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AirBoat GO-GO

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Descripción del modelo 3D


##(https://www.youtube.com/watch?v=KVHloo4cTNI) es un kit de aprendizaje de conceptos de física y electrónica.


  • GO-GO AirBoat es un aerodeslizador de hélice motorizado con sensor de carga útil.

  • Cuando el AirBoat GO-GO alcanza su máxima capacidad, observe cómo el motor gira a toda velocidad, haciendo girar la hélice, y observe cómo se mueve GO-GO! ¿Cuántos peniques puedes cargar antes de que GO-GO se vaya? ¿Se hundirá o flotará? Cargue su salvavidas a bordo y diga "Bon voyage" a su AirBoat GO-GO!

  • Cargue sus contenedores de carga con hasta 20 centavos cada uno (prueba de centavos de dólar estadounidense). Los contenedores de carga son infinitamente apilables! El área de carga de GO-GO puede soportar hasta 5 columnas de contenedores de carga. Son posibles muchas combinaciones de distribución de carga y peso. ¡Experimentar!

  • Las instrucciones proporcionadas incluyen la derivación de la ecuación "Maximum Number of Pennies" para mantenerse a flote con la configuración de carga elegida.

  • Fácil de imprimir! Sólo se necesitan cuatro archivos STL para construir su AirBoat GO-GO y sus contenedores de carga, así que es fácil de hacer.

  • GO-GO AirBoat detecta cuándo embarcarse en su largo recorrido a través del mar cuando está completamente cargado con su valiosa carga. Un pistón flotante dentro de la chimenea del barco se mueve libremente con el nivel del agua y activa el motor para conducir cuando se alcanza una cierta profundidad. Este sensor emplea un simple LED infrarrojo, un fototransistor y un par de etapas de transistores Darlington para la conmutación de un pequeño motor de corriente continua.

  • El punto de disparo del sensor de profundidad puede modificarse mecánicamente utilizando diferentes alturas de pistón flotante de su propia creación.

  • Obtenga experiencia práctica con resistencias, condensadores, diodos, LED, motores de corriente continua, transistores de unión bipolar (BJT), transistores de par Darlington, fototransistores como disparadores, diseño de placas de circuito y soldadura.

  • El AirBoat GO-GO cuenta con una serie de componentes básicos y discretos, construcciones electrónicas para ayudar a los jóvenes ingenieros y futuros científicos a visualizar mejor los componentes eléctricos, su cableado y sus funciones en los circuitos electrónicos. Las instrucciones proporcionan cálculos paso a paso y descripciones de cómo funcionan los circuitos individuales en conjunto.

  • Utilice este modelo como una actividad o introducción a temas como el peso, la masa, el desplazamiento, la densidad, la flotabilidad y el centro de gravedad. Los temas tratados en las instrucciones se centran en la masa, la densidad y el álgebra básica. Las habilidades de lógica y razonamiento se ejercen para traducir los valores calculados al mundo real.


Diseñado por David Choi

Parámetros de impresión 3D


##_MI INSPIRACIÓN:

Quería crear una pieza educativa de la que se pueda aprender y ampliar, desarrollando y mejorando experiencias fundamentales y motivadoras mientras se construye, se prueba y se juega. Las matemáticas, la física y la electrónica no fueron las cosas más fáciles de aprender para mí, pero creo que con pasión se puede aprender cualquier cosa, y esto puede ser alimentado rápidamente por experimentos exitosos del mundo real que se hacen divertidos. Este proyecto introductorio está dirigido a mentes jóvenes, principiantes, estudiantes, bricolaje, entusiastas, diferentes y similares, para la exploración, experimentación e iteración positiva.


##CONTENTS:

  • ¿QUÉ HACE EL GO-GO AIRBOAT?

  • CÓMO FUNCIONA

  • MI CONFIGURACIÓN DE LA IMPRESORA Y TÉCNICA DE POST-PROCESAMIENTO

  • CONSEJOS DE IMPRESIÓN Y SOLUCIÓN DE PROBLEMAS

  • EL PROBLEMA Y LA FÍSICA EN POCAS PALABRAS

    • ASUNCIÓN
    • LO QUE SABES
    • LO QUE NO SABES
    • LO QUE SE MIDE
    • MEDICIÓN DEL "VOLUMEN DESPLAZADO" (Vd)
    • CÁLCULOS Y NUESTRA ECUACIÓN FINAL
  • HERRAMIENTAS Y ARTÍCULOS RECOMENDADOS

  • LO QUE NECESITAS PARA EL CIRCUITO

  • DÓNDE ENCONTRAR PIEZAS ELECTRÓNICAS

  • EL CIRCUITO EXPLICADO

  • CONSEJOS ÚTILES PARA EL MONTAJE DE CIRCUITOS Y BOTES, TRUCOS Y SOLUCIÓN DE PROBLEMAS

  • SU PRIMER VIAJE

  • EXPLORACIÓN ADICIONAL, EJERCICIOS DE COLABORACIÓN E IDEAS PARA EXPERIMENTOS

  • TUS NUEVAS HABILIDADES

  • DESCARGO DE RESPONSABILIDAD


##__¿QUÉ HACE UN GO-GO AIRBOAT? ##_WHAT DOES GO-GO AIRBOAT DO?

