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Metodologia de diseno electronico aplicado en circuito detector de agua.

Electronic design methodology applied in water detector circuit

INTRODUCCION

En el area de electronica de la Tecnoacademia, Cali, se brindan las herramientas para el reconocimiento de elementos, herramientas y equipos que dan vida a la electronica, sumergiendo al aprendiz en un mundo tecnologico y virtual a traves de la creacion de proyectos donde conoce los conceptos importantes como "que es la electronica, los componentes que la conforman y metodos de elaboracion de circuitos electronicos funcionales" que dan solucion a un determinado problema [1].

Implementando los conocimientos adquiridos en el area de electronica, los aprendices tienen la capacidad de dar solucion a problemas cotidianos como la necesidad de evitar el desperdicio de agua en tanques, albercas, lavamanos o piscinas, cuando estan en el proceso de llenando y no tienen un control para medir o determinar la cantidad del agua necesaria para no rebosarse. Una de las posibles soluciones que se pueden dar es monitorear el objeto de almacenamiento, teniendo en cuenta que cuando el agua alcance un nivel maximo dentro de este un dispositivo electronico emita una senal que informe a la persona el estado para cerrar la llave y evitar la perdida del elemento.

El interes por parte de los aprendices al implementar una metodologia apropiada en el diseno de circuitos electronicos hace necesario responder a la siguiente pregunta: ?es posible implementar un conjunto de metodos cientificos que conduzcan a un diseno electronico, aplicado en la elaboracion de un circuito audible detector de agua? Dando respuesta, se inicia con la adquisicion de conocimiento sobre la electronica analoga-digital [2], componentes que conforman la electronica y el reconocimiento teorico-matematico de la ley de Ohm en un circuito como el que se observa en la Figura 1, el cual configura la base principal para el desarrollo y obtencion de datos experimentales en los circuitos electronicos.

Para desarrollar los calculos o mediciones de acuerdo con los datos que se obtengan, se debe implementar la ley de Ohm [3], por ello se reconocieron las tres ecuaciones, asi:

1 = V/R (1) V = 1 * R (2) R = V/1 (3)

Donde I es intensidad (corriente) en amperios y su unidad de medida (A); Ves diferencia de potencial en voltios y su unidad de medida (V); R es resistencia en ohmios y su unidad de medida ([OMEGA]).

Finalmente, los aprendices se dan cuenta de que con los conocimientos basicos adquiridos en formacion sobre electronica se puede implementar diversas metodologias de aprendizaje en la creacion y diseno de soluciones a problematicas de la sociedad, pero tambien los impulsa a seguir aprendiendo a traves de la investigacion para mejorar dichos disenos y volverlos mas eficientes y autonomos.

METODOS

Metodologia en el diseno electronico

La elaboracion de un diseno electronico tiene como finalidad obtener un circuito funcionalmente correcto, sencillo y eficiente, de tamano pequeno, acorde con su aplicacion; por lo anterior, y para dar solucion al problema planteado anteriormente, se eligio la creacion de un circuito audible detector de caida de agua, haciendo uso de una metodologia de diseno que debe garantizar conexiones correctas, minimizacion de errores y, en caso de presentarse, realizar la deteccion en la etapa mas temprana posible. Para ello es importante, en la etapa de diseno, la verificacion correcta de la simulacion electronica antes del montaje fisico de la tarjeta, esto con el fin de diferenciar las etapas electronicas, los flujos de corriente y voltaje dentro del circuito, evitando de esta forma que en el montaje fisico se danen los componentes electronicos [4].

Con la implementacion del simulador electronico, los aprendices tienen una experiencia didactica de autoaprendizaje accesible al poder contar con todos los elementos electronicos necesarios para la creacion virtual de circuitos; por esto, se implemento el software de simulacion electronica Proteus 8.1, el cual cuenta con una interfaz grafica sencilla, amplias librerias de componentes, microcontroladores, incluso es posible simular otras plataformas como arduino que es un simulador y hardware (Customer 00-00000-001, licencia SENA).

La explicacion del seguimiento de la metodologia implementada se realiza mediante un diagrama de flujo para el diseno del circuito electronico, como se muestra en la Figura 2. En el primer paso se generan las especificaciones de diseno, las cuales describen la funcionalidad esperada; esta etapa da libertad al disenador en aspectos como la topologia del circuito, la colocacion de distintos componentes, etc.

