Laboratorio de Introducción a la Electrónica 2013

Introducción a la Electrónica (EL23), ciclo 2013-1

Item Type Learning Object

Authors Cieza Dávila, Javier

Publisher Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas - UPC

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Laboratorio de Introducción a la Electrónica 2013

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Queda prohibida la reproducción total o parcial de esta publicación, por cualquier medio o

procedimiento, sin la previa autorización de autor.


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Contenido

Introducción ............................................................................................................................................. 4

Variables eléctricas: el software de simulación Proteus ................................................................... 5

El módulo de desarrollo de circuitos y el multímetro digital. .......................................................... 21

Circuitos eléctricos resistivos, leyes de Kirchhoff y divisor de voltaje .......................................... 49

El Generador de funciones y el Osciloscopio digital ....................................................................... 58

El Amplificador Operacional (OPAMP) .............................................................................................. 80

Aplicaciones con el OPAMP: El ADC y el comparador analógico ................................................ 96

Aplicaciones con el OPAMP, diseño de una alarma detectora de sonidos ............................... 110

Introducción a los circuitos digitales. ............................................................................................... 116

Circuitos digitales, contadores, display de 7 segmentos y decodificadores binarios ............... 128

Circuitos digitales, el teclado matricial, el convertidor BCD a decimal y otros circuitos digitales ............................................................................................................................................................... 142

El Temporizador 555, el condensador y el led IR. ......................................................................... 148

Desarrollo de un Proyecto final de Hardware a presentarse la semana 15 .............................. 161


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Introducción

Este material está preparado para los alumnos que se inician en este mundo fascinante de la Electrónica, área de gran crecimiento en la actualidad y base del desarrollo tecnológico actual y futuro. Los temas son desarrollados de manera simple y resumida, para el análisis de los sistemas a desarrollar se requiere de una base matemática simple que requiera a lo más la solución de sistemas de ecuaciones simples, se busca entender los conceptos y leyes de la electricidad y la electrónica, para aplicarlos en circuitos reales de una manera simple y motivadora. En las primeras semanas, entenderemos las leyes básicas que rigen el movimiento de los electrones, la ley de Ohm y las leyes de Kirchhoff. Estas leyes son muy importantes dado que son la base de la electricidad que se aplican en la electrónica. En los laboratorios, realizaremos mediciones de las variables eléctricas como voltaje, resistencia y corriente eléctrica, para tal fin usaremos equipos de medición como el multímetro digital y el osciloscopio, así como equipos de generación de señales (generador de funciones). Apoyaremos nuestro aprendizaje haciendo uso de un software de simulación Proteus. Durante las siguientes semanas, aprenderemos a manipular señales alternas de voltaje, las cuales las amplificaremos, las sumaremos y construiremos circuitos de aplicación orientados a las telecomunicaciones y la bioingeniería, usaremos para este fin un circuito integrado (chip) muy importante e útil, que es el amplificador operacional (OPAMP - OPerational AMPlifier). Luego, manipularemos señales digitales. Conoceremos como se pueden operar con bits (1’s y 0’s) usando chips y aprenderemos a utilizar estos conocimientos junto con un circuito integrado muy importante e interesante a la vez que es el Timer 555 para construir un circuito que transmita información inalámbrica utilizando señales infrarrojas. Ya al finalizar el curso, realizaremos la implementación de circuitos para trasmitir información de un lugar a otro, entenderemos conceptos como modulación, codificación, espectro electromagnético y otros conceptos relacionados a estos temas, de tal manera que nos permita entender de una manera simple cómo funcionan los sistemas de telecomunicaciones actuales. Finalmente, en la última semana, se realizarán las presentaciones finales de los proyectos, donde los alumnos demuestran los conocimientos adquiridos durante el curso. Recordemos que este curso es introductorio y los temas serán tratados con mayor detalle en cursos posteriores de la carrera. Es importante que el alumno tenga un conocimiento previo antes de cada laboratorio, por esta razón, se recomienda leer el tema en este material, de esta manera el aprendizaje será más efectivo.

Material desarrollado por: Ing. Javier Cieza Dávila.


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Variables eléctricas: el software de

simulación Proteus

Temario: - Corriente, voltaje y resistencia. - Resistencias en serie y paralelo. - Múltiplos y Submúltiplos del Sistema Internacional de Unidades.

- Ley de Ohm.

Durante este primer laboratorio, entenderemos los conceptos de resistencia eléctrica, voltaje y corriente y la relación entre estas a través de la ley de Ohm. Estas variables eléctricas son las tres principales por las cuales se basa la electrónica para la manipulación de información.

En este laboratorio usaremos el software Proteus para simular algunos circuitos utilizando fuentes de voltaje y resistencias, a estos circuitos se les denomina circuitos eléctricos resistivos, así mismo usaremos herramientas virtuales de medición como el Voltímetro y el Amperímetro para la medición de voltaje y corriente respectivamente.

Se mostrará a los alumnos los diferentes equipos que se utilizarán durante los laboratorios en este curso, por ejemplo el módulo de desarrollo, el multímetro, el generador de señales, el osciloscopio, etc.


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OBJETIVOS

- Conocer y comprender los conceptos de resistencia eléctrica, voltaje y resistencia. - Conocer y familiarizarse con el software de simulación Proteus. - Simular circuitos básicos usando fuentes de voltaje y resistencias. - Usar herramientas de medición virtual como voltímetro y el amperímetro.

MATERIALES

- Computador Personal. - Software de simulación Proteus, donde usaremos el programa ISIS (Intelligent

Schematic Input System - Sistema de Enrutado de Esquemas Inteligente).


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DEFINICIONES BÁSICAS DE ELECTRICIDAD

Para entender la electricidad tenemos que entender el comportamiento de las cargas eléctricas. En 1926 se postula el modelo de Schrödinger, que sitúa a los electrones en orbitas alrededor del núcleo formando niveles de energía. El núcleo del átomo está formado principalmente de neutrones (sin carga eléctrica) y protones (carga eléctrica positiva) que componen casi la totalidad de la masa del átomo. La carga eléctrica total del núcleo (carga positiva) es igual a la carga eléctrica de los electrones (carga negativa) que giran en orbitas, por lo tanto un átomo tiene la misma cantidad de carga eléctrica negativa y positiva, es decir el átomo es neutro pues su carga eléctrica total es cero. Es importante mencionar que los electrones que están en la última orbita o capa (capa de valencia) son aquellos que pueden librarse más fácilmente del átomo, sea por efectos mecánicos (fricción), Térmicos (Calor), radiación, productos químicos, etc. “Cuando hay flujo de electrones se dice que hay una corriente de electrones ó corriente eléctrica” Cuando un átomo ha perdido un electrón se dice que la carga del átomo es POSITIVA, por el contrario cuando el átomo ha ganado un electrón se dice que la carga del átomo es NEGATIVA. Una propiedad muy importante del comportamiento de las cargas eléctricas es la siguiente:

Dos cargas eléctricas del mismo signo se repelen Dos cargas eléctricas de signo opuesto se atraen. Según la cercanía de los electrones de la capa de valencia al núcleo, estos pueden estar mas ó menos unidos a este, cuando los electrones pueden librarse muy fácilmente del núcleo entonces el material se dice que es conductor pues los electrones pueden fluir libremente por el material (por ejemplo: los metales), por otro lado cuando los electrones están más unidos al núcleo y no pueden librarse fácilmente entonces se dice que el material es no conductor ó Aislante (ejemplo el vidrio). Materiales con comportamientos intermedios entre los conductores y no conductores tenemos lo semiconductores que pueden conducir electrones bajo ciertas condiciones, estos son los materiales que se usan para construir los circuitos electrónicos (por ejemplo el germanio y el silicio a los cuales

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Cargas.jpg


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se les ha agregado otras sustancias como boro, fósforo, arsénico, etc. llamados contaminantes que cambian las propiedades eléctricas del silicio y el germanio).

CORRIENTE ELECTRICA Cuando se tienen dos materiales con cargas eléctricas distintas y estos se conectan a por un material conductor, entonces habrá un flujo de electrones hasta que todo llegue a su estado de equilibrio (igual cantidad de carga eléctrica en ambos lados), los electrones fluirán en la dirección de donde hay más carga eléctrica negativa (donde hay más electrones) a donde haya menos carga eléctrica negativa (donde hay menos electrones). A este flujo de electrones se denomina Corriente eléctrica.

Históricamente, la corriente eléctrica se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el sentido convencional de circulación de la corriente como un flujo de cargas desde el polo positivo al negativo, es decir, en el sentido contrario al movimiento de los electrones.

La letra I (Intensidad de Corriente eléctrica) se utiliza normalmente para indicar la existencia de corriente eléctrica y una flecha indica su sentido. Las unidades utilizadas para medir la corriente eléctrica es el Amperio que se denota por la letra A (mayúscula pues deriva de André-Marie Ampére), ejemplo I = 1,2 A.

“1 amperio es un flujo de carga eléctrica de 1 Culombio por segundo (1 Culombio = carga de 6,24x10

18 electrones)”

También se puede decir que la corriente fluye de donde hay mayor voltaje (Mayor potencial eléctrico) a donde hay menor Voltaje (menor potencial eléctrico).

(A) (B)

Electrones

Material conductor

Flujo de electrones

Flujo de electrones Corriente eléctrica

I

http://es.wikipedia.org/wiki/Andr%C3%A9-Marie_Amp%C3%A8re

http://es.wikipedia.org/wiki/Andr%C3%A9-Marie_Amp%C3%A8re


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VOLTAJE (Tensión ó Diferencia de Potencial) Imaginémonos dos lugares en el espacio separados una distancia d, donde, en uno de ellos hay más electrones libres, por lo tanto tiene más carga eléctrica negativa (P2), ó lo que el lo mismo decir, el otro lugar tiene más carga positiva (P1). En este caso se dice que hay una diferencia de potencial entre estos dos puntos del espacio, esto dependerá de la distancia que los separa y la diferencia de carga eléctrica entre ellos. Entonces se dice que entre estos dos puntos hay un voltaje y si unimos ambos puntos del espacio por un cable conductor, se generará un movimiento de cargas eléctricas, las cargas negativas irán de P2 a P1 hasta que se dé el equilibrio (Una carga eléctrica negativa se anula con una positiva) ó lo que es lo mismo: se generarán movimiento de cargas eléctricas positivas de P1 a P2 hasta que se dé un equilibrio, es decir que se genera una corriente eléctrica de P1 a P2 dado que en P1 hay más potencial eléctrico que en P2. Entonces observamos que la corriente eléctrica aparece cuando hay un voltaje involucrado, si el voltaje entre P1 y P2 es cero (iguales cantidades de carga eléctrica), entonces la corriente es cero. También debemos notar que el voltaje se mide siempre entre dos puntos, y su unidad es el Voltio. Debemos notar que a mayor Voltaje, entonces la Corriente eléctrica también será mayor.

La letra V se utiliza normalmente para indicar la existencia de voltaje.

Normalmente se usa un voltaje de referencia llamado tierra del circuito ó GND (Ground) que se asume tiene un potencial de cero voltios.

En el circuito de la derecha se muestran tres elementos: una fuente de voltaje Vt (Batería), y dos resistencias R1 y R2, las dos resistencias están conectadas en serie (la condición para que estén en serie es que estén unidas por un nodo y que la corriente que circula por ambas sea la misma), las resistencias en serie se pueden usar como una sola resistencia cuyo valor es la suma de R1 y R2. Al conectarla a la fuente de voltaje se origina una corriente eléctrica I.

Se muestran algunas fuentes de voltaje usadas a diario para hacer funcionar nuestros aparatos electrónicos de nuestros hogares, internamente hay energía que separa las cargas eléctricas para generar voltaje


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RESISTENCIA ELECTRICA La resistencia es la capacidad que tienen los materiales para impedir el flujo de la corriente, ó más específicamente el flujo de carga, el símbolo utilizado para la resistencia se muestra en la figura (b) de la derecha. Todos los componentes presentan una resistencia eléctrica, por ejemplo un foco, una plancha, un cable, etc. En electrónica buscamos controlar las variables eléctricas, por esta razón se utilizan resistencias de valores controlados y que sean fáciles de fabricar, entre estos tenemos las resistencias de carbono que se muestra en la figura (a). Este tipo de resistencias tienen normalmente 4 bandas de colores con los cuales podemos saber su valor. Estas resistencias de carbono se construyen a partir de una “composición de carbono”, que es una mezcla de carbón y un aglutinante similar al pegamento. Este tipo de resistor es fácil de elaborar y su grado de resistencia se puede hacer variar de un resistor a otro simplemente modificando la proporción de partículas de carbono contenidas en el aglutinante; una mayor cantidad de carbono proporciona menor resistencia. Las unidades de de la resistencia es el Ohm abreviado con la letra griega Ω. En electrónica normalmente utilizamos resistencias en el orden de los cientos y miles de Ω, por ejemplo encontrar una resistencia de 1000Ω ó 1kΩ es muy común. Todas las resistencias consumen energía cuando pasa una corriente eléctrica a través de este elemento, esa energía consumida se disipa en forma de calor y se puede calcular utilizando la Ley de Joule. Podemos encontrar resistencias de distintos tamaños, así tengan el mismo valor de resistencia (mismo código de colores en sus bandas), esto se debe a su capacidad máxima de soportar el calor. La potencia se mide en Vatios ó Watts, en la figura se observan 5 resistencias de valor fijo, la de mayor tamaño soporta el calor generado por el consumo de hasta 25W de potencia, para ayudar a disipar el calor se le ha colocado un disipador de calor. Las resistencias más usadas en los circuitos electrónicos son las que pueden soportar como máximo 0,25W ó 0,5W (la primera y segunda respectivamente en la figura). En el caso que la potencia que disipa la resistencia supera su valor límite entonces esta resistencia se quemará. Otras resistencias muy utilizadas son los potenciómetros que son resistencias variables, es decir que su valor de Ω podrá ser controlado por el usuario, el funcionamiento de este dispositivo se explica más adelante. Resistencias de valor fijo: Son aquellas que su valor no depende de ninguna variable externa al componente y que su valor se mantiene en el tiempo. Resistencias de Valor Variable: o resistencias variables, son aquellas que su valor de Ω depende de alguna variable externa al componente, por ejemplo: la temperatura, la intensidad de luz, la torsión, etc.

(a)

(b)


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Algunos tipos de resistencias variables:

Termistor: Es un tipo de resistencia usada para medir cambios

temperatura, su valor de resistencia en Ω cambia cuando cambia la temperatura, existen dos tipos de termistores:

PTC (Positive Temperature Coefficient)

NTC (Negative Temperature Coefficient), En la figura se muestra la foto de un termistor y su símbolo utilizado.

Se utiliza normalmente como sensor de temperatura.

Fotorresistencia ó LDR (Light-Dependent Resistor):

Es un componente cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente (como se muestra en la gráfica). Puede también ser llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica.

Se utilizan como sensores de luz ó para detectar sombras.

Se fabrican de sulfuro de Cadmio, aprovechando la propiedad del Cadmio de ser sensible a la luz.

Figura de un termistor y su símbolo

Foto de una fotorresistencia ó LDR y su símbolo

Curva característica de un LDR, se observa que a mayor cantidad de

luz, la resistencia del LDR es menor

http://es.wikipedia.org/wiki/Componente_electr%C3%B3nico

http://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Luz


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Múltiplos y submúltiplos del Sistema Internacional de Unidades

Múltiplos

Prefijos Símbolo Equivalencia

Tera T 1012

Giga G 109

Mega M 106

Kilo k 103

Submúltiplos

mili m 10-3

micro µ 10-6

nano n 10-9

pico p 10-12

Notar que los símbolos para los múltiplos son letras mayúsculas (salvo para k) y para los submúltiplos son letras minúsculas. Ejemplo de conversión de unidades:

1 voltio = 1000 mV 1 kΩ = 1000 Ω 0.3 Hz = 300 mHz 100 mA = 100 x 10

-3 = 100 x 0,001 = 0,10 amperio

10 mA = 0,01 amperios 2,50kV = 2,5 x 10

3 = 2,5 x 1000 = 2 500 voltios → 2,5 kilo Voltios = 2 500 voltios

Es importante anotar que los múltiplos y submúltiplos se dieron para expresar correctamente un número y tener una mejor comprensión de su amplitud, por ejemplo:

10V = 10 000mV = 0,01 kV equivalen al mismo valor, sin embargo la primera forma de escribir

el número será la correcta pues se comprende mejor su magnitud.


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LEY DE OHM

La ley de Ohm relaciona las tres variables eléctricas: Resistencia, Voltaje y Corriente a través de la siguiente relación:

V (voltios) = I (amperio) x R (ohm)

Quiere decir que cuando circula una corriente de valor I por una resistencia de valor R, se genera un voltaje V entre los terminales de la resistencia. Es lo mismo decir que: Cuando se le aplica un voltaje V a una resistencia R, entonces circulará una corriente I por la resistencia en dirección de mayor potencial a menor potencial eléctrico.

NOTA: La corriente es un flujo de carga eléctrica que fluye desde donde hay mayor

potencial (mayor voltaje) a donde hay menor potencial (menor voltaje).

En la figura podemos ver una resistencia R1 que está conectada a dos nodos A y B. La flecha indica el sentido de la corriente eléctrica. De esta observación, podemos deducir que el voltaje en el nodo A es mayor que el voltaje en el nodo B. Mientras esta diferencia de voltaje entre estos dos nodos la corriente será mayor. Veamos un ejemplo numérico: Si el voltaje en el nodo A es 10 voltios y el voltaje en el nodo B es 5 voltios y si la resistencia es 2kΩ, entonces la corriente será:

Al voltaje VA-VB también lo podemos llamar VR1 ó voltaje en la resistencia.

A

B

I

mAkR

VV

R

VI BAR 5,2

2

510

11

1


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El software Proteus

El software de Proteus es un conjunto de programas de diseño y simulación muy usado en

electrónica, su fabricante es LabCenter Electronics y consta de dos programas principales: Isis y

Ares.

ISIS: que por sus siglas significa Intelligent Schematic Input System (Sistema de Enrutado de

Esquemas Inteligente) es una herramienta muy importante del Proteus que permite dibujar diagramas electrónicos (diagramas esquemáticos) usando una gran variedad de componentes como resistencias, fuentes de voltaje, transistores, diodos, puertas lógicas, microcontroladores, etc. Además el ISIS permite realizar simulaciones del circuito usando el módulo VSM (Virtual System Modeling) para poder predecir su funcionamiento en la realidad, para esto cuenta con diferentes herramientas de medición virtuales como voltímetros, amperímetros, osciloscopios, etc. Este es el programa que utilizaremos durante el curso y es muy importante que desde el primer día nos familiaricemos con su uso, recomiendo que instalemos en nuestro computador personal la versión Proteus 7.1 para poder uniformizar el trabajo en el laboratorio y en casa.

Figura 1.1: En esta figura se muestra un ejemplo del entorno de trabajo de ISIS.


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ARES: significa Advanced Routing and Editing Software (Software de Edición y Ruteo Avanzado).

Con este programa podremos crear tarjetas electrónicas (PCB Printed Circuit Board) en las cuales

podremos soldar los componentes y así generar un producto electrónico.

Una de las ventajas de este programa es que permite visualizar la tarjeta en 3D y se puede rotar para

tener una mejor comprensión de cómo quedará nuestro producto final.

Figura 1.2: En esta figura se muestra un ejemplo del entorno de trabajo de ARES.

Figura 1.3: Esta figura muestra la visualización en 3D del diseño de la figura 1.2.


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PROCEDIMIENTO PARA EL LABORATORIO

Reconociendo el entorno de trabajo del Programa ISIS

En esta primera experiencia analizaremos el siguiente

circuito y lo simularemos en ISIS para verificar nuestros

cálculos.

1.- Ingrese al programa ISIS de Proteus utilizando la siguiente ruta:

Hacemos clic en ISIS 7 Professional

Figura 1.5: Ruta para ingresar a ISIS de Proteus

Figura 1.4. Circuito 1


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Figura 1.6: Pasos para seleccionar componentes que se utilizarán en el circuito

2.- En la figura 1.6, se muestran los pasos que debe seguir para seleccionar los componentes que se

van a utilizar en el diseño. Selecciones los siguientes componentes:

Resistencia: nombre del componentes: RES.IEEE

Fuente de voltaje: VSOURCE

Figura 1.7: Componentes seleccionados

3.- Coloque los componentes en la hoja de trabajo del ISIS como se muestra en la figura 1.8.

En caso que requiera rotar un componente debe hacer clic derecho sobre el y se mostrarán unas

opciones para rotar, además de ver algunas de las propiedades del componente.

1: Modo de

Componente

2: Selección de

Dispositivos

3: Selección de

componentes

4: Componentes

seleccionados


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Figura 1.8. Componentes de nuestro circuito en la hoja de trabajo del ISIS

4.- Ahora debemos colocar la tierra (GND Ground) del circuito que corresponde a los cero voltios,

debemos hacer clic sobre el botón Modo de Terminales (figura 1.9).

Luego debemos hacer las conexiones de los componentes, para esto, acercamos el mouse a uno de

los terminales del componente que queremos conectar, aparecerá un pequeño cuadrado rojo,

presionamos y movemos el mouse hacia el

otro Terminal del componente que

queremos conectar.

Debemos cambiar el valor de los

componentes a los valores indicados en la

gráfica, para esto debe hacer doble clic

sobre el componente y cambiar sus valores

a los que se muestra en la figura 1.9. Si lo

desea puede cambiar el nombre del

componente, solamente debemos tener en

cuenta que no deben haber dos

componentes con el mismo nombre.

NOTA: Para verificar que las conexiones están bien hechas podemos arrastrar los

componentes sobre la pantalla, si las conexiones están bien, entonces las líneas

también se moverán con el componente.

Figura 1.9: Circuito en la hoja de trabajo


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5.- Vemos que la resistencia equivalente es:

Req = R1+R2+R3 = 1k+2k+2k = 5kΩ

Y la corriente que pasa por el circuito es:

mAk

VI 2

5

10

Procedamos con la simulación del circuito para corroborar estos valores, vamos a medir los voltajes

en cada nodo y la corriente en todo el circuito.

Podemos medir los voltajes y corrientes del circuito usando los probadores de voltajes y corrientes ó

utilizando los instrumentos virtuales (Voltímetros y Amperímetros) como se ve en la figura 1.10.

5.1.- Procedamos a realizar las mediciones usando los probadores de voltaje y corriente. Coloque los

probadores según la siguiente figura y ejecute la simulación con el botón RUN que queda en la parte

inferior izquierda de su pantalla, observe los valores obtenidos y verifique que son correctos.

Probador de Voltajes

Probador de Corriente

Instrumentos Virtuales

Voltímetros

Amperímetros

Figura 1.10: botones para seleccionar los probadores o los Instrumentos Virtuales

Botones: Run, Step, Pause y Stop

Figura 1.11: Mediciones de voltajes y corriente usando probadores


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5.2.- Utilice los Instrumentos Virtuales como el amperímetro DC y el voltímetro DC como se muestra

en las figuras 1.12 y 1.13.

6.- Realice el cálculo teórico de las corrientes que pasan por cada resistencia del circuito de la figura 1.14. Anote sus valores en la gráfica y luego verifique sus cálculos con una simulación. Observe y analice sus resultados

Presente sus resultados al profesor para su calificación

Figura 1.12: conexión del amperímetro en la escala de mA

Figura 1.13: conexión del voltímetro en la escala de voltios

R1

1k

R3

1k

5V R2

1k

R4

1k

Figura 1.14: Circuito Mixto: Resistencias en paralelo y en serie


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El módulo de desarrollo de circuitos y el

multímetro digital.

Temario: - Código de colores de resistencias. - Resistencias en serie y paralelo. - Potencia eléctrica. - Ley de Ohm.

En este laboratorio, implementaremos circuitos usando componentes reales como resistencias y fuentes de voltaje. Estos circuitos se implementarán en el módulo de desarrollo de circuitos electrónicos y los valores de las variables eléctricas se medirán usando el multímetro, para luego verificar los resultados en el software de simulación Proteus. Aprenderemos a identificar las resistencias según sus códigos de colores y entenderemos la diferencia entre su valor real y su valor nominal. Aprenderemos a usar el protoboard del módulo de desarrollo, la distribución de sus conexiones y la forma como conectar resistencias en serie y en paralelo. Aplicaremos la Ley de Ohm para corroborar los resultados. Realizaremos cálculos de la potencia eléctrica consumida por las resistencias y la entregada por la fuente de voltaje.


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OBJETIVOS - Usar correctamente los instrumentos virtuales usados en el laboratorio de electrónica como el

módulo global de desarrollo y el multímetro digital. - Realizar mediciones de señales eléctricas como corriente, voltaje y resistencia de un circuito

eléctrico resistivo (fuentes de voltaje continuas y resistencias), implementado dichos circuitos en el protoboard del módulo de desarrollo.

- Reconocer el valor de una resistencia eléctrica utilizando su código de colores.

MATERIALES - Módulo global de desarrollo de circuitos electrónicos. - Multímetro digital.

- Resistencias 270 y 470 de ¼ Watt de potencia cada una. - Cables de conexión para el protoboard. - Computador con software de simulación Proteus.


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CÓDIGO DE COLORES DE UNA RESISTENCIA ELECTRICA

Las resistencias usadas en electrónica, normalmente tienen cuatro bandas de colores que permiten determinar su valor. En algunos casos se utilizan cinco bandas de colores para cuando se requiera mayor precisión, es el caso de los equipos médicos.

Para nuestro laboratorio utilizaremos resistencias de cuatro bandas, las tres primeras sirven para determinar el valor nominal (es el valor comercial) de la resistencia y la cuarta banda de colores servirá para hallar la tolerancia, es decir el porcentaje máximo del cual se puede desviar el valor real de la resistencia de su valor nominal, por ejemplo: Si con las tres primeras bandas (marrón, negro, rojo) tenemos una resistencia de 1kΩ, y la cuarta banda (Oro) nos dice que la tolerancia es 5%, entonces el valor real de la resistencia podrá estar entre 1kΩ ± 5%, (950Ω , 1050Ω). Quiere decir que mientras la resistencia tenga menor tolerancia, es más probable que el valor real será más próximo al

valor nominal. Se puede reconocer la cuarta banda porque está más separada de las otras tres. El color de la banda tiene una equivalencia numérica como se muestra en la siguiente tabla:

Colores Valor

1ra cifra Valor

2da cifra Factor

multiplicador Tolerancia

Negro 0 0 1

Marrón 1 1 10 1%

Rojo 2 2 102 2%

Naranja 3 3 103

Amarillo 4 4 104

Verde 5 5 105 0.5%

Azul 6 6 106

Violeta 7 7 107

Gris 8 8 108

Blanco 9 9 109

Oro 10-1 5%

Plata 10-2 10%

Sin color 20%

Ejemplo: Los colores de una resistencia son: B1: azul, B2: gris, B3: rojo, B4: oro, Las bandas 1 y 2 forman el número 68, Luego se multiplica con el valor de la banda 3 = 68x102 = 6800Ω =6,80kΩ (valor nominal) La banda 4 es la tolerancia, el valor real de la resistencia estará entre cualquier valor comprendido entre 6,80kΩ ± 5%, es decir entre 6,64kΩ y 7,14kΩ.

