Proyecto Alarma de Papel de Aluminio (página 2)

Partes: 1, 2

3.7. CONDENSADOR
ELÉCTRICO

En electricidad y
electrónica, un condensador, a veces
denominado incorrectamente con el anglicismo capacitor, es un
dispositivo formado por dos conductores o armaduras, generalmente
en forma de placas o láminas separados por un material
dieléctrico, que, sometidos a una diferencia de potencial
(d.d.p.) adquieren una determinada carga
eléctrica.

A esta propiedad de
almacenamiento de
carga se le denomina capacidad o capacitancia. En el Sistema
internacional de unidades se mide en Faradios (F), siendo 1
faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus
armaduras a una d.d.p. de 1 voltio, estas adquieren una carga
eléctrica de 1 culombio.

La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que
la de la mayoría de los condensadores,
por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en
micro- µF = 10-6, nano- F = 10-9 o pico- F = 10-12
-faradios. Los condensadores obtenidos a partir de
supercondensadores (EDLC) son la excepción. Están
hechos de carbón activado para conseguir una gran
área relativa y tienen una separación molecular
entre las "placas". Así se consiguen capacidades del orden
de cientos o miles de faradios. Uno de estos condensadores se
incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una capacidad de 1/3
de Faradio, haciendo innecesaria la pila. También se
está utilizando en los prototipos de automóviles
eléctricos.

El valor de la
capacidad viene definido por la fórmula
siguiente:

en donde:

C: Capacidad

Q: Carga eléctrica

V: Diferencia de potencial

En cuanto al aspecto constructivo, tanto la forma de las
placas o armaduras como la naturaleza del
material dieléctrico son sumamente variables.
Existen condensadores formados por placas, usualmente de aluminio,
separadas por aire, materiales
cerámicos, mica, poliéster, papel o por una capa de
óxido de aluminio obtenido por medio de la
electrolisis.

Capacitores o
condensadores

3.8. SCR O
TIRISTOR

El SCR es un dispositivo semiconductor formado por
cuatro capas de material semiconductor con estructura
PNPN o bien NPNP. Sus siglas en inglés
son SCR (Silicon Controlled Rectifier). El nombre proviene de la
unión de Tiratrón (tyratron) y Transistor.

Un SCR posee tres conexiones: ánodo,
cátodo y puerta. La puerta es la encargada de controlar el
paso de corriente entre el ánodo y el cátodo.
Funciona básicamente como un diodo rectificador
controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido.
Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del
SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se
aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir.
Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y
el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente
de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento.
Trabajando en corriente alterna
el SCR se desexcita en cada alternancia o semiciclo.

Símbolo del
tiristor

Cuando se produce una variación brusca de
tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor,
éste puede dispararse y entrar en conducción
aún sin corriente de puerta. Por ello se da como
característica la tasa máxima de subida de
tensión que permite mantener bloqueado el SCR. Este efecto
se produce debido al condensador parásito existente entre
la puerta y el ánodo.

Los SCR se utilizan en aplicaciones de
electrónica de potencia y de
control.
Podríamos decir que un SCR funciona como un interruptor
electrónico. La imagen de este
elemento se muestra a
continuación:

SCR o tiristor

4. DIAGRAMA DEL
CIRCUITO

Para el desarrollo de
este proyecto, se
parte de algo aparentemente sencillo, pero que es el fundamento
de todo, y es el diagrama del circuito a desarrollar. Al
comprender todos los símbolos y los valores de
cada elemento, se procede a comprarlos, y comenzar el proceso de
ensamblaje y prueba del funcionamiento, para que finalmente se
puedan presentar también los cálculos hechos sobre
los componentes, que fueron útiles a la hora de ir armando
el circuito, así como a la hora de estudiarlo y explicar
lo que hace cada componente.

