PROYECTO INTEGRADOR: DETECTOR DE SONIDO
INTEGRATOR PROJECT: SOUND DETECTOR
David Ortega Ruiz1, Brayan Murcia2, Alexis Rojas Zapata3
1 Unidad Central del Valle UCEVA®
david.ortega01@uceva.edu.co
2 Unidad Central del Valle UCEVA®
brayan.sanchez04@uceva.edu.co
3 Unidad Central del Valle UCEVA®
jhonier.rojas01@uceva.edu.co
Resumen
El objetivo general del proyecto es contribuir con el mejoramiento y/o solución de una
problemática aplicada al ámbito educativo, además de dar a conocer a la comunidad educativa
los efectos de la contaminación auditiva a largo plazo y mostrar una sencilla alternativa
tecnológica para una situación problemática, la metodología usada será mixta, para lo cual el
grupo se ayudará de encuestas con preguntas de opción múltiple y algunas abiertas, dentro de
los resultados esperados se tiene el funcionamiento eficaz del circuito.
Palabras clave: Sonido, Amplificador Operacional, Transistores, Micrófono electrónico,
Circuito Integrado
Abstract
The general objective of the project is to contribute to the improvement and/or solution of
a problem applied to the educational field, in addition to making the educational community aware
of the effects of long- term noise pollution and showing a simple technological alternative for a
problematic situation, the methodology used will be mixed, for which the group will use surveys
with multiple choice questions and some of long answer, among the expected results is the
effective functioning of the circuit.
Keywords: Sound, Operational Amplifier, Transistors, LED diode, Electronic Microphone
Integrated Circuit.
Introducción:
La polución acústica es un dilema que aqueja a las grandes ciudades y sitios donde
confluye gran cantidad de personas, incluyendo a los colegios, en este contexto, este informe
planea abordar la problemática desde una perspectiva tecnológica, buscando sus causas y
efectos en una población escogida, dando un ejemplo de lo que sería una posible solución por
medio de un circuito eléctrico sencillo y sugiriéndole a la comunidad algunas recomendaciones
que pueden seguir para mantener un entorno sano y una buena salud auditiva.
Pregunta articuladora
¿La matemática y la física le permiten al estudiante resolver problemas básicos de Ingeniería?
Justificación:
La contaminación auditiva es un problema muy común en entornos llenos de personas,
como lo son los colegios, el ruido excesivo puede tener efectos desfavorables en el aprendizaje
y el bienestar de los alumnos.
Para nadie es un secreto que los niveles de sonido elevados comprometen las
capacidades de razonar y memorizar ya que no permiten la concentración del alumno, entorpecen
la comunicación entre las personas que se encuentren dentro de un aula de clases o algún otro
espacio como los auditorios, además, puede ser causante de enfermedades como simples
dolores de cabeza hasta trastornos psicológicos como el estrés y ansiedad a largo plazo; y
obviamente incomodan la labor de los docentes por lo tanto, es importante contribuir con
soluciones a esta situación para que se garanticen las condiciones ideales para la enseñanza.
Desde el campo de la electrónica se pueden proponer alternativas para controlar el sonido
ambiente y concientizar sobre los efectos negativos de las grandes frecuencias sonoras, por
ejemplo, se puede hacer uso de circuitos eléctricos que detecten los niveles altos de ruido y
emitan una señal como una manera de alertar a docentes, estudiantes y personal administrativo,
estos se conocen como vúmetros, se pueden encontrar en aparatos como parlantes y otros más
complicados como computadores y teléfonos, y sirven para promover un ambiente más sano y
propicio para el aprendizaje.
Objetivo General:
•
Implementar un circuito eléctrico para solucionar la contaminación
auditiva en el recinto mostrando una aplicación de la tecnología en problemas
cotidianos.
Objetivos Específicos:
•
Identificar las principales causas de contaminación sonora dentro
de la institución
•
Aprender sobre los componentes básicos de los circuitos
analógicos, sus características y modo de manejo
•
•
Ejecutar la instalación de un sensor de sonido dentro de la
biblioteca de la institución para solucionar el problema formulado
Metodología de la Investigación:
Tipo de Investigación:
La metodología de investigación que se piensa usar es mixta, ya que se combinan las
metodologías cuantitativa y cualitativa, al recolectar datos provenientes de variables numéricas y
no numéricas y hacer análisis de ellas e interpretarlas para obtener conclusiones que nos sean
de utilidad para definir si se cumplió con el objetivo propuesto o no.
