TRABAJO DE MÓODULO

Dispositivo facilitador

del despertar infantil

Paula LabartaPaula López

Javier PeredaIñaki Vazquez

51 FASE 1

ANÁLISIS ELÉCTRICO

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ANÁLISIS ELÉCTRICO ¿CÓMO SE FABRICA UN DESPERTADOR DIGITAL?

Un reloj digital es técnicamente sólo un relojquemuestralahoraenformadigitalenlugardeunamaneraanáloga.Esosignificaqueenlugardeutilizarlasagujasquecirculanalrededordeunaesfera,losnúmerossemuestrancontecnologíadeiluminaciónsimple. Hay relojes analógicos que utilizan sistemaselectrónicosparacontrolarlas,perolamayoríautilizasistemas analógicos; en casi todos los casos, losrelojes digitales utilizan componentes electrónicosquerealizanlasmismastareas.

Parámetros

Tensión

La tensiónopotencial (envoltios)eselprimerparámetro a considerar, pues es el que sueledeterminar si el acumulador conviene al uso al cual se ledestina.Vienefijadoporelpotencialdereduccióndelparredoxutilizado;sueleestarentre1Vy4Vporelemento.

Seobtienedecalculareltrabajo,W,requeridoparatransferirunacantidaddecargaqueatravésdeunaseccióntransversaldeunelemento(elconductorocable)contralafuerzaeléctricaqueproducenlasotras cargas del conductor. La unidad de voltaje es elvoltio.Matemáticamente:

Donde: = voltaje = trabajo = carga = tiempo

Simplificandomucho,elvoltajeescomolaalturadeunacascadadeagua,mientrasmásaltasealacascada,mayorserásufuerzaparamoverunanoria.Unacascadadeaguadealturapequeñamoverápoco la rueda, hará poco trabajo. Una cascadadegranalturamoverámucho la rueda, harágrantrabajo.Porellosi sequiereobtenermástrabajosenecesita una pila de voltaje superior.

Corriente

Es la tasa de cambio neta de la carga Q (medido en culombios) transferida a través de una seccióntransversaldeunconductor.

Donde: = corriente = carga = tiempo

Siguiendo la analogía anterior la corriente es comoelaguadeunacascadaque sedesplazayquemuevelanoria.

Capacidad de carga

Lacapacidaddecargaquepuedealmacenarelelementoocapacidaddelacumulador,semideenamperios-hora(Ah)yeselsegundoparámetroaconsiderar. Especial importancia tiene en algunos casos la intensidaddecorrientemáximaobtenible,medida en amperios (A). Un miliamperio-hora es la corriente enmiliamperios que puede entregar la pila durante 1hora.Entreunabateríaopilade1200mAhyotrade2200mAhlasegundadurarámástiempoporquetienemayor cantidad de carga eléctrica almacenada.

Carga eléctrica

Lacargaeléctricasemideen laprácticaporreferencia a los tiempos de carga y de descarga en amperios (A). La unidad SI es el culombio (C).

Donde:Q = carga eléctricaI = intensidadt = tiempo (en segundos) = tiempo en horas

Portanto,lacargaeléctricaenlasdistintasunidadeses:

Energía

Laenergíaquepuede suministrar unabateríadependedesucapacidadydesuvoltaje,semidehabitualmenteenWh(vatios-hora);launidadSIeseljulio.

Donde:W=energíaP = potenciat = tiempo (en segundos)th= tiempo (en horas)

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Portantolasequivalenciasentreunidadesson:

Como:

Donde:P = potenciai = intensidadV=diferenciadepotencial

Laequivalenciadeunidadessepuededesarrollaren:

Téngaseencuenta,sinembargo,que,cuandole den indicaciones en el cuerpo de las baterías o ensusenvases,como«Cárguesea120mAdurante12 horas», el producto resultante excederá lacapacidaddelacumulador,elexcesodecargasedisipa dentro de la batería en forma de calor a causa de su resistencia interna.

Si la capacidad del acumulador fuesen 1200mAhyseleaplicaraunacorrientedecargade120mAdurante12horas, ,porloque240mAhserálacargaconvertidaencalordentrodelabateríay1200mAhlaefectivamentealmacenadaen ella. Para calcular la energía perdida bastaría multiplicar los 240mAhdeexcesodecargapor latensióndecarga.

Resistencia

La resistencia de las baterías es muy inferior a lade laspilas, loque lespermite suministrarcargasmuchomásintensasquelasdeéstas,sobretododeforma transitoria. Por ejemplo, la resistencia internadeunabateríadeplomo-ácidoesde0,006ohm,yladeotradeNi-Cd,de0,009ohm.

Masa

Otra de las características importantes de una batería es su masa, y la relación entre ella yla capacidad eléctrica (Ah/kg) o la energía (Wh/kg)quepuederestituir.Enalgunoscasospuedesertambiénimportanteelvolumenqueocupe(Ah/m3)o (Ah/litro).

Rendimiento

Elrendimientoeslarelaciónporcentualentrelaenergía eléctrica recibida en el proceso de carga y laqueelacumuladorentregaduranteladescarga.Labateríadeplomo-ácidotieneunrendimientodemásdel90%.lasbateríasNi-Cdun83%.

