Dispositivo Para Generacion De Corriente Auxiliar.docx

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

Título del proyecto DISPOSITIVO PARA GENERACIÓN DE CORRIENTE AUXILIAR PARA CARGAR CELULARES

Ciudad de México

2018

ÌNDICE Introducción Antecedentes Capítulo I: Generalidades de la generación y transmisión de la energía eléctrica .. 8 1.1 Energía .......................................................................................................... 8 1.1.1 Tipos de energía ...................................................................................... 9 1.1.2 Generación de la energía ...................................................................... 11 1.2 Ley de Faraday ............................................................................................ 14 1.3 Ley de Lenz ................................................................................................. 15 1.4 Funcionamiento de una máquina de C.D. .................................................... 16 1.5 Partes principales de las máquinas de C.D. ................................................ 16 1.6 Generadores de corriente continúa .............................................................. 19 1.7 Clasificación de las máquinas de C.D. ......................................................... 22 1.7.1 Generador serie. .................................................................................... 23 1.7.2 Generador paralelo. ............................................................................... 25 1.7.3 Generador compuesto. .......................................................................... 26 1.8 Puerto USB. ................................................................................................. 28 1.8.1 Tipos de conectores USB. ..................................................................... 29 1.8.2 Líneas eléctricas del conector USB 1.0 y USB 2.0. ............................... 29 1.8.3 Composición del cable USB. ................................................................. 30 1.9 Puerto Micro USB. ....................................................................................... 31 Capítulo II: Estudio técnico ................................................................................... 33 2.1 Localización ................................................................................................. 33 2.2 Elementos del proyecto ................................................................................ 34 2.3 Desarrollo del proyecto ................................................................................ 36 2.4 Cronograma ................................................................................................. 44 Conclusiones ......................................................................................................... 45 Glosario ................................................................................................................. 46 Fuentes consultadas ............................................................................................. 47

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ÌNDICE DE FIGURAS Y TABLAS Figuras Figura 1. Mapa conceptual del uso de la energía .................................................... 8 Figura 2. Tipos de energía ...................................................................................... 9 Figura 3. Dispositivos electrónicos de uso diario que necesitan de la energía .... 11 Figura 4. Dinamo de una bicicleta ......................................................................... 12 Figura 5. Diagrama general de producción de la electricidad................................ 13 Figura 6. Representación de la 1ª Ley de Faraday ............................................... 15 Figura 7. Representación del efecto de la Ley De Lenz ........................................ 16 Figura 8. Estator y rotor de un motor ..................................................................... 17 Figura 9. Eje o flecha para un motor ..................................................................... 17 Figura 10. Partes de una máquina de C.D. ........................................................... 18 Figura 11. Devanado de armadura de una máquina de C.D. ................................ 18 Figura 12. Puente de diodos con su diagrama de rectificación ............................. 19 Figura 13. Capacitor electrolítico de 2200uF ......................................................... 20 Figura 14. Regulador de voltaje 7805 ................................................................... 22 Figura 15. Motor a pasos unipolar ......................................................................... 23 Figura 16. Circuito equivalente del generador serie .............................................. 24 Figura 17. Curva característica de voltaje generado contra corriente de la carga. 24 Figura 18. Circuito equivalente del generador paralelo: a) Auto excitado, b) Excitación separada .............................................................................................. 25 Figura 19. Curva característica de velocidad contra potencia consumida por la máquina ................................................................................................................ 26 Figura 20. Circuito equivalente del generador compuesto: a) Largo, b) Corto ...... 27 Figura 21. Curva característica de voltaje generado contra corriente entregada por la máquina ............................................................................................................. 28 Figura 22. Símbolo del puerto USB ....................................................................... 29 Figura 23. Cables USB .......................................................................................... 30 Figura 24. Conectores USB hembra y macho ....................................................... 31 Figura 25. Conexión de las terminales micro USB ................................................ 32 Figura 26. Localización del proyecto ..................................................................... 33 Figura 27. Tren de engranes ................................................................................. 36 Figura 28. Motor a pasos bipolar ........................................................................... 37 Figura 29. Puente de diodos ................................................................................. 37 Figura 30. Capacitor 2200uF ................................................................................. 38 Figura 31. Regulador de tensión ........................................................................... 38 Figura 32. Conector USB ...................................................................................... 39 Figura 33. Tablilla de MDF 12 x 16. ...................................................................... 39 Figura 34. Tablillas de MDF 20 x 20. .................................................................... 40 Figura 35. Tablillas de MDF 3 x 7 y 12 x 7. .......................................................... 40

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Figura 36. Ejes de metal 15 cm. ............................................................................ 41 Figura 37. Ejes de metal 8 cm. .............................................................................. 41 Figura 38. Rectángulo de madera 10 x 2. ............................................................. 42 Figura 39. Tornillos. ............................................................................................... 42 Figura 40. Proyecto terminado. ............................................................................. 43

Tablas Tabla 1. Función de los cables del USB ................................................................ 30 Tabla 2. Elementos del proyecto ........................................................................... 34

