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Cómo motivar a los estudiantes mediante actividades científicas atractivas

EL GIRASOL: EL PANEL SOLAR QUE GIRA CON EL SOL

Esther Álvarez Aparicio

I. E. S. M. SANCHIS GUARNER Silla

Introducción: El sol es una fuente de energía inagotable. Los rayos solares inciden perpendicularmente sobre las células solares de un panel solar y producen un efecto fotoeléctrico. Es decir que el silicio, principal componente de los paneles solares, emite electrones al incidir sobre él la luz, y la circulación de estas cargas eléctricas crea una corriente eléctrica continua. Dejar estático un panel solar significa desperdiciar la potencia que el sol nos entrega cada día. Para mejorar el rendimiento de los paneles solares fotovoltaicos suelen colocarse sobre un elemento que se orienta con el sol siguiendo su trayectoria, desde el amanecer al anochecer, con el fin de que los rayos siempre incidan perpendicularmente al panel y obtener así mayor rendimiento. Objetivos:

• Diseñar y construir la maqueta de un panel solar que se oriente según el movimiento del sol.

• Identificar los componentes necesarios para montar un circuito electrónico que cumpla una determinada función.

• Conocer el papel que desempeñan los diferentes componentes de un circuito electrónico: resistencias fijas, LDR, potenciómetro, condensador, transistor, LED, relé.

• Diseñar circuitos eléctricos y electrónicos con el software apropiado • Saber utilizar el soldador de estaño. • Solucionar problemas en el diseño y construcción de sistemas mecánicos con

movimiento. • Comprender y analizar el funcionamiento de operadores y sistemas mecánicos

sencillos: motor con reductora y tronillo sinfín-corona. • Saber realizar cálculos de velocidades de engranajes. • Reconocer la importancia de los sistemas electrónicos en nuestra sociedad. • Sensibilizarse hacia el uso de energías alternativas para generar electricidad.

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Relación del tema propuesto con el currículo del Curso: Está relacionado con el tema de electrónica analógica de la asignatura de Tecnología de 4º de ESO. Material y recursos necesarios:

Materiales

• Placa de circuito impreso perforada. • Relé 6V, 1 circuito • Transistor BD135 • LDR • Resistencia fija de 100 ohms 1/2 w = marrón, negro, marrón • Resistencia fija de 470 ohms 1/4 w = amarillo, violeta, marrón • Potenciómetro 10 KΩ • Led de 5 mm • Motor reductor 1,5-6 V (microlog LOG 15) • Eje varilla roscada de Ø =4mm de 150mm • Tornillo sinfín de latón: carrera 12 mm, diámetro 10 mm (LOG 245) • Rueda dentada de 28 dientes para eje de 4 mm (LOG 68) • Conmutador doble de tres posiciones (LOG 536) • Perfil de aluminio LOG 290: 250x15x1,5 mm • Placa solar de 1 célula FV 0,5 V (LOG 1911) • Cablecillo flexible (LOG 564) • 2 Pinzas de cocodrilo • Pila de 4,5 V • Regletas de conexión • Tornillos rosca chapa de métrica 4 mm y dos palomillas • Listón de madera de pino 20x10x660 • Listón de madera de pino 30x10x660 • Un tablero de contrachapado de 3 mm de 297x210 (A4) • 2 tableros de contrachapado de 10 mm (A4) • Tuercas y arandelas de métrica 4 mm • Hilo de estaño • Cola blanca Herramientas • Sierra de vaivén • Sierra de arco • Escofina • Lima • Papel de lija

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• Taladro vertical • Soldador de estaño • Tijeras

Normas de seguridad:

• Manejar las herramientas y máquinas siguiendo las normas de seguridad propias de cada una.

• Deben utilizarse gafas protectoras y guantes cuando se corta metal o madera. • Tener mucho cuidado con no quemarse con el soldador de estaño.

