Download Sistema de iluminación gradual

2ºGIERM.
Entrega 12/12/2014
Trabajo de fundamentos de electrónica:
-Sistema de iluminación gradual.
Trabajo realizado por:
Omar Ouis: Presupuesto y negocio.
Javier Almecija Murciano: Funcionamiento a nivel de conjunto y alternativas.
Alfonso Garijo Campos: Funcionamiento de cada una de las partes, componentes
relacionados con el datasheet y supervisión de presentación y entrega.
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INDICE
PAG
1. Funcionamiento a nivel de conjunto.
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2. Funcionamiento de cada una de las partes
y componentes.
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3. Relación con el datasheet.
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4. Posible alternativa al circuito.
8
5. Presupuesto y negocio.
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1-FUNCIONAMIENTO A NIVEL DE CONJUNTO.
El controlador consiste en tres circuitos independientes, sensibles a la luz, que a
diferentes niveles de luminosidad, irán encendiendo diferentes bombillas; de manera que al ir
disminuyendo la luz que recibe nuestro dispositivo LDR se encenderán una, dos o las tres
bombillas. Cada circuito independiente tiene un transistor diferente, ya que al tener ganancias
distintas, cuando los LDR alcancen una resistencia límite –diferente para cada uno- la
intensidad que pasa por la bobina será suficiente para accionar cada relé.
Dado que en microcap no había conmutadores que lo permitieran, en las imágenes
hemos tenido que utilizar el único relay disponible, de forma que, cuando el relay de microcap
(fotos), está abierto, en la realidad estaría cerrado, y viceversa.
Al estar el LDR a 50k, no habría bombillas encendidas, todos los relés estarían abiertos.
Al estar el LDR a 100k, Ya habría una bombilla encendida. (Circuitos 3).
Al estar el LDR a 180k, Ya habría dos bombillas encendidas. (Circuitos 2 y 3).
Al estar el LDR a 180k, Ya habría tres bombillas encendidas. (Circuitos 1, 2 yP3).á g i n a 3 | 11
El LDR de nuestro circuito tiene una resistencia de 300kΩ cuando la luminosidad es
mínima, y de 8 Ω cuando la intensidad luminosa es máxima.
Q3-TRANSISTOR 2N222 B=122.29
Desde el mínimo hasta 52k, el relé estará abierto, y por tanto la bombilla apagada.
A partir de 52k, con éste incluido, el transistor consigue suficiente intensidad para accionar el
relé, por lo que la primera luz estaría encendida.
Q2-TRANSISTOR 2N3055A B=270.3
Desde el mínimo hasta 113.5k, el relé estará abierto y por lo tanto la bombilla apagada.
A partir de 113.5k, con éste incluido, el transistor consigue suficiente intensidad para accionar
el relé, por lo que la segunda luz se enciende.
Q1-TRANSISTOR 2N5088 B=716.65
Desde el mínimo hasta 215.4k, el relé estará abierto y por lo tanto la bombilla apagada.
A partir de215.4k, con éste incluido, el transistor consigue suficiente intensidad para accionar
el relé. Así quedarían todas las bombillas encendidas.
Conclusión:
De esta forma, conseguimos controlar la intensidad luminosa encendiendo una, dos o
tres bombillas, consiguiendo así el objetivo principal del controlador: Proporcionar mayor
intensidad luminosa cuanto menor sea la luz que recibe el LDR.
En un principio buscábamos tres LDR diferentes para alterar el estado del transistor y
por tanto el del relé, pero era muy difícil, sin embargo, buscando transistores con Betas muy
diferentes, nos dimos cuenta de que así, con el mismo LDR, podíamos alcanzar nuestro
objetivo.
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2-FUNCIONAMIENTO DE CADA UNA DE LAS
PARTES Y COMPONENTES.
Primero comenzaré con el listado de componentes necesario para fabricar un
dispositivo, junto con su modelo y precio, y un esquema del circuito. Luego procederé a
explicarlos.
Componentes.
Cantidad
3
3
3
3
3
3
3
1
1
1
Componente
Pila alcalina 6V
Diodo rectificador
Relé
Resistencia1
Resistencia2
LDR
Bombilla
BJT1
BJT2
BJT3
Modelo
Vinnic 4LR44 / 476A
1N4004
RM699B
100k
2k
VT4 3N2
E-27 25W
2N222
2N3055A
2N5088
Precio/ud (€)
0.56
0.07
4.09
0.01
0.0047
0.82
0.73
0.32
0.257
0.14
Esquema del circuito.