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INTRODUCCIÓN No poder cargar tu teléfono celular ya sea por falta de electricidad en el lugar donde se encuentre; esto a causa de un sismo, falla en el suministro, zonas aisladas, por falla en los elementos del cargador o la falta el mismo. El tener el celular sin carga en la batería puede traer complicaciones en la época en la que se vive, en la cual es una herramienta casi indispensable. Desde perder ciertas funciones prácticas como el GPS, la cámara o las redes sociales, hasta quedar totalmente incomunicado con tu familia o amigos. El teléfono celular es imprescindible para nosotros en la actualidad, por esta razón el tener un generador de corriente significa una gran ayuda para los usuarios de este tipo de dispositivos. El objetivo de este proyecto es diseñar e implementar un dispositivo capaz de generar la corriente eléctrica necesaria para cargar cualquier tipo de celular. Este dispositivo brinda a los usuarios la posibilidad de cargar su teléfono celular en cualquier momento y lugar en donde se encuentre, ya que al ser un generador con accionamiento manual no requiere de una toma eléctrica. Siendo útil en diferentes escenarios para los cuales el usuario requiera cargar su celular. En el primer capítulo se habla sobre las formas de energía y su generación. De igual manera se tratan los temas de las leyes fundamentales de la física estudiadas para la compresión del tema y la construcción de dispositivos que producen energía. Finalmente la forma de transmisión de la energía que generamos para que sea aplicada en los dispositivos celulares. Por otro lado, el segundo capítulo nos aclara que el por qué no existe una localización fija del proyecto, además proporciona la información necesaria sobre los materiales a utilizar para la construcción del dispositivo y la explicación de la fabricación del mismo. El proyecto a realizar es de tipo científico, debido a que atacaremos la problemática de no disponer de un cargador de celular o no contar con un lugar en donde

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conectarlo. De esta forma se busca resolver este planteamiento aplicando una serie de pasos que nos guíen poco a poco hacia lo que deseamos resolver. Para ello, el tipo de investigación que se presenta es de tipo explicativa. Esto porque no sólo se describe el problema a tratar, además de esto también se describen las causas que lo originan para tener un panorama completo del caso de estudio y obtener los resultados deseados de una forma más clara. Se hace uso del método deductivo para realizar esta investigación, para entender las causas que originaron la problemática y también para realizar un dispositivo que cumpla con todas las características deseadas. Es necesario tomar como punto inicial de análisis el panorama más general para utilizar este tipo de método, por esta razón este método se adapta de manera perfecta al tipo de investigación a realizar.

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ANTECEDENTES El norteamericano Benjamín Franklin (1706-1790) pudo observar que cuando un conductor cargado negativamente termina en punta, se acumulan los electrones en esa parte y por repulsión abandonan dicho extremo, fijándose sobre las moléculas de aire o sobre un conductor cercano cargado positivamente (tiene carencia de electrones). Aprovechó las propiedades antes descritas y propuso aplicarlas en la protección de edificios, mediante la construcción del pararrayos. En 1790 Alejandro Volta construyó una pila capaz de producir corriente continua aplicable a experimentos de electrólisis, arcos voltaicos y electroimanes. Charles Coulomb científico francés (1736-1806), estudió las leyes de atracción y repulsión eléctrica. En 1777 inventó la balanza de torsión que medía la fuerza por medio del retorcimiento de una fibra fina y rígida a la vez. El

científico

italiano

Alessandro

Volta

(1745-1827),

también

contribuyó

notablemente al estudio de la electricidad. En 1775 inventó el electróforo, dispositivo que generaba y almacenaba electricidad estática. En 1800 explicó por qué se produce electricidad cuando dos cuerpos metálicos diferentes se ponen en contacto. Empleó su descubrimiento para elaborar la primera pila eléctrica del mundo; para ello, combinó dos metales distintos con un líquido que servía de conductor. Fue Georg Ohm, físico alemán (1789-1854), quien describió la resistencia eléctrica de un conductor, y en 1827 estableció la ley fundamental de las corrientes eléctricas al encontrar que existe una relación entre la resistencia de un conductor, la diferencia de potencial y la intensidad de corriente eléctrica. Por su parte, Michael Faraday en 1820, observó que al pasar la corriente por un espiral de hierro colocado cerca de una brújula, la aguja de ésta se movía, esto le llevó a la siguiente conclusión: "la corriente eléctrica produce un campo magnético". Propuso la teoría sobre la electrización por influencia, al señalar que un conductor hueco (jaula de Faraday) forma una pantalla por las acciones eléctricas. A partir del

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descubrimiento de la inducción electromagnética, Faraday logro inventar el generador eléctrico. El físico inglés James Joule (1818-1889), estudió los fenómenos producidos por las corrientes eléctricas y el calor desprendido en los circuitos eléctricos. Otros investigadores que han contribuido al desarrollo de la electricidad son: el norteamericano Joseph Henry (1797-1878), que construyó el primer electroimán; el ruso Heinrich Lenz (1804-1865), quien enunció la ley relativa al sentido de la corriente inducida; el escocés James Maxwell (1831-1879), quien propuso la teoría electromagnética de la luz y las ecuaciones generales del campo electromagnético; el yugoslavo Nicola Tesla (1856-1943), quien inventó el motor asincrónico y estudió también las corrientes polifásicas; y el inglés Joseph Thomson (1856-1940), quien investigó la estructura de la materia y de los electrones. El siglo XX trajo consigo una gran novedad: la corriente alterna, que permitió el transporte de energía eléctrica a distancia y su utilización progresiva en pueblos y aldeas. Gracias a las posibilidades abiertas por el transporte, se construyeron numerosas centrales hidráulicas a lo largo de ríos españoles. La demanda eléctrica española creció progresivamente hasta 1936, aunque con unos niveles de consumo bajos, como correspondía al nivel de desarrollo de la economía. En los últimos sesenta años, el estudio de la electricidad ha evolucionado intensamente. Ello, debido a que se ha podido comprobar que posee muchas ventajas sobre otras clases de energía, por ejemplo: puede ser transformada fácilmente, se transporta de manera sencilla y a grandes distancias a través de líneas aéreas que no contaminan el ambiente. Se puede utilizar también en forma de corrientes muy fuertes para alimentar enormes motores eléctricos o bien en pequeñas corrientes para hacer funcionar dispositivos electrónicos.

