JUEGO DE LUCES

RESUMEN

En la actualidad la gran mayoría los niños han sido avasallados por nuevos descubrimientos tecnológicos, hacen que los más pequeños dejen de ser creativos y se ven muy influenciados en juegos electrónicos, de micro-computadoras, de celulares, etc., dejando de lado la labor creativa que tienen mucho de ellos. Es pues de enorme importancia cultivar en ellos la idea de crear nuevos conocimientos prácticos, en donde ellos sean motivados y que puedan construir.

Es entonces, que nuestro proyecto da una alternativa para aprender conocimientos de electrónica y electricidad de manera muy práctica y divertida; trabajo al cual he denominado “Juego de luces”. Proyecto que consta del uso de barras de siliconas y diodos LED, los cuales de manera ingeniosa se logró elaborar un adorno de luces, el cual se ve muy impresionante en la oscuridad.

Este trabajo puede ser elaborado en la mayoría de aulas con ayuda de conocimientos básicos de electrónica.

JUEGO DE LUCES

PROBLEMA 

¿De qué manera se podrá Construir un juego de luces, usando diodos LED y barras de silicona, las cuales deben formar figuras agradables a la vista?

OBJETIVOS

Objetivo General:

Elaborar el juego de luces, agradable a nuestra vista.

Objetivos Específicos:

-                    Investigar sobre el funcionamiento de los LED

-                    Adquirir  conocimientos básicos de electrónica.

MATERIALES

-      Caja de Trupan o Triplay

-      24 Barras de silicona delgada

-      24 LED tricolor

-      Cautín eléctrico

-      Soldadura estaño

-      Alambres conectores

-      Cargador de celular en desuso (4.5 V)

-      Portapilas x3

-      3 Pilas  2 A

-      Switch o interruptor (encendido y apagado)

-      Cutter

-      Rotuladores y regla

-      Tecnopor

-      Pinturas APU

-      Pinceles

-      Pistola para silicona

MARCO TEÓRICO

DIODO LED

Un LED, siglas en inglés de Light-Emitting Diode (diodo emisor de luz) es un dispositivo semiconductor (diodo) que emite luz cuasi-monocromática, es decir, con un espectro muy angosto, cuando se polariza de forma directa y es atravesado por una corriente eléctrica. El color, (longitud de onda), depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo, pudiendo variar desde el ultravioleta, pasando por el espectro de luz visible, hasta el infrarrojo, recibiendo éstos últimos la denominación de IRED (Infra-Red Emitting Diode). 

El funcionamiento físico consiste en que, un electrón pasa de la banda de conducción a la de valencia, perdiendo energía. Esta energía se manifiesta en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria.

 

El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida. Usualmente un LED es una fuente de luz compuesta con diferentes partes, razón por la cual el patrón de intensidad de la luz emitida puede ser bastante complejo. 

Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el LED; el voltaje de operación va desde 1,5 hasta 2,2 voltios aproximadamente, y la gama de intensidades que debe circular por él va desde 10 hasta 20 mA en los diodos de color rojo, y de 20 a 40 mA para los otros LEDs. 
El primer LED que emitía en el espectro visible fue desarrollado por el ingeniero de General Electric Nick Holonyak en 1962. 

Tecnología LED/OLED: 

En corriente continua (CC), todos los diodos emiten una cierta cantidad de radiación cuando los pares electrón-hueco se recombinan, es decir, cuando los electrones caen desde la banda de conducción (de mayor energía) a la banda de valencia (de menor energía). Indudablemente, la frecuencia de la radiación emitida y, por ende, su color, dependerá de la altura de la banda prohibida (diferencias de energía entre las bandas de conducción y valencia), es decir, de los materiales empleados. Los diodos convencionales, de silicio o germanio, emiten radiación infrarroja muy alejada del espectro visible. Sin embargo, con materiales especiales pueden conseguirse longitudes de onda visibles. Los LED e IRED, además tienen geometrías especiales para evitar que la radiación emitida sea reabsorbida por el material circundante del propio diodo, lo que sucede en los convencionales. 