En el esquema del circuito:



Hay que tener en cuenta la particularidad del relé explicada previamente.
Que entender que la bombilla está representada por una resistencia de 2.12kΩ.
Y que saber que la fuente de tensión V2 representa a la del enchufe, con 230V de
amplitud y 50Hz de frecuencia.
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1: Batería:
Se trata de una pila alcalina de 6 voltios cuya función será generar la diferencia de
tensión necesaria para que el conjunto funcione correctamente.
2: Diodo rectificador:
Su función es sencilla y común, evitar que se estropee la bobina del relé en caso de un
cambio brusco de intensidad. No sabemos si el relé comercial que hemos encontrado lleva
incorporado alguna medida de seguridad, así que lo hemos añadido por si acaso.
3: Relé:
Cuando recibe 10 mA de corriente
(Ic), conmuta el interruptor integrado. La
idea es que generalmente permita el paso
de corriente en el circuito de la bombilla
(12), y que cuando la intensidad sea
suficiente, cierre ese paso, activando un
circuito en corte (14).
4: LDR:
Nuestro LDR con plena luz presenta 8 Ω de resistencia. Con mínima, 300kΩ,
dependiendo de este valor, Ib es mayor o menor, y el BJT está en saturación o en activa.
Ib=I ( ldr ) −I ( R 100 kΩ ) . A medida que aumenta R(ldr), su intensidad asociada
disminuye, disminuyendo también Ib.
5: Transistor BJT:
Dependiendo de la corriente que le llegue por la base se encontrará en saturación o en
activa, nunca en corte. En saturación, cuando el LDR tiene baja resistencia, Ic siempre será
mayor a 10mA, por lo que abrirá el interruptor apagando la bombilla. Poco a poco se irá
internando en activa, donde durante un tiempo también habrá una Ic mayor a 10 mA, pero
que, dependiendo de la beta de cada transistor, al llegar a un valor de resistencia del LDR
determinado, será inferior a 10 mA, dejando el interruptor cerrado, y por tanto la bombilla
encendida.
6: R1:
Su función es aportar la caída de tensión necesaria para cumplir Kirchhoff en la malla
de la batería de forma que Ib sea suficientemente grande. Cuanto mayor sea R1, menor será la
corriente que lo atraviese, y mayor Ib.
7: R2:
Es muy pequeña, prácticamente, solo está ahí para evitar una excesiva caída de tensión
que pudiera dañar el transistor, aparte de eso, no aporta nada al funcionamiento.
8: Bombilla:
Ilumina cuando el circuito que la contiene está cerrado. Es de 25W, poco, para que al
encenderse 3, no sea excesivo.
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3-RELACIÓN CON DATASHEET.
Adjuntamos en el correo los PDF con los datasheet. Entiendo que parte de este punto
se ha resuelto al explicar los componentes, así que me limitaré a exponer las relaciones entre
las tensiones y corrientes del circuito, y las que soporta cada componente.
1: Batería: (No trae datasheet).
2: Diodo rectificador:
Cumple su función siendo capaz de conducir intensidades del orden de amperios (más
de lo que se le exige) y soportando tensiones muy superiores a las del circuito (1-35 V)
3: Relé:
La tensión mínima para su funcionamiento está en 5 voltios, y hemos comprobado que
nunca será inferior en la simulación. Los valores de la intensidad máxima son del orden de
amperios. Nunca se sobrepasan los 60mA.
4: LDR:
Su resistencia oscila entre 8Ωy 300kΩ, y el Voltaje máximo se encuentra en 250V.
Muchísimo más que suficiente. Solo habría que vigilar la temperatura, ya que debe estar
expuesto al sol, y el máximo que soporta son 75º. También es importante regular la
luminosidad que recibe, ya que para controlar la resistencia que tendrá, será necesario
protegerlo con algún encapsulamiento que reduzca tanto la temperatura como la luz que le
afectan. Funciona con Lux, y en un día de verano en un país cálido como España, el orden de
luminosidad sobrepasa ampliamente los Klux.
