Universidad Tecnológica de Querétaro

Firmado digitalmente por Universidad Tecnológica de Querétaro Nombre de reconocimiento (DN): cn=Universidad Tecnológica de Querétaro, o=Universidad Tecnológica de Querétaro, ou, [email protected], c=MX Fecha: 2011.05.19 12:12:31 -05'00'

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO Voluntad ● Conocimiento ● Servicio

DISEÑO ELECTRÓNICO PARA CONTROL DE ACCESO EN ESCLUSAS UNIPERSONALES

METÁLICOS DE SEGURIDAD “PIÑA”

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

MIGUEL GONZÁLEZ PIÑA

Santiago de Querétaro, Qro.

Mayo de 2011

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO Voluntad ● Conocimiento ● Servicio

DISEÑO ELECTÓNICO PARA CONTROL DE ACCSESO EN ESCLUSAS UNIPERSONALES

METÁLICOS DE SEGURIDAD “PIÑA”

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

ASESOR DE LA EMPRESA TEC. JESÚS R. PIÑA SÁNCHEZ

ASESOR DE LA ESCUELA M. en T. A. GUSTAVO ORTIZ GONZÁLEZ

ALUMNO MIGUEL GONZÁLEZ PIÑA

Santiago de Querétaro, Qro.

Mayo de 2011

AGRADECIMIENTOS Al término en esta importante etapa de mi vida, quiero expresar mi sincero agradecimiento a las personas que me brindaron su apoyo para lograr culminar la carrera de Técnico Superior Universitario en Electrónica y Automatización.

En primer lugar le doy las gracias a mí madre quién siempre me ha acompañado durante los buenos y malos momentos de mí vida, de igual forma les agradezco infinitamente a todos mis familiares y amigos, por sus consejos e incondicional apoyo siempre que lo he requerido. ¡De verdad no tengo como pagar todo lo que han hecho por mí!

Asimismo les agradezco a todos los profesores de la carrera por sus regaños, exigencias, enseñanzas y experiencias, las cuales me formaron en todo este periodo para lograr ser mejor persona, un buen profesionista y hacerme consiente para seguir luchando porque nuestro país sea cada día mejor.

Finalmente, le doy gracias a cada uno de los integrantes de los departamentos de la empresa Metálicos de Seguridad “PIÑA”, muy en especial al gerente general y a mí asesor de empresa, por la oportunidad que me brindaron de superarme personal y profesionalmente.

ÍNDICE AGRADECIMIENTOS ÍNDICE INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO I. ANTECEDENTES GENERALES DE LA EMPRESA Pág. 1.1 Antecedentes de la empresa……………..…………………………………..10 1.2 Misión…………………………………..…………………………………...11 1.3 Visión……………………………………..………………………………...11 1.4 Política de calidad………………………..…………………………………11 1.5 Organización………………………………..……………………………….12 1.6 Campo de desarrollo nacional………….……….………………..................14 1.7 Proceso general de producción……………………..………………………14 1.8 Valores……………………………….………………………………..........16

CAPÍTULO II. EL PROYECTO

2.1 Antecedentes del proyecto…………………………………….………….....19 2.2 Definición del proyecto…………………………………………....………..20 2.3 Objetivos……………………………………………………...……………..20 2.4 Alcance……………………………………………….…………...………...20 2.5 Plan de trabajo………………………………………………………..….….21 2.5.1 Gráfica de Gantt……………………….………………………….21

CAPÍTULO III. MARCO TEÓRICO

3.1 Diagramas electrónicos…………………………………………………..….25 3.1.1 Software para elaboración de PCB´s.……………………...….…..25

3.2 ORCAD ..……………………………...……………..……….…………….26 3.2.1 Diseño de esquemáticos con ORCAD………………………...…..26 3.3 Protel………………………...……………………………………...…...….26 3.3.1 PCB………………………………………………………...….…..27 3.3.2 Diseño de PCB con Protel…………….………………….….……27 3.3.3 Footprint……………………..…………………………….……...30 3.4 Creación y modificación de componentes en Protel……………….........….30 3.4.1 Creación de componentes……………..…………..………………30 3.4.2 Modificación de componentes………..……………..…………….30 3.5 NE 555 y NE 556………………………………………………...……........31 3.5.1 Configuración de NE 555……………..…………………………..32 3.5.2 Configuración de NE 556…………………………………...….....34 3.6 Capacitores electrolíticos y cerámicos…………….……….…………....….34 3.7 Resistencia eléctrica………………….………………….………………….38 3.8 Circuito Resistivo – Capacitivo……………………………………………..40 3.9 Relevador………………………………………………………...................41 3.10 Diodo……………………………………………………….......................42

CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

4.1 Condiciones iniciales………………………………………………………..45 4.2 Diseño…….………………………………………………………………...46 4.2.1 Especificaciones técnicas para el diseño………………………….47 4.2.2 Plan para el desarrollo del proyecto……………………………....47 4.3 Desarrollo del proyecto……………………………………………………..48 4.4 Diseño por computadora……………………………………………………53 4.5 Componentes adicionales…………………………………...........................57 4.6 Detalles para la fabricación del PCB……………………………………….57 4.7 Distribución física de la tarjeta…………………………………………..…62

CAPÍTULO V. ACTIVIDADES DIVERSAS

5.1 Capacitación en SolidWorks……………………………………………......68 5.2 Capacitación en dibujo mecánico…………………,………………….…….68 5.3 Mantenimiento correctivo en maquinas-herramientas………………………68 5.4 Pruebas en piezas mecánicas y electrodos………………………………….69 5.5 Trabajos foráneos……………………………………………………….......69 5.6 Fabricación de prototipos por torno y fresadora....……………………...….69 5.7 Acondicionamiento de cerradura especial para SEPSA S.A. de C.V. …….69

CAPÍTULO VI. EVALUACIÓN ECONÓMICA Y RESULTADOS OBTENIDOS

6.1 Evaluación económica……………………………..……………….……….71 6.2 Resultados obtenidos………………………………………………………..74

CONCLUSIONES

Conclusiones……………………………………………………………..….…..76

BIBLIOGRAFÍA

Bibliografía y/o páginas consultadas en Internet ………………………….……78

INTRODUCCIÓN De acuerdo al sistema educativo de la Universidad Tecnológica de Querétaro, el alumno tiene que cubrir una estadía final de 10 a 15 semanas en una empresa del sector productivo en su último cuatrimestre, y realizar un proyecto de acuerdo a las necesidades de la empresa con el fin de cumplir con los requisitos establecidos para la culminación de la estadía y el proceso de titulación de Técnico Superior Universitario.

El presente proyecto consiste en la realización de un diseño electrónico para la empresa Metálicos de Seguridad “PIÑA”, con la finalidad de incursionar en la creación de modelos en los que se combinarán sistemas electrónicos y mecánicos para seguridad, lo cual ampliará su giro y su mercado.

Las actividades planeadas para llevar a cabo este prototipo comprenden desde la recopilación de la información y la elaboración del diseño, hasta el ensamble y las pruebas del modelo físico.

CAPÍTULO I

ANTECEDENTES GENERALES DE LA EMPRESA

1.1 Antecedentes generales de la empresa 1

Cerrajería “PIÑA” comenzó sus actividades en el año de 1936. Inicialmente estuvo ubicada en la de calle Independencia, número 55-A, en el centro histórico. Fue la primera empresa cerrajera instaurada en la ciudad de Santiago de Querétaro. Su fundador, el Sr. Romualdo Piña Vega, fue un empresario con gran visión que partió de su experiencia, profesionalidad y creatividad para consolidarse en el ámbito de seguridad en la sociedad queretana.

A través del tiempo, Cerrajería “PIÑA” se fue enfocando al servicio técnico en materia de la alta seguridad. En el año de 1995 se afilió a ALOA (Associated Locksmiths of America), en la que permanece hasta el día de hoy. Poco a poco se fue especializando en cajas de seguridad, brindando los servicios de mantenimiento, apertura, reparación, restauración, para todas las marcas existentes en el mercado. Esta especialización condujo a Cerrajería “PIÑA” al concepto de Metálicos de Seguridad “PIÑA”, y a la apertura de su línea de producción de cajas de seguridad. De igual manera, se ingresó en el ámbito de diseño en dispositivos especiales para empresas de traslado de valores y bancos, así, como a cajas populares, casas de empeño, de cambio, gasolineras, etc., dándose así una filiación directa entre ambas empresas.

A sus 75 años de existencia, ambas empresas continúan manteniendo su liderazgo y confianza en el ramo, evolucionando de acuerdo a las nuevas exigencias del mercado en el ámbito de la alta seguridad; estableciendo el carácter cercano con el cliente, así como la calidad en los diferentes modelos de cajas de seguridad PIÑA SECURITY® y en los dispositivos especiales diseñados para fines específicos. Las dos empresas proporcionan soluciones confiables para llegar hasta la satisfacción del cliente con un trabajo bien realizado en todas las facetas y la versatilidad de enfrentar cualquier proyecto.