En la etapa de creacion de esquematicos se tienen en cuenta todas las especificaciones para obtener un diagrama circuital completo y funcional, con todos los valores y nombre de los componentes de acuerdo con la necesidad. Posterior a ello se realiza la etapa de simulacion, donde se observara si la etapa anterior quedo correctamente disenada; en esta parte los circuitos sonaran, alumbraran y se moveran de acuerdo con lo requerido en la aplicacion, para el detector de agua especificamente la simulacion dara un sonido.

Especificaciones de diseno

Determinar la aplicacion del proyecto

Se determino que este proyecto tiene una aplicacion para monitorear tanques de almacenamiento de agua tales como lavaderos, inodoros y piscina durante el llenado para evitar su rebosamiento.

Explicacion de funcionamiento

El proyecto cuenta con diferentes componentes electronicos que realizan la medicion de niveles de agua, es decir, cuando un tanque se esta llenando y el agua alcanza las zonas de medicion del circuito, este dispositivo emite un sonido audible.

Componentes que conforman el circuito

Para llevar a cabo el diseno electronico del proyecto se reconocieron e implementaron los siguientes componentes, equipos, reactivos y herramientas:

* Transistor (2N3904).

* Circuito integrado (NE555).

* Condensador ceramico (0.49 V).

* Resistencias (1K[OMEGA], 120K[OMEGA], 220[OMEGA], 10[OMEGA]).

* Parlante de 8U.

* Base de ocho pines para integrado NE555.

* Protoboard.

* Alicate de cinco pulgadas.

* Alicate de corte diagonal.

* Pelacable UTP.

* Cable UTP categoria 5.

* Fuente de poder DC, GW Instek GPC 3060D (para la alimentacion de 9 v).

* Multimetro digital hold peak hp-760C.

* Baquela.

* Esponjilla de brillo.

* Computador con software electronico ISIS Proteus.

* Impreso de circuito en laser.

* Percloruro ferrico.

* Motortool dremel 4000.

* Broca de 1.0 mm.

* Cautin con base.

* Estano.

* Crema para soldar.

* Desoldador o extractor de estano.

Descripcion funcionamiento circuito y pruebas

El detector de agua esta hecho de un circuito integrado NE555 que interviene dentro del funcionamiento como un reloj o senal de pulso, es decir, cuando haya continuidad electrica entre las sondas de medicion generada por el agua, el integrado NE555 genera una senal de audio que es amplificada por el transistor y finalmente producida por el parlante.

Para que el circuito funcione se conecto una bateria de 9 V, ademas se instalaron las sondas de medicion en el tanque de agua a una profundidad desde el borde del tanque de 10 cm; sin embargo, antes de llevar a cabo el funcionamiento final se realizo una prueba preliminar que indico que el circuito estaba en funcionamiento. Se examinaron las sondas de medicion de agua en un recipiente, conectando las zonas dentro de este; de acuerdo con las conexiones establecidas, al detectar agua se genero sonido y esto indico que el circuito disenado funciono correctamente.

RESULTADOS

Se realizo el proyecto de electronica analoga-digital, donde se elaboraron mediciones del valor de resistencia, voltaje y corriente en cada componente que conformaba el proyecto (resistencia, condensador y transistor). Se realizo el calculo de la potencia del circuito para aplicar los conocimientos de formulas en circuitos electronicos y, ademas, calcularon el voltaje y corriente en cada elemento para compararlos con los medidos y analizar el margen de error que tiene la teoria con la practica.

Elaboracion de circuito analogo-digital en simulador Proteus

Se realiza el diseno en el simulador para lograr visualizar el funcionamiento del proyecto como se observa en la Figura 3, basado en lo que se quiere lograr integrando el agua como conductor y reemplazandolo en el simulador por un cable de union.

Mediciones en circuito fisico

Los resultados practicos y teoricos se obtienen, como se muestra en la Tabla 1, mediante el uso de un equipo como el multimetro y fuente de poder DC.

Este circuito es un sensor de humedad o agua analogo; asi, cuando los sensores del circuito detectan humedad o agua la utilizan como conductor de energia para el led de luz. Con el fin de visualizar de otra forma el funcionamiento del circuito se implementa una herramienta online de diseno electronico llamada DCACLab, donde la funcion que ejerce cada componente del circuito que se observa en la Figura 4; en este sentido, cuando los cables se sumergen en agua la utilizan como conductor de energia, le llega una carga positiva al led pasando por la resistencia R1 y esperan la carga negativa que llega cuando el emisor del transistor T2 envia la senal por la resistencia R2, R3 y T1 y la carga de polarizacion contraria a la base del transistor T1, dando paso a la carga negativa al lado negativo del led y haciendo que el led encienda, utiliza el agua como conductor de energia que une la base del transistor T2 con el positivo de la fuente y hace encender el led.