Procedimiento del proyecto
La metodología de nuestro proyecto estuvo muy influenciada por los referentes
suministrados por el docente de la materia pivote, ya que el procedimiento fue casi el mismo,
primero se buscó un lugar donde se permitiera la intervención para la instalación de un circuito,
en el caso de los docentes, debieron buscar un establecimiento comercial, en el lugar de los
estudiantes, se debió solicitar la autorización para el proyecto al rector de una institución de
educación media, luego hacer una observación exhaustiva para hallar un problema y seguir una
serie de pasos que se explicarán mas adelante, que tenían que ver con la realización de un
circuito eléctrico y la medición de la percepción de los usuarios sobre el trabajo realizado,
haciendo recopilación de información por medio de encuestas.
Además, en ambos trabajos, el nuestro y los referidos desde la materia encargada, se
observa el mismo objetivo, establecer una colaboración entre un sector de la población y la
academia para la solución de problemas y la creación de conocimiento, mostrando que la forma
de avanzar en una sociedad es llevando a la práctica los conocimientos que se adquieren en sus
instituciones. En ambos proyectos se debió usar software especializado de diseño y dispositivos
sensores para lograr la realización del diseño propuesto, estas son algunas influencias vistas en
el desarrollo de este documento y proyecto integrador en general.
:
• Se visita una institución pública de la ciudad y se busca una problemática que se
pudiese solucionar con la electrónica
• Seleccionamos en la web un esquema eléctrico que resolviera el problema
planteado y cumpliera con los requisitos pedidos por el docente
• Luego, se redactan los documentos de carta de invitación y de concepto técnico
• Se elabora la simulación del circuito
• Se realiza el montaje en físico y se lleva al colegio escogido para instalarlo
• Se expone el proyecto delante de un grupo (un grado 10°)
• Se realiza la grabación de los vídeos correspondientes
• Se recopilan las respuestas de las encuestas a los alumnos y profesores de dicho
colegio, y finalmente
• Se hace la sustentación frente a los docentes del semestre entregando el
documento escrito y vídeo correspondientes.
Desarrollo
Tras haber visitado por primera vez la institución educativa Gimnasio del Pacifico e
identificado nuestra problemática a solucionar, debimos de seleccionar un circuito para realizar
nuestro proyecto, este debía de cumplir con unas características, primero tenía que ser un circuito
analógico en su totalidad, por lo que no debía de haber ningún tipo de microcontrolador o placa
programable y sus componentes principales debían de ser transistores, amplificadores, circuitos
integrados como el IC555 y algunas excepciones como lo eran las puertas lógicas y el display 7
segmentos. Al final, nos decidimos por un sensor de sonido, cuyos componentes principales eran
un micrófono electrónico, un amplificador operacional, transistores npn y un integrado. El grupo
se dio cuenta de que faltaban mecanismos de medición y control de la contaminación auditiva en
el sitio, ese fue el principal motivo de la decisión de implementar este circuito.
Después, en la segunda parte del semestre, es cuando se procede a usar el software
Proteus para simular el circuito parte por parte, haciendo mediciones y estudiando la función de
cada componente, las leyes que lo regían y comprobando su funcionalidad, tras esto se
empezaban los tramites a nivel del colegio redactando la carta de invitación, donde se aprobaba
por parte del rector la intervención de los estudiantes para instalar un circuito eléctrico, y el
concepto técnico, donde firmaría dándole una calificación alta al trabajo hecho por los estudiantes
al interior de la institución.
Como pasos finales, se prueba en una protoboard el circuito lo cuál fue la parte más
extensa del proyecto debido a las dificultades que surgieron en el camino, se elabora el diseño
de una tarjeta impresa o PCB, se imprime, se plancha y se suelda, para finalmente exponerlo
delante de un grupo de adolescentes cursantes de grado 10°.
A estos últimos y a los docentes se les encargó después de la presentación, rellenar unas
encuestas que hacían parte de la metodología de la investigación, las cuales contenían preguntas
abiertas y cerradas, evidenciando la mezcla de metodologías cuantitativa y cualitativa generando
una mixta.
Los resultados de la encuesta se muestran a continuación, se tomaron de las respuestas
de los estudiantes, ya que lastimosamente ninguno de los docentes respondió los formularios que
se les enviaron:
Figura 1
Respuestas de los estudiantes a la encuesta
propuesta por el grupo de trabajo
Autor: Autoría Propia
Figura 2
Continuación de la encuesta
Autor: Autoría Propia
Figura 3
Encuesta propuesta por el grupo de trabajo
Autoría Propia
Tomando en cuenta las respuestas de los alumnos, podemos analizar que la contaminación
auditiva, aunque no es un problema que afecte la salud de la mayoría de alumnos, si puede
causar pequeños percances como migrañas en algunos estudiantes, pero la parte importante es
que la mayoría considera que el ruido los desconcentra de su actividad académica, y, por tanto,
dicen que la instalación de un prototipo de un medidor de sonido mejoraría el ambiente de estudio
en la institución.
