede ser muy difícil en el sentido de que puedes perder un cable u ponerlo en un lugar incorrecto y esto te da como consecuencia errores al momento de poner a trabajar el aparato, precisamente eso paso pues la primera vez que lo armamos, no contábamos con el diagrama del timer y le dábamos los pulsos manualmente, eso fue un gran error, pues los pulsos manuales no eran precisos y algunas veces se pasaba de un digito a otro y se brincaba muchos, en ese momento no nos dimos cuenta que eso escondía errores en el ensamble porque no hacia el conteo correctamente eso lo descubrimos después de integrarle el circuito del timer, notamos que los segundos solo Ver glosario pag.56

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llegaban hasta cuarenta y los minutos como hasta el treinta y cinco y las horas solo hasta dieciocho en vez de contar hasta veintitrés en las horas, cincuenta y nueve en los minutos y cincuenta y nueve

en los segundos des pues de que

se lo pusimos tuvimos que desarmar todo el circuito y armarlo de nuevo. La siguiente vez que lo armamos ya contábamos con el timer que se encargaría de mandar los pulsos de señal digital, una vez que estaba listo lo probamos y nuevamente teníamos problemas con los dígitos porque seguían cambiando sin sentido pero esta vez era porque no estaban bien conectadas las líneas que se encargarían de regresar los conteos nuevamente a cero, lo que nosotros llamamos reseteo o reset esto quiere decir que el reloj contaba desde cero y continuaba hasta sesenta en las horas, en vez de resetear al momento de que se marcaran las veintitrés horas con cincuenta y nueve minutos y cincuenta y nueve segundos y tuviera que regresar a cero cuando se marcara un segundo más indicando que habían pasado las veinticuatro horas de un día completo esto lo solucionamos revisando en las compuertas y en los contadores las combinaciones que habíamos conectado, después que lo arreglamos, todo en cuento eso estaba bien, pero aun teníamos un problema más , que era que el diseño del timer no era el correcto para las necesidades del reloj, pues tenía un capacitor muy pequeño que se cargaba demasiado rápido y esto provocaba que los pulsos se cambiaran muy rápido y el reloj cambiaba muy rápido de digito esto quiere decir que contaba los pulsos pero no lo hacía con exactitud y los minutos que contaba nuestro reloj eran en realidad de algunos treinta segundos o algo así, tuvimos que hacer varias pruebas cambiando las resistencias que se encuentran en la entrada del capacitor y el capacitor mismo, cambiamos y probamos muchas combinaciones de resistencias y capacitores pero ninguna se acercaba a los segundos reales, cuando nos dimos cuenta que era difícil que ese diseño mandara pulsos exactos, decidimos cambiar el diseño del pulsador y al final implementamos uno que ya habíamos usado antes que era un poco diferente pues este contaba con resistencias de diferentes valores y también un potenciómetro, este se encontraba en la entrada del capacitor y permitía variar la resistencia, esto quiere decir que podíamos aumentar o disminuir el tiempo en el que el capacitor se cargaría por completo, aun así, los pulsos no eran perfectos así

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que nos pusimos a buscar distintos potenciómetros que nos pudieran servir, incluso hicimos combinaciones de resistencias lineales fijas y potenciómetros para poder tener más exactitud pero esto no sirvió de nada, hasta que encontramos un potenciómetro especial para circuitos que necesitaban cambios delicados y precisos y ese fue el que pusimos en la entrada del capacitor, cuando hicimos esto logramos un poco mas de exactitud en los pulsos y nuestro reloj ya podía funcionar como un reloj completamente normal. El reloj ya era capaz de contar casi perfectamente cada segundo, solo que tenía un pequeño casi insignificante problema, que era que no se podía encender y programar una hora exacta para iniciar el conteo, el diseño original de el reloj, tenía solo un botón para adelantarlo pero este aumentaba por igual segundos, minutos y horas, y esto era un poco tedioso pues si te pasabas tenias que dar la vuelta otra vez hasta que pudieras por lo menos dejarlo un poco cerca, pero esto solo era si tenias suerte pues como este botón estaba conectado directamente al voltaje de alimentación era como si le estuvieras mandando pulsos manuales que no eran predecibles y que en ocasiones cambiaba bruscamente y se brincaba muchos dígitos, por decir que dabas un pulso cuando el conteo decía diez minutos y lo cambiaba hasta cuarenta o algo así, nos pusimos a analizar la circuitería para ver si era posible hacer alguna mejora en cuanto a eso y notamos que si conectábamos la compuerta a la que se iba el acarreo de la anterior directamente al pulsador por medio de un botón era fácil cambiar los minutos y las hora con ese pulso, hacia el cambio igual que los segundos y no afectaba los dígitos anteriores, decidimos acoplar esto para las horas y para los minutos con un botón diferente para cada uno, en cuanto a los segundos no se podía hacer esto pues obviamente ya estaban conectados directamente al pulsador, aunque si quisiéramos adelantarlos sería necesario poner un pulsador mas pero que mandara pulsos más rápido, esto no es necesario para el reloj pues los que hay en el mercado no cuentan con este tipo de elementos así que decidimos dejarlo solo con la función de adelantar solo las horas y minutos. También poco después tuvimos algunos problemas con los displays pues en uno ellos no se veía un numero real sino algo parecido a un cuatro al revés

