TALLER DE INFORMATICA
Grado Sexto
Cordial saludo envió preguntas a solucionar
1 Como puedo hacer para que un carro siga una línea?
2. Que es un seguidor de línea?
3. Que es un sensor?
4. Que es un transistor?
5. Como se polariza un sensor?
6. Como se polariza un transistor?
7. Como funciona Un sensor?
8. Como funciona un transistor?
9. Cuáles son las partes de un sensor? Explíquelas
10. Cuáles son las partes de un transistor? Explíquelas
11. Busque en la web los siguientes data sheet e imprímalos.
Desarrollo
1 Como puedo hacer para que un carro siga una línea?
Un muy simple seguidor de lineas basado en un fototransistor y un diodo emisor infrarrojo o en el conocido optoacoplador CNY70 como sensores de reflejo de luz ( se necesitan dos pares led-fototransistor) , dos comparadores de los 4 que se encuentran en el chip del LM 339 quad comparator ( tambien podemos usar el dual comparator LM 358) 4 potenciometros , 2 para el nivel de comparacion de blanco en el sensor de luz y dos para el pull up del comparador para bajar la corriente del transistor y por tanto bajar la velocidad de los motorcitos ( en el caso de usar el LM339) , se pueden reemplazar por una resistencia fija cuando se consigue la calibración deseada , el circuito mostrado funciona con 3 voltios por tanto los motorcitos de carritos de juguetes que funcionan con 2 pilas se pueden facilmente usar en este simple proyecto ; sin embargo subiendo las resistencias del led y la resistencia de colector del fototransitor puede adaptarse para 6V, 9V o 12 voltios según los motores que se disponga :
D1/Q1 y D2/Q3 son el par emisor IR y fototransistor. Tambien puede ser el CNY70 que es mas facil para implementar. Los potenciometros R1 y R10 ajustan el nivel de voltaje que determina cuando el sensor está encima de la linea blanca , se debe ajustar cuidadosamente. Los potenciometros R5 y R6 determinan el pull up del comparador solo para el caso de usar el LM339 y por tanto al controlar la corriente determinan la velocidad de los motorcitos . Q2 y Q4 son transistores de mediana potencia como el 2N222 de uso general o el 2N3553 o equivalente del tipo NPN capaz de manejar la corriente que demanda el motor. Los motorcitos pueden ser tomados de carritos de juguete que funcionen a 3 voltios. Faltan dos diodos que van en inversa en paralelo con cada motor al igual como se hace con los relays para proteger de la contracorriente que se forma al desconectar una carga inductiva. El detalle de la protección de los diodos para los picos inversos de desconexión se da aquí :
Sobre los comparadores LM339 es importante remarcar que las salidas de los comparadores del LM339 son del tipo open colector ( colector abierto), por lo tanto siempre deberá colocarse una resistencia "pull up" a +VCC ( en este caso es regulada por el potenciometro). La eleccion de esa resistencia depende de la carga que se desea alimentar, pero se ha de tener en cuenta que cuando la salida pasa a cero esa corriente que antes la carga pedía cuando la salida estaba en uno, ahora debe absorberla el LM339 y por hojas de datos (current sink = coriente de sumidero) esta no debe superar 16 mA tratemos de ajustarla 10 mA como corriente de base del transistor.Los comparadores tienen una etapa de salida de colector abierto, lo que permite suministros de alimentación por separado para las partes analógica y digital , es decir podemos mantener la parte de 3 voltios para el circuito y alimentar solo el motor con 6 voltios o más si fuera necesario. Uno de los sensores más usados debido a que viene encapsulado , es decir led IR y fototransistor en un solo envase y muy próximos es el CNY70 un optoacoplador reflexivo , en el dispositivo vienen solo el led y el fototransistor con el objeto de poder añadir externamente sus resistencias de led y de colector respectivas de acuedo a a alimentación que usaremos , si no tenemos este optoacoplador igual podemos usar un led separado del fototransitor que consigamos , como las corrientes a manejar son pequeñas los valores no son críticos mientras no se excedan los 20 mA para el led y un mínimo de 1k ( 5k por seguridad ) para el resistor de colector del fototransitor , sin embargo a mayor resitencia de emisor se consigue mayor ganancia, de como es sensado el piso se muestra en la figura:
