UNIVERSIDAD ISRAEL FACULTAD DE ELECTRÓNICA

TEMA: Diseño y construcción de prototipo electrónico para controlar el encendido de maquinaria industrial por medio de un código de 4 dígitos Estudiante Gerald Moreno Tutor Ing. Albarracín

Quito Ecuador. Febrero 2010.

1. Introducción

“Accidente de trabajo es todo suceso imprevisto y repentino que ocasiona al trabajador

una lesión corporal o perturbación funcional, con ocasión o por consecuencia del

Trabajo que ejecuta por cuenta ajena”1

El presente proyecto está diseñado en función de aumentar los índices de seguridad en

el uso de maquinaria y herramientas, cuyo manejo inadecuado puede producir

accidentes laborales e incluso la muerte.

1.1. Antecedentes:

El 5,0% de las personas ocupadas o que han trabajado el último año sufrieron un

accidente durante la jornada laboral o en trayectos hacia/desde el lugar de trabajo en los

últimos 12 meses. Por su parte, el 17,8% de las personas ocupadas o con alguna

experiencia laboral ha sufrido alguna enfermedad en el último año, según los resultados

del módulo sobre accidentes de trabajo y enfermedades profesionales del IESS.2

Esta es un tendencia que va en aumento en función de los crecientes índices de

desempleo donde personal no capacita realiza labores consideradas como de riesgo.

1.2. Planteamiento del Problema:

El uso inadecuado de maquinarias y herramientas industriales ya sea por motivos de

inexperiencia, impericia, falta de organización y control, puede llegar a ocasionar

accidentes laborales donde el afectado directo es el trabajador. Además se producen

consecuentes daños colaterales o indirectos, siendo estos paradas en la producción,

pérdidas económicas a la organización, disminución del rendimiento del personal

relacionado con el accidente, etc.

El presente proyecto plantea una herramienta de control que permite incrementar el

nivel de seguridad dentro del espacio laboral al colocar un circuito de control para

encender las diversas maquinas y herramientas eléctricas por medio de un código

personal que se debe ingresar antes de energizar el equipo a ser utilizado, caso contrario

el mismo no se energiza.

1Código del Trabajo Ecuatoriano

2 http://www.ine.es/prensa/np508.pdf

1.3. Objetivos

1.3.1 Objetivo General:

Diseñar y construir un prototipo de circuito electrónico que por medio de un

código de 4 dígitos permita energizar equipos y herramientas de uso industrial.

1.3.2 Objetivos específicos:

Plantear políticas de uso adecuado de herramientas y maquinaria considerada

riesgosa.

Disminuir el porcentaje de accidentes laborales al usar maquinaria y herramienta

industrial.

Presentar una alternativa para incrementar el nivel se seguridad al emplear

maquinaria industrial

1.4. Justificación:

El proyecto se sustenta o justifica en la necesidad de aumentar la seguridad al usar

maquinaria o herramientas industriales, por medio de un circuito que permite energizar

dichos equipos al ingresar de un código de 4 dígitos.

De esta manera se controla que el uso de los equipos sea solo por personal adecuado,

disminuyendo la probabilidad de sufrir un accidente laboral

1.5. Descripción del proyecto:

El circuito permite controlar el accionamiento de una carga activada por medio de una

clave única de 4 dígitos, esto permite obtener 16 combinaciones posibles para la clave

de seguridad, la clave se puede ingresar por medio de un dip switch o de un teclado

matricial, una vez ingresada la clave correcta el circuito se acciona.

1.6. Alcance del proyecto:

Este circuito se aplica en diversos sistemas de seguridad, donde se requiere validaciones

para ingresos ya sea a sitios restringidos o para accionar mecanismos de prioridad alta.

Su uso más frecuente esta en el control de acceso de puertas por medio de contraseñas.

Este tipo de circuitos tiene la característica de que pueden ser escalables en el numero

de dígitos a ser usados en la contraseña como métodos de visualización de la clave q se

ingresa.

1.7.Diagrama de Bloques:

Fig. 1.Diagrama de bloques

1.8. Diagrama Esquemático:

Fig. 2. Esquemático

ETAPA

COMPARACION

ETAPA

ACTIVACION

ETAPA DE

ALIMENTACION

INGRESO DE

CLAVE

1.9.Lista de materiales:

9 resistencias de 5.6K

1 resistencia de 10K

1 DIP switch x 4

4 interruptores ON/OFF

1 pulsador normalmente cerrado

1 compuerta XNOR 74LS266

1 compuerta AND 74LS21

1 diodo 1N4148

1 diodo 1N4001

5 leds

1 transistor 2N3904

1 zócalo de 14 pines

1 zócalo de 16 pines

1 relé de 12V a 10A

1 chapa eléctrica de 12VAC

1 transformador 110VAC a 12VAC

1 adaptador de 12V CC

2. MARCO TEORICO

Resistencia.-

Simbolo:

Se denomina resistencia eléctrica, R, de una sustancia, a la oposición que encuentra la

corriente eléctrica para circular a través de dicha sustancia. Su valor viene dado en

ohmios, se designa con la letra griega omega mayúscula (Ω), y se mide con el Óhmetro.