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CAPÍTULO I: GENERALIDADES DE LA GENERACIÓN Y TRANSMISIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA 1.1 Energía La energía se puede entender como la capacidad que tiene un cuerpo o un sistema para realizar un trabajo o producir algún cambio o transformación. Tales cambios pueden ser movimiento, calentamiento o alteraciones en dicho cuerpo. Las unidades de energía más utilizadas son: 

Julio (J). Es la unidad del Sistema Internacional. Se define como el trabajo que realiza una fuerza de 1 newton (N) cuyo punto de aplicación se desplaza 1 metro.



Caloría (cal). Es una unidad de energía muy utilizada en procesos en los que interviene el calor. Se define como la cantidad de calor necesaria para elevar 1ºC, a presión atmosférica, un gramo de agua.



Kilovatio hora (KWh). Es la unidad que se utiliza para medir el consumo de energía eléctrica.

Figura 1. Mapa conceptual del uso de la energía

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1.1.1 Tipos de energía La energía se puede manifestar de diversas formas. Las principales formas de energía son: 

Energía mecánica. Es la formada por la suma de la energía cinética, asociada al movimiento, y la potencial, asociada a la fuerza de gravedad.



Energía térmica. Está relacionada con el movimiento de las moléculas que forman la materia: cuanto más caliente está la materia, mayor es el movimiento de las moléculas.



Energía química. Es la energía asociada a las reacciones químicas. Estas reacciones, como la combustión de gas, son exotérmicas y liberan calor.



Energía nuclear. Es la energía almacenada en el núcleo de los átomos, que se libera en las reacciones de fisión y fusión. Se podría decir que es un tipo de energía química.



Energía radiante. Es la que tienen las ondas electromagnéticas, como la luz, los rayos ultravioletas, etc. Pueden transmitirse sin necesidad de soporte material alguno, en el vacío, como es el caso de la energía del Sol.



Energía eléctrica. Está relacionada con el movimiento de las cargas eléctricas a través de los materiales conductores.

Figura 2. Tipos de energía

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La energía eléctrica la podemos definir como la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos (cuando se los pone en contacto por medio de un conductor eléctrico) y obtener trabajo. La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como la energía luminosa o luz, la energía mecánica y la energía térmica. La energía eléctrica se manifiesta como corriente eléctrica, es decir, como el movimiento de cargas eléctricas negativas, o electrones, a través de un cable conductor metálico como consecuencia de la diferencia de potencial que un generador esté aplicando en sus extremos. La energía eléctrica es una forma de energía de transición (ni primaria ni final) extremadamente difundida actualmente y cómoda debido a sus posibilidades de conversión (calefacción, iluminación, energía mecánica, etc.) y de transporte. Proviene, en general, de la conversión, en centrales, de energía mecánica por medio de generadores (o alternadores). Cada vez que se acciona un interruptor, se cierra un circuito eléctrico y se genera el movimiento de electrones a través del cable conductor. Las cargas que se desplazan forman parte de los átomos de la sustancia del cable, que suele ser metálica, ya que los metales (al disponer de mayor cantidad de electrones libres que otras sustancias) son los mejores conductores de la electricidad. La mayor parte de la energía eléctrica que se consume en la vida diaria proviene de la red eléctrica a través de las tomas llamadas enchufes, a través de los que llega la energía suministrada por las compañías eléctricas a los distintos aparatos eléctricos (lavadora, radio, televisor, etcétera) que se desea utilizar, mediante las correspondientes transformaciones; por ejemplo, cuando la energía eléctrica llega a una enceradora, se convierte en energía mecánica, calórica y en algunos casos luminosa, gracias al motor eléctrico y a las distintas piezas mecánicas.

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Figura 3. Dispositivos electrónicos de uso diario que necesitan de la energía

1.1.2 Generación de la energía De entre todas las formas de energía mencionadas, la energía eléctrica destaca por su especial importancia. Esto se debe a que se puede obtener de fuentes muy diversas (combustibles fósiles, luz solar, viento, saltos de agua...), transportarla hasta nuestras viviendas e industrias, y allí, volver a convertirla en el tipo de energía que nos interese: calor, luz, movimiento, etc. Para producir energía eléctrica se necesita un dispositivo que cree y mantenga una diferencia de potencial (diferencia de carga) entre dos puntos para que se pueda producir un flujo de electrones, es decir, una corriente eléctrica. La energía eléctrica se genera de 3 formas diferentes: 

Mediante transformaciones químicas: Por ejemplo, como ocurre en las pilas o baterías. Las pilas y baterías transforman la energía química que contienen en energía eléctrica. En el interior de pilas y baterías existen soluciones con determinados componentes químicos, que al reaccionar entre sí producen una corriente eléctrica.

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

Mediante la luz solar: Como ocurre en las células solares o fotovoltaicas, existen ciertos materiales que presentan la propiedad de emitir electrones cuando la luz solar incide sobre ellos (efecto fotoeléctrico). Las células fotovoltaicas son dispositivos construidos con materiales fotoeléctricos que realizan una conversión de energía solar luminosa en energía eléctrica. Las células solares se emplean en la generación de electricidad en centrales solares fotovoltaicas.