1

El capítulo I de este reporte se encuentra redactado en los términos acordados por el personal autorizado de la empresa.

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1.2 Misión

Prestar el servicio de seguridad requerido cumpliendo cabalmente a los compromisos adquiridos con nuestros clientes, protegiendo sus objetos de valor, utilizando toda nuestra experiencia y tecnología en seguridad de la manera más competitiva y rentable posible.

1.3 Visión

Nuestra visión es utilizar las innovaciones tecnológicas y toda nuestra experiencia en sistemas de seguridad, para proporcionar a los clientes soluciones integrales y eficaces que nos pongan a la vanguardia del ramo como empresa impulsora de medidas de apoyo a la sociedad, y para prevenir los riesgos de delito en objetos de valor.

1.4 Política de calidad

Metálicos de Seguridad “PIÑA” tiene el firme compromiso con la calidad y prestigio basado en el resultado de sus 75 años de experiencia, cumpliendo con los requisitos, especificaciones, exigencias, necesidades y expectativas superiores a las propuestas de la competencia, incorporando para ello nuevas tecnologías garantizando así la confiabilidad del producto; tomando como base la mejora continua para elevar la eficacia en procesos y diseños en el ámbito de seguridad.

Para cumplir satisfactoriamente con esto, impulsamos una cultura de calidad basada en los principios de honestidad, solidaridad y un liderazgo donde se conjugue el trabajo en equipo y el compromiso de identificación de las personas con la empresa, desarrollando el recurso humano mediante la capacitación y entrenamiento continuos, velando por la buena organización y comunicación de los departamentos, con el compromiso de

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mejorar en todas las operaciones, fundamentadas en beneficio de la integridad de nuestra gente y de su desarrollo tanto personal como profesional.

1.5 Organización

En la figura 1.1 se muestran los diversos niveles y departamentos que integran la empresa.

Gerente General

Admón. de Proyec.

Dep. Administrativo

(Sub-Gerente)

Dep. de Diseño e Ingeniería

Dep. de Producción

Fig. 1.1 Organigrama de la empresa

A continuación se describen las principales funciones correspondientes a cada uno de los cargos.

Gerente general  Toma de decisiones. 12

 Trato directo con clientes.  Revisión de satisfacción del cliente, conforme a lo requerido (reparación, restauración, o fabricación de equipo especial).  Coordinación de departamento administrativo y operativo.  Trato directo con algunos proveedores, en conjunto con departamento administrativo.

Administrador de proyectos (sub-gerente)  En ausencia del gerente general responsabilidad total de la empresa.  Inspector de la calidad del trabajo en línea de producción.  Control administrativo de los recursos materiales existentes.  Manejo directo de sistemas confidenciales de seguridad (productos mecánicos y electrónicos).

Departamento administrativo  Cotizaciones.  Facturación.  Publicidad.  Contacto de proveedores para compras.  Coordinación con el tiempo de entrega de producto terminado a los clientes.  Contabilidad del producto terminado en almacén.  Pago de servicios y nominas.  Reclutamiento de personal.  Control de tarjetas de horarios para cada uno de los trabajadores.  Coordinación directa con el contador (externo).  Elaboración y resguardo de contratos para cada uno de los trabajadores.

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Departamento de diseño e ingeniería  Lleva a cabo innovaciones en los productos de línea.  Fabricación de diseños especiales y específicos de cada solicitud del cliente.  Ofertar propuestas generales para equipos existentes en el mercado de cualquier marca y nivel de seguridad.  Optimizar la eficiencia en los equipos que el cliente requiera.  Restauración, mantenimiento preventivo y correctivo a cajas de seguridad.

Departamento de producción  Control de materiales para la fabricación en línea de los productos.  Control de máquinas y herramientas.  Solicitudes para material y herramienta.  Coordinación de normas internas para la prevención de accidentes.  Reparte equipo de protección personal a los trabajadores de línea.

1.6 Campo de desarrollo

Metálicos de Seguridad “PIÑA” provee a nivel nacional servicios de mantenimiento preventivo y correctivo, así como restauración de cajas antiguas, diseño y fabricación de nuevos modelos adecuados a las necesidades del cliente en proyectos de empresas privadas y públicas.

1.7 Proceso general de producción

La línea de producción en Metálicos de Seguridad “PIÑA” está basada con lo estandarizado en el mercado. Las cajas típicas de uso residencial y oficina son modelos tómbola 1 y 3, denominados ST - 445 y MS – 445. También se ofrecen los modelos ST– 14

559, MS-559, ST 66-1 y MS 66-1, los cuales se acoplan a las condiciones de uso más comercial; y modelos empotrables estándar para uso residencial, hotelero, de negocios pequeños o negocios de gran magnitud, así como cajas para unidades de reparto.

El departamento de producción tiene registro en almacén de los diversos materiales que se utilizan en el proceso, como placas de acero al carbón y aceros especiales, las cuales son la base del producto. Entre los calibres de espesor más usuales están los siguientes: 3/16, ¼, ½, ¾, 1, 2 y 2 ½ pulgadas.

Después de revisar los materiales necesarios, se procede al trazado de plantillas sobre el material que se requiere cortar, junto con las medidas estándar del modelo. Luego pasa al proceso de corte. Generalmente durante todos estos procesos de fabricación, tanto de piezas como de mecanismos, se hace uso de máquinas–herramientas, oxicorte, cizalla, prensa hidráulica, torno, fresadora, máquinas de soldar y herramientas de mano, dependiendo en cada caso del material que se requiera maquinar y/o cortar.

Una vez que las piezas han sido cortadas, se procede al preensamble de los detalles correspondientes a cada pieza. Igualmente se arman los bastidores,

contramarcos,

mecanismos de puertas y dispositivos de seguridad adicionales. Una vez rectificadas todas las piezas, se procede al ensamble definitivo. Para el proceso de acabado se emplean abrasivos, los cuales corresponden a propiedades específicas de los materiales utilizados. Al término de esta etapa, se inicia el proceso de desengrase y pintado, aplicando fondos de pintura típicos en equipos de seguridad. Se continúa el proceso para la instalación de las cerraduras y diales (mecánicos, electrónicos o de llave, según se requiera). Todas las cerraduras son de importación, certificadas por Under Writes Laboratoris; lo mismo los cerrojos, manijas y seguros adicionales. Una vez terminado el producto, se procede a instalar la marca “PIÑA SECURITY”®, para después dirigirlo al almacén de producto terminado.

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La necesidad de fabricar equipos y dispositivos especiales, surge donde los modelos estándar de línea no cumplen con las expectativas requeridas. Se evalúan entonces las necesidades del cliente, tomando en cuenta el nivel de seguridad, espacio y presupuesto. Una vez establecidos los lineamientos, se hace el acuerdo común para la factibilidad del producto y en coordinación con el departamento de diseño e ingeniería, donde se desarrollan los planos del modelo. Posteriormente éstos se le muestran al cliente, esperando su aprobación definitiva. Si el cliente está conforme, se envían los planos al departamento de producción, pasando por los diferentes procesos como en los modelos estandarizados de línea. Antes de hacer la entrega, se solicita que el cliente revise su equipo, acordando así en este último punto la instalación o entrega a domicilio según lo pactado.

1.8 Valores

Compromiso: Con cada una de las actividades que se realizan dentro y fuera de la empresa.

Responsabilidad: Cumplir de manera oportuna y precisa con las actividades propias de cada puesto, para lograr garantizar el buen funcionamiento de la empresa y obtener la satisfacción del cliente.

Honestidad: Ser congruentes entre lo que se ofrece y promete a los clientes, entre lo que se entrega y los servicios que se brindan.

Lealtad: Ser consistente en virtud del cumplimiento de lo que exigen las normas de fidelidad de la información confidencial.

Ética: Actuar siempre con integridad, velando por el bienestar de los clientes, del equipo de trabajo y de la empresa. 16

Confiabilidad: Nos esforzamos con éxito para lograr que cada uno de nuestros usuarios tenga sus valores bien resguardados.

Sinergia (trabajo en equipo): Ya que es la base para el éxito de la gran organización, nuestro firme propósito es que cada empleado se sienta comprometido con la empresa.

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CAPÍTULO II

EL PROYECTO

2.1 Antecedentes

El concepto de seguridad siempre ha estado presente en la vida del hombre. Su necesidad de proteger sus propiedades, los objetos valiosos de sus antepasados o el de su trabajo, ha dado pauta a que existan diferentes instituciones financieras, como son los bancos o cajas populares, que ofertan resguardo, seguridad y confianza para que las personas aseguren sus bienes y estén tranquilas.

