INSTITUTO PLITECNICO NACIONAL
CENTRO DE ESTUDIOS CIENTIFICOS TECNOLOGICOS # 7 “CUAUHTEMOC”
CARGADOR INALAMBRICO POR INDUCCIÓN. PARA OBTENER EL TITULO DE TECNICO EN INSTALACIONES Y MANTENIMIENTO ELECTRICOS. PRESENTA: LISA ANAYA LOPEZ. DAVID HERNANDEZ BALDERAS. DANIEL ANTONIO MONTOYA MORALES. MARCO URIEL ROBLEDO RANGEL. REVISÓ: ING. ALEJANDRA RAMIREZ SANDOVAL. ING. CARLOS AUGUSTO MEDINA IBARRA
FECHA: 22/05/2015
Agradecimientos Anaya López Lisa Quiero agradecer a la profesora Alejandra Ramírez Sandoval que nos ha sido de mucha ayuda para poder desarrollar este trabajo con éxito. Dedico este proyecto a mi madre por todo el apoyo y estimulo que me ha ofrecido a lo largo de la carrera y para poder realizar este proyecto de una forma exitosa y satisfactoria.
Hernández Balderas David. En este proyecto agradezco a mis padres por haber estado al pendiente de mí y darme esta gran oportunidad de estudiar y forjarme profesionalmente, a mis profesores por brindarme su buen servicio y conocimientos, así como a mis compañeros y amigos por el apoyo y trabajo en equipo.
Montoya Morales Daniel Antonio A mis padres, hermanos y mi novia, quienes me apoyaron todo el tiempo, quienes estuvieron a cada momento y me alentaron para continuar. A mis compañeros de trabajo que nos apoyamos para escribir y concluir este proyecto. Para ellos es esta dedicatoria, pues es a ellos a quienes se las debo por su apoyo.
Robledo Rangel Marco Uriel A mis padres por haberme brindado la oportunidad de estudiar la carrera de Instalaciones y Mantenimiento Eléctricos en el Centro de Estudios Científicos y Tecnológico N° 7 “Cuauhtémoc”, por su apoyo, esfuerzo, dedicación y entera confianza. Por la orientación que me han dado a lo largo de estos años, tanto en mi vida social, como en mi vida escolar, por darme la pauta para poder realizarme en mis estudios, y mi vida.
Índice. Introducción……………………………………………………………………………..1 Justificación……………………………………………………………………………..1 Misión………..………………………………………………………………….……....1 Visión……………………………………………………………………………….…...2 Objetivos…………………………………………………………………………..…….2 Filosofía………………………………………………………………………………….3 Políticas de Calidad……………………………………………………………………3 Políticas Generales…………………………………………………………………….4 1. Batería…………………………………………………...………………………….6 1.1. Que es una Batería…………………………………………………….6 1.2. Tipos de Baterías……………………………………………………....6 1.2.1 BATERIAS DE PLOMO-ACIDO………………………..……....6 1.2.2 PILA ALCALINA……………………………………………..…...6 1.2.3 BATERIA DE NIQUEL-HIERRO………………………..……...7 1.2.4 BATERIAS ALCALINAS DE MAGNESIO…………….….……7 1.2.5 BATERIAS DE NIQUEL-CADMIO...…………………….…..…7 1.2.6 BATERIAS DE NIQUEL-HIDRURO METALICO…….….……7 1.3 FUNCIONAMIENTO DE UNA BATERIA……………………….……….8 1.4 CARACTERISTICAS DE UNA BATERIA……………………………….8 1.4.1 CAPACIDAD…………………………………………….….…….8 1.4.2 FACTORES DE LA CAPACIDAD…………………….………..8 1.4.3 TENSION…………………………………………………………9 1.4.4 RENDIMIENTO……………………………………………..……9 2. Cargador de Baterías…………………………………………………….………..10 2.1. Tipos de Cargadores de Baterías……………………………….……..11 2.1.1. Sencillo…………………………...………………………….....11 2.1.2. Mantenimiento…………………………………………..……..11 2.1.3. Con temporizador……………………………………….……..12 2.1.4. Inteligente……………………………………………………....12 2.1.5. Rápido………………………………………………..…………13 2.1.6. Portátil…………………………………………………………..14 2.1.7. Por pulsos……………………………………………….……...14
2.1.8. Inductivas………………………………………………….……15 2.2. Componentes Principales………………………………………………15 2.2.1. Resistencia…………………………………...………………...15 2.2.2. Capacitores……………………………………………….…….16 2.2.3. Diodos……………………………………………………..……16 2.2.4. Transistor……………………………………….………………17 2.2.5. Leds………………………………………………………..……17 2.3. Circuito básico de un cargador de baterías…………………………..18 3. Electrónica………………………………………………………………………….19 3.1 Que es electrónica……………………………………………………….19 3.2. Componentes electrónicos……………………………………………..19 3.2.1. Tubos de vacío…………………………………………………19 3.2.2. Transistores…………………………………………………….20 3.2.3. Circuitos integrados…………………………………………...21 3.2.4. Condensadores………………………………………………..22 3.2.5. Bobinas………………………………………………………….23 4. Inducción…………………………………………………………………………... 24 4.1 Principio de Inducción……………………………………………………..24 4.2 Magnetismo………………………………………………………………...24 4.3 Electromagnetismo……….…………………………………………….....27 4.4 Fuerza electromagnética………………………………………………….30 4.5 Inducción aplicada en un cargador……………………………………...30 4.5.1 Funcionamiento y Características……………………………..31 5. Materiales y presupuesto………………………………………………………....33 6. Desarrollo Del Proyecto…………………………………………………………...35
7. Propuestas………………………………………………………………………….40 8. Conclusiones……………………………………………………………………….40 GLOSARIO…………………………………………………………………………….41 Bibliografía…………………………………………………………………………….43
Introducción Este trabajo fue hecho para proponer un proyecto; esto trata sobre un cargador inalámbrico por inducción, particularmente esto se va a aplicar a teléfonos celulares inteligentes, para su realización se tendrán que tener conocimientos básicos de electrónica.