Mediante generadores eléctricos (dinamos y alternadores): La inducción electromagnética es la base del funcionamiento de los generadores eléctricos más utilizados. Son generadores que transforman energía mecánica de rotación en energía eléctrica y se utilizan, por ejemplo, en las centrales eléctricas. El ejemplo más sencillo de este tipo de generadores es la dinamo de una bicicleta, que genera una corriente continua a partir del movimiento de rotación. Consiste en una bobina de hilo conductor y un imán giratorio. El imán está unido mediante un eje a una rueda de fricción. Cuando la rueda de fricción se pone en contacto con el neumático de la bicicleta, gira a gran velocidad y hace rotar al imán. El imán en rotación produce un campo magnético fluctuante que induce corriente eléctrica en la bobina. Esta corriente continua se utiliza para hacer funcionar los faros de la bicicleta.

Figura 4. Dinamo de una bicicleta Los alternadores son los generadores eléctricos utilizados en la producción de energía eléctrica en las centrales eléctricas (excepto en las centrales

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fotovoltaicas) y son movidos por turbinas. Las turbinas poseen unas palas o álabes que, al ser empujadas, ponen en movimiento el eje del alternador y producen una corriente alterna.

Figura 5. Diagrama general de producción de la electricidad

Es necesario, para poder tener una base sólida de los conceptos anteriormente vistos y una mejor comprensión científica de la investigación, hablar sobre las leyes en las que se rige la inducción electromagnética, la cuál es la base fundamental de la generación de energía que se necesita para el proyecto. Para la gran mayoría de los aparatos eléctricos que se usan en la industria y el hogar (incluido cualquiera que se conecte a un contacto de pared), la fuente de fem no es una batería, sino una estación generadora de electricidad. Esa estación produce energía eléctrica convirtiendo otras formas de energía: energía potencial gravitacional en una planta hidroeléctrica, energía química en una planta termoeléctrica que consume carbón o petróleo, y energía atómica en una central nucleoeléctrica. Pero, ¿cómo se realiza esta conversión de la energía? En otras palabras, ¿cuál es la física en la que se basa la producción que satisface casi todas nuestras necesidades de energía eléctrica? La respuesta es un fenómeno conocido

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como inducción electromagnética: si el flujo magnético a través de un circuito cambia, se inducen una fem y una corriente en el circuito. En una estación generadora de electricidad, hay imanes que se mueven con respecto a bobinas de alambre para producir en ellas un flujo magnético variable y, por lo tanto, una fem. Otros componentes clave de los sistemas de energía eléctrica, como los transformadores, también dependen de fem inducidas magnéticamente. De hecho, en virtud de su papel clave en la generación de energía eléctrica, la inducción electromagnética es uno de los fundamentos de nuestra sociedad tecnológica. El principio fundamental de la inducción electromagnética y la piedra angular de este capítulo es la ley de Faraday, que relaciona la fem inducida con el flujo magnético variable en cualquier espira, incluido un circuito cerrado. También analizará la ley de Lenz, que ayuda a predecir el sentido de las fem y las corrientes inducidas. 1.2 Ley de Faraday La ley de Faraday de la inducción establece lo siguiente: La fem inducida en una espira cerrada es igual al negativo de la tasa de cambio del flujo magnético a través de la espira con respecto al tiempo. En símbolos, la ley de Faraday es:

𝜀=−

𝑑𝜑𝐵 𝑑𝑡

(1 ley de Faraday de la inducción)

(1)

El generador de conductor corredizo no produce energía eléctrica de la nada; la energía la suministra cualquier cuerpo que ejerza la fuerza para mantener la varilla en movimiento. Todo lo que hace el generador es convertir esa energía a una forma diferente. La igualdad entre la tasa con que se suministra energía mecánica al generador y la tasa con que se produce energía eléctrica se cumple para todos los tipos de generadores. En los generadores reales, la fricción se mantiene en el mínimo para que el proceso de conversión de energía sea lo más eficiente posible.

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Figura 6. Representación de la 1ª Ley de Faraday

1.3 Ley de Lenz La ley de Lenz es un método alternativo conveniente para determinar la dirección de una corriente o fem inducida. La ley de Lenz no es un principio independiente; se puede obtener de la ley de Faraday. Siempre da los mismos resultados que las reglas de los signos que se presentan en relación con la ley de Faraday, pero a menudo es más fácil de usar. La ley de Lenz también ayuda a entender de manera intuitiva los distintos efectos de la inducción y el papel de la conservación de la energía. H. F. E. Lenz (1804-1865) fue un científico ruso que reprodujo de forma independiente muchos de los descubrimientos de Faraday y Henry. La ley de Lenz establece lo siguiente: La dirección de cualquier efecto de la inducción magnética es la que se opone a la causa del efecto. La “causa” puede ser un flujo cambiante a través de un circuito fijo debido a un campo magnético variable, un flujo que cambia por el movimiento de los conductores que constituyen el circuito, o cualquier combinación de lo anterior. Si el flujo en un circuito fijo cambia la corriente inducida establece un campo magnético por sí misma. Dentro del área limitada por el circuito, este campo es opuesto al campo original si éste se incrementa, pero tiene la misma dirección que el campo original si éste disminuye. Es decir, la corriente inducida se opone al cambio en el flujo a través del circuito (no al flujo en sí).

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Figura 7. Representación del efecto de la Ley De Lenz

1.4 Funcionamiento de una máquina de C.D. Una máquina de c.d. puede funcionar ya sea como motor o como generador. El motor convierte la potencia eléctrica en potencia mecánica, en tanto que el generador transforma la potencia mecánica en potencia eléctrica y por lo tanto el generador debe de ser impulsado mecánicamente a fin de generar electricidad. Como se verá más adelante estas máquinas pueden operar como generador o como motor, ya que el circuito equivalente de éstas varía únicamente en la dirección de las corrientes en cada modelo. 1.5 Partes principales de las máquinas de C.D. La estructura de una máquina eléctrica tiene dos componentes principales: el estator (que es la parte fija) y el rotor (que es la parte móvil), los cuales están separados por un entrehierro. El estator es la carcasa de la máquina y es una parte no móvil de ésta. Por otro lado, el rotor está libre para moverse y por lo general es la parte interna de la máquina. Tanto el estator como el rotor están hechos con materiales ferromagnéticos, y la mayor parte de los estatores tienen ranuras externas e internas en las cuales se colocan conductores.