Las instituciones financieras en general cuentan con una gran cantidad de lineamientos en seguridad interna. Uno de ellos es el uso de esclusas unipersonales, las cuales constan de dos puertas relacionadas entre sí, de modo que cuando se abre una puerta la otra permanece cerrada y viceversa. Por lo regular están presentes en el área de cajas, con el fin de retardar la apertura de las mismas, ya que en esta área en particular es donde existe un mayor flujo de dinero en efectivo, y en caso de un atraco conviene retardarlo lo más posible mientras se espera la llegada de algún cuerpo policiaco.

El proceso de fabricación de esclusas en la actualidad es variado. Se utilizan diferentes métodos para sus conexiones. Uno de ellos es por medio de contactos eléctricos abiertos y cerrados. Sin embargo, existen esclusas en las que utilizan componentes electrónicos, y en la actualidad son las que se producen en mayor volumen. Con la ayuda de un software, el diseño electrónico facilita mucho la fabricación de tarjetas impresas; aun así, existen detalles que ocasionan errores en el sistema, por lo cual es importante identificarlos y evitarlos.

Algunos de los errores comunes que suelen presentarse en las esclusas electrónicas son:  Calentamiento excesivo en componentes y transformadores.  Que la batería no cargue correctamente.  Que no entre la batería en caso de ausencia eléctrica en la red de distribución. 19

 Frecuente mantenimiento correctivo por exceso de calor en componentes electrónicos.  Errores por condiciones ambientales (humedad y temperatura).

Por consiguiente, se pretende corregir estos problemas elaborando un diseño electrónico que disminuya lo más posible los errores mencionados.

2.2 Definición del proyecto

El proyecto lleva por nombre “Diseño electrónico para control de acceso en esclusas unipersonales”. Está enfocado a controlar el acceso de personal y se cual se desarrollará conforme a lo estandarizado en el mercado de electrónica y de seguridad.

2.3 Objetivos  Diseñar una tarjeta más eficiente que requiera un menor mantenimiento correctivo y asegurare la funcionalidad del equipo.  Fabricar la tarjeta a partir de material existente en el mercado, para evitar que sea una tarjeta costosa.  Optimizar los materiales y obtener una tarjeta de bajo consumo energético.

2.4 Alcance

Lograr que a la tarjeta se le vayan agregando más elementos de seguridad que no incluyan las esclusas existentes del mercado, ofertándolas como un producto evolucionado; y a la vez conseguir que empresas las financieras emigren al nuevo modelo de tarjeta, por la adaptabilidad de la misma con los diversos modelos de esclusas, así como por su calidad y seguridad.

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2.5 Plan de trabajo

Dentro del proyecto se deben considerar las siguientes actividades:

1) Recopilar información. 2) Buscar materiales para la construcción del proyecto. 3) Evaluación para montaje del sistema acorde al funcionamiento. 4) Materiales requeridos para el diseño de tarjeta. 5) Nueva elección de componentes a falta de los deseados. 6) Diseño del sistema en papel. 7) Pruebas en proto board. 8) Diseño del circuito eléctrico por computadora. 9) Revisión del diseño. 10) Rediseño del circuito con correcciones (si es necesario). 11) Fabricación del prototipo. 12) Realizar los circuitos impresos en las diferentes etapas. 13) Tratado de las tarjetas por método tradicional. 14) Comprobar el correcto lavado de tarjeta. 15) Perforación y ensamblado de componentes. 16) Inspección de los dispositivos una vez ensamblados. 17) Verificación de operación antes de la primera prueba. 18) Verificar operación por parte del asesor de la empresa. Toma de recomendaciones e implementarlas. 19) Realizar pruebas finales y contemplar las mejoras a futuro.

2.5.1 Gráfica de Gantt

De la tabla 2.1 a la tabla 2.4 se muestra de forma gráfica la secuencia y duración de cada actividad. 21

Tabla 2.1 Gráfica de Gantt de Septiembre.

Tabla 2.2 Gráfica de Gantt de Octubre.

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Tabla 2.3 Gráfica de Gantt de Noviembre

Tabla 2.4 Gráfica de Gantt de Diciembre

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CAPÍTULO III

MARCO TEÓRICO

En este capítulo se mencionan los datos y fundamentos teóricos necesarios para el desarrollo del proyecto. Sí bien lo que se requiere para el control de acceso es diseñar un sistema que permita control determinado del tiempo, hay que conocer los componentes electrónicos adecuados para tal fin.

3.1 Diagramas electrónicos

2

Un diagrama electrónico es una representación gráfica que sirve para identificar un componente electrónico dentro de una tarjeta y para indicar la relación de los elementos que la componen.

3.3.1 Software para elaboración de PCB´s y esquemáticos

Para la elaboración de PCB’s es necesario utilizar un programa de edición y así realizar tanto el diagrama esquemático como el eléctrico. En un programa de diseño se debe de trasladar el diagrama esquemático a PCB, contenido en la mayoría de los programas editores de este tipo. En todos los programas para creación de PCB´s se cuenta con la forma visual de los componentes que hacen más fácil la tarea de posicionar los componentes virtuales una vez que se desea hacer el Layout final. Es importante considerar que en algunas ocasiones no es conveniente usar el autorruteo que se genera al tener el diagrama esquemático y luego hacer la traslación a PCB, por ello se debe considerar lo complejo que pueda quedar el diseño; a veces es mejor que en base al esquemático se realicen tanto el trazado de las pistas como el posicionamiento manual de los componentes. Otro punto a considerar es el revisar en el programa el tamaño de los componentes virtuales que están cargados en la librería, el cual no siempre puede coincidir con los componentes físicos, ya sea por el tipo de fabricante, modelo, capacidad o normas de cada país.

2

Manuel Torres, Diseño e Ingeniería asistida por ordenador, págs. 39-78

25

3.2 ORCAD

ORCAD es uno de los programas poderosos para creación, diseño y simulación de circuitos. Este programa permite la translación de esquemático a PCB con eficacia, en la plataforma de Windows es estable y en la mayoría de sus aplicaciones trabaja acorde a los parámetros establecidos por los componentes que existen en el mercado y con los cuales cuenta en su librería.

De este programa la opción ORCAD Capture es la aplicación del programa que permite la creación de circuitos eléctricos-electrónicos bajo un entorno gráfico, tanto analógicos como digitales, o bien mixtos.

3.2.1 Diseño de esquemáticos con ORCAD

El acceso a esta aplicación se realiza directamente desde el icono correspondiente, situado en el grupo de programas OrCAD bajo el nombre OrCAD CIS.

De inicio se abre la pantalla principal de la aplicación que contiene los distintos menús disponibles así como la barra de herramientas de la aplicación.

El inicio de una sesión de trabajo se puede llevar a cabo mediante el menú FILE, seleccionando la opción NEW para crear un nuevo trabajo, bien OPEN para abrir un archivo ya creado. Estas dos opciones, darán paso a la página ORCAD Capture, donde se procede al diseño del circuito.

3.3 Protel

Protel junto con OrCAD constituyen las dos empresas de software de CAD electrónicas más importantes en entorno PC. 26

Protel es un sistema de diseño completo para entornos de Windows y proporciona un conjunto de herramientas integradas formadas por un gestor de documentos integrado, un capturador de esquemáticos, un simulador analógico basado en SPICE, una herramienta de diseño de placas de circuito impreso (PCB´s) y soporte para trabajo en redes de PC.

3.3.1 PCB

Se llama PCB a una tarjeta de circuito impreso terminada (Printed Circuit Board) en la cual se encuentran montados lo componentes que conforman un circuito y que en conjunto cumplen con una función. Para que esto pueda suceder en la tarjeta existen pistas que unen un componente con otro u otros a su vez según sea el diseño. Esto se basa en un diagrama eléctrico-electrónico el cual es trasladado a la tarjeta fenólica o de fibra de vidrio con superficie de cobre.

3.3.2 Diseño de PCB´s con Protel

Los paquetes de diseño de PCB´s están compuestos por tres herramientas: el editor de componentes, el editor de Layout y el postprocesador, que se encarga de la impresión.

Cuando se comienza el diseño de una nueva placa de circuito impreso, las medidas vienen impuestas por restricciones de diseño; normalmente se trabaja con medidas inglesas, se emplea la milésima de pulgada, donde una pulgada son 25.4 mm.

Las reglas de diseño para realizar un PCB adecuado a las normas y por lo tanto con un buen funcionamiento, son las siguientes:

Clearene Constant. Esta opción define la distancia mínima entre un PAD y una pista. El valor seleccionado es de 15 mm. 27

Routing Pad Style: Define el diámetro interior y exterior del PAD en:  Mínimo: 75 mm.  Máximo: 150 mm.  Preferido: 85 mm.

Orificio del PAD:  Mínimo: 20 mm.  Máximo: 150 mm.  Preferido: 20 mm.

With Contraint: Ancho de Trak  Mínimo: 75 mm.  Máximo: 150 mm.  Preferido: 25 mm.

Manufacturing solder mask expansion: 15 mm.

