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Universidad Tecnologica Queretaro DN: cn=Universidad Tecnologica de Queretaro, c=MX, o=Universidad Tecnologica de Queretaro, de Queretaro ou=UTEQ, [email protected] Date: 2007.05.21 16:04:40 -06'00'

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO Voluntad ● Conocimiento ● Servicio

SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Y CARGADOR DE BATERÍAS DE ALTA EFICIENCIA

AXS TRACKER

Reporte de Estadía para obtener el Título de Técnico Superior Universitario en Electrónica y Automatización

IRMA MARIANA GARCÍA CANO

Santiago de Querétaro, Qro.

Septiembre del 2006

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO

Voluntad ● Conocimiento ● Servicio

SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Y CARGADOR DE BATERÍAS DE ALTA EFICIENCIA AXS TRACKER Reporte de Estadía para obtener el Título de Técnico Superior Universitario en Electrónica y Automatización

ASESOR DE LA EMPRESA M.C. JOE WITENGERS MIER

ASESOR DE LA ESCUELA M.C. GERMÁN DIONISIO VÁZQUEZ VALDÉS ALUMNA IRMA MARIANA GARCIA CANO Santiago de Querétaro, Qro.

Septiembre del 2006

AGRADECIMIENTOS

A Dios Por enseñarme cosas nuevas y darme herramientas para afrontar los obstáculos de la vida.

A mis papás Por que ustedes se merecen toda mi admiración, los quiero mucho. Gracias por confiar en mí.

A mi mamá Por que sin tu amistad y confianza no podría seguir adelante. Por estar cuidándome todo el tiempo y apoyándome sin condiciones. Muchas gracias.

A mi papá Por ser mi ejemplo de superación. Gracias por el apoyo, la amistad y la felicidad que me das todos los días.

A Saki Por ser mi amiga incondicional. Gracias por darme tu apoyo en todo momento. Cuando sea grande quiero ser como tú. Te admiro muchísimo hermana.

A Masciella Por la confianza que tienes en mí. Por todos los momentos que compartimos. Gracias por la ayuda y felicidad que me das.

A mis abuelitos Irma y Raúl

Gracias por las historias que han compartido conmigo. Por enseñarme el valor de la amistad y el amor incondicional. Los quiero mucho.

A mis abuelitos Eusebio e Isi

Por el ejemplo de lucha constante.

A mis maestros de la UTEQ Gracias por su amistad y apoyo.

ÍNDICE

CAPÍTULO I ANTECEDENTES DE LA EMPRESA Pág. 1.1 Antecedentes de la empresa ……………………………………….

14

1.1.1

Productos …………………………………………………….

14

1.1.2

Aplicaciones del software …………………………………..

17

1.2 Misión …………………………………………………………….

17

1.3 Visión …………………………………………………………….

18

1.4 Política de calidad ………………………………………………..

18

1.4.1

Política de privacidad ……………………………………….

18

1.4.1.1 Información recogida y propósito ………………………..

18

1.4.1.2 Acceso de la información …………………………………

19

1.4.1.3 Seguridad ………………………………………………….

20

1.5 Organización ………………………………………………………

20

1.5.1

Departamentos ………………………………………………

21

1.6 Campo de desarrollo ………………………………………………

21

1.7 Proceso general de producción ……………………………………

22

CAPÍTULO II ANTECEDENTES DEL PROYECTO

2.1 Antecedentes ………………………………………………………

27

2.2 Definición del proyecto …………………………………………..

27

2.3 Objetivo …………………………………………………………..

27

2.4 Alcance …………………………………………………………….

28

2.5 Plan de trabajo ……………………………………………………..

28

2.5.1 Gráfica de Gantt ……………………………………………….

28

2.5.2 Asignación del proyecto ………………………………………

29

2.5.3 Recopilación de información ………………………………….

29

2.5.4 Diseño del circuito …………………………………………….

29

2.5.5 Conclusión del proyecto ……………………………………….

30

CAPÍTULO III MARCO TEÓRICO

3.1 Introducción ………………………………………………………

32

3.2 Corriente ………………………………………………………….

32

3.3 Voltaje ……………………………………………………………

33

3.4 Baterías …………………………………………………………..

33

3.4.1 Baterías primarias ………………………………………….

34

3.4.2 Baterías secundarias ……………………………………….

35

3.5 Tipos de baterías ………………………………………………...

36

3.5.1 Elementos y efectos ………………………………………..

38

3.6 Ventajas batería Ni-MH …………………………………………

41

3.6.1 Cuidado de la batería ………………………………………

42

3.6.2 Recomendaciones para el uso de la batería ……………….

43

3.6.3 Dependencia de la temperatura ……………………………

43

3.6.4 Duración fuera de servicio …………………………………

44

3.7 Fuentes de alimentación …………………………………………

44

3.8 Fuentes independientes …………………………………………...

44

3.9 Fuente ideal ……………………………………………………….

45

3.10 Fuentes dependientes ……………………………………………

45

3.11 Cortos circuitos y circuitos abiertos …………………………….

45

3.12 Diodo zener …………………………………………………….

46

3.13 Fuentes de poder de cd …………………………………………

46

3.14 Conversión de corriente alterna ………………………………...

48

3.15 Seguridad en la operación y limitación de corriente de las fuentes de poder …………………………………………………

51

3.16 Especificaciones de la fuente de poder de cd ……………………

51

3.17 Impulsores de corriente ………………………………………….

52

3.18 Regulador L200 …………………………………………………. 53

CAPÍTULO IV DESARROLLO DEL PROYECTO

4.1 Introducción ………………………………………………………. 55 4.2 Planteamiento del problema ………………………………………

55

4.3 Problemas en la fuente de alimentación ………………………….

55

4.4 Sobrecalentamiento de los dispositivos …………………………..

56

4.5 Cambio a baterías …………………………………………………

57

4.6 Eliminador ………………………………………………………...

58

4.7 Propuesta para remplazar la fuente de alimentación con cargador de baterías ………………………………………………. 59 4.8 Desventajas de la propuesta ………………………………………. 61

4.9 Propuesta del cargador de baterías con el CI L200 ……………….

61

4.10 Cambio del regulador de tensión ………………………………..

64

CAPÍTULO V EVALUACIÓN ECONOMICA Y RESULTADOS OBTENIDOS

5.1 Introducción …………………………………………………… 70 5.2 Tiempo requerido para el proyecto ……………………………. 70 5.3 Lista de materiales utilizados ………………………………….. 71 5.4 Resultados obtenidos ………………………………………….. 71

CAPÍTULO VI ACTIVIDADES VARIAS

6.1 Introducción …………………………………………………… 73 6.2 Armado de las terminales biométricas ………………………… 73 6.2.1 Calidad del gabinete ………………………………… 74 6.2.2 Pruebas para los dispositivos ………………………..

74

6.2.3 Ensamble ……………………………………………. 76 6.3 Calidad ………………………………………………………..

77

6.4 Detección de errores en las terminales biométricas ………….

77

6.4.1 Parche para el teclado ………………………………

78

CONCLUSIONES

Conclusiones ………………………………………………………. 80

BIBLIOGRAFÍA

Bibliografía y/o páginas consultadas en Internet ……………………… 81

ANEXOS

Anexo A hoja técnica del circuito L200 Anexo B hoja técnica del regulador LM7809 Anexo C hoja técnica del transistor de potencia TIP 32

GLOSARIO

INTRODUCCIÓN

El proyecto que se realizó durante la estadía en AxS Tracker consistió en la mejora de la fuente de tensión con cargador de baterías para solucionar los problemas que se han tenido en la terminal biométrica de huella digital, debido al sobrecalentamiento de componentes. La fuente de tensión es la parte esencial de cualquier aparato electrónico, si ésta tiene fallas, todo el sistema por muy eficiente que sea presentará problemas. El principal problema que presenta la fuente de tensión de la terminal biométrica, es el sobrecalentamiento de componentes, y esto se refleja en el constante reinicio del microcontrolador y la pérdida de los datos. El principal motivo por el que las empresas compran las terminales biométricas es la seguridad que éstas les ofrecen en el almacenamiento de datos, o en el acceso a áreas restringidas, ya que el mal manejo de estos recursos podría costarles hasta miles de pesos. Es por esto que la empresa está comprometida a dar la más alta calidad en sus productos, y a afinar cualquier detalle que más tarde podría llegar a ser un problema mayor. Al realizar la remodelación de la fuente de tensión se obtuvieron mejores resultados en cuanto al funcionamiento de la terminal; se evitó la pérdida de datos que se tenía cada vez que se iba la energía en el sistema, y se logro un mejor producto para el mercado consistente en un sistema cien por ciento confiable en cuanto al resguardo de los intereses de la empresa. En el reporte se explicará cómo se llevó a cabo la mejora de la fuente de tensión para obtener los resultados deseados por la empresa.