Compuestos empleados en la construcción de LED.

Compuesto Color Long. de onda 

Arseniuro de galio (GaAs) Infrarrojo 940nm 

Arseniuro de galio y aluminio Rojo e IR 890nm 

Arseniuro fosfuro de galio Rojo, naranja y amarillo 630nm 

Fosfuro de galio (GaP) Verde 555nm 

Nitruro de galio (GaN) Verde 525nm 

Seleniuro de zinc (ZnSe) Azul 

Nitruro de galio e indio (InGaN) Azul 450nm 

Carburo de silicio (SiC) Azul 480nm

Led tamaño: 

Los primeros diodos construidos fueron los diodos infrarrojos y de color rojo, permitiendo el desarrollo tecnológico posterior la construcción de diodos para longitudes de onda cada vez menores. En particular, los diodos azules fueron desarrollados a finales de los 90 por Shuji Nakamura, añadiéndose a los rojos y verdes desarrollados con anterioridad, lo que permitió, por combinación de los mismos, la obtención de luz blanca. El diodo de seleniuro de zinc puede emitir también luz blanca si se mezcla la luz azul que emite con la roja y verde creada por fotoluminiscencia. La más reciente innovación en el ámbito de la tecnología LED son los diodos ultravioletas, que se han empleado con éxito en la producción de luz blanca al emplearse para iluminar materiales fluorescentes. 

Tanto los diodos azules como los ultravioletas son caros respecto de los más comunes (rojo, verde, amarillo e infrarrojo), siendo por ello menos empleados en las aplicaciones comerciales. 

Los LED comerciales típicos están diseñados para potencias del orden de los 30 a 60 mW. En torno a 1999 se introdujeron en el mercado diodos capaces de trabajar con potencias de 1 W para uso continuo; estos diodos tienen matrices semiconductoras de dimensiones mucho mayores para poder soportar tales potencias e incorporan aletas metálicas para disipar el calor (ver convección) generado por efecto Joule. En 2002 se comercializaron diodos para potencias de 5 W, con eficiencias en torno a 60 lm/W, es decir, el equivalente a una lámpara incandescente de 50 W. De continuar esta progresión, en el futuro será posible el empleo de LED en la iluminación. 
El comienzo del siglo XXI ha visto aparecer los diodos OLED (LED orgánicos), fabricados con materiales polímeros orgánicos semiconductores. Aunque la eficiencia lograda con estos dispositivos está lejos de la de los diodos inorgánicos, su fabricación promete ser considerablemente más barata que la de aquellos, siendo además posible depositar gran cantidad de diodos sobre cualquier superficie empleando técnicas de pintado para crear pantallas a color. 

Aplicaciones: 
Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo XX en mandos a distancia de televisores, habiéndose generalizado su uso en otros electrodomésticos como equipos de aire acondicionado, equipos de música, etc. y en general para aplicaciones de control remoto, así como en dispositivos detectores. 
Los LED se emplean con profusión en todo tipo de indicadores de estado (encendido/apagado) en dispositivos de señalización (de tránsito, de emergencia, etc.) y en paneles informativos (el mayor del mundo, del NASDAQ, tiene 36,6 metros de altura y está en Times Square, Manhattan). También se emplean en el alumbrado de pantallas de cristal líquido de teléfonos móviles, calculadoras, agendas electrónicas, etc., así como en bicicletas y usos similares. Existen además impresoras LED. 
El uso de lámparas LED en el ámbito de la iluminación (incluyendo la señalización de tráfico) es previsible que se incremente en el futuro, ya que aunque sus prestaciones son intermedias entre la lámpara incandescente y la lámpara fluorescente, presenta indudables ventajas: larga vida útil, una menor fragilidad y una mejor disipación de energía. Asimismo, para el mismo rendimiento luminoso, producen luz de color, mientras que los hasta ahora utilizados, tienen un filtro, lo que reduce notablemente su rendimiento. 
Los White LEDs son el desarrollo más reciente. Un intento muy bien fundamentado para sustituir las bombillas actuales por dispositivos mucho más eficientes desde un punto de vista energético. 