  • El GO-GO AirBoat, tal y como se proporciona, es un aerodeslizador de hélice motorizado con sensor de carga útil. Tiene un gran volumen de carga útil capaz de alojar contenedores de carga llenos de.... LO QUE SEA QUE HAGA FLOTAR TU BARCO.

  • GO-GO cuenta con un sensor óptico y un componente mecánico de fácil acceso para detectar lo cerca que está de hundirse por la sobrecarga de la carga útil.

  • GO-GO viene con contenedores de carga que contienen 20 peniques cada uno y se apilan para formar cualquier configuración que desee.

  • Utilice las ecuaciones incluidas derivadas de las instrucciones para calcular el número de peniques y contenedores de carga que su GO-GO puede contener sin hundirse.

  • Lo que es más interesante es lo que usted puede hacer que GO-GO haga por usted. Piense en GO-GO como una plataforma móvil y flotante para su imaginación.


##CÓMO FUNCIONA:

  • Cargue sus contenedores de carga con centavos en cualquier orden o cantidad que desee y cruce los dedos....

  • O juegue a lo seguro y use las ecuaciones derivadas en estas instrucciones para calcular el número máximo de centavos que su AirBoat GO-GO llevará con su configuración de carga para mantenerse a flote, y luego pruébelo en el mundo real.

  • Los contenedores de carga se apilan y encajan para aumentar la capacidad de carga útil. Hasta 20 centavos por contenedor de carga.

  • GO-GO AirBoat se sentará ocioso mientras usted carga sus contenedores de carga.

  • Cuando GO-GO alcance su capacidad, la hélice girará y enviará su preciosa carga útil a través de la piscina.

  • El AirBoat GO-GO tiene un sensor de profundidad diseñado en su chimenea. El sensor de profundidad emplea un transmisor de diodo infrarrojo (IR) - par de fototransistores, y un pistón flotante para activar la puerta IR cuando bloquea el haz.

  • El pistón flota libremente con el nivel del agua dentro de la chimenea que está abierta al flujo de agua por debajo del casco. Un enganche en el casco en la parte inferior evita que el pistón se caiga.

  • Se pueden experimentar con pistones de diferentes alturas para alterar los niveles de disparo. El pistón de culata contenido en el archivo de impresión de la hélice ("GoGoAirBoatParts.stl") tiene un diámetro de 1,0 cm y una altura de 1,5 cm.


##MI CONFIGURACIÓN DE LA IMPRESORA Y TÉCNICA DE POST-PROCESAMIENTO:___.

  • MakerBot Replicator 5ª Generación

  • 1.75mm PLA

  • No Balsas

  • Sin apoyos

  • Temperatura a 214°C*

  • 0.20mm Resolución

  • Relleno al 10%.

  • 3 carcasas (El modelo fue diseñado pensando en 3 carcasas)

  • Primera capa a 30mm/s (Esto ayuda mucho a conseguir un sellado hermético!)

  • Insertos a 80mm/s

  • Contornos a 18mm/s*

  • Todo lo demás, parametrizaciones estándar

  • No se necesita procesamiento posterior

  • No necesita pegamento ni resina

*Mi extrusora actual tiende a rezumar en los contornos, así que bajé la temperatura y reduje la velocidad alrededor de los contornos.


##CONSEJOS PARA LA IMPRESIÓN Y SOLUCIÓN DE PROBLEMAS:_

  • ¡Nivela tu placa de construcción primero! Asegúrate de que tu placa de construcción esté lo más nivelada posible. Después de nivelar, sugiero imprimir primero los contenedores de carga para tener una idea del nivel de la placa de construcción antes de imprimir el barco. Cada capa debe estar impresa a nivel, bien unida y sólida. Asegúrese de tener su Offset Z ajustado también. Si las impresiones están saliendo mal y usted insiste en que su placa de construcción está nivelada, entonces es posible que desee limpiar o reemplazar la boquilla de su extrusora. En mi experiencia, el atascamiento persistente de la extrusora es un signo de una extrusora desgastada o de una desviación en Z inadecuada. Si deja un filamento que no se pega o se mueve de un lado a otro como una serpiente en la placa de construcción, es demasiado alto. Alternativamente, si oye chasquidos repetitivos de su extrusora, está demasiado cerca, o su extrusora está obstruida o desgastada. Durante la correcta extrusión de la impresión en sí, no se oirá ningún clic y el filamento se colocará firme y delgado en altura.

  • No hay necesidad de cambiar la escala de los archivos STL proporcionados._Los dibujé a escala.

  • Observe cuidadosamente las primeras capas de su impresión y podrá reconocer cuando una impresión va a tener éxito o no con un ojo agudo y un poco de persistencia y experiencia sistemática. Sus primeras capas deben adherirse bien a la placa de construcción y las líneas deben entrelazarse sólidamente.

  • Si sus impresiones no funcionan con su configuración favorita, por favor, inténtelo con mi configuración. Usé PLA.

  • Siempre he utilizado una púa guitarra, empezando por las esquinas y trabajando suavemente alrededor de los bordes (específicamente, las púas amarillas de la guitarra Dunlop Tortex, ya que tengo muchas de esas, de 0,73 mm de grosor). Esos son mis dos centavos. Nunca he investigado lo que otras personas hacen, pero esto funciona para mí. Si tienes un gran método, compártelo!