CAPÍTULO I

ANTECEDENTES DE LA EMPRESA

1.1 Antecedentes generales de la empresa1

Advanced Electronics de México S.A. de C.V (AEM) inició operaciones en el año de 1997. AEM diseña y manufactura AxS Tracker, la solución biométrica de identificación vía huella digital en sus instalaciones en Querétaro. AEM es una empresa TechBA (Programa acelerador de negocios de tecnología) inscrita al RENIECYT (El -RENIECYT- es una base de datos de instituciones, centros, organismos, empresas y personas físicas de los sectores público, social y privado que realizan actividades científicas y tecnológicas, y forma parte del Sistema Integrado de Información sobre Investigación Científica y Tecnológica), y es miembro fundador de inteQSoft, el clúster de Tecnologías de Información de Querétaro.

AxS Tracker ofrece la terminal Bio-Log, módulos pre-programados para fabricantes de equipo original (OEMs) y kits para desarrollo de software (SDK) para integración por OEMs e integradores de valor agregado (VARs) en sistemas de seguridad: acceso físico, puntualidad y asistencia, edificios inteligentes, y controles automáticos.

1.1.1 Productos

AxS Tracker Ethernet. Terminal biométrica remota para control de acceso por medio de la huella digital. Características:

1 Los conceptos expuestos en este capítulo se encuentran redactados en los términos estipulados por la empresa (http://www.axstracker.com)

14

Sensor térmico de barrido. Microprocesador de 32 bits. Comunicación Ethernet. Lectura y escritura de tarjetas de proximidad. Tarjeta de expansión de memoria. Respaldo de baterías. Relevador para control físico de acceso. Pantalla de cristal líquido de 20 caracteres por 4 líneas. Manejo de usuarios directamente en la terminal. Funciones: Identificación. Verificación. Alta y Baja. Bloqueo, baja temporal y reingreso. Envío de mensajes a la pantalla de LCD. Entrenamiento y visualización de huella. Replicado de plantillas entre terminales. Listado de usuarios registrados. Sincronización de hora con servidores atómicos de tiempo.

AxS Tracker OEM

Módulo biométrico de huella digital preprogramado para desarrolladores de equipos que requieran identificación.

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Mismas funciones que la terminal Bio-Log con comunicación Ethernet y/o serial. A continuación se presentan algunas opciones y configuraciones posibles:

Uso de número de empleado, NIP y tarjeta de proximidad. Protocolos de Ethernet e Internet. Comunicación alámbrica (RJ45) o inalámbrica (Wi-Fi). Puertos de comunicación USB y/o RS232. Llave de encriptación única. Soporte para pantalla de cristal líquido y teclado. Salidas de Relevador para control de accesos, alarmas, equipos varios etc. Entradas analógicas y digitales. Integración de periféricos USB. Respaldo de Batería. Expansión de Memoria.

AxS Tracker SDK

Software para desarrollar aplicaciones utilizando la terminal Bio-Log y el módulo OEM. Características: Ejecutables y código fuente. Lenguajes de programación: Java, Visual Basic y C. Conexión a bases de datos: Access, MySQL, Postgre. Comunicación TCP/IP y serial RS-232.

16

Linux o Windows.

1.1.2 Aplicaciones del software

Dar de alta a un usuario. Eliminar a un usuario. Bloquear a un usuario temporalmente. Imprimir a la pantalla de LCD. Entrenamiento y visualización de la huella digital. Envío de plantilla de Huella digital a todos los equipos. Listado de usuarios dados de alta en la terminal. Sincronización con servidores de tiempo. Manejo y alta de usuarios directamente en terminal. Envío de información en tiempo real. Control de Respuesta al Usuario por el Servidor (SSC) Server Side Control.

1.2 Misión

AxS Tracker está comprometido a reinventarse cada día y pensar fuera de los encuadres tradicionales para brindar a sus clientes la mejor solución. Realizar sus productos con la más alta calidad y mejorar continuamente los servicios que presta, es la función diaria que se ejerce en la empresa por parte de todos sus trabajadores para poder lograr el reconocimiento de la gente con los más altos niveles de competitividad.

17

1.3 Visión

Ser líderes mundiales en el campo de la biometría, tener un alto índice del reconocimiento de sus productos, y alcanzar el completo desarrollo de la empresa.

1.4 Política de calidad

Elaborar nuestros productos, y proveer los servicios con la más alta eficiencia para poder satisfacer las necesidades del cliente.

1.4.1 Política de privacidad

AxS Tracker cuida proveer al cliente las herramientas y la información para manejar y proteger su aislamiento en Internet. Ha desarrollado esta política de aislamiento para informar sobre qué información recoge en su sitio Web, quién puede recibirla, qué puede hacerse con ella, y cuánto tiempo se guarda en la página.

1.4.1.1 Información recogida y propósito

La información personal de un cliente se recoge solamente a través de las formas del contacto. El sitio Web no tiene actualmente ningún uso o programa que recopile la información de cualquier

computadora sin el consentimiento de la persona, ni

almacenarla en el servidor web de la empresa. Si por cualquier razón el cliente quisiera voluntariamente comunicarse con AxS Tracker,

requiere de dar su

18

información del contacto (su nombre, teléfono y correo electrónico) y posiblemente la información demográfica (su código postal) o la información estadística (número de empleados) para entender mejor sus necesidades y para satisfacer su petición. Cierta información, tal como el correo electrónico, se recoge para verificar la identidad de la persona que entre en contacto y para el uso en los expedientes de la compañía, solamente mientras sea necesario proporcionar los servicios solicitados.

La información personal antedicha que el cliente proporciona en línea se puede reunir con la información recopilada a través de otros canales y se puede proporcionar a los socios de negocio para satisfacer su petición. Sin embargo, los socios de negocio en AxS Tracker están limitados para mantener la información personal recopilada a través de este sitio bajo estos mismos términos.

Podemos también utilizar el archivo “cookies” o recopilar la información no personal (la dirección IP, Domain Name, web browser que la persona utiliza y/o el sistema operativo, hora pasada en una página y fecha). Si el cliente no permite el uso de cookies deberá configurar su browser (la persona todavía podrá ver este sitio sin ninguna diferencia en su contenido o funcionalidad).

1.4.1.2 Acceso de la información

No se dará, venderá, arrendará, o alquilará ninguna información que el cliente someta en el sitio a cualquier tercero, excepto a los socios de negocio de acuerdo con una petición como se declaró anteriormente.

19

1.4.1.3 Seguridad

Ciertas porciones de la página de Internet proporcionan acoplamientos a los socios de negocio de AxS Tracker y sitio Web de terceras persona para facilitar la búsqueda de la información adicional de la persona que lo solicite. Teniendo acceso a esos acoplamientos, se abandonará el sitio Web y la política de aislamiento.

Debe tener presente que aunque AxS Tracker se esfuerce en la protección de su Información personal, ninguna transmisión de datos sobre el Internet está garantizada para ser absolutamente seguro así que no se respalda la seguridad de cualquier información que el cliente envíe. Al hacer eso, lo hace bajo su propio riesgo.

1.5 Organización

AxS Tracker se conforma de la manera siguiente: GERENTE GENERAL

GERENTE DE DESARROLLO.

LIDER DE PROYECTO DE SISTEMAS

GERENTE DE MERCADOTECNIA

ING. DE MANOFACTURA.

Fig. 1.1 Organigrama de AxS Tracker

20

1.5.1 Departamentos

Desarrollo. Es el encargado de mejorar el funcionamiento de la tarjeta electrónica de la terminal, implementando los mejores dispositivos que surgen en el mercado.

Manufactura. Lleva el proceso de ensamblaje de las terminales.

Calidad. Este departamento ajusta las terminales, en su óptimo funcionamiento tanto en el hardware como el software. Mercadotecnia. Promueve las terminales en el mercado, ofreciendo el buen funcionamiento del producto y los mejores servicios de instalación para poder hacer accesible la compra del sistema.

1.6 Campo de desarrollo

AxS Tracker es una empresa internacional que desarrolla y provee soluciones biométricas de identificación altamente eficientes. Los índices de aceptación de la huella digital se pueden ver en la figura 1.2.

21

PORCENTAJE DE MERCADO DE TECNOLOGIA BIOMETRICA 2006

Copyright © Internacional Biometric Group

CARA 19.00%

HUELLA DIGITAL 43.60%

GEOMETRIA DE LA MANO 8.80%

OTRAS 11.50%

IRIS 7.10%

FIRMA 1.70% VOZ 4.40%

BIOMETRIA MULTIPLE 4.00%

Fig. 1.2 Distribución del campo de la biometría

1.7 Proceso general de producción

A continuación se presentan los materiales más importantes que se requieren para comenzar con el proceso de producción de las terminales biométricas.

Módulo de ATMEL. AT91RM9200. SENSOR AT77C101B-FingerChip. LCD. Teclado. PCB.

22

Se debe de mandar a manufacturar el gabinete con las especificaciones ya dadas para la aplicación. El PCB es diseñado en el área de desarrollo y se manda hacer en Guadalajara. Los cables que se utilizan para las conexiones de los dispositivos se realizan en las instalaciones con las medidas que se dan en la tabla 1.1. La medida de los cables se dieron debido a las necesidades de ahorrar espacio en las terminales, sin comprometer el buen funcionamiento de la misma. Para hacer estos cables se tiene una prensa donde son insertadas las terminales tipo hembra para poder conectar los dispositivos del teclado, la LCD, el termistor y la resistencia, estos últimos hacen el control de temperatura en el circuito. En la tabla también se muestra los pines en los que debe ser conectado cada dispositivo, y el modo correcto de hacerlo.