Esta definición es válida para la corriente continua y para la corriente alterna cuando se

trate de elementos resistivos puros, esto es, sin componente inductiva ni capacitiva.

Para obtener la resistencia de cualquier elemento de un material específico, es

necesario conocer algunos datos propios de éste, como son: su longitud, área

transversal, resistencia específica o resistividad del material con que está fabricada.

El Diodo.-

El diodo es un dispositivo de dos terminales que, en una situación ideal, se comporta

como un interruptor común con la condición especial de que solo puede conducir en una

dirección.

Tiene un estado encendido, el que en teoría parece ser simplemente un circuito cerrado

entre sus terminales, y un estado apagado, en el que sus características terminales son

similares a las de un circuito abierto.

Cuando el voltaje tiene valores positivos de VD (VD > 0 V) el diodo se encuentra en el

estado de circuito cerrado (R= 0 Ω) y la corriente que circula a travιs de este esta

limitada por la red en la que este instalado el dispositivo. Para la polaridad opuesta (VD

< 0 V), el diodo se encuentra en el estado de circuito abierto (R= ∞ Ω) e ID = 0 mA. La

siguiente figura nos muestra los dos estados del diodo y su símbolo con el que se

representa.

Fig. 3. El Diodo

El diodo ideal presenta la propiedad de ser unidireccional, esto es, si se aplica un voltaje

con polaridad determinada, el diodo permite el flujo de corriente con resistencia

despreciable y con un voltaje de polaridad opuesta no permitirá el paso de corriente.

En la construcción del diodo semiconductor. Se colocan dos materiales semiconductores

con contenido de carga opuesta uno al lado del otro. un material es semiconductor como

silicio o germanio excesivamente cargado de partículas negativas (electrones). El otro

material es del mismo tipo semiconductor con la diferencia de que este tiene la ausencia

de cargas negativas

Cuando se aplica un voltaje de paralización directa (voltaje de corriente directa) la

región iónica en la unión se reduce y los portadores negativos en el material tipo n

pueden superar la barrera negativa restante iones positivos y continuar su camino hasta

el potencial aplicado.

Las características reales del dispositivo no son ideales, y la grafica nos muestra como

se comporta el diodo con el tipo y cantidad de voltaje suministrado al mismo

Fig. 4. Curva característica

El hecho de que la grafica sea una curva nos dice que la resistencia del diodo cambia en

cada punto diferente de la curva, esto es, mientras mas inclinada sea la curva la

resistencia cera menor y tendera a aproximarse al valor ideal de 0 Ω

Para analizar mas afondo este cambio de la resistencia veamos la siguiente figura

Como podemos notar en la grafica se encuentran representados unos deltas de voltaje y

de corriente y esto es porque con la definición de la pendiente de cálculo diferencial

podemos encontrar la resistencia en un cierto punto de la curva

Resistencia= ΔVD / ΔID

Podemos analizar más de fondo las características reales del diodo con la siguiente

figura pero hay que notar el cambio de estaca en el eje y que representa la corriente

La pequeña cantidad de corriente que pasa en la polarización inversa están

insignificante que no tiene ningún efecto en el circuito además de ser de sentido

contrario

Existen varios tipos de diodos y veremos los más importantes, cada uno tiene

aplicaciones específicas pero solo nos enfocaremos en su funcionamiento respecto a un

voltaje o corriente que tenga paso a través de ellos

El Transistor Bipolar o BJT.-

El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser

de germanio o silicio.

Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente

en cada caso, lo indica la flecha que se ve en la figura 7 de cada tipo de transistor.

El transistor es un dispositivo de 3 patillas con los siguientes nombres: base (B),

colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la

flecha en el gráfico de transistor.

El transistor es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos

una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor),

una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación. Este factor se llama

b (beta) y es un dato propio de cada transistor.

Transistor NPN Transistor PNP

Fig. 5. Configuración de los transistores.

Entonces:

- Ic (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a b (factor de amplificación) por

Ib (corriente que pasa por la patilla base).

- Ic = β * Ib (11)

- Ie (corriente que pasa por la patilla emisor) es del mismo valor que Ic, sólo que, la

corriente en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de él, o viceversa.

Según la fórmula anterior las corrientes no dependen del voltaje que alimenta el circuito

(Vcc), pero en la realidad si lo hace y la corriente Ib cambia ligeramente cuando se

cambia Vcc., Fig. 8.