Teniendo ya los sensores de linea debemos digitalizar esa salida que es análoga de acuerdo al reflejo del piso , la forma mas sencilla es usar comparadores para obtener una salida digital que determine un "blanco" o un "negro" . En estos esquema se explicará el funcionamiento para el comparador 358 en caso de que no se consiga el LM339 que es "open colector" Como regla general y debido a que los voltajes están referidos a tierra observemos que el comparador tiene dos entradas : una + y otra - ,la regla práctica fuera de fórmulas es muy sencilla : Cuando el voltaje en el terminal + es mayor que el voltaje en el terminal - la salida del comparador es ALTA ( se enciende el led) ,si allí ponemos la resistencia de base del transistor este se activa y el motor colocado en su colector GIRA. Cuando el voltaje en el terminal + en MENOR que el voltaje en el terminal - la salida del comparador en BAJA , si está conectada a la resistencia de base del transistor , el motor colectado en su colector NO GIRA. De esta manera podemos detectar si los sensores están sobre una linea blanca o una linea negra ,de acuerdo al diseño que escogemos , en un caso cuando los dos sensores esten en zona blanca ( con la linea negra entre ellos) el carrito avanza de frente , en una curva a la derecha el sensor izquierdo ve "blanco" pero el sensor de la derecha ve "negro" , se debe detener la rueda derecha consiguiendo el giro hacia la derecha. De modo inverso cuando los dos sensores esten en zona negra ( con la linea blanca entre ellos) el carrito avanza de frente , en una curva a la derecha el sensor de la izquierda sigue viendo "negro" pero el sensor derecho ve "blanco" , se debe detener la rueda derecha consiguiendo el giro hacia la derecha .Esto lo explicamos en los siguientes diagramas:
Ahora observemos el caso opuesto:
Un circuito en el cual usamos el opam LM358 como comparador simple para controlar un motorcito simple de 6 voltios de poca corriente es el siguiente:
Como sabemos son dos circuitos iguales uno para cada motor (derecho e izquierdo) como se explicó , cuando los dos sensores "ven" zona blanca ( con una linea negra entre ellos ) los dos motores funcionarán y el carrito avanza en linea recta , en una curva , por ejemplo a la derecha el primero en ver "negro" es el sensor de la derecha y debe detener a la rueda derecha para hacer que el carrito gire hacia ese lado . Como vemos el sensor derecho controla la rueda derecha y el sensor izquierda controla la rueda izquierda. Sin embargo en varios ejemplos que encontramos en internet los motores van "cruzados" esto se hace solo cuando los dos sensores van DENTRO de la linea. En caso de usar el comparador LM339 se debe considerar que su salida es a colector abierto por lo que necesita una resistencia de elevación de voltaje llamada "pull up" su funcionamiento lo explico en el siguiente diagrama:
Antes de insertar en el circuito los comparadores a usar debemos probar su correcto funcionamiento en el protoboard así estaremos seguros que una posible falla no se debe a ellos , el diagrama siguiente nos dará un método simple que sirve para testear cualquier opam configurado como comparador aún sea a colector abierto como en el caso del LM339 , podemos probar los 741 , 311 , 324 ,339 , 358 ,etc siempre y cuando conectemos los pines correctos para cada comparador esto lo encontramos en el datasheet del integrado . En este caso el ejemplo está basado en uno de los 4 compardores que trae el LM339.
Vamos a probar una de las dos partes simétricas del conjunto usando el LM339 ,en el circuito original se ha cambiado la resistencia de colector del fototransitor por una de 22k , el circuito es el siguiente:
Una foto del CNY70 soldado en una plaquita de bakelita ,usando un potenciometro de ajuste pequeño y los transistores 2N2222 bien cortos alli podria estar todo el circuito
Sin embargo para probar solo los sensores para otros circuitos lo más recomendable es un montaje de este tipo:
Es importante conocer bien el CNY70 antes de soldarlo o conectarlo al protoboard , sus pines están tan juntos que no se pueden insertar en el protoboard porque los caminos de este están unidos y hariamos corto para testearlo , es mejor soldarlo en una plaquita externa cuidando que los puntos de soldadura no unan los pines , el diagrama es el siguiente y es bueno tenerlo en cuenta para no cometer errores , la luz infrarroja no es visible pero la cámara fotografica o de video si la detecta:
Finalmente añadimos la parte de control de potencia , en este caso un transistor de uso general y de mediana potencia : el conocido 2N2222 , en este caso le pusimos una resistencia de 270 ohmios como resistencia de base fija ( sin potenciometro ) y lo conectamos a un pequeño motor extraido de una lectora de cd (funcionan a 5 voltios) .