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Figura 8. Estator y rotor de un motor

Figura 9. Eje o flecha para un motor

Para algunas máquinas de c.d. también son indispensables los carbones o escobillas que conectan la parte fija y la móvil, el colector de delgas que actúa como un rectificador mecánico, y los polos auxiliares que ayudan a reducir el efecto de la reacción de inducido.

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Figura 10. Partes de una máquina de C.D.

En estas máquinas también es necesario comentar que el devanado de campo es colocado en el estator y al devanado que va colocado en el rotor se le conoce como devanado de armadura.

Figura 11. Devanado de armadura de una máquina de C.D.

Puesto que el devanado de campo es un electroimán, una intensidad de corriente debe fluir a través de él para producir un campo magnético; esta corriente se conoce como corriente de excitación y se puede suministrar al devanado del campo en dos formas: puede provenir de una fuente externa independiente de c.d., en cuyo caso el motor o generador se clasifica como de excitación independiente, o bien puede

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provenir de la propia conexión de la armadura del motor o generador en cuyo caso se denomina autoexcitado. Cuando un devanado de campo se excita por medio de una corriente directa se establece un flujo magnético fijo en la máquina, y si se aplica un esfuerzo mecánico al eje del rotor (o más correctamente, la armadura) haciendo que gire, las bobinas de la armadura cortarán el flujo magnético induciéndose en ellas una tensión de c.a. convirtiéndola en c.d. mediante el colector de delgas y las escobillas, y en este caso la máquina se encuentra operando como generador de c.d. Si el devanado de armadura es excitado mediante una fuente de c.d. y al mismo tiempo el devanado de campo es excitado por la misma fuente de c.d. o una fuente externa, ambos flujos interactúan haciendo que la armadura de la máquina gire en cierta dirección; en este caso esta máquina está operando como motor. 1.6 Generadores de corriente continúa Los generadores de corriente continua son máquinas que producen tensión su funcionamiento se reduce siempre al principio de la bobina giratorio dentro de un campo magnético. Si una armadura gira entre dos polos magnéticos fijos, la corriente en la armadura circula en un sentido durante la mitad de cada revolución, y en el otro sentido durante la otra mitad. La tensión alterna que se origina al girar el conductor o espira se puede rectificar de modo que para el circuito eléctrico externo actúe como si fuera una tensión continua.

Figura 12. Puente de diodos con su diagrama de rectificación 19

Seguido del puente de diodos se utiliza un filtro capacitivo o un filtro de condensador. Un filtro de condensador es un circuito eléctrico formado por la asociación de diodo y condensador destinado a filtrar o aplanar el rizado, dando como resultado una señal eléctrica de corriente continua cuya tensión no varía prácticamente en el tiempo. El circuito es el mismo que el empleado en la rectificación

añadiendo

un

condensador,

por

lo

que

al

igual

que

existen rectificadores de media onda y de onda completa.

Figura 13. Capacitor electrolítico de 2200uF

La parte estática del generador en la cual están situados los polos magnéticos (electroimanes) que generan el campo magnético, se denomina "estator", mientras que la espira conductora que gira, en la cual se induce una fuerza electromotriz y, a su vez, una corriente alterna se denomina `rotor´. La corriente eléctrica alterna inducida en el rotor se extrae mediante el colector, el cual está compuesto por dos semianillos rozantes, que cambian el sentido de la tensión tan pronto como la espira del rotor pase por la posición horizontal, por lo

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que a través de la escobillas, en los bornes, se obtiene una señal pulsante siempre positiva (rectificada). Si empieza a forzar el imán para que gire (en lugar de dejar que la corriente de red lo mueva) descubrirá que trabaja como generador, devolviendo corriente alterna a la red (debería tener un imán más potente para producir mucha electricidad). Cuanta más fuerza (par torsor) le aplique, mayor electricidad producirá, aunque el generador seguirá girando a la misma velocidad, impuesta por la frecuencia de la red eléctrica. Sin embargo, si desconecta su generador de la red principal tendrá que accionarlo a una velocidad de giro constante para que produzca corriente alterna a una frecuencia constante. Por lo tanto, con este tipo de generador, normalmente querrá usar una conexión indirecta a red del generador. En la práctica, los generadores síncronos de imán permanente no son muy usados. Hay varias razones para que así sea. Una ellas es que los imanes permanentes tienden a desmagnetizarse al trabajar en los potentes campos magnéticos en el interior de un generador. Los generadores de continua reales, en vez de estar formados por un conductor y un colector, están compuestos por un cilindro de hierro, en cuyo perímetro se sitúan varias espiras (arrollamientos) uniformemente repartidas, desplazadas entre si mediante ranuras y conectadas en serie con el correspondiente número de segmentos del colector (delgas). También en el estator se da una determinada expansión a los polos, haciendo que cada bobina del rotor recorra, al girar, una larga trayectoria en el interior del campo magnético constante. De esta forma se tendrán muchos conductores cortando el campo magnético y la tensión continua en los bornes de salida será constante. Hemos visto que el campo magnético creado por los polos del estator se logra mediante una corriente continua denominada corriente de excitación. Esta corriente de excitación se puede obtener de una fuente externa (batería) denominándose entonces generador con excitación independiente. También se puede obtener a

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partir de la corriente continua generada en el rotor, en este caso se denominara generador autoexcitado. En éste último caso el generador de corriente continua podrá empezar el proceso de conversión aprovechando el magnetismo remanente. Sea cual sea la forma en la que se obtiene la corriente de excitación es necesario que en el circuito electrónico de rectificación se utilice un regulador de tensión, el cual hace más estable aun a la corriente continua, permitiendo así tener a la salida una señal más limpia.