1 2 3 4

A: Banda 1: Valor 1ra cifra B: Banda 2: Valor 2da cifra C: Banda 3: Factor multiplicador D: Banda 4: Tolerancia.

%10 DABxR C


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Ejercicios: Llenar la siguiente tabla:

Banda 1 Banda 2 Banda 3 Banda 4 Resistencia Nominal (Ω)

Rango en el cual puede estar el valor

real

Marrón Negro Rojo Oro 1k <950Ω,1050Ω>

Naranja Naranja Marrón Oro

Marrón Negro Naranja Oro

Azul Verde Marrón Oro

Amarillo Violeta Rojo Oro

Verde Azul Marrón Oro

Rojo Rojo Rojo Plata

Marrón Verde Naranja Plata

Gris Rojo Marrón Plata

Oro 1,50k

Oro 27k

Plata 100

Plata 39k

Si desea comprobar sus resultados puede ingresar a la siguiente página web: http://www.ucm.es/info/electron/laboratorio/componentes/resistencias.html


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CONEXIÓN DE RESISTENCIAS

Las resistencias pueden estar agrupadas de distintas maneras, las más comunes son: Resistencias conectadas en paralelo: Las resistencias tienen en común los mismos nodos (es decir R1, R2 y R3 están conectados a los nodos NA y NB), por consiguiente todas las resistencias tienen el mismo voltaje. Dado que el nodo NB está conectado a tierra ó GND, por lo tanto su voltaje es cero voltios, NA está conectado a la fuente V por lo tanto el voltaje del nodo NA tiene el mismo voltaje que la fuente, es decir 15V respecto a GND. Las resistencias tienen un voltaje VR = VNA-VNB.= 15 V – 0 V=15 V Las resistencias en paralelo se pueden reducir a una sola resistencia equivalente Req que se puede hallar con la siguiente ecuación:

Neq RRRR

1...

111

21

Para el caso del ejemplo

kRkkkkR

eq

eq

5,25.2

1

5

1

10

1

10

11

Para el caso especial que se tenga dos resistencias en paralelo, la resistencia equivalente se puede calcular directamente como el producto entre la suma de los valores de las resistencias

21

21

21

.111

RR

RRR

RRReq

eq

En este caso de dos resistencias en paralelo, se observa que, cuando las resistencias tienen el mismo valor, entonces la resistencia equivalente será la mitad.

Conociendo esto, podemos aplicarlo a la solución del ejercicio anterior: Agrupamos las resistencias R1 y R2 como una sola resistencia que llamaremos R12, observamos que R1 = R2, entonces R12 = 10k//10k = 5kΩ, ahora esta resistencia se agrupará con R3 = 5kΩ, por lo tanto Rf = R12//R3 = 5k//5k = 2,5kΩ, y el resultado sale igual que al aplicar la fórmula general, esté método con la practica será de mucha ayuda.

Nota: La resistencia equivalente siempre será de menor valor que cualquiera

de las resistencias que están en paralelo.

R1

10k

V R3

5k

R2

10k

NA

NB

15V

Nodo A

Nodo B


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Resistencias conectadas en serie: Las resistencias están conectadas una a continuación de otra, tienen en común la corriente que pasan por estas resistencias, pero el voltaje en las resistencias no será el mismo, para determinar la resistencia equivalente deben sumarse las resistencias, es decir:

RnRRReq ....21

Para el ejemplo de la figura la resistencia equivalente será Req = 3kΩ.

Ejercicio: se muestra un circuito formado de 4 resistencias y una fuente de voltaje de 5 voltios, se pide hallar la resistencia

equivalente total.

Solución: Observe que R1, R2 y R3 están en paralelo, entonces R123 = R1//R2//R3 = 1k/3 = 333,3Ω. La resistencia R123 está en serie con R4, entonces Rf = R123+R4 = 1,33kΩ Si nos piden la corriente que circula por la fuente de voltaje se podría calcular de la siguiente manera: Ifuente = V/R = 5V/ 1,33k = 3,75mA y la dirección es la de la flecha

Ejercicios: Marcar y determinar la cantidad de nodos que hay en cada circuito, además halle la resistencia equivalente entre los puntos a y b. (las respuestas se indican a continuación, asuma que entre los nodos a y b se coloca una fuente de voltaje de 10V)

R2

1k

12V

R3

1k

R1

1k

Fuente de 12 voltios y 3 resistencias en serie de 1kΩ.

I

Respuestas:

Circuito (a): Nodos= 6, Rab=20Ω Circuito (b): Nodos= 8, Rab=15Ω Circuito (c): Nodos= 8, Rab=10Ω

R1

1k

R3

1k

5V R2

1k

R4

1k


27

POTENCIA ELECTRICA

La potencia nos indica la capacidad de un elemento de desplegar o consumir una cierta cantidad de energía en un tiempo determinado, en una resistencia la energía consumida se disipa en forma de calor. En esta parte del curso veremos que los elementos que entregan energía son generalmente las fuentes de voltaje, por ejemplo: una batería. Por otro lado los elementos que consumen esta energía son las resistencias.

La unidad de potencia es el Watt ó a veces llamado Vatio, su símbolo es W.

P = V x I Esta es la fórmula principal para calcular la potencia que consume o entrega un elemento, conociendo la corriente que pasa por el y el voltaje entre sus dos terminales podemos calcular su potencia. Para el caso especial de calcular la potencia que consume una resistencia podemos encontrar dos ecuaciones adicionales que nos llevan al mismo valor de la potencia consumida. Muchas veces es más conveniente usarlas dado que solamente se requiere saber solo una de las variables involucradas, la corriente o el voltaje. Vamos a deducir estas dos ecuaciones: Sabemos por la ley de Ohm que V=I x R, si reemplazamos esta ecuación en la de la potencia entonces tenemos:

P = I2 x R Por otro lado si despejamos la corriente de la ecuación de la ley de Ohm tenemos I = V / R, si reemplazamos en la ecuación de la potencia tenemos:

P = V2 / R

Ejemplo 1: Se tiene el circuito, formado por una fuente de voltaje y una resistencia cuyo valor es R=5Ω, se pide determinar la corriente I que circula por la resistencia, y la potencia que consume.

Entonces: 10V = I x 5Ω entonces I = 2A

Observar que el sentido de la corriente en la resistencia va de mayor voltaje a menor voltaje, quiere decir que en una resistencia siempre hay caída de voltaje. Potencia que consume la resistencia = (2)

2x5 = 20W

Potencia que entrega la fuente de voltaje = 10 x 2 = 20W Se observa que la potencia entregada al circuito por la fuente de voltaje es igual a la potencia consumida por la resistencia del circuito.

+

-

10V

...

R

I


28

Ejemplo 2: Un circuito formado por tres resistencias en paralelo y una fuente de voltaje V= 7,5V.

a) Hallar la corriente total = corriente que circula por la fuente de voltaje.

b) Hallar la corriente en cada resistencia. c) Hallar la potencia consumida por cada resistencia y la

entregada por la fuente de voltaje. Solución

a) Req = R1//R2//R3 = 2,5kΩ Itotal = V/Req = 7,5V / 2,5kΩ = 3mA

b) Las tres resistencias están en paralelo con la fuente de

voltaje, dado que comparten todos los mismos nodos, entonces todas las resistencias tienen 7,5V, por la ley de Ohm, podemos hallar la corriente pues conocemos dos de las tres variables:

I1 = V/R1 = 7,5V/10kΩ = 0,75mA I2 = V/R2 = 7,5V/10kΩ = 0,75mA

I3 = V/R3 = 7,5V/5kΩ = 1,50mA

Observe que la suma de las corrientes es igual a la corriente total. Observe también que por la resistencia de menor valor pasa más corriente

c) PR1 = V x I1 = 7,5V x 0,75mA = 5,63mW

PR2 = V x I2 = 7,5V x 0,75mA = 5,63mW PR3 = V x I3 = 7,5V x 1,5mA = 11,25mW

Pfuente = V x Itotal = 7,5V x 3mA = 22,50mW

Se observa que Pfuente = PR1+PR2+PR3

Ejemplo 3. Un circuito formado por tres resistencias en serie y una fuente de voltaje de 12V.

a) Hallar la corriente total = corriente que circula por la fuente de voltaje.

b) Hallar el voltaje en cada resistencia. c) Hallar la potencia consumida por cada resistencia y la

entregada por la fuente de voltaje Solución

a) Req=R1+R2+R3=3kΩ Itotal = V/Req = 12V / 3kΩ = 4 mA

b) Conocemos la corriente que circula por la resistencia

R1=1kΩ, esta corriente es I=Itotal=4mA. Aplicando la ley de Ohm podemos hallar la caída de voltaje en la resistencia R1:

VR1 = I x R1 = 4mA x 1kΩ = 4V Similar para las resistencias R2 y R3: VR2 = I x R2 = 4mA x 1kΩ = 4V

VR3 = I x R3 = 4mA x 1kΩ = 4V

R2

1k

12V

R3

1k

R1

1k

Fuente de 12 voltios y 3 resistencias en serie de 1kΩ.

I

R1

10k

V R3

5k

R2

10k

NA

NB

Itotal

I1 I2 I3


29

Observe que la suma de voltajes de las resistencias es igual al voltaje de la fuente, ó que la suma de caídas de voltajes en las resistencias es igual al voltaje de la fuente.

c) PR1 = VR1 x I = 4 V x 4mA = 16 mW

PR2 = VR2 x I = 4 V x 4 mA = 16 mW PR3 = VR3 x I = 4 V x 4 mA = 16 mW

Pfuente = V x Itotal =12 V x 4 mA = 48 mW

Se observa que Pfuente = PR1+PR2+PR3

Ejemplo AN5.4: para el siguiente circuito, hallar: a) la corriente total = corriente que circula por la

fuente de voltaje. b) El voltaje en cada resistencia. c) La corriente en cada resistencia. d) La potencia consumida por cada resistencia y

la entregada por la fuente de voltaje. Solución

a) Req = R4 + R1//R2//R3 = 1,33kΩ Itotal = V/Req = 5 V/ 1,33kΩ = 3,75mA

b) Ponemos atención a la resistencia R4, vemos

que la corriente que circula por esta resistencia es la misma que circula por la fuente de voltaje, por lo tanto Itotal=IR4=3,75mA Utilizando la ley de Ohm podemos calcular la caída de voltaje en la resistencia R4: VR4 = I x R4 = 3,75mA x 1kΩ = 3,75V. Del gráfico se observa que el nodo NA tiene 5V, y la caída de voltaje en R4 es 3,75V, entonces el voltaje en el nodo NB es 5V-3,75V=1,25V, como el nodo NC está conectado a tierra entonces NC=0V. De lo anterior podemos ver que el voltaje en las resistencias R1, R2 y R3 es

VR1=VR2=VR3= VNB-VNC=1,25V c) Sabemos que IR4=3,75mA , por la ley de Ohm calculamos las corrientes en el resto de

resistencias: IR1 = VR1 / R1 = 1,25V / 1kΩ = 1,25mA IR2 = VR2 / R2 = 1,25V / 1kΩ = 1,25mA IR3 = VR3 / R3 = 1,25V / 1kΩ = 1,25mA

Se observa que la suma de corrientes IR1+IR2+IR3=IR4

d) PR1 = VR1 x IR1 = 1,25V x 1,25mA = 1,56 mW

PR2 = VR2 x IR2 = 1,25V x 1,25mA = 1,56 mW PR3 = VR3 x IR3 = 1,25V x 1,25mA = 1,56 mW PR4 = VR4 x IR4 = 3,75V x 3,75mA = 14,06 mW

Pfuente = V x Itotal = 5V x 3,75mA = 18,75 mW

Se observa que Pfuente = PR1+PR2+PR3+PR4

R1

1k

R3

1k

5V R2

1k

R4

1k

NA

NB

NC


30

Ejercicio: En el siguiente circuito se pide:

a) Dibujar el sentido de las corrientes en cada resistencia. b) La corriente que circula por la fuente de voltaje. c) La potencia que consume la resistencia R3 d) La potencia que consume la resistencia R6

Respuestas: a) (R1,R5,R4 →), (R3, R7, R8 ↓), (R6, R2← ) b) sugerencia: Hallar la resistencia equivalente de todo el circuito. Rpta: I=1A c) sugerencia: El nodo B es 0V, el nodo A es 20V, conocemos la corriente que circula por R1 y

R2 =1A y podemos calcular los voltajes en los nodos C y D, luego como conocemos el voltaje en la resistencia R3 (Vc-Vd), podemos calcular la corriente en R3 y con esto su potencia.

Rpta: 4,8W d) sugerencia: aplicamos IR6+IR3=IR2, luego obtenemos IR6 y podemos calcular lo pedido. Rpta: 3,6W

20

3

9

18

30+

-

V=20V

...

5

5

10

A

B

C

D

E

F

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7 R8


31

I.- MÓDULO GLOBAL DE DESARROLLO

Es un EQUIPO DE LABORATORIO que nos permite interconectar elementos eléctricos (resistencias, transistores, circuitos integrados, etc.) para el armado de circuitos electrónicos sin la necesidad de soldar componentes. Cuenta con indicadores lógicos, potenciómetros, interruptores, parlantes, etc. Además tiene fuentes de voltaje continuo para alimentación a circuitos y otros componentes que lo convierten en un elemento muy importante para el

desarrollador electrónico. Describiremos la función de cada parte que compone el módulo PB-503 (figura 2.1) de la marca Global Specialties, que utilizaremos en el laboratorio. Se hará referencia al diagrama que se muestra el la figura 2.2, observe que cada parte tiene un número y la descripción está indicada a continuación del gráfico:

MODULO PB-503

Figura 2.1

1

2

3

4 4 5 6 7

8

9

10

Figura 2.2


32

1. Fuentes de voltaje:

Se observan tres fuentes de voltaje que están diferenciadas por los colores de las borneras (figura 2.3) de la siguiente manera:

Bornera roja: arroja un voltaje de salida fijo de 5V. Bornera amarilla: arroja un voltaje positivo entre 1.3V y 15V, este voltaje se puede

modificar utilizando la perilla ADJUSTMENT de +15V. Bornera azul: arroja un voltaje negativo entre -1,3V y -15V, este voltaje se puede

modificar utilizando la perilla ADJUSTMENT de -15V. Bornera negra: corresponde a la tierra del circuito ó 0V.

Todos los valores de las fuentes de voltaje se miden con respecto a tierra (GND) ó cero voltios (Bornera negra).

En la figura 2.3, se observa que de cada bornera de la fuente sale una línea negra que indica una conexión eléctrica con las filas de conexión de la parte izquierda, es así que: Todos los agujeros de la primera fila, están internamente conectados entre sí y a la vez, están conectados a la fuente de 5 voltios. Igualmente ocurre para la segunda fila, donde todos los agujeros están conectados a la fuente de voltaje positiva, los agujeros de la tercera fila se conectan al voltaje negativo y los agujeros de la cuarta fila se conectan a tierra ó GND.

NOTA: Estos agujeros sirven para introducir cables pequeños para obtener nuestras fuentes de Voltaje y de esta manera implementaremos nuestros circuitos.

2. Indicadores lógicos (Logic Indicators) Se utilizan en el caso que se esté probando un circuito digital. Son indicadores luminosos utilizados para conocer el estado lógico de un bit (0 ó 1 lógico). En el módulo se puede observar un conector compuesto por 8 pares de agujeros, cada par se conecta a un indicador verde y a un rojo. En el caso que el estado del bit es 1 ó HIGH, entonces el LED (Light Emisor Diodo) rojo se enciende, en caso que el bit sea 0 o LOW se enciende el LED verde.

Perillas de ajuste Borneras de fuentes

Filas de conexión de las fuentes de voltaje

Figura 2.3

Rojo Amarillo Azul

Negro

Figura 2.4


33

Figura 2.8

Se pueden observar dos interruptores o switch del tipo SPDT (Single Pole, Double Throw), sirven para seleccionar el voltaje de operación (5V ó +V), y el tipo de familia digital que se utiliza (ver figura 2.4).

Para nuestro caso debemos seleccionar 5V y TTL (Transistor Transistor Logic).

3. Parlante de prueba (SPEAKER) El módulo cuenta con un pequeño parlante de 8Ω de 0,25W, se utiliza en caso se armando un circuito que tenga una salida de audio, por ejemplo un pequeño amplificador de audio. Un conector compuesto por 8 agujeros, de los cuales los 4 primeros agujeros se conectan a un polo del parlante y los otros 4 agujeros se conectan al otro polo del parlante como se muestra en la figura 2.5.

4. Conectores BNC tipo J El módulo cuenta con 2 conectores BNC tipo J, ubicados en la parte inferior izquierda y derecha del equipo. (figura 2.2). Se utilizan en el caso de trabajar con cable coaxial donde la información viaja por un pin central (PIN), el cable tiene una envoltura metálica (SHELL) para proteger la información que pasa por el pin, la protege de señales electromagnéticas no deseadas. Un conector compuesto por 8 agujeros, de los cuales los 4 primeros agujeros de la izquierda se conectan al PIN y los otros 4 agujeros se conectan al SHELL como se muestra en la figura 2.6.

5. Interruptores SPDT (SPDT Switch) Dos interruptores del tipo SPDT (Single Pole, Double Throw), se conectan a un conector de 8 pares de agujeros. Cada interruptor tiene dos posiciones y tres terminales (1, 2 y 3 ver figura 2.7), cuando el interruptor se encuentra en la posición inferior los terminales 2 y 3 se encuentran unidos, cuando el interruptor está en la posición superior los terminales 1 y 2 se unen. Observar que el terminal 2 ocupa dos pares en el conector.

6. Potenciómetros El módulo cuenta con dos potenciómetros (Resistencias Variables) de 1kΩ y 10kΩ. Un potenciómetro es una resistencia, con la característica que podemos variar su valor al variar la perilla. Como ejemplo veamos el funcionamiento del potenciómetro de 1kΩ: Este elemento tiene tres terminales o pines de conexión como se observa en la figura 2.8.a y 2.8.b, para este caso entre los extremos 1 y 3 existe un material resistivo hecho normalmente de carbón o cermet, se observa que la longitud de esta pista (track) es fija, por lo tanto la resistencia entre estos dos puntos también será fija, para este caso será 1kΩ, la patita 2 está conectada a un elemento que se desliza sobre la pista (figura 2.8.b), esta posición estará regulada por el giro de la perilla. La

Figura 2.5

Figura 2.6

S2 S1

1 2 3 3 2 1

Figura 2.7


34

distancia del contacto a cualquiera de los terminales determinará la resistencia entre la pata 2 y el terminal extremo, de tal manera que si:

R13=1kΩ (fijo)

Entonces R12+R23 = R13 = 1kΩ

Donde:

R13 es la resistencia medida entre los terminales 1 y 3. R12 es la resistencia medida entre los terminales 1 y 2. R23 es la resistencia medida entre los terminales 2 y 3.

El símbolo de un potenciómetro se muestra en la figura 2.8.c.

7. Interruptores tipo DIP (Dual In line Package) Está compuesto por 8 micro-interruptores los cuales están dispuestos como se vé en la figura 2.9. La salida de cada interruptor se conecta a un par de agujeros, los que servirán para conectar cables y así poder hacer uso de las señales que se generan. A la derecha se observa un interruptor del tipo SPDT (que llamaremos selector) este sirve para seleccionar el voltaje de salida de los micro-interruptores, es así que si el si el selector está en +5, entonces el voltaje de salida de los micro interruptores será +5V si están presionados en la parte superior y 0 voltios si están en el otro caso. Se utiliza para generar una señal binaria compuesta por ‘1’s y ‘0’s, dependiendo del estado del los micro interruptores. Usaremos este elemento en un laboratorio posterior.

8. Pulsadores Se cuenta con dos pulsadores PB1 y PB2, el diagrama de conexión se muestra a la derecha de cada pulsador. En estos diagramas se observa que la tierra (GND) está conectada a un terminal denominado NC (Normalmente Cerrado), es decir que este Terminal tiene 0 voltios. El otro Terminal NO (Normalmente abierto – Output) no tiene ninguna conexión interna. En el momento que presionamos el pulsador entonces cambia la conexión de tal manera que ahora la tierra de conecta a NO y NC queda sin conexión. Ver figura 2.10.

Figura 2.9

Figura 2.10

Figura 2.8.c Figura 2.8.a Figura 2.8.b

1 2 3

1 3

2


35

9. Generador de funciones Este dispositivo permite generar una señal de voltaje que podrá tener diferente forma (senoidal, triangular o cuadrada) según la posición de un selector ubicado en la parte superior de los agujeros de conexión (figuran 2.11), observe que los tres pares de agujeros de la derecha tienen la misma conexión y el par de la izquierda es una conexión diferente del que se genera una señal TTL (se explicará posteriormente). La señal generada que sale por los tres pares de agujeros de la derecha puede ser modificada en su amplitud (Voltios) como en la frecuencia (Hertz). Para cambiar la amplitud de la señal de salida deberá tan solo mover arriba o abajo la palanca de AMP (amplitud), es así que si la palanca está en la parte superior el voltaje de la señal será mayor y si la palanca está en la parte inferior el voltaje de salida será pequeño. Para cambiar la frecuencia de la señal debemos multiplicar los valores de:

a. El valor la palanca vertical FREQ (entre 0,1 y 1,0). b. El valor del selector de rango ubicado en la parte superior y

que puede tomar tres valores 1, 10 ó 100. c. El rango del selector vertical ubicado en la parte superior

izquierda y que puede tomar dos valores KHz ó Hz. Por ejemplo: si los valores son: 0,4, 10 y KHz respectivamente según los indicado en a, b y c entonces la frecuencia de salida será 0,4x10xKHz = 4Khz. Para el caso de TTL (Transistor Transistor Logic), la señal de salida solamente será cuadrada (no toma en cuenta la posición del selector de forma de onda), la amplitud estará limitada a 5V (No toma en cuenta la posición de la palanca de amplitud) y la frecuencia será determinada igual que se indicó anteriormente en los pasos a, b y c.

10. Protoboard Se podría decir que es la parte principal del módulo, aquí es donde conectamos nuestros componentes para formar un circuito. Está conformado por unos agujeros metalizados con contactos de presión. Lo más importante es entender como los agujeros están conectados y distribuidos, de aquí en adelante, cuando hablemos de un grupo de agujeros que estén internamente conectados hablaremos de un nodo. En la figura 2.12 se muestra el protoboard, los nodos de la parte superior que se conectan a las fuentes de voltajes ya fueron explicados en el punto 1(fuentes de voltaje). En el módulo, podemos identificar tres bloques idénticos. En la figura están denotados por un círculo con un número, describiremos las conexiones de los agujeros del bloque 1. En el bloque 1, podemos observar que los agujeros de los costados están unidos en forma de columna (vertical) a esta zona la llamaremos nodos de alimentación de voltaje, dado que se utilizan principalmente para conectar las fuentes, y los agujeros en la parte central (área de componentes) están conectados en forma de fila (horizontal). Los agujeros de la parte central (área de componentes) están agrupados en forma horizontal, cada nodo agrupa 5 agujeros, encontramos dos filas de 5 agujeros cada uno.

Figura 2.11


36

Los bloques 2 y 3 tienen exactamente la misma distribución de nodos.

Figura 2.12

1 2

1

3

Fuentes de Voltaje:

5V +V -V GND


37

Figura 2.13

La conexión entre nodos se hace mediante cables, los cuales deben ser lo mas cortos posibles. Es recomendable que estos cables deben de estar aislados con su protección de goma, para evitar cortocircuitos por contactos con otros cables.

Seguidamente se muestran tres ejemplos de conexión de circuitos:

R2

1k

12V

R3

1k

R1

1k5V R1

1k

R2

1k

Circuito 1: fuente de 5 voltios y dos resistencias en paralelo de 1kΩ.

Circuito 2: fuente de 12 voltios y tres resistencias en serie de 1kΩ.

R1

1k

R3

1k

5V R2

1k

R4

1k

Circuito 3: fuente de 5 voltios con un circuito mixto, donde R1, R2 y R3 están en paralelo, y el equivalente de estas tres está en serie con R4.

Figura 2.14


38

Los circuitos serán implementados de la siguiente manera: el circuito 1 en la parte izquierda, el circuito 2 en la parte central y el circuito 3 en la parte derecha del protoboard.

Ahora debe identificar los nodos de conexión de la figura 2.15 con las conexiones de los diagramas esquemáticos de la figura 2.14.

Circuito 1: dos

resistencias en

paralelo

Circuito 2: tres

resistencias en

serie

Circuito 3:

circuito mixto

Figura 2.15


39

Observe que se ha hecho unas conexiones utilizando cables en los nodos de alimentación (nodos verticales), esto se hace con el fin de tener un solo nodo vertical de conexión, esto es una práctica recomendable.

I. EL MULTÍMETRO DIGITAL:

Es un instrumento de medición a veces denominado tester o multitester, es muy importante para el desarrollo en ingeniería y sirve para medir diferentes magnitudes eléctricas como:

Voltaje (Voltímetro) o Alterno o o Continuo

Corriente (Amperímetro) o Alterna o o Continua.

Resistencia eléctrica.

Continuidad eléctrica.

Capacitancia eléctrica.

Frecuencia,

etc.

Algunos permiten medir temperatura. Se muestra en la figura 2.16 el multímetro de la marca FLUKE modelo 179. Se observa que el multímetro tiene 4 partes que están numeradas del 1 al 4, estas son: 1.- Pantalla LCD (Display de Cristal Líquido). 2.- Botones para modo de operación. 3.- Selector de funciones de medida. 4.- Terminales para conectar cables. Se explica en forma breve el uso de estas partes y luego se mostrarán ejemplos de medición de resistencia, voltaje, y corriente. 1.- Display: Sirve para indicar la magnitud de la variable medida, además muestra mensajes de error en caso de haberlos e indicadores de funcionamiento, como batería baja, sobrecarga (OL OverLoad), valor mínimo, máximo, promedio, etc. En la figura 2.17 se muestran los símbolos que pueden aparecer en este display. Prestar atención sobre todo a 1, 7 y 8.