DIMENSIONES DE LOS CABLES PARA LOS COMPONENTES DE LA TERMINAL COMPONENTE

LONGITUD

CARACTERÍSTICAS

CONEXIÓN

LCD

13 cm.

Terminales hembra para 16 pines, cable plano 16 hilos.

TECLADO

10 cm.

Terminales hembra para 7 pines cable plano 7 hilos.

TERMISTOR

20 cm.

Una terminal hembra de 2 pines, cable plano para 2 hilos.

En el conector J50 hilo rosa junto a R52, el otro extremo del hilo rosa conecta con el pin 16 del LCD. En el conector J20 hilo rosa en el pin cercano de uno del ICU20 conecta con le pin K del teclado. No importa polaridad, un extremo conecta con el termistor y el extremo del conector hembra conecta en J70. No importa polaridad, un extremo conecta con la resistencia y el extremo del conector hembra conecta en R75

RESISTENCIA 20 a 23 cm. Una terminal

100 Ω

hembra de 2 pines, cable plano 2 hilos.

Tabla 1.1 Medida de cables para terminal Biolog

23

El siguiente paso sería la programación del microcontrolador como se indica a continuación. Borrar el programa de prueba (dado por el fabricante). Cargar un programa para el reconocimiento del puerto de red (ethernet). Hacer la comunicación del microcontrolador con una PC por medio del puerto del punto anterior. Hacer la programación cargando dos programas: Primer programa: partición de memoria flash, que servirá para la recopilación de datos de usuarios. Segundo programa: hace el reconocimiento de los periféricos.

Al terminar con la programación se debe verificar el funcionamiento del puerto de red, asignar la IP a la terminal, y programar la hora.

En la tarjeta se debe de ajustar la temperatura del sensor AT77C101B-FingerChip (éste es el que registra la huella digital del usuario) a una temperatura de 42º para que realice su función con la más alta efectividad.

Para terminar con el microcontrolador se hace una prueba con el software para verificar su buen funcionamiento antes de fijarlo en la terminal.

Para montar los dispositivos en el gabinete se deben de seguir los siguientes pasos: Colocar el sensor FingerChip en el gabinete.

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Poner el sistema de calentamiento (Termistor y resistencia disipadora de calor) de tal forma que haga contacto con la superficie del sensor para poder monitorear su temperatura y tener siempre trabajando la terminal al 100%. Montar el módulo del microcontrolador en la tarjeta. Establecer el PCB de tal forma que las terminales del micro queden en su lugar. Fijar teclado, LCD y baterías. Conectar los cables de los mismos. Cerrar el gabinete.

Al tener terminado el producto se somete a una serie de pruebas para la comprobación del buen funcionamiento de la terminal.

25

CAPÍTULO II

ANTECEDENTES DEL PROYECTO

2.1 Antecedentes

El proyecto surge por la necesidad de mejorar el funcionamiento de las terminales y a la vez disminuir su costo de fabricación simplificando su estructura, aprovechando la nueva tecnología en el mercado.

2.2 Definición del proyecto

El proyecto consiste en optimizar el funcionamiento de la fuente de alimentación y la carga de baterías para que el módulo biométrico pueda funcionar correctamente. El resultado de estas modificaciones será la seguridad de los datos que almacena el microcontrolador en el caso de que exista una falla en la instalación eléctrica. Esto garantiza la seguridad de los datos que requiera el cliente.

2.3 Objetivo

Mejorar la calidad del producto final, evitando fallas con la fuente de alimentación. También evitar el sobrecalentamiento de los dispositivos de la terminal lo cual reflejará en un mejor funcionamiento de la misma. En consecuencia a lo dicho anteriormente, se espera la satisfacción del cliente al adquirir una terminal capaz de asegurar los datos que se requieran.

27

2.4 Alcance

La realización del proyecto servirá para ahorrar energía, espacio y dinero en la terminal. Tambien se obtendrá una mejor comercialización del producto al tener un buen funcionamiento de la parte principal del sistema, ya que evitará la caída de tensión, y las baterías de respaldo entrarán en el momento que se requieran.

2.5 Plan de trabajo

El plan de trabajo se determinó como se menciona en los siguientes puntos.

2.5.1 Gráfica de Gantt

En la siguiente gráfica se muestra la distribución de los tiempos que se ocuparán en cada actividad descrita posteriormente.

Tabla 2.1. Gráfica de Gannt

28

2.5.2 Asignación de proyecto

Después de hacer una lluvia de ideas enfocadas en la optimización del PCB, se llegó a la conclusión de que se debe hacer la remodelación completa de la fuente de poder y el cargador de baterías para evitar el sobrecalentamiento del sistema y optimizar los consumos de corriente. Con esto también se le garantiza al cliente que en caso de una falla en la instalación eléctrica, tendrán sus datos respaldados y el buen funcionamiento de la terminal durante al menos cuatro horas.

2.5.3 Recopilación de información

Se deben observar las fallas que tiene el sistema con la fuente con la que trabaja normalmente, con esta información se elegirá el circuito que mas convenga para las necesidades de la terminal.

2.5.4 Diseño del circuito2

El proceso de diseño comprende de tres fases: Análisis. Síntesis. Evaluación.

2

Richard C. Dorf, James A. Svoboda, Circuitos Eléctricos 5a edición, pág. 41

29

La primera tarea es diagnosticar, definir y preparar; esto es, entender el problema y presentar un enunciado explícito de las metas. La segunda tarea involucra encontrar soluciones posibles. La tercera tarea está relacionada con juzgar la validez de las soluciones con relación a las metas y la selección entre las alternativas. Estas tres fases son parte del marco de referencia para la planeación, organización y evolución de los proyectos de diseño. Conociendo estos tres pasos se dará la solución que más convenga para el sistema.

2.5.5 Conclusión del proyecto

En este periodo se entregará la propuesta a la empresa de un circuito que deberá cumplir con los requisitos listados en el punto anterior.

30

CAPÍTULO III

MARCO TEÓRICO

3.1 Introducción3

Las fuentes de alimentación, algunas veces consideradas como el “corazón” del sistema, le dan la “vida” a éste al proporcionarle la potencia requerida; también lo protegen principalmente de las variaciones del suministro de tensión, de la carga y de la temperatura. En algunas ocasiones, el buen diseño y ensamble de un sistema no opera de acuerdo a lo esperado si la fuente de alimentación no está entregando el voltaje correcto o la corriente requerida. Cualquier equipo o sistema electrónico constituido por dispositivos como diodos, transistores, circuitos integrados y microcontroladores tienen asociados una fuente de alimentación que realiza la transformación del suministro de corriente alterna en corriente continua. Al inicio de este capítulo se explicará el funcionamiento del módulo biométrico de huella digital con puerto ethernet, y después se explicarán algunos conceptos que se consideran importantes para el entendimiento del desarrollo del proyecto.

3.2 Corriente4

La velocidad de flujo de una carga a través de un conductor es una medida de la corriente presente en el conductor. Las cargas en movimiento son los electrones relativamente libres encontrados en conductores como cobre, aluminio, y oro. El

3 4

Maciel Suàrez, Fuentes de alimentación, pàg. 11 Robert Boylestand, Louis Nashelsky, Fundamentos de electrónica 4ª ediciòn, pàg. 6-9.

32

término libres simplemente revela que los electrones están débilmente vinculados a su átomo y que se pueden mover en una dirección particular mediante la aplicación de una fuente de energía externa como la batería de cd. Para medir el flujo de la corriente se debe “romper” el trayecto del flujo de carga e insertar el medidor entre las dos terminales (expuestas) creadas en el circuito. El instrumento para medir la corriente se llama amperímetro.

3.3 Voltaje 5

La diferencia de voltaje o de potencia aplicado puede considerarse como el elemento de presión necesario para establecer el flujo de carga. Es decir no puede haber un flujo de carga neto a través de un conductor en una u otra dirección sin un voltaje aplicado.

3.4 Baterías6

Mediante la actividad química la batería establece un exceso de cargas positivas (iones) en la terminal (+) positiva y cargas negativas (electrones) en la terminal

5 6

Ibidem. pág. 12 Ibidem. pág. 12-16

33

negativa (-). Esta disposición de las cargas tiene como resultado un flujo de corriente a través de un conductor colocado entre las terminales. Los electrones en el conductor de cobre son relativamente libres de abandonar sus átomos y desplazarse hacia el número excesivo de cargas positivas localizadas en la terminal positiva. El resultado neto es un flujo de carga (corriente) a través del conductor. La acción química de la batería está diseñada para absorber el flujo de electrones y para mantener la distribución de la carga en las terminales de la batería. Debe destacarse, que los iones positivos que quedan cuando los electrones abandonan los átomos son capaces de oscilar sólo en una posición media fija y no pueden desplazarse hacia la teminal negativa. El valor que indica cuánto tiempo la batería puede suministra una corriente particular a su voltaje nominal es el ampere – hora (Ah). Las baterías se clasifican como primarias o secundarias.

