Acomodo óptimo de circuitos

1.! Propuesta de tema. Mi propuesta de tema es un algoritmo básico para el acomodo óptimo de circuitos eléctricos usando una tabla de experimentaciones mayormente conocido como protoboard o simplemente como proto. Muchas veces, estudiantes de ingeniería que comienzan sus estudios sin ninguna experiencia realizando prácticas en protoboard toman clases con maestros que son exigentes al momento de evaluar, y lo que no saben es que aparte de aprender a usar un proto y de cómo está constituido, necesitan aprender a acomodar sus circuitos de manera lineal para que tengan una mejor estética y por lo tanto un mejor entendimiento al momento de analizar el circuito implementado. Mi proyecto tiene la intención de informar a esas personas que quieren iniciar a realizar experimentaciones en un proto que no tengan un conocimiento básico de éste, además, para personas que ya saben su funcionamiento y como se trabaja con ellos, podrían mejorar la manera en que presentan sus trabajos ante un maestro. Cabe resaltar la importancia de hacer trabajos en limpio y claros ya que en un futuro es como se presenta ante un cliente o empresa la manera de trabajo que se tiene.

2.! Revisión de literatura.

Comencemos con definir que es un protoboard o proto, un protoboard es una tabla la cual está hecha de plástico aislante como carcasa, mientras que en el interior de esa carcasa se encuentran líneas o más bien vías metálicas que conducen electricidad, y es en éstas donde se insertan los pines o terminales de los alambres con los que vamos a trabajar o los pines de los componentes a implementar en el circuito. Lo que a nosotros concierne no es el circuito en sí, sino el protoboard asi que con ayuda de imágenes explicaré como funciona o está armado por dentro. Hay varios tipos de protos pero en este caso de ejemplo usare el que personalmente tengo y uso por su estructura y su costo. Sus partes son cuatro, de las cuales son realmente dos secciones pero duplicadas, estas son las partes según la imagen.

Secciones del protoboard. https://tuelectronica.es/que-es-la-protoboard/

Las secciones son la zona de alimentación (extremos) y la zona de conexiones (interior). La zona de alimentación generalmente se usa para introducir el pin o las terminales de alguna fuente externa con la cual se alimenta el circuito, y la zona de conexiones es donde van los pines de los componentes y los puentes de alambre a estos mismos. Para entender de mejor manera como el algoritmo tendrá efecto en los protoboard hay que mostrar la manera en que están conectados y esa es la siguiente.

Zona de alimentación. https://tuelectronica.es/que-es-la-protoboard/ Las líneas que se muestran como azul y rojo son las vías conductoras que están dentro del protoboard, la manera de acceder a ellas es por los orificios encima de estas vías.

Zonas de conexión. https://tuelectronica.es/que-es-la-protoboard/ Mientras la zona de alimentación ésta conectada atravez de todo el proto, la zona de conexión es más pequeña, abarcando únicamente cinco orificios por los cuales podrías introducir alambre o componentes, cabe destacar que éstos son también llamados nodos, ya que lo que está conectado en una línea de conexión está conectado teóricamente en un sólo lugar. Para ubicar mejor los nodos en una proto, ya que son muchos, hay un sistema para identificarlos, es parecido al del ajedrez, el cual es como una matriz la cual tiene números y letras para recordar en qué punto debe ir cada terminal si es que desconectamos algo.

Nodo 10D. https://tuelectronica.es/que-es-la-protoboard/ Ejemplo de un circuito implementado.

Circuito ejemplo. https://tuelectronica.es/que-es-la-protoboard/ Como se observa en la imagen anterior, se tiene el circuito de un diodo LED, (emisor de luz) con su debida resistencia para regular la corriente y la fuente de alimentación que en este caso son baterías tipo AA.

Analizando este circuito nos damos cuenta que las líneas de alimentación están conectadas en la zona adecuada para de ahí mismo extraer voltaje en cualquier punto de la proto. En la zona de conexión se encuentran los componentes y el cable de conexión a positivo y negativo.

3.! Modelado del problema.