Justificación Este proyecto titulado cargador inalámbrico por inducción, se realizara con el fin de lograrnos titular por medio de la asignatura proyecto terminal. Este prototipo es realizado con competencias y habilidades adquiridas en el transcurso de nuestros 4 semestres dentro de la academia de instalaciones y manteniendo eléctricos. El proyecto cuenta con un diseño innovador para la sociedad hoy en día, de forma que sea más fácil para el ser humano realizar esta acción, en este caso el cargar el celular de una forma diferente e inteligente.
Misión Nuestra misión es ser conocidos y reconocidos por nuestro trabajo el cual lo desarrollamos con nuestros conocimientos adquiridos en esta escuela, con este proyecto pretendemos que se logren los objetivos esperados, a través de nuestra dedicación y empeño puesto en esté trabajo, nuestro compromiso para lograr que este proyecto se empiece a conocer más y así poder llevarlo a la industria de una manera más excepcional.
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Visión Nosotros crearemos un futuro más sofisticado e innovador a través de nuevas tecnologías aplicadas, al utilizar este tipo de tecnología pretendemos crear un mundo más ecológico y autosustentable en el cual se pueda hacer cualquier cosa más libremente sin necesidad de utilizar cables y así facilitar el uso al usuario. Poco a poco, seremos una empresa nacionalmente conocida, gracias a la producción en serie de estos productos, y a la vez, se irán añadiendo muchos más a un precio muy accesible y con los materiales y la mano de obra de mejor calidad.
OBJETIVO GENERAL Utilizar nuestros conocimientos adquiridos para desarrollar un proyecto que sea innovador y sobre todo sustentable, utilizando las nuevas tecnologías y aplicándolas de tal manera que este aporte al medio ambiente y también facilitarle un poco al usuario la forma y el tiempo de realizar actividades. Con este proyecto se pretende dar a conocer estas nuevas tecnologías que son de mucha utilidad actualmente en la vida diaria, haciéndolas más accesibles a la gente.
OBJETIVO PARTICULAR Con este proyecto se busca, aplicar el principio de inducción para un cargador, con la finalidad de hacer que este sea sustentable ya que el tiempo de carga es más corto y es fácil de usar ya no que no necesita cables, utilizando ondas magnéticas que hace que el consumo de energía sea menor, y así hace una gran aportación al ambiente además de que hace más fácil al usuario el uso de este cargador de una manera más libre sin necesidad de cables y ahorra de tiempo, haciéndolo más práctico y conveniente.
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FILOSOFIA Nuestro proyecto se basa en la satisfacción de las nuevas necesidades que las personas hoy en día tienen, para facilitar al usuario realizar actividades comunes, con cosas que tengan un presupuesto bajo no dañando su economía, y que sea de buena calidad y eficaz, ya que este tiene que ser barato, bueno, innovador y que sea accesible al usuario.
POLITICAS DE CALIDAD El estándar Qi, por ejemplo, es el más popular, pero es posible que en el futuro se use PMA, simplemente porque hay empresas como ZTE, HTC, Huawai, Duracell, Samsung y hasta LG, que se han unido a su uso recientemente para hacerlo universal. La mayoría usan el estándar Qi, pero hay otros que usan Powermant, PMA o A4WP. El futuro de los cargadores. Cargador por inducción inalámbrico, tan solo ponga su Smartphone o dispositivo compatible con tecnología Qi sobre el cargador y automáticamente comenzará a cargarse. Carga de forma inalámbrica tu Smartphone o tablet con esta base cargador por inducción Qi. Solo tienes que enchufar la base al cargador USB incluido y olvidarte para siempre de los cables de carga. Con tan solo poner el teléfono o tablet sobre la base comenzará la carga. La base de carga es universal para todos aquellos smartphone o tablets que dispongan del estándar de carga por inducción Qi.
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POLITICAS GENERALES Este proyecto busca, aplicar el principio de inducción para un cargador, ya que hace más fácil al usuario el uso de este cargador de una manera más libre sin necesidad de cables y ahorra de tiempo, haciéndolo más práctico y conveniente. Con la finalidad de hacer que este sea utilizado, con mayor confortabilidad en la población además hace que el consumo de energía sea menor, y así hace una gran aportación al ambiente
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Capítulo I Marco Contextual
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1. BATERIA 1.1 FUNCION DE UNA BATERIA. Una batería es un dispositivo electroquímico el cual almacena energía en forma química. Cuando se conecta a un circuito eléctrico, la energía química se transforma en energía eléctrica. Todas las baterías son similares en su construcción y están compuestas por un número de celdas electroquímicas. Cada una de estas celdas está compuesta de un electrodo positivo y negativo además de un separador. Cuando la batería se está descargando, un cambio electroquímico se está produciendo entre los diferentes materiales en los dos electrodos. Los electrones son transportados entre el electrodo positivo y negativo vía un circuito externo
1.2 TIPOS DE BATERIA. 1.2.1 BATERIAS DE PLOMO-ACIDO. Este tipo de baterías están conformadas por 2 electrodos de plomo, y suele utilizarse en los automóviles. Con respecto a su funcionamiento, en el proceso de carga, el sulfato de plomo se convierte en plomo metal en el cátodo o polo negativo. Por otra parte, en el polo positivo o ánodo se produce la formación de óxido de plomo. En el proceso de descarga, los procesos mencionados anterior mente se llevan a cabo de forma invertida. De esta manera el óxido de plomo se reduce a sulfato de plomo, y en el ánodo el plomo comienza a oxidarse, convirtiéndose en sulfato de plomo.