En la Tabla 2 se muestran los valores obtenidos con las puntas de medicion sin agua, es decir, el camino abierto o sin ningun elemento que transportara la energia; al mismo tiempo, se encuentran los valores obtenidos con agua, es decir, se cerro el camino con un conductor.

Luego de realizar las mediciones se realiza el calculo de corriente, potencia y resistencia total del circuito con agua para conocer los valores totales de cada unidad de medida en el montaje fisico del circuito electronico, implementando la ley de Ohm a los criterios como se observa a continuacion.

* Corriente en cada resistencia con agua.

[1.sub.R1] = [V.sub.R1]/R1 = 9.6v/1000[OMEGA] = 0.0096 [aproximadamente igual a] 96mA

[1.sub.R2] = [V.sub.R2]/R2 = 6.47v/1000[OMEGA] = 0.00647 [aproximadamente igual a] 64.7mA

[1.sub.R3] = [V.sub.R3]/R3 = 7.23/1000[OMEGA] = 0.00723 [aproximadamente igual a] 72.3mA

[1.sub.R4] = [V.sub.R4]/R4 = 0.05v/1000[OMEGA] = 0.00005 [aproximadamente igual a] 50[my]A

* Corriente total medida.

[I.sub.total] = 0.03A

* Potencia total.

[P.sub.total] = [V.sub.fuente] * [I.sub.total]

[P.sub.total] = 12v * 0.03A = 0.36w

* Resistencia total.

[R.sub.total] = [P.sub.total]/[I.sub.total] = 0.36w/0.03A = 12[OMEGA]

Simulacion en Proteus y Ares del circuito analogo

Se realiza la simulacion del proyecto para comparar los datos con el montaje fisico, por ello en la Figura 5 se observa cada elemento en el simulador Proteus con sus respectivos valores y referencia; por otro lado, en la Figura 6 se encuentra el diseno de la PCB, es decir, el diseno del circuito impreso que se utiliza para conectar electricamente a traves de las pistas conductoras cada uno de los componentes electronicos.

En el simulador de Proteus se implemento la herramienta de medicion de voltaje DC (corriente directa), para obtener cada uno de los voltajes de los componentes electronicos.

En la Tabla 3 se obtuvieron valores con las puntas de medicion sin agua, es decir, el camino abierto o sin ningun elemento que transportara la energia; al mismo tiempo, incluye datos donde en la simulacion se cerro el camino con un cable de conexion asimilando que es el agua, ya que es un conductor, y de dicha forma se obtienen los valores de voltaje.

Con la Tabla 5 entonces se pueden comparar datos de voltaje donde las resistencias, al no tener un flujo conductor, no obtendran una corriente y no brindaran una corriente suficiente a los demas componentes como el diodo led para que encienda; por otro lado, cuando se ponen las zonas de medicion sumergidas en agua como conductor, el flujo de corriente es el necesario para encender un diodo led y dar el aviso de acuerdo con la necesidad requerida en el llenado de un tanque de almacenamiento de agua u otro objeto.

DISCUSION

Se comparan e interpretan los resultados obtenidos de manera clara y precisa, los autores deben exponer sus propias opiniones sobre el tema, tendencias, ventajas, limitaciones entre otros.

CONCLUSIONES

El aprendizaje en Tecnoacademia, Cali, en el area de electronica mediante la implementacion de una metodologia de diseno, se logro la integracion de formacion por proyectos y e-learning, incluyendo temas como la electronica analoga y digital y el diseno electronico. Se aprendio a realizar un analisis teorico-practico del montaje y diseno electronico para obtener diferencias representativas en el funcionamiento, teniendo en cuenta el uso correcto de formulas y tecnicas de medicion.

La metodologia de diseno electronico logra crear en los aprendices un analisis critico y reflexivo, logrando adquirir mas conocimientos para diferentes materias y tematicas de las ciencias basicas como matematicas, fisica, dibujo tecnico y lenguaje. El uso de metodologia de aprendizaje logra un acercamiento a la educacion presencial y virtual creando ciencia, tecnologia e investigacion en un area de enfoque.