También se utilizan en la emisión de señales de luz que se trasmiten a través de fibra óptica.

Circuito de LED

En electrónica, un circuito con led es un circuito eléctrico utilizado para alimentar un diodo emisor de luz, o LED por sus siglas en inglés. El led usualmente tiene un voltaje alimentación específico y para determinar el valor de la resistencia que se debe utilizar para establecer la corriente del circuito se utiliza la ley de Ohm.

Un diodo del tipo led tiene una vida útil de 80 000 a 100 000 horas antes de que su brillo se empiece a atenuar, para que esto sea posible se requiere que el voltaje aplicado sea el apropiado. Un voltaje muy alto puede provocar que el led se queme, así como la falta de una resistencia adecuada en el circuito.

Diagrama simple de un circuito de LED.

Este circuito está compuesto en su forma más simple por una fuente de alimentación (de corriente continua), un LED (el ánodo es generalmente la pata más larga) y una resistencia. Estos tres componentes son conectados en serie, la terminal positiva de la fuente de poder se conecta al ánodo del diodo, el cátodo del diodo se conecta a una de las patas de la resistencia y la otra se conecta al terminal negativo de la fuente de alimentación.

Fórmula para calcular la resistencia

La fórmula a usar para calcular el valor correcto de la resistencia del circuito es:

{\displaystyle Resistencia(Ohms,\Omega )={\frac {Tensi{\acute {o}}n\,de\,alimentaci{\acute {o}}n-Caida\,de\,tensi{\acute {o}}n\,en\,el\,LED}{Corriente\,dentro\,de\,lo\,admisible\,del\,LED}}}

 Donde:

·       Tensión de alimentación, es el voltaje aplicado al circuito (como una batería de 9 voltios)

·       Caída de tensión del led, es el voltaje necesario para el funcionamiento del led, generalmente está entre 1.7 y 3.3 voltios, depende del color del diodo y de la composición de metales.

·       Rango de corriente admisible del led, es determinado por el fabricante, usualmente está en el rango de unos pocos miliamperios.

Diferencias de potencial típicas

Siempre hay variaciones entre las composiciones de los diodos, e incluso pequeñas entre diodos de la misma clase, pero en general, la caída de voltaje depende del color y del brillo del led. La siguiente tabla muestra las caídas de voltaje de varias clases de led.

Tipo de diodo	Diferencia de potencial típica (voltios)
Rojo de bajo brillo	1.7 voltios
Rojo de alto brillo, alta eficiencia y baja corriente	1.9 voltios
Naranja y amarillo	2 voltios
Verde	2.1 voltios
Blanco brillante, verde brillante y azul	3.4 voltios
Azul brillante y LED especializados	4.6 voltios

La mayoría de los fabricantes recomiendan 10 mA para los diodos azules de 430 nm, 12 mA para los tipos que funcionan con 3.4 voltios y 20 mA para los diodos de voltajes menores.

PEGAMENTO TERMOFUSIBLE

El pegamento termofusible, también conocido como pegamento en caliente, pegamento de poliéster o termocola, es un tipo de adhesivo termoplástico que se suple con barras sólidas y cilíndricas de diámetros diversos, diseñados para derretirse en la pistola caliente. La pistola utiliza resistencia eléctrica para derretir un extremo de la barra de pegamento, misma que puede ser empujada a través de la pistola por un gatillo o directamente por el usuario. El pegamento que se exprime por la boquilla es lo suficientemente caliente como para quemar y ampollar la piel. El pegamento es viscoso mientras está caliente y se endurece al enfriar, por lo que no es conveniente su uso en materiales sensibles a la temperatura ni en ambientes donde la temperatura elevada pueda causar que el pegamento pierda fuerza o se vuelva a fundir por completo. Éste efecto puede reducirse usando un pegamento reactivo a la radiación ultravioleta para un proceso de curación posterior al enfriamiento.