1.2.2 PILA ALCALINA. Estas baterías están formadas por cloruro de potasio. Cuentan con potencia y corriente de gran estabilidad debido a la amplia movilidad de los iones a través del electrolito. Las pilas alcalinas están blindadas con el propósito de que no se viertan los componentes de la misma.
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1.2.3 BATERIA DE NIQUEL-HIERRO. Es una batería recargable que tiene oxido de níquel, hidróxido en las placas positivas y hierro en las negativas, con electrolito de hidróxido de potasio. Los materiales activos se mantienen en tubos de acero niquelados o bolsas perforadas. Es una batería muy robusta que es tolerante a factores como la sobrecarga, descarga profunda y corto circuitos y puede tener una larga vida.
1.2.4 BATERIAS ALCALINAS DE MAGNESIO. Son similares a las pilas alcalinas, con la excepción
de que están
conformadas por hidróxido de potasio. Su envoltura es de acero y el zinc es polvo ubicado en el centro. Las baterías alcalinas de magnesio tienen un valor elevado y se emplean en máquinas de
mayor consumo de energía como
juguetes con motor.
1.2.5 BATERIAS DE NIQUEL-CADMIO. Esta clase de batería funciona a partir de un ánodo de cadmio y un cátodo compuesto por hidróxido de níquel. Por su parte, el electrolito se conforma de hidróxido de potasio. Pueden ser recargadas una vez gastadas, aunque disponen de poca capacidad.
1.2.6 BATERIAS DE NIQUEL-HIDRURO METALICO. Estas baterías emplean un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo compuesto por una aleación de hidruro metálico. Son reacias al contacto con las bajas temperaturas, disminuyendo en gran parte de su eficacia.
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1.3 FUNCIONAMIENTO DE UNA BATERIA. Las baterías se componen de una o varias celdas. Las celdas se colocan en serie para aumentar la capacidad y tensión del acumulador. Una celda es una especie de caja cerrada en cuyo interior hay dos electrodos sumergidos en un electrolito. Los electrodos a su vez se comunican con el exterior mediante unos bornes que es donde la batería se conecta al sistema que se vaya a utilizar. Dentro de las celdas, entre cada electrodo y el electrolito, se producen reacciones químicas reversibles que son las que ceden o absorben electrones. Esto genera una tensión eléctrica entre los electrodos y por lo tanto entre los bornes de las celdas. Estos procesos químicos se conocen como oxidación-reducción. En la reducción los reactivos se combinan para formar otras sustancias y durante ese proceso absorben electrones. La oxidación es el proceso inverso. Los electrones se mueven en sentido contrario al de la corriente eléctrica. Cuando la batería está cargándose ocurre el efecto contrario, la oxidación se produce en el electrodo positivo y la reducción en el negativo.
1.4 CARACTERISTICAS DE UNA BATERIA. 1.4.1 CAPACIDAD. Cantidad de electricidad que es capaz de subministrar, desde plena carga hasta carga total.
1.4.2 FACTORES DE LA CAPACIDAD. Cantidad de materia activa. Materia y dimensiones. Del régimen de descarga. Capacidad nominal 20 horas. De la temperatura. Menor capacidad a menor temperatura (menos 18°C, 55% menos para arranque)
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1.4.3 TENSION. Medida entre bornes en función de la F.E.M capaz de entregar al circuito exterior en un momento determinado.
1.4.4 RENDIMIENTO. Es la relación entre Ampers-Hora subministrados por la batería a un circuito exterior hasta quedar totalmente descargada y los Ampers-Hora consumidos para cargarla. El rendimiento se encuentra alrededor de un 85% dependiendo del régimen de descarga.
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2. Cargador de Baterías Un cargador de baterías es un dispositivo utilizado para suministrar la corriente
eléctrica o tensión
eléctrica que
almacenará
una
o
varias
simultáneamente pila recargable o una batería. La carga de corriente depende de la tecnología y de la capacidad de la batería a cargar. Por ejemplo, la corriente tensión que debería suministrarse para una recarga de una batería de auto de 12V deberá ser muy diferente a la corriente para recargar una batería de 5V de teléfono móvil (como se muestra la figura 1).
Figura 1 Este cargador USB es para cualquiera de los nuevos celulares (utiliza puerto micro USB del móvil) Además de ser una buena medida para disminuir la contaminación producida por las baterías.
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2.1. Tipos de Cargadores de Baterías 2.1.1. Sencillo Un cargador sencillo (ver figura 2) trabaja haciendo pasar una corriente continua o tensión. El cargador sencillo no modifica su corriente de salida basándose en el tiempo de carga de la batería. Esta sencillez facilita que sea un cargador barato, pero también de baja calidad. Este cargador suele tardar bastante en cargar una batería para evitar daños por sobrecarga. Incluso así, una batería que se mantenga mucho tiempo en un cargador sencillo pierde capacidad de carga y puede llegar a quedar inutilizable.
Figura 2
2.1.2. Mantenimiento Un cargador de mantenimiento (ver figura 3) es un tipo de cargador sencillo que carga la batería muy despacio, a la velocidad de auto descarga; es el tipo de cargador más lento. Una batería puede dejarse en un cargador de este tipo por tiempo indefinido, manteniéndose cargada por completo sin riesgo de sobrecarga o calentamiento. Está indicado para el mantenimiento de la fuente de energía de sistemas desatendidos, como sistemas de alarma o de iluminación de emergencia.