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cuando debería decir nueve o como un seis de lado cuando debería ser un ocho cuando era un cero no se encendían correctamente los segmentos de este, pensamos que era un problema en las combinaciones, pero lo descartamos porque los conteos eran correctos, para estar más seguros, conectamos una serie de leds a lo largo de todos los circuitos para visualizar cuando se encontraban en nivel alto o bajo, de esta manera veíamos los mismos números que en los displays solo que en numeración binaria, cuando terminamos esto descartamos por completo que las combinaciones estuvieran mal y pensamos que tal vez el codificador de ese displays estaba dañado o mal conectado, lo quitamos del protoboard y lo probamos y nos dimos cuenta que estaba dañado, solo lo cambiamos por uno nuevo y otra vez funcionaba bien. Una falla mas fue cuando conectamos las compuertas que se encargarían de configurar las alarmas, pues se tenía que hacer directamente en las compuertas que hacían los conteos y en los circuitos contadores y esto era en números binarios, para esto fueron muy útiles los leds que ya le habíamos puesto antes para lo del codificador, pues en ellos podíamos ver y tomar desde ahí las que serian las entradas de estas otras compuertas solo que notamos que al momento de conectar las entradas debíamos ser muy específicos por ejemplo, si queríamos que una salida se encendiera a las cinco horas, teníamos que especificar también los minutos y los segundos porque si no lo hacíamos, la salida se energizaría cada que se pusieran en nivel alto los bits de tal manera que encendería a las cinco, siete, a las quince y a las diecisiete, par a esto sería necesario negar los bits de las decenas de hora para que solo encendiera cuando estos dígitos estuvieran en cero y negar también algunos bits de las unidades de hora para declarar que solo debe encender cuando estén en nivel bajo cuando comprendimos esto no fue muy complicado continuar, ahora seguía la etapa de control para manejar voltajes más elevados o de corriente alterna solo con esas señales digitales que salían de las compuertas lógicas así que pusimos un moc y un triac que son dispositivos que trabajan como interruptores activados por el paso de un voltaje pequeño, en este caso una señal digital de cinco volts de corriente directa con la que podíamos manejar altas corrientes y voltajes incluso de corriente alterna pensamos que un motor simulando algún proceso podía servir pero cuando lo

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probamos no sabíamos con exactitud cuanta corriente alcanzaba en el arranque y esto provoco que el triac se quemara, entonces cambiamos el moc y el triac por un relevador de dos estados pero nuevamente sucedió lo que con el triac, después encontramos un relevador de estado sólido que era perfecto para lo que buscábamos porque podía ser activado con un voltaje desde tres volts de corriente directa y soportaba hasta veinticinco amperes que era mucho más de lo que generaba el motor después tuvimos un percance con el motor pues se quemo una vez que lo conectamos mal tratamos de encontrar uno nuevo pero no lo conseguimos fue entonces que decidimos que no era necesario poner algo muy grande en la salida ya que sería más caro y con ello solo estaríamos comprobando exactamente lo mismo que con cualquier otro elemente, entonces pensamos que un timbre de corriente alterna, pero como tampoco lo encontramos pusimos uno más pequeño pero de corriente directa que trabaja con veinticuatro volts. Un día que conectamos el reloj, simplemente no funcionaba, hacia mal los conteos y no se reseteaba en las horas ni en los minutos como debería ser, estaban algunos cables sueltos, fuera de lugar y a simple vista era imposible saber de donde eran, nos dimos a la tarea de revisar todo y no encontramos de donde venia la falla fue así que decidimos desarmar todo el circuito de nuevo y hacerlo bien otra vez cuando estaba terminado funcionaba correctamente.