Constante de carga/descarga C

Cesunaconstantecreadapor los fabricantesquedepende de los miliamperios hora especificadosen labateríayqueseusaparapoder señalarmásfácilmente la intensidada laquedebecargarseodescargarseunabateríasinqueéstasufradaños.Secalcula como sigue:Donde:C= cte carga o descargaX= capacidad en mAh de la batería

Enelmercado,porejemplo,laspilasLiPovienenrotuladascon20Cosimilares,estenúmeroindicalamáximacapacidaddedescargaysedestacaenlosrótulosporquesegúnelusoqueselesdé,porejemplopararadioaficionadosquecompitenencarrerasdeauto o aviones les indicará el tiempo de vuelo, laduraciónvariará.UnabateríadeCmayorqueotratendráuncostesuperior.

Efecto memoria

Elefectomemoriaesunefectonodeseadoqueafecta a las baterías y por el cual en cada recarga se limita el voltaje o la capacidad (a causa de un tiempolargo,unaaltatemperatura,ounacorrienteelevada). La consecuencia es la reducción de lacapacidad de almacenar energía debido a el interior de la batería.

ANÁLISIS ELÉCTRICO

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Componentes

La pantalla

Cuandoseestáfabricandounrelojdigital,unade laspartesmás importanteseselchapadode lacaradel reloj en sí, quemuestra los números. Estaspequeñas caras están fabricadas de LED o LCD.El LCD, o pantalla de cristal líquido, usan cristalessuspendidos en una solución de fluido que puederefractar la luz en formas específicas para creardiferentescolores(porlogeneraldeunsolocolor,enun reloj digital).

La propia pantalla puede ser un arreglo complejo dematrizdepuntosquepermitequelosnúmeroseimágenes seanmás detallados, o una pantalla desiete segmentos, que es una composición de sietebarrasdeLCDquesepuedeactivarodesactivarendiferentessegmentosparacrearunnúmerode1a9.LosrelojesLEDutilizandiodosemisoresde luzqueirradian luz en lugar de simplemente refracción, loqueconllevaapantallasmásbrillantesyunagamamásampliadecolores.

Otros componentes

Una vez hecha la placa de la pantalla, secombinacon losotroscomponentes, incluyendo labateríaoelsistemadecarga.Unrelojdigitalnecesitatener acceso a una fuente continua de energía,por loqueestáequipadoconunabateríasimpleocompartimento de batería o un adaptador de CA quepuedeserenchufadopararecibirenergíadelacasa.

Si un reloj digital está diseñado para serconectadoalapared,puedeutilizarlasoscilacionesde60Hzpresentesen laalimentacióndeCAparamedir el tiempocon uncontadordigital quemidecada hertz a medida que pasa por resolver lossegundos.

Los relojes digitales sin adaptadores utilizanun oscilador de cristal (un cristal sometido a una corriente) que es más preciso. Para controlar elflujo de energía en la pantalla, los diferentes tiposde circuitos de enlace se instalan para dirigir la corrientealosdiferentessegmentosdelreloj,segúnlas indicaciones del contador. También se instalan otros tipos necesarios de dispositivos electrónicos,incluyendounpuente rectificador,un reguladordetensión,condensadoresyresistenciasparagestionarelflujodelacorriente.

Batería Eléctrica

Se denomina batería, batería eléctrica,acumulador eléctrico o simplemente acumulador,al dispositivo que consiste en una o más celdaselectroquímicas que pueden convertir la energíaquímicaalmacenadaenelectricidad.Cadaceldaconsta de un electrodo positivo, o ánodo y unelectrodo negativo, o cátodo y electrolitos quepermitenquelosionessemuevanentreloselectrodos,facilitandoquelacorrientefluyafueradelabateríaparallevaracabosufunción. Las baterías vienen en muchas formas y tamaños, desde las celdas en miniatura que seutilizanenaudífonosyrelojesdepulsera,alosbancosde baterías del tamaño de las habitaciones queproporcionan energía de reserva a las centrales telefónicasyordenadoresdecentrosdedatos.

El principio de funcionamiento de un acumulador estábasadoesencialmenteenunprocesoquímicoreversible llamado reducción-oxidación (tambiénconocidacomo redox),unprocesoenelcualunode los componentes se oxida (pierde electrones) y el otrosereduce(ganaelectrones);esdecir,unprocesocuyos componentes no resulten consumidos ni se pierdan, sino que meramente cambian su estadodeoxidacióny,quea suvezpueden retornara suestado original en las circunstancias adecuadas. Estas circunstanciasson,enelcasodelosacumuladores,el cierre del circuito externo, durante el procesode descarga, y la aplicación de una corriente,igualmenteexterna,durantelacarga.

Resultaqueprocesosdeestetiposonbastantecomunesenlasrelacionesentreloselementosquímicosy la electricidad durante el proceso denominado electrólisis, y en los generadores voltaicos o pilas.Los investigadores del siglo XIX dedicaron numerosos esfuerzosaobservaryaesclarecerestefenómeno,querecibióelnombredepolarización.