Habiendo entrado en contexto de lo que es, como está constituido y cómo funciona puedo explicar la problemática que pretendo resolver. La intención de este proyecto es de tener una manera eficiente de hacer el armado de los circuitos, considerando ciertos aspectos importantes, estos aspectos siguiente un algoritmo con el cual un circuito armado de manera compleja se pudiera reducir de tamaño y hasta a un armado que hiciera más comprensible su funcionamiento interno. El tema requerido para este proyecto es el de problemas y algoritmos. Primero debemos definir el problema, en este caso el problema es de tipo de optimización, lo que se busca es mejorar lo que estamos haciendo, y el problema específico sería el acomodar los componentes de cierta manera y usar cierta cantidad de cable para que no quede el circuito con cables muy grandes que impidan la visibilidad del circuito. Problema: conexiones del circuito ineficientes, impiden la visibilidad del funcionamiento del trabajo. La solución es un algoritmo el cual considera diferentes variables como el largo de los cables, los pines del componente, las conexiones de tierra, alimentación etcétera. Pero ¿qué es un algoritmo?, es un proceso formal que se sigue para solucionar o encontrar respuesta de algún problema o incluso una pregunta. Por ejemplo, una receta de cocina, el problema o la pregunta sería ¿cómo hago hotcakes en mi casa?, el algoritmo sería la receta, que es la que define el proceso y cómo se debe seguir, en este ejemplo el algoritmo sería el siguiente.

•! Conseguir los ingredientes: harina, mantequilla, huevo, leche, estufa, sartén, batidora. •! Revolver cuatro huevos con medio litro de leche y un kilogramo de harina. •! Batir todo •! Introducir la mezcla en el sartén previamente calentado con mantequilla.a •! Voltear hasta que esté bien cocido por dentro.

Solución: Serie de pasos a seguir (algoritmo) para optimizar su manera de conexión.

4.! Instancias con datos verdaderos.

Para confirmar que esto realmente sucede y es un área de oportunidad para mejorar y presentar mi proyecto adjunto una captura de pantalla de un proyecto que se realizó en video y se subió a Youtube.

Circuito mal implementado. https://www.youtube.com/watch?v=Q_oK1EAu0a0 En la imagen se observan varias observaciones interesantes y antes de mencionarlos quisiera aclarar varios puntos:

•! No tengo intención de insultar el trabajo mostrado en este ejemplo •! No niego su buen funcionamiento •! Mi única intención es mostrar un área de optimización

Las observaciones son que hay demasiados cables por si ningún lado, podrán estar bien conectados pero para una inspección o una revisión del circuito un maestro personalmente a mi ni siquiera me lo aceptaría, lo que haría sería decirme que lo hiciera de nuevo, que eso no es un buen trabajo bien hecho, sino uno hecho apresurado y de alguien sin conocimientos. Si el circuito presentara una falla, ¿cómo encontramos el error?, habría que tener demasiado cuidado y ser muy detallista para seguir los recorridos de los alambres y no perderse, parece un bosque, y no es lo que estamos buscando en ésta área que es la ingeniería.

5.! Diseño de la solución propuesta. En qué consisten, en que se basan y como funcionan.

Realmente no hay una solución específica para todos los circuitos, ya que ésta solución depende de la complejidad de éstos, un circuito muy grande no cabe en un protoboard, por lo que parte de su solución sería implementarlo en dos protos, algo que ayuda mucho a la organización de las conexiones. Como cada circuito es diferente se propondrán una serie de pasos que serán instancias a tomar en cuenta ya sea para el armado de circuitos o para reducirlos. Aspectos a considerar para un acomodo óptimo de circuitos:

a)! Análisis de patrones en el diagrama esquemático: Generalmente cuando se pide a algún alumno realizar una práctica en un protoboard le deben de proporcionar un diagrama esquemático en el que vengan los componentes y las conexiones debidas a implementar. Este aspecto se refiere a buscar dentro del circuito ciclos o líneas conocidas como mallas de acción que es la conexión en línea recta de voltaje de entrada seguido de los componentes hasta llegar al negativo formando así un circuito cerrado o un ciclo el cual está en funcionamiento. Importante es que si éste circuito se alteró de alguna forma para poder implementarlo como una malla de acción los nodos siempre deben de respetarse, para no causar un mal funcionamiento del circuito.