La contaminación auditiva e un problema que pasa desapercibido para la mayoría de personas,
a pesar de que puede afectar no solo la salud sensorial, sino también causar trastornos
psicológicos, irritabilidad e inclusive vértigos.
Introducción al Detector de Ruido
Ahora, se puede analizar en detalle el aparato que se busca implementar. En este caso,
se trata de un detector de ruido, el cual es sensible a sonidos muy bajos y moderados, tiene un
rango de 0 dB a 50 dB. Lo que corresponde al ruido de una biblioteca o un salón lleno de gente
conversando en voz baja. Por lo que es ideal para ambientes donde se requiere de mucho silencio
y concentración.
Se escogió porque parecía un prototipo útil para indicar el nivel de contaminación auditiva
de una manera visual, y proveía una forma de cuantificar la intensidad sonora al interior de un
espacio estudiantil, por otro lado, esta es una problemática ambiental a la que no se le presta
mucha atención, ya que no es tan visual como lo pueden ser otras situaciones como la
contaminación por plásticos, el cambio climático, entre otros.
Se realizaron 2 circuitos, ya que hubo ciertos problemas a la hora de montar el primero en
físico, por lo que se ideó otro para presentarlo, uno que fue el originalmente planeado y se va a
presentar a continuación, y luego, se mostrará un circuito simplificado, que cumple la misma
función que el anterior, pero con menos componentes, que fue el que se implementó en el colegio
seleccionado.
A continuación, se van a mostrar el diagrama, componentes principales y funcionamiento
del primer circuito, entre otros; luego se hará lo mismo con el segundo circuito:
Figura 4
Esquema General del circuito
(SOUND LEVEL INDICATOR, s. f.-a)
https://www.electronics-lab.com/project/sound-level-indicator/
Circuito Esquemático y Componentes:
En la imagen anterior se pueden observar:
•
Resistencias de distintos valores como son 10KΩ, 100KΩ, 55KΩ, 47KΩ, 330KΩ,
220KΩ, 4.7KΩ, una resistencia de 10Ω/1W entre otras
•
Capacitores cerámicos y electrolíticos de 330nF, 100µF, 10µF, 47µF y otros
•
Transistores NPN 2N3904
•
Un regulador de voltaje LM2931, pero en nuestro caso lo reemplazaremos con un
7805
•
Amplificadores MC33172, pero en nuestro caso será reemplazado por un LM358
•
Diodos Leds
•
Un micrófono electrónico
•
Un circuito integrado LM3915
•
Fuente de 12V cc
Ahora, pasando a la simulación del circuito, se armó en el software Proteus 8.13, haciendo
un proceso de diseño parte por parte, dividiendo el circuito en 4 etapas, el preamplificador,
el amplificador, los seguidores de emisor y la visualización por medio del integrado
LM3915, se hicieron algunos cambios en la parte del integrado, se simplificó un poco
quitando el potenciómetro que se ve en el esquema original, el switch se reemplazó con
una conexión directa a la fuente de voltaje y algunas otras resistencias menores en el pin
7 fueron cambiadas por una sola de 1KΩ.
Figura 5
Simulación del circuito planteado
Autor: Autoría Propia
Funcionamiento del Circuito:
A continuación, se dará un breve resumen de lo que es el trabajo que hace cada
componente del esquema. Pero para ello, primero hay que conocer los componentes principales
del circuito, que son los amplificadores, transistores y el LM3915.
Amplificadores Operacionales: También conocidos como Op-Amp son dispositivos que
generan una tensión de salida varias veces mayor que la señal a su entrada, su misión en circuitos
con sensores es magnificar el voltaje que generan las señales captadas por estos, ya que tienen
una amplitud muy pequeña, y así, poder generar una oscilación lo suficientemente grande como
para que funcione el circuito.
Un Op-Amp está compuesto por sus terminales de alimentación, 2 entradas las cuales
son la inversora (-) y la no inversora (+) y un terminal de salida.
Los amplificadores ideales se caracterizan por:
• Tener gran impedancia a sus entradas, pero casi nula su salida
• Una corriente mínima a las entradas, pero mayor en su pin de salida
• Una diferencia de potencial mínima en sus entradas, pero con una ganancia y
ancho de banda infinitos
Todas estas características se le atribuyen para facilitar los cálculos y aproximaciones
teóricas, pero en sus aplicaciones de la vida real suceden algunas contrariedades, por ejemplo,
el ancho de banda y la ganancia se pueden ver afectados por las especificaciones del fabricante,
el voltaje de alimentación o saturación del circuito, la temperatura de trabajo o capacitancias
parasitas entre los pines de entrada, la relación inversa entre la ganancia y la frecuencia de la
señal a incrementar, entre otras características.
Estos tienen distintos tipos de configuraciones de amplificadores, en el circuito podemos
hallar el inversor y el no inversor.
El voltaje a la salida de un amplificador se da por la fórmula de abajo, donde A es
ganancia, y Vi la tensión de entrada, los valores de ejemplo se dan con el primer amplificador
operacional del circuito:
𝑉𝑜 = 𝐴 ∗ 𝑉𝑖
9.09𝑉 = 101 ∗ 0.09𝑉
Amplificador Inversor:
•
Invierte la polaridad de la señal, (le genera un desfase de 180°) de entrada CA y a
su vez la amplifica
Figura 6
Esquema Op-Amp Inversor
(El Amplificador Inversor: ¿Qué Es El Amplificador Inversor? Funcionamiento,
Características Y Ejemplos., S. F.) https://amplificadores.info/amp-op/inversor
•
Se caracteriza porque la fuente de potencial va conectada a la entrada inversora
del amplificador, mientras que la no inversora se conecta a tierra, esto es lo que permite el
desplazamiento de la onda original haciendo que se vea invertida, sus resistencias van
conectadas a la entrada inversora, pero la de retroalimentación tiene un terminal en contacto con
la salida del amplificador.
•
Tiene una baja impedancia a su entrada, esto permite que el amplificador reciba
oscilaciones de mínima amplitud fácilmente sin causar cambios en ellas, lo que significa que
puede proteger también a los circuitos que vayan después de él, ya que, al no hacer ningún
cambio en la señal original, no hace ninguna fuerza sobre los circuitos venideros, Su
retroalimentación es negativa.
•
Son muy útiles como cambiadores de fase o en prototipos con sensores
•
La relación entre el voltaje de entrada y de salida se llama ganancia, y esta es
determinada por las resistencias de entrada y de retroalimentación, aunque también puede
intervenir otros componentes como los capacitores y la frecuencia de la señal recibida.
𝐴=
𝑅𝑓
𝑅1
Donde A es la ganancia, Rf es la resistencia de realimentación y R1 la de entrada, para dar
un ejemplo, en el segundo amplificador del circuito se ven los siguientes valores de esos 2
resistores, como la ganancia es 1, entonces la tensión de entrada y de salida no son muy
diferentes, deberían de ser iguales:
𝐴=
100𝐾Ω
=1
100𝐾Ω
Amplificador No Inversor:
•
Como su nombre lo indica, no invierte la señal, pero si incrementa su voltaje pico,
las conexiones son las mismas que en el caso anterior, pero esta vez la fuente de tensión, irá en
serie con la entrada no inversora del amplificador y R 1, en este caso llamada Rg va conectada a
tierra.
Figura 7
Esquema del Op-Amp NO Inversor
(Amplificador Operacional No Inversor, s. f.-a)
https://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional
•
La ganancia siempre será positiva, o sea, la corriente a la salida tendrá el mismo
sentido que la corriente a la entrada
•
Estos tienen una impedancia alta a su entrada, eso significa que la configuración
del amplificador genera un muro para la corriente en la entrada no inversora, por lo que casi no
hay flujo de electrones en esa zona, eso es útil en el caso que la señal de entrada sea tan diminuta
como la de un micrófono. Ya que el amplificador podría tomar toda la señal para sí mismo
cambiando su forma y con ello afectando su funcionamiento.
•
La ganancia de este amplificador se da con la siguiente fórmula donde A es la
ganancia, Rf el resistor de alimentación y Rg el resistor de entrada, los valores de ejemplo son
los que aparecen en el primer amplificador del esquemático anterior:
𝐴=1+
𝑅𝑓
100𝐾Ω
=1+
= 1 + 100 = 101
𝑅𝑔
1𝐾Ω
Después de los amplificadores vienen los transistores NPN 2N3904, estos son de tipo
bipolar (BJT) y funcionan como amplificadores de corriente, sin afectar mucho a la tensión que
los atraviesa, aunque el voltaje de emisor siempre será un poco menor al voltaje de entrada, ya
que se le resta la tensión en la base la base en esta configuración de transistores.
Al ser NPN toman el flujo de electrones que viene de su colector, y le suman el de la
base, dando como resultado una intensidad de corriente mayor a las otras 2 que saldrá por el
emisor.
Los transistores que vemos en este circuito tienen una configuración de colector común.
Debido a que el colector de los 3 transistores de la configuración va conectado en paralelo a la
fuente de voltaje, esta distribución se caracteriza por tener una gran impedancia a la entrada de
los transistores, pero pequeña a su salida, por lo que la fuente de voltaje no tendría que ejercer
demasiada fuerza para garantizar flujo de corriente.
Figura 8
Datasheet del Transistor 2N3904
(2N3904, s. f.)
https://electro-pro.com.co/producto/2n3904
Finalmente, está el componente que va conectado a los diodos LED, el cual es un
LM3915, este es un circuito integrado que permite presentar un voltaje analógico contrastando
una oscilación con una tensión de referencia que presentan unos comparadores en su interior.
Maneja una escala a la que se pueden conectar 10 leds, donde hay una diferencia de 3dB
(decibelios) entre cada uno. Opera desde los 3V hasta los 25V y regula su corriente de salida
desde los 2mA hasta los 30mA, por lo que no hay necesidad de usar resistencias de protección
para los Leds, tiene 18 pines. Funciona hasta una temperatura de 70°C
La escala de leds trabaja por medio de amplificadores comparadores como se dijo antes,
10 en total, uno por cada led conectado, cuando la señal aumenta en 3dB se enciende un led y
pasa al siguiente comparador, que se encenderá o no de acuerdo a la potencia del sonido captado
por el micrófono y amplificado.
Figura 9
Figura 10
Aspecto de un LM3915
Esquema interno del IC
(LM3915, s. f.-a) https://es.wikipedia.org/wiki/LM3915
Ahora, que conocemos los aspectos básicos de los componentes principales del circuito,
hablaremos de su funcionamiento en conjunto.
Figura 11
Simulación del circuito planteado
Autor: Autoría Propia
El circuito estaría alimentado por una fuente de 12V en CC, el micrófono tipo electrónico
está conectado a una resistencia de 10KΩ que lo protege y está alimentado por un regulador de
voltaje 5V LM 7805.
Luego sigue la fase del amplificador LM358 que está dividido en 2 partes. La primera es
un preamplificador no inversor cuya entrada positiva está conectada a un capacitor no polarizado
(C1) y a la resistencia 4, en la entrada contraria, la inversora, están las resistencias de
retroalimentación (5) y ganancia (6), formando un lazo de alimentación negativa que le provee al
amplificador una ganancia de 101 veces la señal que entra por el micrófono, y todo ese sistema
le daría figura a un filtro activo de paso alto, esto quiere decir que solo le permite el paso a las
oscilaciones que tengan una frecuencia por encima de una determinada, llamada frecuencia de
corte, así se eliminan todas las ondas que provengan de sonidos irrelevantes, como el ruido de
fondo o sonidos casi nulos, esta propiedad de los filtros de paso alto, se debe a la reactancia de
los capacitores, que es la oposición que hacen a la intensidad de corriente y es una propiedad
inversa a la frecuencia de la señal, a mayor frecuencia tenga una onda eléctrica menor reactancia
va a tener un condensador, hasta que queda haciendo el papel de un cable conductor, pero si la
frecuencia esta por debajo de un umbral, la reactancia irá en aumento impidiendo el paso de la
corriente de baja frecuencia o de señales en CC.
Cabe aclarar que a la hora de poner un capacitor como acoplo o high-pass, hay que tener
cuidado con su valor, ya que la capacitancia es una cualidad inversa a la frecuencia, es preferible
colocar un condensador de medida pequeña, para que establezca una frecuencia de corte alta y
no deje pasar toda clase de ondas.
En serie a la resistencia 6 hay un capacitor electrolítico (C2), el cual sirve también de
acoplo, para evitar que las frecuencias más bajas continúen por el circuito, el capacitor C3 hace
ese mismo trabajo, eliminar todo rastro de CC y deja pasar la CA.
Figura 12
Esquema del preamplificador de audio
Autor: Autoría Propia
La segunda etapa es un Op-Amp inversor cuya alimentación se da con la intensidad de
corriente que proviene del primer amplificador, y tiene un capacitor con una resistencia en paralelo
conectados a la entrada no inversora, esto es para hacer una especie de balance al no conectarla
directo a tierra, pero también crea una especie de filtro pasa bajos que suaviza y “limpia” la señal
eliminando las ondas con mayor frecuencia o AC, haciendo un trabajo de desacoplo para darle
estabilidad a la oscilación previniendo interferencias en el trabajo del transistor Q1 por ruido
eléctrico. La oscilación que sale de aquí alimenta las bases de los transistores siguientes.