Figura 3
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2.1.3. Con temporizador La corriente de salida de un cargador de este tipo se corta tras un tiempo predeterminado. Estos cargadores fueron los más comunes para baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) de alta capacidad a finales de la década de 1990. (para las pilas de consumo Ni-Cd, de baja capacidad, se suele usar un cargador sencillo). Es frecuente encontrar a la venta este tipo de cargadores junto a un paquete de pilas (ver figura 4). El tiempo de carga viene configurado para ellas. Si se utilizan en ellos otras pilas de menor capacidad, podrían sufrir una sobrecarga. De otro lado, si se cargan pilas de mayor capacidad que las originales solo quedarán cargadas parcialmente. Los avances en este tipo de tecnología incrementan la capacidad de las pilas cada década, por lo que un cargador antiguo puede que solo cargue parcialmente las pilas actuales. Los cargadores basados en un temporizador tienen también el inconveniente de provocar sobrecargas en pilas que, aun siendo las adecuadas, no están totalmente descargadas cuando se ponen a cargar.
Figura 4
2.1.4. Inteligente La corriente de salida depende del estado de la batería. Este cargador controla el voltaje de la batería, su temperatura y el tiempo que lleva cargándose, proporcionando una corriente de carga adecuada en cada momento. El proceso de carga finaliza cuando se obtiene la relación adecuada entre voltaje, temperatura y/o tiempo de carga. En las baterías de Ni-Cd y de níquel-metal hidruro (NiMH), el voltaje que puede ofrecer la batería aumenta poco a poco durante el proceso de carga hasta que la batería está totalmente cargada. Un cargador inteligente típico carga la batería hasta un 85% de su 12
capacidad máxima en menos de una hora, entonces cambia a carga de mantenimiento, lo que requiere varias horas hasta conseguir la carga completa (ver figura 5).
Figura 5
2.1.5. Rápido Un cargador rápido (ver figura 6) puede usar el circuito de control de la propia batería para conseguir una carga rápida de ésta sin dañar los elementos de sus pilas. Muchos de estos cargadores disponen de un ventilador para mantener la temperatura controlada. Suelen actuar como un cargador normal carga en una noche, si se usan con pilas normales de NiMH, que no tienen un circuito de control. Algunos, como los fabricados por Energizer, pueden realizar una carga rápida de cualquier batería NiMH aunque ésta no disponga del circuito de control.
Figura 6
2.1.6. Portátil Permite cargar pilas (desde distintas fuentes, incluyendo una entrada USB) y, gracias a una salida USB, se pueden recargar dispositivos, como teléfonos
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móviles, tabletas, etc. Se suelen conocer como USB Powerbank (ver figura 7) Suelen tener alta capacidad (5000 mAh).
Figura 7
2.1.7. Por pulsos Algunos cargadores usan tecnología de carga por pulsos (ver figura 8) en la cual se aplica un tren de pulsos de corriente continua a la batería, cuyo tiempo de subida, período, frecuencia y amplitud son controlados con gran precisión. Se suele decir que esta tecnología funciona con baterías de cualquier tamaño, voltaje, capacidad o composición química, incluyendo baterías automovilísticas reguladas por válvulas. Empleando la carga por pulsos se pueden aplicar picos de alto voltaje sin sobrecalentar la batería. En una batería de plomo-ácido, esto descompone los cristales de sulfato de plomo, extendiendo la vida útil de la batería. Varios tipos de cargadores por pulsos están patentados mientras que otros tienen licencia libre. Algunos cargadores utilizan pulsos para comprobar el estado de la batería nada más conectar el cargador, luego continúan cargando a corriente constante durante el periodo de carga rápida y finalmente vuelven a utilizar la carga por pulsos cada cierto tiempo para mantener la carga.
Figura 8
2.1.8. Inductivas Los cargadores inductivos (ver figura 9)) hacen uso de la inducción electromagnética para cargar las baterías. Una estación de carga envía energía 14
electromagnética por acoplamiento inductivo a un aparato eléctrico, el cual almacena esta energía en las baterías. La carga se consigue sin que exista contacto físico entre el cargador y la batería. Es el sistema de carga más utilizado en cepillos de dientes eléctricos; debido a que no existe contacto eléctrico no hay peligro de electrocución. Cada inductancia está referida al campo magnético generado.
Figura 9
2.2. Componentes Principales En un cargador de baterías simple, como por ejemplo, el cargador de baterías de celular, se utilizan componentes electrónicos:
2.2.1. Resistencia. Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica. Su símbolo (ver figura 10). Figura 10
2.2.2. Capacitores. En electricidad y electrónica, un capacitor es un dispositivo que almacena energía eléctrica, es un componente pasivo. Está formado por un par de 15
superficies conductoras en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra), generalmente en forma de tablas, esferas o láminas, separadas por un material dieléctrico (siendo este utilizado en un condensador para disminuir el campo eléctrico, ya que actúa como aislante) o por el vacío, que, sometidas a una diferencia de potencial (d.d.p.) adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de las placas y negativa en la otra (siendo nula la carga total almacenada). Su símbolo (ver figura 11)
Figura 11
2.2.3. Diodos. Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya no se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina como ánodo, y un cátodo (ver figura 12)