Figura 14. Regulador de voltaje 7805

1.7 Clasificación de las máquinas de C.D. Las máquinas de corriente continua se clasifican en:  

Generadores de c.c. (dinamos) Motores de c.c.

Dependiendo del tipo de excitación pueden ser:  

de excitación independiente autoexcitación, y éstas a su vez pueden ser: o serie, o shunt o paralelo o compound. 22

Figura 15. Motor a pasos unipolar

1.7.1 Generador serie. Un generador de c.d. serie es muy parecido al motor serie en cuanto a sus componentes y a su estructura; en el devanado de campo serie circula una corriente que es igual a la corriente de armadura por lo que el flujo que produce el devanado de campo serie está en función de la corriente en la armadura que a su vez depende de la carga conectada en las terminales de la máquina. En la figura 6 se muestra el circuito equivalente del generador serie.

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Figura 16. Circuito equivalente del generador serie Las ecuaciones del generador serie son: (2)

Vt=Ea-(Ra+Rs)Ia Ia=Is

En donde Vt es el voltaje en las terminales, Ea es el voltaje de armadura, Ra y Rs son las resistencias de armadura y serie e Ia e Is son las corrientes de armadura y serie.

Figura 17. Curva característica de voltaje generado contra corriente de la carga

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En la figura 16 se muestra la curva del voltaje generado de esta máquina en función de la carga conectada en sus terminales. Se puede ver que el voltaje generado no inicia exactamente en cero debido al flujo remanente que presenta, y una vez que la máquina alcanzó su condición nominal la máquina se satura y el voltaje generado nuevamente empieza a disminuir. 1.7.2 Generador paralelo. Un generador de c.c. paralelo o en derivación es aquel que suministra su propia corriente de campo conectando su campo directamente a las terminales de la máquina. En el circuito equivalente mostrado en la figura 17, la corriente de armadura de la máquina alimenta tanto al circuito de campo como a la carga conectada a la máquina. El generador paralelo es similar al motor paralelo. Este tipo de generador tiene una clara ventaja sobre el generador de c.d. de excitación separada porque no requiere fuente externa alguna para el circuito de campo. El voltaje inicial en las terminales del generador depende de la presencia de un flujo residual en los polos del generador.

Figura 18. Circuito equivalente del generador paralelo: a) Auto excitado, b) Excitación separada

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Figura 19. Curva característica de velocidad contra potencia consumida por la máquina

Las ecuaciones del generador paralelo se pueden obtener del circuito equivalente mostrado en la figura 17:

Vt=Ea-IaRa

(3)

Vp=Vt

En donde Vt es el voltaje en las terminales de la máquina, E a es el voltaje en las terminales de la armadura, Ia es la corriente en la armadura, Ra es la resistencia de armadura y Vp es el voltaje de en paralelo o voltaje de campo paralelo. 1.7.3 Generador compuesto. El generador compuesto tiene las mismas características que un motor de c.d. compuesto. Tiene una bobina de campo en paralelo con la armadura del generador y una bobina en serie con la armadura. Dependiendo de la forma de conexión que se realiza, al motor compuesto se le da el nombre de generador compuesto largo o generador compuesto corto, y éstos a su vez pueden ser aditivos o sustractivos.

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Figura 20. Circuito equivalente del generador compuesto: a) Largo, b) Corto

A partir del circuito equivalente de la figura 19 se pueden obtener las ecuaciones del generador compuesto:

Vt=Ea-(Ra+Rs)Ia

(4)

Vt=Vp Ia=Is IL=Ia-Ip Vp

Ip=R

p

y a partir de la figura 17 se pueden obtener las ecuaciones: (5)

Vt=Ea-RaIa-RsIs Vp=Ea-RaIa IL=Is=Ia-Ip Vp

Ip=R

p

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En donde Vt es el voltaje en las terminales de la máquina, E a es el voltaje en las terminales de la armadura, Ra, Rs, Rp, son las resistencias de armadura, serie y paralelo, Vp es el voltaje de campo paralelo, Ia es la corriente de armadura e Ip es la corriente de campo paralelo.

Figura 21. Curva característica de voltaje generado contra corriente entregada por la máquina

1.8 Puerto USB. El USB “Universal Serial Bus” es un conector estándar Industrial que define los cables, conectores y protocolos usados en un “bus” para conectar, comunicar y proveer de alimentación eléctrica entre ordenadores y dispositivos electrónicos. Su traducción literal sería la de “Línea serial de transporte de datos”. Básicamente se trata de un conector rectangular de 4 terminales que permite la transmisión de datos entre una gran gama de dispositivos externos con la computadora, llamados “periféricos”.