Proyecto:
2. Que es un seguidor de línea?
Los robots seguidores de línea son robots muy sencillos, que cumplen una única misión: seguir una línea marcada en el suelo (normalmente una línea negra sobre un fondo blanco). Estos robots pueden variar desde los más básicos (van tras una línea única) hasta los robots que recorren laberintos. Todos ellos, sin embargo, poseen (por lo general) ciertas partes básicas comunes entre todos:
Sensores: Un rastreador detecta la línea a seguir por medio de sensores. Hay muchos tipos de sensores que se pueden usar para este fin; sin embargo, por razones de costos y practicidad los más comunes son los sensores infrarrojos (IR), que normalmente constan de un LED infrarrojo y un fototransistor.
Motores: El robot se mueve utilizando motores. Dependiendo del tamaño, el peso, la precisión del motor, entre otros factores, éstos pueden ser de varias clases: motores de corriente continua, motores paso a paso o servomotores.
Ruedas: Las ruedas del robot son movidas por los motores. Normalmente se usan ruedas de materiales anti-deslizantes para evitar fallas de tracción. Su tamaño es otro factor a tener en cuenta a la hora de armar el robot.
Fuente de energía: El robot obtiene la energía que necesita para su funcionamiento de baterías o de una fuente de corriente alterna, siendo esta última menos utilizada debido a que le resta independencia al robot.
Tarjeta de control: La toma de decisiones y el control de los motores están generalmente a cargo de un microcontrolador. La tarjeta de control contiene dicho elemento, junto a otros componentes electrónicos básicos que requiere el microcontrolador para funcionar.
Todos los rastreadores basan su funcionamiento en los sensores. Sin embargo, dependiendo de la complejidad del recorrido, el robot debe ser más o menos complejo (y, por ende, utilizar más o menos sensores).
Los rastreadores más simples utilizan 2 sensores, ubicados en la parte inferior de la estructura, uno junto al otro. Cuando uno de los 2 sensores detecta el color blanco, significa que el robot está saliendo de la línea negra por ese lado. En ese momento, el robot gira hacia el lado contrario hasta que vuelve a estar sobre la línea. Esto en el caso de los seguidores de línea negra, ya que también hay seguidores de línea blanca.
Las 2 maneras más comunes de armar los rastreadores son: OPAMPS (Amplificadores Operacionales), o con simples transistores trabajados en su zona de saturacion. Esto dependiendo de la complejidad con la que se quiera armar el circuito. Podemos utilizar un microcontrolador para realizar las funciones de control o guardar en él la forma del recorrido por una pista. También sirve como escaneador eléctrico .
3. Que es un sensor?
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.
Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, Industria aeroespacial, Medicina , Industria de manufactura, Robótica , etc.
Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc.
4. Que es un transistor?
El transistor se puede considerar como la unión de dos diodos, por lo que debe de tener dos uniones PN ó NP.
Un tranistor tiene por tanto tres zonas de dopado, en un transitor PNP, por ejemplo, existen tres zonas de dopado, diferenciadas entre sí y con diferentes cualidades. En un transistor PNP, la base es la zona N y las otras dos zonas P se denominan colector y emisor y viceversa. El emisor y la base de un transistor es como si fueran un diodo (una unión PN) y la base y el colector forman la otra unión PN. A efectos prácticos, un transitor no funciona como la unión de dos diodos.
5. Como se polariza un sensor?
Resistencia R4 y corriente de polarización
La resistencia R4 de 330 Ohm que está en serie con el sensor LM335 se utiliza para polarizar el sensor.
Este funciona correctamente para corrientes de polarización comprendidas entre aproximadamente 500uA y 5mA. La fórmula para esta corriente es: I = (VCC – VLM335) / R4 donde VLM335 = 2.73V @ 0 Celcius y varía 10mV/Celcius. Si T es la temperatura en Celcius, esto se puede escirbir como:
• I = ( VCC – ( 2.73 + 0.01*T ) ) / R4
6. Como se polariza un transistor?
Un transitor cuenta con dos uniones PN, por lo que necesita ser polarizado correctamente. La unión emisor debe estar polarizada directamente y la unión colector debe de estar polarizada inversamente.