Figura 2.16

1

2

3

4


40

2.- Botones para modo de operación:

Figura 2.18

Figura 2.17


41

3.- Selector de funciones de medida. Con este selector podemos seleccionar el tipo de

variable eléctrica que queremos medir, por ejemplo si queremos medir voltaje continuo o VDC

tenemos que seleccionar la posición donde esté indicado , se observa que el rango de voltaje

va de 1mV a 1000V. Los rangos de medida para el multímetro Fluke 179 se muestran en el siguiente cuadro.

4.- Terminales para conexión de cables.

Encontramos 4 terminales donde se conectarán las puntas de medición. Por lo general el cable negro se conecta al Terminal 4 (COM que indica el punto COMUN, ver figura 20), la colocación del cable rojo dependerá de lo que se va ha medir, si se mide voltaje o resistencia, el cable rojo debe estar en el Terminal 3.

Cuando se quiera medir corriente , hay que tener cuidado en la posición del cable rojo, si la corriente a medir es menor o igual 400 mA, entonces el cable rojo debe ir en la posición 1, en caso contrario debe ir en la posición 2, teniendo en cuenta que la máxima corriente que soportará en esta posición es 10 A. (ver figura 2.20)

NOTA: si no se respeta lo indicado anteriormente para la

medición de corriente, el fusible (FUSED) se quemará, y habrá que reemplazarlo por uno igual original el cual es un accesorio costoso.

Figura 2.19


42

Seguidamente se muestran figuras donde se muestra como hacer algunas mediciones, observe la posición del selector de funciones, la posición de los cables de medición y las unidades que aparecen en el display.

Figura (a): Medición de resistencia eléctrica, observe que el selector está en Ω, las unidades en el display están en Ω o en kΩ, según corresponda el rango.

Figura (b): Medición de voltaje alterno, observe con atención las unidades en el display aparece AC.

Figura (c): Medición de voltaje continuo o DC, observe con atención la posición de los cables de medición y el display, en caso que las puntas se conecten en posición invertida, entonces la lectura será negativa.

Figura (d): Medición de voltaje continuo pero en milivoltios, similar a la parte (c) pero en el rango mucho menor.

(a) (b) (c) (d)

figura 2.21

Figura 2.20 Negro

Rojo


43

Muchas veces se requiere saber si hay continuidad eléctrica en un circuito, entonces se puede proceder de la siguiente manera:

Medición de corriente eléctrica: Este proceso requiere de más cuidado que los procedimientos indicados anteriormente, deben seguirse los siguientes pasos: a) Apagar el multímetro y la fuente de voltaje. b) Abrir el circuito donde se quiere medir corriente eléctrica.

c) Insertar el multímetro en serie como se muestra en la figura 2.23. y seleccionar el rango a

medir, en A o en mA, y el tipo DC (continua) ó alterno (AC) de corriente. d) Revisar las conexiones y prender el multímetro y luego la fuente de poder.

(a) (b)

Figura 2.22

Figura 2.23

Realice este procedimiento con PRECAUCION!

Rojo

Negro


44

CUESTIONARIO

1. ¿Qué es el valor nominal de una resistencia? 2. ¿Qué es la tolerancia en una resistencia? 3. Si se tiene 2 resistencias con los mismos colores en sus 4 bandas, ¿Se puede decir que

sus valores nominales son iguales?, Qué podemos decir de sus valores reales? 4. Se tiene una resistencia con los colores: naranja, rojo, naranja, dorado. ¿Cuál es su valor

nominal?, ¿Entre que valores puede estar su valor real? 5. Defina que es un material conductor, aislante y semiconductor, listar dos materiales de

cada tipo. 6. ¿Cuáles son los materiales semiconductores más utilizados en los circuitos integrados? 7. ¿En qué sentido o dirección fluyen los electrones? 8. ¿Cuál es el sentido o dirección de la corriente eléctrica? ¿Es el mismo que el flujo de

electrones? 9. ¿Qué es voltaje? 10. ¿Qué es resistencia eléctrica? 11. ¿Cómo se construye una resistencia de carbón? 12. ¿En qué forma se disipa la energía que pasa por una resistencia? 13. ¿Qué dice la ley de Joule? 14. ¿En qué unidades se mide la potencia eléctrica? 15. ¿Qué es un termistor y cuantos tipos hay, para que se utilizan normalmente? Dé un

ejemplo de cada tipo. 16. ¿Qué es un LDR y como es su comportamiento? 17. Convierta las siguientes magnitudes a su forma correcta de expresar: 45000000uA,

0,000239kΩ, 1005999999pV. 18. ¿Qué condición deben cumplir dos resistencias para que estén en paralelo? 19. ¿Qué condición deben cumplir dos resistencias para que estén en serie? 20. Explique cómo se mide la corriente eléctrica.


45


1. Utilizando el Multímetro mida el valor de la resistencia (rojo, violeta, marrón, dorado) que se le hará entrega.

R1 =………………..Ω. (medida) (a) Utilizando el código de colores, halle el valor nominal de la resistencia (recuerde

que para hallar el valor nominal no se toma en cuenta la banda de tolerancia)

R1=…………………Ω (valor nominal) (b) Estos valores de resistencia nominal y medida deben tener una diferencia menor en porcentaje que lo indicado en la banda de tolerancia. ¿Es correcto esto? Si ( ) No ( ) 2. Arme en el protoboard el circuito mostrado en la figura 2.24.b.

Nota: Antes de encender el módulo, solicite la verificación de las conexiones al profesor. Sugerencia: Utilice cable de color rojo para 5V y Negro para 0V

3. Verifique que las conexiones son correctas utilizando el medidor de

continuidad del multímetro, muchas veces ocurre que los cables están rotos internamente, la forma de comprobar que las conexiones son correctas es midiendo continuidad.

R15V

Figura 2.24

(a)

(b)

Rojo

Negro


46

4. Luego de esto, mida el voltaje en la resistencia, debe ser igual que el voltaje de la fuente, debido que estos elementos están en paralelo, anote este valor.

5. Calcule usando la ley de Ohm la corriente que circula por la resistencia. ( R

VI ), utilice los valores

hallados en la parte 4 y 1(a).

6. Repita los pasos 1, 2, 3, 4 y 5 utilizando la resistencia ‘amarillo violeta marrón dorado’ y anote

sus resultados (ahora utilice un voltaje de 10 voltios)

R2= ..................Ω (medido) R2=…....…..…Ω (nominal) V2= 10 V I2= ................... mA

7. Repita los pasos 1, 2, 3, 4 y 5, pero ahora utilice dos resistencias en serie, (como si formaran una

sola resistencia), (ver figura 3.15), las resistencias a usar son 470Ω y 270Ω, anote sus resultados. (utilice un voltaje de 10 voltios).

Rs (medida)=....................Ω (a) Vs= 10V Is=.........................mA

(Observe que la resistencia total de resistencias conectadas en serie es la suma de estas)

8. Repita los pasos 1, 2, 3, 4 y 5 utilizando las resistencia de 470Ω y 270Ω colocadas en paralelo (ver figura 3.15) y anote sus resultados. (ahora utilice un voltaje de 10 Voltios)

Rp (medida)=....................Ω (a) Vp= 10V Ip=.........................mA

+5V R

Figura 2.25

R15V

V=…………… V

I =……………mA


47

9. Llene el espacio en blanco con las palabras SERIE ó PARALELO según corresponda:

Para medir voltaje en una resistencia, el multímetro debe estar en ............................................ con la

resistencia.

Para medir corriente que pasa por una resistencia, el multímetro debe estar en ..........................con la

resistencia.

10. Cuando se conecta dos resistencias en paralelo (R1 y R2), se observa que el valor de la resistencia resultante (Rp) es menor que cualquiera de las dos resistencias y se puede calcular de la siguiente manera:

21

21

21

.111

RR

RRR

RRRP

P

Calcule este valor RP=……………Ω utilizando los valores nominales de R1 y R2 Compare este valor con el medido en el paso 7. ¿Se comprueba que los valores son similares?...............................( )

11. Se tiene el siguiente circuito resistivo, que consiste en una fuente de voltaje y cinco resistencias de 330Ω, anote sus valores en la siguiente tabla:

Determine la cantidad de nodos del circuito e indíquelos en el diagrama

Calcule la resistencia equivalente de las 5 resistencias kΩ

Calcule la corriente que circula por la fuente de voltaje e indique su dirección en la gráfica.

mA

12. Realice la simulación del circuito de la figura 26 y mida los voltajes y corrientes en cada resistencia, anote sus resultados en la misma gráfica y en las tablas más abajo.

R2

R3 R5R4

R1

+

-

15V

...

Figura 2.26


48

Si desea puede utilizar los siguientes componentes.

Símbolo Librería Objeto Descripción

ASIMMDLS VSOURCE Fuente de voltaje DC.

DEVICE RES.IEEE Resistencia analógica

ACTIVE POT-LIN Potenciómetro Lineal

Botón

Instrumentos Virtuales

DC VOLTMETER

Voltímetro DC. Instrumento de

medición de voltajes DC

Botón Instrumentos Virtuales

DC AMMETER

Amperímetro DC. Instrumento de

medición de corrientes DC.

Anotar los resultados en la siguiente tabla:

Resistencia Valor (Ω) Voltaje (V) Corriente (mA)

R1 1k

R2 1k

R3 1k

R4 1k

R5 1k

Cambie R2 por un potenciómetro de 1k, presione las flechas del potenciómetro y anote sus observaciones: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………


49

Circuitos eléctricos resistivos, leyes de Kirchhoff y divisor de voltaje

Temario: Ley de Ohm Leyes de Kirchhoff: LKC y LKV Divisor de Voltaje Divisor de Corriente

La semana anterior aprendimos a usar dos equipos de laboratorio, el multímetro digital y el módulo de desarrollo, además realizamos el montaje de circuitos resistivos simples y comprobamos los resultados usando la ley de Ohm y el software de simulación Proteus. En este laboratorio profundizaremos lo aprendido la semana anterior, y analizaremos los circuitos implementados en el laboratorio, aplicaremos la ley de Ohm y las dos leyes de Kirchhoff para tal fin. También comprobaremos los divisores de voltaje utilizando resistencias y los divisores de corriente.


50

OBJETIVOS

Aplicar la ley de Ohm en circuitos resistivos simples. Aplicar las dos leyes de Kirchhoff para el análisis de circuitos resistivos. Identificar y aplicar los divisores de voltaje y divisores de corriente. Entender el concepto de potencia consumida y potencia entregada en circuitos resistivos

MATERIALES

1 Multímetro 1 Módulo Global,

Resistencias de 0,25 W: 220Ω (1), 330 (1), 470Ω (1), 1kΩ (1), 2kΩ(1) Resistencia de 0,5W: 100Ω (1)

LEYES DE KIRCHHOFF

Estas leyes son una consecuencia de la conservación de la energía que implica que esta no se puede crear ni destruir en un sistema cerrado.

Estas leyes fueron propuestas por Gustav Kirchhoff en 1845, y junto con la ley de Ohm son las más utilizadas para el análisis y la solución de problemas o situaciones eléctricas, que son la base para entender el comportamiento de los circuitos electrónicos, que actualmente son aplicados en todas las áreas de tecnología, principalmente el los sistemas de telecomunicaciones.

Para el enunciado de las leyes es necesario previamente definir los conceptos de Nodo, Rama y Malla:

Nodo: es el punto donde concurren varias ramas de un circuito.

Rama: es el fragmento de circuito eléctrico comprendido entre dos nodos.

Malla: es aquella que está formada por trazos que forman un camino cerrado en el circuito sin pasar por un mismo nodo más de una vez. Veamos un ejemplo donde se pueden identificar estos tres conceptos:

Circuito (a) Circuito (b)

Nodos

A B C D

E F

Ramas

A-R1-B, B-R2-C, C-R3-D, A-V-D

E-V-F E-R1-F E-R2-F E-R3-F

Mallas A-B-C-D-A E-V-F-R1-E,

E-R1-F-R2-E, E-R2-F-R3-E

A B C

D

E

F D

E

F

+

-

V

...

R2

R1

R1

R3

circuito (b)

R2

circuito (a)

+

-

V

...

R3

F F

E E

http://es.wikipedia.org/wiki/Gustav_Kirchhoff

http://es.wikipedia.org/wiki/1845


51

Se puede encontrar una relación numérica entre la cantidad de nodos, mallas y ramas en un circuito (análisis topológico), con la siguiente fórmula:

#Mallas = #Ramas - #Nodos + 1 Entonces

Para el circuito (a), se cumple que: 1 = 4 – 4 + 1 Para el circuito (b), se cumple que: 3 = 4 – 2 + 1 Kirchhoff propuso dos leyes: Ley de corrientes de Kirchhoff (LKC) y ley de voltajes de Kirchhoff (LKV).

1) Ley de Corrientes de Kirchoff ó LKC La suma de corrientes que entran a un nodo es igual a la suma de corrientes que salen del mismo nodo. Es decir:

i2+i3 = i4+i1

Nota: esta ley se aplica generalmente cuando se quiere hallar los voltajes de nodo de un circuito.

2) Ley de Voltajes de Kirchhoff ó LKV En toda malla la suma de todas las caídas de voltaje es igual a la suma de todos los incrementos de voltaje. Un enunciado alternativo es: en toda malla la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico debe ser cero. Recuerde que en toda resistencia hay caída de voltaje.

ó v4 = v1 + v2 + v3

Si conocemos la corriente I, podemos hallar los voltajes en las resistencias usando la ley de Ohm:

v1 = I x R1

v2 = I x R2

v3 = I x R3

Ejemplo 3.1: para el siguiente circuito se sabe que:

R1=1kΩ, R2=3kΩ, R3=2kΩ, R4=4kΩ, V=200V a) verificar LKV: b) verificar que la potencia total generada es igual que la

potencia total consumida.

+ +

+

-

-

-

I

R3

R2

R4

+

-

V

...

R1

I

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:KCL.png


52

Solución. a) Las resistencias están en serie: Req =1kΩ+3kΩ+2kΩ+4kΩ=10kΩ, entonces la corriente que

circula por la malla es I = V/Req = 200V/10kΩ = 20mA.

Sabemos que en las resistencias hay caídas de voltaje, siguiendo el sentido de la corriente, se pueden calcular las caídas de voltaje:

VR1 = 20mA x 1kΩ = 20V, VR2 = 20mA x 3kΩ = 60V, VR3 = 20mA x 2kΩ = 40V, VR4 = 20mA x 4kΩ = 80V.

Si sumamos todas las caídas de voltaje causadas por las resistencias (también llamados voltajes en las resistencias) = 20+60+40+80 = 200V este valor es igual al voltaje de la fuente, entonces se cumple LKV. Es decir: 200V = 20V + 60V + 40V + 80V

b) Potencia consumida=I2xR1 + I

2xR2 + I

2xR3 + I

2xR4 = I

2xReq = (20m)

2x10k=4W

Potencia generada = Vfuente x I = 200 x 20m = 4000 mW = 4W Se cumple que la potencia consumida es igual que la potencia generada.

Ejercicio 3.2: Utilice la ley de Ohm y la ley de Kirchhoff para encontrar el valor de R en el circuito mostrado.

Sugerencia: las resistencias de 24 y 8Ω, están en paralelo, redúzcalos a una sola resistencia equivalente Rpta=4Ω

Ejercicio 3.3: en el siguiente circuito se sabe que la

potencia que entrega la fuente es 1kW, se pide: a) hallar el valor de R. b) calcular la potencia que consume cada resistencia.

Rpta: a) 50Ω b) 300W, 450W, 150W, 100W

Ejercicio 3.4: en el siguiente circuito se tiene un

potenciómetro que se ajusta al valor R, de tal manera que la fuente genera una potencia de 200 W, a) Hallar el valor de R. b) Recalcular el valor de R, si ahora la fuente genera una potencia de 180.33W.

c) ¿Con este procedimiento se podrá lograr que la potencia de la fuente sea 400W?, justifique. Rpta: a) 40Ω b) 70Ω c) No

24120V+

-

200V

...

8

R

+

_

33.33+

-

250

...

150

100R

R

POT

18

+

-

100

...

1525

12


53

Divisor de voltaje Es un procedimiento de cálculo muy útil a la hora de hallar voltajes. Tenemos una fuente de voltaje V1 y dos resistencias en serie R1 y R2, observamos que el voltaje en el nodo a es el mismo voltaje de la fuente V1. Se desea hallar el voltaje Vx, que es voltaje entre el nodo b y tierra:

Ejemplo: en la figura 3.2 se muestra un circuito que tiene una

fuente de voltaje de 20V y 4 resistencias. Hallar los voltajes en todos los nodos.

Solución: Se observa que el nodo e está conectado a tierra, entonces Ve=0V. Se observa que el nodo a está conectado a la fuente de voltaje, entonces Va=20V, dado que Ve=0V. (la fuente de vloltaje aumenta el potencial Va=Ve+20) Aplicamos divisor de voltaje para hallar el voltaje en el nodo b: Vae = Voltaje entre los nodos a y e. Observamos que lo que llamamos R2 en la figura 3.1 equivale a la resistencia equivalente de 8k, 4k, y 6k. Vae es el voltaje entre los nodos a y e, es decir Vae=Va-Ve=20V. Para el nodo c: Observamos que lo que llamamos R1 es 2kΩ + 8kΩ, y R2 =6kΩ + 4kΩ. Para el nodo d: Observamos que lo que llamamos R1 es 2kΩ + 8kΩ, y R2 =6kΩ + 4kΩ.

R1

V1

R2

I

Vx

Figura 3.1: Divisor de voltaje

compuesto por dos resistencias en serie, se desea hallar Vx

a a

b

4k

6k

20V

8k2ka b c

d e

Figura 3.2

Vk

k

kkkk

kkkVaeVb 18

20

1820

2648

648

12

2

12

21

RR

RVa

RR

RVVx

Vk

k

kkkk

kkVaeVc 10

20

1020

2648

64

Vk

k

kkkk

kVaeVd 6

20

620

2648

6


54

Divisor de Corriente Es un procedimiento de cálculo muy útil a la hora de hallar corrientes. Tenemos una fuente de voltaje V1 y dos resistencias en paralelo R1 y R2. La corriente It (corriente total) se puede hallar cuando dividimos la fuente de voltaje V1 entre la resistencia equivalente de R1 con R2 que están en paralelo. Observe que por LKC

It=I1+I2.

El divisor de corriente nos sirve cuando deseamos conocer el valor de las corrientes I1 e I2, siempre y cuando se conozca R1, R2 e It.

21

12

21

21

RR

RItI

RR

RItI

Observe que la corriente I1, depende directamente de R2. Cuando R2 aumenta entonces I1 aumenta, similar ocurre con I2.

Ejemplo: Se tiene un circuito resistivo

compuesto por una fuente de voltaje y 4 resistencias como se muestra en la figura 3.4. Hallar las corrientes en todas las resistencias.

Solución: Hallamos la resistencia equivalente total Req = 2.5 + (30//10) + 10 = 20Ω. Entonces It = 20V/20Ω = 1A.

AI

AI

75.03010

3012

25.03010

1011

Observamos que I2 es mayor que I1, dado que la resistencia por donde para I2 es menor.

R1

R2V1

It

I1

I2

It

Figura 3.3: Divisor de corriente compuesto por dos resistencias en paralelo, se observa que I1+I2=It.

30

10

10

2.5

20V

Figura 3.4

It

I1

I2

It


55


EXPERIENCIA 1: CIRCUITOS CON RESISTENCIAS EN SERIE Y DIVISOR DE VOLTAJE OBJETIVOS:

Mide los voltajes en resistencias conectadas en serie.

Aplicar la ley de Ohm, las leyes de Kirchhoff y divisor de Voltaje para el análisis del circuito. Realice el montaje del siguiente circuito: (R1=1kΩ, R2=2kΩ)

R1medido =….......… kΩ

R2medido =….....……kΩ

Req(medido)=R1medido+R2medido =…………kΩ

Realice el cálculo teórico de los voltajes en las resistencias. Utilice el DIVISOR DE VOLTAJE y resistencias nominales.

VR1(teórico)= ………… V VR2(teórico)= ………… V

Mida los voltajes en los nodos A y B. Anote sus resultados:

VA = .............V VB =...............V

Observe que usando los voltajes de los nodos A, B y C podemos calcular los voltajes en las resistencias, debemos tomar en cuenta que Vc=0V dado que se conecta a GND (tierra).

(VR1 = VA - VB) (VR2 = VB - VC)

NOTA : No confunda voltajes de nodo, con voltajes en las resistencias ¿Se cumple que la suma de voltajes VR1 + VR2 es igual al voltaje de la fuente?.........( )

Realice la simulación y usando un amperímetro virtual (instrumento virtual) mida la corriente que pasa por el circuito, verifique que este resultado coincide con el calculado por la ley de Ohm.

I =.................mA

+

-

5V

...

R2VR2

R1VR1

+

_

+

_

A

B

C=0V

I

Figura 3.6

10V


56

EXPERIENCIA 2: CIRCUITOS CON RESISTENCIAS EN PARALELO Y DIVISOR DE CORRIENTE OBJETIVOS

Mide las corrientes a través de resistencias conectadas en paralelo.

Aplicar la ley de Ohm, las leyes de Kirchhoff y divisor de corriente para el análisis del circuito Realice el montaje del siguiente circuito: (R1= marrón, negro, rojo. R2=rojo, negro, rojo)

R1medido =……………………...….....kΩ R2medido =………………………..…..kΩ Req medido (R1,R2) =R1 // R2 =…………kΩ

Nota: Para LA CORRECTA medición del valor de

la resistencia equivalente, debe desconectar la fuente de voltaje (aunque este apagada) para evitar medir el paralelo de R1, R2 y la resistencia interna de la fuente, lo que arrojaría un

valor no esperado, dado que solamente se quiere medir el paralelo de R1 y R2. Realice el cálculo teórico de las corrientes del circuito (utilice valores nominales y aplique el DIVISOR DE CORRIENTE para sus cálculos):

I3(teórico)=………….mA I2(teórico)=………….mA I1(teórico)=…………mA

Mida y el voltaje de la fuente y verifique que es el mismo voltaje en las resistencias, dado que están en paralelo.

Vfuente = VRESISTENCIAS = ...............V

Realice la simulación del circuito y utilizando un multímetro virtual mida las corrientes en las tres resistencias.

I3(simulación)=………….mA I2(simulación)=………………mA I1(simulación)=…………mA

NOTA : Observe que el circuito está formado por dos mallas, dos nodos y tres ramas, se

cumple la ecuación:

#Mallas=#Ramas-#Nodos+1 ¿Se cumple LKC, es decir que I3 = I1 + I2 ?....................( )

+

-

5V

...

R2R1I1 I2

I3

B

C

Figura 3.7

Rojo

Negro

10V


57

EXPERIENCIA 3: RESISTENCIAS EN SERIE Y PARALELO OBJETIVOS

Analiza y hace mediciones en un circuito con resistencias en serie y en paralelo.

Aplicar la ley de Ohm y las leyes de Kirchhoff para el análisis del circuito Realice el montaje del circuito de la figura 3.8 (R1=100Ω (0,5W), R2=330Ω, R3=220Ω, R4=470Ω).

Identifique cuantas mallas, ramas y nodos tiene este circuito:

Mallas =………………… Ramas =……………….. Nodos =……………..

Realice el cálculo teórico utilizando DIVISOR DE VOLTAJE Y DE CORRIENTE de las corrientes y voltajes del circuito. (Utilice valores nominales):

I1(teórico)=…..…mA I2(teórico)=…..……mA I3(teórico)=…..……mA I4(teórico)=………mA VR1(teórico)=………V VR2(teórico)=………V VR3(teórico)=……….V R4(teórico)=…………V

Mida con el multímetro los voltajes del circuito para comprobar sus resultados.

VR1(medido)=………V VR2(medido)=………V VR3(medido)=………V VR4(medido)=………V Calcule la potencia disipada por cada una de las resistencias (utilice valores medidos y P=VxI).

PR1=................mW PR2=................ mW PR3=................ mW PR4z=................. mW

Calcule la potencia entregada por la fuente = 10V x I1: Pfuente=....................

Observe que la potencia que entrega la fuente es igual a la suma de potencia entregada por todas las resistencias Simule el circuito de la figura 3.8 con PROTEUS y compruebe sus resultados anteriores. Utilice amperímetros y voltímetros para medir sus variables.


+

-

10V

...

R4R3R2

R1

I1 I2 I3 I4

Figura 3.8


58

El Generador de funciones y el Osciloscopio digital

Temario: Señales, amplitud pico, pico-pico, medio, frecuencia, periodo, ciclo de trabajo.

En la electrónica se manipula señales eléctricas con las cuales podremos procesar, transmitir y guardar información. Las computadoras, los teléfonos celulares, los satélites, los equipos médicos, etc. funcionan dado que hay un hardware donde se manipulan señales las que pueden ser analógicas o digitales. En esta semana aprenderemos a ver y generar algunas señales eléctricas, para esto utilizaremos dos equipos de laboratorio muy importante e indispensable en cualquier laboratorio de electrónica, que son: el generador de funciones o generador de señales y el osciloscopio digital.


59

OBJETIVOS: - Usar correctamente equipos de laboratorio como el generador de señales y el osciloscopio digital

para hacer mediciones de señales (amplitud, frecuencia, periodo, etc.). - Entender el concepto de señal eléctrica e identificar sus parámetros que la identifican como tal.

MATERIALES: - Generador de funciones. - Osciloscopio digital. - Cables de conexión.

SEÑALES ELECTRICAS

Una señal, es cualquier tipo de forma visual, audible, eléctrica, mecánica, etc. que sirve cuando se quiere comunicar algo, o también se puede decir que transporta información. Es así que podemos encontrar señales de tráfico, donde el color de las luces de un semáforo nos da información sobre si podemos atravesar la calle. Las señales, para que puedan ser entendidas deben seguir una norma o patrón conocido tanto por el que transmite como por el que recibe. Las señales tienen características de amplitud, frecuencia, fase, forma, etc. En electrónica usamos las señales para transmitir y procesar la información, estas señales son generalmente eléctricas, es decir que utilizan el voltaje o la corriente eléctrica. Muchas veces se utilizan las señales electromagnéticas para transmitir información entre dos puntos distantes, por ejemplo: las señales de radio, señales de celulares, señales satelitales, etc. A veces, también utilizaremos señales ópticas para transmitir información entre dos puntos, por ejemplo las señales de luz infrarroja utilizadas en la fibra óptica en redes de comunicaciones o en casos tan simples como señales de un control remoto para controlar un televisor, una radio, un equipo de audio, etc. Las señales también podremos dividirlas en dos grandes ramas según el tipo de información que transportan, estas son:

Señales analógicas.

