UNIDAD 3 INTEGRACION DE SISTEMAS MECATRONICOS

3.1 Metodología para la solución de problemas de ingeniería.

Metodología para la solución de problemas de ingeniería.

Hace ya mucho tiempo que, desde el ámbito de la psicología y desde otros campos, se ha venido investigando cómo el ser humano resuelve problemas. Desde los inicios del siglo XX estas investigaciones se han desarrolladlo más y han conducido a conocer mejor cómo pensamos. Ello ha hecho que diversos autores hayan propuestos modelos del pensamiento humano. De todos estos modelos, el que mas existo ha tenido tanto en el entrono de la ingeniería como en el del proyecto es el que se basa en lo que J.C. Jones llama “caja trasparente” y que puedes describirse mediante las operaciones de analissi-sisntesis-evaluacion-decision-realimentacion.  Este modelo se fundamenta en la parte consiente del ser humano y utiliza el conocimiento adquirido y la memoria como elementos determinantes en la resolución de problemas.

La resolución de problemas es una parte clave de los curso de ingeniería, y también de los de ciencias de la computación, matemáticas, física y química. Por lo tanto, es importante tener una estrategia consistente para resolver los problemas. También es conveniente que la estrategia sea lo bastante general como para funcionar en todas estas áreas distintas.

La metodología general para la solución de problemas en la ingeniería, consta de 6 pasos:

·         Definición del problemas

·         Análisis de la solución

·         Diseño de la solución y ejecución prueba y depuración

·         Documentación

·         Mantenimiento

1.- Definición de los problemas: es el enunciado de los problemas, el cual debe ser claro y completo. Es fundamental conocer y delimitar por completo los problemas, saber que es lo que se desea realizar. 

2- análisis de la solución: consiste en establecer una serie de preguntas acerca de lo que se estableces los problemas, para poder determinar si se cuenta con los elementos suficientes para llevar a cabo la solución del mismo, consta de algunas preguntas como: 

·                     · ¿Con qué cuento?                                                                                                                                   Cuáles son los datos con los que se va a iniciar el proceso y si los datos con los que cuento son suficientes para dar solución al problema.

·                     · ¿Qué hago con esos datos?                                                                                                                          Una vez que tenemos todos los datos que necesitamos, debemos determinar que hacer con ellos, es decir que fórmula, cálculos, que proceso o transformación deben seguir los datos para convertirse en resultados.

·                     · ¿Qué se espera obtener?                                                                                                                             Que información deseamos obtener con el proceso de datos y de que forma presentarla; en caso de la información obtenida no sea la deseada replantear nuevamente un análisis en los puntos anteriores.

3.-Diseño de la solución Y Ejecución: una vez definido y analizado el problema, se procede a la creación del algoritmo (Diagrama de flujo) en el cual se da la serie de pasos ordenados que nos proporcione los pasos que seguiremos es una forma explícita de visualizar la solución del problema.

4.-Prueba y Depuración: la prueba es el proceso de identificar los errores que se presenten durante la ejecución de la solución. La Depuración son los correctivos que se deben tomar, para eliminar los errores que se hayan detectado durante la prueba, para dar paso a una solución adecuada y sin errores. .

5.-Documentación: es la guía o comunicación escrita que sirve para registrar toda la información que registra los datos del problema y el como fue solucionado, es conocida como Manual Técnico,

6.-Mantenimiento: se lleva a cabo después que se ha estado trabajando un tiempo, y se detecta que es necesario hacer un cambio, ajuste y/o complementación a la solución original para que siga trabajando de manera correcta.

3.2 Criterios de selección de componentes y dispositivos

Se denomina componente electrónico a aquel dispositivo que forma parte de un circuito electrónico. Se suele encapsular, generalmente en un material cerámico, metálico o plástico, y terminar en dos o más terminales o patillas metálicas. Se diseñan para ser conectados entre ellos, normalmente mediante soldadura, a un circuito impreso, para formar el mencionado circuito.
Hay que diferenciar entre componentes y elementos. Los componentes son dispositivos físicos, mientras que los elementos son modelos o abstracciones idealizadas que constituyen la base para el estudio teórico de los mencionados componentes. Así, los componentes aparecen en un listado de dispositivos que forman un circuito, mientras que los elementos aparecen en los desarrollos matemáticos de la teoría de circuitos.
De acuerdo con el criterio que se elija podemos obtener distintas clasificaciones. Seguidamente se detallan las comúnmente más aceptadas.
1. Según su estructura física
Discretos: son aquellos que están encapsulados uno a uno, como es el caso de los resistores, condensadores, diodos, transistores, etc.
Integrados: forman conjuntos más complejos, como por ejemplo un amplificador operacional o una puerta lógica, que pueden contener desde unos pocos componentes discretos hasta millones de ellos. Son los denominados circuitos integrados.
2. Según el material base de fabricación.
  * Semiconductores.
También denominados como componentes de estado sólido, son los componentes "estrella" en casi todos los circuitos electrónicos. Se obtienen a partir de materiales semiconductores, especialmente del silicio aunque para determinadas aplicaciones aún se usa germanio.
  * No semiconductores.
3. Según su funcionamiento.
  * Activos: proporcionan excitación eléctrica, ganancia o control.