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Figura 22. Símbolo del puerto USB

1.8.1 Tipos de conectores USB. Existen dos clases de conectores USB:  Conectores “Tipo A”, que tienen forma rectangular y se utilizan generalmente para dispositivos que consumen poco ancho de banda (como teclados, ratones, y cámaras Web).  Conectores “Tipo B”, que tienen forma cuadrada y se utilizan generalmente para dispositivos con altos requisitos de ancho de banda (como discos rígidos externos) 1.8.2 Líneas eléctricas del conector USB 1.0 y USB 2.0. Los puertos USB 1.0, y USB 2.0 tienen 4 contactos. Las líneas centrales conducen datos, las laterales la alimentación. 1.- Vbus (+ 5 Volts, alimentación) 2.- D- (- datos) 3.- D+ (+ datos) 4.- GND (tierra)

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1.8.3 Composición del cable USB. Al desarmar un cabe USB, se observa que contiene cuatro cables del mismo diámetro y estos son de diferentes colores para diferenciarlos de su función: Tabla 1. Función de los cables del USB Rojo

Voltaje +5

Blanco

Datos (-)

Verde

Datos (+)

Negro

Tierra

Básicamente, por el verde y el blanco viajan los datos, desde un extremo al otro, por el rojo se pasa la alimentación y el negro es la descarga a tierra.

Figura 23. Cables USB

Los cables de conexión USB tienen dos extremos. Por uno está la conexión al PC, por el otro está la conexión al dispositivo y esta conexión puede ser de varios tipos.

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El Micro USB es uno de estos tipos y es utilizado por dispositivos pequeños como los teléfonos móviles, los PDA (Personal Digital Assistant) o las tablets. Otros estándares son el Mini USB, un tipo de conector que reemplaza al conector USB normal y que ahora está siendo reemplazado por el Micro USB en la mayoría de dispositivos portátiles.

Figura 24. Conectores USB hembra y macho

1.9 Puerto Micro USB. Existen dos tipos de conectores tipo Micro USB. El Micro-B y el Micro-AB. El MicroB es el utilizado por los dispositivos estándar para conectarse al ordenador (llamado host o parte A de la conexión USB). El Micro-AB es el utilizado por los dispositivos USB OTG (On-The-Go, también conocidos como USB Host). El USB OTG permite que el aparato conectado actúe como un host al que se le pueden conectar otros dispositivos, como un teclado, un ratón, un disco duro u otro dispositivo OTG, mientras que actuará como un dispositivo USB estándar cuándo se conecte a un dispositivo no OTG.

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Figura 25. Conexión de las terminales micro USB

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CAPÍTULO II: ESTUDIO TÉCNICO 2.1 Localización El proyecto se realiza en el domicilio calle Valle de México, Mz. 71 Lt. 24 Departamento “B”, colonia Fuentes de Aragón, C.P. 55248, Ecatepec de Morelos, Estado de México.

Figura 26. Localización del proyecto

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2.2 Elementos del proyecto

Tabla 2. Elementos del proyecto

Imagen

Especificaciones técnicas

4 engranajes Diámetro externo: 7cm, 3cm, 2cm (x2)

Motor a pasos unipolar Voltaje de alimentación:

12v

Corriente de operación:

500mA

Regulador 7805 Voltaje de entrada:

3.5V

Voltaje de salida:

5V

Corriente de salida:

1.5A

Capacitor electrolítico Voltaje máximo de operación: Capacitancia:

25V

2200µF

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Puente de diodos ABS8H 516 Rango de voltaje:

200VCA-600VCA

Máxima corriente a rectificar:

1A

Conector USB tipo A Voltaje máximo:

30V

Corriente máxima:

1A

7 tablillas de MDF Dimensiones:

1 → 12 x 16cm 4 → 20 x 20cm 1 → 3 x 7cm 1 → 12 x 7cm

4 ejes de metal Longitud:

2 → 15cm 2 → 8 cm

Rectángulo de madera Dimensiones:

10 x 2cm 2 Tornillos

Material: Medida:

Acero al carbono ¼x1¾

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2.3 Desarrollo del proyecto Para el desarrollo de este proyecto se cumple con la norma “IEC 62684:2018 (201802-05) Ed. 2.0 Interoperability specifications of common external power supply (EPS) for use with data-enabled mobile telephones”, en español, “Especificaciones de interoperabilidad de la fuente de alimentación externa común (EPS) para su uso con teléfonos móviles con capacidad de datos”. La norma específica la capacidad y los requisitos de la interfaz de los cargadores de teléfonos móviles.

Engranajes Se adaptan dos trenes de engranes, cuya función es lograr una relación de vueltas mayor y constante en el rotor del motor con respecto a las vueltas dadas por nuestra mano al mecanismo adaptado.

Figura 27. Tren de engranes

Motor a pasos bipolar Este motor se utiliza como generador de energía gracias a la configuración de conexiones realizadas en sus terminales. Su función en el proyecto es proporcionar 36

una corriente alterna suficiente para poder rectificarla y obtener, aún después de las pérdidas, el voltaje requerido.

Figura 28. Motor a pasos bipolar

Puente de diodos ABS8H 516 Mediante este elemento se rectifica la corriente alterna suministrada por el motor a pasos, con lo que se obtiene una corriente directa.

Figura 29. Puente de diodos

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Capacitor 2000uF 25v. La función de este elemento es estabilizar el voltaje de corriente directa que se obtiene, el cual depende de la velocidad de giro del motor.

Figura 30. Capacitor 2200uF Regulador 7805. Este regulador fija el voltaje variable que se obtiene después de la rectificación en un valor constante de 5 volts (adecuados para la carga de teléfonos celulares).

Figura 31. Regulador de tensión

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Conector USB hembra. Este conector se utiliza como elemento final del proyecto, mediante el cual el usuario puede conectar el cable adecuado para cargar su teléfono (proporcionado por el fabricante del mismo).

Figura 32. Conector USB

Tablilla de MDF 12 x 16 cm. La función de esta tabla en el proyecto es sostener tanto al sistema de engranes como al motor.

Figura 33. Tablilla de MDF 12 x 16.