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Conclusión

En un principio, la idea con la que empezó el proyecto era sobre un reloj con múltiples alarmas controlado por un PIC, que es un dispositivo capaz de ser programado por medio de una computadora con diversas instrucciones en un idioma especial para que realice los procesos para los que fue destinado. Comenzamos buscando algunos diseños de circuitos que tal vez nos serian útiles, encontramos en internet un diagrama que era exactamente lo que buscábamos, este diagrama tenia anexada la programación del PIC en lenguaje hexadecimal y también en ensamblador, comenzamos a buscar los materiales que necesitábamos para el ensamble, poco a poco reunimos todo, así que empezamos, diseñamos un circuito impreso, en el cual irían todas las piezas del reloj, hicimos algunas simulaciones de ciertas partes del circuito y lo ensamblamos, tuvimos dificultad para conseguir un aparato que sirve para cargar el programa en el PIC, no nos detuvimos, después de que ya estaba ensamblado todo el diseño, conseguimos el programador, cargamos el programa pero algo estaba mal en el programa ensamblador, así que el reloj no funcionaba por esto, tratamos de resolverlo pero al final optamos por cambiar el diseño del que sería el proyecto, buscamos otras opciones y encontramos uno que aunque era más grande en cuanto circuitería, y no era manejado por micro controladores, cumplía con las partes que teníamos de la idea principal, ahora el reloj seria programado manualmente desde los circuitos integrados en lenguaje binario, lo cual lo hace un poco mas tedioso pero de igual manera es funcional. El nuevo proyecto parecía ser complicado, pero conforme lo fuimos armando, comenzó a tomar forma, descubrimos cosas que eran innecesarias y otras que se podían adaptar para hacerlo un poco más versátil, un ejemplo de esto fue el

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timer, que tuvimos que diseñar uno completamente distinto al que marcaba el diagrama porque ese era muy inestable, también adaptamos unos botones para adelantar las horas y los minutos, pues el original solo tenía uno, pero con este solo se saltaba dígitos sin control y era difícil programar la hora exacta para que el reloj comenzara a contar, con estos nuevos botones, se adelantan las horas y minutos por separado y con una cadencia de un segundo cada digito, esto lo logramos por medio de los pulsos que cada segundo manda el timer a las compuertas. Para esto tuvimos que investigar sobre los sistemas digitales que implementaríamos al reloj para tener la certeza de que sería la mejor forma de conectar cada elemento, la investigación de este circuito se basa primeramente en lógica convinacional y electrónica de potencia, ya que esta es la que hace posible que este circuito de bajo voltaje sea capaz de controlar mecanismos externos y de altos voltajes. Después de investigar y realizar simulaciones, y pruebas con diferentes elementos, llegamos a la conclusión de que el diagrama original no era demasiado bueno pues el tener que ser programadas las alarmas manualmente no era algo que todos pudieran hacer con facilidad, y aparte que también tenía que ser programado en lenguaje binario, tenia algunos detalles como los que ya mencioné acerca del timer y los botone para adelantarlo, pero si algo me hubiera gustado mejorar, seria la manera de programar las alarmas, diseñar alguna interfaz que fuera capaz de tener entradas en numeración decimal pero con salidas en binario, esto ya no pudo ser posible por falta de tiempo pero pienso que hubiera sido un cambio muy significativo para el proyecto, no tuvimos limitantes por falta de materiales o por altos costos, pues en general, los elementos que usamos son teóricamente baratos y son fáciles de encontrar pues son de uso común para personas que están familiarizadas con la electrónica. Después de terminar mi tesina llegue a la conclusión de que el reloj digital con alarmas programables, puede ser usado de muchas formas y no solo como un simple reloj, pues es capaz de manipular otros elementos sin importar que sean de voltajes o corrientes elevadas, esto es posible por la electrónica de potencia, puede ser usado como un timbre en una escuela o como un sistema que controle las luces de un hogar, o como un sistema de riego, en fin un sin

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número de posibilidades, prácticamente todo tipo de aplicaciones que funcionen con tiempos de espera y de trabajo.

Fuentes de consulta • Electronica básica. Edutelsa. Mexico. •

Intruduction to electricity electronics with the electrical theme. Delmar, Albany, NY. 1979.

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www.electronica2000.com

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www.unicrom.com

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www.rincondelvago.com

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www.wikipedia.com

• www.todopic.com

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Anexos 1.- Pantalla de un reloj digital con segundos

2.- Esquema de bloques de un reloj digital (base de tiempos)

3.- Diagrama de bloques del proyecto

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4.- Compuertas para combinaciones (anexo 5, 6 y 7)

5.- Tabla de verdad y símbolo de compuerta and

AA

B

x =(x A) = A(B) + B

0

0

0

0

1

0

01

00

0 0

01 1

11 0

1 1 1

1

1

1

6.- Tabla de verdad y símbolo de compuerta or

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7.- Tabla de verdad y símbolo de compuerta not

NOT

8.- Configuración de conexiones del codificador utilizado

9.- Relevador de estado solido (utilizado en el proyecto)

A

X

1

0

0

1

10.- Timbre eléctrico de corriente directa (utilizado en el proyecto)

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11.- Regulador de voltaje 7805 (utilizado en el proyecto)

12.-Resistencia de hilo bobinado

13.- Resistencia de carbón prensado

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14.-Resistencias de película de carbón

15.- Resistencia variable La estructura de estas es semejante a la de los reostatos (anexo siguiente)

16.- Reostatos

17.- Capacitores electrolítico

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18.- Capacitores de película

19.- capacitores de mica

20.- capacitores cerámicos

21.- Bobina

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22.- Pulsador 555, de izquierda a derecha circuito astable y monoestable

23.- Displays de siete segmentos

24.- visualizador de incandescencia

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25.- visualizador de proyección (se observan todas sus partes por separado)

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Glosario.