Fig. 6. Ic vs Vcc

Fig. 7. Ic vs Vcc

En la figura 9, las corrientes de base (Ib) son ejemplos para poder entender que a mas

corriente la curva es más alta.

Regiones operativas del transistor

- Región de corte: Un transistor esta en corte cuando:

corriente de colector = corriente de emisor = 0, (Ic = Ie = 0)

En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de

alimentación del circuito. (como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje,

ver Ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib

=0)

- Región de saturación: Un transistor está saturado cuando:

corriente de colector = corriente de emisor = corriente máxima, (Ic = Ie = I máxima)

En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito

y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos. Este caso

normalmente se presenta cuando la corriente de base es lo suficientemente grande como

para inducir una corriente de colector β veces más grande. (recordar que Ic = β * Ib)

- Región activa: Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la

región de corte entonces está en una región intermedia, la región activa. En esta región

la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib), de β

(ganacia de corriente de un amplificador, es un dato del fabricante) y de las resistencias

que hayan conectadas en el colector y emisor). Esta región es la mas importante si lo

que se desea es utilizar el transistor como un amplificador.

Configuraciones: Hay tres tipos de configuraciones típicas en los amplificadores con

transistores, cada una de ellas con características especiales que las hacen mejor para

cierto tipo de aplicación. y se dice que el transistor no está conduciendo. Normalmente

este caso se presenta cuando no hay corriente de base (Ib = 0)

- Emisor común

- Colector común

- Base común

La corriente de colector y corriente de emisor no son exactamente iguales, pero se

toman como tal, debido a la pequeña diferencia que existe entre ellas, y que no afectan

en casi nada a los circuitos hechos con transistores.

Relé.- Un relé es un interruptor accionado por un electroimán.

Un electroimán está formado por una barra de hierro dulce, llamada núcleo, rodeada por una

bobina de hilo de cobre (Fig. 1). Al pasar una corriente eléctrica por la bobina (Fig. 2) el núcleo

de hierro se magnetiza por efecto del campo magnético producido por la bobina, convirtiéndose

en un imán tanto más potente cuanto mayor sea la intensidad de la corriente y el número de

vueltas de la bobina. Al abrir de nuevo el interruptor y dejar de pasar corriente por la bobina,

desaparece el campo magnético y el núcleo deja de ser un imán.

TIPOS DE RELÉS

El relé que hemos visto hasta ahora funciona como un interruptor. Está formado por un

contacto móvil o polo y un cotacto fijo. Pero también hay relés que funcionan como un

conmutador, porque disponen de un polo (contacto móvil) y dos contactos fijos (Fig. 5).

Fig. 8. El Relé

Cuando no pasa corriente por la bobina el contacto móvil está tocando a uno de los contactos

fijos (en la Fig. 5 el de la izquierda). En el momento que pasa corriente por la bobina, el núcleo

atrae al inducido, el cual empuja al contacto móvil hasta que toca al otro contacto fijo (el de la

derecha). Por tanto, funciona como un conmutador. En la Fig. 6 puede verse el símbolo de este

tipo de relé.

También existen relés con más de un polo (contacto móvil) siendo muy interesantes para los

proyectos de Tecnología los relés conmutadores de dos polos (Fig. 8) y los de cuatro polos

(fig. 8).

Compuertas lógicas:

Una compuerta lógica es un circuito lógico cuya operación puede ser definida por una función

del álgebra lógica, cuya explicación no es el objeto de esta obra.

Veamos entonces las compuertas lógicas básicas, para ello definamos el termino “tabla de la

verdad”, por utilizarse a menudo en las técnicas digitales.

Se llama tabla de verdad de una función lógica a una representación de la misma donde se

indica el estado lógico “1” o “0” que toma la función lógica para cada una de las combinaciones

de las variables de las cuales depende.

Inversor:

Un inversor es un circuito lógico que tiene una sola entrada y una sola salida.

La salida del inversor se encuentra en el estado lógico “1” si y solo si la entrada se encuentra en

el estado lógico “0”. Esto significa que la salida toma el estado lógico opuesto al de la entrada.

Compuerta lógica AND :

Las puertas lógicas AND (o Y en castellano) son circuitos de varias entradas y una sola salida,

caracterizadas porque necesitan disponer de un nivel 1 en todas las primeras para que también la

salida adopte ese nivel.

Basta con que una o varias entradas estén en el nivel 0 para que la salida suministre también

dicho nivel. Todas las unidades AND o derivadas del AND, deben tener señal simultanea en

todas sus entradas para disponer de señal de salida

Observando el funcionamiento de la unidad AND se comprende fácilmente que las entradas

pueden ser aumentadas indefinidamente. Las compuertas AND pueden tener más de dos

entradas y por definición, la salida es 1 si cualquier entrada es 1.