. Figura 12
2.2.4. Transistor.
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El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. Actualmente se encuentran prácticamente en todos los aparatos electrónicos de uso diario: radios, televisores, reproductores de audio y video, relojes de cuarzo, computadoras, lámparas fluorescentes, tomógrafos, teléfonos celulares, entre otros. Su símbolo (Ver figura 13)
. Figura 13
2.2.5. Leds. Un led1 (del acrónimo inglés LED, light-emitting diode: ‘diodo emisor de luz’; el plural aceptado por la RAE es ledes) es un componente opto electrónico pasivo y, más concretamente, un diodo que emite luz. Su símbolo (ver figura 14)
Figura 14
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2.3. Circuito Básico de un Cargador de Baterías. Este es un circuito básico de un cargador, así con unos conocimientos de electrónica se podría armar un cargador. (Ver figura 15)
Figura 15
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3. ELECTRÓNICA 3.1 QUE ES ELECTRÓNICA La electrónica es el campo de la ingeniería y de la física aplicada relativo al diseño
de
dispositivos,
por
lo
general
circuitos
electrónicos,
cuyo
funcionamiento depende del flujo de electrones para la generación, transmisión, recepción, almacenamiento de información, entre otros. Los circuitos electrónicos ofrecen diferentes funciones para procesar esta información, incluyendo la amplificación de señales débiles hasta un nivel que se pueda utilizar; el generar ondas de radio; la extracción de información, como por ejemplo la recuperación de la señal de sonido de una onda de radio (demodulación); el control, como en el caso de introducir una señal de sonido a ondas
de
radio
(modulación),
y operaciones lógicas,
como
los procesos electrónicos que tienen lugar en las computadoras.
3.2. COMPONENTES ELECTRÓNICOS Estos ponentes se clasifican en dos categorías: activos o pasivos. Entre los pasivos se incluyen las resistencias, los condensadores y las bobinas. Los considerados activos incluyen las baterías (o pilas), los generadores, los tubos de vacío y los transistores.
3.2.1. TUBOS DE VACÍO Un tubo de vacío consiste en una cápsula de vidrio de la que se ha extraído el aire, y que lleva en su interior varios electrodos metálicos. Un tubo sencillo de dos elementos (diodo) está formado por un cátodo y un ánodo, este último conectado al terminal positivo de una fuente de alimentación. El cátodo (un pequeño tubo metálico que se calienta mediante un filamento) libera electrones que migran hacia él (un cilindro metálico en torno al cátodo, también llamado placa). Si se aplica una tensión alterna al ánodo, los electrones sólo fluirán hacia el ánodo durante el semiciclo positivo; durante el ciclo negativo de la 19
tensión alterna, el ánodo repele los electrones, impidiendo que cualquier corriente pase a través del tubo. Los diodos conectados de tal manera que sólo permiten los semiciclos positivos de una corriente alterna(CA) se denominan tubos rectificadores y se emplean en la conversión de corriente alterna a corriente continua (CC) .Al insertar una rejilla, formada por un hilo metálico en espiral, entre el cátodo y el ánodo, y aplicando una tensión negativa a dicha rejilla, es posible controlar el flujo de electrones. Si la rejilla es negativa, los repele y sólo una pequeña fracción de los electrones emitidos por el cátodo pueden llegar al ánodo. Este tipo de tubo, denominado triodo, puede utilizarse como amplificador. Las pequeñas variaciones de la tensión que se producen en la rejilla, como las generadas por una señal de radio o de sonido, pueden provocar grandes variaciones en el flujo de electrones desde el cátodo hacia el ánodo y, en consecuencia, en el sistema de circuitos conectado al ánodo.
3.2.2. TRANSISTORES Los transistores se componen de semiconductores. Se trata de materiales, como el silicio o el germanio, dopados (s decir, se les han incrustado pequeñas cantidades de materias extrañas con reacciones químicas), de manera que se produce una abundancia o unacarencia de electrones libres. En el primer caso, se dice que el semiconductor es del tipo n, y en el segundo que es del tipo p. Combinando materiales del tipo n y del tipo p puede producirse un diodo. Cuando éste se conecta a una batería de manera tal que el material tipo p es positivo y el material tipo n es negativo, los electrones son repelidos desde el terminal negativo de la batería y pasan, sin ningún obstáculo, a la región p, que carece de electrones. Con la batería invertida, los electrones que llegan al material p pueden pasar sólo con muchas dificultades hacia el material n, que ya está lleno de electrones libres, en cuyo caso la corriente es casi cero.
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. El transistor bipolar fue inventado en 1948 para Otro tipo de transistor es el de efecto de campo (FET, acrónimo inglés de Field-Effect Transistor), que funciona sobre la base del principio de repulsión o de atracción de cargas debido a la superposición de un campo eléctrico. La amplificación de la corriente se consigue de manera similar al empleado en el control de rejilla de un tubo de vacío. Los transistores de efecto de campo funcionan de forma más eficaz que los bipolares, ya que es posible controlar una señal grande con una cantidad de energía muy pequeña.
3.2.3. CIRCUITOS INTEGRADOS La mayoría de los circuitos integrados son pequeños trozos, o chips, de silicio, de entre 2 y 4 mm2, sobre los que se fabrican los transistores. La fotolitografía permite al diseñador crear centenares de miles de transistores en un solo chip situando de forma adecuada las numerosas regiones tipo n y p. Durante
la
fabricación,
estas
regiones
son
interconectadas
mediante
conductores minúsculos, a fin de producir circuitos especializados complejos. Estos circuitos integrados son llamados monolíticos por estar fabricados sobre 21
un único cristal de silicio. Los chips requieren mucho menos espacio y potencia, y su fabricación es más barata que la de un circuito equivalente compuesto por transistores individuales. Al conectar una batería a un material conductor, una determinada cantidad de corriente fluirá a través de dicho material. Esta corriente depende de la tensión de la batería, de las dimensiones de la muestra y de la conductividad del propio material. Las resistencia se emplean para controlar la corriente en los circuitos electrónicos. Se elaboran con mezclas de carbono, láminas metálicas o hilo de resistencia, y disponen de dos cables de conexión. A las resistencias variables se le llaman reóstatos o potenciometros, con un brazo de contacto deslizante y ajustable, suelen utilizarse para controlar el volumende radios y televisiones.
