mayo 30, 2012

Para pensar...

Un vaporizador de tabletas insecticidas o aromáticas está preparado para funcionar en 220V, en el toma doméstico común, o bien en un automóvil o casa rodante a 12V.
Para que el dispositivo funcione en una situación o en otra el usuario debe mover una llave selectora a la posición correspondiente. El diagrama eléctrico es el siguiente:

Como se puede observar para el diseño se intercala una resistencia en la posición "220" de la llave selectora. 
También se nota la presencia de un fusible que protege de daños graves en el caso de que el usuario tenga la llave en la posición "12" y lo conecte a un tomacorrientes de 220V. 

 PREGUNTAS: 
a) ¿Cuánta corriente circula por la resistencia del vaporizador? 
b) ¿Qué potencia se disipa en esa función? 
c) Qué cosa se debe mantener constante en dicha resistencia ¿la tensión, la corriente o la potencia? ¿por qué? 
d) ¿Cuál es el valor de "R"? 
e) ¿A qué corriente debe estar calibrado el fusible para que cumpla su cometido? 
f) ¿Cuáles son los rendimientos de este sistema en 12V y en 220V?
g) ¿Cómo se puede mejorar el rendimiento y así disminuir el gasto eléctrico?

 RESPUESTAS: 
a) La corriente del vaporizador es igual a la tensión de funcionamiento dividida por el valor en ohms de la resistencia indicada. Cuando el circuito está a 12V la corriente es 12/7,2= 1,67 A
Aquí alguien se podría preguntar si esa corriente es igual o distinta cuando el aparato esté a 220V... la respuesta a eso está en el punto c.

b) La potencia disipada es igual a la tensión por la corriente aprovechando que ahora tenemos los dos valores... o sea: P= V×I= 12×1,67= 20Watts

c) El aparato es un vaporizador, esa es su función de diseño. Lo que hace evaporar los productos químicos de las tabletas es el calor . Dicho efecto lo conseguimos en este caso haciendo pasar corriente por una resistencia (la llamada Resistencia de Vaporización) con esto se logra que la resistencia se caliente. 
En resúmen lo que importa es el calor que emite la resistencia... eso significa que debemos mantener constante el flujo de calor... que es la potencia.
Entonces en ese circuito, ya sea en la opción 220V o en la opción 12V, la POTENCIA en esa "Resistencia del Vaporizador" debe ser la misma.
Y como sabemos que a 12V es 20W a 220 también será 20W... recíprocamente sabemos que emite 20W cuando tiene 12V... por lo tanto a 220V TAMBIÉN DEBERÁ TENER 12V !! 
Con esta afirmación no necesitamos calcular la corriente para 220V... ¡Por que será la misma! o sea: 1,67A

d) R hace que caigan 220-12 voltios= 208V y en esa situación circulan 1,67A, con lo cual:
R= 208/1,67= 124,8 ohms

e) Tiene que estar calibrado a una corriente que deje funcionar el aparato en condiciones normales pero interrumpa todo si algo está mal. Como la corriente de funcionamiento es 1,67A el fusible deberá ser mayor a ese valor (si fuera, por ejemplo de 1,5 A se quemará ni bien hagamos funcionar el vaporizador).
Un valor posible es 2 amperes.

f) En 12V el rendimiento es del 100% por que hay conexión directa entre la fuente y la resistencia de vaporización.
En 220V el rendimiento es B/G= 20W/ (220×1,67A)=0,05... un 5% (es malísimo)

g) Esta es una cuestión interesante: el sistema disipa potencia en una resistencia para calentar una tableta. 
Para lograr el funcionamiento "dual" coloca OTRA resistencia, lo cual es una solución de bajo costo, pero se nota que no es muy buena solución.
El problema está en que la resistencia que ponemos para bajar la tensión disipa unos 208*1,67A= 366Watts !!!
Casi veinte veces más que la resistencia que vaporiza las tabletas !!
Entonces el diseño así no funciona, es un desperdicio de energía cuando lo enchufamos a 220V.

Entonces volvamos a ver como es la cosa: tenemos DOS resistencias en 220V... ahá... ¿Y si AMBAS calientan la tableta cuando está a 220?

Esto significa que entre las dos producen los 20Watts:
20= 220×220 / (R+7,2)
De donde sale que R vale 2412,8 ohms

Por supuesto la tensión de la Resistencia de Vaporización no será 12V ni la corriente 1,67A... y además ambas resistencias deberán estar en contacto con la tableta a vaporizar... todas cosas que no afectan en nada el bienestar y la paz social.

mayo 25, 2012

Sobre energías y nosotros

  En la clase de ayer vimos energía, potencia eléctrica y, a modo de ejemplo, llegamos a como se refleja esto en las pilas y baterías. Resulta que en varios sitios de internet aparece la especulación sobre cuantas pilas necesitaría un ser humano para funcionar un día completo. Voy a repetir aquí las cuentas como un aporte curioso: 


  Ya mencionamos que las pilas alcalinas tamaño "AA" tienen una capacidad de aproximada de 2400 mAh con un voltaje promedio de 1,5V. La energía de la pila es entonces de 3,6 Watts por hora (siendo optimistas). Para pasar esto a Joules hay que tener en cuenta que una hora tiene 3.600 segundos, con lo que obtenemos 12.960 J. Guardemos esto aparte por un momento. 