El diseño del PCB en Protel se realiza en la hoja de Mydesing, como se muestra en la figura 3.1. 28

Fig. 3.1 Ventana de selección de documento.

En la figura 3.1 se muestra la ventana de Protel en la que se crean los proyectos seleccionando desde qué punto se quiere realizar, ya sea desde el PCB o Esquemático; en este caso se ha seleccionado desde PCB para su realización manual. En la figura 3.2 se tiene un ejemplo de un PCB trazado en Protel.

Fig. 3.2 Diseño de un PCB trazado por Protel. 29

3.3.3 Footprint

El footprint es en Protel el elemento virtual que plasma en sustitución del componente real dentro del PCB a diseñar. Estos componentes virtuales se encuentran basados en las dimensiones reales, pero normalmente varían entre marcas y normas.

3.4 Creación y modificación de un componente en Protel

3.4.1 Creación de componentes

Al

encontrarse ubicado en la

pantalla

de

diseño del

PCB, se debe seguir

la ruta: Component → Edit → Add, así como las instrucciones del component Wizard que es el asistente de creación de componentes. Allí se destacan el tipo de componente, número de pines del componente, montaje superficial o axial-radial (marca según sea el componente que se requiera crear). Después de esto, se determina el grosor de línea con el que se representará (solo en caso de que se utilice el método Truehold y/o one-mask), y al finalizar se pide la asignación del nombre del nuevo componente para que sea reconocido por la librería, y se da clic en “guardar” para salvar el componente creado.

3.4.2 Modificación de componentes Para la modificación del componente hay que seguir la ruta Component → Edit. Y seleccionar el componente que se desea modificar con ayuda de las herramientas de la barra derecha, una vez modificado el componente se guarda dando clic en “save”.

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3.5 Circuito NE 555 y NE 556 3

El temporizador 555 fue introducido en el mercado en el año 1972 por esta misma fábrica con el nombre: SE555/NE555, y fue llamado "The IC Time Machine" (El Circuito Integrado Máquina del Tiempo). Este circuito tiene muy diversas aplicaciones, y aunque en la actualidad se emplea más su remozada versión CMOS desarrollada por Dave Bingham en Intersil, se sigue usando también la versión bipolar original, especialmente en aplicaciones que requieran grandes corrientes de parte de la salida del temporizador.

Este Circuito Integrado (C.I.) es para los experimentadores y aficionados un dispositivo barato con el cual pueden hacer muchos proyectos. Este temporizador es tan versátil que se puede utilizar para modular una señal en Amplitud Modulada (A.M.). Está constituido por una combinación de comparadores lineales, flip-flops (biestables digitales), transistor de descarga y excitador de salida.

Las tensiones de referencia de los comparadores se establecen en 2/3 V para el primer comparador C1 y en 1/3 V para el segundo comparador C2, por medio del divisor de tensión compuesto por 3 resistencias iguales R. Más adelante en la figura 3.4 se muestra el número de pin con su correspondiente función.

En estos días se fabrica una versión CMOS del 555 original, como el Motorola MC1455, que es muy popular. Pero la versión original de los 555 sigue produciéndose con mejoras y algunas variaciones a sus circuitos internos. El 555 está compuesto por 23 transistores, 2 diodos, y 16 resistencias encapsulados en silicio. En la figura 3.3 se tiene el NE 555 en su estado físico.

3

http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_integrado555

31

Fig. 3.3 Circuito físico NE 555

3.5.1 Configuración básica NE 555

GND (normalmente la 1): es el polo negativo de la alimentación, generalmente tierra.

Disparo (normalmente la 2): Es en este pin donde se establece el inicio del tiempo de retardo, si el 555 es configurado como monoestable. Este proceso de disparo ocurre cuando este pin va por debajo del nivel de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez.

Salida (normalmente la 3): Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador, ya sea que esté conectado como monoestable, astable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje será el voltaje de alimentación (Vcc) menos 1.7 Voltios. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la ayuda del pin de reset (normalmente la 4).

Reset (normalmente la 4): Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone el pin de salida a nivel bajo. Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a Vcc para evitar que el 555 se "resetee".

Control de voltaje (normalmente la 5): Cuando el temporizador se utiliza en el modo de controlador de voltaje, el voltaje en este pin puede variar casi desde Vcc (en la práctica como Vcc -1 voltio) hasta casi 0 V (aprox. 2 Voltios). Así es posible modificar los tiempos en que la salida está en alto o en bajo independiente del diseño (establecido por 32

las resistencias y condensadores conectados externamente al 555). El voltaje aplicado al pin de control de voltaje puede variar entre un 45 y un 90 % de Vcc en la configuración monoestable. Cuando se utiliza la configuración astable, el voltaje puede variar desde 1.7 voltios hasta Vcc. Modificando el voltaje en este pin en la configuración astable causará la frecuencia original del astable sea modulada en frecuencia (FM). Si esta pin no se utiliza, se recomienda ponerle un condensador de 0.01μF para evitar las interferencias.

Umbral (normalmente la 6): Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se utiliza para poner la salida a nivel bajo.

Descarga (normalmente la 7): Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento.

V+ (normalmente la 8): También llamado Vcc, alimentación, es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que va de 4.5 voltios hasta 18 voltios (máximo). Hay versiones militares de este integrado que llegan hasta 18 Voltios. En la figura 3.4 se ve la configuración física del NE555 de forma esquemática.

Fig. 3.4 Terminales del NE 555. 33

3.5.2 Configuración básica del NE 556 4

El circuito integrado NE556 es una versión doble del popular NE555. Contiene dos NE555 completos en su interior, con la totalidad de los pines accesibles desde el exterior, compartiendo ambos únicamente los correspondientes a la alimentación, tal como puede verse en la figura 3.5.

Fig. 3.5 Configuración del circuito NE 556.

3.6 Capacitores electrolíticos y cerámicos

5

El electrolito es usualmente ácido bórico o borato de sodio en disolución acuosa junto con algunos azúcares o glicol de etileno que se añaden para retardar la evaporación. Conseguir un buen balance entre la estabilidad química y la baja resistencia eléctrica interna es complicado y de hecho la composición exacta de los buenos electrolitos es un secreto comercial

guardado celosamente.

Llevó muchos años de dolorosas

investigaciones antes de que fueran desarrollados condensadores útiles. 4 5

http://www.ucontrol.com.ar/wiki/index.php?title=NE556 http://electronicacompleta.com/lecciones/capacitores-ceramicos-electroliticos/

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Los electrolitos pueden ser tóxicos o corrosivos. Trabajar con electrolitos requiere medidas de seguridad y equipo de protección apropiado como guantes, máscaras y gafas de seguridad. Algunos viejos electrolitos de tantalio, a menudo llamados de "pulmón húmedo" contienen ácido sulfúrico corrosivo, pero la mayoría de ellos ya no se usan debido a la corrosión.

El valor de la capacidad de cualquier condensador es una medida de la cantidad de carga almacenada, por unidad de diferencia de potencial entre sus placas. La unidad básica de capacidad en el sistema internacional de unidades es el faradio que es un culombio por voltio, sin embargo esta unidad es muy grande para las capacidades típicas de los condensadores reales (hasta la invención del condensador de doble capa), de forma que el microfaradio (10-6), nanofaradio (10-9) y picofaradio (10-12) se usan más comúnmente. Estas unidades se abrevian como μF o uF, nF y pF. Hay varios condicionantes para determinar el valor de la capacidad de un condensador, como la delgadez del dieléctrico y el área de las placas. En el proceso de fabricación, los condensadores electrolíticos se hacen para adaptarse a determinados números preferidos. Multiplicando esos números preferidos por un orden de magnitud y combinando varios cualquier valor se puede conseguir, permitiendo la mayoría de combinaciones útiles para aplicaciones prácticas.

Hay un conjunto de "números estandarizados básicos" para que el valor de cualquier condensador electrolítico moderno se pueda derivar multiplicando estos números básicos, que son 1.0, 1.5, 2.2, 3.3, 4.7 o 6.8 por potencias de 10. Así, es común encontrar condensadores de valores de 10, 15, 22, 33, 47, 68, 100, 220, etc. Usando este método, rangos de valores desde 0.1 hasta 4700 son comunes en la mayoría de las aplicaciones. Estos valores se dan generalmente en microfaradios (µF).

35

Muchos condensadores electrolíticos tienen un rango de tolerancia del 20%. Esto significa que el fabricante indica que el valor real del condensador cae dentro del 20% de su valor marcado. Seleccionando las series preferidas se asegura que se pueda comercializar cualquier condensador como un valor estándar, dentro de la tolerancia. Algunos condensadores tienen tolerancias asimétricas, típicamente -20% para la negativa, pero con mucha más tolerancia positiva. La indicación de la tolerancia en el empaquetado evita tener que medir cada condensador individual. Capacitores cerámicos

Los capacitores cerámicos sueles ser de dos tipos diferentes. Los cerámicos de disco son los más comunes y tienen una forma muy simple: se trata de un disco de material aislante cerámico de elevada constante dieléctrica metalizado en sus dos caras. Sobre el metalizado se sueldan los dos chicotes de conexión, resultando un dispositivo como el mostrado en la figura 3.6, en la cual se observa el capacitor (con su baño final de pintura epoxi que tapa el disco y sus terminales).