Procedimiento: En primer lugar al alumno se le plantea la propuesta de trabajo y las condiciones que ha de cumplir el objeto que se ha de construir. Condiciones de la propuesta:

1. Se construirá un circuito electrónico detector de luminosidad en una placa para circuito impreso.

2. Se construirá un sistema electromecánico regulado por el circuito electrónico, para hacer girar el panel solar.

3. La estructura que soporta la placa solar se construirá con contrachapado.

Antes de empezar a construir la maqueta, el alumno buscará en Internet posibles soluciones para su proyecto. De las soluciones encontradas tomará las ideas que le sean útiles. Seguidamente se le mostrará una foto del proyecto que se pretende que construya.

El objeto construido será algo semejante a:

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Después, el alumno montará el circuito electrónico detector de luminosidad que diseñó en el programa de simulación de circuitos “Crocodile”. Para ello utilizará una placa de circuito impreso ya perforada sobre la que soldará los operadores electrónicos que se citan en el apartado de materiales. Una vez soldados todos los componentes comprobará que el circuito funciona tapando el LDR y observando que el Led se enciende. El circuito es el siguiente:

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Funcionamiento del circuito La resistencia fotoeléctrica es una resistencia variable con la luz, es decir su valor depende de la luz que incide sobre ella. En presencia de un alto nivel de luminosidad, la LDR posee un nivel de resistencia bajo, por el contrario, por la noche o en condiciones deficientes de luminosidad, su resistencia aumenta. En condiciones de luminosidad baja, la resistencia de la LDR aumenta, y la tensión que hay entre los terminales de la resistencia LDR, así como entre la base y el emisor del transistor, aumenta. Llega un momento en que la tensión entre la base y el emisor del transistor, alcanza los 0,7 V y circula una pequeña intensidad por la base, el transistor se satura, pasa a comportarse como un interruptor cerrado, la bobina del relé se activa provocando así, el cambio de posición de sus contactos, permitiendo la salida de tensión que utilizaremos para encender el Led, (y/o poner en marcha un motor). Por el contrario, cuando existe un nivel de luminosidad alto, la LDR presenta una baja resistencia, y por tanto la tensión que hay entre los terminales de la resistencia también será muy baja; casi la totalidad del voltaje de la pila estará aplicado al potenciómetro. Entre la base y el emisor del transistor habrá muy poca tensión, y prácticamente no circulará intensidad por la base. El transistor estará en corte. En estas circunstancias, el transistor no conduce y como consecuencia al relé no le llegará corriente y lógicamente, el campo magnético de la bobina desaparece y como consecuencia los contactos del relé volverán a posición anterior. Ahora, la salida de tensión es nula y el Led se apagará. La función del potenciómetro de 10 KΩ es fijar el nivel de luminosidad al que queremos que se encienda el Led. Seguidamente utilizando un conmutador doble, un motor y dos finales de carrera tendrá que diseñar el circuito que hace mover la placa solar y que se pone en marcha al ser activado el relé. Para ello se recordará el circuito que montaron para la puerta de garaje que construyeron el año pasado:

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Acoplando los dos circuitos anteriores, el alumno llegará a diseñar el siguiente circuito que hará funcionar la maqueta del girasol.

Posteriormente, basándose en los conocimientos adquiridos en 3º ESO sobre mecanismos, el alumno deberá elegir el mecanismo que permita transmitir el movimiento del motor a la base giratoria que soporta la placa solar. Para ello se proyectará la siguiente imagen y se le plantearan distintas cuestiones que lleven al alumno a justificar el que se utilice el sistema de transmisión tornillo sinfín-corona y a calcular la velocidad de giro de la placa solar en revoluciones por minuto.

En la diapositiva se observa: En el tren de engranajes formado por tres engranajes, si el motriz gira en el sentido de las agujas del reloj, el que engrana con él gira al contrario y el tercero girará en el mismo sentido que el primero. Existe una transmisión de movimiento circular en circular en el mismo plano (entre ejes paralelos) aunque en sentido opuesto. En el tren de engranajes de colores también existe una transmisión de movimiento entre ejes paralelos y se observa que los engranajes que comparten el mismo eje giran en el mismo sentido, y también lo hacen a la misma velocidad. Cada par de engranajes que comparten eje gira en sentido contrario con que el que engrana. En el caso del tornillo-sinfín corona, también se observa que el movimiento circular del engranaje se transmite al tornillo sinfín que se mueve con un movimiento circular en un plano perpendicular al del engranaje. En del piñón-cremallera se observa que existe transformación de movimiento circular en lineal.