Unacumuladores,así,undispositivoenelquela polarización se lleva a sus límites alcanzables, yconsta,engeneral,dedoselectrodos,delmismoodedistintomaterial,sumergidosenunelectrolito.

Adaptador de Corriente Alterna

Unadaptadordecorrientealterna,adaptadorAC/DC o convertidor AC/DC es un tipo de alimentación externa, a menudo encerrada en loqueaparenta ser unaclavijadecorrientedegrantamaño.

ANÁLISIS ELÉCTRICO

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Los adaptadores de corriente alterna (CA) se utilizan normalmente con los dispositivos eléctricosquenocontienensupropiafuentedealimentacióninterna. Los circuitos internos de una fuente de alimentación externa son muy similares en diseñoalqueseutilizaparalaalimentaciónimbuido(built-in)ointerna,peroexistenvariasventajasdesepararla fuentedealimentacióndel cuerpoprincipal deldispositivoelectrónico.

Adaptadores de Corriente Universales

Es inherente a los adaptadores externos de corriente el que se puedenobtener separados delproducto al que están destinados a alimentar. Enconsecuencia, existe unMercadodeadaptadoresdereemplazo.Además,sedebensustituirlasfuentesdealimentaciónquesehanaveriado.Nosólodebecoincidireladaptadorsustitutoenelvoltaje,corrienteypolaridad,sinotambiéndebecoincidireneltipodeconector.

Algunasfuentesdealimentacióndereemplazollamadas “universales” permiten que se cambieel voltaje y la polaridad, lo que puede aliviar elproblemadelaconcordancia.Además,elconectordealimentacióndebecoincidir.

Los conectores X de cuatro direcciones o los conectores de estrella de seis vías, tambiénconocidos como conectores araña, con múltiplestipos y tamaños de enchufe, son comunes en lasfuentesdealimentacióngenéricas.Otrasfuentesdealimentaciónde reemplazoestánpreparadasparacambiarelconectordealimentación,condecuatrohasta nueve alternativas diferentes disponibles si se compran en un conjunto.

Oscilador de Cristal

Un oscilador de cristal es aquel osciladorque incluye en su realimentación un resonadorpiezoeléctrico.El oscilador de cristal se caracterizapor su estabilidadde frecuencia ypurezade fase,dada por el resonador.

La frecuencia es estable frente a variaciones de latensióndealimentación.Ladependenciacon latemperaturadependedel resonador,perounvalortípicoparacristalesdecuarzoesde0’005%delvalora25°C,enelmargende0a70°C.

Estos osciladores admiten un pequeño ajustedefrecuencia,conuncondensadorenserieconelresonador,queaproxima la frecuenciadeeste,dela resonancia serie a la paralela. Este ajuste se puede utilizarenlosVCOparamodularsusalida.

Puente Rectificador

Elpuenterectificadoresuncircuitoelectrónicousado en la conversión de corriente alterna encorriente continua. También es conocido como circuito o puente de Graetz, en referencia a sucreador,elfísicoalemánLeoGraetz(1856-1941).

Consiste en cuatro diodos comunes, queconvierten una señal con partes positivas y negativas enuna señalúnicamentepositiva.Un simplediodopermitiría quedarse con la parte positiva, peroel puente permite aprovechar también la parte negativa.Elpuente,juntoconuncondensadoryundiodoZener,permiteconvertirlacorrientealternaencontinua.

El papel de los cuatro diodos comunes es hacer quelaelectricidadvayaenunsolosentido,mientrasqueel restodecomponentes tienencomo funciónestabilizar la señal.Usualmente se sueleañadir unaetapa amplificadora con un transistor BJT parasolventar las limitaciones que estos componentestienenenlaprácticaencuantoaintensidad.

Regulador de Tensión

Unreguladordetensiónoreguladordevoltajeesundispositivoelectrónicodiseñadoparamantenerunniveldetensiónconstante.

Los reguladores electrónicos de tensión seencuentran en dispositivos como las fuentes de alimentacióndeloscomputadores,dondeestabilizanlas tensiones DC usadas por el procesador y otros elementos.Enlosalternadoresdelosautomóvilesyenlasplantasgeneradoras, los reguladoresde tensióncontrolan la salida de la planta.

En un sistema de distribución de energíaeléctrica, los reguladores de tensión puedeninstalarseenuna subestacióno juntocon las líneasdedistribucióndeformaquetodoslosconsumidoresrecibanunatensiónconstanteindependientementedequétantapotenciaexistaenlalínea.

ANÁLISIS ELÉCTRICO

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ANÁLISIS ELÉCTRICO

Condensador Eléctrico

Un condensador eléctrico o capacitor esun dispositivo pasivo, utilizado en electricidady electrónica, capaz de almacenar energíasustentandouncampoeléctrico. Está formadoporunpardesuperficiesconductoras,generalmenteenformadeláminasoplacas,ensituacióndeinfluenciatotal(estoes,quetodaslaslíneasdecampoeléctricoquepartendeunavanapararalaotra)separadasporunmaterialdieléctricooporelvacío.Lasplacas,sometidasaunadiferenciadepotencial,adquierenunadeterminadacargaeléctrica,positivaenunadeellasynegativaen laotra, siendonula lavariaciónde carga total.