  • Tienes que asegurarte de que la placa de construcción esté nivelada y de que la desviación en Z sea óptima. Experimente con velocidades de extrusión más lentas y temperaturas diferentes en un par de grados. Después de una cuidadosa nivelación, tuve una impresión exitosa y hermética. Si todo lo demás falla, selle el casco con resina o pegamento, o simplemente comience con una boquilla nueva para finalmente deshacerse de cualquier gremlins traicionero de impresión.


##EL PROBLEMA Y LA FÍSICA EN POCAS PALABRAS:

Queremos calcular el número máximo de peniques que podemos cargar en el AirBoat GO-GO antes de que empiece a hundirse. Esperamos que su AirBoat GO-GO salga antes de que alcance este valor máximo de un centavo. Ya que estamos cargando los centavos en contenedores de carga, sería bueno predecir si nuestro próximo contenedor conducirá a un desastre hundido o no.

Los barcos flotan debido a su flotabilidad en el agua. La flotabilidad es una función del volumen del fluido desplazado y de la densidad del fluido desplazado, junto con la aceleración local debida a la gravedad. El objeto menos denso será más flotante (flotación), y el objeto más denso será menos flotante (hundimiento). En nuestro caso, mientras nuestro barco sea menos denso que el agua que desplaza, ¡se mantendrá a flote!

Así que vamos a calcular el número máximo de peniques que podemos cargar usando cualquier configuración de contenedores de carga....


#####ASUNCIÓN.

Todos los peniques tienen una masa media de 2,5 g.


######LO QUE YA SABES:

Densidad = (Masa) / (Volumen)

"Densidad del agua" = Agua ≈ 1g/cm^3

"Masa de un penique" = Mp = 2.5g

Nótese que a nivel del mar en la Tierra, el "peso"[kg] y la masa[kg] son intercambiables....

→ "Weight of a Penny"[kg] = Wp[kg] ≈ Mp[kg]

Esto es importante ya que vamos a hacer varias mediciones de peso más tarde (lo más probable es que estés usando una balanza de resorte o una balanza digital), pero necesitaremos sus masas en su lugar para nuestras ecuaciones y cálculos.

Usaremos esta relación masa-peso para ayudar a simplificar los cálculos.

Puede que ya hayas hecho esta conversión automáticamente en tu cabeza y nunca lo pienses dos veces, pero es una buena idea entender por qué podemos hacer esto en la Tierra. Esta explicación también nos ayuda a ver por qué la notación y el verdadero significado detrás de la notación es tan importante en los problemas físicos.

Las balanzas miden la masa directamente cancelando la fuerza gravitacional local a ambos lados del punto de apoyo, pero se necesita una masa conocida y calibrada para medirla. Por otro lado, las básculas de resorte y las básculas digitales miden directamente las fuerzas, es decir, el peso. Probablemente usted tiene una balanza de resorte o digital y no una balanza, así que vamos a decir que estas medidas son de masa por simplicidad. Esta es una aproximación válida para nuestro GO-GO con destino al mar.


######LO QUE NO SABES:

Let, x = "Maximum Number of Pennies" (Número máximo de peniques)

Queremos resolver el máximo número de peniques que el AirBoat GO-GO puede transportar. Esto significa que _tenemos que resolver la variable x, donde la densidad del volumen desplazado por el barco es menor que la densidad del agua -es casi el límite donde nuestro barco flota o se hunde-.

Tenemos que resolver para x cuándo:

Dgg < Dwater, donde Dgg es la "Densidad del GO-GO cargado".

Para ello, primero tendremos que averiguar cuál es la "Masa total de GO-GO cargado" (Mtotal), ya que se puede ver que Dgg = (Mtotal) / (Vd) de la ecuación de densidad, donde Vd es el "Volumen desplazado".


#####LO QUE MIDES:__

Let, Vd = "Volume Displaced" = (? cm^3); Where, 1mL = 1cm^3.

Let, Mgg = "Masa de GO-GO con electrónica y batería, descargada" = (? g)

Let, Mcc = "Masa de un contenedor de carga, descargado" = (? g)

Let, Mcl = "Masa de una tapa de carga" = (? g)


#####MIRANDO EL "VOLUMEN DESPLAZADO" (Vd)

Un método para medir el desplazamiento total del barco a su capacidad sería poner un tazón grande dentro de un tazón vacío más grande, llenar el tazón interior hasta el borde con agua y remojar el barco a la profundidad deseada (la profundidad máxima que usted cree que el GO-GO puede manejar, o cuando se dispara el sensor de profundidad - estos están diseñados para ser similares en valor). El agua desplazada que se encuentra en el recipiente exterior se puede medir ahora con una taza de medición o, mejor aún, se puede pesar con una báscula. Por alguna razón, no tengo tazones, tazas para medir, una báscula ni ningún utensilio básico de cocina en mi apartamento, así que nunca lo he probado.

Un método alternativo, menos útil, es medir el volumen del interior del área de carga del casco del barco solo. Esto claramente le dará una respuesta incorrecta, indeseable o completamente errónea, pero esto puede hacerse con una pequeña taza de medición rápidamente. Su cálculo se verá frustrado por un número decente de centavos, lo que posiblemente resultará en un barco hundido. Sólo ten esto en mente.


#####LOS CÁLCULOS Y NUESTRA ECUACIÓN FINAL.