Señales digitales.

1. Señales Analógicas:

Una señal analógica es aquella en donde la variable eléctrica (voltaje o corriente) varía en el tiempo, esta variación puede ser de amplitud y/o periodo de repetición (representando un dato de información) en función del tiempo. En la figura 4.1 se muestra una señal de voltaje que varía su amplitud en el tiempo. Estas señales analógicas son susceptibles de ser alteradas por una señal no deseada llamada ruido eléctrico (figura 4.2), este ruido (no confundir con sonido), es una señal aleatoria de voltaje no predecible indeseada pues altera la información presente en la amplitud de la señal.

Figura 4.1

Figura 4.2

http://es.wikipedia.org/wiki/Se%C3%B1al


60

Se muestra un ejemplo, la señal libre de ruido que se muestra en la figura 4.3.a contiene algún tipo de información que puede estar contenida en la amplitud o en la frecuencia, esta señal es afecta por un ruido que se muestra es la figura 4.3.b, el ruido es aditivo (se suma), por lo tanto la señal resultante (que es la que normalmente se obtiene) es la que se muestra en la figura 4.3.c. Existen algunos procedimientos para eliminar este ruido presente en la señal de la figura 4.3.c por ejemplo: utilizando filtros (un filtro es un circuito que sirve la eliminar parte de una señal, es decir, deja pasar parte de la señal y el resto la rechaza, algo similar a lo que ocurre con un colador donde las partículas pequeñas pueden pasar y las grandes no).

Las señales Analógicas pueden ser divididas en dos tipos: Señales Continuas (DC) y Señales Alternas (AC)

1.1. Señales Continuas o señales DC (Direct Current): Son señales donde la polaridad (o

el signo) de la onda no cambia en el tiempo, para los ejemplos de la figura 4.4.a se observa que las ondas de voltaje siempre son positivas.

1.2. Señales Alternas o señales AC (Alternate Current): Son señales donde la polaridad

(o el signo) de la onda cambia en el tiempo, en el ejemplo de la figura 4.4.b se observa una onda senoidal que cambia en el tiempo y el signo del voltaje se va alternando entre positivo y negativo.

Señales mixtas: En la práctica las mayor parte de señales que se utilizan en las

telecomunicaciones no son puramente una señal DC ó AC, es una combinación de ambas, en el ejemplo de la figura 4.4.c tenemos una señal mixta (que en realidad es una señal DC dado que su polaridad no cambia, es oscilante pero siempre positiva) conformada por un componente DC y un AC.

0 100 200 300 400 500 600 700-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Figura 4.3.a

0 100 200 300 400 500 600 700-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Figura 4.3.b

0 100 200 300 400 500 600 700-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Figura 4.3.c

Figura 4.4.a Figura 4.4.b Figura 4.4.c


61

La información que transporta una onda puede estar contenida en la amplitud de la señal (esto ocurre por ejemplo en las señales de amplitud modulada AM, que son las que utilizan las emisoras de radio AM), para esto es importante describir algunas definiciones de amplitud. La amplitud es un valor escalar que nos indica la magnitud de una señal, definiremos tres tipos de amplitud, pero cabe anotar que existen más tipos:

Amplitud pico. Amplitud pico-pico. Amplitud media.

Amplitud pico o amplitud máxima: es aquel que se mide desde cero hasta el valor máximo

superior, en el ejemplo de la figura 4.5 se observa una señal de voltaje, donde el voltaje pico Vp o voltaje máximo es 5V.

Amplitud pico-pico: es aquel que se mide desde el pico inferior hasta el pico superior de una

onda, en la figura el voltaje pico-pico Vpp, es 10V.

Amplitud media: La amplitud media, también llamado amplitud promedio es el valor promedio de

los valores de la onda, medido en un periodo de señal, en el caso de la figura 4.5 el voltaje medio Vm es 0V.

Ejemplo: en las figuras 4.6.a,b,c se presentan tres ondas, determinar:

tipo de señal, y las Amplitudes Vp, Vpp, Vm.

V

5

-5

Voltaje Pico (5V)

t(seg) Voltaje Pico-Pico (10V)

Figura 4.5

Figura 4.6.a Figura 4.6.b Figura 4.6.c

10


62

Solución

Las señales según su aparición en el tiempo pueden ser clasificadas como: señales periódicas y señales no periódicas:

Señal no Periódica: es aquella donde no se puede determinar el ciclo o periodo de repetición (ver figura 4.7.b), otro ejemplo es el ruido por su naturaleza aleatoria.

Señal Periódica: es aquella que se

repite en el tiempo periódicamente, tiene por lo tanto una frecuencia de repetición (ver figura 4.7.a). Los parámetros más importantes de la señal periódica son su periodo (denotado por la letra T) y su frecuencia (denotado por la letra f): PERIODO (T): Es el mínimo lapso que separa dos instantes en los que la onda se encuentra exactamente en el mismo estado: mismas amplitudes. Así, el periodo de una onda es el tiempo empleado por la misma en completar una longitud de onda (ver figura 4.8). El periodo (T) es recíproco de la frecuencia (f). El periodo de mide en unidades de tiempo (segundos).

FRECUENCIA ( f ): Indica la cantidad de veces que una señal se repite en un segundo, se mide en Hertz (Hz), por ejemplo: si en un segundo que transcurre, se forman 9 ondas (ver figura 4.7.a) entonces la frecuencia de esta señal es 9 Hz (9 ciclos por segundo). Si conocemos la frecuencia de la señal podemos determinar el periodo de la misma, utilizando la siguiente relación.

figura 4.6.a figura 4.6.b figura 4.6.c

Tipo DC DC AC

Vp 10V 7V 5V

Vpp 10V 4V 7V

Vm 5V 5V 1.5V

Figura 4.7.a

Figura 4.7.b

Figura 4.8


63

Por ejemplo si la frecuencia de la señal es 9Hz, entonces el periodo de la onda es 1/9 seg, es decir 0,111seg, que es igual a 111,11 mseg, es decir que cada onda de la señal demora en formarse 111,11 mseg.

CICLO DE TRABAJO (DUTY CYCLE): Se define este parámetro solo para el caso que la forma

de la señal sea cuadrada o rectangular. Este ciclo de trabajo me define la simetría de la onda. El ciclo de trabajo o Duty Cycle es el porcentaje efectivo de la señal, se calcula dividiendo el tiempo en que la señal está en nivel alto (T1, ver figura 4.8) entre el periodo T de la onda, el resultado se muestra en porcentaje.

%1001 xT

TtrabajodeCiclo

Ejemplo: Para la señal de la figura 4.8 dibujar y hallar el periodo, la frecuencia y el ciclo de trabajo, si:

a) T1= 1mseg, T2 = 4mseg b) T1= 8useg, T2 =12useg c) T2= 0,5seg, T =1,5seg.

Respuesta: a) T=5mseg, f=200Hz, CT=20% b) T=20useg, f=50khz, CT=40% c) T1=1seg, f=0,67Hz, CT=66,6%

Ejercicio: Dibujar las señales de la tabla y completar la información en los espacios en

blanco, en la columna de tipo de señal AC/DC marcar con un circulo a que tipo de señal corresponde la onda. Presentar en hojas cuadriculadas, indicando todos los tiempos y amplitudes que determinan cada señal.

Forma de Onda

Vpico-pico (V)

Vmedio (V)

Vmax (V)

Vmin (V)

Periodo (seg)

Frecuencia (Hz)

Tipo de Señal AC/DC

Ciclo de Trabajo

(%)

Senoidal 8 0 3m AC / DC ----------

Senoidal 8 2 1.5 K AC / DC ----------

Triangular 10 5 0.1m AC / DC ----------

Triangular 9 9 0.5 AC / DC ----------

Cuadrada 8 0 1000 AC / DC 50



Senoidal 0.1 1 8u AC / DC ----------

Triangular 2 2 0.3G AC / DC ----------

Cuadrada 100 m -0.1 5m AC / DC 15

Cuadrada 200 m 100 m 2 M AC / DC 70

Senoidal 5 -5 18m AC / DC ----------

Triangular 0.9 -0.1 0.2 K AC / DC ----------


Cuadrada 9 -4.5 0.5 u AC / DC 5

Cuadro 4.1


64

El GENERADOR DE FUNCIONES Es un equipo que sirve para generar una señal de voltaje. Permite variar la amplitud, la frecuencia y la forma de la señal de voltaje de salida.

Seguidamente se muestran las características principales del generador de funciones que utilizaremos en el laboratorio

Características principales del generador Motech series FG700

Forma de señales de salida Senoidal, triangular, cuadrada, DC, rampa creciente, rampa decreciente

Rango de frecuencias 100mHz-8MHz

Rango de voltajes de salida Vpp 1mVpp – 20 Vpp


65

Descripción de los botone y perillas del generador

Número Descripción y/o función

1 Pantalla de cristal líquido

2 teclado

3 Indicador on/off PWH (Pulse Width Adjustment)

4 Indicador de la Salida con Offset ON/OFF

5 Indicador del rango de atenuación de amplitud de salida activado

6 Indicador externo/interno de disparo o modulación PSK/FSK

7 Botón de rotación con empuje

8 Mango para sujeción

9 Conector BNC para la salida de señal (impedancia de salida 50Ω)

10 Conector BNC para entrada externa de sincronización y disparo para PSK y FSK

11 Perilla de ajuste de amplitud

12 Perilla de ajuste de offset y nivel DC

13 Perilla de ajuste para el ancho de pulso de la onda cuadrada

14 Conector de salida de sincronización

15 Interruptor de encendido y apagado

16 Patas de ajuste de posición

Descripción del teclado y perillas


66


67

EL OSCILOSCOPIO DIGITAL

Un osciloscopio es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo.

Presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que el eje X (horizontal) representa EL TIEMPO y el eje Y (vertical) representa la tensión ó el VOLTAJE. La imagen así obtenida se denomina oscilograma.

Los osciloscopios, clasificados según su funcionamiento interno, pueden ser tanto analógicos como digitales, siendo en teoría el resultado mostrado idéntico en cualquiera de los dos casos.

En la actualidad los osciloscopios analógicos están siendo desplazados por los osciloscopios digitales, entre otras razones por la facilidad de poder transferir las medidas a un computador.

En el osciloscopio digital la señal es previamente digitalizada por un conversor analógico digital (ADC), este elemento convierte la señal de voltaje de entrada analógica en una señal digital para que pueda ser procesada posteriormente.

El osciloscopio que utilizaremos en el laboratorio es de la marca Tektronix modelo TDS-2002, cuenta con una pantalla gráfica LCD (Liquid Crystal Display) tiene dos canales (CH1 y CH2, CHANNEL) de entrada para visualizar dos señales de voltaje al mismo tiempo. En la parte inferior del equipo podemos ver dos conectores BNC para las entradas de los canales

Figura 4.11

Figura 4.12

Figura 4.14

Figura 4.13

Figura 4.15


68

CH1 y CH2, aquí se introduce el conector del cable coaxial mostrado en la figura 4.14. En el lado opuesto del cable encontramos dos conectores tipo cocodrilo (rojo y negro), el conector negro normalmente se conecta a la tierra del circuito y el conector rojo se utiliza para la señal que queremos visualizar en el osciloscopio. En la parte superior cada conector BNC (CH1 y CH2) podemos ver que hay dos perillas VOLTS/DIV, y en la parte superior del conector BNC (EXT TRIGGER) hay una perillas SEC/DIV. (ver figura 4.16) Estas perillas VOLTS/DIV y SEC/DIV permiten cambiar la escala de voltaje por división y segundos por división respectivamente.

El eje Y de la pantalla es el eje del voltaje ó tensión y en el eje X del tiempo.

Ejemplo 4.1: Por el canal 1 (CH1) del Osciloscopio se introduce una onda senoidal de 12Vpp y 1kHz. Dibujar en cuatro recuadros como se vería la señal en el osciloscopio con las siguientes escalas de voltaje y tiempo.

a) 2V / DIV en la escala de voltaje y 250useg / DIV en la escala de tiempo. b) 4V / DIV en la escala de voltaje y 250useg / DIV en la escala de tiempo. c) 2V / DIV en la escala de voltaje y 500useg / DIV en la escala de tiempo. d) 4V / DIV en la escala de voltaje y 125useg / DIV en la escala de tiempo.

Solución: en la figura 4.17, se observa las gráficas que se piden. En el recuadro (a) las escalas son 2V / DIV y 250 useg /DIV, esto quiere decir que cada división (cuadrado) en forma vertical equivale a 2V, como la onda ocupa 6 divisiones (vertical) entonces la amplitud pico-pico de la onda es 12V, similar ocurre con el tiempo, cada división es 250 useg, observar que un periodo de la onda ocupa 4

Figura 4.16


69

divisiones (horizontal) por lo tanto el periodo es 4x250useg =1000 useg = 1mseg, por lo tanto la frecuencia es 1kHz. Podemos modificar la escala de voltaje con la perilla VOLT/DIV del canal 1, de tal manera que ahora la escala de voltaje es 4V/DIV y la onda se verá como se ve en la figura (b), ahora con las escalas 4V/DIV y 250useg/DIV la onda llena 3 cuadrados verticales y un periodo llena 4 cuadrados horizontales, es decir que su amplitud pico-pico es 4V/DIV x 3 DIV = 12V y su periodo es 250useg/DIV x 4 DIV = 1000useg = 1mseg (f = 1kHz). Movemos nuevamente la perilla VOLS/DIV (del canal 1) hasta que la escala sea 2V/DIV y la perilla SEC/DIV hasta que la escala sea 500useg/DIV, como vemos en la figura (c) la onda ocupa 6 cuadrados verticales y el periodo 2 cuadrados horizontales, es decir: 2V/DIV x 6 DIV = 12V y su periodo es 500useg/DIV x 2 DIV = 1000useg = 1mseg (f = 1kHz). Por último giramos la perilla VOLS/DIV (del canal 1) hasta que la escala sea 4V/DIV y la perilla SEC/DIV hasta que la escala sea 125useg/DIV, como vemos en la figura (d) la onda ocupa 3 cuadrados verticales y el periodo 8 cuadrados horizontales, es decir: 4V/DIV x 3 DIV = 12V y su periodo es 125useg/DIV x 8 DIV = 1000useg = 1mseg (f = 1kHz).

Figura 4.17

(a) (b)

(c) (d)

1

1

1

1

T

CH1 250mV CH2 500mV M 500ms

Figura 4.18


70

En la parte inferior de la pantalla del osciloscopio podemos ver las escalas, de amplitud y de tiempo (figura 4.18), observe que las escalas de amplitud para el CH1 pueden ser diferentes que para el CH2, la escala de tiempo es común para ambos canales. La pequeña flecha en la parte izquierda de la pantalla indica que es el cero voltios del canal 1, cuando se utilice el canal 2 también aparecerá otra flecha pero su número será 2.

MEDIDAS CON EL OSCILOSCOPIO

Medidas automáticas

Pulse el botón MEDIDAS (ver figura 4.19) para acceder a las medidas automáticas.

Existen once tipos de medida disponibles. Puede mostrar hasta cinco medidas al mismo tiempo en las ventanas de medida.

Pulse el botón de opción superior para mostrar el menú Medidas 1. Puede elegir el canal donde tomar una medida en la opción Fuente. Puede elegir el tipo de medida a tomar en la opción Tipo. Pulse el botón de opción Atrás para volver al menú MEDIDAS y mostrar las medidas

seleccionadas.

Puntos clave

Toma de medidas. Puede mostrar hasta cinco medidas automáticas a la vez (ver figura 4.20) para una sola forma de onda (o divididas entre las formas de onda). El canal de forma de onda debe estar activado (mostrado) para tomar una medida. Las medidas se actualizan aproximadamente dos veces por segundo.

Figura 4.20

Medida 1 Medida 2 Medida 3 Medida 4 Medida 5

Figura 4.19


71

En la siguiente tabla se muestra los tipos de medida que se pueden hacer en forma automática:

Tipo de medida Definición

Frecuencia* Calcula la frecuencia de la forma de onda midiendo el primer ciclo

Periodo* Calcula el tiempo del primer ciclo

Medio* Calcula la media aritmética del voltaje en todo el registro

Pico Pico* Calcula la diferencia absoluta entre los picos máximo y mínimo de toda la forma de onda

RMS ciclo Calcula una medida RMS real del primer ciclo completo de la forma de onda

Mín* Examina la forma de onda de 2.500 puntos y muestra el valor mínimo

Máx* Examina la forma de onda de 2.500 puntos y muestra el valor máximo

Tiempo de subida Mide el tiempo que transcurre entre el 10% y el 90% del primer flanco ascendente de la forma de onda

Tiempo de bajada Mide el tiempo que transcurre entre el 10% y el 90% del primer flanco de bajada de la forma de onda

Ancho Pos* Mide el tiempo que transcurre entre el primer flanco ascendente y el siguiente flanco de bajada al nivel de 50% de la forma de onda

Ancho Neg Mide el tiempo que transcurre entre el primer flanco de bajada y el siguiente flanco ascendente del nivel de 50% de la forma de onda

Ninguno No toma ninguna medida

*en el laboratorio utilizaremos los que están marcados con *

El botón AUTOCONFIGURAR. (AUTOSET) Sirve para mediciones rápidas, el osciloscopio establece automáticamente los controles verticales y horizontales. Si desea mejorar la presentación de la forma de onda, puede ajustar manualmente dichos controles. (Ver figura 4.19)

Toma de medidas con los cursores Puede utilizar los cursores para tomar rápidamente medidas de tiempo y voltaje en una forma de onda.

Medición del tiempo y frecuencia con cursores de tiempos. Los cursores de tiempo son líneas verticales que aparecen en la pantalla, se utilizan en el caso que se quiere medir tiempos en una onda, automáticamente el osciloscopio también muestra la frecuencia de este tiempo medido, siga estos pasos: 1. Pulse el botón CURSORES (ver figura 4.19) para ver el menú Cursores. 2. Pulse el botón de opción Tipo y seleccione Tiempo. 3. Pulse el botón de opción Fuente y seleccione CH1 (o CH2 en caso de usar este canal). 4. Gire el mando CURSOR 1 para colocar un cursor en el primer punto de medición. 5. Gire el mando CURSOR 2 para colocar un cursor en el segundo punto de medición. Puede ver el tiempo y la frecuencia de diferencia en el menú Cursores.


72

Medición de la amplitud de voltaje con cursor de tensión Los cursores de tensión son líneas horizontales que aparecen en la pantalla, se utilizan en el caso que se quiere medir voltaje en una onda. Siga estos pasos: 1. Pulse el botón CURSORES para ver el menú Cursores. 2. Pulse el botón de opción Tipo y seleccione Tensión. (ver figura 4.22) 3. Pulse el botón de opción Fuente y seleccione CH1. 4. Gire el mando CURSOR 1 para colocar un cursor en el primer punto de medición. 5. Gire el mando CURSOR 2 para colocar un cursor en el segundo punto de medición. Puede ver las siguientes medidas en el menú Cursores:

El voltaje de diferencia (el valor absoluto de la diferencia entre las dos medidas) El voltaje del cursor 1 El voltaje del cursor 2

Figura 4.21

Cursor 1 de tiempo

Cursor 2 de tiempo

Cursor 2 de voltaje

Cursor 1 de voltaje

Figura 4.22


73

CUESTIONARIO

1. ¿Qué es una señal? 2. Mencione 3 parámetros importantes que caracterizan una señal. 3. ¿Cómo se clasifican las señales según el tipo de información que transportan? 4. Averigüe en Internet qué es valor eficaz o valor RMS. 5. ¿Cómo se clasifican las señales según su aparición en el tiempo? 6. ¿Qué es el ruido eléctrico? 7. ¿Qué es el periodo? Y ¿Qué unidades de medición tiene? 8. ¿Qué es frecuencia? Y ¿Qué unidades de medición tiene? 9. ¿Cómo se relacionan la frecuencia y el periodo? 10. ¿Qué es ciclo de trabajo o Duty Cycle?, ¿Para qué tipo de ondas se aplica? 11. ¿Qué es el generador de funciones? 12. ¿Qué formas de onda se pueden obtener con el generador de funciones? ¿Cómo se

seleccionan estas formas de onda? 13. En el generador de funciones ¿Cómo se puede modificar la amplitud de la señal de

salida? 14. ¿Por cuál conector es la salida de la señal del generador de funciones? 15. ¿Qué es el Osciloscopio? Y que tipo de ondas se pueden visualizar ¿De voltaje o de

corriente? 16. ¿Qué es un Oscilograma? 17. ¿Qué es un ADC? 18. ¿Para qué sirven las perillas VOLTS/DIV y SEC/DIV del Osciloscopio? 19. ¿En la pantalla del Osciloscopio qué representan en eje Y y el eje X? 20. ¿Cuantas medidas automáticas se pueden mostrar a la vez? 21. ¿Para que sirve el botón AUTOSET del Osciloscopio? 22. ¿Qué son los cursores de tiempo? ¿Son verticales u horizontales? ¿Por qué? 23. ¿Qué son los cursores de tensión?, ¿Son verticales u horizontales? ¿Por qué? 24. En el siguiente recuadro dibuje una señal rectangular de 50kHz, 75% ciclo de trabajo,

Vpico = 100mV y Vpico-pico = 250mV. Utilice las escalas que se indican en el recuadro.

1

CH1 50mV M 5 useg


74

PROCEDIMIENTO PARA EL LABORATORIO 1. Conecte las puntas de salida del generador de señales con las puntas de entrada del canal 1

(CH1) del Osciloscopio. Debe unir los conectores del mismo color (rojo-rojo; negro-negro). Encienda ambos equipos.

2. Configure las ventanas de medición

automática, hasta que se visualice las siguientes medidas:

Medida1: CH1, Frecuencia Medida2: CH1, Periodo Medida3: CH1, VPico-pico. Medida4: CH1, Máx. Medida5: CH1, Mín.

Mueva los controles VOLTS/DIV y SEC/DIV hasta obtener las escalas mostradas. Genere una señal triangular de 5Vpp y 2 kHz

Grafique la señal en el recuadro:

3. Utilizando las perillas VOLTS/DIV y SEC/DIV, cambie las escalas hasta obtener: 500mV/DIV y 5useg/DIV.

Genere una señal cuadrada de 2Vpp y 50 kHz. Dibuje su señal en el recuadro. Presione el botón RUN/STOP para congelar la imagen en la pantalla. Anote los valores de medición: Medida 1: Frecuencia:…………….. Medida 2: Periodo:………………… Medida 3: VPico-pico:…………...……. Medida 4: Máx:…………………….. Medida 5: Mín:……………………..

1

CH1 1V M 250 useg

1

CH1 500mV M 5 useg


75

4. Utilice los cursores de tensión para medir la amplitud de la señal lo más preciso posible, anote sus valores y compárelos con los obtenidos en el punto 3. Anote sus observaciones:

Vpico-pico:…..…………..…… Voltaje cursor 1:……………… Voltaje cursor 2:………….…..

Observaciones:…………………………................................................................................... ................................................................................................................................................ 5. Utilice los cursores de tiempo para medir el periodo y la frecuencia de la señal lo más preciso

posible, anote sus valores y compárelos con los obtenidos en el punto 3. Anote sus observaciones:

Periodo:……………..…………… Frecuencia:……………...............

Tiempo cursor 1 :…………………. Tiempo cursor 2 :………………….

Observaciones:…………………………................................................................................... ................................................................................................................................................

6. Utilice los cursores de tiempo para medir el tiempo en que la señal está en nivel alto y el tiempo

en que está en nivel bajo, anote sus resultados:

Tiempo nivel alto=………..… Tiempo nivel bajo=………….. Ciclo de trabajo=…….….%

7. Presione el botón MEDIDAS para regresar a medidas automáticas, observe que ahora la señal ya no está detenida. Cambie las medidas 4 y 5 por: Ancho Pos (mide automáticamente el ancho positivo de una señal cuadrada) y Ancho Neg (mide automáticamente el ancho negativo de una señal cuadrada). Anote sus resultados, compárelos con el punto 6 y anote sus observaciones:

Ancho Pos=………..… Ancho Neg=…..………

Observaciones:…………………………..................................................................................... .................................................................................................................................................. 8. Observe que al girar la perilla POSICION (VERTICAL del CH1), la onda se mueve hacia arriba y

abajo, esto ocurre porque estamos moviendo la “referencia” o los cero voltios (observe el movimiento de la flecha de la parte izquierda). Cuando giramos la perilla POSICION (HORIZONTAL) la onda se mueve a la derecha e izquierda, también hay una flecha que se mueve en la parte superior de la pantalla.

USO DEL BOTON ADQUISICION: muchas veces las señales pequeñas (orden de mV) presentan un ruido, que dificulta la lectura correcta de la señal; el osciloscopio permite reducir considerablemente este efecto no deseado.


76

9. Ajuste las escalas a 10mV/DIV y 5useg/DIV.

Genere una señal cuadrada de 50mVpp y 60 kHz. (para lograr este pequeño nivel de voltaje tiene que jalar de la perilla de amplitud del generador de señales para lograr una atenuación de la señal de 20 dB**). Dibuje la señal lo más preciso posible.

Para reducir el ruido procedemos de la siguiente manera:

Pulse el botón ADQUISICION para ver el menú adquisición.

Pulse el botón de opción Promedio. Pulse el botón de opción Promediado

para ver el efecto de variar el número de promedios en ejecución de la presentación de la forma de onda.

Anote sus observaciones:

..............................................................................................................................................

..............................................................................................................................................

10. Regrese a la opción de medidas automáticas presionando la tecla MEDIDAS. Observe que los valores de Promediado se quedan grabados a menos que se presione la tecla AUTOSET.

11. Hasta ahora hemos generado señales simétricas AC (con valor medio cero), vamos a utilizar la perilla control de offset del generador de funciones (ver I.1) para sumar un nivel DC a esta señal: Obtenga las siguientes señales con el generador de funciones y dibújelas en las cuadrículas: Señal 1: senoidal, 6 Vpp, 5 Vp, 1kHz. Señal 2: triangular 2 Vpp, 0.5 Vp, 10 kHz.


**atenuar una señal en 20dB equivale a decir que la señal es 10 veces más pequeña.

1

CH1 ……..V M ………seg

1

CH1 ……..V M ……..seg

1

CH1 10mV M 5 useg


77

En casa, realice la simulación del generador de funciones y del osciloscopio, como se muestra en la siguiente figura:

100m

Observe que estos canales

están desactivados Cada división en la escala de voltaje es 100mV

Cada división en la escala de tiempo es 100useg


78

Símbolo Librería y/o botón de

acceso Objeto Descripción


SIGNAL GENERATOR Generador se señales

de voltaje.