Aunque desde el punto de vista físico uncondensador no almacena carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánicalatente;alserintroducidoenuncircuitosecomportaen la práctica como un elemento “capaz” dealmacenar laenergíaeléctricaque recibeduranteel periodo de carga, la misma energía que cededespués durante el periodo de descarga.

La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de potencial entre esta placaylaotra,siendolaconstantedeproporcionalidadla llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de unidades semide en Faradios (F),siendo1 faradio lacapacidaddeuncondensadorenelque,sometidassusarmadurasaunad.d.p.de1 voltio, estas adquieren una carga eléctrica de 1culombio.Encuantoalaspectoconstructivo,tantolaformadelasplacasoarmadurascomolanaturalezadel material dieléctrico son sumamente variables.

Existen condensadores formados por placas,usualmente de aluminio, separadas por aire,materiales cerámicos, mica, poliéster, papel o porunacapadeóxidodealuminioobtenidopormediodelaelectrólisis.

Resistencia Eléctrica

Se le denomina resistencia eléctrica a la igualdaddeoposiciónque tienen los electronesalmoverse a través de un conductor. La unidad de resistencia en el Sistema Internacional es el ohmio,queserepresentaconlaletragriegaomega(Ω),enhonoralfísicoalemánGeorgOhm,quiendescubrióelprincipioqueahorallevasunombre.

Paraunconductordetipocable,laresistenciaestádadaporlasiguientefórmula:

Dondeρeselcoeficientedeproporcionalidadolaresistividaddelmaterial,eslalongituddelcableySeláreadelaseccióntransversaldelmismo.

La resistencia de un material depende directamente de dicho coeficiente, además esdirectamente proporcional a su longitud (aumenta conforme es mayor su longitud) y es inversamente proporcional a su sección transversal (disminuyeconformeaumentasugrosoroseccióntransversal).

Descubierta por Georg Ohm en 1827, laresistencia eléctrica tiene un parecido conceptual conlafricciónenlafísicamecánica.LaunidaddelaresistenciaenelSistemaInternacionaldeUnidadeseselohmio(Ω).Parasumedición,enlaprácticaexistendiversosmétodos,entrelosqueseencuentraelusodeunohmnímetro.Además,sucantidadrecíprocaeslaconductancia,medidaenSiemens.

Asociación de resistencias

Resistencia equivalente

Se denomina resistencia equivalente de unaasociaciónrespectodedospuntosAyB,aaquellaqueconectadaalamismadiferenciadepotencial,UAB,demanda lamisma intensidad, I. Esto significaqueantelasmismascondiciones,laasociaciónysuresistenciaequivalentedisipanlamismapotencia

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ANÁLISIS ELÉCTRICO

Asociación mixta

Enunaasociaciónmixtapodemosencontrarnosconjuntos de resistencias en serie con conjuntos de resistencias en paralelo.

Para determinar la resistencia equivalentede una asociación mixta se van simplificando lasresistencias que están en serie y las que están enparalelodemodoqueelconjuntovayaresultandocadavezmássencillo,hastaterminarconunconjuntoen serie o en paralelo.

Asociaciones estrella y triángulo

a)Asociaciónenestrella. b)Asociaciónentriángulo.

Asociación en paralelo

Dosomásresistenciasseencuentranenparalelocuandotienendosterminalescomunesdemodoqueal aplicar al conjunto unadiferenciadepotencial,UAB,todaslasresistenciastienenlamismacaídadetensión,UAB.

Para determinar la resistencia equivalentede una asociación en paralelo imaginaremos queambas, figuras 4b) y 4c), están conectadas a lamisma diferencia de potencial mencionada, UAB,loqueoriginaráunamismademandadecorrienteeléctrica,I.Estacorrienteserepartiráenlaasociaciónpor cada una de sus resistencias de acuerdo con la primera ley de Kirchhoff:

Aplicando la ley de Ohm:

Enlaresistenciaequivalentesecumple:

IgualandoambasecuacionesyeliminandolatensiónUab:

Dos resistencias: en este caso se puede comprobar que la resistencia equivalente es igual al productodivididoporlasumadesusvalores,estoes:

Asociación en serie

Dosomásresistenciasseencuentranconectadasen serie cuando al aplicar al conjunto una diferencia depotencial,todasellassonrecorridasporlamismacorriente.

Para determinar la resistencia equivalente deuna asociación serie imaginaremos que ambas,figuras 4a) y 4c), están conectadas a la mismadiferenciadepotencial,UAB.SiaplicamoslasegundaleydeKirchhoffalaasociaciónenserietendremos:

Aplicando la ley de Ohm:

Enlaresistenciaequivalente:

Finalmente,igualandoambasecuacionesseobtieneque:

Y eliminando la intensidad:

Por lo tanto, la resistencia equivalente a nresistencias montadas en serie es igual a la sumatoria de dichas resistencias.

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En la figura a) y b) pueden observarserespectivamentelasasociacionesestrellaytriángulo,también llamadas T y n o delta respectivamente. Este tipo de asociaciones son comunes en las cargas trifásicas. Las ecuaciones de equivalencia entreambas asociaciones vienen dadas por el teorema de Kennelly:

-Resistenciasenestrellaenfuncióndelasresistenciasentriángulo(transformacióndetriánguloaestrella).