3.2.4. CONDENSADORES Los condensadores están formados por dos placas metálicas separadas por un material aislante. Si se conecta una batería a ambas placas, durante un breve tiempo fluirá una corriente eléctrica que se acumulará en cada una de ellas. Si se desconecta la batería, el condensador conserva la carga y la tensión asociada a la misma. Las tensiones rápidamente cambiantes, como las provocadas por una señal de sonido o de radio, generan mayores flujos de corriente hacia y desde las placas; entonces, el condensador actúa como conductor de la corriente alterna. Este efecto puede utilizarse, por ejemplo, para separar una señal de sonido o de radio de una corriente continua, a fin de conectar la salida de una fase de amplificación a la entrada de la siguiente.
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3.2.5. Bobinas Las bobinas (también llamadas inductores) consisten en un hilo conductor enrollado. Al pasar una corriente a través de la bobina, alrededor de la misma se crea un campo magnético que tiende a oponerse a los cambios bruscos de la intensidad de la corriente. Al igual que un condensador, una bobina puede utilizarse para diferenciar entre señales rápida y lentamente cambiantes (altas y bajas frecuencias). Al utilizar una bobina conjuntamente con un condensador, la tensión de la bobina alcanza un valor máximo a una frecuencia específica que depende de la capacitancia y de la inductancia. Este principio se emplea en los receptores de radio al seleccionar una frecuencia específica mediante un condensador variable.
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4. Inducción 4.1 Principio de Inducción Imán: la palabra imán se utiliza para identificar a un mineral en cuya estructura se combina un par de óxidos de hierro y que posee la particularidad de generar atracción en otros elementos de hierro, acero o, en menor medida, de otras clases de materiales. La inducción magnética es la producción de una fuerza electromotriz a través de un conductor cuando se expone a un campo magnético variable.
4.2 Magnetismo Es un fenómeno físico por el cual los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado
propiedades
magnéticas
detectables
fácilmente
como
el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes.
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Imanes y características: ciertas substancias minerales y la piedra imán tienen la propiedad de atraer o repeler las partículas de fierro o acero. A estas sustancias se les llama “imán natural” y a la propiedad de atraer o repeler se le denomina "magnetismo". Los imanes pueden confeccionarse y, entonces, se les llama imán artificial, siendo sus propiedades idénticas al imán natural. Los imanes artificiales se manufacturan a base de una cierta clase de acero al que se le agrega tungsteno. El magnetismo puede ser dado: A) por frotamiento con un imán natural o artificial. B) por percusión dentro de un campo magnético. C) por corriente eléctrica hecha pasar a través de un solenoide.
Existen además del fierro y acero otras materias que son atraídas en menor grado por un imán y son también susceptibles de magnetización, por ello se les denomina “cuerpos magnéticos”. Hay en un imán dos puntos que deben ser especialmente considerados: Uno cerca de cada extremo, en el cual la atracción es máxima. Cercano a su medianía el efecto de atracción es “cero” (plano neutro). Estos puntos están a un doceavo del largo de sus extremos, y son los que se denominan “polos del imán”; la línea que los une es el eje magnético.
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Un imán suspendido con su eje magnético horizontal y libre de girar sobre un eje vertical, tomará una dirección definida, aproximadamente norte – sur magnético. El extremo que mira o apunta hacia el norte, se le denomina “polo norte del imán” y se le asigna el color "rojo". Al extremo que apunta hacia el sur se denomina "polo sur del imán", asignándole el color "azul". En un imán no puede existir un solo polo. Siempre estará presente el polo norte y el sur, tanto es así, que si un imán se quiebra, cada parte forma otro imán separadamente. La aguja de un compás magnético es un imán artificial, suspendida en tal forma que su centro de gravedad queda por debajo del centro de suspensión; con ello se obtiene que la aguja esté constantemente horizontal y siempre su extremo norte (rojo) apunta hacia el norte magnético de la tierra. La cantidad de magnetismo que puede adquirir un cuerpo no es indefinido. Tiene un límite hasta cierta cantidad llamada “saturación”. También se ha establecido que el magnetismo se pierde gradualmente con el tiempo, siendo esta disminución muy lenta, aunque actualmente los imanes artificiales tienen características retentivas muy grandes, por lo que la pérdida de magnetismo es muy reducida. Otra característica de los imanes es que si lo calentamos, pierde su fuerza magnética hasta llegar a perderla totalmente cuando se le calienta al rojo cereza. Si lo volvemos a enfriar vuelve a ser cuerpo magnético, pero ha perdido el magnetismo que tenía. Si sometemos un imán o un cuerpo magnético o 26
enfriamiento; éste, no pierde sus características magnéticas. En cambio las vibraciones alteran el magnetismo, aumentándolo o disminuyéndolo de acuerdo con las circunstancias. Las propiedades de los imanes son permanentes en todas partes del mundo, cualquiera que sea la dirección en que se les coloque. 2 campo magnético: se llama campo magnético, la superficie que está bajo la influencia de un imán. El campo magnético está formado por “líneas de fuerzas” que salen del polo norte (rojo) y entran por el polo sur (azul). Inducción: si colocamos un trozo de fierro en contacto con un polo de un imán o cerca de él, este fierro se magnetizará y adquirirá las propiedades de un imán. A esto se le llama magnetismo por inducción.
4.3 Electromagnetismo. La relación entre los fenómenos eléctricos y los fenómenos magnéticos Un inductor: es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno
de
la autoinducción,
almacena
energía en
forma
de campo
magnético. El inductor consta de las siguientes partes:
Devanado inductor: Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica.
Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina.
Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar.
Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor. 27
Expansión polar: Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al entrehierro.
Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia.
Un electroimán: es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente. El material del núcleo del imán (generalmente hierro) se compone de pequeñas regiones llamadas dominios magnéticos que actúan como pequeños imanes. Antes de que la corriente en el electroimán se activa, los dominios en el núcleo de hierro están en direcciones al azar, por lo que sus campos magnéticos pequeños se anulan entre sí, y el hierro aún no tiene un campo magnético de gran escala. Cuando una corriente pasa a través del alambre envuelto alrededor de la plancha, su campo magnético penetra en el hierro, y hace que los dominios giren, alineándose en paralelo al campo magnético, por lo que sus campos magnéticos diminutos se añaden al campo del alambre, creando un campo magnético que se extiende en el espacio alrededor del imán. Cuanto mayor es la corriente que pasa a través de la bobina de alambre, más dominios son alineados, aumentando la intensidad del campo magnético. Finalmente, todos los dominios estarán alineados, nuevos aumentos en la
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corriente sólo causan ligeros aumentos en el campo magnético: este fenómeno se denomina saturación.
Orígenes del electromagnetismo: El experimento de Oersted Esta relación entre la electricidad y el magnetismo fue descubierta por el físico danés Hans Christian Øersted. Éste observó que si colocaba un alfiler magnético que señalaba la dirección norte-sur paralela a un hilo conductor rectilíneo por el cual no circula corriente eléctrica, ésta no sufría ninguna alteración. Sin embargo en el momento en que empezaba a pasar corriente por el conductor, el alfiler magnético se desviaba y se orientaba hacia una dirección perpendicular al hilo conductor. En cambio, si dejaba de pasar corriente por el hilo conductor, la aguja volvía a su posición inicial. De este experimento se deduce que al pasar a una corriente eléctrica por un hilo conductor se crea un campo magnético. Campo magnético creado por una corriente eléctrica. Una corriente que circula por un conductor genera un campo magnético alrededor del mismo. El valor del campo magnético creado en un punto dependerá de la intensidad del corriente eléctrico y de la distancia del punto respecto el hilo, así como de la forma que tenga el conductor por donde pasa la corriente eléctrica. El campo magnético creado por un elemento de corriente hace que alrededor de este elemento se creen líneas de fuerzas curvas y cerradas. Para determinar la dirección y sentido del campo magnético podemos usar la llamada regla de la mano derecha.
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4.4 Fuerza electromagnética Cuando una carga eléctrica está en movimiento crea un campo eléctrico y un campo magnético a su alrededor. Así pues, este campo magnético realiza una fuerza sobre cualquier otra carga eléctrica que esté situada dentro de su radio de acción. Esta fuerza que ejerce un campo magnético será la fuerza electromagnética. Si tenemos un hilo conductor rectilíneo por donde circula una corriente eléctrica y que atraviesa un campo magnético, se origina una fuerza electromagnética sobre el hilo. Esto es debido a que el campo magnético genera fuerzas sobre cargas eléctricas en movimiento. Si en lugar de tener un hilo conductor rectilíneo tenemos un espiral rectangular, aparecerán un par de fuerzas de igual valor pero de diferente sentido situadas sobre los dos lados perpendiculares al campo magnético. Esto no provocará un desplazamiento, sino que la espira girará sobre sí misma.
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4.5 Inducción Aplicada En Un Cargador La recarga inalámbrica (también conocida como recarga inductiva) es la transferencia de electricidad a través de ondas que llegan a las máquinas de recepción, haciendo que el dispositivo se cargue. En el mercado se encuentran bases sobre cuya superficie se colocan dispositivos, creándose una carga eléctrica.
4.5.1 Funcionamiento y Características Los cargadores inalámbricos emiten un corriente alterna vía una bobina de transmisión, el cual induce un voltaje en la bobina receptora que se encuentra en el aparato. Las bases de carga Qi (se pronuncia “chi”) pueden cargar smartphones, tablets, audífonos Bluetooth®, cámaras y paquetes de carga portátiles.
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Generalmente los cargadores de inducción transfieren energía entre 2 objetos utilizando un campo electromagnético, lo cual generalmente hace mediante una estación de carga. La energía resultante es enviada a través de un acoplamiento inductivo a un dispositivo eléctrico, que pueden entonces usar esa energía para cargar su batería. Usan para este procedimiento las llamadas “bobinas de inducción”, las cuales son utilizadas para crear el campo el campo electromagnético necesario para cargar los dispositivos convirtiendo estos campos electromagnéticos en electricidad. Una de estas bobinas se encuentra en el interior de la estación de carga, y la segunda bobina de inducción se deberá encontrar por fuerza en el dispositivo a cargar, cuanto más cerca se encuentren los inductores, mejor será la transferencia de energía.
Ventajas 1) 2) 3) 4)
Atractivos para cualquier aplicación debido a su vida útil Sus componentes electrónicos se encuentran completamente sellados La corrosión o humedad no puede producir daños Mejora de durabilidad
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5) Un solo cargador para multitud de dispositivos diferentes. Los más grandes cargan varios al mismo tiempo. 6) Evitas desgastar el conector de carga del móvil, y que en un futuro se rompa. 7) Es más estético y cómodo
Desventajas 1) Menor eficiencia de carga 2) Menor eficiencia dispersando el calor residual 3) Presupuesto más alto que el de carga normal
Algunos modelos recomendados: - Energizer Inductive Charger: Modelos para 1 y 2 dispositivos a la vez en 54 y 72 US$. Disponible en Amazon. - Nokia DT900: Está pensado para el Lumia 920, pero funciona también para otros móviles. Cerca de 60€ en Amazon. - Almohadilla de carga Nokia: Uno de los mejores diseñados, pero costoso y rondando los 90€. Hay que aclarar que algunos móviles nuevos como por ejemplo los iPhone no son compatibles de forma nativa con esta tecnología. Se pueden adaptar para carga inalámbrica con una carcasa especial.