Let, a = "Number of Cargo Containers" (Número de contenedores de carga)

Let, b = "Number of Cargo Lids" (Número de tapas de carga)

"Masa total de GO-GO cargado" = Mtotal = (Mgg) + a - (Mcc) + b - (Mcl) + x - (Mp)

Recordemos, de la ecuación de la Densidad, tenemos....

"Densidad de la carga GO-GO" = Dgg = (Mtotal) / (Vd)

→ Dgg = [ (Mgg) + a - (Mcc) + b - (Mcl) + x - (Mp) ] / (Vd)

Entonces, ¿cómo nos relacionamos con la "Densidad de GO-GO cargado" (Dgg)?

Recuerda nuestra estipulación para resolver para x? (Pista: "Tenemos que resolver para la variable x, donde la densidad del volumen desplazado por el barco es menor que la densidad del agua - que es casi el límite donde nuestro barco flota o se hunde.")

Sé lo que estás pensando. Tienes razón.

Necesitamos encontrar a Dgg < Dwater, y conocemos a Dwater ≈ 1g/cm^3.

→ Dgg < Dwater

→ [ (Mgg) + a - (Mcc) + b - (Mcl) + x - (Mp) ] / (Vd) < (Dwater)

→ x < [ (Dwater) - (Vd) - [ (Mgg) + a - (Mcc) + b - (Mcl) ] ] ] / (Mp)

"Número máximo de centavos" < [ (1g/cm^3) - (Vd) - [ (Mgg) + a - (Mcc) + b - (Mcl) ] ] ]]. / (2.5g)

∴ → Si el número de monedas que usted carga en el AirBoat GO-GO es menor que el lado derecho de la ecuación anterior, entonces su GO-GO se mantendrá a flote en el agua..... ¿Verdad?

Casi: La respuesta debe ser un valor entero ya que estamos hablando de centavos enteros, no de centavos parciales.

##∴ → Para valores no enteros: "Máximo de centavos en la vida real" = ("Número máximo de centavos" Redondeado hacia abajo al primer número entero)

##∴ → Para valores enteros: "Máximo de centavos en la vida real" = ("Número máximo de centavos") - 1 centavo

(¿Por qué menos un centavo? Dado que un valor entero es una indicación de que los valores son exactamente iguales incluso con el redondeo del "Número máximo de peniques", necesitamos restar un penique entero para satisfacer la desigualdad.)


##HERRAMIENTAS Y ELEMENTOS RECOMENDADOS:__

  • Multímetro (Amperímetro, Voltímetro, Ohmímetro, Verificador de Diodos, Verificador de Continuidad)

  • Soldador y soporte/estación

  • Pinzas de mano para cocodrilo Helping

  • Soldadura

  • Esponja húmeda

  • Ventosa para Soldar o Trenza para Desoldar

  • Pelacables

  • Pequeño, Pico de Pájaro, Cortadores Laterales

  • Tubo pequeño, termorretráctil

  • Tablero de anuncios

  • Alambres de puente para tablero de madera

  • Escala[gramos]

  • Taza medidora (opcional)

  • Broca de 1/8" (opcional)


##LO QUE NECESITAS PARA EL CIRCUITO:

  • (1) - Paquete de baterías de 3.6V, 800mAh, NiMH (o simliar)

  • (1) - Par macho/hembraconector JST para la batería (o similar)

  • (1) -130-size, 4.5V to 6V, DC motor (Este es un pequeño motor de hobby)

  • (1) - 1N914 pequeña señal, diodo de conmutación (Este pequeño sobrevivirá pero equivalente o mejor, como el 1N4001 o algo así)

  • (1) - Condensador electrolítico de 1000uF, 10V

  • (1) - Interruptor SPST (con capacidad nominal de al menos 1 amperio)

  • (2) - 2N2222, Transistores NPN (o equivalente)

  • (1) - Diodo emisor infrarrojo (IR) (5mm)

  • (1) - Fototransistor NPN 5V (5mm)

  • (2) - 1kΩ, Resistencias 1/4W

  • (1) - 100Ω, 1/4W Resistencia

  • (2) - 220Ω, 1/4W, Resistencias

  • (4) - LEDs de 5mm (usé 2 blancos, 1 rojo y 1 verde para imitar las luces del barco).

  • (1) - PCB redondo (45mm de diámetro comprado en RadioShack. Si no tienes eso, no te preocupes, una tabla rectangular funcionará mejor. Pruebe 50mm x 40mm o 40mm x 40mm.)

  • Longitudes de alambre, ~22AWG (preferiblemente trenzado)


##DONDE ENCONTRAR PARTES ELECTRÓNICAS:

Para este proyecto fui a RadioShack.

  • RadioShack (Esencialmente todas las partes se pueden encontrar en su tienda local si le gusta caminar)

El conector JST que tenía a mano de Adafruit. El motor que tenía en alguna parte, pero Adafruit lleva uno muy similar.

También puede utilizar estos sitios increíbles a continuación:


##EL CIRCUITO EXPLICÓ:

Los principales componentes del circuito eléctrico son un par emisor-fototransistor infrarrojo (IR), el par de transistores NPN, Darlington y el motor de corriente continua. Esas son las partes importantes. El circuito se puede dividir en 5 secciones más pequeñas para cubrir la función de cada pieza. He proporcionado el diagrama de circuito como dos diagramas separados incluidos en los archivos de imagen para el AirBoat GO-GO. El primer diagrama es del circuito de conducción principal y del sensor. El segundo diagrama es para los LED decorativos.