En español son frecuentemente llamados pegamento de silicona y pistola de silicona de manera errónea, tal vez porque la apariencia del pegamento frío puede recordar a un sellador de silicona y por ignorancia respecto a la palabra silicona, misma que no existe en el diccionario de la Real Academia Española y que es un anglicismo. Incluso algunos empaques y catálogos en español de pistolas y barras de pegamento termofusible suelen utilizar la palabra silicona, contribuyendo aún más a la difusión de ambos errores. Algunas aplicaciones industriales pueden contener goma de silicona como aditivo, pero en ningún caso es la base del pegamento.

Barras de Pegamento

Las barras de pegamento son manufacturadas en varios diámetros para pistolas de pegamento diferentes. El tamaño más usado tiene un diámetro de 11 milímetros (0,43 pulgadas). Las barras están disponibles en varias longitudes de casi 10 centímetros (3.9 pulgadas) en adelante; aun así, las pistolas funcionan con barras de cualquier longitud. Las barras más delgadas de 7 mm (0.28 pulgadas) son comunes en la elaboración de manualidades. Algunas barras de doble uso se derriten con bajas temperaturas pero pueden usarse en altas temperaturas sin degradación.

Para el uso doméstico están disponibles pocas clases de barras y a veces son intercambiables. Para uso industrial muchas clases de barras están disponibles para propósitos especiales, siendo los diámetros más comunes 12 mm (0.47 pulgadas), 15 mm (0.59 pulgadas) y 45 mm (1.8 pulgadas). Las barras tienen diferentes tiempos de apertura (el tiempo de trabajo para adherir), variando desde un segundo o dos hasta varios minutos.

Un material común para las barras de pegamento (Ej. El Thermogrip coloreado ambarino claro GS51, GS52 y GS53) es el copolímero del acetato del etileno-vinilo. El contenido del monómero del acetato del vinilo es entre 18 y 29 por ciento el peso del polímero. Usualmente están presentes varios aditivos como por ejemplo, resina y cera. Otras materias primas pueden basarse en el polietileno, polipropileno, poliamida, o poliéster, o en los diversos copolímeros.

Especificaciones y uso de la pistola de pegamento

Las pistolas de pegamento vienen en versiones de baja y alta temperatura y se usan dependiendo del tipo de barras de pegamento a usar. Las barras de baja temperatura se calientan hasta 120 °C (248 ºF), y son apropiadas para manualidades con tela, madera y plásticos, por ejemplo, mientras que las barras de alta temperatura requieren temperaturas alrededor de 195 °C (383 °F) y resultan en una adhesión más fuerte. Las pistolas duales tienen un switch que permite usar ambos tipos de barras.

Las características de viscosidad y dureza del pegamento termofusible evitan que se puedan lograr uniones con una capa ligera como la que sería fácilmente posible con otros adhesivos. Por ejemplo, una junta de madera hecha correctamente con pegamento de acetato de polivinilo, (conocido también como pegamento blanco o de carpintería) sería visible únicamente por la diferencia de la veta en la línea de costura, mientras que usando pegamento termofusible la unión sería claramente visible y afectaría las dimensiones totales.

En materiales termoconductores como el metal, las uniones deben hacerse rápidamente para evitar que se enfríe y endurezca fuera de lugar, mientras que en materiales termoaislantes como la madera, es necesario esperar más tiempo para que se enfríe y se logre una unión resistente. En materiales aún más aislantes como la hoja de espuma, el pegamento termofusible puede permanecer caliente por mucho tiempo haciendo su uso difícil o incluso inadecuado.