5. MATERIALES Y PRESUPUESTO: 33
2 Resistencias 10k……. $3.00 c/u 2 Capacitor 100nf……. $5.00 c/u 2 Capacitores 150nf…….. $5.00 c/u 3 Transistores 2N2222……. $15.00 c/u 4 Capacitores 2.2uf…… $5.00 c/u 4 Diodos IN4007….. $10.00 c/u 1Kg Alambre magneto…. $90.00 c/u TOTAL: $221.00
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Capítulo II Descripción de la Experiencia
DESARROLLO DEL PROTOTIPO 35
Después de haber investigado todo lo que tiene que ver con el prototipo, es momento de desarrollar la idea que tenemos y aplicarla en el prototipo, primero se buscó un circuito para realizar la primer parte del
prototipo, ya que no sé encontró, nos vimos en la tarea de desarrollar nuestro propio circuito con los conocimientos obtenidos en el taller, haciendo varios circuitos para ver cuál nos funcionaba y nos daba lo que buscábamos.
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Ya que se encontró el circuito indicado, se empezó a experimentar con diferentes tipos de bobinas, necesitábamos un voltaje mínimo de 5v pero el prototipo sólo llegaba a 2v, así que comenzamos a jugar con las vueltas y la forma de los embobinados.
Hasta que encontramos el correcto y lo aplicamos en nuestro circuito, así como la bobina receptora.
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Se trató de adaptar la bobina receptora al celular, soldando 1 polo de la bobina a la entrada positiva del centro de carga y el otro palo a cualquier parte de metal del celular para que fuera el negativo, pero esto no funcionó ya que la batería cortaba las líneas de flujo del campo.
Se utilizó el circuito diseñado en el software livewire y se implementó en el prototipo que llevamos a cabo.
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Este es nuestro circuito en su placa y con su bobina, nos daba un voltaje muy superior al que necesitábamos, así que optamos por reducir la bobina del receptor hasta que nos diera el voltaje adecuado.
Esta es la bobina del oscilador, cuenta con 100 vueltas para que así tenga un alcance máximo de hasta 1 centímetro.
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La bobina del receptor cuenta de 50 vueltas con un calibre muy delgado, ya que si le poníamos las mismas vueltas que la bobina del oscilador este generaba 16v y nosotros necesitábamos 5v ya que si no se podría dañar el equipo.
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Se le hizo un arreglo a un cable de carga que tiene todas las entradas para celular o Tablet, para así poder cargar cualquier dispositivo móvil.
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Este es nuestro prototipo armado en su gabinete, con su bobina y su circuito.
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Capítulo III Resultados Obtenidos
Propuestas. 44
Este proyecto innova el mercado de la tecnología para así tener una más cómoda y fácil manera de cargar el teléfono celular, tablet, etc., sería más fácil comercializar y reducir un poco el precio de este producto, si se patrocina con alguna compañía interesada o el mismo público quisiera ayudarnos con la realización de este proyecto, ya sea dando dinero o incluso material que probablemente a ellos ya no les sirva, para poder así también reciclar y no mal gastar recursos.
Conclusiones Este prototipo ayudó para formarnos en un ámbito profesional, aplicando conocimientos que adquirimos durante nuestro curso en el taller de instalaciones y mantenimiento eléctricos con este proyecto, aprendimos tanto como trabajar en equipo, como, las cosas que se pueden realizar con los conocimientos ya adquiridos en la institución.
GLOSARIO: 45
SUSTENTABLE: Aquel que se puede mantenerse en el tiempo por sí mismo, sin ayuda exterior y sin que se produzca la escasez de los recursos existentes. INNOVADOR: Es un cambio que supone una novedad. INDUCCIÓN: Proceso por el cual el campo magnético creado por un conductor eléctrico provoca una fuerza eléctrica en otro conductor próximo. ELECTRODO: Extremo de un conductor en contacto con un medio, al que lleva o del que recibe una corriente eléctrica. ÁNODO: Polo positivo de una pila. CATODO: Polo negativo de una pila. ELECTROLITO: Sustancia que puede someterse a electrolisis, contienen iones libres que actúan como conductores eléctricos. REACIAS: Aquel que se opone o resiste a algo. BORNES: Parte metálica o de una maquina o de un dispositivo eléctrico donde se produce la conexión con el circuito eléctrico exterior al mismo. F.E.M: Fuerza Electro Motriz. PASIVO: Que permanece inactivo dejando que las cosas ocurran sin su intervención. TRIODO: Válvula o lámpara termoiónica de tres electrodos. REPELIDOS: Propiedad de los cuerpos para mantener una carga eléctrica. INDUCTANCIA: Propiedad de los circuitos eléctricos por la cual se produce una fuerza electromotriz cuando varía la corriente que pasa, ya por el propio circuito, ya por otro circuito próximo a él. PERCUSION: Acción de percutir o dar golpes. SATURACIÓN: Completar, saciarse, atiborrar de algo. 46
CONMUTACION: Cambio de circuito de una corriente eléctrica; en general, acción de abrir, cerrar o dirigir un circuito eléctrico. CORROSION: Pérdida o deterioro de las propiedades físicas y/o químicas de un metal.
Bibliografía 47
http://platea.pntic.mec.es/~lmarti2/baterias.htm http://www.tiposde.org/cotidianos/420-tipos-de-baterias/ http://es.slideshare.net/cemarol/bateria-presentation http://electronicaeltos.galeon.com/ https://es.wikipedia.org/wiki/Cargador_de_bater%C3%ADas
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