R1 = 1kΩ, 1/4W Resistencia

R2 = 100Ω, 1/4W Resistencia

R3 = 1kΩ, 1/4W Resistencia

R4, R5 = 220Ω, 1/4W Resistencia

IR LED = 1.2Vfwd, 100mA máx.

C = 1,000uF, 10V Condensador electrolítico

D = 1N914 Diodo

M = 4.5V - 6.5V DC 130-Motor, 250mA

PT = Fototransistor, 50mA máx., 150mW máx.

Q1, Q2: 2N2222; 600mA continuo, 625mW máx.

  1. La fuente de alimentación y el interruptor de alimentación principal

Esta es la sección más sencilla de explicar. Este circuito es extremadamente básico y no utiliza una regulación de voltaje adecuada. Es por eso que la selección del voltaje de la batería es importante. La fuente de alimentación es una batería de voltaje constante de 3.6V con un interruptor de alimentación conectado en serie. El condensador electrolítico polarizado en paralelo con todo el circuito está ahí para ayudar a suavizar el consumo de corriente de la batería y evitar que la tensión de alimentación caiga en el resto de la alimentación cuando el motor se enciende. Su propósito principal en este circuito es evitar que los LED parpadeen demasiado cuando el motor se enciende. Un chip de regulación de voltaje dedicado ayudaría a curar esto con la ayuda de un requerimiento de voltaje de suministro ligeramente mayor.

  1. El motor de corriente continua y el diodo de retroceso.

El circuito está diseñado alrededor del motor de 4.5V y su consumo de corriente. Necesitaremos asegurarnos de que el transistor Q2 pueda manejar la disipación de energía, que calcularemos más adelante. Consulte la sección "Transistores de unión bipolar (BJT) y el par Darlington formado por Q1 y Q2" para los cálculos del motor y los transistores.

El diodo de retroceso protege la alimentación y los transistores y disminuye la generación de CEM por el motor. Es una práctica común poner uno al revés, en paralelo con los terminales del motor para un motor de corriente continua de una sola dirección. Si intenta hacer funcionar el motor en reversa, soplará el diodo por una corriente excesiva.

  1. Los LED's y el diodo transmisor de IR__

Los LEDs rojo y verde tienen resistencias 220Ω en serie con ellos, el diodo emisor IR tiene una resistencia 100Ω, y los LEDs blancos comparten una resistencia 1kΩ porque son muy brillantes. Las caídas de tensión de los LED son diferentes según las diferentes potencias de salida de los LED y sus respectivos colores, lo que hace de 220Ω un punto de trabajo seguro. Sin embargo, pueden parecer un poco más tenues de lo que te gustaría, pero puedes ajustar los LED en consecuencia siguiendo las instrucciones dadas en un momento. El diodo emisor de IR funciona como cualquier otro LED. Si desea calcular los valores de resistencia para sus propios LED, siga esta fórmula:

Primero mida la caída de tensión hacia adelante de su LED (Vfwd). Algunos LEDs proporcionan esta información en su embalaje u hoja de datos.

Vfwd = "Your LED"V

Vs = "Your Supply Voltage"V

I = "Su corriente LED"A

Siguiendo la regla de Kirchhoff para nuestras resistencias en serie y circuitos LED, sabemos....

→ Vs = (Vfwd) + (Vresistor)

→ Vresistor = (Vs) - (Vfwd)

De la Ley de Ohm, tenemos....

V = I - R

→ R = V / I

→ R = (Vresistor) / I

∴ → R = (Vs - Vfwd) / I

Ejemplo:_Ejemplo:_Ejemplo:_Ejemplo:_Ejemplo:_Ejemplo:_Ejemplo

R = (3.6V - 1.2V) / (0.025A) = 96Ω

Por lo tanto, 100Ω funcionará muy bien para nuestro diodo transmisor de IR - es el valor de resistencia más cercano y común.

Nota: Ya que los LEDs blancos son tan brillantes, cableé los dos LEDs blancos en paralelo y luego en serie con una sola resistencia limitadora de corriente de 1kΩ. Esto reduce a la mitad la corriente suministrada a cada LED individualmente, lo que da como resultado una luz más tenue que se ajusta mejor a las salidas de los LEDs rojos y verdes no tan grandes que usé. Esto nos ahorra la necesidad de otro resistor. Ver el esquema para una aclaración.

Ejercicio extra para principiantes.

- Utilice un ohmímetro para medir la resistencia entre el limpiaparabrisas (generalmente, terminal central) y otro terminal de un potenciómetro común de tres terminales. Compare estos valores con la dirección de giro del mando y con el diagrama esquemático del potenciómetro. ¿El diagrama tiene sentido ahora? ¿Cómo se cablea para invertir la dirección de los valores de resistencia?  


- Usted puede hacer breadboard de su circuito LED y tratar de añadir un potenciómetro de bajo valor (tal vez 1kΩ) en serie con la resistencia y el LED. Girando el mando, puede ajustar manualmente el brillo del LED. Lo que estás haciendo es limitar el flujo de corriente a través del LED cuando aumentas la resistencia del potenciómetro. No olvide la resistencia en serie con el LED o podría destruirla.  
  1. Transistores de unión bipolar (BJT's) y el par Darlington formado por Q1 y Q2__.