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Cuestiones:

1. Clasifica los mecanismos en dos grupos según tenga lugar solamente transmisión de movimiento o también transformación de movimiento. Dentro del grupo en el que hay sólo transmisión de movimiento destaca si esa transmisión se realiza entre ejes paralelos o ejes perpendiculares.

2. Observa el tren de engranajes formado por tres engranajes. Sabiendo que el primer engranaje gira a 30 rpm y que tiene 15 dientes ¿A qué velocidad girará el engranaje del medio sabiendo que tiene 10 dientes? ¿Y cual será la velocidad de salida de todo el sistema, sabiendo que el tercer engranaje tiene 20 dientes? ¿Es un mecanismo multiplicador o reductor?

3. Observa el tren de engranajes compuesto. Calcula la velocidad de giro en r.p.m.

del engranaje rosa sabiendo que: el engranaje rojo gira a 36 r.p.m. y tiene 19 dientes, el engranaje azul oscuro tiene 57 dientes, el verde 19 dientes, el azul clarito 54 dientes, el naranja 16 dientes y el rosa 60 dientes.

4. Observa el mecanismo tornillo-sinfín corona. ¿Cuantas vueltas da el tornillo

sinfín cuando la rueda da una vuelta completa? Si el tornillo sinfín es el motriz, ¿el sistema es multiplicador o reductor?

5. Observa el mecanismo piñón cremallera. Sabiendo que la cremallera tiene 8

dientes por centímetro, calcula en cm/min. la velocidad de la cremallera. El engranaje motriz gira a 20 rpm y tiene 8 dientes.

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Una vez se ha diseñando el objeto y se tiene montada la placa de circuito impreso se procede a la construcción de la estructura de madera, y al montaje del sistema electromecánico. Para ello se pueden seguir los siguientes pasos:

1. Se cortan las piezas de madera que corresponden a la estructura que soporta la placa solar y se pegan.

2. Se cortan y se pegan los listones que servirán de soporte al marco que soporta la

placa solar. Este soporte se une mediante tornillos y palomillas a dicho marco. Se corta la pieza que servirá de base giratoria y s une mediante el eje de giro (barra roscada) a la estructura que soporta la placa solar.

3. Se cortan y se pegan las piezas de madera que forman la base del proyecto

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4. Se coloca el eje con el engranaje sobre una estructura formada por perfiles de aluminio que sirve de soporte a la base giratoria.

5. Se fija el motor en cuyo eje de salida se ha puesto un tornillo sinfín. 6. Se coloca el LDR que va unido mediante cable a la placa de circuito impreso.

7. Se ponen los cables que corresponden el circuito eléctrico que une la placa de circuito impreso con el sistema electromecánico según el esquema del circuito

dibujado mas arriba y diseñado en con el programa Crocodile, o lo que es lo mismo según el esquema de la izquierda, mas intuitivo. La situación de los interruptores finales está marcada en los dibujos de los pasos 3 y 6 mediante flechas. La base giratoria lleva en la periferia una varilla

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de madera que chocará con los finales de carrera al girar. 8. Ya está construido el objeto.

9. Finalmente se comprueba que el objeto funciona, es decir que en oscuridad la placa

solar girará hasta que al iluminar con un flexo el LDR se pare en ese lugar. Los finales de carrera sirven para delimitar el recorrido total de la placa solar, es decir que cuando la base giratoria toque el final de carrera, el motor se parará y la placa deja de girar. Y lo mismo para cuando el giro se realice hacia la izquierda.

Tiempo necesario para desarrollar esta unidad: 6 semanas con tres horas de clase a la semana. Cuestiones para los alumnos:

1. A la vista del siguiente circuito contesta:

• ¿Qué otras aplicaciones se te ocurren para este circuito? • ¿Cómo conectarías un motor al relé si quieres que este se pare automáticamente

cuando una persiana llegue al final de su recorrido?