OSCILLOSCOPE Osciloscopio de dos

canales A y B

Las ventanas VSM Signal Generador y Digital Oscilloscope que se muestran aparecen automáticamente al ejecutar la simulación. 1.- Usando el software de simulación ISIS (Proteus), realice la simulación de la conexión de un generador de Señales (Signal Generator) con un osciloscopio (Oscilloscope), obtenga la señal que se pide en la página anterior.

GENERADOR DE FUNCIONES (SIGNAL GENERATOR): Indique la función de cada perilla ó botón. Perilla Centre:……………………………………………………………………………………………. Perilla Range-Frecuency : ………………………………………………………………………………. Perilla Level : ……………………………………………………………………………………………… Perilla Range-Amplitude : ……………………………………………………………………………….. Botón Waveform…………………………………………………………………………………………… Botón Polarity : ……………………………………………………………………………………………. 2.- Se visualiza la siguiente señal en el osciloscopio, determine:


79

a) Canal por donde ingresa la señal:………………. b) Frecuencia:………………………………………… c) Periodo:……………………………………………. d) Amplitud Pico-pico:………………………………. e) Amplitud Pico o Máximo:…………………………


80

El Amplificador Operacional (OPAMP)

Temario: - El amplificador Inversor. - El amplificador No Inversor. - El Diodo.

La electrónica se han desarrollado gracias a la construcción de dispositivos cada vez más pequeños que tienen en su interior un circuito con cada vez más componentes, principalmente transistores. Estos dispositivos con componentes internos se llaman circuitos integrados o Chips. Uno de esos circuitos integrados que estudiaremos por su gran importancia en el procesamiento analógico es el amplificador operacional ó también llamado OPAMP (Operational Amplifier), con el podremos amplificar (aumentar de amplitud) pequeñas señales. Aplicaciones del OPAMP van desde amplificadores de audio, amplificación de señal de sensores, amplificación de señales biomédicas, etc. Haremos uso en el laboratorio del módulo de desarrollo, del generador de señales y del osciloscopio, por eso es muy importante haber aprendido a usar estos equipos de laboratorio.


81

OBJETIVOS Reconocer la distribución de pines del OPAMP. Entender el funcionamiento del amplificador operacional y construir circuitos básicos: Amplificador

Inversor, Amplificador No inversor.

MATERIALES Multímetro digital.

Módulo de desarrollo.

Generador de funciones.

Osciloscopio digital.

Resistencias de 10 k, 5.6 k, 2.2 k, 2kΩ, 27kΩ, 330Ω.

LM741 (OPAMP).

LDR (Fotorresistencia).

LED (Rojo)

I. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL (OPAMP) El Amplificador Operacional (OPAMP Operational Amplifier) es un circuito que está compuesto internamente de un conjunto de componentes electrónicos integrados de silicio, a una escala muy pequeña y que están empaquetados en un solo chip (circuito integrado ó IC). Existen muchos tipos de empaquetados en que se comercializa el OPAMP, el empaque que usaremos en el laboratorio se muestra en la figura 5.1.a. Internamente, si lo viéramos con un microscopio podríamos ver algo parecido a la figura 5.1.b, esta, corresponde a la foto tomada al interior de un circuito integrado. Sin embargo entender el circuito como se muestra en la figura 5.1.b es casi imposible, en su lugar se utilizan símbolos que forman un diagrama esquemático del circuito, donde se muestran todos los componentes y sus respectivas conexiones, el diagrama esquemático del circuito interno de un OPAMP se muestra en la figura 5.2.

El símbolo de la izquierda corresponde al transistor, observe que casi todos los componentes dentro del OPAMP son transistores; también podemos encontrar algunas resistencias y un condensador cuyo símbolo es el que se muestra en la parte izquierda. Sin embargo a estas alturas

de la carrera aún no podemos entender el funcionamiento del circuito mostrado en el

(a) Figura 5.1 (b)

Figura 5.2

Transistor

Condensador


82

diagrama de la figura 5.2. Sin embargo, para poder utilizar el OPAMP, no es preciso conocer el funcionamiento interno del chip, solo es necesario conocer las relaciones de señales de entrada y salida. Hoy aprenderemos a determinar esas relaciones en algunos circuitos que construiremos. Se utiliza un símbolo para el OPAMP (figura 5.3), este reemplaza dibujar todo el diagrama esquemático de la figura 5.2. Se pueden identificar los terminales del circuito (que son los mismos que los de la figura 5.2). Estos terminales tienen un nombre y un número que asocia el Terminal a la patilla del chip, por ejemplo veamos el Terminal del voltaje de salida (Vout), esta se conecta a la patilla 6 del chip (figura 5.4). Los nombres de los terminales son:

Patilla Nombre

1 (a la

izquierda de la

muesca)

Offset Null

2 Entrada Inversora

3 Entrada No Inversora

4 Voltaje de alimentación negativo Vs-

5 Offset Null

6 Voltaje de salida

7 Voltaje de alimentación positivo Vs+

8 No Conectado

Los pines usados son los pines 2, 3, 4, 6 y 7, el resto de pines 1, 5 y 8 no se utilizarán. Entonces identificaremos:

Los pines de entrada de la señal (pines 2 y 3) Los pines de alimentación (pin 4 donde usaremos normalmente -15V y 7 donde usaremos +15V) El pin de salida Vsal (pin 6).

El OPAMP que usaremos en el laboratorio es el popular 741 que viene en el encapsulado DIP 8 que se muestra en la figura 5.1.a, DIP viene se las siglas en ingles Dual In line Package (encapsulado de doble línea) por sus dos hileras de patillas y 8 significa que tiene 8 patillas. Existen muchos fabricantes para el 741, entre los más conocidos tenemos:

o Fairchild tiene el uA741, las letras uA son el prefijo que utiliza este fabricante. o Nacional Semiconductor tiene el LM741

VS+

VS-

VOUT V-

V+ 3

2

6

7

4

Figura 5.3

DIP8

1

_

+

NC

VS+

Vsal (Salida)

OFFSET NULL

OFFSET NULL

VS-

Entrada

Inversora

Entrada No

Inversora

741

2

3

4 5

6

7

8

Figura 5.4

muesca


83

o Analog Devices tiene el AD741

Las diferencias entre un fabricante y otro son muy pequeñas por lo que muchas veces se puede intercambiar cualquiera de ellos, su precio es bajo alrededor de $ 0,4.

I.1. Características internas de un OPAMP Ya hemos visto que un OPAMP está compuesto por la agrupación de varios componentes, estos tienen características que definen su comportamiento, estas se analizarán en cursos posteriores, sin embargo es importante conocer algunas características del OPAMP para nuestro análisis de este laboratorio. El comportamiento de las terminales del OPAMP se caracteriza por las restricciones en los voltajes de entrada y en las corrientes de entrada.

I.1.1. Restricción en los voltajes en las entradas El voltaje de salida (Vout) depende directamente de la diferencia entre los voltajes de entrada, es decir:

Vout= A (V2-V1)…………….ecuación I.1.0

Donde A es un factor cuyo valor es muy grande (alrededor de 10000) se llama ganancia interna del OPAMP. Por otro lado el voltaje de salida Vout está limitado a los voltajes de alimentación Vs- y Vs+ (normalmente ±15V), de este análisis podemos decir que para que se cumpla la ecuación I.1.0, entonces V2-V1 debe ser un valor muy pequeño, muy cercano a cero. Entonces podremos decir:

V2-V1 ≈ 0, para el caso ideal V2-V1=0, entonces:

V2 = V1 ……………..ecuación I.1.1

Esto quiere decir que el voltaje en la entrada inversora será igual al voltaje en la entrada no inversora.

I.1.2. Restricción en las corrientes en la entrada. El análisis del circuito integrado del amplificador operacional revela que la resistencia equivalente vista por las terminales de entrada (inversora y no inversora) del OPAMP es muy grande, por lo general mayor a 1MΩ. Idealizando podremos decir que la resistencia de entrada tiende al infinito, por lo tanto las corrientes que entran al OPAMP por estos terminales encuentran gran resistencia a su paso, por lo tanto: (Ver figura 5.5)

I1 = I2 = 0 ……………..ecuación I.1.2

VS+

VS-

VOUT V1

V2 3

2

6

7

4

Figura 5.5

I1

I2


84

I.2. Análisis del circuito amplificador Inversor.

El amplificador inversor es un circuito basado en un OPAMP, y además tiene dos resistencias. Lo que nos interesa es encontrar una relación entre la señal de entrada Vin y la señal de salida Vsal para saber la capacidad del circuito de Amplificar (aumentar la amplitud de la entrada) Llamaremos a R1 la resistencia de entrada del circuito y R2 la resistencia de Retroalimentación (pues conecta la salida con una de las entradas). Recordemos por la ecuación I.1.1 que los voltajes en ambas entradas del OPAMP son iguales, y los representaremos por el voltaje Va, también observamos que la entrada no inversora está conectada a tierra, por lo tanto Va=0V (ver figura 5.6). Por la restricción dada en la ecuación I.1.2 también observamos que las corrientes que entran al OPAMP son cero. Aplicamos la ley de Ohm en la resistencia R1 (recordemos que Va=0V):

Esta corriente i1 pasa en su totalidad por la resistencia R2 debido a la restricción I.1.2, también observamos que los voltajes en R2 son Va y Vsal, aplicamos la ley de Ohm en R2:

Igualamos (a) con (b): y despejamos Vsal, entonces:

La ecuación nos dice que el voltaje de salida del circuito, dependerá de un factor negativo llamado Ganancia del circuito: G=-(R2/R1) y también dependerá del voltaje de entrada Vin. Observamos que al ser la ganancia del circuito un valor negativo, entonces la señal de salida será invertida a la entrada, por esta razón el circuito toma el nombre de amplificador inversor. Observemos que el valor absoluto de la Ganancia puede ser mayor que 1 si R2>R1, en este caso la amplitud de la señal de salida será mayor a la amplitud de la señal de entrada (el circuito está Amplificando) y en caso que R2<R1 entonces el valor absoluto de la ganancia es menor que 1, por lo que la amplitud de la salida será menor que la entrada, cuando ocurre esto se dice que el circuito está Atenuando.

Figura 5.6

)(11

1 aR

Vin

R

VaVini

)(22

1 bR

Vsal

R

VsalVai

12 R

Vin

R

Vsal

1.2.1

2 IecuaciónVinR

RVsal

7

4


85

Ejemplo: se tiene un amplificador inversor con R2=5kΩ y R1=2kΩ. Hallar

a) La ganancia del circuito. b) Si la señal de entrada es una onda senoidal de 3Vpp, calcular y dibujar la onda de salida del amplificador inversor.

Solución: La ganancia del circuito es : G=-(R2/R1) = -(5 kΩ/ 2 kΩ) = -2,5 Entonces G=-2.5. Observe que la ganancia es un número sin unidades, el signo negativo nos indica que la onda de salida es invertida respecto a la entrada.

la señal de salida es: Vsal=GxVin = -2.5x3Vpp , entonces Vsal = 7.5Vpp invertido. Ver las formas de onda entre la señal de entrada y la señal de salida, son invertidas. También se puede graficar la señal de salida graficando punto a punto, por ejemplo el primer punto de Vin se multiplica con G y se obtiene el primer punto de Vsal, así se puede continuar para el resto de puntos.

Ejercicio: la señal de salida de un sensor de temperatura es una pequeña onda cuadrada de 100mVpp y 80mVp con 40% de ciclo de trabajo, esta señal ingresa a un amplificador inversor con R1=1kΩ y R2= 60 kΩ. a) Calcular la ganancia del amplificador. b) Dibujar las ondas de entrada y de salida del amplificador.

Ejercicio: la misma señal de salida del sensor de temperatura ingresa a un amplificador inversor, donde el OPAMP se alimenta con ±12V con R1=680Ω y R2= 150 kΩ. a) Calcular la ganancia del amplificador. b) Dibujar las ondas de entrada y de salida del amplificador. En este ejercicio la señal debe salir saturada. Recuerde que el voltaje de salida se limita a los voltajes de alimentación, para este caso es decir -12V<Vsal<12V

Saturación

Un OPAMP típico no puede suministrar más de la tensión a la que se alimenta. Cuando se da este valor se dice que el OPAMP está saturado, pues ya no está amplificando. La saturación puede ser aprovechada por ejemplo en circuitos comparadores, como se verá en un próximo

laboratorio.

Figura 5.7

Figura 5.7.a: Onda senoidal saturada, el voltaje de salida no puede ser mayor a los voltajes de alimentación.


86

I.3. Análisis del circuito amplificador no inversor. Al igual que en el amplificador inversor, el amplificador no inversor es un circuito basado en un OPAMP, y también tiene dos resistencias. Recordemos que lo que nos interesa es encontrar una relación entre la señal de entrada Vin y la señal de salida Vsal. El análisis para este circuito es similar al hecho para el circuito del amplificador inversor, recordemos por la ecuación I.1.1 que los voltajes en ambas entradas del OPAMP son iguales, y los representaremos por el voltaje Va, también observamos que la entrada no inversora está conectada directamente a Vin, por lo tanto Va=Vin (ver figura 5.8). Cabe anotar que hasta aquí hay una diferencia con el amplificador inversor. Por la restricción dada en la ecuación I.1.2 también observamos que las corrientes que entran al OPAMP son cero. Aplicamos la ley de Ohm en la resistencia R1 (recordemos que Va=Vin):

Esta corriente i1 pasa en su totalidad por la resistencia R2 debido a la restricción I.1.2, también observamos que los voltajes en R2 son Va y Vsal, aplicamos la ley de Ohm en R2:

Igualamos (a) con (b): y despejamos Vsal, entonces:

La ecuación nos dice que el voltaje de salida del circuito, dependerá de un factor positivo llamado Ganancia del circuito: G=(1+R2/R1) y también dependerá del voltaje de entrada Vin. Observamos que al ser la ganancia del circuito un valor positivo, entonces la señal de salida será similar a la entrada, solo que de mayor amplitud, pues la ganancia siempre será mayor que 1. Observemos que el valor absoluto de la Ganancia siempre es mayor que 1, esto quiere decir que ha diferencia del amplificador inversor, este amplificador no inversor siempre Amplifica, nunca atenúa.

)(0

11

1 aR

Vin

R

Vai

)(22

1 bR

VsalVin

R

VsalVai

21 R

VsalVin

R

Vin

1.3.11

2 IecuaciónVinR

RVsal

Figura 5.8

7

4


87

Ejemplo: se tiene un amplificador no inversor con R2=5kΩ y R1=2kΩ. Hallar c) la ganancia del circuito. d) Si la señal de entrada es una onda senoidal de 3Vpp, calcular y dibujar la onda de salida del amplificador inversor.

Solución: la ganancia del circuito es: G=(1+R2/R1) = (1+5 kΩ/ 2 kΩ) = 3,5 Entonces G=3,5. Observe que la ganancia es un número sin unidades, el signo positivo nos indica

que la onda de salida no es invertida respecto a la entrada.

la señal de salida es: Vsal=GxVin = 3.5x3Vpp , entonces Vsal = 10.5Vpp. Ver las formas de onda entre la señal de entrada y la señal de salida, no son invertidas. También se puede graficar la señal de salida graficando punto a punto, por ejemplo el primer punto de Vin se multiplica con G y se obtiene el primer punto de Vsal, así se puede continuar para el resto de puntos.

Ejercicio: la señal de salida de micrófono electret ó de condensador, similar a los micrófonos de las computadoras emite una señal senoidal de 200mVpp y 100mVp que ingresa a un amplificador no inversor con R1=1kΩ y R2= 60 kΩ. a) Calcular la ganancia del amplificador. b) Dibujar las ondas de entrada y de salida del amplificador.

Ejercicio: la misma señal de salida del micrófono ingresa a un amplificador no inversor, donde el OPAMP se alimenta con ±12V con R1=1kΩ y R2= 150 kΩ. a) Calcular la ganancia del amplificador. b) Dibujar las ondas de entrada y de salida del amplificador. En este ejercicio la señal debe salir saturada. Recuerde que el voltaje de salida se limita a los voltajes de alimentación, para este caso es decir -12V<Vsal<12V

Figura 6.9

7

4

+V

-V


88

DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

EL DIODO:

Es un dispositivo que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección. Este dispositivo tiene dos terminales llamados ánodo (A) y cátodo (K).

Se dice que el diodo está en polarización directa cuando el ánodo tiene mayor voltaje que el cátodo, en este caso circula corriente por el diodo en la dirección de ánodo a cátodo.

Se dice que el diodo está en polarización inversa cuando el ánodo tiene menos voltaje que el cátodo, en este caso NO circula corriente por el diodo.

Cuando el diodo está en polarización directa funciona como un interruptor cerrado (deja pasar corriente), cuando está en polarización inversa funciona como un interruptor abierto (no deja pasar corriente).

Los diodos suelen venir en varias formas de empaque siendo las más comunes las que se muestran en la figura 6.11 El diodo es tal vez el elemento más usado en la electrónica y consecuentemente en las telecomunicaciones, existen muchos tipos de aplicaciones y para cada aplicación se tiene un tipo de diodo diferente, por ejemplo:

El diodo emisor de luz ó LED (Light-Emitting Diode):

Es un tipo de diodo que emite luz, con diferentes longitudes de onda, cuando se polariza en directa y es atravesado por la corriente eléctrica. El color 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.

El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de gran resistencia. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida.

Para poder identificar el cátodo y el ánodo en un LED, se ve en la figura 6.13 que el cátodo tiene la parte plana y el ánodo la parte curva.

Ánodo (A) Cátodo (K)

Figura 6.10

Figura 6.11

Ánodo (A) Cátodo (K)

Figura 6.12

Diferentes presentaciones de los leds comerciales

Cátodo Parte plana

Figura 6.13


89

CUESTIONARIO

1. ¿Cuántos terminales tiene el símbolo del OPAMP? 2. Para el chip 741, ¿Qué patitas corresponden a las entradas, que patitas a la salida y a los

voltajes de alimentación del chip? 3. ¿Cómo identifica la pata número 1 del chip 741? Y ¿Cómo es la numeración de las patillas? 4. ¿Qué significa DIP8? 5. ¿Cuánto cuesta aproximadamente un OPAMP? 6. ¿A qué rango de voltaje está limitado el voltaje de salida del OPAMP? 7. ¿Si medimos la resistencia que hay entre los terminales de entrada del OPAMP, esta es

grande, mediana o pequeña? 8. ¿Cómo son las corrientes que entran al OPAMP por sus terminales de entrada? 9. Dibuje un amplificador Inversor e indique cual es la resistencia de retroalimentación. Además

indique cuál es la ganancia del circuito. 10. ¿La señal de salida de un amplificador inversor es invertida con respecto a la entrada? ¿Por

qué? 11. ¿Por qué se dice que un amplificador inversor puede amplificar y también por qué puede

atenuar? 12. ¿Qué es saturación? 13. Dibuje un amplificador no Inversor e indique cuál es la resistencia de retroalimentación.

Además indique cual es la ganancia del circuito. 14. ¿La señal de salida de un amplificador no inversor es invertida con respecto a la entrada?

¿Por qué? 15. ¿Por qué se dice que un amplificador no inversor no puede Atenuar la señal de entrada? 16. ¿Qué es el diodo? y ¿Cómo se llaman sus terminales? 17. ¿Qué es un LED? 18. ¿Cómo puede identificar visualmente cual es el cátodo de un LED? 19. ¿Cuándo se dice que el LED está en polarización directa?, ¿En este estado circula corriente? 20. ¿Qué es un IRED? 21. ¿El color de la luz que emite el LED depende del color del plástico? Explique.


90


EXPERIENCIA 1: EL AMPLIFICADOR INVERSOR

1. Realice la implementación del amplificador inversor de la figura 6.14, utilizando para R1=2k,

R2=10 k. Primero debe calibrar los voltajes del módulo para la alimentación del OPAMP utilice +12V y -12V. La señal de entrada al circuito lo obtenemos del generador de funciones (generar una señal sinusoidal de 5kHz y 1Vpp), para ver las señales utilizaremos el osciloscopio donde el canal 1 (CH1) servirá para medir la onda de entrada al circuito y el canal 2 (CH2) servirá para ver la onda de salida del circuito.

Las tierras del generador de señales, del osciloscopio y del módulo deben estar unidas para tener un solo punto de referencia.

F

i

g

u

r

a

5

.

4 Figura 6.14

7

4

(10k)

(2k)


91

Dibujar en el recuadro las ondas de entrada y de salida del circuito. Para graficar tenga en cuenta las escalas indicadas en la gráfica, así como las posiciones de las flechas de referencia (flechas horizontales) para los canales 1 y 2, y la flecha vertical. Calcule la ganancia del circuito, recuerde que la ganancia se obtiene de G=-R2/R1 que debe resultar igual a G=Vout/Vin:

G=……… Observe las formas de ambas ondas. ¿Están invertidas?……(…..) Llene los datos:

2. Efecto saturación de la señal: aumente la

amplitud de la onda de entrada a 10Vpp. Dibuje en el recuadro las ondas de entrada y de salida del circuito. Para graficar tenga en cuenta las escalas indicadas en la gráfica, así como las posiciones de las flechas de referencia (flechas horizontales) para los canales 1 y 2, y la flecha vertical. Anote sus observaciones se la gráfica de salida y justifique porque sale esta forma de onda.

………………………………………………….. ………………………………………………….. ………………………………………………….. ………………………………………………….. …………………………………………………..

1

CH1: 1V CH2:1V M 50 useg

2

1

CH1: 5V CH2: 5V M 50 useg

2


92

EXPERIENCIA 2: EL AMPLIFICADOR NO INVERSOR 3. Realice la implementación del amplificador no inversor de la figura 6.15,

Utilice R1=2.2 kΩ, R2=5.6 k. Generar una señal senoidal de 5kHz y 1Vpp, para ver las señales utilizaremos el osciloscopio: CH1 para la onda de entrada al circuito y el CH2 para ver la onda de salida del circuito.

Recuerde que las tierras del generador de señales, del osciloscopio y del módulo deben estar unidas para tener un solo punto de referencia

4. Dibujar en el recuadro las ondas de entrada y

de salida del circuito. Para graficar tenga en cuenta las escalas indicadas en la gráfica, así como las posiciones de las flechas. Calcule la ganancia del circuito, recuerde que la ganancia se obtiene de G=(R2+R1)/R1 que debe resultar igual a G=Vout/Vin:

G=……… Observe las formas de ambas ondas. ¿Están invertidas?……….. Llene los datos:

Vsal ( teórico): Vsal (medido) :

Podemos ir aumentando la amplitud de la señal de entrada (cambiando de vez en cuando las escalas para poder ver adecuadamente la onda) y notaremos que la onda se llega a saturar similar al paso 2.

1

CH1: 500mV CH2: 500mV M 50 useg

2

Figura 6.15

7

4

(5.6k)

(2.2k)


93

EXPERIENCIA 3:

DETECTOR DE OSCURIDAD

USANDO UNA FOTORESISTENCIA (LDR)

Una fotorresistencia o LDR es una resistencia cuyo valor de Ohmios cambia cuando varía la intensidad de luz incidente en su ventana. Realizar el montaje del circuito de la figura 6.16, utilice para R1=10kΩ.

Observe que se trata de un amplificador inversor, donde la resistencia de retroalimentación es una fotorresistencia, la ganancia del circuito será entonces G=-(RLDR/R1), el voltaje de entrada del circuito es un voltaje constante de 5V. La salida del amplificador en el nodo A tendrá un voltaje

k

R

k

RVsal LDRLDR

2105 ,

este es un voltaje negativo que depende del LDR, cuando la resistencia del LDR sea más grande, entonces el voltaje de salida será más grande (pero negativo), esto ocurre cuando al LDR le llega menos luz. A la salida del amplificador se conecta una resistencia de 330Ω y un LED (Diodo Emisor de Luz) que servirá como indicador luminoso de la cantidad de luz que llega. Observe que la corriente en el LED circula hacia la izquierda como se indica en la flecha. Indique una posible aplicación del circuito: …………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………


Fotorresistencia ó

LDR

LDR

+5VDC

+

-

3

26

-12V

330R1 +12V

D1

LED

Figura 6.16

A

Diodo LED

a k


94

Para la casa: Realice la simulación de un amplificador inversor que se muestra:


95

Pruebe con diferentes formas de señales, trabaje con ambos canales A y B.




SIGNAL GENERATOR Generador de señales

de voltaje.


OSCILLOSCOPE Osciloscopio de dos

canales A y B

OPAMP LM741 Amplificador

Operacional LM741

Botón Generator DC Fuente de voltaje

Botón Inter. Sheet Terminal

GROUND Tierra

2) Realice la simulación del amplificador No inversor del laboratorio.

3) En la parte 2) cambie la resistencia R2 por un potenciómetro de 20kΩ, modifique el valor del

potenciómetro hasta que la señal de salida se sature. Grafique sus señales


96

Aplicaciones con el OPAMP: El ADC y el comparador analógico

El Convertidor Analógico Digital (ADC Analog Digital Converter) El OPAMP como Comparador

Temario El sistema de numeración binario. El transistor como interruptor. El relay.

Muchas son las aplicaciones donde intervienen los OPAMP, podemos citar entre estas: el electrocardiógrafo que sirve para medir y amplificar las señales eléctricas producidas en el corazón, o los amplificadores de audio, etc. Hoy veremos dos aplicaciones muy interesantes, la primera de ellas es el OPAMP trabajando en una configuración diferente a las vistas la semana pasada, esta configuración es la de comparador, es decir que compara dos valores de voltaje para generar una señal de salida de control a un relay, usaremos esta nueva configuración para construir un detector de luz utilizando un LDR, un transistor y un relay Nuestra segunda aplicación es interesante y muy importante a la vez. La mayoría de los equipos electrónicos (celulares, computadoras, equipos de medición, etc.) realizan el procesamiento de la señal en forma digital (bits) y no en forma analógica. Sin embargo las señales se presentan en forma analógica, es por esta razón que se crean interfaces que convierten la señal de analógica a digital (ADC, Analog Digital Converter) por ejemplo al digitalizar la voz en una computadora.


97

OBJETIVO Entender el funcionamiento del OPAMP en la configuración de comparador, para así construir

un circuito que pueda detectar luz (o la falta de ella) en un ambiente, esta detección generará que se active un relay y así poder activar un elemento de mayor potencia como por ejemplo un foco.

Entender el funcionamiento básico de un ADC (Convertidor de Analógico a Digital) y un DAC (Convertidor de Digital a Analógico), realizaremos algunas SIMULACIONES con el ADC0804 .