Nuestro objetivo es calcular la corriente de base (Ibase) necesaria para alimentar nuestro motor con un 2N2222 (en nuestro caso, en una configuración de par Darlington).

Especificaciones pertinentes2N2222:

Q, disipación de potencia máxima = 625mW

Q, corriente continua = 600mA

Q, β = 10

Q, Vce ≈ 0.1V @ (Ic / Ib) = 10

Nuestro motor tendrá un consumo de 150mA, por lo que un 2N2222 será suficiente.

Tenemos un segundo transistor, Q2 conectado al transistor Q1 de una manera llamada Darlington Pair. Un par Darlington actúa como un multiplicador de ganancia. Esencialmente, puede multiplicar los dos factores de ganancia (β) de Q1 y Q2 juntos para crear una etapa de amplificación muy sensible que llamaremos Qd (que consiste en Q1 y Q2).

Así que nuestra nueva ganancia de Darlington (β, Qd) es....

(β, Qd) ≈ (β1 - β2)

→ (β, Qd) ≈ 10 - 10

→ (β, Qd) ≈ 100

Los pares de Darlington, debido a la forma en que están construidos, tienen un (Vce) diferente que un solo transistor.

Para las parejas Darlington....

(Vce, Qd) = (Vce, Q2) + (Vbe); donde (Vbe) = 0.6V (Mínimo para saturación)

→ (Vce, Qd) = 0.1V + 0.6V

→ (Vce, Qd) = 0.7V

Actualizando nuestras especificaciones para Qd como un todo, hemos....

Nuestro nuevo par Darlington 2N2222 especificaciones Qd:

Qd, disipación de potencia máxima = 625mW

Qd, corriente continua = 600mA

Qd, β = 100

Qd, Vce = 0.7V

Usando la fórmula de potencia podemos calcular la disipación de potencia del transistor Q2 al dibujar 150mA para comprobar si está dentro del rango....

Hielo = 0.150A

P = I - V

→ Disipado (de Q2) = (Hielo) - (Vce, Qd)

→ Disipado (de Q2) = 0.150A - 0.7V

→ Disipado (de Q2) = 0.105W = 105mW

→ [ Disipado (de Q2) = 105mW ] < [ Q, disipación de potencia máxima = 625mW ]

Ahora que hemos comprobado que nuestro transistor no se sobrecalienta, podemos finalmente calcular la cantidad de corriente que necesita ser suministrada a la base (Ibase) de Q1 para poder accionar nuestro motor con 150mA (no tenemos que evaluar la potencia disipada en Q1 porque es fácil ver que se trata de una cantidad muy pequeña).

Utilizando la siguiente fórmula, donde (β, Qd) = 100.....

Ibase = (Ice) / (β, Qd)

→ Ibase = 0.150A / 100

∴ → Ibase = 1.5mA

Esto significa que la resistencia R1 debe pasar por lo menos 1.5mA para poder encender completamente nuestro par Darlington. Además, nuestro fototransistor debe ser capaz de hundir al menos esta cantidad de corriente para poder apagar completamente los transistores.

Antes de continuar, debemos calcular el voltaje a través de la base y el emisor para un par Darlington (Vbe, Qd).

(Vbe, Qd) = (Vbe, Q1) + (Vbe, Q2)

Dónde,

(Vbe, Q1) = 0.8V (a 150mA)

(Vbe, Q2) = 0.7V (a 15mA)

→ (Vbe, Qd) = 0.8V + 0.7V

∴ → (Vbe, Qd) = 1.5V

Necesitamos saberlo (Vbe, Qd) porque es el umbral de tensión necesario para que los transistores Qd se enciendan completamente.

  1. El disparador del fototransistor.

Especificaciones del fototransistor:

I = 50mA máx.

P = 150mW máx.

Lo que queremos es que Qd se encienda cuando el haz IR está bloqueado, es decir, cuando el fototransistor deja de funcionar. Por lo tanto, el fototransistor está cableado en serie debajo de la resistencia 1kΩ El nodo entre el fototransistor y la resistencia 1kΩ donde se conecta la base de Qd es nuestro nodo de interés (base de Q1).

La resistencia 1kΩ (R1) es nuestra resistencia base para Qd. Necesitamos que la resistencia base pase al menos 1.5mA cuando el fototransistor está en estado encendido, y que pase al menos 1.5mA a la base de Qd cuando el fototransistor está en estado apagado. En otras palabras, por lo menos 1.5mA debe estar fluyendo a través de la R1 en todo momento. Esta corriente es pequeña comparada con el rendimiento máximo de 50mA para nuestro fototransistor elegido, así que no tendremos ningún problema en encender y apagar el Qd (incluso si no podemos hundir un 50mA completo a través del fototransistor).

Necesitamos que R1 suministre al menos 1.5V a través de la base y el emisor (Vbe, Qd) para poner Qd en un conductor en estado. Además, mientras el voltaje a través del fototransistor _conductor (Vpt, ON) sea menor que el voltaje a través de la base y el emisor (Vbe, Qd), podemos estar seguros de que el transistor Qd permanecerá en un estado apagado. Esto se debe a que el fototransistor está en paralelo con la base y el emisor de Qd.