Figura 13
Esquema Op-Amp Inversor con filtro paso bajo
Autor: Autoría Propia
Posterior a ello, se utilizan 3 transistores 2N3904 en una configuración de colector común
o seguidores de emisor: El transistor Q1, amplifica la corriente que recibe sacándola por su emisor
haciendo parte de la retroalimentación del segundo amplificador inversor, y comparte la base con
el que sigue, llamado Q3, que lo único que hace es llevar el flujo que pasa por él hasta tierra
pasando por una serie de resistencias y un último capacitor, por último está Q2 que emite un flujo
que carga al capacitor 8 y la resistencia 13, si hay un voltaje muy alto este capacitor se encarga
de eliminar ese efecto de rizado para no sobrecargar el circuito integrado, además es el que envía
la señal a comparar dentro del pin 5 del IC y hace el rol de desacoplo, esta vez, al estar conectado
en paralelo con otra resistencia, lo que hace es absorber las frecuencias por encima del punto de
corte, y deja pasar hacia la resistencia aquellas que tienen una mucho más pequeña, para
prevenir percances con el integrado LM3915.
El LM3915, recibe la intensidad del transistor Q2 y regula la corriente de los LED para que
no necesiten resistencias que limiten el flujo a través de ellos, Los pines 3 y 9 van conectados a
la fuente de alimentación directamente, por el pin 5 entra la señal a comparar, el pin 7 tiene
conectado un resistor que sirve para obtener un voltaje de referencia, que irá a conectarse al pin
6, este, al recibir tensión desde el terminal 7 va a activar la cadena de comparadores al interior
de la pastilla que posteriormente encenderá la sucesión de diodos leds. Los pines 2, 4 y 8 se
conectan a masa y el resto son las salidas correspondientes a cada led, donde el pin 1 es el de
menor tensión, y el de mayor es el terminal 10.
A lo largo de esta sección se ha hablado de reactancia y frecuencias de corte, estas son
las ecuaciones que relacionan a estas variables tanto en filtros pasa bajos como pasa altos,
donde Fc es la frecuencia de corte en el filtro, Rc es la reactancia capacitiva, y C es la medida
del propio capacitor (capacitancia):
𝑭𝒄 =
𝟏
𝟐𝝅𝑹𝒄 𝑪
Figura 14
Esquema IC LM3915
Autor: Autoría Propia
SEGUNDO CIRCUITO
Esta es una versión simplificada del primero, como se dijo previamente, el grupo tuvo
problemas para armar el circuito mostrado antes, por lo que se recurrió a esta segunda opción
en caso de no llegar a tener nada listo para la fecha de exposición, decidimos también explicar
este último ya que, a pesar de lograr armar el primer sensor, y que el segundo sea menos
complejo tiene una mejor sensibilidad y funcionamiento
Figura 15
Simulación 2° Circuito planteado
Autor: Autoría Propia
Componentes del circuito:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Micrófono electrónico
Capacitor cerámico de 330nF
Capacitor electrolítico de 47µF
Amplificador Operacional LM358
Potenciómetro de 10KΩ
Transistor NPN 2N3904
IC LM3915
Adaptador de 12V cc
Diodos Leds
Resistencias varias
Sus componentes principales son un amplificador inversor, un comparador, un transistor
NPN y un integrado LM3915. Ya hablamos de todos menos del comparador, por lo que se
procederá a su explicación
Comparador por medio de Op-Amp:
Se usan para determinar si una de las oscilaciones a su entrada es mayor que una de
referencia, esta es la configuración más simple de un amplificador, ya que para su
implementación solo es necesario el uso del mero integrado del operacional en lazo abierto, sin
necesidad de capacitores o resistencias para retroalimentar o filtrar una señal, y debido a esto se
puede obtener el máximo de ganancia, que es 200.000 veces el voltaje de entrada, aunque esta
se ve limitada por el voltaje de saturación, el voltaje de salida es la diferencia de tensión entre las
2 entradas multiplicada por la ganancia del Op-Amp.
Existen 2 tipos de comparadores, el inversor y el no inversor, se le llama a cada uno de
acuerdo a la conexión de la señal a comparar.