Fig.3.6 Capacitor cerámico disco.

36

Este tipo de capacitor se provee desde capacidades de 2,2 pF hasta 0.1 uF en tensiones relativamente bajas de 63V. Existen también capacitores cerámicos disco de mayor tensión para aplicaciones especiales que llegan a valores de 2 KV.

Este tipo de capacitor se utiliza en constantes de tiempo bajas del orden del uS o menores aun. La tolerancia más común es del 5% y los de valores bajos hasta 100 pF no varían con la temperatura y se denominan NP0. Los valores mayores pueden tener coeficientes de variación con la temperatura positivos o negativos que algunas veces se utilizan para compensar el coeficiente del resistor y lograr una constante de tiempo fija que no varíe con la temperatura. Por lo general estos capacitores están marcados con lo que se llama el método japonés, que consiste en utilizar un código de 3 cifras en donde las dos primeras cifras indican el valor absoluto del capacitor y la tercera indica la cantidad de ceros que se deben agregar a las dos primeras cifras, para obtener la capacidad en pF. Por ejemplo, un capacitor marcado 223 es de 22.000 pF. Para que no existan confusiones con los capacitores de bajos valores, cuando se utiliza este código se escribe subrayado (en nuestro ejemplo 223). Si un capacitor es de 220 con subrayado es de 22 pF y si no lo está es de 220pF. Observe que el mismo capacitor de 22 pF podría estar marcado 220 o 22.

Otra tecnología muy parecida es la de los capacitores Plate que se caracterizan por tener una forma rectangular en lugar de la clásica circular como la de los discos. En realidad la palabra Plate es una marca registrada de Philips. Pero su uso es tan común que se lo toma como un denominación de tipo. Están construidos igual que los disco con una pastilla cerámica plateada en sus dos caras en donde se sueldan posteriormente los terminales de alambre de cobre. La marcación de estos capacitores es simplemente escribir el valor en una unidad cómoda utilizándola la letra de la unidad como una coma decimal. Por ejemplo, un capacitor marcado 4n7 es un capacitor de 4,7 nF. Se puede observar que los capacitores poseen su cabeza pintada de un color que determina la variación de la capacidad con la temperatura. Por ejemplo, una cabeza negra significa 37

que es un capacitor NP0 que no varía con la temperatura. En la figura 3.7 se pueden observar muestras de cada tipo de capacitor.

Fig.3.7 Muestrario de capacitores

3.7 Resistencia eléctrica 6

Cualquier material natural ofrece oposición al paso de la corriente eléctrica a través de ella. Este efecto se llama resistividad. Los materiales conductores presentan una resistividad casi nula, los aislantes no permiten el flujo de corriente y los resistivos presentan cierta resistencia. Las resistencias son componentes eléctricos pasivos en lo que la tensión que se les aplica es proporcional a la intensidad que circula por ellos. Generalmente la resistencia de un material aumenta cuando crece la temperatura. También la resistencia de conductor es proporcional a la longitud de ésta e inversamente proporcional a su sección.

Hay que puntualizar, para que no haya malos entendidos, que a veces llamarlas resistencias se le denominan resistores. La medición en resistencias se hace en ohmios, cuyo símbolo es la letra omega (Ω).

6

http://www.convertworld.com/es/resistencia-electrica/

38

Entre las características de las resistencias, está su tolerancia, es decir, el margen de valores que rodean el valor nominal y en el que se encuentra el valor real de la resistencia. Su valor viene determinado por un porcentaje que va desde 0.001% hasta 20%, el más utilizado es el de 10%. Esta tolerancia viene marcada por un código de colores. Las resistencias tienen un coeficiente de temperatura, este valor dependerá de la temperatura que alcance la resistencia cuando empiece a circular el flujo de electrones. Como cualquier elemento eléctrico y electrónico tiene un rango de trabajo, y por tanto su límite de funcionamiento vendrá determinado por la tensión, su temperatura máxima y su capacidad de disipar calor; por tanto la temperatura máxima será con la cual podrá trabajar sin deteriorarse.

Tiene también un coeficiente de tensión que limitará el paso de la corriente eléctrica entre sus dos extremos, que será la variación relativa de cambio de tensión al que se someta.

Un factor también importante es el ruido que se debe a los cambios repentinos de aumento y disminución de corrientes continuas. La capacidad de la resistencia es la capacidad de mantener en el transcurso del tiempo el valor nominal de la corriente. En la figura 3.8 se tiene el código de colores característico de las resistencias.

Fig. 3.8 Código de colores para las resistencias. 39

3.8 Circuitos resistivos- capacitivos 7 El circuito RC es un circuito que cuenta con infinidad de aplicaciones. El simple acto de cargar o descargar un capacitor permite que las corrientes, voltajes y potencias estén en función del tiempo. Los capacitores tienen muchas aplicaciones que utilizan su capacidad de almacenar carga y energía; por eso, entender lo que sucede cuando se cargan o se descargan es de gran importancia práctica. Muchos circuitos eléctricos contienen resistores y capacitores.

La figura 3.9 ilustra un ejemplo de un circuito resistor-capacitor, o circuito RC. En la parte “a” del dibujo un interruptor completa el circuito en el punto “A”, de modo que la batería puede cargar las placas del capacitor. Cuando el interruptor está cerrado, el capacitor no se carga de inmediato. En vez de lo anterior, la carga llega gradualmente a su valor de equilibrio en donde Vo es la tensión de la batería.

Fig. 3.9 Ejemplo clásico RC.

7

http://rluix.xbott.es/ebasica/eb_cdcap.html

40

3.9 Relevador 8

El relé o relevador es un dispositivo electromecánico. Funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como un amplificador eléctrico. Como tal se emplearon en telegrafía, haciendo la función de repetidores que generaban una nueva señal con corriente procedente de pilas locales a partir de la señal débil recibida por la línea. Se les llamaba "relevadores". De ahí "relé".

La gran ventaja de los relés electromagnéticos es la completa separación eléctrica entre la corriente de accionamiento, la que circula por la bobina del electroimán, y los circuitos controlados por los contactos, lo que hace que se puedan manejar altos voltajes o elevadas potencias con pequeñas tensiones de control. También ofrecen la posibilidad de control de un dispositivo a distancia mediante el uso de pequeñas señales de control.

Hay casos reales donde se pueden juntar grupos de relés en bases interface, las cuales son controladas por módulos digitales programables que permiten crear funciones de temporización y contador como si de un mini PLC se tratase. Con esto modernos sistemas los relés pueden actuar de forma programada e independiente lo que supone grandes ventajas en su aplicación aumentando su uso en aplicaciones sin necesidad de utilizar controles como PLC's u otros medios para comandarlos. En la figura 3.10 muestra las partes del relevador.

8

http://es.wikipedia.org/wik/Archivo:Relay_principle_horizontal_new.gif

41

Fig. 3.10 Estructura interna del relevador. 3.9 Diodo rectificador 9

El encapsulado de estos diodos depende de la potencia que hayan de disipar. Para los de baja y media potencia se emplea el plástico hasta un límite de alrededor de 1 vatio. Por encima de este valor se hace necesario un encapsulado metálico y en potencias más altos deberá estar la cápsula preparada para que pueda ser instalado el diodo sobre un radiador de color, por medio de un sistema de sujeción a tornillo. Cualquier sistema rectificador de corrientes, tanto monofásicas como trifásicas o polifásicas, se realiza empleando varios diodos según una forma de conexión denominada puente. No obstante, también se utiliza otro sistema con dos diodos, como alternativa del puente en algunos circuitos de alimentación monofásicos.

9

http://www.classoneequipment.com/

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Debido al gran consumo a nivel mundial de diodos que más tarde son empleados en montajes puente, los fabricantes decidieron, en un determinado momento, realizar ellos mismos esta disposición, uniendo en fábrica los cuatro diodos y cubriéndolos con un encapsulado común. Esto dio lugar a la aparición de diversos modelos de puentes de diodos con diferentes intensidades máximas de corriente y, por lo tanto, con disipaciones de potencia más o menos elevadas, en la misma forma que los diodos simples. En los tipos de mayor disipación, la cápsula del puente es metálica y está preparada para ser montada sobre un radiador.

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.

CAPÍTULO IV

DESARROLLO DEL PROYECTO

En el mundo actual, el factor de la seguridad juega un papel muy importante, no sólo en el mundo financiero, sino de igual forma en el acceso a edificios públicos como hospitales, laboratorios, áreas de seguridad en juzgados, en el sector industrial, en centros de investigación, así como áreas de alta seguridad de bancos centrales, centros penitenciarios y hasta en instalaciones militares.