Analógico. Con variaciones continuas. Ánodo. Electrodo de carga positiva. Astable. Modo de funcionamiento del timer. And. Es una operación lógica en la que la salida es la multiplicación de sus dos entradas. BCD. Este tipo de codificadores cuentan con cuatro entradas y siete salidas, las entradas en código binario y las salidas en decimal y listas para conectarlas a un display de siete segmentos. Bit. Es un digito que conforma junto con otros más un dato. Binario, código. Es un lenguaje que se utiliza en la electrónica, desde simples operaciones lógicas en compuertas hasta en la más compleja computadora. Consiste únicamente en 1 y 0, entendiendo como1 a el estado alto y 0 en estado bajo, el valor que cada bit tenga depende directamente del lugar en el que se encuentre, un 1 en el bit 2 vale 2, un 1 en el bit 8 vale 256. Bobina. Componente que es capaz de manejar distintos voltajes, en el se encuentran muchas variantes según sus proporciones. Capacitor. Elemento electrónico capaz de almacenar energía para después expulsarla. Cátodo. Electrodo de carga negativa. Condensador. Nombre dado a un capacitor. Corriente. Es la cantidad de electricidad transmitida por un material conductor. COSC. Siglas del control oficial suizo de cronometría. Diac. Elemento electrónico de la familia de los tiristores, físicamente tiene dos patas.

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Digital. Que se expresa con números, un aparato digital es muy exacto en sus mediciones. Display. Palabra en ingles que se refiere a un visualizador. Electricidad. Forma de energía que manifiesta su acción por medio de fenómenos mecánicos, caloríficos, etc. Es obtenida atreves de diminutas partículas llamadas electrones. Electrolítico. Tipo de capacitor el cual tiene definidos desde su fabricación los electrodos correspondiente para la entrada y salida de voltaje, significa que son polarizados. Frecuencia. Es el numero de ciclos que completa en una unidad de tiempo que en este caso es de un segundo, diez ciclos en un segundo equivale a diez hz. Hz. Es la unidad de frecuencia. Lógicos, ceros. Se le llama cero lógico cuando se encuentra en nivel bajo, significa que no tiene voltaje. Monoestable. Modo de funcionamiento del timer. Moc. Elemento de la familia de los opto acopladores Nivel alto. Esta en nivel alto cuando hay presencia de voltaje. Nivel bajo. Se encuentra en nivel bajo cuando no hay presencia de voltaje. Not. Es una operación lógica en la que la salida es la entrada negada, si en la entrada hay 1 en la salida tendremos 0 y viceversa. Oscilador. Elemento que se encarga de cambiar la frecuencia haciendo mayor o menor la cantidad de Hz. Ohmios. Ohm es la unidad de resistencia, su símbolo es Ω. Or. Operación lógica que se encarga de sumar sus entradas, solo se tendrá un cero en la salida cuando sus entradas estén en este mismo estado.

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PIC. Elemento de la familia de los micro controladores, este elemento es capaz de ser programado con un software para que realice las operaciones indicadas internamente cuenta con memoria ya definida para el programa y los comandos que serán grabados en el, tiene un procesador, así como puertos de entradas y salidas. Pulsador. Elemento que se encarga de enviar pulsos con una frecuencia fija, básicamente alterna entre niveles altos y bajos cada vez que cambia, una vez que se pone nuevamente en nivel alto completa un pulso. Protoboard. Es muy usado entre estudiantes pues con él se pueden hacer todo tipo de conexiones ya que este tiene conexiones internas, básicamente es un elemento que sirve para hacer pruebas con distintas elementos sin tener que modificarlos. Reostatos. Son una especie de resistencias variables muy parecidas a los potenciómetros. Resistencia. Es la capacidad resistiva de un material conductor, su unidad son los ohms y su simbol es Ω. Software. Palabra en ingles que se refiere a un programa con un lenguaje especial y con una aplicación definida. Superconductividad. Fenómeno que afecta las capacidades resistivas de un material, depende mucho de las condiciones en las que se encuentre y de la temperatura, con este fenómeno la resistencia de el conductor puede llagar a cero. Tiristor. Es la familia que engloba a muchos componentes usados en la electrónica de potencia Triac. Elemento de la familia de los tiristores. Físicamente tiene tres patas que son T1, T2 y compuerta. TTL. Es la familia a la que pertenecen muchos elementos de electrónica digital y son siglas en ingles que significan (transistor transistor logic,)

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