→ Si [ (Vpt, ON) < (Vbe, Qd) ], entonces "Qd está en OFF"

∴ → Si [ (Vpt, ON) < (1.5V) ], entonces "Qd is OFF".

Solución para el fototransistor (PT) en el estado encendido (donde Qd está apagado)....

Lo sabemos:

Vcc = 3.6V

(Vpt, ON) < 1.5V; (Esta es nuestra condición de Qd off-state)

Necesitamos encontrar un (Vpt, ON) < 1.5V donde nuestro fototransistor siga conduciendo.

Estamos de suerte porque estaba planeando con antelación:

Let, (Vpt, ON) = 0.6V

(Medí esto para mi LED IR en serie con 100Ω (R2) y distanciado aproximadamente 1cm del fototransistor).

Comprobemos nuestro trabajo:

Cuando el fototransistor no está conduciendo (haz IR bloqueado), la corriente a la base de Qd es de 1.5mA.....

Let, Ibase = 1.5mA

Vr = (Vcc) - (Vbe, Qd)

Vr = I - R

→ R = (Vr) / (Ibase)

→ R = [ (Vcc) - (Vbe, Qd) ] / (Ibase)

→ R = (3.6V - 1.5V) / 0.0015A

∴ → R = 1.4kΩ

No queremos usar 1.5kΩ porque limitará la cantidad de corriente que recibimos, así que 1.2kΩ funcionará. He utilizado 1kΩ en el circuito final porque tengo muchos y eso también funciona.

Cuando el fototransistor está conduciendo (haz IR no bloqueado), la corriente a través del fototransistor (Ipt) es....

Vr = (Vcc) - (Vpt)

Vr = I - R

→ Ipt = Vr / R

→ Ipt = [ (Vcc) - (Vpt) ] / R

→ Ipt = [ 3.6V - 0.6V ] / 1kΩ

∴ → Ipt = 3mA

∴ → Nuestra resistencia 1kΩ debería ser suficiente para apagar Qd cuando el fototransistor está conduciendo (haz IR desbloqueado) ya que [ (Ipt = 3mA) > (Ibase = 1.5mA) ].

Así que lo que todo esto significa es que nuestro fototransistor cuando es bloqueado por el pistón, dejará de hundirse 3mA para aterrizar con 0.6V a través de él, permitiendo que 1.5mA pase a la base del par Darlington (base de Q1) con 1.5V a través de la base y el emisor. Esto significa que nuestros transistores se encienden y entregan potencia al motor.


##CONSEJOS ÚTILES PARA EL MONTAJE DE CIRCUITOS Y BOTES, TRUCOS Y SOLUCIÓN DE PROBLEMAS

  • Si agrega un conector JST o cualquier otro conector al paquete de baterías, NO CORTE A TRAVES DE LOS ALAMBRES ROJO Y NEGRO AL MISMO TIEMPO._ Es un error de un principiante olvidarlo, y causará un cortocircuito porque la batería está bajo tensión. ¡Así que corta un cable a la vez!

  • Es posible que desee ajustar los valores de la resistencia si los LED son demasiado brillantes o demasiado tenues. Mis dos LEDs blancos eran demasiado brillantes así que los puse en paralelo bajo una sola resistencia limitadora de corriente de 1kΩ Esto me ahorró tener que añadir otra resistencia al circuito.

  • Piense con anticipación y dése suficiente longitud de alambre._Desea encaminar los alambres alrededor de los contenedores de carga. No tenga miedo de mostrar sus cables! Estén orgullosos de su creación.

  • Tenga en cuenta que la longitud excesiva de los alambres es generalmente una mala práctica por una variedad de razones, así que córtelos al tamaño correcto una vez que esté todo ajustado. Mida dos veces! ¡Corten una vez! Asegúrese de no llevar esta regla demasiado lejos y de que sus cables también sean demasiado cortos. Todo en equilibrio.

  • El terminal positivo tendrá un punto rojo al lado o una sangría circular. Sabes que tienes razón cuando el motor gira en sentido contrario a las agujas del reloj con el eje mirando hacia ti. Tocar los cables de la batería de _3,6 V directamente al motor de _4,5 V para comprobar rápidamente que no dañará el motor. Simplemente esté listo porque el cuerpo del motor puede torcerse tan pronto como se encienda.

  • "¡Mi motor de tamaño 130 no encaja!" ¡No lo fuerces demasiado! Lo diseñé con un ajuste apretado para que no se necesitara pegamento. Si hay caída desde la parte superior del soporte del motor, es posible que no encaje correctamente. No se preocupe, para arreglar esto, coloque la sección del soporte del motor bajo agua tibia/caliente del grifo (no hirviendo). Deje que se caliente en intervalos de 20-30 segundos y compruebe el ajuste con el motor. Debería encajar muy pronto!

  • "¡Mi hélice no encaja!" Esta parte está hecha para encajar a presión. Si el orificio de la hélice no es completamente cilíndrico, puede ser difícil de montar en el motor. En sus manos, use una broca de 1/8" y _enrosque suavemente cualquier material extra cerca de la abertura del agujero. Aquí es donde el plástico tiende a sobresalir. Haga un poco a la vez y revise el ajuste con frecuencia. No debería costar mucho trabajo en absoluto.