3.4.1 Baterías primarias

Las baterías primarias tienen una vida única determinada por su capacidad amperehora y consumo de corriente. Una vez descargadas simplemente se desechan. El tamaño, el voltaje y la capacidad de ampere-hora de cada una están diseñados para satisfacer una necesidad específica o general.

34

3.4.2 Baterías secundarias

Las baterías secundarias poseen la característica especial de poderse recargar invirtiendo la acción química asociada con la descarga de celdas. La más común y la más antigua de las baterías secundarias es la de ácido-plomo, de uso común en automóviles, la cual puede suministrar una corriente elevada durante un periodo relativamente corto. En otras aplicaciones como linternas de mano, rasuradoras, televisiones portátiles, taladros eléctricos, etc., la batería de niquel-cadmio (Ni-Cad) típica puede sobrevivir más de 100 ciclos de carga/descarga durante un espacio de tiempo que puede ser de años. Otros dos tipos de celda secundaria incluyen las de níquel-hidrógeno y las híbridas de níquel. Actualmente, la celda de níquel-hidrógeno se emplea principalmente en vehículos espaciales que requieren baterías de alta densidad de energía, resistentes y confiables capaces de soportar un elevado número de ciclos de carga/descarga durante mucho tiempo. La celda híbrida de níquel en realidad es un híbrido de las características positivas de cada una para crear un producto de un alto nivel energético en un paquete de larga duración. Es importante reconocer que cuando un aparato o un sistema requiere una batería de Ni-Cad, no se debe usar una celda primaria. Es posible que el aparato o el sistema disponga de una red interna de carga que podría dejar de funcionar con una celda primaria. Además, téngase en cuenta que todas las baterías de Ni-Cad son aproximadamente de 1.2 V por celda, mientras que las celdas primarias son de 1.5 V por celda. En la mayoría de las situaciones, la batería puede usarse hasta que haya alguna indicación de que el nivel de energía está bajo, por ejemplo, una luz débil de

35

una linterna de mano, menos potencia en un taladro o una luz parpadeante si es que viene con el equipo. Téngase en cuenta que las celdas secundarias tienen cierta “memoria” porque, si continuamente después de usarlas por poco tiempo, posiblemente comiencen a creer que son unidades de corta duración y a no mantener la carga durante el espacio de tiempo nominal.

3.5 Tipos de Baterías

Zinc/carbono (Zn/C) o “Pilas secas”. Electrolito es Hidróxido de Potasio. Están compuestas por zinc metálico, cloruro de amonio y dióxido de manganeso. Son las llamadas pilas comunes. Sirven para aparatos sencillos y de poco consumo. Pilas alcalinas o de zinc/dióxido de manganeso (Zn/MnO2). Compuesto por cloruro de amonio, el zinc está en polvo. Son las de larga duración. Casi todas vienen blindadas, lo que dificulta el derramamiento de los constituyentes. Sin embargo, este blindaje no tiene duración ilimitada. Pilas de níquel/cadmio (Ni/Cd). Electrolito es el hidróxido de níquel, hidróxido de potasio y cadmio metálico. Poseen ciclos de vida múltiples, presentando la desventaja de su relativamente baja tensión. Pueden ser recargadas hasta 1000 veces y alcanzan a durar decenas de años. No contienen mercurio, pero el cadmio es un metal con características tóxicas. Pilas botón. Son pilas de tamaño reducido, de forma chata y redonda. El mercado de artículos electrónicos requiere cada vez más de ellas. Son imprescindibles para audífonos, marcapasos, relojes, calculadoras y aparatos médicos de precisión. Su composición es variada.

36

Pilas de óxido mercúrico. Son las más tóxicas, contienen un 30 % aprox. de mercurio. Deben manipularse con precaución en los hogares, dado que su ingestión accidental, lo que es factible por su forma y tamaño, puede resultar letal. Pilas de zinc-aire. Se las distingue por tener gran cantidad de agujeros diminutos en su superficie. Tienen mucha capacidad y una vez en funcionamiento su producción de electricidad es continua. Contienen más del 1 % de mercurio, por lo que presentan graves problemas residuales. Pilas de níquel-hidruro metálico (Ni-MH).Son pilas secundarias como las de níquel-cadmio, pero donde el cadmio ha sido reemplazado por una aleación metálica capaz de almacenar hidrógeno, que cumple el papel de ánodo. Representan la nueva generación de pilas recargables que reemplazará a estas últimas. Pilas de óxido de plata. Son de tamaño pequeño, usualmente de tipo botón. Contienen 1 % de mercurio aproximadamente por lo que tienen efectos tóxicos sobre el ambiente. Pilas de litio. Producen tres veces más energía que las pilas alcalinas, y poseen también mayor voltaje inicial que éstas (3 V). Se utilizan en relojes, calculadoras, flashes de cámaras fotográficas y memorias de computadoras.

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3.5.1 Elementos y efectos7

Mercurio. Vías de exposición. Evaporación a temperatura ambiente, los átomos viajan por el aire, se depositan en cuerpos de agua transformándose en mercurio orgánico por el contacto que tienen con el plancton. Efectos. Daño en los riñones, el cerebro y a los bebés en gestación (fetos). Irritabilidad. Timidez. Temblores. Alteraciones en la vista o la audición y problemas de la memoria. Lesiones en pulmones. Náusea. Vómitos. Diarrea. Aumento de la presión sanguínea o del pulso. Salpullidos. Irritación en los ojos. 7

http://www.pvemjalisco.org.mx/principal/articulos/pilas.htm

38

Contaminación de alimentos como pescados y mariscos. Cadmio. Vías de exposición Al respirar el aire contaminado. Ingesta de agua contaminada y de alimentos que contienen cadmio. Fumar duplica los niveles de cadmio en el organismo.

Efectos. Lesiones en los pulmones y generalmente se acumula en los riñones. Puede causar la muerte. Las intoxicaciones agudas a consecuencia de ingerir alimentos o tomar agua con niveles de cadmio muy elevados producen seria irritación en el estómago e inducen vómitos y diarrea. En exposiciones crónicas con bajos niveles de este metal pueden producir enfermedades renales. Es cancerígeno. Níquel. Vías de exposición. Ingesta de alimentos o agua contaminados con níquel. Vía dérmica.

39

Efectos. Reacción alérgica. Cáncer. Manganeso. Vía de exposición. Aire. Agua. Alimentos. Efectos. Perturbaciones mentales y emocionales. Provoca movimientos lentos y faltos de coordinación. En los ecosistemas genera esterilidad de los suelos. Litio. Vía de exposición. Respirando aire contaminado. Bebiendo agua o ingiriendo alimentos que contengan este elemento. Por vía dérmica. Efectos. Fallas respiratorias. Depresión del miocardio.

40

Edema pulmonar. Estupor profundo. Plomo. Vías de exposición. Ingestión de alimentos o agua contaminados con plomo. Áreas donde se han usado pinturas a base de plomo y que están deteriorándose. Absorción dérmica del plomo. Efectos. Daños al cerebro, riñones, médula espinal y otros sistemas. Cáncer.

3.6 Ventajas batería Ni-MH8

Las pilas de níquel e hidruro metálico tienden a tener una mayor capacidad que las Níquel Cadmio (Ni-Cd). Las pilas de NiMH (Níquel-metal-hidruro) ofrecen hasta un 50% de capacidad suplementaria respecto a las unidades de Ni-Cd. No sufren efecto de memoria. Se pueden recargar hasta 1000 veces.

8

http://www.uniross.com/ES/info/FAQ/0400#88

41

Son menos nocivas con el medio ambiente. Aseguran una tensión elevada y continua durante prácticamente toda la descarga.

3.6.1 Cuidado de la batería

Estas baterías no tienen efecto memoria, y por ello no hace falta descargarlas por completo. De hecho no es bueno, dado que puede acortar mucho su vida útil. Como otras baterías necesitan ciertos cuidados:

Es recomendable que esté en un sitio fresco (15º C), y evitar el calor. Como se ha comentado antes, no se deben descargar del todo habitualmente. Es mejor no cargarlas cuando tienen más de un 50% de carga (Según el cargador que tengamos) Cuando se vayan a almacenar mucho tiempo, se recomienda dejarlas con carga intermedia. Si el aparato que la usa, se puede usar conectado a la red y mientras también la carga, se debe evitar que esté conectado y con la batería ya llena, pues disminuye su capacidad. Es preciso cargarlas con un cargador específico para esta tecnología. Usar un cargador inadecuado dañará la batería y puede hacer que se incendie. La primera carga es la más importante en términos de duración de la batería.

42

3.6.2 Recomendaciones para el uso de la batería

La primera carga debe ser hasta el máximo rango establecido por la pila (el cargador nos indicará cuando ésta haya finalizado), después hay que descargarla totalmente. A partir de ahí, podremos comprobar como al ir realizando cargas normales, la batería va adquiriendo más capacidad de carga hasta llegar a su máximo amperaje (sobre la carga). Una carga normal se refiere hasta que avise el cargador. Se enciende un LED, normalmente verde, o deja de parpadear. Hay quien recomienda hacer los primeros ciclos de carga/descarga completos.