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2. ¿Qué podríamos añadir al objeto construido que lo hiciera más útil? 3. Elaboración de la memoria del proyecto según los siguientes apartados.

1. Planteamiento del problema 2. Búsqueda de información 3. Definición del objeto 4. Diseño

a. Boceto b. Perspectiva c. Planos de las distintas piezas de contrachapado d. Foto del objeto e. Esquema del circuito y explicación del mismo f. Cálculos realizados

6. Planificación del trabajo: Tareas a realizar. Lista de materiales, tornillería y operadores. Lista de herramientas

7. Presupuesto 8. Proceso de Construcción

a. Preparación de la placa de circuito impreso b. Preparación de las piezas c. Construcción de la estructura d. Montaje del sistema de transmisión de movimiento e. Montaje y conexión del circuito eléctrico y electrónico.

Se pueden añadir fotos de las distintas fases del proceso de construcción 9. Comprobación y Rediseño

Explica si funciona o no el objeto. Si no funciona explicar por qué puede ser y cómo se puede solucionar. Explicar si cumple o no las características que se pedían. Si a lo largo del proceso de construcción se han cambiado algunas cosas con respecto al boceto del principio decid cuales y por qué.

10. Mejoras que se pueden introducir. Escribir posibles modificaciones que se podrían introducir en el objeto y que

mejorarían su función 11. Evaluación

Análisis de las respuestas de los alumnos: Las distintas respuestas de los alumnos a las cuestiones anteriores fueron:

1. • .-Encendido automático de farolas según la luz solar

.-Como circuito detector de personas en puertas de apertura automática. Si existe un rayo láser que incida sobre un LDR el motor que acciona la puerta está parado, al interponerse una persona el láser deja de actuar sobre el LDR (oscuras) el motor se pone en marcha y se abre la puerta. .-Una alarma. En la que cuando un objeto se interpone entre el láser y el LDR suena un timbre.

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.-Que al interponerse humo de un incendio entre el láser y el LDR se activara un motor de una bomba de agua que apagara el incendio.

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2. Poner un ventilador que funcionara con la energía eléctrica generada por la placa

solar. Poner otro detector de luz que hiciera que todo el mecanismo dejara de funcionar por la noche y así no haría falta desconectarlo manualmente mediante el conmutador de tres posiciones.

3. De la memoria elaborada por los alumnos, quizás lo que más información nos ofrece para poder reproducir el objeto construido sean los planos de las piezas cortadas en madera. Por ello a continuación se incluyen dichos planos y se señalan las piezas con un número en la foto del proyecto construido

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Análisis de la práctica presentada por el profesor: Este ha sido un proyecto que ha gustado mucho a los alumnos por varias cosas: En primer lugar quedaron muy sorprendidos cuando descubren que el circuito electrónico funcionaba, es decir que cuando al tapar el LDR se enciende el Led. Es como si descubrieran que la electrónica no es algo tan “marciano” sino que está a su alcance entender, diseñar y montar un circuito electrónico útil. El ver que funcionaba el circuito electrónico les motivó más aún a continuar el proyecto para conseguir el objetivo final, que era que cuando al LDR le diera la luz el motor se

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parara y el soporte de la placa solar dejara de girar para aprovechar la máxima intensidad de luz solar. Estaban tan ilusionados que quisieron continuar el proyecto y colocar un ventilador que girara gracias a la energía eléctrica generada por la placa solar. No contentos con eso pretendían conseguir que dicha energía se utilizara también para abastecer el propio motor que hace girar la placa. La idea es muy buena, pero evidentemente hacen falta mas placas solares conectadas en serie para conseguir un voltaje que lo permita. Esto último ya no lo hicimos, pues era alargar mucho el proyecto. A los alumnos más retrasados les costaba trasladar la lectura del esquema del circuito electromecánico a su montaje en la realidad y necesitaban que en varias ocasiones se les dijera donde tenían que conectar los cables. Sin embargo, una vez montado fueron capaces de entender perfectamente el funcionamiento del circuito del proyecto. A pesar de se un proyecto complejo, me consta que los alumnos han disfrutado.

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