En el comparador no inversor:
• Se dará por salida un voltaje de saturación positivo si la señal a comprar es mayor
que el voltaje de referencia
• Si es menor a la referencia, entonces se medirá a la salida un voltaje con signo
negativo igual al de la fuente
En el comparador inversor:
• Se dará por salida un voltaje de saturación positivo si la señal a comprar es menor
que el voltaje de referencia
• Si es mayor a la referencia, entonces se medirá a la salida un voltaje con signo
negativo igual al de la fuente de alimentación
Tras haber visto el último componente principal del que no se había hablado, se explicará
el funcionamiento global de este circuito:
El circuito está alimentado por una fuente de 12V cc, una resistencia también de 10k
protege al micrófono, el cual envía una señal a un amplificador inversor que tiene una red
capacitor-resistor en serie para actuar como un filtro pasa altos, y se coloca una resistencia de
balance en la entrada no inversora que se conecta con la masa, para mantener la estabilidad del
circuito. R3 y R6 son los resistores de ganancia y retroalimentación respectivamente.
Figura 16
Esquema Op-Amp Inversor con filtro paso alto
Autor: Autoría Propia
La salida de este primer amplificador va a un segundo amplificador como comparador no
inversor, donde se usa un potenciómetro de 10K como referencia, si la tensión de la señal es
mayor a la referencia, la salida del amplificador será el voltaje de saturación el cual es alrededor
del 90% del voltaje de alimentación del circuito, de lo contrario, la salida será tan solo un poco
mayor al voltaje de tierra, (alrededor de 0.02V) este comparador tiene como propósito nutrir la
base de un transistor NPN, cerrando el flujo entre su colector y emisor pudiendo encender un
diodo led adicional.
Figura 17
Esquema Op-Amp Comparador No Inversor
Autor: Autoría Propia
La tensión que va desde el primer amplificador también se conecta al pin 5 del LM3915
donde entra la señal que se introducirá en los comparadores internos del integrado y encenderá
los indicadores visuales (leds) poniendo el integrado en funcionamiento el cual tiene las mismas
conexiones que en el circuito anterior.
Figura 18
Esquema LM3915
Autor: Autoría Propia
Resultados
Montaje en protoboard de ambos sensores: Después de haber hecho la simulación del
primer circuito y comprobar que funcionaba, se debía de montar en físico para comprobar que los
componentes adquiridos estaban en buen estado, o si había que volver a la simulación a modificar
el diseño, tuvimos varios problemas, al principio se hizo el montaje en protoboard, no funcionó,
se creía que había una mala conexión por lo desorganizado que se veía, por lo que se decidió
buscar a un compañero que tenía mayor experiencia en el montaje de circuitos, pero al hacer el
montaje tampoco funcionó y se notó que el regulador a 5v no funcionaba como se debía, luego
vimos que las medidas de tensión concordaban con el simulador hasta los amplificadores, pero
en los transistores se perdía toda esa tensión, pero con ayuda se pudo comprobar que el diseño
usado estaba bien, que lo único que había que hacer, era cambiar el valor de algunos resistores
y condensadores que impedían el paso de corriente hasta el integrado y por eso el circuito no
funcionaba.
Pero además de eso, se diseñó un segundo circuito con el mismo propósito, más
simplificado pero que funcionaba con mejor sensibilidad, ese fue el que se implementó.
Figura 19
Montaje en Protoboard
Autor: Autoría Propia
Diseño de PCB’s en Proteus: Tras darnos cuenta que los circuitos en definitiva eran
funcionales, se diseñaron las tarjetas en el software Proteus, y se imprimieron en papel fotográfico
Figura 20
Diseño en PCB del circuito implementado
Autor: Autoría Propia
Figura 21
Impresión en papel fotográfico
Autor: Autoría Propia
Baquelita tras el planchado: Luego, se hizo el planchado de las baquelas para grabar las pistas
de los circuitos por medio de transferencia térmica y se remojaron en una disolución de agua con
cloruro férrico para quitar el cobre sobrante
Figura 22
Grabado del circuito por transferencia térmica
Autor: Autoría Propia
Ensamblaje de las partes (soldadura): El circuito que se instaló en el colegio fue el segundo,
de diseño más simplista, pero con mayor sensibilidad.
Figura 23
Acabado final de la PCB
Autor: Autoría Propia
Instalación del circuito en la Institución: Finalmente así quedo el circuito, encofrado en una
caja plástica, y se colocó en la recepción de la biblioteca de la institución, a continuación, se
muestran fotos de como quedó el circuito
Figura 24
Imagen de la instalación en biblioteca
Autor: Autoría Propia
Aportes de cada asignatura:
Matemáticas II: Esta materia se puede aplicar también como el algebra lineal, por medio
de ecuaciones que involucren varias variables, no solo eso, al investigar sobre los diferentes tipos
de amplificadores, se observó que hay uno por cada operación matemática, los hay sumadores,
derivadores e integradores.