El valor de cada una de las resistencias en estrella es igual al cociente del producto de las dos resistenciasentriánguloadyacentesalmismoterminalentrelasumadelastresresistenciasentriángulo.

Resistencias en triángulo en función de lasresistenciasenestrella (transformacióndeestrellaatriángulo).

El valor de cada una de las resistencias en triánguloes igual lasumade lasdos resistenciasenestrella adyacentes a losmismos terminalesmás elcociente del producto de esas dos resistencias entre la otra resistencia.

ANÁLISIS ELÉCTRICO

Asociación puente

Si en una asociación paralelo de series seconectauna resistenciaqueuna lasdos ramasenparalelo,seobtieneunaasociaciónpuente.

Ladeterminacióndelaresistenciaequivalentede este tipo de asociación tiene sólo interéspedagógico. Paraello se sustituyebien unade lasconfiguracionesentriángulodelaasociación,laR1-R2-R5olaR3-R4-R5porsuequivalenteenestrella,bienunadelasconfiguracionesenestrella,laR1-R3-R5olaR2-R4-R5porsuequivalenteentriángulo.Enamboscasos se consigue transformar el conjunto en una asociaciónmixta de cálculo sencillo. Otrométodoconsiste en aplicar una fem (E) a la asociación yobtenersuresistenciaequivalentecomorelacióndedicha fem y la corriente total demandada (E/I).

Elinterésdeestetipodeasociaciónestáenelcasoenelqueporlaresistenciacentral,R5,nocirculacorrienteoR4,enfuncióndelasotrastres.

Cable Conductor

Se llama cable a un conductor (generalmente cobre) o conjunto de ellos generalmente recubierto deunmaterialaislanteoprotector,sibientambiénseusaelnombredecableparatransmisoresdeluz(cabledefibraóptica)oesfuerzomecánico(cablemecánico).

Loscablesqueseusanparaconducirelectricidadse fabrican generalmente de cobre, debido a laexcelente conductividad de este material, o dealuminioqueaunqueposeemenorconductividadesmáseconómico.

Un cable eléctrico se compone de:

-Conductor: Elemento que conduce la corrienteeléctricaypuedeserdediversosmaterialesmetálicos.Puede estar formado por uno o varios hilos.

-Aislamiento: Recubrimiento que envuelve alconductor, para evitar la circulación de corrienteeléctrica fuera del mismo.

-Capade relleno:Materialaislantequeenvuelvealos conductores paramantener la sección circulardel conjunto.

-Cubierta: Está hecha de materiales que protejanmecánicamente al cable. Tiene como funciónproteger el aislamiento de los conductores de la accióndelatemperatura,sol,lluvia,etc.

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ANÁLISIS ELÉCTRICO

Número de conductores:

-Unipolar:Unsoloconductor.-Bipolar: 2 conductores.-Tripolar:3conductores.Esunifase(marrónonegro),unneutro(azul)ytierra(verdeyamarillo).-Tetrapolar:4conductores. Sondos fases (marrónynegro),unneutro(azul)ytierra(verdeyamarillo).-Pentapolar: 5 conductores. Estos cables se compo-nende 3 fases (gris o celeste,marrón y negro), unneutro(azul)ytierra(verdeyamarillo).

Materiales empleados:

-Cobre.-Aluminio.-Constantán,unaaleacióndecobre.-Almelec,unaaleacióndealuminio.

Interruptor

Uninterruptoreléctricoesensuacepciónmásbásicaundispositivoquepermitedesviarointerrumpirel curso de una corriente eléctrica. En el mundo modernosus tiposyaplicacionesson innumerables,van desde un simple interruptor que apaga oenciende una bombilla, hasta un complicadoselector de transferencia automático de múltiplescapas,controladoporcomputadora.

Su expresión más sencilla consiste en doscontactos de metal inoxidable y el actuante. Los contactos, normalmente separados, se unenmedianteunactuanteparapermitirquelacorrientecircule.Elactuanteeslapartemóvilqueenunadesusposicioneshacepresiónsobreloscontactosparamantenerlos unidos.

Flexibilidad del conductor:

-Conductor rígido.-Conductorflexible.

Aislamiento del conductor:

-Aislamientotermoplástico-PVC-(policlorurodevinilo).-PE - (polietileno).-PCP-(policloropreno),neoprenooplástico.-Aislamiento termoestable:-XLPE - (polietileno reticulado).-EPR - (etileno-propileno).-MICC - Cable cobre-revestido Mineral-aislado.

FASE 3

ELECTRICIDAD

CPU

AlahoradeelegirlaCPUparaeldispositivosehandeestablecer unaspremisasqueebecumplir paraque sea laidónea:

-Dimensionesreducidasparaqueencajeenlasdimensionesestablecidas del producto.-Peso reducidoparaqueel jugueteen suconjuntono seamuy pesado y pueda ser manejado por los niños.-Precioreducidoparaquenovaríemuchoelpreciomediode producto.