Por ejemplo, en un transistor NPN, dispodremos de dos baterías, una tendrá conectado a su polo positivo el colector N del transitor y la otra tendrá conectado a su polo negativo el emisr N del transitor, quedando así polarizado el transistor, circulando así una corriente del emisor a la base y de esta al colector, también cirucula una pequeña Intensidad de base, la cual es muy pequeña comparada con la intensidad de colector, que se puede tomar en la práctica casi identica a la intensidad de emisor, aunque la intensidad de emisor sea igual a la intensidad de colector más la intensidad de base.
IE = IC + IB
7. Como funciona Un sensor?
El emisor y el receptor suelen ser elementos separados. El primero suele ser un diodo emisor de luz (LED), por general rojo que ilumina una pequeña área al frente del receptor, y el receptor un fotodiodo.
El sensor de luz mide la cantidad de luz que recibe. Le entrega al RCX un número que varía entre 0 (oscuridad total) y 100 (muy brillante). Este sensor es muy útil; puede ser usado como un simple detector para ver si las luces han sido encendidas o no, o puede ser usado para que el robot siga una línea negra en una superficie blanca (o viceversa).
El sensor de luz puede determinar si esta viendo un trozo de papel blanco o negro. Cuando el sensor de luz está sobre papel blanco, lee un valor de 50. Cuando está sobre el papel Negro, mide un valor de 33 (valores aproximados).
El sensor de luz detecta luz en ángulo muy amplio. Para disminuir el campo de visión se puede colocar una barra de 1×2 con un agujero frente al sensor. De ese modo el sensor solo detectará la luz directamente al frente de él.
8. Como funciona un transistor?
En el transitor, el emisor es el encargado de “inyectar” electrones en la base, la cual se encarga de gobernar dichos electrones y mandarlos finalmente al colector.
La fabricación del transistor se realiza de forma qu la base es la zona más pequeña, después el emisor, siendo el colector el más grande en tamaño.
9. Cuáles son las partes de un sensor? Explíquelas
Un cuerpo donde se encuentran los contactos y una cabeza que detecta el movimiento. Su uso es muy diverso, empleándose, en general, en todas las máquinas que tengan un movimiento rectilíneo de ida y vuelta o sigan una trayectoria fija, es decir, aquellas que realicen una carrera o recorrido fijo, como por ejemplo ascensores, montacargas, robots, etc.
Funcionamiento
Estos sensores tienen dos tipos de funcionamiento: modo positivo y modo negativo. En el modo positivo el sensor se activa cuando el elemento a controlar tiene una tara que hace que el eje se eleve y conecte el contacto móvil con el contacto NC. Cuando el muelle (resorte de presión) se rompe el sensor se queda desconectado. El modo negativo es la inversa del modo anterior, cuando el objeto controlado tiene un saliente que empuje el eje hacia abajo, forzando el resorte de copa y haciendo que se cierre el circuito. En este modo cuando el muelle falla y se rompe permanece activado
10. Cuáles son las partes de un transistor? Explíquelas
El transistor tiene tres partes, como el triodo. Una que emite electrones (emisor), otra que los recibe o recolecta (colector) y otra con la que se modula el paso de dichos electrones (base). El funcionamiento es muy parecido al del triodo.
Una pequeña señal eléctrica aplicada entre la base y emisor modula la que circula entre emisor y receptor. La señal base emisor puede ser muy pequeña en comparación con la emisor receptor. La señal emisor-receptor es aproximadamente la misma que la base-emisor pero amplificada.
El transistor se utiliza, por tanto, como amplificador. Además, todo amplificador oscila así que puede usarse como oscilador y también como rectificador y como conmutador on-off.
El transistor también funciona por tanto como un interruptor electrónico, siendo esta propiedad aplicada en la electrónica en el diseño de algunos tipos de memorias y de otros circuitos como controladores de motores de DC y de pasos.
11. Busque en la web los siguientes data sheet e imprímalos.
CNY 70
BD 140
BC 557
BC 547
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