b)! Análisis espacial de los componentes: Muy importante es saber qué tipo de componentes estaremos usando en el circuito, las diferencias por ejemplo de un diodo rectificador de 1 Ampere a uno de 3 Amperes, son principalmente el tamaño de los componentes, su longitud y su encapsulado, Si el componente es mas grande abarcará más espacio en el proto y por lo tanto desperdiciamos conexiones.

c)! Máximo número de conexiones en un solo nodo: En un proto se tiene un límite para las conexiones en cada nodo, tomando como referencia la zona de conexiones que es donde se conectan las terminales de los componentes, hay cinco orificios, para que se pueda utilizar un nodo, se necesita que haya un componente conectado ahí, por lo tanto nos deja con cuatro orificios que se pueden incorporar a ese nodo. Si en el diagrama la cantidad de conexiones en un nodo sobrepasa los cuatro orificios, no se podrá implementar en un solo proto, por lo tanto se haría un ensamble de dos protos para formar uno solo pero con el doble de conexiones.

d)! Cantidad de fuentes de alimentación: Se refiere a de cuantas maneras se va a alimentar el circuito, la principal es la de voltaje de entrada y tierra; pero, si se necesitan más fuentes de alimentación como para dar pulsos eléctricos durante un periodo de tiempo se necesita contar con esas entradas de voltaje.

Nota: Para ahorrar espacio y conexiones, se pueden juntar todas las conexiones a tierra o negativo a una sola, teniendo así un solo canal de tierra.

e)! Cantidad de alambre a utilizar: Contemos con que no está permitido el uso de jumpers, ya que son la fuente del problema. Necesitamos cierta cantidad de alambre de un calibre especial para poder realizar las conexiones, es muy recomendable comprar alambre de más para asi no quedarnos cortos, ya que siempre puedne ocurrir errores humanos al momento de hacer el corte del cable.

f)! Dividir el circuito original en varias secciones: Talvez no se encuentra ningún patrón para poder acortar el circuito, pero se puede dividir en secciones estratégicas como la de indicadores, control, transformadores, etc.

g)! Respetar conexiones: Es de vital importancia que cualquier cambio que se realice no afecte con las conexiones originales del circuito.

h)! Introducir una alerta visual de encendido: Esto es algo tan simple pero tan útil, no es nada más que agregar una resistencia y un LED directamente en paralelo a la fuente de voltaje para que indique cuando el circuito está energizado y por lo tanto encendido o apagado. Esto es conocido por ingenieros como power system. La seguridad es primero, si el circuito en cuestión es uno de alta tensión y esta encendido sin contar con una de estas alertas visuales y alguna persona se acerca a ver, analizar, tocar ciertos componentes sin saber que está encendido, ¿qué podría pasar?... por eso es de vital importancia que se indique cuando un circuito esta encendido o apagado.

Con estos aspectos se puede optimizar el acomodo de muchos circuitos en protoboard, claro que algunos podrían ya estar en su manera más óptima. Todos estos pasos están basados en experiencias que obtuve en un curso que impartieron estudiantes de la FIME y miembros del grupo estudiantil de mecatrónica durante el periodo agosto-diciembre 2016 y se vieron reafirmados por comentarios, errores de mi parte, y experiencia que directamente aprendí tomando laboratorio de sensores con el Ing. Antonio Cayetano Lozano García, en el semestre enero-junio 2018. Página de Facebook del Grupo Estudiantil de Mecatrónica.

https://www.facebook.com/geimtcfime/

6.! Implementación. El circuito que se desea optimizar es el siguiente:

Diagrama esquemático de un hardware para controlar un motor a pasos NEMA 17. Imagen obtenida de mi reporte de laboratorio llamado Práctica #7 en el laboratorio de sensores y actuadores. Yo no quise armarlo primero con jumpers y luego optimizarlo, decidí seguir el algoritmo propuesto para comenzar a armarlo, y asi ahorrarme tiempo en implementarlo de una manera equivocada. Comencé, analizando cada aspecto, los menciono y describo mis decisiones tomadas.

a)! Análisis de patrones en el diagrama esquemático: Para empezar, a simple vista se identifica un patrón, en el circuito hay dos bloques, que son idénticos, asi que los puedo separar por secciones, implementar una sección y después hacerlo de la misma manera para la otra sección.