Física I: El circuito tiene el objetivo de detectar sonido y este es una onda mecánica
producida por un cuerpo que vibra, la asignatura sirvió para comprender la naturaleza del sonido
y los fenómenos ondulatorios en general, los cuales tienen frecuencias y amplitudes tal como en
las señales eléctricas, lo que ayuda a entender el funcionamiento de los filtros activos, además
de una dirección hacia la cual se dirigen, que en nuestro caso era la membrana del micrófono por
lo que se constituye al sonido también como un vector.
Algebra Lineal: Esta asignatura nos enseñó a resolver sistemas de ecuaciones lineales,
las cuales conforman las fórmulas vistas en este documento.
Humanidades: Con esta asignatura, es que obtuvimos las bases para redactar este
documento, y fue la que nos ayudó a formular las encuestas que debíamos de entregar a los
alumnos y docentes para que las respondieran.
Introducción a la Ing. Electrónica II: Fue el pivote del proyecto integrador, fue la
asignatura que proveyó los conocimientos sobre las configuraciones básicas de los transistores
y amplificadores para comprender como funcionaba nuestro circuito. También, proveyó los
conceptos de resistencia, impedancia, capacitores y frecuencia de corte, ancho de banda y
tensión de saturación.
Conclusiones:
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Este proyecto sirvió para acrecentar los conocimientos que ya se tenía de componentes
como transistores y sobre todo amplificadores operacionales y filtros
El proyecto puso a prueba las habilidades de investigación de los estudiantes, al tener
que buscar por sus propios medios la solución a las dudas o problemas que iban
surgiendo
Debido a esto, también se desarrolló la habilidad del trabajo en equipo y la comunicación
con el grupo de trabajo o agentes externos que ayudaron en el proceso
Se mejoraron las habilidades de diseño, por ejemplo, en la elaboración de las PCB’s y
habilidades manuales como el planchado y la soldadura
Se comprendió el papel que pueden tener componentes pasivos como resistores y
capacitores en la ganancia de un Op-Amp o en la distribución de las tensiones en el
circuito.
Se conocieron características de las ondas eléctricas que antes se ignoraban, como lo es
la frecuencia o el ancho de banda
A pesar de las dificultades del proceso, se pudo llegar a la meta de presentar un producto
final cumpliendo el objetivo principal, la implementación de un circuito eléctrico para
solucionar una problemática a nivel de una institución educativa, y los objetivos
secundarios, como lo era el enseñar un poco sobre lo que es la electrónica en una
institución oficial y de esa forma también aprender como equipo de trabajo.
Por último, se demostró con el desarrollo de un sensor de sonido que los conocimientos
de física y matemática sirven para aplicarse en la solución de problemas de ingeniería tal
como decía la pregunta articuladora, ya que se partió de unas bases conceptuales y/o
teóricas que aportaron las asignaturas vistas en el semestre, su corroboración con un
software simulador, y por último la puesta en práctica al armar el circuito de 2 formas, en
protoboard y en PCB.
Referencias
(Amplificador Operacional Inversor, s. f.; https://mielectronicafacil.com/analogica/amplificadorinversor/#diagrama-del-circuito
Amplificador
Operacional
No
Inversor,
s. f.;
https://mielectronicafacil.com/analogica/amplificador-no-inversor/#diagrama-del-circuito Amplificador
seguidor emisor – Amplificador colector común, s. f.; https://unicrom.com/amplificador-seguidor-emisor/
Comparador con Amplificador operacional, s. f.; https://unicrom.com/comparador-con-amplificadoroperacional/ LM3915, s. f.; https://es.wikipedia.org/wiki/LM3915 SOUND LEVEL INDICATOR, s. f.
https://www.electronics-lab.com/project/sound-level-indicator/ )
Lozada-Das-Dores, Ángel-J., Casallas-Restrepo, R.-E., Bedoya-García, J.-A., Castellanos-Garzón, J.-A., y ReyPiedrahita, A. (2021). Dispensador de cajetillas de cigarrillos para Mipyme como experiencia de relación
academia-sector
productivo,
Tuluá. Revista
Científica, 43(1),
109–123.
https://doi.org/10.14483/23448350.17642
A.J. L. Das Dores et al., "Learning by Doing Strategy for Electronic Engineer Students at Unidad Central del
Valle del Cauca," 2023 IEEE Global Humanitarian Technology Conference (GHTC), Radnor, PA, USA, 2023,
pp. 263-269, doi: 10.1109/GHTC56179.2023.10354915. keywords: {Surveys; Education; Electronic
components;Writing;Software;Teamwork; Electronic Circuit;Engineering Education;Enterprise;Laboratory
Equipment;Skills},