El diagrama es el siguiente:

5. PROCEDIMIENTO DE
ENSAMBLAJE

Lo primero que se deberá realizar es preparar la
placa cobreada, en donde se hará el circuito. Para ello se
presenta a continuación paso a paso el proceso que se ha
seguido para tener lista la placa y comenzar a armar el diseño
del circuito:

Cortar la placa cobreada dándole medidas de
15.5 x 9.5 cm.
Forrar con tirro la parte superior de la placa
cobreada.
Dibujar sobre el tirro el diagrama del circuito.
Cortar con un cuchillo sobre el tirro, la parte
dibujada del diagrama, para luego dejar al descubierto la
parte de cobre
donde se montarán las piezas.
Aplicar esmalte de uñas sobre la parte
descubierta que ya no tiene tirro encima, dejando que se
seque bien.
Quitar el tirro, de modo que quede dibujado el
diagrama con el esmalte.
Calentar 1 taza de agua y
disolver en ella 2 onzas de percloruro.
Introducir la placa en el recipiente que contiene
el agua
con percloruro y agitarlo hasta que el cobre se desprenda de
la parte no esmaltada de la placa cobreada.
El objetivo
de aplicar esmalte sobre el diagrama que se hizo en la placa
es que el percloruro no quite el cobre de donde se ha hecho
dicho diagrama (para que en esa parte haya conducción
de electricidad), pero que el cobre sea removido de todas las
partes de alrededor del diagrama, para que ahí no
exista conducción eléctrica. El principio de
esto consiste en que el esmalte con el percloruro son como el
agua y el aceite,
que nunca se juntan. Para comprobar lo anterior basta aplicar
esmalte sobre el percloruro que se ha disuelto en agua, y se
observará cómo el percloruro queda como una
capa sobre la superficie del agua con percloruro.
Introducir la placa en agua con bicarbonato para
limpiarla completamente de cualquier residuo de percloruro que
haya quedado. Posterior a eso, descubrir el cobre utilizando un
removedor de esmalte, y la placa quedará lista para
comenzar a ensamblar el circuito, de esta manera:
Soldar cada uno de los elementos sobre la placa,
utilizando el cautín y estaño, de acuerdo al
diagrama del circuito.

12. Para mejor estética, instalar en caja protectora el
circuito, protegiéndolo y dándole una mejor
apariencia.

6. FUNCIONAMIENTO DE LA
ALARMA

Esta alarma se activa cuando se abre el circuito, es
decir cuando se rompa el papel de aluminio.

Se trabaja esencialmente con 5 elementos: un
potenciómetro, un transistor, una resistencia, un
condensador eléctrico (capacitor) y un SCR o
tiristor.

Se está trabajando con un transformador con
salida de 5V, aunque funciona también con 6V, lo cuales se
pueden obtener utilizando una fuente regulable.

El potenciómetro o resistencia variable funciona
como un regulador de voltaje, permitiendo la entrada de mayor o
menor voltaje. En este circuito, el potenciómetro hace que
la alarma suene más fuerte o menos fuerte, dependiendo de
la cantidad de ohmios a la que se regule el potenciómetro.
El potenciómetro funciona entonces como un regulador del
volumen de la
alarma, y el volumen se intensifica o es más débil
dependiendo del paso del voltaje que haya hacia el
circuito.

El transistor está funcionando como un
amplificador de pulsos. Este elemento posee tres pines. El primer
paso fue identificar la base, el colector y el emisor del
transistor. Utilizando el voltímetro, se supo que el pin
central es la base y que los otros dos pines son colector y
emisor. Por lo tanto, se supo que este transistor es NPN. La
conducción siempre se da de colector a emisor. Cuando se
rompe el papel de aluminio, el transistor manda un pulso hacia el
SCR, produciendo la excitación de la compuerta y activando
el SCR, de modo que se genera conducción hacia la parte en
donde se encuentra la alarma, y esta comienza a sonar. Cuando se
vuelven a unir los cables donde se encontraba el papel de
aluminio, la alarma deja de sonar.

El capacitor por su parte almacena carga y resulta
útil cuando se encuentra sonando la alarma.
Posteriormente, al desconectar el circuito, el capacitor llega a
descargarse. Este elemento, siendo un filtro, hace la
reducción de la corriente para que puedan haber más
pulsos, haciendo que la alarma suene perfectamente.