MATERIALES

Resistencia de 15kΩ (1), 8.2kΩ (1), 2kΩ(2), 1kΩ (1) , 5.6kΩ(2), 3.9kΩ(1), 10kΩ(1)

OPAMP 741

Fotorresistencia

Módulo de desarrollo

Multímetro digital

Relay 12V.

Diodo LED.

Transistor BC548 ó 2N3904

Condensador 150pF


98

SISTEMA DE NUMERACIÓN BINARIO

El sistema de numeración binario o sistema de numeración en base 2, es un sistema numeral que representa valores numéricos usando dos símbolos, el ‘0’ y el ‘1’. Se utiliza este sistema en los circuitos electrónicos digitales por ejemplo en el procesamiento, almacenamiento y transporte de la información en las computadoras. En 1854 el matemático George Boole publicó un documento donde se detalla el funcionamiento de una sistema lógico binario, a esto se le conoce como el Algebra de Boole. Este tipo de álgebra se aplica particularmente en la implementación de circuitos electrónicos digitales. Un número binario puede ser representado por una secuencia de bits (binary digits), hay muchas formas de representar el número binario, por ejemplo seguidamente se muestran 7 formas de representar el mismo número binario:

100101 binary, 100101b, 100101B, bin 100101, 1001012, %100101, 0b100101. El estado de un bit (‘0 ó ‘1’) puede representar muchas cosas, por ejemplo el estado de un foco (encendido ó apagado), el paso de corriente ó la ausencia de esta, las activación o desactivación de un relay, etc. En electrónica normalmente se utiliza el bit para denotar la presencia de un voltaje, por ejemplo 5 voltios ó 0 voltios, es decir:

‘1’ lógico corresponde a 5 voltios ‘0’ lógico corresponde a 0 voltios.

Este será el significado de los ‘1’ y ‘0’s para el transcurso del presente curso, aunque cabe anotar que existen otros significados en voltajes para los ‘1’ y ‘0’s, por ejemplo en la lógica negativa el ‘1’ es 0 voltios y el ‘0’ es 5 voltios. La agrupación de bits tienen los siguientes nombres:

8 bits = 1 Byte. 4 bits = 1 Nibble.

Normalmente cuando de habla de 1kB se refiere a 1024 Bytes=210

Bytes

1024 kb = 1024 bits=210 bits

Conversión de un número de base 2 (sistema binario) a base 10 (sistema decimal) El sistema de numeración binario es un sistema de posición donde cada dígito binario (bit) tiene un valor basado en su posición relativa. Al bit menos significativo o LSB (Least Significant Bit). Cualquier número binario puede convenirse a su equivalente decimal, simplemente tiene que multiplicar a cada bit por una potencia de 2, donde el exponente es la posición del bit, luego tiene que sumar todos los resultados y obtendrá el número en decimal. Las posiciones se inician desde 0 para el LSB.

Ejemplo: convertir 1110112 de binario a decimal.

Observe que el bit de la derecha (LSB) que es un ‘1’ está multiplicado por 2 cuyo exponente es cero pues el bit tiene la posición cero. El ultimo bit de la izquierda está multiplicado por 2

5 es llamado el bit más significativo o MSB

(Most Significant Bit) y el exponente del 2 es 5 por la posición del bit.

1 x 25 + 1 x 2

4 + 1 x 2

3 + 0x 2

2 + 1 x 2

1 + 1 x 2

0 = 32 + 16 + 8 + 2 + 1 = 5910

Ejercicio: convertir los siguientes Bytes a su número en decimal: 111111112, 010101012, 101010102, 111100002, 000011112.

Respuestas: 255, 85, 170, 240, 15.


99

Conversión de un número de base 10 (sistema decimal) a base 2 (sistema binario) Para convertir un número de base 10 a base 2 podemos proceder de dos maneras:

1) Divisiones sucesivas entre 2, y luego agrupar los residuos de abajo hacia arriba, por ejemplo: Convertir el número 13510 a base 2. Entonces:

13510 = 100001112

Ejercicio: llenar la siguiente tabla:

2) El segundo método para convertir un número de base 10 a base 2 es descomponer el número decimal en sumas de potencias de 2, luego, cada potencia de 2 ocupará un bit ‘1’ y la posición la determinará el exponente del 2. este método suele ser más rápido que las divisiones sucesivas pero requiere de mayor práctica, por ejemplo:

13510 = 128+4+2+1 = 27+22+21+20 = 100001112 35010 = 256+64+16+8+4+2 = 28+26+24+23+22+21 = 1010111102

Ejercicio: llenar la siguiente tabla:

MSB

LSB


100

Ejercicio: Lea la siguiente frase: “las grandes obras son producto de la perseverancia” Cada letra y cada espacio en blanco dentro del computador se representan con 8 bits

Determinar el número de nibbles requeridos para guardar la información.

Si se tiene un sistema de telecomunicaciones que transmite la información en forma paralela de 4 bits (de nibble en nibble) a una frecuencia de 1kHz. Determinar el tiempo requerido para enviar la información

Respuesta: 100, 100mseg.

Ejercicio: llene la siguiente tabla:

I. EL OPAMP COMO COMPARADOR:

Una de las aplicaciones más usadas del OPAMP es en el modo comparador, en esta configuración la salida del OPAMP podrá tomar dos valores de voltaje dependiendo de la comparación de las entradas. En esta configuración ya no tenemos resistencia de retroalimentación, este pequeño cambio en las configuraciones hace que el OPAMP trabaje como comparador Suponiendo que tenemos el OPAMP 741 que se alimenta con los voltajes +V y –V (por ejemplo +12V y -12V), y en las entradas tenemos:

En la entrada inversora el voltaje Va

En la entrada no inversora el voltaje Vb Entonces ocurrirá que:

Si Va > Vb entonces Vs ≈ -V Si Va < Vb entonces Vs ≈ +V

Por ejemplo: se tiene un OPAMP que se alimenta con ± 12V, si Va=2,4V y Vb=5,9V entonces Vs ≈ 12V. si Va=10,4V y Vb=5,3V entonces Vs ≈ -12V.

Figura 6.1

7

4


101

II. CONVERTIDORES ANALOGO- DIGITAL Y DIGITAL-ANALOGO. El desarrollo de nuevos procesadores electrónicos que permiten realizar mayor número de operaciones por segundo (mayor velocidad), de mucho menor costo y de menor consumo de energía, además de contar actualmente con memorias de mayor capacidad de almacenamiento digital de fácil adquisición e igualmente de mucho menor costo ha hecho que actualmente la tendencia es a realizar todo el procesamiento y almacenamiento en forma digital. Este tipo de procesamiento digital presenta muchas ventajas con respecto a la analógica, por ejemplo, la información se puede enviar y transmitir a grandes distancias por Internet. La principal aplicación de estos sistemas digitales lo vemos en la telecomunicaciones, los celulares, las comunicaciones satelitales, las comunicaciones via microondas, hacen uso intensivo de este tipo de tecnología.

II.1 CONVERTIDOR ANALÓGICO A DIGITAL (ADC) Un convertidor análogo digital o ADC es un circuito que convierte una señal analógica en digital (número binario, bits), con el objetivo de realizar el procesamiento de la información en forma digital. Las señales analógicas las hemos ido estudiando las semanas anteriores, las señales digitales son representadas por estados binario 1’s y 0’s. La digitalización o conversión analógica-digital consiste en realizar de forma periódica medidas de la amplitud de la señal y traducirlas a un lenguaje numérico. Son cuatro los procesos que intervienen en la conversión analógica-digital: Muestreo: El muestreo consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de onda. La

velocidad con que se toman esta muestra, es decir, el número de muestras por segundo, es lo que se conoce como frecuencia de muestreo.

Retención: Las muestras tomadas han de ser retenidas por un circuito de retención, el tiempo suficiente para permitir evaluar su nivel (cuantificación).

Cuantificación: En el proceso de cuantificación se mide el nivel de voltaje de cada una de las muestras. Consiste en asignar un valor de una señal analizada a un único nivel de salida denominado nivel de cuantización (ver ejemplo más abajo).

Codificación: La codificación consiste en traducir los valores obtenidos durante la cuantificación al código binario. Hay que tener presente que el código binario es el más utilizado, pero también existen otros tipos de códigos que también son utilizados.

Durante el muestreo y la retención, la señal aun es analógica puesto que aún puede tomar cualquier valor. No obstante, a partir de la cuantificación, cuando la señal ya toma valores finitos, la señal ya es digital. Los cuatro procesos tienen lugar en un conversor analógico-digital ADC.

Ejemplo: Se tiene una señal analógica que se quiere convertir a digital como se muestra en la figura 6.2, para esto se tiene un ADC de 4 bits, si la frecuencia de muestreo es 1kHz. a) Calcular el tiempo entre muestra y muestra. b) Calcular la cantidad de memoria en bits que se requiere para almacenar 9 muestras.

c) Determinar la secuencia de bits que se almacenarán para las 9 muestras.

Solución: a) Si la frecuencia de muestreo es 1kHz, entonces el periodo es T=1mseg, quiere decir que entre

muestra y muestra transcurre 1 mseg. Es decir que en un segundo se generarán 1000 muestras. b) Si por cada muestra se generan 4 bits (ADC de 4 bits), entonces en 9 muestras habrán 36 bits. c) Para determinar la secuencia (de la gráfica 6.2) debemos repasar los 4 pasos del proceso de

digitalización de una señal:

http://es.wikipedia.org/wiki/Amplitud_%28sonido%29

http://es.wikipedia.org/wiki/Muestreo_digital

http://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia_de_muestreo

http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito

http://es.wikipedia.org/wiki/Cuantificaci%C3%B3n_digital

http://es.wikipedia.org/wiki/Voltaje

http://es.wikipedia.org/wiki/Codificaci%C3%B3n_digital

http://es.wikipedia.org/wiki/Conversor_anal%C3%B3gico-digital


102

El primer paso es tomar muestras: cada cierto tiempo (periodo de muestreo), que en este caso es 1 mseg, en la gráfica se observan las muestras en forma de puntos. (Observe que la señal analógica está limitada de 0 voltios a 5 voltios). Como el ADC es de 4 bits, entonces dividimos los 5 voltios en 2

4=16 niveles, en el supuesto caso

que el ADC hubiera sido de 8 bits habría que dividir el voltaje en 28=256 niveles (en este caso el

ADC tendría mayor precisión).

El segundo paso es retener las muestras y mantener el voltaje hasta la siguiente muestra, esto se puede observar en la figura 6.3, las líneas horizontales indican que el voltaje se ha retenido.

Figura 6.2

Figura 6.3

Valor retenido hasta la siguiente muestra .


103

El tercer paso es la cuantificación. En el eje vertical de la izquierda se observan los 16 niveles de cuantización debido a los 4 bits del ADC (2

4=16) que van del 0 (0000) al 15 (1111). A cada muestra

se le debe asignar un nivel de cuantización (el que esté más cercano), es así que para la primera muestra m1 se le asigna el nivel 2 (que aparentemente está más cercano), para la segunda muestra m2 se asigna el nivel 7, para le tercera muestra m3 el nivel 8 y así sucesivamente hasta completar las 9 muestras pedidas, los resultados se muestran en la siguiente tabla:

muestra Voltaje aprox Nivel cuantización Valor binario codificado

m1 0.7 2 0010

m2 2.3 7 0111

m3 2.7 8 1000

m4 2.0 6 0110

m5 0.6 2 0010

m6 2.15 6 0110

m7 3.6 11 1011

m8 4.1 12 1100

m9 3.6 11 1011

El cuarto paso es la codificación: consiste en asignar el valor binario a cada nivel de cuantización, lo que hacemos es reemplazar el nivel de cuantización por su valor binario, ver la tabla superior.

Ejercicio: repetir el ejercicio anterior para un ADC de 3 bits y frecuencia de muestreo de 10kHz.

Los ADC podemos encontrarlos en las tarjetas de sonido de las computadoras, en los grabadores de voz de los equipos portátiles MP3, en los teléfonos celulares, etc. Otra aplicación la encontramos cuando se quiere medir una señal física, por ejemplo la temperatura, para esto, primero se necesitará de un sensor ó transductor, que para este caso podría ser un termistor, las señal de salida del sensor deberá amplificarse adecuadamente utilizando por ejemplo un OPAMP y acondicionarse para que ingrese al ADC, la señal digital de salida podrá procesarse, almacenarse o transmitirse por Internet a través de un computador, todo el proceso se muestra en la figura 6.4.

Fenómeno Físico

Transductor Sensor

Amplificador

ADC

Figura 6.4


104

II.2 CONVERTIDOR DIGITAL A ANALOGICO (DAC) Es un elemento que realiza el proceso inverso del ADC, el convertidor digital a analógico DAC (Digital to Analogue Converter) convierte un dato digital (código binario) en un valor de voltaje que formará una señal u onda analógica.

DISPOSITIVOS ELECTRONICOS EL TRANSISTOR: El transistor fue inventado en los Laboratorios Bell en 1942 por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, los cuales fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956. Es un componente semiconductor que usa una pequeña cantidad de voltaje ó corriente eléctrica para controlar un gran voltaje ó corriente (es un amplificador de corriente). El transistor es el componente fundamental con el que se construyen los circuitos que gobiernan a las computadoras, teléfonos celulares, y todos los componentes electrónicos. El transistor por su gran versatilidad puede ser usado en una variedad de funciones digitales y analógicas como amplificación de señales, como interruptor, regulación de voltajes, modulación de señal, osciladores, etc. Los transistores pueden ser empaquetados en forma individual (como se muestra en la figura 6.6, empaque TO-92) ó como parte de un circuito integrado dentro de un chip (por ejemplo un procesador), el cual puede contener miles o millones de transistores en una pequeña área. Podemos encontrar dos tipos de transistores (que se estudiarán en cursos posteriores):

Los PNP (figura 6.7.a).

Los NPN (figura 6.8.b). El transistor tiene tres terminales que son:

Base (B).

Colector (C).

Emisor (E), en el dibujo se ve que está asociado a la flecha. El transistor que utilizaremos en el laboratorio es el BC548 que es un transistor tipo NPN, el empaque utilizado en el TO-92 y su disposición de pines se muestra a continuación:

Figura 6.5

Los ADC se pueden encontrar en las tarjetas de sonido de un PC

Figura 6.6 Empaque TO-

92

(a) Figura 6.7 (b) Transistor Transistor

PNP NPN

http://es.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen


105

El transistor es un amplificador de corriente. Es decir, si por la base (B) ingresa una corriente Ib, esta corriente generará que la corriente por el colector Ic sea aproximadamente 100 veces Ib, la corriente que sale por el emisor será entonces

Ie=Ic+Ib.

Ejemplo: Si: ib=3mA, entonces Ic=300mA y Ie=303mA.

EL RELÉ o RELAY: El Relay es un interruptor eléctrico (switch) que abre o cierra bajo el control de otro circuito eléctrico. Originalmente el interruptor es controlado por un electroimán que abre o cierra un conjunto de contactos. Fue inventado por Joseph Henry en 1835. Debido que el Relay en su salida tiene contactos que normalmente soportan mayor corriente a veces se considera que es un amplificador eléctrico. En la figura 6.9 podemos ver un relay en el que podemos identificar 5 terminales:

(B1, B2) terminales de la bobina del electroimán.

Tres terminales de los contactos: o NA: Normalmente Abierto. o NC: Normalmente Cerrado. o C: Común.

Cuando el electroimán está sin energía (no pasa corriente por la bobina) entonces no se genera el campo magnético y los contactos NC y C están unidos.

Cuando el electroimán está con energía (pasa corriente por la bobina) entonces se genera un campo magnético que atrae el metal (armadura) el cual genera un cambio de posición de los contactos, ahora los contactos NA y C se unen. Existen muchos tipos de relés, y muchas sus aplicaciones, durante el laboratorio usaremos el relé que se muestra en la figura 6.10 y utilizaremos el símbolo de la figura 6.11 para denotar sus pines. Las características de este relé son:

Voltaje de activación de la bobina = 12VDC.

Voltaje máximo que soporta los contactos = 250 VAC.

Corriente máxima que soportan los contactos = 7A.

Ib

Ic

Ie

Figura 6.8

Figura 6.9

B1 B2 NC C NA

B1 B2 NC C NA


106

Identifique en las figuras cuales son los pines NA, NC, C, B1 y B2.

CUESTIONARIO

1. ¿Por qué es importante convertir una señal analógica en digital? 2. ¿Qué es sistema de numeración binario? 3. ¿Qué significado de voltajes tienen los bits 1’s’ y 0’s’ en los circuitos que usaremos durante el

laboratorio? 4. Defina qué es un Byte y qué es un Nibble. 5. ¿Qué es el MSB y el LSB en un número binario? 6. Indique el máximo número decimal que se puede representar con 3 bits. 7. Indique el máximo número decimal que se puede representar con 2 Nibbles. 8. La población del Perú asciende a 27 millones 219 mil 264 habitantes (según INEI 2005),

determine cuántos bits se requieren para expresar esta cantidad. 9. Explique cómo trabaja el OPAMP como comparador. 10. ¿Cuántos y cuáles son los pasos a seguir para convertir una señal analógica a digital?,

explique. 11. ¿De qué depende la precisión de un ADC? 12. Realice una comparación (2 ventajas y 2 desventajas) entre almacenar la información

analógica de voz en una cinta magnética, comparado a digitalizar la información con un ADC y almacenarla en una memoria USB con MP3?.

13. ¿Qué es un DAC? y ¿Dónde podemos encontrarlos? 14. ¿Qué es un transistor?, ¿Cuántos terminales tiene y que nombre tienen? 15. Dibuje el símbolo del transistor NPN que utilizaremos en el laboratorio. 16. ¿Qué es un Relay y cómo funciona?

(a) Figura 6.10 (b) Figura 6.11


107


EXPERIENCIA 1: EL CONVERSOR ANÁLOGO DIGITAL ADC08004 En esta experiencia usaremos un circuito integrado con código ADC0804 que es un convertidor análogo digital de 8 bits, es decir que convertirá el valor de un voltaje analógico entre 0 y 5 voltios a un dato binario de 8 bit (1 byte). El voltaje de entrada será ajustado por un potenciómetro. Simule el circuito que se muestra en el siguiente gráfico. Girando el potenciómetro de 1kΩ podemos variar el voltaje analógico de entrada. La salida la visualizaremos en los indicadores lógicos del módulo.

A partir de las observaciones del circuito simulado llene la siguiente tabla:

Voltaje de entrada Analógica (medido con el

multímetro)

Valor de salida Digital (Binario)

Valor de Salida (Decimal)

1V

2V

3V

4V

5V

¿Qué sucede cuando cambiamos la frecuencia del dclock a 10Hz? ……………………………………………………………………………………………………… ¿El ADC0804 es lineal?, justifique su respuesta. ……………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………

DC Volts


108

EXPERIENCIA 2: EL OPAMP COMO COMPARADOR

Realizar el montaje del siguiente circuito que sirve para detectar luz, se utilizará una fotorresistencia (LDR) como sensor, la salida de nuestro circuito se aplicará para la activación de un relé.

El circuito funciona de la siguiente manera: el OPAMP está en la configuración de COMPARADOR (no tiene resistencia de retroalimentación, los voltajes en los nodos A y B (VA y VB ) determinarán el voltaje en la salida del OPAMP (pin 6) que podrá tomar los voltajes +12V ó – 12V. (aprox.) El voltaje en el nodo A es 2.5V (se puede calcular por divisor de voltaje) y es fijo, mientras que el voltaje en el nodo B es variable y depende de la cantidad de luz que le llegue a la fotorresistencia y del valor de resistencia del potenciómetro. Por el comportamiento del LDR, cuando aumenta la luz, la resistencia del LDR disminuye, entonces VB aumenta, cuando este valor supera los 2.5V (del nodo A) entonces la salida del OPAMP cambia de estado y la salida es +12V (aprox.) Entonces

Cuando hay más luz, la salida del OPAMP es +12V (aprox.) Cuando hay menos luz, la salida del OPAMP es -12V (aprox.)

Cuando la salida es -12V el diodo LED está en polarización inversa y no conduce corriente, mientras que cuando la salida es +12V el diodo LED está en polarización directa y conduce corriente la que llamaremos ib (corriente de base del transistor), esta corriente llega al transistor, el cual funciona como amplificador de corriente, de tal manera que si por la base ingresa ib por el colector pasará una corriente mucho mayor que llamaremos ic (corriente de colector del transistor). Esta corriente Ic, pasa por la bobina del relé y hace que este dispositivo de active. Como sabemos el relé funciona como un interruptor controlado por corriente, donde la corriente Ic es la corriente de control de este dispositivo. Resumiendo, el relé se activará cuando hay más luz que le llega al LDR.

5.6k

1K

+

-

3

26

12V

5V

5.6k

5.6kfotoresistencia

RELAY

35

412

D1

diodo

5V

Transistor

Figura 6.11

-12V

+12V

Potenciómetro 10 kΩ

A

B

A k

Base Emisor

Colector

Diodo Led

ib

ic

Figura 6.12

LDRPOT

POTB

RR

RV 5V

kk

kVA 5.2

6.56.5

6.55


109

El potenciómetro sirve para calibrar y darle mayor sensibilidad al circuito, se obtendrá del módulo de desarrollo.

Una vez hecho el montaje del circuito realice las siguientes mediciones:

Haga incidir poca luz en el LDR de tal manera que el LED esté apagado:

VA=………………….. VB=…………………….. Vsal…………………..

Haga incidir más luz en el LDR de tal manera que el LED esté encendido:

VA=………………….. VB=…………………….. Vsal…………………..

Indique una aplicación del circuito:

………………………………………………………………………………………………………………….

………………………………………………………………………………………………………………….

………………………………………………………………………………………………………………….


Símbolo Objeto Descripción

LOGICPROBE Indicador Lógico

Digital, para saber si el valor es ‘1’ ó ‘0’.

ADC0804 Conversor Analógico

Digital de 8 salidas. La entrada es Vin.

DCLOCK

Señal digital 1’s y 0’s. colocar a 1kHz

LOGICSTATE Objeto para

seleccionar un valor lógico digital ‘1’ ó ‘0’

GROUND Tierra

POT-LIN Potenciómetro lineal.


110

Aplicaciones con el OPAMP, diseño de

una alarma detectora de sonidos

En este laboratorio el alumno aplicará los conocimientos adquiridos en el curso. Deberá diseñar un circuito capaz de detectar un sonido relativamente fuerte usando un micrófono del tipo electret. Este circuito enviará un pulso a un led indicando la detección del sonido. Este circuito se puede utilizar en distintos tipos de alarmas de seguridad. Se usarán los componentes vistos en los laboratorios anteriores además de usar un filtro de frecuencias que será explicado en la clase del laboratorio. Se busca que el alumno pase de la etapa de conocimiento a la etapa de comprensión y de aplicación en la realización de un diseño que será implementado en el mismo laboratorio.


111

OBJETIVOS

Entender el funcionamiento de un micrófono electrect.

Conocer los filtros pasa altos y aplicarlos en su diseño.

Aplicar los conocimientos adquiridos en el diseño e implementación de un sistema detector de sonidos que podrá ser utilizado como un sistema simple de alarma.

MATERIALES

Multímetro digital.


Osciloscopio digital.

Circuito integrado TL084 (QUAD OPERATIONAL AMPLIFIERS)

Resistencias de 1kΩ (1), 10kΩ(2), 20kΩ(2), 560kΩ(1), 330kΩ(1)

Micrófono electrect

Capacitor 100uF/16V


112

Circuito integrado TL084 (QUAD OPERATIONAL AMPLIFIERS) Este circuito integrado está compuesto internamente por 4 amplificadores Operacionales independientes que solo tienen en común los voltajes de alimentación. Se aplica en circuitos de amplificación de propósito general. Se muestra la descripción de pines de este circuito integrado que se utilizará en la implementación del diseño del alumno.

Vcc- : Voltaje de alimentación negativo, puede llegar hasta -18V como máximo. Vcc+ : Voltaje de alimentación positivo, puede llegar hasta +18V como máximo.

Figura 7.2 Pinout del TL084

Figura 7.1: Empaque DIP 14 del TL084 que contiene 4 OPAMPS


113


1.- Identifiquemos el micrófono tipo electret que se le ha proporcionado, el cual tiene dos terminales, uno positivo y otro negativo. Podemos identificar el terminal negativo pues este está conectado a la carcasa y es el que se conecta a GND del circuito.

Utilice los siguientes valores para C1 y R2. C1=1uF, R2=10K.

El micrófono electret es un condensador constituido por dos placas en paralelo una de las cuales vibra a la misma frecuencia de las ondas de presión de aire que ingresan por la parte frontal del micrófono. Internamente el micrófono tiene un transistor que le permite pre-amplificar la señal generada por el condensador del micrófono y así generar una señal de voltaje cuya forma es la misma que la forma de las ondas de presión de aire. Para que el micrófono pueda funcionar, debemos polarizarlo (conectarle una resistencia a una fuente de alimentación) como se ve en la figura 7.3. Paso 1: Implemente el circuito de la figura anterior. Observe la señal en el nodo A usando el canal 1 del osciloscopio, hable frente al micrófono a una distancia de 20 cm aprox y responda las siguientes preguntas:

¿La señal en el nodo A es alterna o continua?

¿Cuánto es el valor del voltaje DC de la señal en el nodo A?

¿Cuánto es el la amplitud de la señal AC en promedio en el nodo A?. Para poder ver la señal debemos colocar el canal 1 del osciloscopio en medición AC, es decir que no se tomará en cuenta el valor DC de la señal.

-

+

Se puede

identificar la

parte negativa

porque está

conectada a la

carcaza

Figura 7.3 primera parte del circuito detector de sonidos

A B

+


114

Paso 2: hemos podido observar que la señal de voltaje que sale del micrófono tiene una componente DC grande en comparación con la amplitud de la señal AC que es la que nos interesa. Si en este momento quisiéramos amplificar la señal, también se amplificaría la componente DC y la señal se saturaría fácilmente. Para evitar este problema debemos eliminar la componentel DC con un circuito filtro que deja pasar las señales de mayor frecuencia y las de menor frecuencia como las DC las elimina. Coloque la punta del osciloscopio en canal 1 en el nodo B. Responda las siguientes preguntas:

¿La señal en el nodo B es alterna o continua?

¿Cuánto es el valor del nivel DC de la señal en el nodo B?

¿Cuánto es el la amplitud de la señal AC en promedio en el nodo B?

Paso 3: Para asegurarnos que la señal del nodo B no se vea afectada cuando colocamos otro circuito en este punto, le vamos a colocar un seguidor de voltaje usando un OPAMP (use uno de los OPAMP’s del TL084). Implemente el siguiente circuito, no se olvide de revisar los voltajes de alimentación del chip TL084.