Las esclusas para el acceso controlado de personas a áreas de seguridad en diversos sistemas, tienen en la actualidad un gran campo de aplicación ya que el objetivo de las esclusas es proporcionar acceso controlado y seguro al público para recintos que, por su actividad o su razón de ser, necesitan disponer de algún grado de seguridad y protección.

Teniendo en cuenta estos conceptos de seguridad, se evaluarán los detalles técnicos necesarios para la elaboración de este proyecto.

4.1 Condiciones iniciales

La primera actividad del proyecto consistió en consultar al asesor de la empresa con la finalidad de comprender más a detalle el funcionamiento de las esclusas. Con su experiencia, el asesor brindó un panorama más detallado del tema. Una vez resueltas ciertas dudas, se procedió a buscar en el área de producción alguna tarjeta dañada, para tomar referencias electrónicas y empezar a idear algún tipo de diseño electrónico.

Una vez visualizados algunos modelos de tarjetas electrónicas, se planteó la posibilidad de habilitar alguna de ellas, pero lamentablemente algunos de los componentes electrónicos están descontinuados y por condiciones ambientales como el sol, la humedad, etc., se borró su número de identificación.

De igual manera se examinó el tamaño aproximado máximo que podría tener la tarjeta física, y se analizó su posición ideal para un cableado óptimo de sus componentes. Hay 45

que considerar que en este caso sólo es un prototipo, cada esclusa o adaptación tendrá que contar con sus características específicas.

Considerando estos detalles técnicos, se tomó la decisión de elaborar un diseño de la tarjeta con componentes que pudieran conseguirse fácilmente en el mercado, para reducir el costo de su fabricación.

4.2 Diseño

Después de analizar y comprobar de la existencia comercial de los posibles componentes a utilizar, se dio inicio al desarrollo de un diseño para la fabricación de un sistema que permita controlar dos o más puertas, de forma que en ningún caso puedan estar abiertas ambas puertas adyacentes a la vez.

Para resolver este problema, en el que por ningún motivo pueden estar abiertas al mismo tiempo las puertas de forma adyacente, se pueden utilizar varias alternativas, tales como:

1. Por métodos eléctricos simples de contactos Normalmente Abiertos o Cerrados. 2. Por medio de electrónica análoga y digital. 3. Por medio de micro-controlador. 4. Por medio de un PLC.

Las soluciones se podrían combinar entre sí y hacer muchas las posibilidades para resolver este proyecto. Después de un análisis, se determinó que la opción número 2, denominada “electrónica análoga y digital”, es la óptima para las condiciones requeridas. Por tal razón, de aquí parte el diseño de la tarjeta.

46

4.2.1 Especificaciones técnicas para el diseño

Las condiciones iniciales para el desarrollo del diseño electrónico, deben de establecerse con las entradas y salidas que se requieren controlar. Las características básicas para sistema son las siguientes:  2 puertas por esclusa.  2 entradas para sensor de puerta abierta.  2 entradas con botón pulsador para aperturas.  1 entrada de 110 VAC  Batería de 12 VCD para repuesto en caso de que falle suministro.

Una vez establecidas las condiciones técnicas y físicas para el cableado de la esclusa, se estimo en un área posible de trabajo dentro la esclusa de 50 x 50 cm. aproximadamente.

4.2.2 Plan para el desarrollo del proyecto

De acuerdo a las condiciones técnicas estipuladas para el diseño, y considerando que la variable a controlar es el tiempo, se estudió la posibilidad de introducir algún circuito sencillo. Este análisis dio como resultado la aplicación del circuito NE 555 basado en el principio de operación como un multivibrador y con la ventaja de poder ser fácilmente adquirido en el mercado.

Se hicieron las pruebas correspondientes en proto board e inicialmente se controló un diodo emisor de luz para determinar de forma visual la carga y descarga del capacitor. Además, con la ayuda de la hoja de especificaciones del NE 555 basado en las fórmulas del

circuito

(resistivo-capacitivo),

se

pudieron

registrar

visualmente

los

comportamientos del circuito. Una vez registrados los comportamientos básicos, se

47

procedió a hacer pruebas para el control de un relevador; todo esto como un sistema de pruebas elementales basados en el factor tiempo.

4.3 Desarrollo del proyecto

Después de hacer las pruebas en proto board y obtener los resultados adecuados, se construyó el modelado inicial para tomarlo como base en el diseño de la tarjeta electrónica, tal como se muestra en la figura 4.1.

Fig. 4.1 Circuito inicial de prueba.

De acuerdo a los resultados básicos de control para el tiempo y tomando en cuenta los requerimientos técnicos de la esclusa, se adicionó como prueba un relevador sencillo acompañado de su respectivo diodo para protección, y así mandar el pulso a la bobina que activa los contactos internos. Véase la figura 4.2. 48

Fig. 4.2 Circuito con relevador.

Luego de revisar en el comportamiento con los elementos electrónicos, se hizo el análisis para enfocarlo a los requerimientos técnicos de la esclusa. Con esto se cumplió el primer punto estipulado para el control de ambas puertas. La ventaja que brinda el temporizador 555 es que es compatible con circuitos lógicos de transistores: su salida es un pulso repetitivo rectangular que oscila entre dos niveles lógicos; el tiempo que el oscilador dura en cada estado lógico depende de los valores (Resistencia-Capacitancia).

Para hacer las aproximaciones en tiempo, se tomaron como referencias las fórmulas de la hoja de datos del circuito (figura 4.3). Aunque es imposible que el temporizador brinde una señal cuadrada perfecta, se pueden hacer las aproximaciones adecuadas a los requerimientos.

49

Fig. 4.3 Fórmulas para determinar periodos de trabajo.

Una vez cubiertos los parámetros fijados con los contactos internos del relevador, se manda la señal a las salidas para la activación y desactivación de las dos cerraduras eléctricas para el control de apertura en ambas puertas (Fig. 4.4).

Fig.4.4 Prueba con cerradura eléctrica.

50

Cabe destacar que la tarjeta de control no es manipulada directamente. Para que la señal de activación y desactivación ocurra, hay que mandar un pulso eléctrico, esto se hace por medio de un teclado matricial.

Sensor para puertas abiertas

Una vez controlada la cerradura eléctrica, se prosiguió con la adaptación de los sensores magnéticos universales de puertas (figura 4.5). Estos sensores son otro requisito técnico especificado en las condiciones de diseño, y tienen una relación directa con la apertura de las puertas.

Fig. 4.5 Sensores magnéticos de puerta.

La característica de los sensores magnéticos universales es que tienen que ser conectados en su estado normalmente abierto, y al cerrar la puerta el sensor modifica su estado a normalmente cerrado. De esta forma se asocian los sensores con el temporizador y se logra detectar cuando se encuentra abierta la puerta 1 y puerta 2 respectivamente, cumpliendo el segundo requisito técnico de la tarjeta, que son las entradas para el sensor de puertas abiertas.

Botón pulsador para apertura

Los botones pulsadores (figura 4.5) también tienen su parte importante en las esclusas. Estos tienen la finalidad de facilitar entradas rápidas autorizadas por el personal adecuado; pueden ser normalmente abiertos o cerrados. 51

Los botones pulsadores se ligan directamente con las cerraduras eléctricas, activándolas o desactivándolas, sin necesidad de pasar por el temporizador.

Fig. 4.5 Botón pulsador.

Entrada para 110 Va.c.

El requerimiento técnico de una entrada de 110 VAC es básico para todo circuito electrónico. En este caso el sistema opera con una tensión de 12 VDC esto es por reglamentación estándar. La figura 4.6 es una representación general de una fuente sencilla de alimentación, con ayuda del regulador comercial 7812.

Fig. 4.6 Fuente rectificada. 52

4.4 Diseño por computadora

Una vez establecidos los lineamientos requeridos para el diseño, se prosiguió con el diseño electrónico por medio del software de Protel. La figura 4.7 corresponde al diagrama esquemático de las pruebas físicas, con el cual se logró el control de la cerradura magnética.

Fig. 4.7 Diagrama esquemático.

Una vez controlada satisfactoriamente una cerradura magnética, se hizo la misma configuración para el control de una segunda cerradura; esto se hizo así por las condiciones de diseño especificadas, en las cuales se requiere un sistema para cada puerta de la esclusa. Con esto se logra que cada temporizador controle las cerraduras de forma independiente. En la figura 4.8 se muestran ambas configuraciones esquemáticas. 53

Fig. 4.8 Esquemático de control de cerraduras.

Una vez controladas las cerraduras magnéticas, se hizo el control de mando de señal para el sistema. La señal de mando se genera de un teclado matricial, el cual tiene las claves de seguridad de las personas con autorización a ingresar al área restringida. Existen muchos tipos de teclados comerciales que brindan los requerimientos técnicos, en este caso se utilizará un teclado comercial con características impermeables. Por ahora sólo se simuló la señal con un switch pulsador sencillo, y con ayuda de un diodo emisor de luz se visualizó el comportamiento del circuito. La figura 4.9 representa el diagrama electrónico esquemático utilizado para las pruebas de control con el temporizador 555.