Se logra entender que a partir del uso de la electronica se pueden crear diferentes tipos de proyectos que no tienen un final en tanto se pueden seguir mejorando y aplicando conceptos nuevos a medida que se van adquiriendo mas conocimiento, hasta el punto de construir sistemas autonomos y eficientes con uso de energias renovables.

REFERENCIAS

[1] SENA, "Guia para el registro y uso del formulario digital y SGPS para presentacion de proyectos SENNOVA 2017 al programa de Investigacion, Desarrollo Tecnologico e Innovacion". [En linea]. Disponible en: http://sennova.senaedu. edu.co/documentosV2/Instructivo%20Sennova%202016-2017%20v6.pdf

[2] A. P. Malvino, Principio de electronica. Madrid: McGraw-Hill Interamericana, 2000.

[3] W. H. Hayt, J. E. Kemmerly, S. M. Durbin, Analisis de circuitos en ingenieria. Madrid: McGraw-Hill Interamericana de Espana, 2007.

[4] E. Harper, Dispositivos y circuitos en corriente continua, Fundamentos de electricidad, Editorial Limusa, Mexico, 1994.

[5] C. J. Fernandez, A. Lopez y C. Leon, "Metodologia de diseno electronico de practicas obligatorias de laboratorio", Revista Pixel-bit, vol. 37, pp. 19-27.

[6] DCACLab. Simulador didactico DCACLab. [En linea]. Disponible en: https://dcaclab.com/es/ lab?from_main_page=true

Leidy Catherine Diaz Montealegre (1) Alexander Lopez Tellez (2)

(1.) Ingeniera electronica, Universidad de Ibague, Colombia. Facilitadora area de electronica, Tecnoacademia ASTIN, Sena Regional Valle. Correo electronico: leidydiazm@outlook.com

(2.) Ingeniero electronico, Universidad de Ibague, Colombia. Correo electronico: alexander.lo.te@outlook.com

Para citar: Diaz, L., y Lopez, A. (2018). Metodologia de diseno electronico aplicado en circuito detector de agua.

Redes de Ingenieria, 9(1), 8-14, doi: https://doi.org/10.14483/2248762X.12969.

Recibido: 19-febrero-2018 / Aprobado: 13-mayo-2018

Leyenda: Figura 1. Circuito para la ley de Ohm.

Fuente: [2].

Leyenda: Figura 2. Metodologia de diseno electronico.

Fuente: [5].

Leyenda: Figura 3. Diagrama circuital detector de humedad con integrado NE555.

Fuente: elaboracion propia.

Leyenda: Figura 4. Diagrama circuital detector de humedad con transistores, en simulador DCACLab.

Fuente: [6].

Leyenda: Figura 5. Diagrama circuital en Proteus.

Fuente: elaboracion propia.

Leyenda: Figura 6. Diagrama circuital Ares.

Fuente: elaboracion propia.
Tabla 1. Mediciones en las resistencias en el circuito con
NE555.

Elemento               Referencia ([OMEGA])   Voltaje (V)

R1                              1K               8.56
R2                             120K              0.10
R3                              10               0.27
R4                             220               0.10
Circuito integrado              --               8.39
Condensador ceramico            --               0.49
Parlante                        --               0.02
Transistor                      --               8.68

Fuente: elaboracion propia.

Tabla 2. Mediciones de voltaje con y sin agua en circuito
con transistores.

Elemento   Voltaje (v) sin agua   Voltaje (v) con agua

R1                 0.1                    9.6
R2                 0.1                    6.47
R3                 0.1                    7.23
R4                 0.5                    0.05
D1                 0.02                   2.1
T1                10.49                  10.48
T2                12.07                   4.26

Fuente: elaboracion propia.

Tabla 5. Medicion de voltaje del circuito con y sin agua en
Proteus.

Elemento           Voltaje (v) sin agua   Voltaje (v) con agua

R1                         0.0                    9.47
R2                         0.0                    9.60
R3                         0.0                    11.1
R4                         0.0                    0.13
D1                         0.01                   2.23
T1 (base-emisor)           0.0                    0.03
T2 (base-emisor)           0.0                    0.87

Fuente: elaboracion propia.
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Title Annotation:Articulo de investigacion cientifica
Author:Diaz Montealegre, Leidy Catherine; Lopez Tellez, Alexander
Publication:Redes de Ingenieria
Date:Jan 1, 2018
Words:2909
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