3.6.3 Dependencia de la temperatura

Como todas las reacciones químicas, las que se producen dentro de una pila son sensibles a la temperatura, acelerándose normalmente cuando ésta aumenta, lo que se traducirá en un pequeño aumento de la tensión. Más importante es el caso de la bajada, pues cuando se alcanzan las de congelación muchas pilas pueden dejar de funcionar o hacerlo defectuosamente, cosa que suelen advertir los fabricantes. Como contrapartida, si se almacenan las pilas refrigeradas, se prolongará su buen estado.

43

3.6.4 Duración fuera de servicio

Lo ideal sería que las reacciones químicas internas no se produjeran más que cuando la pila está en servicio, pero la realidad es que las pilas se deterioran por el mero transcurso del tiempo aunque no se usen, pues los electrodos resultan atacados en lo que se conoce con el nombre de acción local. Puede considerarse que una pila pierde unos 6 mV por mes de almacenamiento, influyendo mucho en ello la temperatura. Actualmente esto no constituye un problema serio, pues, dado el enorme consumo que hay de los tipos corrientes, las que se ofrecen en el comercio son frescas. Algunos fabricantes han empezado a imprimir en los envases la fecha de caducidad del producto, lo que es una práctica encomiable.

3.7 Fuente de alimentación

Una fuente de alimentación es un dispositivo que nos convierte la corriente eléctrica alterna a corriente continua. La mayoría de dispositivos electrónicos necesitan una fuente de energía estable, consistente y pura para funcionar correctamente.

3.8 Fuentes independientes

Una fuente independiente es un generador de voltaje o corriente que no depende de otras variables del circuito.

44

3.9 Fuente ideal

Es un generador de voltaje o corriente independiente de la corriente que pasa por la fuente de voltaje o del voltaje a través de la fuente de corriente.

3.10 Fuentes dependientes

Algunos elementos tales como los transistores y los amplificadores funcionan como fuentes controladas. Las fuentes dependientes están formadas por dos elementos: el que controla y el controlado. El elemento que controla puede ser un circuito abierto o un corto circuito. El elemento controlado puede ser una fuente de voltaje o una de corriente. Una fuente dependiente es un generador de voltaje cuyos valores dependen de otra variable del circuito.

3.11 Cortos circuitos y circuitos abiertos

Estos son casos especiales de fuentes independientes. Un corto circuito es una fuente de voltaje ideal. La corriente en un corto circuito está determinada por el resto del mismo. Un circuito abierto es una fuente de corriente ideal. El voltaje a través del circuito abierto está determinado por el resto de éste.

45

3.12 Diodo zener

El diodo zener es un tipo especial de diodo preparado para trabajar en la zona inversa. En la figura 3.1 se muestra el comportamiento del diodo zener en una gráfica. Cuando se alcanza la denominada tensión zener en polarización inversa, ante un aumento de la corriente a través del diodo, este mantiene la tensión constante entre sus terminales, siempre dentro de unos márgenes, ya que si la corriente es muy pequeña la tensión empezará a disminuir, pero si es excesiva puede destruir el diodo.

Figura 3.1 Comportamiento del diodo zener Esta propiedad hace que el diodo zener sea utilizado como regulador de tensión en las fuentes de alimentación.

3.13 Fuentes de poder de cd9

Para convertir la alimentación eléctrica de 115 V , 60 Hz, fácilmente alterna a un voltaje o corriente de cd. Cuando se operan las fuentes de poder para dar un voltaje constante, su función es exhibir las características de una fuente de voltaje constante. Esto es, una vez que se ajusta el voltaje de la fuente, a la forma de corriente directa necesaria para la operación de la terminal biométrica se emplea una fuente de poder 9

Stanley Wolf, Richard F.M. Smith, Guía para mediciones electricas,pág. 366-367

46

de corriente directa. En realidad la fuente de poder no genera potencia, sólo convierte la potencia de corriente constante, el voltaje de salida seleccionado debe permanecer constante en el tiempo y en respuesta a variaciones en las demandas de corriente de salida. La figura 3.2 muestra la característica de corriente contra voltaje que debe tener toda una fuente ideal de voltaje constante. Se ve que el voltaje de salida Vsal permanece constante para todos los valores de corriente de salida que debe suministrar la fuente (Isal).Una fuente de poder de voltaje constante ideal debe tener una resistencia de salida de cero Ω. Las fuentes típicas de poder de voltaje constante se puede conseguir con resistencias menores que 0.01 Ω a 60 Hz.

Figura 3.2 Salida característica de una fuente de poder ideal de voltaje constante

47

3.14 Conversión de corriente alterna a corriente directa10

El voltaje de corriente alterna de 115 V, primero se baja mediante un transformador. El cambio inicial de voltaje permite a la fuente de poder suministrar voltajes que pueden ser muy diferentes al de la línea de 115 V. A continuación el voltaje transformado (todavía a 60 Hz) se alimenta a un rectificador. Este rectificador convierte el voltaje de corriente alterna a un voltaje rectificado de corriente directa. La onda rectificada se alimenta a continuación con un filtro que suaviza la variación o rizo de la onda rectificada. (En la figura 3.3 se muestran el diagrama de bloques del funcionamiento de una fuente de voltaje lineal de cd). Por lo tanto, la salida de un filtro es una cantidad en corriente directa con un componente residual de corriente alterna superpuesto a él. Sin embargo, si se ha empleado la suficiente filtración, la magnitud del componente residual de corriente alterna es lo suficientemente pequeña como para no alterar el funcionamiento del dispositivo que toma la corriente de la fuente. La magnitud del voltaje residual de rizo en la salida de una fuente de poder se expresa en valor rms. Las fuentes comerciales típicas tienen voltajes de rizo en sus salidas que pueden ser desde menos de 0.1 mV hasta aproximadamente 10mV. Esta onda filtrada se puede emplear como salida de corriente directa de la fuente, pero es más útil si se agrega una modificación más.

10

Ibidem, pág. 367-370

48

Figura 3.3 Diagrama de bloques del funcionamiento de la fuente de voltaje lineal de corriente directa

Tal como sale del filtro, el valor de voltaje de salida está determinado por el nivel de voltaje de entrada y por la construcción del transformador. No hay manera de ajustar la magnitud del nivel de salida. Además, cualquier variación en el voltaje de línea o en la corriente de la carga podría variar el nivel se salida de cd. Para instrumentos que necesitan un nivel constante de voltaje, esa variación podría ser demasiado grande para permitir el funcionamiento correcto. Por esas razones, se debe instalar un dispositivo de regulación para permitir ajustes del nivel de salida y mantenerlo constante. Con ayuda de un regulador de voltaje, la salida de la fuente es un voltaje de cd que se puede ajustar en todo el rango designado. La capacidad de una fuente de poder para mantener constante un voltaje una vez que se ha escogido un nivel de salida se llama la capacidad de regulación. Esta cantidad se expresa en porcentaje de cambio de la salida por cada uno por ciento de cambio en el voltaje de entrada. Otra manera de expresar la regulación es especificar el cambio porcentual máximo en voltaje de salida para un cambio particular en el voltaje de entrada. Los valores típicos de capacidad de regulación en las diferentes

49

fuentes de poder permiten un cambio de aproximadamente 0.05 por ciento en la salida para una variación de 20 v en la entrada. El circuito usado por la terminal biométrica es el LM317. Debido a las pérdidas en el regulador, el voltaje de entrada (Vent) debe ser al menos 3 volts mayor que el voltaje de salida (Vsal). En la figura 3.4 se muestra la forma en la que es conectado el LM371 en la terminal. El voltaje entre Vsal y Vent es un ajuste de precisión de 1.25 volts que requiere cuando menos 5mA para funcionar correctamente. Este voltaje constante de referencia está a través de R1. Como la terminal ADJ entrega muy poca corriente (100µA), toda la corriente que pasa a través de R1 también va a pasar a través de R2. Por la ley de voltaje de Kirchhoff, el voltaje de salida es:

Vsal = iR1+iR2

(1)

Vsal – VADJ = 1.25 V

(2)

Vsal = Vsal - VADJ (R1) + R1

Vsal - VADJ (R2) = 1.25 (1+ R2/R1)

(3)

R1

Si se sustituye R2 por una resistencia variable, se puede ajusta el voltaje de salida.

Figura 3.4 Regulador LM317 usado en la terminal biométrica

50

3.15 Seguridad en la operación y limitación de corriente de las fuentes de poder11

Cuando se usa una fuente de poder de voltaje constante, las necesidades de corriente de la carga pueden variar. Bajo las circunstancias más extremas, como un cortocircuito en la carga, una corriente alta entregada por la fuente podría dañar seriamente tanto a la carga como a la misma fuente. Como protección para tal caso se incluyen limitadores electrónicos de corriente en los circuitos reguladores. Éstos limitan la corriente máxima que puede pasar por la salida, sin importar el voltaje de salida que se requiera de la fuente. Al hacer esto se asegura que la fuente de poder esté siendo manejada de manera segura.

3.16 Especificaciones de la fuente de poder de cd12

Salida de corriente directa. Describe el rango de corrientes o voltajes de corrientes directas disponibles en una fuente de corriente particular; en el caso de la terminal biométrica las salidas requeridas son de 5V y 3.3V. Entrada de corriente alterna. Describe las características de voltaje de corriente alterna que se necesitan para operar la fuente de poder. Generalmente la entrada necesaria de ca es 115 V, de 50 a 63 Hz. Para el sistema que se va a utilizar ya se tiene establecido un eliminador que hace la conversión de corriente alterna a corriente directa entregándonos un voltaje regulado de 12V.