Componentes activos
Los componentes activos son aquellos que son capaces de excitar los circuitos o de realizar ganancias o control del mismo. Fundamentalmente son los generadores eléctricos y ciertos componentes semiconductores. Estos últimos, en general, tienen un comportamiento no lineal, esto es, la relación entre la tensión aplicada y la corriente demandada no es lineal.
Los componentes activos semiconductores derivan del diodo de Fleming y del triodo de Lee de Forest. En una primera generación aparecieron las válvulas que permitieron el desarrollo de aparatos electrónicos como la radio o la televisión. Posteriormente, en una segunda generación, aparecerían los semiconductores que más tarde darían paso a los circuitos integrados (tercera generación) cuya máxima expresión se encuentra en los circuitos programables (microprocesador y microcontrolador) que pueden ser considerados como componentes, aunque en realidad sean circuitos que llevan integrados millones de componentes
Ejemplos: microprocesadores, microcontroladores, memorias, transistores, diodos.

  * Pasivos: son los encargados de la conexión entre los diferentes componentes activos, asegurando la transmisión de las señales eléctricas o modificando su nivel.

Son aquellos que no necesitan una fuente de energía para su funcionamiento. No tienen la capacidad de controlar la corriente en un circuito.

Los componentes pasivos se dividen en:
Componentes Pasivos Lineales:
Componente | Función más común |
Condensador | Almacenamiento de energía, filtrado, adaptación impedancia |
Inductor o Bobina |

Almacenar o atenuar el cambio de energía debido a su poder de autoinducción |
Resistor o Resistencia | División de intensidad o tensión, limitación de intensidad |

4. Según el tipo energía.
Electromagnéticos: aquellos que aprovechan las propiedades electromagnéticas de los materiales (fundamentalmente transformadores e inductores).
Electro acústicos: transforman la energía acústica en eléctrica y viceversa (micrófonos, altavoces, bocinas, auriculares, etc.).
Opto electrónicos: transforman la energía luminosa en eléctrica y viceversa (diodos LED, células fotoeléctricas, etc.).

3.3 Integración de componentes y dispositivos

Integración de componentes y dispositivos

Los equipos electrónicos están compuestos por numerosos circuitos, cuyo diseño y montaje requiere de una gran variedad de componentes electrónicos. Dichos componentes se tienen que elegir según los valores y tipos que existen en el mercado,  de acuerdo con su tolerancia, nivel de ruido interno, tensión y la corriente máxima que puede soportar. Hoy en día, muchos de estos equipos electrónicos forman parte de un conjunto mucho más complejo y amplio denominado sistemas electrónicos, el cual esta formado por equipos electrónicos, conectores, cables etc., que realizan multitud de funciones y aplicaciones en diferentes campos y sectores: industriales, entrenos domésticos, medicina, automóviles etc. 

Se define la electrónica como “la parte de la ciencia y de la técnica que trata de los dispositivos electrónicos y de su utilización”. Los dispositivos electrónicos se dedican al desarrollo, construcción y comercialización de equipos y sistemas electrónicos de uso industrial, como así también soporte técnico, mantenimiento y tendidos de redes corporativas.   

Los dispositivos electroncitos incluyen:
· Diodos
· Fotodiodos
· Resistencias
· Transistor
· Circuitos integrados
· Condensadores 


Un ejemplo de la integración tanto de componente como dispositivos es el circuito integrado. El circuito integrado o chip permitió la miniaturización de los componentes electrónicos, que consiste en agrupar sobre una lámina de material semiconductor varios componentes electrónicos que cumplen una función determinada. El circuito integrado es una pastilla pequeña de material semiconductor, sobre el que se fabrican circuitos electrónicos mediante la fotolitografía.

La fabricación de circuitos integrados, durante su evolución en la segunda mitad del siglo XX, ha avanzado fundamentalmente en la escala de integración o miniaturización, siguiendo varias etapas: integración SSI, integración MSI, integración LSI e integración VLSI.

 Integración SSI. En la segunda mitad de la década de los cincuenta se comenzó a integrar circuitos completos en un mismo sustrato, de forma que una sola pastilla de semiconductor contenía ciertas impurezas que suponían la conexión de transistores, diodos, resistencias y condensadores.Esta primera etapa se denominó integración SSI o integración a pequeña escala (Small Scale of Integration), y permite incorporar decenas de componentes en un único chip. Supuso la aparición de los primeros chips que contenían circuitos electrónicos.

 Integración MSI. En los años sesenta se incorporaron impurezas más pequeñas en sustratos también más pequeños. Los chips incorporaban así circuitos algo más complejos, que disponían de cientos de transistores. A estos se les denominó circuitos de escala media de integración o integración MSI (Medium Scale of Integration).

·         Integración LSI. A mediados de los sesenta, en Estados Unidos se hacía patente la idea de enviar transportes al espacio. Las naves tenían que ser lo bastante grandes como para contener una tripulación, pero suficientemente pequeñas y ligeras como para poder vencer la gravedad de la Tierra en su lanzamiento y, además, debían contener todos los circuitos de control para poder automatizar al máximo las operaciones. Esto supuso un reto para los ingenieros electrónicos, que crearon los primeros dispositivos con grandes escalas de integración o circuitos integrados LSI (Large Scale of Integration).