5: Transistor BJT:
Hay 3 diferentes. Sus Betas son lo que permite que el sistema de tres bombillas
funcione, y sus valores han sido explicados en el punto 1.



2N5088- La intensidad máxima es de 100mA en la base, valor inalcanzable en
nuestro circuito. Y el voltaje máximo 30V, de nuevo inalcanzable. No se habla
de mínimos.
2N222- La intensidad máxima se eleva a 600mA. De nuevo inalcanzable, y las
tensiones máximas son muy altas exceptuando la Vbe, como máximo de 6V,
pero, dado el valor de la pila, también es inalcanzable.
2N3055A- De nuevo Vbe será la una tensión a vigilar, aun así, siendo su
máximo 7V, ocurre lo mismo que en el caso del 2N222. Las corrientes máximas
son del orden de amperios.
6: R1 y R2:
Ambos soportan más de 100V de tensión según la página de venta (Aliexpress).
7: Bombilla:
Es de 25W, por lo tanto la resistencia sería de 2.12KΩ. Perfectamente compatible con la
instalación eléctrica del hogar.
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4-ALTERNATIVAS AL CIRCUITO.
Como alternativa a nuestro circuito se podría proponer uno que utilice
optoacopladores en vez de relés.
Un optoacoplador es un componente electrónico que se utiliza como transmisor y
receptor óptico (de luz), es decir pueden transmitir de un punto a otro una señal eléctrica sin
necesidad de conexión física ni cables (por el aire), mediante una señal luminosa.
Al activar una luz, ésta llega a un detector que genera una tensión de salida, interruptor
cerrado. Si no se activa la luz o no le llega la luz al detector, este no genera ninguna tensión de
salida,
por
lo
tanto,
se
tendría
un
interruptor
abierto.
Un optoacoplador está compuesto de: una fuente óptica (generalmente un Led) con
algún tipo de detector óptico (generalmente un semiconductor de silicio llamado
fototransistor) en un solo encapsulado.
Suelen ser elementos que sustituyen a los relés tradicionales. Se suelen utilizar para
aislar dos circuitos, uno que trabaja a poco tensión (el del LED), llamado de control y otro a
mucha tensión o a una tensión diferente (el del detector) llamado de potencia.
Imagina que con una pequeña tensión activamos el LED del optoacoplador (por
ejemplo a 5V) y la luz que emite el led llega al detector del optoacoplador y activa el detector
creando una tensión de salida a 220V. Podemos activar a la salida motores, lámparas, etc. a
220V desde otro sitio en el que solo tenemos 5V, sin riesgo apenas para el que lo activa.
La aplicación principal es en aislamiento entre los circuitos de control y los de potencia.
Esto evita que la parte de trabajo (la del led) no tenga casi riesgos para el que opera en
ella, al no tener que trabajar con la parte de alta tensión o intensidad, que estaría separada.
El optoacoplador, además del aislamiento eléctrico, nos proporciona un aislamiento
galvánico, protegiendo así de las posibles perturbaciones de campo.
Un optoacoplador tiene una mayor velocidad de conmutación que un relé. Esta
característica puede ser de gran valor en aplicaciones en las que el tiempo de respuesta sea
primordial. En nuestro circuito esta característica no es de especial interés, pero aun es
importante en otros circuitos como por ejemplo en las cintas transportadoras.
Un optoacoplador nos permite realizar un mayor número de maniobras que un relé,
factor muy relevante en aplicaciones con conmutaciones continuas.
Un relé nos permite circuitos de mayor potencia. Podemos disponer circuitos de salida con 250
V y 6 A, mientras que un optoacoplador standard nos permite llegar hasta tensiones muy
inferiores y conmutaciones de señales débiles, motivo que nos ha llevado a utilizar el relé en
nuestro circuito. Aun así, se puede utilizar un optoacoplador de potencia, junto con otros
aparatos que todavía no sabemos utilizar como los triacs. Además sería necesario realizar antes
un balance de gastos y beneficios para comprobar si es realmente necesario usarlo, ya que con
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el relé obtenemos el funcionamiento deseado.
Utilizando relés podemos disponer de varios circuitos de salida independientes,
mientras que con un optoacoplador tan sólo podemos disponer de un circuito.