Compuerta lógica NAND:

La función NO-Y, llamada mas comúnmente NAND es la negación de la función Y (AND)

precedente. Así como en una puerta Y se necesita que exista nivel 1 en todas las entradas para

obtener el mismo nivel en la salida, en una NAND el nivel de la salida seria 0 en las mismas

condiciones. Por el contrario, cuando hay un nivel 0 en alguna de las entradas de una puerta Y la

salida esta a nivel 0, mientras que en iguales circunstancias en una puerta NAND el nivel de

salida seria 1. Una designación más adecuada habría sido AND invertido puesto que Es la

función AND la que se ha invertido

Compuerta lógica OR :

La función reunión, también llamada O, al traducir su nombre ingles OR, es la que solo necesita

que exista una de sus entradas a nivel 1 para que la salida obtenga este mismo nivel. La

expresión algebraica de esta función, suponiendo que disponga de dos entradas, es la siguiente :

s = a + b. Es suficiente que tenga señal en cualquiera de sus entradas para que de señal de salida

(OR). Las compuertas OR pueden tener más de dos entradas y por definición la salida es 1 si

cualquier entrada es 1.

Compuerta lógica NOR :

La función NOR consiste en la negación de la O, o sea, asi como esta suministra nivel 1 a su

salida si cualquiera de las entradas que posee esta a nivel 1, una puerta NOR se comporta

justamente al revés. En la función NOR es suficiente aplicarle una cualquiera de sus entradas

para que niegue su salida. la NOR pueden tener más de dos entradas, y la salida es siempre el

complemento de las funciones AND u OR, respectivamente.

Compuerta lógica EX - OR :

La función O exclusiva (“exclusive OR” según el idioma ingles) se caracteriza porque su salida

esta a nivel 1 siempre y cuando también lo estén un numero impar de sus entradas.

Para conseguir la función O exclusiva de 3 entradas pueden usarse funciones O exclusiva de dos

entradas para acoplarse entre si.

Compuerta lógica EX - AND :

La función Y exclusiva (exclusive AND en ingles) se emplea para verificar comparaciones entre

sus entradas. En efecto su salida presenta nivel 1 cuando sus entradas se encuentran en el mismo

nivel, sin importar que dicho nivel sea 1 o 0

Compuerta lógica EX - NOR :

Es la función negada de la compuerta EX - OR y es el contrario de la EX - OR, su salida

presenta nivel 1 cuando sus entradas se encuentran en el mismo nivel, sin importar que dicho

nivel sea 1 o 0, al igual que las EX - AND

Compuerta lógica EX - NAND :

Es la función negada de la compuerta EX - AND y es el contrario de la EX - AND, Para

conseguir la función O exclusiva de 3 entradas pueden usarse funciones O exclusiva de dos

entradas para acoplarse entre si.

Fig. 9. Compuertas Lógicas

3. PROCESO DE DESAROLLO

Este proyecto consta de las siguientes etapas:

Simulaciones y cálculos

Diseño del PCB

Implementación del circuito impreso a partir del PCB

Montaje de los elementos del circuito

Simulaciones y cálculos.

Para el desarrollo del proyecto los cálculos se realizaron en dos partes, la primera

corresponde a la parte de electrónica digital, en esta simulación se observó el correcto

funcionamiento de la compuertas lógicas que intervienen en el circuito

lógica.

Fig. 10. Parte Digital

Para la parte correspondiente a electrónica analógica se observa la activación del relé

por medio del transistor pnp.

Fig. 11. Simulación 1

Sentido de las corrientes.

Fig. 12. Simulación 2

Cálculos del Transistor

Fig. 13. CALCULOS

Diseño del PCB

Fig. 14 Diseño de pistas

Montaje del circuito.

Fig. 15 Soldadura de elementos.

Fig. 16 Montaje de la carcasa del circuito.

CONCLUSIONES Y RECOEMNDACIONES.

CONCLUSIONES

Es posible aumentar los niveles de seguridad al usar este circuito ya que la

herramienta puede ser activada solo por personal autorizado.

El nivel de organización industrial se ve beneficiado al ordenar según

competencias y habilidades al personal que maneja maquinaria y herramienta

eléctrica.

El circuito es de bajo costo y de con posibilidad de varios usos lo que demuestra

la viabilidad de este proyecto

RECOMENDACIONES

Tener mucho cuidado de no realizar sueldas frías.

Polarizar correctamente las compuertas lógicas.

Controlar el tiempo que se va a sumergir la placa en el acido.

Tener cuidado con la manipulación del ácido.

BIBLIOGRAFIA. www.wikipedia.com

www.alldatasheets.com

www.todoelectronica.com.

ANEXOS.