Fig. 4.9 Diagrama esquemático para control. 54

Como se requiere que ambas puertas tengan las mismas características técnicas, el circuito para la puerta dos es idéntico a la puerta uno, con su propio switch de simulación de señal se obtiene el mismo comportamiento técnico especificado.

Para la entrada de tensión de 110 VA.C. se tomó una fuente sencilla con conmutación con relevador para la entrada de la batería, en caso de que falle la tensión eléctrica de la línea de alimentación. El sistema trabaja con una tensión nominal de 12 VD.C. por tal motivo se hace uso de un puente rectificador y con ayuda de los reguladores de tensión 7812 se satisfacen correctamente las expectativas del proyecto, cumpliendo la totalidad de los requisitos técnicos especificados.

La figura 4.10 muestra el esquemático utilizado para el uso en corriente directa y alterna.

Fig. 4.10 Esquemático de la fuente de alimentación. 55

De esta manera quedan cubiertos los cinco requisitos técnicos básicos de una esclusa sencilla, los cuales quedaron establecidos en apartado 4.2.1:  2 puertas por esclusa.  2 entradas para sensor de puerta abierta.  2 entradas con botón pulsador para aperturas.  1 entrada de 110 VAC  Batería de 12 VCD para repuesto en caso de que falle suministro.

De esta forma, con el temporizador 555 se logran obtener los resultados adecuados para la esclusa, la cual queda configurada con sus cinco circuitos principales esquemáticos de control utilizados para este proyecto, como se muestra en la figura 4.11.

Fig. 4.11 Esquemáticos básicos de control. 56

4.5 Componentes adicionales

Una vez cubiertos los cinco requisitos básicos de diseño establecidos, se analizó la posibilidad de adicionar al diseño más componentes no contemplados como circuitos básicos.

Los nuevos parámetros adicionados a la tarjeta son cuatro:  Control de luz interior.  Alarma acústica.  Un control de retardo para accionamiento de alarma acústica.  Salida para alarma de amago.

Respecto a estos cuatro nuevos parámetros establecidos como adicionales, Metálicos de Seguridad “Piña” ha decidido sólo mencionarlos como parte informativa de este reporte, ya que por políticas internas no se autorizaron mayores referencias.

4.6 Detalles para la fabricación del PCB

Una vez cubiertos los cinco circuitos básicos de la esclusa, más los componentes adicionales, se procedió a la elaboración en Protel del PCB.

Para el diseño del PCB, se tomaron en cuenta, además del trazado y distribución de las pistas, los siguientes aspectos:  La necesidad de determinar en qué lugar sería ubicada la tarjeta;  Las condiciones de trabajo y de uso antes de un mantenimiento correctivo;  Los posibles daños y facilitar el acceso a su reparación técnica.

57

El diseño manual del PCB depende de la precisión, trazado de las pistas y distribución de los componentes. Por ello se contemplaron las reglas básicas del diseño del PCB, respetando las separaciones mínimas entre componentes electrónicos, así como el trazado del Layout (el cual consta del diseño, trazado y distribución de pistas, nodos, pads). La forma de trazado de las pistas afecta de manera importante al funcionamiento del circuito.

Otro factor de importancia es la máxima intensidad o corriente admisible

en un

conductor impreso. Esta información se consulta en una gráfica de incrementos de temperatura (figura 4.12) respecto al ancho del conductor de las pistas de la tarjeta.

Fig. 4.12 Gráfica de temperaturas para el PCB.

De igual manera se consideraron otras recomendaciones para el trazado de las pistas, como el direccionamiento de las mismas, evitando cambios bruscos de 90 grados y los 58

ángulos agudos que forman un pico en el trazado, ya que estos implican un cambio puntual y brusco de impedancia, comportándose como una discontinuidad. De igual manera, al poner pistas paralelas la distancia tiene que ser uniforme, como se muestra en la figura 4.13.

Fig. 4.13 Formas erróneas para intersección de pistas.

La manera correcta para hacer los cambios de dirección tiene que ser una combinación entre ángulos de 45 grados, como se puede ver en la figura 4.14.

Fig. 4.14 Forma correcta para la intersección de pistas.

59

Para el caso donde se interconectan las pistas a 90 grados, se suavizaron los ángulos añadiéndoles triángulos a cada lado, con un chaflán de 45 grados (como se ve en la figura 4.15).

Fig.4.15 Conexión de pistas a 90°.

Para facilitar la buena soldadura hay que evitar aéreas excesivas de cobre en la tarjeta, ya que de no ser así la soldadura podría correrse, pudiendo producir cortocircuitos entre contactos próximos al soldar y desoldar componentes, con consecuencias fatales para el propio sistema. La forma correcta de colocación de los pads tiene que ser perpendicular y no tangencial, como se puede ver en la figura 4.16.

Fig. 4.16 Pads perpendiculares a las pistas.

Asimismo, cuando se requiere unir dos pads, se traza una distancia mínima entre las pistas para evitar la unión de componentes (como se muestra en la figura 4.17). 60

Fig. 4.17 Unión de pads.

Tomados en cuenta los parámetros estandarizados para el diseño del PCB, se procedió a la elaboración de la tarjeta electrónica, configurada con las cinco características básicas y adicionando los cuatro componentes adicionales ya mencionados para obtener una tarjeta de control adecuada.

Para la elaboración del PCB se utilizaron componentes existentes de las librerías, así como la edición de algunos compontes requeridos en el diseño. En la figura 4.18 se muestra el diseño del PCB de forma completa en Protel.

Fig. 4.18 Diseño PCB completo. 61

4.7 Distribución física de la tarjeta

Finalizado el diseño del PCB de acuerdo a las normas establecidas, se hizo la rectificación de las conexiones en todos los componentes electrónicos con respecto a los diagramas esquemáticos. Para simplificación de espacio se utilizó el circuito integrado NE 556, que es idéntico al NE 555, sólo que es un temporizador doble (como se ve en la figura 4.19).

Fig. 4.19 NE 555 y NE 556.

Esto ayudó a ahorrar espacio y tener menor número de componentes en la tarjeta electrónica. De no usar el circuito NE 556 se tendrían que haber utilizado 8 unidades del NE 555, logrando su simplificación a sólo 4 circuitos del NE556.

Los componentes de la tarjeta electrónica quedaron distribuidos como se muestra en la figura 4.20.

62

Fig. 4.20 Distribución física de los componentes.

A continuación se detalla la ubicación de cada área específica de la tarjeta electrónica. La figura 4.21 muestra los componentes usados para la fuente de alimentación.

Fig. 4.21 Componentes de fuente de alimentación.

La parte del control de la puerta uno y puerta dos quedaron como muestra en las figuras 4.2 y 4.23, ambos circuitos con sus respectivos relevadores, para mandar las señales de apertura, respectivamente.

63

Fig. 4.22 Esquema del circuito para control de puerta 1.

Fig. 4.23 Esquema del circuito para control de puerta 2.

Hasta esta parte quedaron cubiertas las especificaciones técnicas contempladas originalmente, al inicio del proyecto. Para las partes complementarias se requirió el uso de dos circuitos adicionales NE 556. La figura 4.24 muestra la implementación de ambos circuitos. 64

Fig. 4.24 Circuitos complementarios.

Las salidas de la tarjeta quedaron de modo paralelo, para de ahí hacer el cableado correspondiente dentro de la esclusa, como se ve en la figura 4.25.

Fig. 4.25 Conectores de salida para cableado. 65

Una vez completado el PCB, se revisó a detalle para evitar cualquier error ocasionado por factor humano, quedando finalmente integrado como se muestra en la figura 4.26.

Fig. 4.26 Diseño finalizado.

Después de terminar el PCB terminado se ensamblaron los componentes electrónicos requeridos. El ensamble físico quedo como se muestra en la figura 4.27.

Fig. 4.27 Tarjeta ensamblada con sus respectivos componentes. 66

CAPÍTULO V

ACTIVIDADES DIVERSAS

A continuación se describen algunos de las principales actividades que se realizaron en forma paralela al proyecto de la estadía en Metálicos de Seguridad “PIÑA”.

5.1 Capacitación en SolidWorks

Para un mejoramiento dentro del departamento de diseño mecánico, se tomo un curso de capacitación con SolidWorks, el cual permitió ampliar el panorama de visualización con mecánica aplicada. Con estas aplicaciones se pueden hacer los análisis necesarios para las cajas de seguridad, como en concentración de esfuerzos axiales y radiales, deformaciones con cargas puntuales y distribuidas uniformemente, transferencia de calor, y una visión con el método del elemento finito, para tener aproximaciones al comportamiento interno de los materiales utilizado en la empresa.