Se está utilizando también una resistencia
de 1K, la cual se encuentra protegiendo tanto al transistor como
también al SCR de excesos de corriente.

Lo que activa la alarma es entonces el corte del papel
de aluminio, que es cuando se abre el circuito. Esto debido a que
con el corte, se da un pulso, un choque mínimo de
energía que corre por el circuito, el cual permite que se
reciba energía en la base del transistor y que luego sea
amplificada por el colector y el emisor, llegando a la compuerta
del SCR, la cual es excitada. Al suceder esto, el cátodo y
ánodo se activan, y llega energía a la alarma, con
lo cual comienza a sonar. Como puede observarse, el SCR funciona
como un switch
electrónico, pues con la excitación de la
compuerta, es como cerrar el circuito (ánodo y
cátodo), o abrirlo. Con un switch mecánico, son las
personas las que abren o cierran el interruptor, pero en este
caso, el la excitación de la compuerta la que realiza esta
tarea, por lo cual el SCR puede ser llamado un switch
eléctrico.

Se dijo que la intensidad del sonido o el
número de decibeles del sonido de la alarma son
controlados por el potenciómetro. La explicación es
sencilla, tomando en cuenta que el potenciómetro es el que
regula la entrada de voltaje al circuito, entonces a mayor
voltaje, mayor intensidad del sonido, y a menor voltaje, menor
intensidad del sonido. Cuando el potenciómetro se
encuentra a 1000 ohmios, se da la máxima entrada de
voltaje y por lo tanto el máximo sonido que puede ser
producido por la alarma en este circuito. Cuando el
potenciómetro se encuentra a 0 ohmios, se da la
mínima entrada de voltaje y por lo tanto el mínimo
sonido que puede ser producido por la alarma, que sería
precisamente silencio total, al no haber una entrada de voltaje.
Esto se comprueba con la ley de ohm: V
= I R. De acuerdo a la ecuación anterior, si la
resistencia toma un valor de 0 omnios, por consecuencia el
voltaje automáticamente será cero, lo cual
corresponde a silencio total en el caso de esta alarma. Conforme
se le va dando mayor resistencia a la alarma, el voltaje va
aumentando, y cuando se llega al valor máximo del
potenciómetro, que es de 1000 ohmios, la alarma suena en
su valor máximo, porque se ha permitido la máxima
entrada de voltaje posible desde la fuente o transformador. Si el
potenciómetro está a cero ohmios, significa que no
trabaja el transistor, con lo cual el capacitor no puede llegar a
cargarse, o si estaba cargado, se descarga.

El capacitor mantiene carga siempre que hay voltaje. El
potenciómetro solamente se encuentra controlando la
entrada de voltaje al circuito, pero lo que determinará
que la alarma suene será directamente el pulso generado al
romper el papel de aluminio. No debe pensarse que lo que activa
la alarma es el potenciómetro, pues aunque el
potenciómetro estuviera a 1K, pero si no se ha roto el
papel de aluminio, el transistor no manda la amplificación
a la compuerta del SCR, y esta última no llega a
excitarse, de modo que la alarma no sonaría. Esta alarma
trabaja entonces a través de pulsos, los cuales son
amplificados por el transistor y es así como la compuerta
del SCR se excita y se enciende, al activar la unión
cátodo-ánodo.

Todos los elementos de este circuito son importantes y
necesarios para el funcionamiento de este circuito, pero existen
dos elementos destacables, que son el transistor y el SCR. Estos
en conjuntos son
los que juegan el papel central en la activación y
desactivación de la alarma, aunque no servirían de
nada si no fuera por los otros elementos, por supuesto. El
transistor es llamado también driver, que significa
controlador, pues es el que controla la amplificación de
los pulsos que son inyectados.

Así esta alarma puede ser usada para proteger
ventajas o áreas de vidrio, etc. Se
sabe que el papel de aluminio es un interruptor, y se puede
también decir que es el sensor que activará la
alarma. Siempre que se abra el circuito, la alarma
comenzará a sonar y se mantendrá así
indefinidamente hasta que el circuito se vuelva a cerrar o hasta
que se le desconecte la alimentación de
voltaje. Es un instrumento de gran utilidad para
proteger puertas, ventanas, etc.