##TU VIAJE INAUGURAL:

  • Use una fuente de agua dulce, tranquila y suave, como una piscina o bañera.

  • A toda costa, evite el agua salada, el mercurio, la lava o los ríos contaminados.

  • Piense en el futuro. Planifique cuántas monedas cargar y dónde.

  • ¡No muevas el bote, nena! No vuelques el bote.

  • Trate de atar una cuerda o hilo dental al bote si quiere recuperarlo fácilmente o simplemente nadar.

  • Si su GO-GO toma agua y el motor no deja de funcionar, sople un poco de aire en la chimenea para eliminar las gotas de agua. El exceso de agua activará el sensor.


##EXPLORACIÓN ADICIONAL, EJERCICIOS DE COLABORACIÓN E IDEAS DE EXPERIMENTOS:__

INGENIEROS MECÁNICOS Y DISEÑADORES

  • Experimente con diferentes dimensiones y construcciones de pistones. ¿Qué aspectos del cambio de disparo cambian con pistones de diferentes tamaños? ¿Qué tamaño parece ser el más adecuado? ¿Qué sucede si se modifica la distribución del peso del pistón?

  • El AirBoat GO-GO podría beneficiarse enormemente de un diseño ligeramente modificado. Sería bueno que se dirigiera y hay muchas maneras de hacerlo. Implemente su idea favorita utilizando micro servos de 9g.

  • ¿Y si pudieras controlar el motor con un servo a través de la chimenea? ¿Cómo podría diseñarse eso?

  • ¿Pueden diseñar un gabinete impermeable para nuestros productos electrónicos? Deje espacio para la inclusión de un microcontrolador y un servo controlador. Vea si puede incorporar NinjaFlex en su diseño como una junta si es necesario.

  • ¿Hay alguna manera de hacer que GO-GO sea insumergible? ¿Una mini bomba de agua? ¿Un airbag desplegable? Incorpore su idea en el casco de su propio diseño. No olvides el espacio para la carga útil!

FÍSICOS Y MATEMÁTICOS.

  • Escribir una solución general para la flotabilidad del AirBoat GO-GO, incluyendo las variables de parámetros de carga útil definidas anteriormente.

  • Escriba una ecuación que describa la posición y del pistón que flota en el agua en relación con la base del GO-GO con la dimensión de altura del pistón cilíndrico como parámetro. Luego construya un gráfico que represente los niveles de agua que activan el motor en comparación con el tamaño (altura) del pistón utilizado.

  • Si un objeto flotante se hunde en un líquido y se libera, tenderá a oscilar debido a una fuerza de restauración. Escriba una ecuación que describa el movimiento periódico del AirBoat GO-GO en un líquido. Suponga que los lados del barco están verticales y el fondo es plano.

CIENTÍFICOS DE LA COMPUTACIÓN

  • Usando las ecuaciones de "Máximo de centavos de la vida real", escriba un código que nos diga si nuestro barco está a punto de hundirse basado en parámetros de carga útil seleccionables (número de centavos, contenedores de carga, tapas de carga).

  • Escribir un croquis de Procesamiento que visualice la carga de los contenedores de carga en el barco. ¿Se puede incorporar un código que muestre el centro de gravedad de la carga útil en relación con el buque? ¿Puedes expandir esto con los contenedores de carga y centavos y crear una buena interfaz para todo esto?

INGENIEROS ELÉCTRICOS.

  • ¿Puede encontrar una forma de reducir el número de componentes? ¿Qué partes deben ser reemplazadas?

  • ¿Puedes encontrar una forma de mejorar el circuito? ¿Qué partes cambiarías o añadirías?

  • ¿Puedes hacer que funcione con energía solar?

  • En su estilo, ¿cómo incorporaría un microcontrolador al AirBoat GO-GO? ¿Se puede añadir un timón servo-controlado con comando de voz? ¿Qué tal una aplicación para teléfonos inteligentes que controle el barco con BlueTooth Low Energy?

  • Inventar una manera brillante de hacer que el AirBoat GO-GO vuelva a casa de su viaje.


##TUS NUEVAS HABILIDADES

Espero que este recorrido haya sido lo suficientemente completo como para que usted haya construido una comprensión del funcionamiento interno de su AirBoat GO-GO. En este proyecto usted fortaleció su experiencia en:

  • Impresión 3D de sobremesa y resolución de problemas

  • Álgebra

  • Formulación de la ecuación

  • Lógica y razonamiento

  • Resolución de ecuaciones de varias partes

  • Procesos de Pensamiento en Física (Matemáticas para el Mundo Real)

  • Soldadura

  • Construcción del circuito

  • Trabajar con Resistencias y LEDs

  • Uso de transistores de unión bipolares como interruptores

  • Fototransistores como sensores

  • Accionamiento de cargas de CC (Motores)

Integre lo que ha aprendido en su próximo proyecto impreso en 3D o en su próximo experimento y comparta sus resultados.


##DISCLAIMER:DISCLAIMER

Si cometí un error en algún lugar que te llevó por un camino oscuro, oscuro.... ya sea en el humo o bajo las olas, házmelo saber y lo arreglaré.


  • Formato de archivo 3D: STL
  • Fecha de publicación: 2018/12/14 15:03

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Creador

Designs 34
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Seguidores 27

Licencia

CC BY SA

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