En el caso de manualidades, los niños solo deben usar éste tipo de pegamento bajo la supervisión constante de un adulto. Una reacción común ante un derrame es el de corregir con los dedos, resultando en muchos casos en quemaduras de la piel. Adicionalmente, aún las pistolas más pequeñas pueden causar quemaduras si se le toma por la punta metálica.

Algunas aplicaciones

El pegamento caliente se usa para:

·         La construcción de pañales y algunas prendas desechables, donde se utiliza para adherir el material no tejido a otras piezas y elásticos.

·         Para construir y cerrar cajas de cartón y cartón corrugado.

·         Manualidades hechas en casa.

·         Ensamble de partes en la manufactura de algunos productos.

·         Pegar puntas de flecha, permitiendo posteriormente el retiro de la misma (Ej. La recuperación de la punta de un eje roto) con el calor de una pequeña llama.

·         El ensamblaje y la reparación de modelos de aviones elaborados con hoja de espuma o madera balsa.

·         Almohadillas de pegamento para sonar las claves de instrumentos musicales de viento como el saxofón, el clarinete y la flauta.

·         Protección contra vibraciones en componentes electrónicos pequeños.

FORMULACIÓN DE HIPÓTESIS:

Se puede construir  juego de luces colocando  LED dentro de barras de silicona, el cual será encendido por medio de una pila de bajo voltaje 0.5 V aproximadamente, se colocara las barras de diferente tamaños una parábola invertida el cual se pegara en la base de una madera.

PROCEDIMIENTO:

1.      Se habilita una caja de trupan  de 6mm medidas: 30x19x10.

2.      En la tapa de la caja (de manera transversal) se realizan 20 orificios al ancho de un LED, de modo tal que sean fijados los leds en cada agujero.

3.      Se recortan las barras de silicona de manera tal que formemos una parábola invertida simétrica.

4.      En la parte inferior de la barras de silicona recortados se realiza un pequeño agujero con ayuda del cautín caliente, de manera tal que quepa cada Led en cada barra.

5.      En caliente se colocan las barras de silicona en los agujeros de la tapa del cajón de trupan.

6.      Los leds que fueron colocados en cada agujero tienes dos “patitas” una larga (positivo) y la otra corta (negativo). En la parte posterior de la tapa del cajón, todas las patitas cortas se unen usando cautin y soldadura, obteniendo así la parte negativa. De la misma forma se unen las patitas largas, obteniéndose así la parte positiva, a continuación en la parte positiva se coloca una resistencia para proteger a los leds y así no se quemen.

7.      Luego cerramos el circuito colocando un interruptor y tres pilas 2A para cerrar el circuito, los cuales fueron colocados en un portapilas.

8.      También se colocó en los polos positivo y negativo del circuito un cargador de celular para que se coloque directamente al tomacorriente de las casas y asi no gastar en pilas.

Vista superior del proyecto

9.      Para que el circuito no se expuesto y se pueda dañar, se recorta un tablero de tecnopor a la medida de la tapa y se pega con silicona caliente.

10.   Por último se pinta la caja con los colores que se crea conveniente. 

CONCLUSIONES

-          Se construyó el juego de luces, formando figuras decorativas para nuestro cuarto.

-          Se aprendió algunos principios básicos de electricidad y electrónica

-          Se incentivó la construcción y la creatividad en las ciencias físicas al estudiante.

BIBLIOGRAFIA

-      https://es.wikipedia.org/wiki/Pegamento_termofusible

-      http://feria-ciencias-elvis.blogspot.com/2014/09/leds-giratorios.html

-      https://www.shoptronica.com/led-bicolor-tricolor-rgb/149-led-rgb-flash-fade-0689594128583.html

-      https://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_de_LED

-      https://www.tr3sdland.com/2012/11/comparativa-el-diodo-led/