7. CÁLCULOS PARA EL
CIRCUITO

A continuación se presentan algunos
cálculos realizados sobre los elementos del circuito que
se ha desarrollado.

En primer lugar se realizarán cálculos
para determinar corrientes en el transistor. Sin embargo debe
tomarse en cuenta que en el transistor no solamente existe una
corriente, por lo cual deberán determinarse 3 corrientes:
la de la base, la del colector y la del emisor.

Corriente de la base base

donde IB es el voltaje de la fuente; VCC es el voltaje
de la fuente o del transformador; VBE es el voltaje base emisor,
que al medirlo es de 0.7V, aunque ya se sabe por fórmula
que siempre tendrá este valor cuando se encuentre en su
estado
"encendido"; RB es la resistencia de la base, que es el
potenciómetro de 1K o de 1000Ω.

Corriente del emisor y corriente del
colector

Se parte de la siguiente ecuación:

IE = IB + IC

donde IE es la corriente del emisor, IB es la corriente
de la base e IC es la corriente del colector. Sin embargo, se
observará que la corriente de la base es mucho menor que
la corriente del emisor y del colector, de modo que si las
corrientes del emisor y del colector estuvieran dadas en
miliamperios, la corriente de la base estaría dada en
microamperios, y si la corriente del emisor y del colector
están dadas en amperios, la corriente de la base
está en miliamperios, por lo cual la fórmula puede
ser reducida a:

IE = IC

Partiendo de la ecuación anterior, se observa que
bastará encontrar una de las dos corrientes, y se
conocerá el valor de ambas.

IC = ß IB

IC = (200) (0.0043A)

IC = 0.86A

Donde IC es la corriente del colector; ß es una
constante que ha sido buscada en el Manual ECG de
acuerdo al transistor usado; IB es la corriente de la base, que
se calculó anteriormente.

Por lo tanto debido a que la corriente del emisor es
igual a la corriente del colector, se obtiene lo
siguiente:

IC = IE = 0.86A

Corriente en el
potenciómetro

Se obtiene utilizando la ley de
ohm:

I = V / R

I = 5V / 1000Ω

I = 0.005A

donde I es la corriente que pasa sobre el
potenciómetro; V es el voltaje suministrado que
llega al potenciómetro; y R es la resistencia que
tiene el potenciómetro mismo.

Voltaje y corriente en la resistencia de
1000Ω

Utilizando el voltímetro se supo que el voltaje
en esta resistencia es de 1.2V. Téngase en cuenta que esto
se da únicamente cuando está activada la alarma, de
lo contrario el voltaje es 0V. Para determinar la corriente en
esta resistencia se utiliza la ley de ohm y se tiene:

I = V / R

I = 1.2V / 1000 Ω

I = 0.0012A

Carga en el condensador cuando suena la
alarma

Para determinar esta carga se ha utilizado la
fórmula de capacitancia. También se midió el
voltaje que hay en el capacitor cuando la alarma se encuentra
sonando, que fueron 4V. Se obtuvo el siguiente valor para la
carga del condensador:

Q = C V

Q = (0.0000047F) (4V)

Q = 0.0000188 Coulomb

Donde Q es la carga del condensador, que se mide
en Coulomb; C es el valor de capacitancia que tiene el
condensador utilizado y que está medido en Faraday; y V es
el voltaje que hay en el filtro o capacitor.

Corriente en la compuerta del
SCR

Para esta medición se obtienen los siguientes
valores:

Donde IG es la corriente en la compuerta del SCR; VDC es
el voltaje que hay en el SCR, luego de haber sido medido con el
voltímetro; R es la resistencia de 1000Ω.