5.2 Capacitación en dibujo mecánico

El dibujo mecánico es de vital importancia para los desarrollos mecánicos, junto con la aplicación de normas internacionales, las cuales son muy importantes para hacer la referencia correcta al diseño mecánico (como las acotaciones funcionales, los tipos de vistas dependiendo el tipo de sistema-americano o europeo). Por tales razones, como parte de la política de calidad de una capacitación constante, se tomó el curso de dibujo mecánico enfocado al diseño metal mecánico (asociado con SolidWorks).

5.3 Mantenimiento correctivo en máquinas- herramientas

El mantenimiento en el área de producción es muy importante, ya que por el uso natural de los elementos utilizados se tiene un desgaste constante. Las máquinas-herramientas se monitorean constantemente, dándoles limpieza general y realizando inspecciones visuales.

68

5.4 Pruebas en piezas mecánicas y electrodos

Para la prueba de materiales y electrodos, se hacen probetas para pruebas con soldadura de arco eléctrico, aplicando diferentes tipos de electrodos en pruebas destructivas y no destructivas; se procede de igual forma con materiales especiales, donde se requieren condiciones específicas.

5.5 Trabajos foráneos

Como estrategia para ampliar el campo de desarrollo de la empresa, se tiene el compromiso de atención foránea en los estados de la república. Por tal razón, las salidas fuera de la ciudad son requeridas constantemente. Entre los casos más usuales de salidas externas están: encargos de cajas de seguridad, por cambio de sitio de cajas, por instalación de cajas, por requerimiento de mantenimiento preventivo, correctivo, o por intentos de asalto, en el peor de los casos.

5.6 Fabricación de prototipos por torno y fresadora

Como parte del diseño de algunos mecanismos, se hacen piezas prototipo para el ensamble y funcionamiento de mecanismos. También se tornean y fresan piezas para cajas de seguridad. Estas actividades son parte de las tareas exclusivas del departamento de diseño e ingeniería.

5.7 Acondicionado de cerradura especial para SEPSA S.A. de C.V.

Dentro del periodo Septiembre – Diciembre 2010 se diseñaron cerraduras especiales para las unidades de transporte de valores, las cuales se implementaron satisfactoriamente.

69

CAPÍTULO VI

EVALUACIÓN ECONÓMICA Y RESULTADOS OBTENIDOS

6.1 Evaluación económica

La evaluación económica de este proyecto se hizo con los costos establecidos en la ciudad de Santiago de Querétaro en el año de 2011. En la tabla 6.1 se muestra la lista de los componentes utilizados para el ensamble total de la tarjeta.

PZAS.

MATERIAL

PRECIO

PRECIO TOTAL

UNITARIO

(por 1 tarjeta )

CAPACITORES 1

Capacitor 2200 u F / 25 V

$4.00

$4.00

10

Capacitores cerámicos

$1.00

$10.00

$3.50

$7.00

$1.00

$2.00

$1.00

$ 13.00

Capacitores electrolíticos 100 uF/ 2

25 V Capacitores electrolíticos 330 uF/

2

63V Capacitores electrolíticos 10 uF/

13

63V RESISTENCIAS

28

Resistencia 1/4 Watt

$0.50

$14.00

1

Preset Horizontal 10mm 10KΩ

$5.20

$5.20

5

Preset Horizontal 10mm 1 MΩ

$5.20

$26.00

DIODOS 1

Diodo 1N5402

$ 5.00

$ 5.00

8

Diodo 1N 4004

$1.00

$8.00 71

3

Diodo emisor de luz

$5.50

$16.50

RELEVADORES 2

Relevador 12 V (5 pines)

$ 12.50

$25.00

2

Relevador 12 V (8 pines)

$ 29.00

$58.00

4

Relevador 12 V ( 4 pines)

$ 15.00

$60.00

OTROS 2

Clemas 2 pines

$ 3.00

$6.00

1

DSW 4

$ 5.00

$ 5.00

4

NE 556

$ 6.50

$ 26.00

2

Push Botton

$ 3.00

$ 6.00

1

Fusible europeo 3A

$ 3.00

$ 3.00

1

Porta fusible

$ 5.00

$ 5.00

1

Placa Fenolica para PCB

$25.00

$25.00

1

Cloruro Férrico

$28.00

$28.00

1

Rollo de soldadura 60/40

$64.00

$64.00

1

Pasta para soldar Mod.Sol-060

$9.00

$9.00

2

Reguladores de Tensión 7812

$6.00

$12.00

4

Zócalos ó bases para C.I.

$3.00

$12.00

2

Conectores MOLEX (12 pines)

$62.00

$124.00 72

1

Conector MOLEX (10 pines)

$56.00

$56.00

TOTAL

$634.70

Tabla 6.1 Costo total para armado del PCB.

El costo total para el ensamble total de la tarjeta es de $ 634.70, de modo que si se planea aumentar el volumen de producción posteriormente, este proyecto tendría un costo menor ya que las piezas compradas por mayoreo hacen disminuir los costos.

El cálculo aproximado de costos en mano de obra, se realizó con base en los datos de la gráfica de Gantt: 6 días para el diseño del PCB, con una jornada de trabajo de 8 horas. A partir de esta información se determinaron los costos que se muestran en la tabla 6.2.

Salario Base Semanal

Costo por hora

Costo de fabricación

$ 1,800.00

$ 32.00

$ 1,536.00

Tabla 6.2 Costo total de mano de obra.

Sumando los costos de los materiales y los costos por concepto de mano de obra, se obtuvo el total que se muestra en la tabla 6.3.

Armado del PCB

Costo de fabricación

Costo total neto

$634.70

$ 1,536.00

$ 2, 171.70

Tabla 6.3 Costo neto aproximado.

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6.2 Resultados obtenidos

Entre los principales resultados obtenidos al término del proyecto se encuentran los siguientes:  Se logró crear un diseño propio.  El diseño electrónico se hizo con materiales existentes en el mercado.  La tarjeta representa una atractiva oferta para el mercado por sus aplicaciones y bajo costo.  Las refacciones electrónicas son de fácil adquisición.

Sin embargo algunos puntos tienen que seguirse trabajando para lograr optimizar el diseño, como las que se mencionan a continuación:  No se consiguió la optimización en consumo energético. 

Se tienen que hacer un mayor número de pruebas para determinar su posible mantenimiento y detectar fallas no contempladas.

Si se quiere ofertar al mercado como un producto estándar, se debe conocer dominado totalmente el producto, con sus respectivas especificaciones técnicas, para asegurar un producto que sea de calidad y altamente competitivo.

Esto da pauta para una nueva visión en el campo electrónico. Cabe destacar que este prototipo se continuará trabajando para lograr cumplir el objetivo establecido, consistente en que empresas financieras emigren al nuevo modelo de tarjeta.

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CONCLUSIONES

Al finalizar la estadía en la empresa Metálicos de Seguridad “PIÑA” y culminar el diseño de una tarjeta electrónica de esclusas unipersonales, se tuvo la satisfacción de llevar a feliz término el proyecto en forma exitosa.

Se alcanzo el objetivo de diseño, sin embargo este proyecto continuará en evolución, tomándose ahora como una base inicial, de la cual se irán corrigiendo las debilidades encontradas en el sistema.

Como integrante de una organización empresarial enfocada a la seguridad se adquieren compromisos importantes con la sociedad donde los valores juegan un papel muy importante, y siempre están presentes en todas las actividades realizadas dentro y fuera de la empresa.

En esta etapa se tuvo la oportunidad de reflexionar sobre tres aspectos muy importantes para el desarrollo y aprendizaje personal: la parte conceptual (toda la enseñanza teórica aprendida en el tiempo que duró la carrera de Electrónica y Automatización), la procedimental (llevar el concepto a forma práctica) y la parte de actitudes (como lo dice el emblema de la UTEQ: Voluntad, Conocimiento y Servicio).

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BIBLIOGRAFÍA

Boylestad, Robert L. Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, 8ª. ed. México, Pearson Educación, 2003. 1040 págs.

Tocci, Ronald J. Sistemas digitales, 4ª. ed. México, Pearson Educación, 1996. 833 págs.

Torres, Manuel. Diseño e ingeniería asistida por ordenador, 1ª. ed. Madrid, RA-MA Editorial, 1999. 248 págs.

Classon, Diodo rectificador. Recuperado el 3 de noviembre de 2010, de http//classoneequipment.com

Convertworld. Resistencia eléctrica. Recuperado el 3 de febrero de 2011, de http://www.convertworld.com/es/resistencia-electrica/

R.Luis. Electrónica básica. Recuperado el 4 de noviembre de 2010, de http://rluis.xbott.es

Ucontrol.

NE

556.

Recuperado

el

4

de

Recuperado

el

4

noviembre

de

2010,

de

http://www.ucontrol.com.ar

Wikipedia.

Integrado

555.

de

noviembre

de

2010,

de

http//es.wikipedia.org

78