Ahora podemos colocar con tranquilidad un circuito en el nodo C sin que la señal que queremos amplificar se vea afectada.

Paso 4: Diseñe un amplificador que pueda amplificar la señal del nodo C de tal manera que en la salida del amplificador el voltaje promedio pico sea de 2 voltios cuando se habla a 20cm del micrófono. Para esto puede usar un amplificador no inversor, ud. tendrá que seleccionar los valores de las resistencias y así cumplir con lo pedido, dibuje su diseño e indique sus valores. Luego implemente su diseño y compruebe la amplitud de salida con el osciloscopio.

Figura 7.4: Seguidor de Voltaje


115

Paso 5: A continuación diseñe un comparador de voltaje que cumpla con la siguiente condición: cuando el voltaje de salida del amplificador del paso 4 es mayor que 6 voltios, entonces la salida del comparador será positiva y se encenderá un led, no olvide colocar la resistencia en serie con el Led. Dibuje su diseño, impleméntelo en el módulo y compruebe los resultados con el osciloscopio. Nota: si Ud. desea puede usar la señal de salida del comparador para activar un relay y así poder activar un foco, un ventilador, un motor u otro elemento de mayor consumo de potencia.


116

Introducción a los circuitos digitales.

Temario Puertas lógicas. Funciones lógicas. Codificación Binario Decimal BCD.

Se trabajó anteriormente con el sistema de numeración binario, el cual se utiliza en los circuitos digitales en la conversión de un valor analógico en digital. Hoy trabajaremos con unos circuitos integrados que contienen puertas lógicas con las que podremos realizar operaciones binarias. Las puertas lógicas están construidas con transistores, sin embargo no será necesario conocer la estructura interna del circuito, si no solamente la función de la puerta y las entradas binarias, para sí conocer la salida. Utilizaremos chips para construir otras funciones lógicas, y poder familiarizarnos con este tipo de circuitos.


117

OBJETIVOS

Reconocer la distribución de los pines de circuitos integrados digitales, como puertas lógicas.

Entender el funcionamiento de las puertas lógicas básicas, y aplicarlas para implementar otras funciones lógicas.

MATERIALES

Multímetro digital.


Circuitos integrados. 7404 (INV), 7408 (AND), 7432 (OR).

Resistencias de 1kΩ (3) 0.25W

2 micropulsadores NA (Normalmente abierto)

Transistor 2n3904 (1)

Relay 12V (con tapa transparente)

Ventilador 12V.

EL CODIGO BCD (Binary Coded Decimal).

El Código Binario Decimal BCD, es un tipo de codificación binaria. En esta codificación un número decimal (0, 1, 2, … 9) es representado por 4 bits, esto es así porque 4 es el número de bits necesario para representar el 9, el número más alto cifrable en BCD. En la tabla se muestran los códigos BCD.

Como se observa con el BCD sólo se utilizan 10 de las 16 posibles combinaciones que se pueden formar con números de 4 bits, por lo que el sistema pierde capacidad de representación, aunque se facilita la compresión de los números.

Ejemplo Se quiere representar el número 56, en binario y luego en BCD.

Solución:

a) Para convertir 56 a binario lo hacemos por cualquier método visto anteriormente (por ejemplo por divisiones sucesivas), por lo tanto:

5610=1110002

b) Para convertir en BCD observamos que 56 tiene dos cifras el 5 y el 6:

El 5 es 0101

El 6 es 0110

Por lo tanto 56 en BCD será 0101 0110BCD

Ejercicio: convertir los siguientes números a BCD:

235, 1268, 112, 654

Solución:

001000110101, 0001001001101000, 000100010010, 011001010100


118

CIRCUITOS DIGITALES TTL (Lógica Transistor Transistor) Un circuito integrado digital es aquel en el cual todos los componentes, incluyendo transistores, diodos, resistencias, condensadores y alambres de conexión, se fabrican e interconectan completamente sobre un chip o pastilla semiconductora de silicio y que en su conjunto permite realizar operaciones con datos binarios. Una vez procesado el chip se encierra en una pastilla plástica o de cerámica que contienen los pines de conexión a los circuitos externos. Las cápsulas plásticas son más livianas pero las cerámicas son más resistentes y pueden trabajar a más alta temperatura. La mayoría de los circuitos integrados digitales vienen con presentación tipo DIP (Dual In line Package) o de doble hilera como la que se muestra en la figura 9.1. La patita 1 (pin 1) se identifica mediante una ranura o un punto grabado en la parte superior de la cápsula (ver figura 9.1). La enumeración de los pines se realiza en sentido anti-horario.

SISTEMA BINARIO Es el sistema que utiliza internamente el hardware de las computadoras y los sistemas de comunicación modernos, por ello será el sistema al que se le prestará mayor atención y estudio. Se basa en la representación de cantidades utilizando los dígitos 1 y 0. Por tanto su base es 2 (número de dígitos del sistema). Se puede utilizar con nombre propio determinados conjuntos de dígitos en binario. Ocho bits se denominan octeto o Byte (ejemplo: 10010110), 1024 Bytes se le llama kiloByte o simplemente kB, 1024 kiloBytes forman 1 MegaByte (MB) 1024 MegaBytes forman 1 Gigabytes (GB).

FAMILIAS LÓGICAS Los circuitos digitales están agrupados en diferentes familias lógicas que dependen del tipo de componentes utilizados para la construcción de los chips, es así que tenemos las familias RTL, DTL, TTL, CMOS, las dos últimas son las más utilizadas actualmente, entre muchas razones por su bajo consumo de potencia. En el laboratorio usaremos la familia lógica TTL (Transistor Transistor Logic) basada en transistores, donde encontraremos que el código de identificación de los chips comienza con 74xx. Las familias CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) más conocidas comienzan con el código 40xx. En los chips TTL se utilizan los siguientes niveles de voltaje para los valores lógicos:

Voltaje de alimentación Vcc del chip: entre 4.75 V y 5 V. Entre 0 V y 0.8 V para el nivel ‘0’ lógico ó a veces llamado ‘L’ de Low. Entre 2 V y Vcc para el nivel ‘1’ lógico ó a veces llamado ‘H’ de High.

Si el voltaje está entre 0.8V y 2V entonces es indeterminado.

Figura 9.1

Nivel lógico ‘1’

Nivel lógico ‘0’

5

2

0.8

0

Voltios


119

PUERTAS LÓGICAS BÁSICAS

Se denominan puertas (o compuertas) lógicas básicas porque todas las otras puertas se pueden obtener a partir de la combinación de estas tres puertas. Las puertas básicas son tres:

1. Puerta NOT o puerta negadora. 2. Puerta AND 3. Puerta OR

1. Puerta NOT o Inversora Esta puerta tiene una entrada y una salida. La salida será el valor negado o invertido de la entrada, esto se representa con el nombre de la variable de entrada con una línea en la parte superior: se puede representar utilizando ‘la tabla de verdad del circuito’

En la familia TTL podemos encontrar que el chip con código 74LS04 tiene internamente 6 puertas inversoras. Observar los pines Vcc (pata 14) y GND (pata 7) de la alimentación de voltaje.

El círculo en el símbolo se llama 'burbuja' y se usa en diagramas de circuitos para indicar una entrada o salida inversora

2. Puerta AND Esta puerta tiene dos entradas (algunas puede tener más entradas) y una salida, la salida será la función de multiplicación de las entradas binarias, es así que basta que haya una entrada cero para que la salida sea cero, o también se puede decir que la salida será ‘1’ si todas las entradas son ‘1’, veamos la tabla de verdad.

En la familia TTL podemos encontrar que el chip con código 74LS08 tiene cuatro puertas AND. Observe los pines Vcc y GND de alimentación del voltaje.

A

Figura 9.2

Figura 9.3: chip 74LS04 que tiene en su interior 6 puertas inversoras o negadoras

1 0

0 1

A A

Tabla 9.1: Tabla de verdad de la puerta NOT

A.B

Figura 9.4: Símbolo de puerta AND

Figura 9.5: chip 74LS08 que tiene en su interior 4 puertas AND

Tabla de verdad puerta AND Tabla 9.2

‘x’


120

3. Puerta OR Esta puerta tiene dos entradas (más adelante veremos que puede tener más entradas) y una salida, la salida será la función de suma de las entradas binarias, es así que basta que haya una entrada uno para que la salida sea uno, o también se puede decir que la salida será ‘0’ si todas las entradas son ‘0’, veamos la tabla de verdad.

En la familia TTL podemos encontrar que el chip con código 74LS32 tiene cuatro puertas OR. Observe los pines Vcc y GND de alimentación del voltaje.

Ejemplo: En la tabla 9.4, se muestran los valores de voltaje de dos variables A y B, y en las tres últimas columnas se muestra el valor lógico que le corresponde a la salida de los chips, en caso que la salida sea indeterminada (no es ni ‘0’ ni ‘1’) se muestra un X, esto quiere decir que no se podrá saber exactamente que valor lógico que toma la salida.

A B

AB A+B

3V ‘1’

5V ‘1’

0 1 1

0.2V ‘0’

3V ‘1’

1 0 1

0.5V ‘0’

1.6V ‘x’

1 0 X

1.5V ‘x’

4.5V ‘1’

X X 1

A

Tabla 9.4: en las entradas, el valor indeterminado x significa que no es ni ‘0’ ni ‘1’, es decir está en el rango de 0.8V a 2V

Figura 9.6: Símbolo

puerta OR

A+B

Tabla de verdad puerta OR Tabla 9.3 Figura 9.7: chip 74LS32 tiene en su interior 4

puertas sumadoras ó OR.


121

Otras puertas lógicas A partir de la combinación de las tres puertas lógicas se pueden implementar muchas otras puertas

lógicas básicas, seguidamente se muestran en una tabla algunas de estas:

puerta Símbolo Función La salida será ‘1’

si: Código TTL

AND negada ó NAND

Por lo menos una de las entradas es ‘0’.

7400, 7401, 7403

OR negada ó NOR

Todas las entradas son ‘0’.

7402, 7428, 7433

XOR (OR

Exclusiva)

Las estradas son diferentes

74136, 74386

XNOR (OR

Exclusiva Negada)

Las entradas son iguales

74266

Ejercicio: hacer la tabla de verdad de las puertas lógicas NAND, NOR, XOR, XNOR:

A B NAND (A,B) NOR(A,B) XOR(A,B) XNOR(A,B)

0 0

0 1

1 0

1 1

FUNCIONES LÓGICAS

Se denomina función lógica o booleana a aquella función matemática cuyas variables son binarias y están unidas mediante los operadores del Algebra de Boole: suma lógica, multiplicación lógica o negación.

Existen distintas formas de representar una función lógica, entre las que podemos destacar las siguientes:

Algebraica

Por tabla de verdad.

Gráfica El uso de una u otra, como veremos, dependerá de las necesidades concretas en cada caso.

Ejemplo: se tiene la siguiente función lógica en su representación algebraica:

F = A’.B + A. B’ (NOTA: el apóstrofe ‘ indica que hay una negación) Se pide:

a) Su tabla de verdad. b) La representación gráfica de la función:

AB

A+B

A B

A B

Tabla 9.5

Tabla 9.6


122

Solución: a) Observamos que la función tiene dos variables de entrada, y una salida, por lo tanto la tabla de

verdad tendrá tres columnas, en las dos primeras estarán las variables de entrada (A y B) y en la tercera columna estará la salida de la función (F). En las entradas se colocarán todas las combinaciones posibles, si son dos entradas, las combinaciones serán 2

2 = 4 combinaciones, (en

el caso que fueran 3 entradas serán 23 = 8 combinaciones, sin son 4 entradas serán 2

4 = 16

combinaciones y así sucesivamente). Luego reemplazamos los valores de las variables en la función y llenamos la columna de la salida.

b) Para graficar la función lógica primero obtenemos las variables y sus negaciones, luego vamos reemplazando las operaciones lógicas por sus puertas lógicas, en la función del ejemplo vemos que la última operación es la suma por lo tanto la puerta lógica que estará más cerca de la salida será la puerta OR.

En el ejemplo anterior, comparamos la tabla de verdad de la función F (tabla 9.7 ) con la tabla de verdad de la puerta XOR (tabla 9.6), vemos que son idénticas, esto quiere decir que la puerta lógica XOR se puede construir con el circuito de la figura 9.8 pues arrojan la misma tabla de verdad.

A B F=A’B+A.B’

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

Tabla 9.7: tabla de verdad de la función F

Figura 9.8

A’

B

A

B’


123

Ejercicio: Hallar la tabla de verdad y la representación algebraica del circuito de la figura 9.9. Diga usted si la función de la gráfica 9.9 es equivalente a la función:

F2=A+B.(A’+C)

Una vez que se tiene la representación gráfica se procede a la construcción del circuito como se muestra en la figura 9.10, en este caso se está construyendo la función F=(A+B).C Observe que primero deben conectarse los pines de alimentación Vcc a 5V y GND a 0V.

D1

LED

R1330

A B C

Figura 9.10

cables

Figura 9.9

F=A’B+BC+A


124

CUESTIONARIO

1. ¿Qué es un código BCD? 2. ¿Qué diferencia hay entre un código binario BCD y un código binario puro? 3. Represente el número 34 en el sistema de numeración binario puro y en BCD. 4. ¿Cuántos bits representa un Byte? 5. Mencione 4 tipos de familias lógicas y diga cuáles son las más utilizadas y ¿Por qué? 6. Si el código de un chip se inicia en 74 ¿De qué familia lógica estamos hablando? 7. Si el código de un chip se inicia en 40 ¿De que familia lógica estamos hablando? 8. En la familia TTL, el ‘0’ lógico, ¿Qué rango de voltaje representa? 9. En la familia TTL, el ‘1’ lógico, ¿Qué rango de voltaje representa? 10. ¿Qué sucede cuando hay un voltaje entre 0.8V y 2V en un sistema TTL? 11. ¿Qué es una tabla de verdad? 12. ¿Cómo se representa una variable negada? 13. ¿Qué indica o simboliza el círculo llamado ‘burbuja’ en las salidas de los diagramas de los

chips? 14. Hacer la tabla de verdad y dibuje los símbolos de las puertas NOT, AND, OR y XOR. 15. ¿Cuándo se dice que un valor de voltaje es indeterminado, es decir que no puede ser

reconocido como ‘1’ ó ‘0’ lógico en un sistema TTL? 16. Hacer la tabla de verdad y la gráfica circuital de la función (A+B)C+AB. 17. ¿Qué función cumplen los chips 74LS00, 74LS04, 74LS08, 74LS32, 74LS136?


125


1. Realice un reconocimiento de los circuitos integrados que se le ha proporcionado, observe los códigos y asócielos con las figuras 9.3, 9.5 y 9.7. Identifique los pines de alimentación Vcc y GND.

2. Dibuje el circuito usando puertas lógicas que sea la representación gráfica de la función F.

F = AB + (A+B)C’

3. Implemente el circuito de la función mostrada utilizando los chips proporcionados. Las entradas

binarias de las variables A, B y C se obtendrán de los interruptores tipo DIP del módulo. Para observar el estado lógico de la salida, la conectamos a uno de los indicadores lógicos. Tenga cuidado en las conexiones entre los dispositivos, si tiene alguna duda llame al profesor. Recuerde que el voltaje de alimentación es Vcc = 5V y GND es tierra.

Llene la tabla de verdad de la función F.

Entrada A

Entrada B

Entrada C

Salida F

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

.


126

Para la casa: 4. Busque en Internet que función cumplen los siguientes circuitos integrados de la familia CMOS:

CD4069 : .……………………………………………………………………………………….. CD4070: .………………………………………………………………………………………… CD4081: .………………………………………………………………………………………… 5. ¿Qué ventajas encuentra usted entre usar la familia CMOS en vez de la familia TTL? (busque en

Internet)

………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………


Para la Casa: 1.- Realice la simulación de la función lógica del laboratorio y compruebe la tabla de verdad:

2.- Realice la simulación de la siguiente función lógica: )( CABAF

2.a) Llene la tabla de verdad:

Entrada A

Entrada B

Entrada C

Salida F

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1


127

2.b) Dibuje el circuito:



ACTIVE LOGICPROBE (BIG) Indicador Lógico

Digital, para saber si el valor es ‘1’ ó ‘0’.

ACTIVE LOGICSTATE

Objeto para seleccionar un valor lógico digital ‘1’ ó ‘0’

74LS 74LS08 Puerta lógica

multiplicadora o AND


Sumadora o OR


Negadora, Inversora o NOT


128

Circuitos digitales, contadores, display de 7 segmentos y decodificadores binarios

Temario El contador Binario 74LS193, 74LS192. El display de 7 segmentos. El Decodificador BCD a Display de 7

segmentos 74LS47.

La semana anterior se hizo una introducción a los circuitos digitales, construimos algunas funciones lógicas e identificamos algunas de las familias utilizadas para construir circuitos digitales. Esta semana utilizaremos algunos circuitos integrados que están constituidos internamente por funciones lógicas como por ejemplo el decodificador 74LS47 el cual tiene internamente 7 funciones lógicas, además cada una de estas salidas controlarán el encendido o apagado de los leds que conforman un display de 7 segmentos, de esta manera podremos visualizar el valor binario de la entrada en un número decimal que se muestra en el display. También utilizaremos un circuito integrado importante que es el contador binario 74LS193 y el 74LS192, como su nombre lo dice, con este chip podremos realizar cuentas de pulsos eléctricos, con la finalidad de entender, por ejemplo, como funcionaría un reloj digital, también utilizaremos el contador binario para la realización del proyecto de este ciclo.


129

OBJETIVOS

Conocer el funcionamiento del circuito integrado 74LS47, que tiene como entrada un número binario BCD de 4 bits (Binary Coded Decimal) y lo convierte en 7 salidas para mostrar el valor en un display de 7 segmentos de ánodo común.

Entender el funcionamiento del contador binario 74LS193 con el fin de construir contadores binarios ascendentes y descendentes.

MATERIALES

1. Multímetro digital 2. Módulo de desarrollo. 3. Circuitos integrados TTL 74LS08, 74LS193, 74LS47, 74LS192. 4. Resistencia 0.25W 330Ω. 5. Display de 7 segmentos ánodo común. 6. Teclado Matricial 7. Codificador 74C922.

I.EL DISPLAY DE 7 SEGMENTOS Es un arreglo de 7 LEDs de forma rectangular conectados de tal manera que se pueda formar un número decimal, a veces también se podrán visualizar algunos símbolos y algunas letras.

Figura 9.1 El display de 7 segmentos de

ánodo común.

Figura 9.2 El display de 7 segmentos de cátodo común.


130

Dentro de los displays de 7 segmentos podemos encontrar dos tipos:

Display de ánodo común

Display de cátodo común Recuerde que los LEDs son diodos emisores de luz y que sus terminales son el ánodo y el cátodo, en el display de ánodo común (figura 9.1) todos los ánodos de los leds están unidos a un terminal llamado cm (común), mientras que en el display de cátodo común (figura 9.2) los cátodos de los LEDs se conectan a un punto común también llamado cm (común) . Durante el laboratorio trabajaremos con el display de ánodo común debido que el decodificador que usaremos (74LS47) está diseñado para trabajar con este display. Para el caso que se quiera trabajar con el display de cátodo común tendremos que utilizar el decodificador 74LS48. Cada LED tiene una posición y una letra (a, b, c, d, e, f, g) que lo identifica dentro del display, los terminales y las conexiones externas son unas patitas conectadas en la parte posterior, en total encontraremos 10 patillas, donde además de los terminales para cada LED encontraremos los terminales p y cm, el Terminal p se refiere al punto y los dos terminales cm están unidos formando una sola conexión del Terminal común. Para conectar un display con su controlador (74LS47) es necesario conectar unas resistencias a los terminales del display, en las figuras 9.4 y 9.5 se muestran estas dos maneras de hacerlo, la conexión de la figura 9.4 es la más recomendable pues los LEDs brillarán siempre con la misma intensidad, sin importar el número de leds encendidos, en cambio la gráfica de la figura 9.5 muestra otra forma de conexión que es mucho mas simple, sin embargo tiene la dificultad que dependiendo cuantos LEDs se estén encendiendo. En el segundo caso la intensidad de luz que emiten variará, por ejemplo si se encienden 2 LEDs estos brillarán con mayor intensidad que si se encienden los 7 LEDs, sin embargo por la simplicidad de su implementación usaremos esta conexión en el laboratorio. Ya sabemos que un LED se enciende cuando está en polarización directa, es decir que para que se encienda el Terminal del cátodo debe estar en 0 voltios ó ‘0’ lógico, por esta razón se observa que las salidas del 74LS47 están negadas.

Figura 9.3

Figura 9.4 Figura 9.5


131

Es decir que para el display de ánodo común: El led se enciende con ‘0’. El led se apaga con ‘1’.

Y para el display de cátodo común: El led se enciende con ‘1’. El led se apaga con ‘0’.

Ver la tabla 9.1 que muestra que LEDs deben encenderse (en un ánodo común) para mostrar un número determinado y el valor lógico de los cátodos.

Numero mostrado

Leds encendidos Valor de los terminales

a’ b’ c’ d’ e’ f’ g’

0 abcdef 0 0 0 0 0 0 1

1 bc 1 0 0 1 1 1 1

2 abdeg 0 0 1 0 0 1 0

3 abcdg 0 0 0 0 1 1 0

4 bcfg 1 0 0 1 1 0 0

5 acdfg 0 1 0 0 1 0 0

6 cdefg 1 1 0 0 0 0 0

7 abc 0 0 0 1 1 1 1

8 abcdefg 0 0 0 0 0 0 0

9 abcfg 0 0 0 1 1 0 0

Ejercicio: se desea mostrar el mensaje “ UPC ELECTRONICA” como se muestra en la figura 9.6, llene la tabla donde se indica los leds encendidos y el valor de los terminales:

Número ó letra mostrada

Leds encendidos Valor de terminales

a’ b’ c’ d’ e’ f’ g’

U

P

C

E

L

E

C

T

R

O

N

I

C

A

Figura 9.6

Tabla 9.1


132

II. El DECODIFICADOR BCD-DISPLAY DE 7 SEGMENTOS 74LS47 (http://euclid.math.temple.edu/~cmartoff/teaching/ph22106/DVM/74LS47.pdf)

Es un circuito integrado de 16 pines conformado internamente por funciones lógicas, tiene los siguientes pines de conexión:

4 entradas binarias (A, B, C y D) que forman un número en código BCD (Binary Coded Decimal).

7 salidas: a’, b’, c’, d’, e’, f’, g’ (donde la comilla ‘ indica negación). 3 pines de control: RBI (Ripple Blanking Input), BI/RBO (Blanking Input/Ripple Blanking

Output) y LT (Lamp Test input). 2 pines para el voltaje de alimentación Vcc y GND.

Las salidas a’, b’, c’, d’, e’, f’, g’ se conectan directamente a las entradas para el display de 7 segmentos (ver figura 9.4 y 9.5) de tal manera que el número BCD que se ingrese por las entradas A, B, C y D (D es MSB y A es LSB) se mostrará en forma decimal en el display. Los pines de control sirven para hacer pruebas, por ejemplo, si LT (Lamp Test) se conecta a ‘0’ (ver que LT esté negado) todos los segmentos del display deberán encenderse, RBI y BI/RBO no se usarán. En nuestras pruebas anularemos los tres pines de control conectándolos a ‘1’ ó 5V.

En la figura 9.7 se muestran la distribución de pines y en la figura 9.8 se muestra su símbolo lógico, observe que las entradas o salidas que tienen un círculo significan que están negadas. En la siguiente tabla se muestra las salidas en el display para todas las combinaciones de las entradas

Entrada decimal

Entrada DCBA

Salida al display a’ b’ c’ d’ e’ f’ g’

Salida del display

0 0000 0 0 0 0 0 0 1

1 0001 1 0 0 1 1 1 1

2 0010 0 0 1 0 0 1 0

3 0011 0 0 0 0 1 1 0

4 0100 1 0 0 1 1 0 0

5 0101 0 1 0 0 1 0 0

74LS47

Figura 9.7

Figura 9.8


133

6 0110 1 1 0 0 0 0 0

7 0111 0 0 0 1 1 1 1

8 1000 0 0 0 0 0 0 0

9 1001 0 0 0 1 1 0 0

10 1010 1 1 1 0 0 1 0

11 1011 1 1 0 0 1 1 0

12 1100 1 0 1 1 1 0 0

13 1101 0 1 1 0 1 0 0

14 1110 1 1 1 0 0 0 0

15 1111 1 1 1 1 1 1 1

En la figura 9.9 se muestra en diagrama lógico interno del decodificador 74LS47, observe que cada salida dependerá de una combinación de las entradas, por lo tanto cada salida es una función lógica, a este tipo de circuitos se llaman circuitos combinacionales. Los circuitos combinacionales son aquellos donde las salidas dependen de la combinación del estado actual

de las entradas.

Tabla 9.3

Figura 9.9


134

EL CONTADOR BINARIO 74LS193 (http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/S/N/7/4/SN74LS193.shtml)

Es un circuito integrado de 16 pines que nos permite generar una cuenta binaria de 4 bits, esta cuenta podrá se ascendente ó descendente. A diferencia del 74LS47 que es un circuito combinacional, el 74LS193 es un circuito denominado circuito secuencial pues la salida no solo depende del estado actual de las entradas, sino también del estado anterior de las entradas.

Por las entradas COUNT DOWN y COUNT UP (pines 4 y 5) ingresan los pulsos que cambiarán la cuenta, si entran por COUNT DOWN (DN) la cuenta será descendente y si los pulsos ingresan por COUNT UP (UP) la cuenta será ascendente. La cuenta de salida es de 4 bits (QD QC QB QA) donde QD es el MSB y QA el LSB.

Ejemplo: Solo usaremos los pines de alimentación (16 y 8), las salidas (pines 3, 2, 6 y 7) y las entradas UP y DN (5 y 4). Inicialmente las salidas están en un estado inicial QDQCQBQA = 0000, la entrada COUNT DOWN (DN) lo colocamos en ‘0’ y por COUNT UP (UP) hacemos ingresar 5 pulsos, entonces

la salida después de los 5 pulsos cambiará a QDQCQBQA = 0101 que es el número 5 en binario.