Separacion de las secciones que se repiten en el circuito para analizar solo una a la vez. (Imagen de apuntes míos para el laboratorio).

b)! Análisis espacial de los componentes:

Aquí me doy cuenta que los diodos que nos pidió el maestro no eran de1 Ampere, eran de 3 Amperes, y al momento de comprarlos vi una gran diferencia en su tamaño, me di cuenta que tendría que usar dos protoboard si quería que tuviera una mejor apariencia y que no estuviera todo amontonado.

c)! Máximo número de conexiones en un solo nodo: Esta no aplica en este caso, las conexiones en cada nodo son mínimas, asi que no repercute en éste circuito en específico.

d)! Cantidad de fuentes de alimentación: En este caso como el circuito es para controlar un motor a pasos, ocupamos darle aparte del voltaje de entrada, voltaje a cada paso, por meido de pulsos, asi que esos cuatro pulsos los dejaé en una orilla para poder trabajar agusto con ellos cuando este todo conectado.

e)! Cantidad de alambre a utilizar: Compré 3 metros de alambre para tener de sobra para posibles errores míos, y aunque si tuve errores, no necesité los 3 metros de alambre, utilicé aproximadamente uno de cada color (negro y rojo).

f)! Dividir el circuito original en varias secciones:

Al haber dividido las dos secciones y al conocer la forma en que opera el circuito pude determinar las llamadas mallas de acción, quedando mi circuito parcial de la siguiente manera:

Malla de acción por la cual entra el voltaje, actúa y sale a tierra. (Imagen de mis apuntes para el laboratorio). Incluyendo el power system. Aquí me doy cuenta que de un circuito complejo, lo resumí a un bloque que se repetía, y cada bloque contenía dos mallas de acción, por lo tanto suman cuatro que puedo conectar en línea recta y polarizarlas adecuadamente.

g)! Respetar conexiones: Al implementar una malla de acción, procedí a conectar las otras tres de la misma manera, asi tendría un control visual sobre la operación del circuito. Cables que iban conectados entre mallas de acción los coloqué en sus respectivos nodos.

h)! Introducir una alerta visual de encendido: Por último no podría faltar el power system para indicar su funcionamiento, que gracias a la malla de acción pude implementar en la entrada del voltaje justo donde se vieran ordenados los cuatro LEDS.

Habiendo considerando todos estos aspectos, el circuito implementado quedó de la siguiente manera:

Hardware para control del motor a pasos NEMA 17, finalizado. (Imagen tomada por mi personalmente, para reporte de laboratorio de sensores).

7.! Evaluación. Como se ve en la última imagen, el circuito es claro, si presentara alguna falla se podría analizar cable por cable para poder identificarla de una manera sencilla y sin dificultades como lo sería con los jumpers. Se ve ordenado, el power system para cada malla de acción esta alineado, como si pareciera un espejo. Siento que éste método aunque es muy sencillo, ayuda de manera óptima a mejorar la implementación de los circuitos de algún estudiante de ingeniería. Esto además de ayudar a su aprendizaje, ayuda a forjar un nivel de calidad en sus trabajos, tanto en presentación como en el contexto de algún error que se presente, poder revisarlo de una manera sencilla y eficaz.

Referencias. (Mayo'2018).!Montar!un!circuito!en!un!protoboard.:!Juventud!Técnica.!http://www.juventudtecnica.cu/contenido/montar-circuito-protoboard (Mayo'2018).!Que!es!la!protoboard.:Tu!electrónica.!https://tuelectronica.es/que-es-la-protoboard/ (Mayo!–!2018).!Problemas!y!Algorimos.!Matemáticas!Discretas.!https://elisa.dyndns-web.com/teaching/mat/discretas/md.html (Mayo!–!2018).!Schematic!to!Breadboard.!Youtube.!https://www.youtube.com/watch?v=Q_oK1EAu0a0