11 12

Ibidem, pág. 370 Ibidem, pág. 371

51

Regulación de carga. El cambio en el voltaje de salida de cd que resulta de un cambio en la resistencia de carga, desde cero (cortocircuito) hasta el valor en el que se presenta el voltaje máximo especificado para la salida de la fuente. Regulación de línea. El cambio en el voltaje de corriente directa de salida de la fuente que resulta de un cambio en el voltaje de entrada de la línea, desde su valor mínimo hasta su valor máximo. Rizo y ruido. Describe el valor rms del componente de ca que permanece sin filtrar y superpuesto a la señal de salida de cd. Típicamente es de 50 µV a1 mV. Impedancia de salida. Para una fuente de voltaje constante, la impedancia de salida debe ser muy pequeña (tiende a cero).

3.17 Impulsores de corriente13

Los reguladores de tres terminales tienen una corriente de carga máxima que pueden transportar antes de que ocurra la clausura del incremento térmico. El valor de esta corriente de carga depende del disipador de calor que se use. Si la corriente de carga es demasiado grande, la potencia disipada será mayor que la potencia máxima que disipa el regulador, esto incrementa la temperatura interna del dispositivo mas allá del nivel seguro. En este caso, el dispositivo no se quema, sino que deja de funcionar. Si queremos una corriente que supere a la dada por el regulador de voltaje, se usa un transistor con una resistencia conectada a la base que determinara la corriente (figura 3.5) que podrá pasar por el regulador de tensión y la restante la suministrará el transistor de potencia.

13

Albert Paul Malvino, Principio de electrónica 3ª edición, pág. 912, 913

52

Q1

Ven

R1

LM7809CT LINE VREG VOLTAGE COMMON RL

Figura 3.5 Impulsor de corriente

3.18 Regulador L200 El L200 es un regulador de voltaje variable positivo el cual incluye un limitador actual y lo provee hasta 2 A en 2.85 a 36 V. El voltaje de la salida está fijo con dos resistores o, si se requiere el voltaje continuamente variable de la salida, con un resistor fijo y un variable. La corriente de salida máxima está fija por el valor de la resistencia. El dispositivo tiene todas las características el campo común a los reguladores fijos normales y éstos son descritos en la hoja de datos que se encuentra en la sección de anexos. El L200 está particularmente diseñado para usos que requieren voltaje de la salida variable o cuando se necesita limitar la corriente de salida.

53

CAPÍTULO IV

DESARROLLO DEL PROYECTO

4.1 Introducción

En este capítulo se describen las actividades realizadas para obtener el mejoramiento de la fuente de alimentación, así como los problemas que se presentaron a lo largo del desarrollo del proyecto. También se desarrolla la propuesta de cómo hacer más eficiente el cargador de baterías.

4.2 Planteamiento del problema

Una vez que se reconocieron las necesidades del sistema con respecto a la fuente de poder y el cargador de baterías se diseñó un circuito que cumpliera con los siguientes requisitos: Entregar una tensión de 5 y 3.3V a 1.5 A. Recargar cinco baterías de 1.2 V cada una. Las baterías mencionadas anteriormente deberían tener al menos cuatro horas de trabajo continuo sin que se reinicie la terminal biométrica. No debería de haber sobrecalentamiento de los componentes. Suministrar la corriente requerida en el sistema.

4.3 Problemas en la fuente de alimentación

Los problemas más comunes que se encontraron en la fuente de alimentación de la terminal biométrica fueron los siguientes:

55

Sobrecalentamiento de los dispositivos. Caída de tensión. Reinicio de la terminal debido al mal funcionamiento del relevador que hace el cambio de la corriente convencional a baterías.

4.4 Sobrecalentamiento de los dispositivos

Los dispositivos electrónicos generan grandes cantidades de energía térmica. Esa energía térmica puede dañar las partes electrónicas. Por esto es necesario usar disipadores de calor, éstos son piezas de metal con aletas que pueden ayudar a extraer la energía térmica residual antes que ésta dañe las partes electrónicas. Sin embargo, los disipadores térmicos están hechos de metal, el cual conduce tanto la electricidad como la energía calorífica. Generalmente, las aletas disipadoras térmicas no están unidas directamente a las partes electrónicas que producen calor porque estas partes son muy sensibles a las corrientes y a las descargas eléctricas. Para evitar esto se usa una pasta hecha a base se silicón que es para uso eléctrico y electrónico; ésta sirve para aislar perfectamente el disipador del dispositivo que se utilice. Para hacer la regulación de tensión que entrega el eliminador se usaba el regulador LM317. Debido al gran calentamiento del dispositivo, se advirtió que este regulador no era el indicado para las necesidades del sistema, por lo que se hizo el cambio de éste por el regulador fijo que entrega una tensión fija.

56

4.5 Cambio a baterías

El primer problema que se tuvo que atacar en la terminal fue el cambio del eliminador de voltaje a las baterías. El relevador que hace el cambio no era lo suficientemente rápido, y es por ésto que se reiniciaba el microcontrolador. Para hacer el cambio a baterías, el relevador debe de llegar hasta una tensión igual a cero, para que su contacto normalmente abierto se cierre y puedan entrar las baterías de respaldo. Al tardar mucho tiempo para que la tensión llegara a cero, el microcontrolador se reiniciaba y se perdían los datos que se tenían almacenados en la terminal. Este problema era muy grave, pues la meta principal del producto es cuidar los bienes del consumidor (en este caso, los datos que se almacenan en el micro). Para resolver este problema se puso una tierra virtual con un diodo zener de 5.7 V. Lo que hace este arreglo es elevar la tierra hasta el valor del diodo; por lo tanto, cuando el relevador llegue a este nivel de tensión inmediatamente se cerrará el contacto del relevador y permitirá el paso de la energía de las baterías. En la figura 4.1 se muestra cómo se hizo la conexión de la “tierra virtual”. Pines del relevador. Tierra del relevador

P1

N.A N.C

D1 5.7 V

R1 1.00kOhm_1% C1

1000uF-POL Vcc

Figura 4.1 Tierra virtual para el cambio de la línea a baterías

57

Se tienen que cortar las pistas de la tierra del relevador para hacer este cambio, ya que ésta está conectada directamente a la tierra del microcontrolador y podría dañarnos este dispositivo. Al cortarlas se deberá de hacer un nuevo puente para devolverle la tierra al micro.

4.6 Eliminador

El eliminador utilizado en la terminal biométrica se muestra en la figura 4.2

Figura 4.2 Eliminador Su voltaje de entrada es de 90 a 240 V (50 ó 60 Hz) de corriente alterna y salida de 3; 4,5; 6; 7,5; 9 y 12 V de corriente directa. Su salida máxima es de 1,2 A, consumo máximo de 20 W.

58

4.7 Propuesta para remplazar la fuente de alimentación con cargador de baterías Este aparatado habla sobre una propuesta que se da para optimizar el funcionamiento de la fuente de alimentación y la carga de baterías con un circuito integrado (figura 4.3). El circuito integrado L200 ahorraría espacio y dinero, también haría más eficiente el sistema de carga de baterías ya que es un circuito “inteligente”. Se dice que es un circuito “inteligente” por que si el eliminador está funcionando correctamente el circuito hace que todo el sistema se alimente directamente del eliminador. En el momento en que la línea de energía llegara a caer, el L200 haría inmediatamente el cambio a las baterías para que no se perdiera ningún dato importante guardado en la terminal. Con este circuito se pueden sustituir los siguientes componentes: 1 Relevador 12VDC a 2 A. 1 Regulador de tensión 7809. 1 Diodo zener de 5.7 V. 1 Resistencia de 1 KΩ.

59

U3 LINE VREG VOLTAGE COMMON

J3

R10 HDR1X2

LED4 D3 1N4001GP

L200 U1 1 3 5

D1

2 4

U2 LINE VREG VOLTAGE COMMON

1N4001GP

J1 R1 R3 HDR1X2

R2 R4 50%

D2

R5 50%

R9

R7 HDR1X2 J2 LED2

LED1

LED3 R6

HDR1X2

Figura 4.3 Fuente de alimentación con el CI L200

60

J4

R8

4.8 Desventajas de la propuesta

La principal desventaja que se puede observar en la propuesta, es que toda la corriente del sistema pasará a través del circuito L200. Esto ocasionaría el sobrecalentamiento del dispositivo y el mal funcionamiento de la fuente. Otra desventaja es que el circuito es difícil de encontrar en México, así que se tendría que mandar pedir y el tiempo de entrega es de al menos cinco semanas. Sin embargo, a continuación se presenta otra propuesta para optimizar la carga de baterías usando el mismo circuito.

4.9 Propuesta del cargador de baterías con el CI L200

En la figura 4.4 se muestra el diagrama que hace el cambio de la línea a las baterías, así como el cargador de baterías que se tiene actualmente trabajando en la terminal.