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Tablillas de MDF 20 x 20 cm. Estas tablas son con el objetivo de proteger y dar presentación al dispositivo ya que se montaron de tal forma que sean la carcasa del mismo y esta asu vez sea desmontable en caso de alguna reparación.

Figura 34. Tablillas de MDF 20 x 20. . Tablilla de MDF 3x7 cm y 12 x 7 cm. Ambas tablas tienen la función de dar soporte a la tabla de 20 x 20, una en la parte superior (3 x 7) y la otra verticalmente (12 x 7) pegada a la base.

Figura 35. Tablillas de MDF 3 x 7 y 12 x 7.

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Ejes de metal 15 cm. Estos ejes sirven para mover la manivela. Uno de ellos se introduce en un engranaje y a su vez en la tablilla de 12 x 16. El otro eje sirve como palanca para poder mover el sistema.

Figura 36. Ejes de metal 15 cm.

Ejes de metal 8 cm. La función de estos ejes es acoplar el tren de engranes sobre la tabla de 12 x 16.

Figura 37. Ejes de metal 8 cm.

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Rectángulo de madera 10 x 2 cm. Es el eje con el cual de forma la manivela acoplada mediante los ejes de metal de 15 x 15.

Figura 38. Rectángulo de madera 10 x 2.

2 Tornillos. Tienen el propósito de dar soporte al motor y mantenerlo firme en la tabla.

Figura 39. Tornillos.

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Figura 40. Proyecto terminado.

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2.4 Cronograma Cronograma de actividades del desarrollo del proyecto Semanas Marzo Abril Mayo Actividades 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 Integración del equipo Elección del proyecto Título del proyecto Objetivo, planteamiento y justificación Selección de fuentes a consultar Realización de la portada Antecedentes Introducción Selección de los materiales Capítulo 1 Glosario 1ª Entrega Corrección de la 1ª entrega Elementos del proyecto Desarrollo del proyecto Conclusiones Entrega final del proyecto Entrega de resultados Exposición del proyecto

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CONCLUSIONES Mediante la realización del proyecto con base en la norma IEC 62684:2018 (201802-05) Ed. 2.0 se logra implementar un dispositivo con el cual es posible generar una corriente eléctrica para cargar un celular en cualquier parte sin necesidad de conectarlo a un enchufe de corriente eléctrica, ya que el accionamiento del mismo es manual, reduciendo al mismo tiempo la energía consumida en la carga. Con esto se resuelven distintas problemáticas en el entorno social en el que se vive, debido a que el teléfono celular se ha convertido en un elemento indispensable de la vida cotidiana y aún más necesario en situaciones de emergencia. Al concluir el proyecto se observa que además de revolver la problemática establecida al inicio, también se tienen resultados positivos tanto económicos como en el impacto ambiental, ya que gracias a este dispositivo se puede tener una reducción en el consumo de la corriente eléctrica que proporciona Comisión Federal de Electricidad y es decisión del usuario que tanto quiere aprovechar el uso del dispositivo.

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GLOSARIO Bobina: Componente de un circuito eléctrico formado por un alambre aislado que se arrolla en forma de hélice con un paso igual al diámetro del alambre. Circuito eléctrico: Sistema formado por uno o varios conductores, recorrido por una corriente eléctrica, y en el cual hay generalmente intercalados aparatos productores o consumidores de esta corriente. Conductor eléctrico: Hilo metálico destinado a transmitir la electricidad. Corriente eléctrica: Magnitud física que expresa la cantidad de electricidad que fluye por un conductor en la unidad de tiempo, y cuya unidad en el sistema internacional es el amperio. Electroimán: Imán artificial que consta de un núcleo de hierro dulce rodeado por una bobina por la que pasa una corriente eléctrica. Electrón: Partícula elemental con carga eléctrica negativa, que gira alrededor del núcleo del átomo. Interruptor: Mecanismo destinado a interrumpir o establecer un circuito eléctrico. Máquina eléctrica: Artificio destinado a producir electricidad o aprovecharla en usos industriales. Periférico: Aparato auxiliar e independiente conectado a la unidad central de una computadora. Tensión eléctrica: Voltaje entre dos polos o electrodos.

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FUENTES CONSULTADAS Ponce Cruz, Pedro; Sampé López, Javier. Máquinas eléctricas y técnicas modernas de control. 1ª edición, Editorial Alfaomega, México, 2008. Santillana Santillana, Ignacio. Tecnología 3º ESO: El trabajo en tecnología. Electricidad. 1ª ed., Ed. Santillana Educación, S.L., Madrid, 2015. Sears Zemansky, Young Freedman. Física Universitaria con Física Moderna. 12ª edición, Ed. Pearson, México, 2013. Electricidad: Origen e historia. http://www.edphcenergia.es/es/informacionutil/electricidad-origen-e-historia/, 08/Marzo/2018. Antecedentes

Históricos

de

la

Electricidad.

https://conociendolafisica.wordpress.com/fisica-ii/apuntes-deelectrostatica/antecedentes-historicos-de-la-electricidad/, 08/Marzo/2018. Godoy

V.,

Waldemar.

Capítulo

1

máquina

de

corriente

continua.

https://referencias111.wikispaces.com/file/view/Capitulo1.pdf, 08/Marzo/2018. CampusMVP. Cómo funciona un cargador USB: ¿Podría explotar tú móvil?. https://www.campusmvp.es/recursos/post/Como-funciona-un-cargador-USBPodria-explotar-tu-movil.aspx, 08/Marzo/2018. ¿Qué

es

un

Micro

USB?.

https://curiosoando.com/que-es-un-micro-usb,

05/Abril/2018. Puerto USB. http://varinter.mx/conexion/puerto-usb/. 05/Abril72018

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