8. PRESUPUESTO

Finalmente se presenta el presupuesto para
hacer esta alarma, donde se detallan los precios de
cada uno de los elementos utilizados:

Elemento Precio

Potenciómetro de
1K…………………………………………………………………$1.00

Transistor HEP
53……………………………………………………………………$0.51

Resistor de 1K y
0.5W……………………………………………………………….$0.31

Capacitor de 47 microF x
16V………………………………………………………$0.25

SCR HEP
R110………………………………………………………………………$1.53

Placa
cobreada………………………………………………………………………$5.00

2 onzas de
percloruro……………………………………………………………….$4.00

Sirena 6 tonos
S1-136………………………………………………………………$5.85

Caja de madera con
vidrio e
interruptor…………………………………………….$6.00

TOTAL……………………………………………………………………………..$24.45

CONCLUSIÓN

Haber hecho este proyecto ha sido una experiencia muy
importante debido a que se han puesto en práctica los
conocimientos adquiridos en clases, y a la vez se han adquirido
nuevos conocimientos en el proceso de investigación y desarrollo de este
proyecto.

Se ha aprendido a crear un circuito a partir de un
diagrama dado, reconociendo las partes y componentes, para
ensamblarlos posteriormente.

En este proyecto se aplicaron fórmulas y
conocimientos estudiados en las clases de Electricidad y Magnetismo, lo
cual era uno de los objetivos
fundamentales de todo esto.

No solamente se han ensamblado los componentes, sino que
además de haber hecho funcionar satisfactoriamente la
alarma, se ha logrado comprender perfectamente la función
que cada elemento realiza dentro del circuito, de manera que es
posible dar una explicación detallada del lo que cada
elemento hace, lo cual se ha hecho en este documento como se
hará también en la presentación oficial que
se hará de este proyecto en la clase.

Finalmente se desarrollaron cálculos de
corriente, voltaje y de resistencias
sobre los elementos utilizados, siendo esto útil en el
proceso de ensamblaje como también al finalizado el
proyecto y haber hecho funcionar la alarma, pues estos
cálculos permiten estudiar a fondo las fórmulas y
relaciones de corriente, voltaje y resistencias, confirmando que
los principios
eléctricos estudiados en clase con relación a estos
valores obtenidos en la práctica, son verdaderos y
coinciden perfectamente con lo que se ha estudiado
teóricamente. Así, se han cumplido todos los
objetivos propuestos, y se ha finalizado exitosamente este
proyecto.

BIBLIOGRAFÍA

1. Ciencias
Místicas. Introducción a la
electrónica. Extraído el 2 de noviembre, 2006
de
http://www.cienciasmisticas.com.ar/electronica/teoria/introduccion/index.php

2. Wikipedia. Tiristor. Extraído el 5 de
noviembre, 2006 de
http://es.wikipedia.org/wiki/Tiristor

3. The University Of Arizona. The Department of
Electrical and Computer Engineering. Foto de transistor.
Extraído el 5 de noviembre, 2006 de
http://apache.ece.arizona.edu/~ece220/Course_Notes/transistor.JPG

4. Wikipedia. Potenciómetro (resistencia
variable). Extraído el 5 de noviembre, 2006 de
http://es.wikipedia.org/wiki/Potenci%C3%B3metro_%28resistencia_variable%29

5. Mercado BR.
Foto potenciómetro. Extraído el 5 de
noviembre, 2006 de http://www.aberto24hrs.com.br/ftp/13001797835/Potenciometro.jpg

6. Wikipedia. Resistencia eléctrica.
Extraído el 5 de noviembre, 2006 de
http://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctrica

7. Wikipedia. Condensador eléctrico.
Extraído el 5 de noviembre, 2006 de
http://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_el%C3%A9ctrico

8. Handtools and electrical components. Foto de
capacitor. Extraído el 5 de noviembre, 2006 de
http://profesanxenxo.iespana.es/electrical/capacitor.jpg

9. Wikipedia. Tiristor. Extraído el 5 de
noviembre, 2006 de
http://es.wikipedia.org/wiki/Tiristor

10. Alibaba.com. Foto de SCR. Extraído el
5 de noviembre, 2006 de

http://img.alibaba.com/photo/50312353/BTA06_Triac.jpg