Con la tierra virtual que se mencionó anteriormente se solucionó lo del cambio de baterías para que no se reiniciara la terminal. El cargador de baterías no muestra ningún problema, pero se planteó una nueva solución para optimizar el cargador de baterías.

61

Figura 4.4 Cargador de baterías

62

La siguiente propuesta está basada también en el circuito L200, pero sólo utilizado como cargador de baterías y no como la parte principal de la fuente de alimentación. A partir de la información que se obtuvo con la hoja de datos del circuito, se pudo llegar al diseño que se muestra en la figura 4.5.

D3 L200 U1

1N4001GP

1 3 5

D1

2 4

1N4001GP

J1

R8 R1 R3

HDR1X2

R2

R4 50%

D2

R5 50%

R7 J2 LED2

LED1 R6

HDR1X2

Figura 4.5 Propuesta para el cargador de baterías

El led 1 indica cuándo se están cargando las baterías, mientras que el led 2 indica el momento en que las baterías están siendo utilizadas por el sistema, en el caso de una falla en la alimentación. En el conector J2 se deberán de conectar las baterías. En el conector J1 se conecta la línea de alimentación. El diodo tres (D3) funcionará como un circuito protector contra cortos circuito. En caso de que las baterías estén conectadas incorrectamente evitará que el circuito L200 sea dañado.

La ventaja que se tiene al implementar el cargador de baterías con el L200 es que no es necesario el relevador que actualmente hace el cambio de baterías remplazándolo por este circuito “inteligente”. 63

Como se puede observar comparando la figura 4.5 y la 4.4 se puede llegar a la conclusión de que se ahorraría espacio en el PCB, y sería más eficiente la carga de las baterías. La desventaja como ya se mencionó es que el circuito es difícil de conseguir.

4.10 Cambio de regulador de tensión

Para hacer la regulación de tensión que entrega el eliminador se usaba el regulador LM317; pero como ya se mencionó este dispositivo cuenta con desventajas que afectan directamente el funcionamiento de la terminal. Debido al gran calentamiento del dispositivo, se puede ver que este regulador no es el indicado para las necesidades del sistema, es por eso que se hizo el cambio de éste por un regulador que entrega una tensión fija de 9V. Al hacer este cambio se siguió dando el calentamiento del dispositivo, debido a la corriente que circula a través del regulador. Lo que se propuso para solucionar este problema fue el impulsor de corriente, mencionado en el marco teórico. Este hizo que el regulador se limitara a hacer su función de “regular el voltaje”, y cuando al llegar a un determinado nivel de corriente entrara el transistor para suministrarla. En el circuito de la figura 4.6, la resistencia R1 se usa para detectar la máxima corriente que pasará por el regulador. Cuando la corriente es menor a la que se determine con R1, el transistor trabajará en la región de corte. En este caso el regulador de tensión trabaja solo.

64

Cuando la corriente de carga es mayor a la determinada, el transistor entra en conducción; este transistor exterior suministra la corriente de carga extra. Si montamos el circuito con un transistor TIP32 podremos obtener hasta 4 A, ya que el TIP32 soporta una corriente máxima de 3A.

Q1 Ven

LM7809CT

R1

LINE VREG VOLTAGE COMMON RL

Figura 4.6 Circuito impulsador de corriente

El regulador 7809 puede entregar hasta 1A, pero, como se ha visto en el sistema, el calentamiento del dispositivo es excesivo; por lo que para determinar la resistencia de la base del transistor que limita la corriente que debe pasar por el regulador se hicieron los siguientes cálculos, usando los 12V de cd que entrega el eliminador. Vin = 12V Ireg = 1A

(1)

(Si se opera el regulador al 100% de su eficiencia) (2)

65

Se determinó que el regulador sólo entregara el 10% de su eficiencia, y el resto de la corriente la entregara el Tip 32. Con una regla de tres se puede hacer el cálculo. 100% = 1 A

(3)

10% = 100 mA

(4)

Al saber cuánta corriente fluirá sobre el regulador se puede calcular la resistencia que determina el momento en el que el Tip entregará la corriente restante. Este cálculo se hace con la ley de ohm determinada en la ecuación (5). V = IR

(5)

Despejando R de la ecuación (5) se obtiene la siguiente ecuación: R = V/I

(6)

Sustituyendo los valores del voltaje de entrada de la ecuación (1) y de la corriente que se quiere hacer pasar a través del regulador obtenido en la ecuación (4) se obtiene lo siguiente: R = (12 V) / (100 mA) R = 120 Ω

(7) (8)

Una vez que se ha obtenido el valor de la resistencia, se necesita calcular la potencia de la misma, de lo contrario la resistencia se puede calentar demasiado por la corriente que fluirá a través de ésta, o incluso quemarse.

66

P = I2R

(9)

Sustituyendo los valores respectivos en la ecuación 9 se obtiene: P = (100mA)2 (120 Ω)

(10)

El resultado de esta operación es: P = 1.2 W

(11)

Al haber calculado todos los valores de los dispositivos se puede completar el diagrama (ver figura 4.7).

Q1 Tip 32 Ven 12V

R1 120ohms

LM7809CT LINE VREG VOLTAGE COMMON

1.2 watts RL

Figura 4.7 Valores de dispositivos usados en el impulsador de corriente Como se mencionó anteriormente, el regulador de tensión 7809 puede proporcionar fácilmente hasta 1A de corriente, con un disipador de calor adecuado. 67

Seguramente surgirá la pregunta ¿Por qué utilizar un transistor externo que proporcione la corriente? El disipador de calor para un regulador de tres terminales generalmente es más grande y más caro que el correspondiente para un transistor externo. Así el regulador podrá trabajar sin un disipador de calor, pero el transistor necesitará uno que es más simple y más barato.

68

CAPÍTULO V

EVALUACIÓN ECONÓMICA Y RESULTADOS OBTENIDOS

5.1 Introducción

En este capítulo se enlistan los costos de las diversas actividades que se realizaron, el tiempo que se utilizó para la realización del proyecto, y el precio de los materiales necesarios.

5.2 Tiempo requerido para el proyecto

Para hacer la evaluación económica del proyecto, se determinó el tiempo que fue utilizado para la realización del mismo. Este tiempo se desglosó por horas en las diferentes actividades que se realizaron desde el inicio hasta la conclusión del proyecto. Se estima el precio por hora de $80.00 para un técnico superior universitario. La tabla 5.1 muestra el tiempo que se empleó para cada actividad. Actividad

Nombre

Horas

1

Detección de fallas en la fuente de alimentación de la terminal.

15

2

Solución para el cambio de baterías

6

3

Solución de los reguladores de tensión.

10

4

Propuesta de fuente de alimentación. ( Diseño en multisim)

8

5

Propuesta del cargador de baterías. (Diseño en multisim)

6

Total de horas

45

Costo total

3,600

Tabla 5.1. Tiempo de actividades 70

5.3 Lista de materiales utilizados Los materiales que se enlistan el la tabla 5.2 son los utilizados en el proyecto, tanto en la fuente de alimentación como en el cargador de baterías. Nombre

Cantidad

Regulador de tensión LM 7809

1

Precio unitario $ 7.00

Importe $ 7.00

TIP 32

1

5.00

5.00

Resistencia 120Ω a 1.2 watts

1

3.50

3.50

Disipador de calor

1

5.00

5.00

Diodo zener 5.7V

1

2.00

2.00

Resistencia de 1K Ω a ¼ de watt

1

0.20

0.20

Costo total

22.70

Tabla 5.2 Lista de materiales y precios

5.4 Resultados obtenidos

El sobrecalentamiento de los dispositivos fue eliminado con el transistor de potencia que se utilizó para suministrar la corriente al sistema. También se eliminó el problema del reinicio de la terminal, ya que cuando el relevador que hace el intercambio llega a un nivel de voltaje de 5.7V inmediatamente se activa y entran las baterías de respaldo, que duran por lo menos cuatro horas suministrando energía a la terminal.

71

CAPÍTULO VI

ACTIVIDADES DIVERSAS

6.1 Introducción

En este capítulo se mencionan las actividades que se realizaron en el transcurso de la estadía sin estar directamente relacionadas con la realización del proyecto del sistema de alimentación.

6.2 Armado de las terminales biométricas

Para poder entender el funcionamiento de las terminales, y así detectar los errores que se debían solucionar, se tuvo que estudiar cómo era el proceso de armado del producto. Debe mencionarse que el conocimiento en el área de electrónica no puede ser adquirido basándose en lo que otra persona explica o entiende, si no que cada individuo debe pasar por la experiencia del proceso para entender mejor el sistema y llegar a sus conclusiones. Para llevar a cabo el armado de una terminal, se tienen que hacer varias actividades aparte de las ya descritas en el primer capitulo de este reporte. A continuación se nombran con más detalle algunos pasos que se realizaron para poder obtener el producto final.

73

6.2.1 Calidad del gabinete

Lo primero que se hace para armar una terminal es revisar la buena calidad del gabinete en el que se montarán los diferentes dispositivos, como son el PCB, la LCD, el teclado, el sensor biométrico, etc. El gabinete no debe de estar golpeado, o presentar rasguños de algún tipo. Después de asegurarse de que todo está en perfecto estado, se deben de probar cada uno de los dispositivos por separado.