  Ahora: un ser humano consume unas 2.000 calorías fisiológicas por día. Esas calorías que se miden en dieta y nutrición equivalen a 1.000 calorías de las que se utilizan en química e ingeniería. O sea que el ser humano ingiere 2.000.000 Calorías físicas. Una caloría son 4,2 Julios. Por tanto equivalen a unos 2.000.000 × 4,2 = 8,4 MJ (Mega Joules) por día. 


  Haciendo regla de tres simple con el valor anterior para una pila se obtiene el número 648. Eso quiere decir que cada uno de nosotros necesitamos unas 648 pilas alcalinas AA para funcionar durante todo día. 


Por último: 
  Para calcular la potencia equivalente que gasta un individuo en cada segundo de existencia debemos dividir los 12.960J en 24(horas), y luego entre 3600 segundos obteniendo unos 97J por cada segundo. Resulta que 1J/s es un Watt, es decir que una persona funciona casi a 100W en promedio.


En resumen: ¡Ponete las pilas!



mayo 23, 2012

Fuentes de tensión: Pilas

Teníamos que hacer algún comentario en cuanto a pilas comunes como fuente de tensión de distintos dispositivos portátiles.
Para ello tomamos como ejemplo tres de tamaño clásico tipo AA
  • Una de Cinc - Carbón (la primer pila y que fuera creada en 1866 por Georges Leclanché)  
  • Una Alcalina (de dióxido de Manganeso y Cinc creada por 1950)
  • Una recargable (de Níquel hidruro Metal)

Las pilas del tipo Leclanché, también llamadas salinas, tienen una capacidad nominal en torno a los 1000 mAh y una intensidad máxima de 300 mA.

En las pilas alcalinas las capacidades nominales máximas alcanzan los 2400 mAh y las intensidades máximas admisible está en 700mA.

En las recargables de Ni-MH llegamos hasta 2700mAh y corrientes en el orden de los 800mA.


Para poder compararlas se puede ver la gráfica siguiente:

Curvas de descarga de pilas: comunes de zinc-carbono(línea marrón), de una pila alcalina de manganeso (línea azul) y una pila recargable de níquel e hidruro metálico (verde).
Para que la comparación tenga sentido se sometió a las pilas a cargas que le hacen consumir a todas el mismo porcentaje de su corriente admisible máxima.
Fuente: http://www.jens-seiler.de/bastelecke/akkus/


Acá un gráfico más completo (Fuente: http://condensadorpeludo.blogspot.com.ar)




Por último un chichecito de diseño:


Sobre el Trabajo de Investigación

-Antes que nada aviso acá que si tienen una tabla periódica suelta o en un libro ¡tráiganla para este jueves 24 de mayo!-

Hemos corregido el primer trabajo que nos entregaron sobre "Formas de obtención de tensión continua". En general son trabajos excelentes salvo algún malentendido sobre los contenidos del trabajo (o sea: no se entendió la consigna). Sólo quiero dejar una serie de observaciones generales:
  1. Muy buenas descripciones y explicaciones. 
  2. La mayoría eligió bien la fuente de tensión aunque no se jugaron mucho: fueron derecho a las que dí como ejemplo o bien son claramente estándar en el mercado desde hace tiempo. 
  3. Los gráficos -de quienes pusieron- son muy representativos y claros para los temas elegidos aunque en varios casos no se les hace referencia desde el texto. 
  4. Las explicaciones son extensas pero no hay ni una sola ecuación -salvo excepciones contadas. Tampoco es que se esperaba
Sobre el último punto hay que decir que no esperábamos hojas llenas de fórmulas. Pero en muchos casos daba para ponerlas y no lo hicieron ¿Acaso ese viejo temor o fobia a las matemáticas?

Alguno podrá decir: si me gustaran las fórmulas habría estudiado ingeniería o matemáticas.
Ok pero, en cualquier tema relacionado con ciencias hay matemáticas... y si nos vemos enfrentados a moldear y dar forma a objetos hay ciencia y hay matemáticas, hay proporciones de tamaño y de componentes, hay esfuerzos, hay balances, hay energías y potencias.... así que la profesión del Diseñador Industrial no está exenta de matemáticas.
Así que sáquense el asco y superen ese problemita... gracias.-

mayo 07, 2012

Para esta semana...

Ya en la clase pasada empezamos a ver el clásico "circuito serie", acá una imagen:

1- Todos los elementos llevan la misma corriente (inclusive la fuente).
2- La tensión de la fuente se reparte entre las cargas (en este caso lamparitas).
3- La suma de tensiones en las cargas es igual a la tensión de la fuente.
4- Cualquier elemento que se desconecte deja sin tensión al resto.


La otra forma de conexión es el "circuito paralelo":

1- Todos los elementos están a la misma tensión en volts (inclusive la fuente).
2- La corriente que entrega la fuente se reparte entre las cargas (acá también: lamparitas).
3- La suma de corrientes en las cargas es igual a la corriente que entrega la fuente.
4- Cualquier carga que se desconecte (no la fuente !) no afecta al resto.



Acá una versión en serie más moderna con diodos (nótese la presencia de una resitencia R todo el tiempo)


Por último (para los interesados) los códigos de colores de los anillos de las resistencias comerciales:
Si no entienden como funciona acá una página les permite elegir los colores y saber así el valor en ohms: