4. Resultados y Conclusiones
4.5 Costo-Beneficios
En esta sección se describen los costos de este trabajo de tesis y a su vez los beneficios que redituó, en comparación con un monocromador automatizado comercial. Los costos de los materiales para hacer las modificaciones del equipo fueron:
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Tabla 0.1.- Materiales Comprados para la automatización del monocromador. Materiales Comprados
Cantidad Descripción Precio
Unitario
Importe 1 CI Microcontrolador PIC18F4550 $80.00 $80.00
1 CI Driver Para Motor ULN2066B $31.89 $31.89
1 CI Amplificador Operacional LM308AN $23.28 $23.28
2 Fotointerruptor H21A1 $31.03 $62.07 1 Fotodiodo BPW34 $12.93 $12.93 1 Motor A Pasos PM55L-048 $65.00 $65.00 2 Puente Rectificador KBPC302 $9.48 $18.96 1 Regulador De Voltaje LM7805 $6.89 $6.89 2 Regulador De Voltaje LM7812 $6.03 $12.06 1 Regulador De Voltaje LM7912 $6.89 $6.89 1 Transformador 24V,2A, 10:1 $150.00 $150.00 1 Transformador 24V,1A, 10:1 $130.00 $130.00 1 Resistor 10 Ohm 10W $6.00 $6.00 8 Resistor 220 Ohm 0.5W $0.20 $1.60 1 Resistor 10 KOhm 0.5W $0.20 $0.20 1 Resistor 220 KOhm 0.5W $0.20 $0.20 4 LED´s $2.00 $8.00 1 Cristal 20MHz $8.12 $8.12 4 Diodo Rectificador 1N4005 $1.50 $6.00 1 Capacitor Cerámico 100pf $0.50 $0.50
4 Capacitor Cerámico .1uf $0.50 $2.00
1 Capacitor Cerámico .47nf $0.50 $0.50
2 Capacitor Cerámico 27pf $0.50 $1.00
3 Capacitor Electrolítico 2200uf $16.00 $48.00
1 Base Para CI 8 Pin $0.70 $0.70
1 Base Para CI 16 Pin $0.93 $0.93
1 Base Para CI 40 Pin $2.32 $2.32
6 Disipadores Con Tornillo Y Tuerca $9.74 $58.44
1 Conector USB Tipo B Hembra $14.00 $14.00
4 Conector Molex Macho 5 Pin $4.00 $16.00
4 Conector Molex Hembra 5 Pin $4.00 $16.00
1 Conector Molex Macho 4 Pin $3.00 $3.00
1 Conector Molex Hembra 4 Pin $3.00 $3.00
11 Conector Molex Macho 2 Pin $1.00 $11.00
11 Conector Molex Hembra 2 Pin $1.00 $11.00
1 Conector Molex Macho 3 Pin $2.00 $2.00
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Continuación de tabla 4.1
46 Zapata Para Molex Hembra $0.40 $18.40
1 Cable USB Macho A-Macho B $20.00 $20.00
3 Placa Fenólica 5x5cm $5.00 $15.00
3 Placa Fenólica 5x10cm $10.00 $30.00
2 Placa Fenólica 10x15 $16.00 $32.00
15 Metro de Cable Rojo Y Negro $3.00 $45.00
1 Clavija $4.00 $4.00
1 Fusible $4.00 $4.00
1 Porta fusible $7.00 $7.00
1 Chasis Para Fuente $100.00 $100.00
1 Caja Negra De Plástico $60.00 $60.00
6 Papel Cauche $2.00 $12.00
1 Cable Toma Corriente $70.00 $70.00
1 Plastiloka $24.50 $24.50
1 Switch $8.50 $8.50
1 Cloruro Férrico $25.00 $25.00
1 Foco piloto $10.00 $10.00
16 Tornillo Con Tuerca 1/2 Pulgada $1.00 $16.00
Total $1,323.87
Llevar a cabo la comparación entre costos, no es una tarea sencilla, puesto que para conseguir los precios de este tipo de equipo automatizado, se necesita en primer instancia garantizar que se adquirirá para un uso educativo o industrial, la ESFM proporcionó el precio del equipo automatizado y este precio también se consiguió a través de la página de internet e-bay, la cual proporcionó, el precio de un monocromador automatizado, de la marca Princenton Instruments serie SP- 2300i. Las características de este monocromador se muestran en la tabla 4.2.
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Tabla 0.2.- Comparación de Características de un monocromador automatizado y el diseñado.
Características del
monocromador Monocromador automatizado diseñado en este trabajo Monocromador de tesis
Rango de longitudes de onda
λ = 185nm a 1400nm λ = 350 a 800 nm
Resolución por paso 0.0025nm/paso 1.875nm/paso Transmisión de Datos RS-232 y USB 1.1 USB 2.0 Ranuras de la rejilla de
Difracción
1200ranuras/mm 1350 ranuras/mm Precio $100,000 en este precio se
considera tanto el costo de la automatización, como el costo del equipo que es el monocromador)
$1,323.87, este precio es solamente del material para automatizar el monocromador, puesto que el precio del monocromador no se sabe, porque estaba en desuso.
(Princenton Instruments, 2014) Como se logra apreciar en la tabla 4.2, un monocromador automatizado comercial, realiza las mismas funciones que el monocromador automatizado en este trabajo, sin embargo, unas de las ventajas que tiene el monocromador automatizado en este trabajo, es que posee una mejor rejilla de difracción, lo cual permite una mejor colimación de la luz y a su vez se comunica con la PC de usuario, a través del puerto USB 2.0, lo cual ofrece una mayor velocidad en la transferencia de datos. En las figuras de la 4.13 a 4.16, se muestran la comparación de diferentes espectros de fuentes luminosas, como de una lámpara de LED’s
blancos, una lámpara de tungsteno, un LED azul y un LED rojo. Del lado izquierdo de la imagen, se proporciona el espectro proporcionado por el monocromador automatizado en este trabajo y del lado derecho, el espectro proporcionado por el monocromador automatizado comercial.
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Figura 0.13.- Espectro de una lámpara de LED´s blancos. (Propia, 2014)
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Figura 0.15.- Espectro de un LED azul. (Propia, 2014)
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4.6 Conclusiones
De acuerdo a los resultados obtenidos, el sistema automatizado en este trabajo funciona correctamente. El sistema automatizado cuenta con un programa de control amigable al usuario, puesto que este sistema cuenta con una IGU como se ha mencionado donde se introducen los datos necesarios que permite obtener el espectro de diferentes fuentes luminosas de una forma fácil y rápida.
Anteriormente la persona que quería obtener el espectro de radiación, con este equipo, de una fuente de luz tardaba demasiado en hacerlo, puesto que lo debía hacer manualmente y debía tomar lecturas de voltajes en cada muestra obtenida; ahora es posible obtener el espectro de varias fuentes luminosas de manera rápida y óptima.
En este trabajo, también se demostró que es posible rehabilitar equipo en desuso que se encuentra en los laboratorios de Física en ESIME Zacatenco y para este caso en particular emplear este equipo, ya automatizado, en la materia de Física Cuántica, para estudiar la radiación de cuerpo negro y los espectros de diferentes fuentes luminosas que pueden utilizar a los largo de la carrera, por ejemplo los LEDs.
Este proyecto de tesis, permite la conjunción de la parte de hardware (componentes electrónicos), como de software (programa de control en LabVIEW), además de cumplir con la comunicación entre la parte electrónica que adquiere los datos de los sensores (microcontrolador PIC18F4550); así como también medir las intensidades luminosas del fotodiodo y las señales de los fotointerruptores, los cuales permiten censar en qué posición se encuentra el motor a pasos; y mandar estos datos a través del puerto USB. A su vez permite la adquisición de datos leídos con el programa de control en LabVIEW para mostrar el espectro de manera óptima.
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Al realizar varias pruebas con lámparas de LED’s de luz blanca, que se adquieren en los centros comerciales de autoservicio, se verificó que el espectro que mostraba coincidiera con el ofrecido en las hojas de datos.
El costo de las componentes del sistema automatizado es bajo, en comparación con el costo que se tendría para la adquisición de un equipo nuevo y con características similares a las del sistema automatizado en este trabajo, el costo puede llegar hasta $100,000 pesos, sin embargo empleando y conjuntando los conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera, el costo fue mucho menor y los beneficios tanto para el instituto como para los alumnos, fueron formidables.
Como se mencionó anteriormente este sistema automatizado fue comparado con sistemas automatizados comerciales tales como: el Princenton Instruments serie SP-2300i, con el que se cuenta en ESFM que tiene características muy similares a las del sistema automatizado de este trabajo, y el cual se vende por internet en la página de e-bay.
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APÉNDICE A
Propuesta de práctica de laboratorio.
ESPECTRO DE EMISIÓN DE DIFERENTES LED´s. Introducción.
Los LED’s (Light Emitting Diodes) son dispositivos semiconductores que emiten radiación electromagnética (luz) cuando una corriente circula a través de ellos. Cuando un LED se encuentra en polarización directa, los electrones pueden recombinarse con los huecos en el dispositivo, liberando energía en forma de fotones. Este efecto es llamado electroluminiscencia y el color de la luz (correspondiente a la energía del fotón) se determina a partir de la banda de energía del semiconductor. La iluminación LED posiblemente sea el cambio más profundo que ha experimentado el sector de la iluminación desde que se inventó la luz eléctrica. Los LED están transformando la naturaleza de la iluminación, al abrir nuevas posibilidades de formas y lugares en los que se puede utilizar la luz artificial.
El color de la luz emitida (longitud de onda), dependerá del material semiconductor empleado en la construcción del diodo y puede variar desde el ultravioleta, pasando por el espectro visible, hasta el infrarrojo.
Un LED no emite una longitud de onda única (luz coherente) sino que su emisión suele ocupar un ancho de entre 30 y 50nm. Como se muestra en la figura 1, a este conjunto de longitudes de onda se le denomina espectro de emisión y corresponde a la curva que representa la potencia de luz emitida en función de la longitud de onda.
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Figura 1.-Espectro de emisión de diferentes LED.
El espectro de emisión es una característica óptica del dispositivo y ésta depende de muchos factores, como la temperatura de operación, tiempo de depósito de las películas semiconductoras y el tiempo de uso del dispositivo por lo tanto es necesaria la caracterización de los parámetros de emisión de luz como un proceso de control de calidad. Para caracterizar ópticamente un LED se usa un espectrofotómetro, instrumento que incluye un monocromador como componente principal. Equipo Monocromador automatizado Led verde Led rojo Led blanco Fuente de voltaje de +5 V Resistores de 220 Ω y 100 Ω.
1 lámpara ahorradora del tipo “luz cálida” 1 lámpara ahorradora del tipo “luz fría”
Desarrollo experimental
1.- Conecte el circuito como se muestra en la figura 2, para los LED´s rojo y
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Ω. Para el caso de las lámparas ahorradoras solo conéctela a una toma de 110 V AC.
Figura 2. Esquema del circuito necesario para encender un LED.
2.- Instale en una computadora el programa “espectro de fuentes luminosas.vi” junto con el controlador que permite la comunicación entre el microcontrolador PIC18F4550 y el programa LabVIEW (elementos del sistema de caracterización). Todos estos archivos serán entregados por su profesor.
3.- Montaje del equipo. Coloque los equipos según se muestra en el esquema de la figura 3 y 4. Coloque el LED cerca de la entrada del monocromador de tal forma que quede lo más cerca posible de la entrada.
Figura 3. Sistema automatizado para la obtención del espectro de fuentes luminosas. (Propia, 2014)
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Figura 4. Conexión de monocromador, microcontrolador PIC 18F4550 y computadora. (Propia, 2014)
Después de conectar cada uno de los equipos inicie el programa “espectro de fuentes luminosas.vi”, en la parte “selector de dispositivo USB” presione la flecha
negra y seleccione el texto que aparece en el recuadro, esto establece la comunicación entre la computadora y el dispositivo USB. Presione el botón
“medir” en el programa. Después de terminada la medición presione el botón “guardar datos”.
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Repita el paso 3 para cada una de las fuentes luminosas.
En Excel grafique los datos de los archivos que guardó anteriormente. Encuentre la longitud de onda en la cual se encuentra el máximo de intensidad (o de voltaje) para cada una de las fuentes luminosas.
¿Qué color está asociado a estas longitudes de onda?
¿Corresponde este color al color de la luz de que usted ve cuando la fuente luminosa está en operación?
Para el caso de las lámparas ahorradoras.
Calcule mediante la ley de Wien la longitud de onda en donde se encuentra el máximo de intensidad del espectro, calcule la temperatura a la que debería estar un cuerpo negro para que su espectro de emisión fuera similar al de cada una de estas lámparas.
¿Una lámpara común podría operar a esa temperatura?
Explique ampliamente el concepto “temperatura de color”.
¿Corresponde esta temperatura de color medida al reportado en el empaque de la misma?
En el caso del LED blanco:
¿A qué se atribuye la existencia de dos picos de intensidad en su espectro? ¿A qué color está asociado cada pico?
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94
97
Glosario
A
Amplificación.- El proceso de incrementar la potencia, el voltaje, o la corriente por medios electrónicos.
Amplificador operacional (amp-op).- Tipo
de amplificador que tiene una ganancia de voltaje muy alta, una impedancia de entrada muy alta, una impedancia de salida muy baja y un buen rechazo de señales en modo común.
Amplificador no inversor.- configuración
de lazo cerrado de amplificador operacional en la que la señal de entrada se aplica a la entrada no inversora.
Amplificador.- Circuito electrónico que
tiene la capacidad de amplificar potencia, voltaje o corriente.
Analógico.- lo que está caracterizado por un proceso lineal en el que una variable adopta un conjunto de valores.
Ancho de banda.- característica de ciertos tipos de circuitos electrónicos que especifica el rango utilizable de frecuencias que van de la entrada a la salida.
Automatizado.- es un sistema que realiza funciones o tareas asignadas, donde son realizadas por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos.
B
Bit.- es la unidad mínima de información, que puede tener solo dos valores (cero o uno).
BJT.- (bipolar junction transistor) Transistor de unión bipolar: transistor construido con
tres regiones semiconductoras impurificadas separadas por dos uniones pn.
Buffer.- es un espacio de la memoria en un Disco o en un instrumento digital reservada para el almacenamiento temporal de información digital, mientras que está esperando ser procesada.
C
Censar.- Detectar magnitudes físicas o químicas.
Colimador.- en un aparato óptico,
dispositivo capaz de producir un pequeño haz de rayos luminosos paralelos. En un espectroscopio prepara la luz para su descomposición.
Corriente.- la razón de cambio (velocidad de flujo) de la carga eléctrica.
Corriente oscura.-la cantidad de corriente inversa térmicamente generada en un fotodiodo en la ausencia de luz.
D
Datasheet.- (Hoja de datos).- es un
documento, el cual contiene las características, parámetros, especificaciones y graficas de los componentes electrónicos.
Deflexión.- cambio de dirección que sufre un haz de electrones o partículas cargadas a causa de un campo magnético.
Difracción.- Es la desviación que sufren las "ondas luminosas" al pasar de un medio a otro, de densidad distinta. Esto es, el cambio de velocidad en medios distintos geométricamente se refleja como un cambio de dirección.
Digital.- Caracterizado por un proceso en el cual una variable adopta cualquiera de dos valores.
98 Dispersión.- fenómeno de separación de las ondas de distinta frecuencia al atravesar un material.
E
Eficiencia cuántica.- es una cantidad
definida para un dispositivo fotosensible. Es una medida que precisa de la sensibilidad del dispositivo. A menudo se mide sobre un rango de diferentes longitudes de onda para caracterizar la eficiencia del dispositivo a cada energía.
Electrón.- partícula básica de carga eléctrica negativa.
Emisión de luz.- se mide en lúmenes, y son emisiones de paquetes de quantum de energía llamadas fotones.
Espectroscopio.- es un instrumento óptico para obtener y observar los espectros. Este instrumento está destinado a separar las diferentes componentes de un espectro óptico, está constituido por una rendija situada en el plano focal de un colimador, un prisma o una red de difracción y un anteojo para observar el haz dispersado.
Espejo cóncavo.- es un dispositivo óptico que puede formar imágenes sobre una pantalla debido a la reflexión de la luz que procede de la superficie de un objeto.
F
Fotón.- Partícula de energía luminosa.
Frecuencia.- es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico
Fuente luminosa.- son todas aquellas que emiten radiaciones visibles para el ojo humano. Pueden dividirse en naturales y artificiales.
Fusible.-dispositivo protector que se abre cuando la corriente excede un límite nominal.
G
Ganancia.- La cantidad en la cual una señal eléctrica se incrementa o amplifica.
H
Hueco.- La ausencia de un electrón en banda de valencia de un átomo.
I
I2C.- (Inter-Integrated Circuit) es un bus de comunicaciones en serie, es un bus muy usado en la industria, principalmente para comunicar microcontroladores y sus periféricos en sistemas integrados (Embedded Systems) y para comunicar circuitos integrados entre sí que normalmente residen en un mismo circuito impreso.
ISA.- (Instruction Set Architecture,
Arquitectura del Conjunto de Instrucciones) es una especificación que detalla las instrucciones que una CPU (Unidad Central de Proceso) que un ordenador puede entender y ejecutar, o el conjunto de todos los comandos implementados por un diseño particular de una CPU.
L
LED.- (Light-Emitting Diode), diodo emisor
de luz, es un tipo de diodo que emite luz cuando hay corriente creada por un voltaje de polarización directa.
Longitud de onda.- es la distancia real que recorre una perturbación (una onda) en un determinado intervalo de tiempo.
Luz monocromática.- es aquella que está formada por componentes de un solo color.
99 Multiplexor.- son circuitos combinacionales con varias entradas y una única salida de datos, están dotados de entradas de control capaces de seleccionar una, y sólo una, de las entradas de datos para permitir su transmisión desde la entrada seleccionada hacia dicha salida.
P
Pin.- pequeña clavija terminal de un circuito eléctrico.
PLL.- (phase-locked loop), dispositivo para sincronizarse en fase y frecuencia con una señal de salida.
Polarización.- La aplicación de un voltaje de cc a un diodo, transistor u otro dispositivo con el fin de producir un modo de operación.
Portador de mayoría.-el portador de carga más numeroso en un material semiconductor impurificado (o electrones libres o agujeros).
Puerto.- (circuito físico) a través del que se envían o reciben señales desde un sistema o subsistemas hacia otros.
R
Red de difracción.- es un componente
óptico con un patrón regular, que divide (difracta) la luz en varios haces que viajan en diferentes direcciones
Refracción.- se define como al cambio que experimenta la dirección de propagación de la luz cuando atraviesa oblicuamente la superficie de separación de dos medios transparentes de distinta naturaleza.
Región de agotamiento.- El área contigua, a ambos lados, a una unión pn; no tiene portadores de mayoría.
RS-232.- (también conocido como EIA/TIA
RS-232C) es una interfaz que designa una norma para el intercambio de una serie de
datos binarios entre un DTE (Equipo terminal de datos) y un DCE (Equipo de Comunicación de datos).
Ruido.- señal indeseable.
S
Semiconductor.- Material situado entre los conductores y los aislantes en lo relativo a sus propiedades conductoras.
U
USB.- (Universal Serial Bus), se basa en una arquitectura de tipo serial. Sin embargo, es una interfaz de entrada/salida mucho más rápida que los puertos seriales estándar; la cual define cables, conectores y protocolos usados en el bus, para conectar, comunicar y proveer alimentación eléctrica entre ordenadores y dispositivos electrónicos.
100
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