Dentrodelasposibilidadesquenosofreceelmercadoencon-tramos:

Raspberry PI

Raspberry Pi es un ordenador de placa reducida de bajocostedesarrolladoenReinoUnidoporlaFundaciónRas-pberryPi,conelobjetivodeestimularlaenseñanzadecien-ciasdelacomputaciónenlasescuelas.

El diseño incluye un System-on-a-chip Broadcom BCM2835, que contiene un procesador central (CPU) ARM-1176JZF-Sa700MHz,unprocesadorgráfico(GPU)VideoCoreIV,y512MBdememoriaRAM.Eldiseñonoincluyeundiscoduroniunidaddeestado sólido,yaqueusauna tarjetaSDparaelalmacenamientopermanente;tampocoincluyefuen-tedealimentaciónnicarcasa.

Arduino

Arduinoesunaplataformadehardwarelibre,basadaen una placa con un microcontrolador y un entorno de desa-rrollo,diseñadaparafacilitarelusodelaelectrónicaenpro-yectos multidisciplinares.

El hardware consiste en una placa con un microcontro-ladorAtmelAVRypuertosdeentrada/salida.4Losmicrocon-troladoresmásusadossonelAtmega168,Atmega328,Atme-ga1280,yAtmega8porsusencillezybajocostequepermitenel desarrollo demúltiples diseños. Por otro lado el softwareconsisteenunentornodedesarrolloqueimplementael len-guajedeprogramaciónProcessing/Wiring yel cargadordearranquequeesejecutadoenlaplaca. Arduino sepuedeutilizarparadesarrollarobjetos inte-ractivos autónomos o puede ser conectado a software talcomoAdobeFlash,Processing,Max/MSP,PureData.Laspla-cassepuedenmontaramanooadquirirse.Elentornodede-sarrollo integrado libre se puede descargar gratuitamente. Arduinopuedetomarinformacióndelentornoatravésdesusentradasanalógicasydigitales,puedecontrolarluces,motores y otros actuadores. El microcontrolador en la placa ArduinoseprogramamedianteellenguajedeprogramaciónArduino(basadoenWiring)yelentornodedesarrolloArdui-no (basado en Processing). Los proyectos hechos con Arduino pueden ejecutarse sin necesidad de conectar a un compu-tador.Tambiéncuentaconsupropiosoftwarequesepuededescargardesupaginaoficialqueya incluye losdriversdetodas lastarjetasdisponibles loquehacemasfácil lacargadecódigosdesdeelcomputador.

BeagleBone

BeagleBone es un ordenador pequeño del tamañodeuna tarjetadecrédito, dondepuedesejecutar un siste-maoperativo,comopuedeserLinux/Android4.0.SuprincipaldiferenciaconArduinoesquepuedeejecutarunpequeñosistemaoperativo,esprácticamenteunminiordenadordon-de se pueden ejecutar programas sobre estos sistemas ope-rativos.BeagleBone,estádiseñadoparafuncionaraunnivelmuchomásaltoytienemuchamáscapacidaddeprocesoqueArduino.

FASE 3

Nanode

PorúltimotenemoselNanode.Nanodeesunaevolu-ción deArduino, que permite a este conectarse a Interneta travésdeunAPI ypuedes incluso utilizarlo como servidordepáginaswebsimplespermitiendoalusuarioconfigurareldispositivo.Al igualqueArduino, seprogramaconelmismoentornoyesabierto,estandodisponibleparaquesepuedaprogramardesdecualquier sistemaoperativo (MAC,LinuxyWindows).

Diodo emisor de luz infrarroja (LED IR)

EsteLEDemiteuntipoderadiaciónelectromagnéticallamadainfrarroja,queesinvisibleparaelojohumanoporquesu longitud de onda es mayor a la del espectro visible. Yaquenopodremosverasimplevistasinuestroemisorestafuncionando(alpolarizarlo),tendremosquecomprobarloutilizandoalgunacámaradefotografíaovideodigital,comola de nuestro celular.

En términos más técnicos, un sensor infrarrojo esun dispositivo electrónico capaz de medir la radiaciónelectromagnética infrarroja de los cuerpos en su campo de visión.

Los rayos infrarrojos(IR) entran dentro del fototransistor donde encontramos un material piroeléctrico, natural oartificial, normalmente formando una lámina delgadadentro del nitrato de galio [Ga(NO3)3], nitrato de Cesio(CsNO3), derivados de la fenilpirazina, y ftalocianina

de cobalto. Normalmente están integrados en diversasconfiguraciones(1,2,4 píxels dematerial piroeléctrico). En elcaso de parejas se acostumbra a dar polaridades opuestas paratrabajarconunamplificadordiferencial,provocandolaauto-cancelaciónde los incrementosdeenergíade IR y eldesacoplamientodelequipo.

Fototransistor

Esunaparatosensiblealaluz,normalmentealos infrarrojos.La luz incidesobre la regióndebase,generando portadores en ella. Esta carga de base llevaeltransistoralestadodeconducción.

Sehanutilizadoen lectoresdecintaytarjetasperforadas,lápicesópticos,etc.Tambiénsepuedenutilizarenladeteccióndeobjetoscercanoscuandoforman parte de un sensor de proximidad.

Para obtener un circuito equivalente de unfototransistor,bastaagregarauntransistorcomúnunfotodiodo,conectandoenelcolectordeltransistorelcátododelfotodiodoyelánodoalabase.

Esquema funcional

Tras haber elegido y analizado los componentesmásadecuadosparaelproducto,seprocedeaestructurarlosenunesquemadefuncionamientoparapodervisualizarlosposi-blesproblemasydificultades. Talycomomuestraelesquema,enelcentroencontra-moslaCPU,querecibeinformacióndelapulseraatravésdelfototransistoryque,asuvez,transmitelainformaciónprevia-menteprogramadaalapantallayalaltavoz.

Todos los componentes van alimentados electricamen-teatravésdelabatería(pilas)quevadirectamenteenchu-fadasobrelaCPU,quealimentaráindirectamentealrestodecomponentes.

La CPU ira conectada al resto de componentesme-diante cables decobre fijadosparaevitar la disipacióndelacorrienteycon laconexiónde las resistenciaspertinentespara el perfecto funcionamiento del cicuito.

Funcionamiento

Conexión CPU-Alarma

Éste es el sistema básico de funcionamiento. La CPUtendría un programa integradoque controlara la hora y laalarmay,quealcanzadoelmomentodelaalarma,emitieraunaseñalparaquelaalarmaproducieraunaseñal.

Conexión CPU-LCD

LaCPUestaríaconectadaconlapantallayenestaseveríareflejadolahora.Lapantallatambiénservirácomoguíaparaconfigurarlaalarmapermitiendotenerunavisióndelasdistintasinterfaces.Esdecir,queporlapantallapodríamosverlahora,laconfiguracióndelaalarma,laseleccióndeperso-naje y los mensajes de despertar.

Conexión Pulsera-Despertador

FASE 3

Estaconexiónseríamuysencilla.LapulseracontieneelDiodoLedqueemiteel infrarrojo,yeldespertadorcontieneelfototransistorquerecibiríalaseñal.Lasecuenciaseríasen-cilla:ApretaríamoselbotónqueseencuentraenlapulserayqueactivaríaelDiodo;apuntaríamoslapulseraendirecciónaldespertadorconsiguiendoqueelfototransistorrecibieralaseñal;conestoseconseguiríaqueseapagaralaalarma.

Conexión Fototransistor-CPU

Cuando el fototransistor recibiera la señal emitida por lapulsera,configuraríaelcomportamientodelaCPU,provo-candoqueéstadieralaordendeapagarlaalarma.

Funcionamiento Prototipo

Montaje

Para conseguir representar el funcionamiento el juguete se ha desarrollado el montaje de un prototipo. Para ello se hanadquiridounaseriedecomponentes,algunosdeellospodríancoincidirconlosqueaparecenenelproductorealyotrossoloseempleanparalasimulación.

Lista de componentes

-PlacaArduino(UNO).-PantallaLCDde16x2-Potenciometroconresistenciade10KOhmnios-Buzzerosirena- Cuatro pulsadores-4Resistenciasde10KOhmniosy2de220Ohmnios- Cableado variado

Arduino (UNO)

Las características de la placa son:

-Microcontrolador:ATmega328-Tensióndealimentación:5V-Tensióndeentradarecomendada:7-12V-Límitesdelatensióndeentrada:6-20V-Pinesdeentrada/salidadigitales:14(deloscuales6pro-veensalidasPWM)-Entradasanalógicas:6-CorrientemáximaporpinE/S:40mA-MemoriaFash(memoriadeprograma):32KB(0,5KBestánocupados)- Memoria SRAM: 2 KB-MemoriaEEPROM:1KB-Frecuenciadereloj:16MHz

Elesquemadelaplacatendríaestaforma:

Especificaciones:

Alimentación:Laplacapuedeseralimentadaoporunaco-nexiónUSBoporunafuentedetensiónexterna.Latensióndesuministroexternopuedeestarcomprendidaentre6Vy20V,aunqueserecomiendaqueestécomprendidaentre7Vy12V. Pines de tensión: a través de estos pines se puedenobtenerdiversastensionesdealimentaciónparaposiblesdispositivoselectrónicoscomplementariosconlaplacadeArduino.

Vin:tensióndesalidaigualquelatensiónquealimentalapla-caArduino(laqueentraporlaalimentaciónexterna).

5V:salidadetensióna5Vindependientementedelvalordelatensióndealimentación.

3,3V:salidadetensiónde3,3Vindependientedelva-lordelatensióndealimentación(puedesuministrarcomomáximo50mA).

Masa:Eselpinrespectodelcualestánreferenciadastodaslastensiones.

Pinesdigitales:son14pines(del0al13)quepuedenutili-zarsecomoentradasosalidasdigitales.Lastensionesdigita-lesoperanentre0V(cerológico)y5V(unológico).Lospines3,5,6,9,10y11,ademáspuedenoperarcomosalidasmoduladasenanchuradepulso(PWMesdecir,PulseWidthModulation).

Pinesanalógicos:son6pines(del0al5)correspondientesa6entradasanalógicas.Estasentradasanalógicaspuedenleertensionescomprendidasentre0Vy5Vconvirtiéndolasavaloresdigitalesentre0y1023(conversoranalógicodigitalde10bitsderesolución).

PulsadordeReset:cuandoseaccionaelReset,elprogramaempiezaafuncionarnuevamentedesdeelprin-cipio.

FASE 3

LEDdeConexión:esunLEDqueindicacuandolaplacaestáconectadaatensión.

LEDSalida13:esunLEDquepuedegestionarsesuencendidooapagadodesdeelpin13,cuandodichopinestáprogramadocomosalidadigital.

Microcontrolador: Es el circuito integrado que ejecuta se-cuencialmentetodas lasordenesqueestángrabadasensumemoria de programa.

Display LCD

UnapantalladecristallíquidooLCD(sigladelinglésli-quidcrystaldisplay)esunapantalladelgadayplanaformadaporunnúmerodepíxelesencoloromonocromoscolocadosdelantedeunafuentedeluzoreflectora.Amenudoseutilizaendispositivoselectrónicosdepilas,yaqueutilizacantidadesmuypequeñasdeenergíaeléctrica.

Especificaciones:

Resolución:Lasdimensioneshorizontalyverticalsonexpresa-dasenpíxeles.LaspantallasHDtienenunaresoluciónnativadesde1280x720píxeles(720p)hasta3840×2160pixeles(4K).

Ancho de punto: Es la distancia entre los centros de dos píxeles adyacentes.Cuantomenorseaelanchodepunto,tantome-norgranularidadtendrálaimagen.Elanchodepuntosueleserelmismoensentidoverticalyhorizontal,peropuedeserdiferente en algunos casos.

Tamaño: El tamaño de un panel LCD se mide a lo largo de su diagonal,generalmenteexpresadoenpulgadas (coloquial-mentellamadaáreadevisualizaciónactiva).

Tiempode respuesta: Es el tiempoquedemoraunpíxel encambiar de un color a otro.

Tipodematriz:Activa,pasivayreactiva.

Ángulodevisión:EselmáximoánguloenelqueunusuariopuedemirarelLCD,estandodesplazadodesucentro,sinquesepierdacalidaddevisión.Lasnuevaspantallasvienenconunángulodevisiónde178grados.

Soportedecolor:Cantidaddecoloressoportados.Coloquial-mente conocida como gama de colores.

Brillo:Lacantidaddeluzemitidadesdelapantalla;tambiénse conoce como luminosidad.

Contraste: La relación entre la intensidadmás brillante y lamásoscura.

Aspecto:Laproporcióndelaanchuraylaaltura

Puertosdeentrada:PorejemploDVI,VGA,LVDSoinclusoS-Vi-deoyHDMI.ActualmenteyaseestámanejandoenalgunaspantallaselpuertoUSBquepermitelareproduccióndefotos,música,yvideo.

Potenciometro

Unpotenciómetroesunresistorcuyovalorderesisten-ciaes variable.Deestamanera, indirectamente, sepuedecontrolarlaintensidaddecorrientequefluyeporuncircuitosiseconectaenparalelo,oladiferenciadepotencialalconec-tarloenserie.Normalmente,lospotenciómetrosseutilizanencircuitos de poca corriente. Para circuitos de corrientes mayo-res,seutilizanlosreostatos,quepuedendisiparmáspotencia.

Existendostiposdepotenciómetros:

-Potenciómetros impresos, realizadosconunapistadecar-bónodecermetsobreunsoportedurocomopapelbaque-lizado,fibra,alúmina,etc.Lapistatienesendoscontactosensusextremosyuncursorconectadoaunpatínquesedeslizapor la pista resistiva.

-Potenciómetrosbobinados,consistentesenunarrollamientotoroidaldeunhiloresistivo(porejemplo,constantán)conuncursorquemueveunpatínsobreelmismo.

Buzzer

Zumbador,buzzereninglés,esuntransductorelectroa-cústicoqueproduceunsonidoozumbidocontinuoointermi-tente de un mismo tono (generalmente agudo). Sirve como mecanismodeseñalizaciónoavisoyseutilizaenmúltiplessis-temas,comoenautomóvilesoenelectrodomésticos, inclui-dos los despertadores.

Inicialmente este dispositivo estaba basado en un siste-maelectromecánicoqueerasimilaraunacampanaeléctri-caperosinelbadajometálico,elcual imitabaelsonidodeuna campana.

Suconstrucciónconstadedoselementos,unelectroi-mányunaláminametálicadeacero.Elzumbadorpuedeserconectado a circuitos integrados especiales para así lograr distintos tonos.

Cuandoseacciona,lacorrientepasaporlabobinadel

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electroimán y produce un campomagnético variable quehacevibrarlaláminadeacerosobrelaarmadura.

Código

Paralarealizacióndelapruebahemoscreadouncódi-goenC++mediantelaaplicacióndeprogramacióndeardui-no.Conéstecódigoconfiguramosuntemporizadorparaquesuene una alarma. Con los pulsadores seleccionamos el tiem-podeseadoyempezamoslasecuencia.Alacabarlacuentaatráselzumbadorempiezaasonar.Ademástambiénpermiteelegir el personaje entre Ary y Ray y te da la bienvenida.

Esquema de circuito