Como ya hemos dicho, la principal aplicación de los interfaces optoacoplador y relé es
la de adaptar las señales eléctricas desde sensores o actuadores al nivel eléctrico de los PLC’s
(conmutadores lógicos programables). La segunda función más común de los interfaces relé y
optoacoplador es la de aislar eléctricamente entre los sensores o actuadores y los PLC’s.
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5-PRESUPUESTO Y NEGOCIO.
La empresa que se encargará de fabricar y distribuir el sistema de iluminación será una
del sector industrial productor. Los gastos de esta empresa frente al beneficio serán
considerablemente altos por ello es de vital importancia que el ingeniero minimice los costes
de los componentes y de la fabricación del sistema.
Empezamos con los gastos principales que son los de los componentes de sistema de
iluminación que distribuye la empresa que en total suman 7.0017 € por unidad de sistema
fabrica (es importante recalcar que para que los precios sean tan reducidos habrá que comprar
más de 500 unidades de cada componente, esto no supone un problema ya que hablamos de
compra a nivel industrial). Aproximadamente se venderán 4500 sistemas de iluminación al mes
en el país, para fabricar esa cifra el coste sería de 31507 € al mes. A esto hay que sumarle la
mano de obra, si en la empresa hay 100 empleados de los cuales el 70% cobra 1000€, el 20%
cobra 2500€ y el 10% cobra más de 3500€ tenemos un gasto en mano de obra de
155000€/mes.
Ahora bien ¿cuál debe de ser el precio del sistema en el mercado para que el beneficio
sea positivo? (beneficio= ingreso - gastos). Pues bien el precio en el mercado ha de ser de 100€
la unidad de sistema de iluminación más la instalación en el hogar. Si se venden al mes 4500
unidades los ingresos serian de 450000€/mes por tanto el beneficio de la empresa es de
263493€/mes. A este presupuesto mensual habrá que restarle varios gastos tales como el
alquiler, el alquiler supone un gran gasto en el caso de que el edificio o terreno que se usa para
la elaboración del sistema no sea propiedad del empresario si no propiedad ajena. Los
suministros y material de oficina también se encuentran entre los gastos así como el cuidado y
mantenimiento de estos, la maquinaria que fabrica el sistema se encuentra entre este material
aunque no sea de oficina propiamente dicho. La publicidad se puede considerar un gasto o una
inversión según los resultados de esta, la publicidad que incentiva a comprar este producto se
efectuará mediante la televisión, la radio y el periódico, ahora bien no se retransmitirá a
cualquier hora ni mucho menos todo el día pues eso supondría un gasto enorme e innecesario.
En el caso de la televisión se retransmitirá a hora no laborales y horario no infantil pues van
dirigidas al público adulto familiar, también cambia el gasto dependiendo del momento de
retransmisión, queremos que el gasto sea mínimo y el beneficio sea máximo no todas las
cadenas ofrecen las mismas prestaciones.
A la hora del marketing es de vital importancia tener claro a qué tipo de público va
dirigido este proyecto, pues de esa manera se conseguirá una mayor eficiencia en ventas. El
principal cliente será la familia media del país, habrá que dirigir este producto a esas familias
que desean mayor comodidad y también a las familias a las cuales les cuesta llegar bien a
finales de mes pues este sistema les proporciona un control del consumo energético de cada
día. No solo las familias si no también se podrá observar interés por parte de las empresas que
desean implantar este sistema en sus grandes edificios, ya que un edificio grande significa un
mayor consumo energético que se puede controlar con este sistema, lo mismo sucederá con el
estado mismo que cuenta con numerosas oficinas por todo el país.
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Se prevé que en el caso de las familias este sistema se verá implementado en las salas
de estar que suelen ser el rincón mejor iluminado del hogar. En cuanto a las empresas veremos
este sistema en las oficinas al igual que en el caso de los edificios del estado.
También se piensa en futuras mejoras y modificaciones como plantas agrícolas donde
las plantas necesiten luz durante todo el día pero no en exceso pues gracias a este sistema se
podría controlar esa luz a lo largo del día automáticamente. En las calles las farolas podrían
estar equipadas con este sistema y a medida que oscurece las farolas proveerán mayor luz a la
ciudad, así se evitaran problemas de delincuencia en la calle. De esta manera se podría llevar
este sistema a muchas partes de la vida diaria.
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