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
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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
ANEXOS
Se presentan algunas fotografías del proyecto terminado como anexos:
Jennifer Esmeralda Chacón Carranza
Glenda Maritza España Canalez
Jaime Oswaldo Montoya Guzmán
Santa Ana, 8 de noviembre de 2006
El Salvador
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