6.2.2 Pruebas para los dispositivos

Para continuar con el proceso de armado primero se debe de probar cada uno de los dispositivos por separado con una tarjeta ya designada para hacer las pruebas. La LCD debe ser capas de desplegar los mensajes programados en el microcontrolador, al igual de que todo el tiempo debe de mantenerse encendido el “Backlight”. La pantalla no puede presentar ningún rasguño o raspadura. Para verificar el buen funcionamiento del teclado sólo se presionan todos los números, los cuales deben aparecer desplegados en la LCD. Si algún número o caracter no sirve, se debe remplazar inmediatamente el dispositivo. 74

El puerto ethernet debe de ser probado conectando el PCB a una computadora y entrando a la aplicación del símbolo del sistema, como se muestra en la figura 6.1

Figura 6.1 Pantalla de la aplicación “símbolo del sistema” Se debe de hacer la comunicación de la PC a la terminal. Esta última ya tiene una dirección de IP que se le da cuando se programa el microcontrolador. En la figura 6.2 se muestra más detalladamente.

Figura 6.2 Comunicación PC a terminal

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Al haber accesado se debe detener la aplicación del microcontrolador con otros comandos, y después reiniciar el sistema. Solamente que ahora todo lo que se haga en la terminal se podrá ver en la computadora. Con esto se verifica que el puerto ethernet está funcionando correctamente. Por último, se prueba el sensor FingerChip. Para ello se debe apretar la tecla de gato en el teclado, que sirve para que el usuario ingrese los datos al iniciar la aplicación. En la pantalla del “símbolo del sistema” debe aparecer un número cero, si es que el sensor está trabajando correctamente; en caso de no ser así, lo que aparecerá será el mensaje “No found such device” (No se encuentra el dispositivo).

6.2.3 Ensamble

Al tener todos los dispositivos funcionando correctamente se puede continuar con el proceso de armado. Todos los dispositivos se deben colocar correctamente dentro del gabinete, ya que si alguno de estos quedara en una mala posición se pueden tener problemas con el funcionamiento de todo el sistema.

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6.3 Calidad

Para que una terminal fuera aprobada y entregada a un cliente, se deben hacer las pruebas de calidad. Primero se revisa el buen funcionamiento de la terminal ensamblada como si ya se fuera a entregar. Se conecta a una computadora y se monitorea el buen funcionamiento durante al menos ocho horas; en caso de que alguna terminal tuviera un problema de software o hardware, es detectado en este paso y corregido inmediatamente.

6.4 Detección de errores en las terminales biométricas

Hubo que revisar algunas terminales con problemas de hardware. Para esto se debe de hacer la comunicación de PC a terminal. Si ésta no responde se verá el mensaje que se muestra en la figura 6.3. Esto indica que el puerto ethernet de la terminal no está en buen estado y, por lo tanto, se debe reemplazar todo el PCB. En caso de que el mensaje de error no aparezca y la comunicación se logre correctamente, se debe probar si el sensor está funcionando, como ya se mencionó anteriormente. Si después de estas dos pruebas sigue trabajando mal la terminal, se debe revisar que el teclado esté funcionando correctamente, ya que a éste se le tuvo que poner un “parche” para su buen funcionamiento debido a un error en las conexiones de los pines del microcontrolador. 77

Figura 6.3 Mensaje de error

6.4.1 Parche para el teclado Este parche se tuvo que hacer con cuatro transistores que servían como un interruptor. Al encender la terminal se mantenía apagado, y hasta después de unos milisegundos dejaba pasar energía al microcontrolador y habilitaba el teclado. Para saber si el problema estaba en que el microcontrolador no reconocía el teclado, en la pantalla de la computadora todo el tiempo aparecía el número tres: por lo tanto, se debía de revisar el estado de los cuatro transistores, ya que la mayoría de las veces no funcionaban correctamente. En este caso se reemplazaba el transistor en mal estado y se volvía a hacer la prueba. Este “parche” fue eliminado completamente al hacer el cambio del control de ocho bits de la LCD a cuatro bits. Se desocuparon algunos pines del microcontrolador y se pudo programar el interruptor mencionado anteriormente.

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CONCLUSIONES

Al concluir este proyecto pude observar que cuando un producto tiene fallas no necesariamente la solución debe de ser la más elaborada o la más cara. Muchas veces la solución es la más sencilla pero no se nos ocurre. Cuando se termina el periodo escolar y se empieza a trabajar generalmente creemos que toda la teoría que estudiamos en la escuela se aplicará en los problemas que tienen las empresas diariamente; pero, al realizar mi estadía, pude darme cuenta que las soluciones son cuestión de ingenio y de saber las bases para poder resolver los problemas.

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BIBLIOGRAFÍA

[1] Richard C. Dorf, James A. Svoboda. Circuitos eléctricos. 5ª edición, editorial Alfaomega.

[2] Maciel Suárez, Fuentes de alimentación, editorial Limusa.

[3] Robert Boylestad, Louis Nashelsky, Fundamentos de electrónica, 4ª edición, editorial Prentice-Hall.

[4] Albert Paul Malvino, Principios de electrónica, 3ª edición, editorial McGrawHill.

[5] Stanley Wolf, Richard F.M.Smith, Guía para mediciones electrónicas y practicas de laboratorio, editorial Prentice Hall.

[6] http://www.pvemjalisco.org.mx/principal/articulos/pilas.htm [7] http://www.uniross.com/ES/info/FAQ/0400#88 [8] www.axstracker.com

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ANEXOS

ANEXO A

ANEXO B

ANEXO C

GLOSARIO

Biometría. Métodos de identificación y autenticación de los seres humanos a través de características fisiológicas y de comportamiento. Browser. Un navegador web, hojeador o web browser es una aplicación software que permite al usuario recuperar y visualizar documentos de hipertexto, comúnmente descritos en HTML, desde servidores web de todo el mundo a través de Internet. Esta red de documentos es denominada World Wide Web (WWW) o Telaraña Mundial. Los navegadores actuales permiten mostrar o ejecutar: gráficos, secuencias de vídeo, sonido, animaciones y programas diversos además del texto y los hipervínculos o enlaces. La funcionalidad básica de un navegador web es permitir la visualización de documentos de texto, posiblemente con recursos multimedia incrustados. Los documentos pueden estar ubicados en la computadora en donde está el usuario, pero también pueden estar en cualquier otro dispositivo que este conectado a la computadora del usuario o a través de Internet, y que tenga los recursos necesarios para la transmisión de los documentos (un software servidor web). Tales documentos, comúnmente denominados páginas web, poseen hipervínculos que enlazan una porción de texto o una imagen a otro documento, normalmente relacionado con el texto o la imagen. El seguimiento de enlaces de una página a otra, ubicada en cualquier computadora conectada a la Internet, se llama navegación; que es de donde se origina el nombre de navegador. Por otro lado, hojeador es una traducción literal del original en inglés,

browser, aunque su uso es minoritario. Otra denominación es explorador web inspirada en uno de los navegadores más populares el Internet Explorer. Cookie (en castellano, galleta). es un fragmento de información que se almacena en el disco duro del visitante de una página web a través de su navegador, a petición del servidor de la página. Esta información puede ser luego recuperada por el servidor en posteriores visitas. Las inventó Lou Montulli, un antiguo empleado de Netscape Communications. Al ser el protocolo HTTP incapaz de mantener información por sí mismo, para que se pueda conservar información entre una página vista y otra (como login de usuario, preferencias de colores, etc), ésta debe ser almacenada, ya sea en la URL de la página, en el propio servidor, o en una cookie en el ordenador del visitante. De esta forma, los usos más frecuentes de las cookies son: •

Llevar el control de usuarios: cuando un usuario introduce su nombre de usuario y contraseña, se almacena una cookie para que no tenga que estar introduciéndolas para cada página del servidor. Sin embargo una cookie no identifica a una persona, sino a una combinación de computador y navegador.

•

Ofrecer opciones de diseño (colores, fondos, etc) o de contenidos al visitante.

•

Conseguir información sobre los hábitos de navegación del usuario, e intentos de spyware, por parte de agencias de publicidad y otros. Esto puede causar problemas de privacidad y es una de las razones por la que las cookies tienen sus detractores.

Originalmente, sólo podían ser almacenadas por petición de un CGI desde el servidor, pero Netscape dio a su lenguaje Javascript la capacidad de introducirlas directamente desde el cliente, sin necesidad de CGIs. En un principio, debido a errores del navegador, esto dio algunos problemas de seguridad, que posteriormente fueron resueltos. Estas vulnerabilidades fueron descubiertas por Esteban Rossi. Las cookies pueden se borradas, aceptada o bloqueadas según desee, para esto solo debe configurar convenientemente el navegador web. Rizo. En un filtro con capacitor a la entrada, esto se refiere a la fluctuación en el voltaje de la carga causado por la carga y descarga (eléctrica) del capacitor. Valor rms. Empleado en las señales dependientes del tiempo. Conocido también como valor eficaz y como valor de calentamiento. Es el valor equivalente de una fuente de cd que producirá la misma cantidad de calor o potencia sobre un ciclo completo de una señal dependiente del tiempo.