Figura 9.10 Diagrama de conexiones del contador binario de 4 bits

74LS193

Cuenta de salida QA=LSB QD=MSB

Pulsos de entrada UP = ascendente DN=descendente 0V

5V

Figura 9.11

http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/S/N/7/4/SN74LS193.shtml


135

Luego ingresan otros 7 pulsos por UP, luego la salida cambiará a QDQCQBQA = 1100 (número 12). Manteniendo el estado de las salidas en 1100, cambiamos UP a ‘0’ y por DN hacemos ingresar 8 pulsos, entonces después de estos 8 pulsos por DN la salida cambiará a QDQCQBQA = 0100 que corresponde al número 4 en decimal.

Recuerde que las salidas son solo de 4 bits, entonces la cuenta está limitada desde el 0 (0000) hasta el 15 (1111).

Las salidas: Carry Output (CO) y Borrow Output (BO) de 74LS193. Observamos que estas salidas (pines 12 y 13) son negadas, durante una cuenta normal estos pines están desactivados, es decir su estado normal durante la cuenta es ‘1’, es decir que internamente es ‘0’ (antes de la negación). Cuando la cuenta es ascendente y se ha llegado al valor máximo 1111, y al ingresar otro pulso por UP, entonces la cuenta cambia a 0000 en este preciso instante por el pin CO (Carry Output) se genera un pulso invertido, es decir que su estado cambia de ‘1’ a ‘0’ y luego nuevamente a ‘1’, indicando que se ha sobrepasado el valor máximo. Algo muy similar ocurre con el pin BO (Borrow Output), cuando la cuenta es descendente y se ha llegado al mínimo 0000, y al ingresar otro pulso por DN, entonces la cuenta de salida cambia a 1111 en este preciso instante por el pin BO se genera un pulso invertido, es decir que su estado cambia de ‘1’ a ‘0’ y luego cambia a ‘1’ nuevamente, indicando que se ha sobrepasado el valor mínimo.

La entrada CLEAR (CLR) del 74LS193 Este pin permite resetear las salidas a 0000, para esto hay que colocar el CLEAR a ‘1’. Para que la cuenta se realice normalmente la entrada CLR deberá desactivarse con ‘0’. Cuando en la entrada CLR se conecta ‘1’ entonces la salida (no importa que valor tenía) se borra es decir se pone en 0000.

Las entradas LOAD y DATA INPUT (DCBA) Observamos que LOAD (pin 11) es negado, las entradas DCBA (pines 9, 10, 1, 15 que se llaman DATA INPUT) forman un número de 4 bits. Por el DATA INPUT podemos ingresar (ó CARGAR) un valor binario de 4 bits donde D es MSB y A es LSB, estos datos cargados en el DATA INPUT no tendrán ningún efecto en la cuenta de salida mientras que LOAD esté en ‘1’ (internamente en ‘0’ es decir desactivado). En el momento que LOAD tiene el estado ‘0’ (internamente ‘1’ es decir activado), el valor cargado en el DATA INPUT (DCBA) pasa automáticamente a QDQCQBQA.

Cuenta de salida QA=LSB QD=MSB

Pulsos de entrada UP = ascendente DN=descendente 0V

5V

Figura 9.12

Indican que hubo un cambio de 0000 a 1111 ó de 1111 a 0000

Resetea la salida cuando CLR =’1’


136

El Circuito integrado 74LS192 es un contador BCD, es decir que sus 4 salidas

contarán desde el 0000(0) hasta el 1001(9) para luego regresar a 0 nuevamente, siguiendo el ciclo mostrado en la siguiente diagrama de estados:

Analice el diagrama anterior e intérprete su significado


137

CUESTIONARIO

1. ¿Qué es un display de 7 segmentos? 2. ¿Cuántos tipos de display de 7 segmentos hay? 3. ¿Para qué sirve el chip 74LS47 y con que tipo de display trabaja? 4. En los display de 7 segmentos, ¿Para qué sirven los terminales p y cm? 5. Dibuje las dos formas de conexión del display de 7 segmentos con el decodificador 74LS47

¿Cuál de estas conexiones es más simple? 6. ¿Para el display de ánodo común, los leds se encienden con ‘0’ ó con ‘1’? 7. ¿Si se desea mostrar el número 7 en un display de 7 segmentos, que leds se encenderán? 8. ¿Por qué las salidas del 74LS47 son negadas? 9. ¿Para qué sirven los pines 1,2,6 y 7 del 74LS47? 10. En nuestro laboratorio ¿Dónde conectaremos los pines de control (patillas 3, 4 y 5) de

decodificador 74LS47? 11. ¿Qué es un circuito combinacional? 12. ¿Para que sirve el chip 74LS193? 13. ¿Qué es un circuito secuencial? 14. ¿Por cuáles pines sale la cuenta en el 74LS193? 15. ¿Para qué sirve la patilla CLR del 74LS193? 16. ¿Para qué sirve la patilla LOAD del 74LS193? 17. ¿Qué diferencia hay entre el 74LS192 y el 74LS193?


138


1. Realice la conexión del display de 7 segmentos de ánodo común que se muestra en la figura 9.15, recuerde que los LEDs encienden con ‘0’. (la resistencia es de 330Ω). Utilice los interruptores lógicos del módulo para la conexión de a, b, c, d, e, f y g.

2. Se desea mostrar la letra ‘E’. ¿Qué combinación deberán tener las entradas a’, b’, c’, d’, e’, f’, g’

para formar esta letra?.

3. Conecte el display de 7 segmentos (de la parte 1) con el decodificador 74LS47 (figura 10.16.2),

recuerde que para deshabilitar los pines de control (pines 3, 4 y 5) deberá conectarlos a 5 voltios. No se olvide de conectar los pines de alimentación del chip.

74LS47

Figura 9.16

Figura 9.15


139

4. Compruebe el funcionamiento del decodificador, deberá ingresar por las entradas DCBA los

valores en binario y observe el display de 7 segmentos. Deberán mostrarse las figuras de la siguiente tabla. Luego no desarme su circuito y proceda al paso 5.

Figura 9.16.2


140

5. Implemente el circuito contador BCD de la figura siguiente, las salidas del contador binario 74LS192 deberán ser conectadas a las entradas del decodificador 74LS47. Los pulsos TTL del módulo se conectarán a la entrada UP del contador para que la cuenta sea creciente, esta señal de reloj la obtendrá del módulo de desarrollo.

6. Diseñe en proteus un contador que cuente en forma decreciente desde 99 hasta 00,

pero cuando ocurra en número 12 deberá encenderse un led. Para esto deberá usar dos circuitos contadores y deberá usar el pin TCD (borrow) del primer contador al pin DN del segundo contador.



141

Ejercicios para la casa

1) Diseñar y simular un circuito que cuente desde 45 hasta 79. 2) Diseñar y simular un circuito que cuente desde 00 hasta 79. 3) Diseñar y simular un circuito que cuente desde 00 hasta 999.



DISPLAY 7SEG-COM-ANODE

Display de 7 segmentos de ánodo

común que trabaja con el decodificador

74LS47

74LS 74LS47

Decodificador BCD a display de 7

segmentos de ánodo común

74LS 74LS193 / 74LS192

Contador Binario 74LS193.

Contador BCD

74LS192

Botón Generator DCLOCK

Generador de pulsos digitales, de este

parámetro depende la velocidad de la cuenta.

Botón

Inter.-Sheet Terminal

POWER Fuente de 5V para

circuitos digitales TTL.


142

Circuitos digitales, el teclado matricial, el convertidor BCD a decimal y otros circuitos

digitales

Temario: El teclado digital matricial de 16 teclas (4 columnas y 4 filas). El codificador 74C922. El convertidor BCD a Decimal 7442. El Contador decimal 4017 (CMOS)

En este laboratorio procedemos a implementar y analizar un circuito compuesto por un teclado digital de 16 teclas compuesto por 4 filas y 4 columnas, este elemento trabaja en conjunto con un codificador 74C922 que se encarga de convertir la tecla presionada en un dato binario de 4 bits que representa la posición de la tecla presionada. Esta información se la envía a un decodificador 74LS47 para luego visualizar el valor en un display de 7 segmentos. Notaremos que el número que se muestra en la etiqueta del teclado no coincide con el valor mostrado en el display pues lo que se muestra es la posición de la tecla. Utilizaremos este circuito para construir una llave digital que activará una salida, que se puede utilizar por ejemplo para poder abrir una puerta con una chapa eléctrica. Las aplicaciones de este tipo de circuitos son muchas dado que es una forma fácil de ingresar datos a un circuito (interfase hombre máquina).


143

OBJETIVOS

Conocer el funcionamiento del teclado matricial de 16 teclas compuesto por una matriz de 4 columnas y 4 filas.

Conocer y usar el codificador 74C922 para poder codificar la información del teclado.

Mostrar la información en el display de 7 segmentos.

Conocer y usar el contador decimal de tecnología CMOS 4017

Conocer y usar el convertidor de BCD a Decimal 7442.

Usar estos circuitos integrados en la implementación de una llave digital de 4 cifras.

MATERIALES

Punta lógica


Circuitos integrados TTL 74C922, 74LS47, 7442, 7404, 7408, 7430.

Circuitos integrados CMOS CD4075, 4017

Teclado matricial 4x4.

Resistencia de 220Ω.

Display de 7 segmentos de ánodo común.

Condensadores de 100nF y 10nF.

Teclado Matricial y codificador 74C922: Usaremos el teclado matricial compuesto por 16 teclas (4x4) en un arreglo de 4 filas y 4 columnas, lo conectaremos a un codificador 74C922 del cual se obtiene una salida de 4 bits correspondiente a la posición de la tecla presionada.

En la siguiente tabla se muestra el valor de salida del codificador cada vez que se presione una tecla.

Tecla Salida

codificada Tecla

Salida codificada

Tecla Salida

codificada Tecla

Salida codificada

1 0000 4 0100 7 1000 * 1100

2 0001 5 0101 8 1001 0 1101

3 0010 6 0110 9 1010 # 1110

A 0011 B 0111 C 1011 D 1111

8 líneas

4 líneas

Salida de 4 bits que indican

que tecla se ha presionado

74C922

Teclado matricial 4 x4 (4 filas x 4 columnas)


144

Los condensadores que se conectan a las pines 5 y 6 del codificador determinan la velocidad de la conversión. El pin 13 OE (Output Enable) sirve para habilitar o deshabilitar el chip, como es una entrada negada, entonces lo conectamos a tierra para poder habilitarlo. En pin 12 DA (Data Available) sirve para indicar que el dato fue convertido satisfactoriamente, lo conectamos a una resistencia y un led para poder visualizarlo. Las salidas son DCBA (donde D es el MSB). Los pines de alimentación son: pin 18 Vcc (5V) y 9 GND.

74C922

X4

X3

X2

X1

Y4

Y3

Y2

Y1

COLUMNAS

FILAS

0

4

8

12

1

5

9

13

2

6

10

14

3

7

11

15

A

B

C

D

LSB

MSB

13, 9

18

5

6

100nF

10nF 1

2

3

4

11

10

8

7

14 15 16 17

+5V

Salidas

codificadas

Figura 10.2 Teclado y Codificador


145

El decodificador 7447 y el display de 7 segmentos: Nos permitirán visualizar el dato de salida del codificador 74c922. Los pines de alimentación son: pin 16 Vcc (5V) y pin 8 GND. Convertidor de BCD a Decimal. El valor de la entrada BCD activará una de las salidas a ‘0’. Observar que las salidas están negadas, es decir que un ‘0’ indicará que está activa. Por ejemplo si la entrada es DCBA=0101 (D es el MSB), entonces en la salida veremos que el pin 6 (dato 5) está en ‘0’, el resto de salidas estarán en ‘1’. Los pines de alimentación son: pin 16 Vcc (5V) y pin 8 GND. Contador Decimal 4017. Es un circuito de tecnología CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), puede trabajar en un rango de voltaje más amplio que los de tecnología TTL (aproximadamente de 3V a 18V). Este contador tiene 10 salidas (Q0 a Q9), inicialmente Qo está activado (‘1’) y el resto está en ‘0’. Por cada pulso que ingresa al pin 14 (CLK) este bit activo de va desplazando, es decir, que se activará Q1 y Q0 se desactiva y así sucesivamente. El pin 13 es el ENABLE para activar o desactivar el chip. El pin 15 (MR) es el CLEAR, cuando le llega ‘1’ , las salidas van a su posición inicial. Los pines de alimentación son: pin 16 Vcc (5V) y pin 8 GND.

Figura 10.3 Decodificador y Display

Figura 10.4 Convertidor BCD a Decimal

Figura 10.5 Contador Decimal


146

Figura 10.5: Circuito de una llave digital

SUMADOR CD4075


147

PROCEDIMIENTO PARA EL LABORATORIO Proceda a SIMULAR el circuito de la figura 10.5. Utilice los módulos de teclado y de display que se le proporciona. ¿Qué función cumplen las puertas sumadoras en el circuito? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ ¿Qué función cumple la puerta 7430 en el circuito? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ Modifique el circuito para que la clave de acceso sea: 2684 y muéstrela al profesor para su calificación.


148

El Temporizador 555, el condensador y el led IR.

Temario: EL LED infrarrojo (IRED). El Temporizador 555 o Timer 555. El Condensador.

Una de las principales aplicaciones de la electrónica las tenemos en las telecomunicaciones que nos brindan las técnicas para comunicarnos entre dos puntos distantes (esta distancia es relativa, por ejemplo, hablar de 10 metros para un control remoto de un TV es bastante, pero para una comunicación por fibra óptica es muy pequeña), esta comunicación se puede dar por medio del aire (inalámbrica), por ejemplo al utilizar las ondas electromagnéticas (las comunicaciones de radio AM, FM, comunicaciones satelitales), o las señales ópticas (como las utilizadas en controles remotos). Las comunicaciones también se pueden hacer por medio de cables que puede ser de cobre (líneas telefónicas, televisión por cable), o cables de vidrio (fibra óptica en redes de computadoras). En este laboratorio implementaremos un circuito que nos servirá para realizar una comunicación digital inalámbrica (para poder enviar datos desde un punto A a un punto B utilizaremos la radiación infrarroja, para esto, primero debemos entender conceptos básicos de la luz (espectros de frecuencia) y aprenderemos a utilizar un circuito integrado muy usado en electrónica y telecomunicaciones que es el 555 (también llamado timer 555), es muy importante haber entendido los conceptos dados en semanas anteriores pues estos se aplicarán en este semana. (Nunca está demás repasar lo visto anteriormente).


149

OBJETIVOS

Conocer el funcionamiento del temporizador 555 en su configuración Astable para generar señales cuadradas de frecuencia constante y conocer las fórmulas básicas para el cálculo de los tiempos de estas señales.

Aplicar esta configuración del temporizador para generar una señal de 38kHz que se aplicará a un Led Infrarrojo, esta señal será recibida por un receptor que detectará la señal emitida por el transmisor Infrarrojo.

MATERIALES

Timer 555 (1).

Condensadores: 10nF (2), 47uF (1)

Resistencias 0.25W: 330 (3), 15 k (2), 10kΩ (1), 1kΩ(1), 100kΩ(1)

Resistencia 0.5W: 100Ω.

Transistor BC548 (1), ó 2N3904

LED verde 5mm (1)

Módulo Global.

Multímetro.

Osciloscopio.

Receptor IR 38kHz.

CONDENSADORES ELÉCTRICOS

Capacitancia es la habilidad de un componente para almacenar energía en un campo electrostático. Un Condensador o capacitor es un elemento que posee una cantidad específica de capacitancia. Un condensador está hecho de dos conductores en forma de placas de metal y separador por un aislante llamado Dieléctrico. Cuando un voltaje DC es conectado al condensador fluye una corriente hasta que se carga. El condensador se carga con un exceso de electrones en una placa (carga negativa) y una deficiencia de electrones en la otra placa (carga positiva). El dieléctrico previene que los electrones se muevan entre las placas. Una vez que el condensador se cargó, la corriente de carga se detiene. El voltaje del condensador cargado es igual al voltaje de la fuente. Un condensador cargado puede ser removido de la fuente de voltaje y usado como una fuente de energía. Sin embargo la energía que almacena el condensador no es mucha y su voltaje cae rápidamente. En un circuito DC un condensador trabaja como un circuito abierto cuando este se ha cargado. La cantidad de energía almacenada en el condensador es proporcional al tamaño del condensador. En el laboratorio se usan pequeños condensadores que no llevan mayor riesgo, sin embargo hay algunos condensadores que al ser de gran capacitancia pueden llevar a grandes descargas en el cuerpo de una persona y eso puede ser fatal. Los condensadores cargados deberán ser tratados como cualquier fuente de voltaje.

Figura 11.1


150

La unidad básica del condensador es el Faradio (F) el cual es una unidad muy grande, normalmente los valores comerciales están en el orden de los microfaradios(uF), nanofaradios(nF) ó picofaradios(pF).

Tipos de condensadores : se puede decir que hay dos tipos de

condensadores:

Condensadores que no tiene polaridad, es decir que es indiferente como de

coloquen las patillas del condensador dentro del circuito, pues sus patillas son idénticas, su símbolo se muestra en la figura 11.2 (a). Entre estos tenemos a los condensadores cerámicos, condensadores de poliéster, condensadores de mica, condensadores de polipropileno, etc.

Condensadores que sí tienen polaridad: es decir

que si es importante como se colocan las patillas del condensador, una de estas patillas deberá conectarse al menor voltaje (se lo identifica porque tiene un signo negativo) y la otra patilla que deberá conectarse al voltaje de mayor valor (se lo identifica porque tiene un signo positivo), esto es así por la característica del dieléctrico. Si se comete el error de colocarlo en forma invertida el condensador se dañará. Su símbolo es el que se muestra en la figura 11.3. Observe que hay un signo + que identifica la pata positiva. Entre estos tenemos principalmente los condensadores electrolíticos y condensadores de tantalio.

Seguidamente se muestran algunos tipos de condensadores, sus valores normales de Capacitancia y su aplicación más común, normalmente el nombre del condensador se debe al tipo de dieléctrico que lleva dentro ó al material de los electrodos:

Condensadores electrolíticos: Sí tiene polaridad. Normalmente entre 1uF y 3300 uF Los de mayor capacidad se usan en fuentes de voltaje.

Condensadores de Tantalio Sí tiene polaridad. Normalmente de 0.33uF a 10uF Para estabilizar la señales en circuitos digitales

Figura 11.4

Línea que indica la pata negativa

El signo + indica la polaridad

Figura 11.5

Figura 11.2: símbolo del

condensador sin polaridad

Figura 11.3: símbolos de condensadores con polaridad


151

Condensadores Cerámicos No tiene polaridad Normalmente en el orden de los pF y nF, no llegan a uF. Se utilizan en circuitos de alta frecuencia. Tienen impreso un código que nos dice su valor, por ejemplo: Código impreso: 103, entonces 10x10

3 pF =10nF.

Código impreso: 104, entonces 10x104 pF =100nF.

Código impreso: 33, entonces 33 pF.

Condensadores Cerámicos multicapa No tiene polaridad Normalmente en el orden de los pF y nF, no llegan a uF. Se utilizan en circuitos digitales. Tienen impreso un código que nos dice su valor similar a los cerámicos.

Condensadores de Poliester No tiene polaridad Normalmente en el orden de los pF y nF, no llegan a uF. Son baratos, poco precisos. Tienen impreso un código que nos dice su valor similar a los cerámicos.

Condensadores de Mica No tiene polaridad Normalmente en el orden de los pF Son baratos, poco precisos. Tienen impreso un código que nos dice su valor similar a los cerámicos.

Figura 11.6

Figura 11.7

Figura 11.8

Figura 11.9


152

EL LED INFRARROJO (IRED) El Led infrarrojo o simplemente LED IR o IRED, es como cualquier LED, con la característica que la luz que emite está en el rango de la radiación infrarroja, este tipo de radiación no es visible por el ojo humano y abarca normalmente longitudes de onda desde los 1mm hasta 1 cm como se puede observar en la figura 11.10

Este tipo de LED IR se utilizan mucho en las comunicaciones ópticas inalambricas, como por ejemplo en los controles remoto de los televisores, equipos de audio, etc. Pero tambien encuentran mucha aplicación en la transmisión de datos de las redes de computadoras, por ejemplo en el envio de información por una fibra òptica para las comunicaciones por Internet por ejemplo. La fibra óptica es un hilo de vidrio muy translucida. En uno de sus extremos encontramos normalmente un emisor de luz infrarroja (por ejemplo un LED IR) y en el otro extremo encontramos un receptor de luz IR, (por ejemplo un fotodiodo). Este tipo de radiación a diferencia de la luz ultravioleta (orden de 100nm) no es dañina para la persona (siempre y cuando la potencia no sea muy alta). Por otro lado existen muchos dispositivos que detectan luz infrarroja, entre ellos tenemos los fotodiodos IR que son un tipo de diodo que conduce corriente cuando le llega luz, IR, tambien tenemos los receptores de luz a 38kHz, que utilizaremos para el presente laboratorio.

RECEPTOR INFRAROJO 38kHZ Más que un dispositivo es un circuito completo que tiene interiormente un receptor de luz IR. El circuito está diseñado para detectar luz IR que oscila a 38kHz. El receptor IR de 38kHz lo encontramos en los receptores de los televisores, equipos de audio, etc, que reciben la señal proveniente del control remoto.

Figura 11.10

Figura 11.11


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Tiene tres patillas y es muy sencillo de usar, observe en la figura 11.12 que una de las patillas de los extremos se conecta a tierra, la del otro extremos se conecta a +5V y la patilla del centro es la señal de salida. En la parte superior encontramos una ventana con una rejilla, por esta recibe la señal IR. En nuestro laboratorio utilizaremos el esquema que se muestra en la figura 11.13, donde se observa que la patilla de salida (patilla central en el receptor de la figura 11.12) se conecta al cátodo de un led verde, cuyo ánodo se conecta a una resistencia de 15kΩ. Vcc se conecta a 5 voltios. A una distancia (aproximadamente 3 metros) tendremos nuestro receptor IR de 38kHz (derecha de la figura 11.13), que recibirá la señal que transmite el transmisor, podremos ver parpadear el led verde indicando que se está recibiendo la señal. Esta señal de 38 kHz que se tiene en el transmisor lo vamos a generar con un circuito integrado muy importante e interesante a la vez, es el temporizador 555 ó timer 555.

I. EL TEMPORIZADOR 555 (TIMER 555)

El temporizador 555 se introdujo en el mercado a mediados de los ‘70s con el nombre SE555/NE555 y fue llamado "The IC Time Machine" (El Circuito Integrado Máquina del Tiempo). Este circuito tiene muy diversas aplicaciones, y se usa mucho, incluso actualmente.

Incluye internamente un circuito formado por 23 transistores, 2 diodos, y 16 resistencias y viene en un empaque DIP8.

Modos de operación

El 555 tiene principalmente dos modos de operación:

1. Modo Monoestable.

2. Modo Astable

Figura 11.12

Vcc

Vcc

15k

Transmisor

38kHz

Infrarrojo

Figura 11.13

Figura 11.16: empaque DIP8, es la presentación mas

común del 555


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1. Modo Monoestable:

Sirve para generar un solo pulso cuadrado de una duración determinada por R1 y C1. Observamos que en la pata 3 del chip es la salida del pulso, el cual se iniciará cuando ingrese un pulso de disparo por el pin 2 llamado trigger (Disparo del gatillo). La pata 1 se conecta a tierra, a la pata 5 se conecta un condensador de 0,01uF (normalmente cerámico – pero no lo conectaremos para nuestro laboratorio), la pata 6 y 7 se conectan a un condensador C1 y una resistencia R1 como se muestra en la figura, la pata 8 se conecta a Vcc (que puede estar entre +5V y 15V), la pata 4 no se conecta a menos que se quiere resetear el pulso. El tiempo del pulso de salida será:

T pulso salida= 1,1 x C1 x R1

En la gráfica se muestra el pulso de disparo (pulso arriba) y el pulso de salida (pulso abajo). Para que el resultado esté en segundos, la resistencia tiene que estar en Ohmios y el condensador en Faradios.

Ejemplo: se tiene una alarma de seguridad de una casa y se tiene un sensor tipo PIR (Passive Infra Red, figura 11.9), que al detectar la presencia de un intruso genera una señal como la que se muestra en la figura 11.8 (pulso arriba), este pulso ingresa al trigger de un timer 555 en modo Monoestable (figura 11.7) que tiene los siguientes valores:

C1 = 220uF y R1 =100kΩ. La salida del Timer 555 (pata 3 del 555) se conecta a un circuito que hace sonar una sirena audible muy fuerte. Se pide determinar la duración del sonido de la sirena cuando se detecta se dispara el timer.

Solución: Reemplazamos los valores de C1 y R1 y calculamos:

T = 1.1 x 220 x10-6

x 100x103 = 24.2 segundos

Ejercicio: Si se quiere que la sirena suene 1 minuto y se utiliza C1=1000uF, ¿Que valor de resistencia se debe utilizar?

Respuesta: 54.54 kΩ

Sensor de movimiento PIR Figura11.17


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2. Modo Astable

Funciona como multivibrador que no tiene ningún estado estable, lo que significa que posee dos estados "quasi-estables" entre los que conmuta, permaneciendo en cada uno de ellos un tiempo determinado generando un tren de pulsos. La frecuencia de conmutación depende, en general, de la carga y descarga de un condensador que se conecta a la patilla 6.

Observamos que en esta configuración el chip (Timer) no tiene ninguna entrada de disparo, como si lo tenía en la configuración monoestable y tiene una salida (patilla 3), de esta sale una señal oscilatoria de forma cuadrada como se muestra en la figura. Del circuito astable de la figura, podemos ver que hay tres componentes que se puede variar y son: dos resistencias R1 y R2 y un condensador C1. El tiempo T1 (tiempo en que la señal está en nivel alto) y el tiempo T2 (tiempo en que la señal está en nivel bajo) se pueden calcular como sigue:

T1=0,693 (R1+R2).C1

T2=0,693. R2.C1 A partir de estas dos ecuaciones, podemos hallar el periodo, la frecuencia y el ciclo de trabajo de la señal de salida:

Periodo T = T1+T2 = 0.693.(2.R2+R1).C1

y la frecuencia será 1/T. HzCRR

f1).12.2.(693,0

1

el ciclo de trabajo ó Duty Cycle será:

Ejemplo: se tiene un timer en la configuración astable, si los valores para las resistencias son: R1=1kΩ, R2=1kΩ y C1=10uF, hallar: el periodo de la señal, la frecuencia y el ciclo de trabajo.

Solución: Primero calculamos T1 y T2: T1 = 0,693 x (1000 + 1000) x 10 x 10

-6 = 0,01386 segundos =13,86 mseg.

T2 = 0,693 x (1000) x 10 x 10-6

= 0.00693 segundos = 6,93 mseg. Entones T = 13,86 mseg + 6,93 mseg = 20,8 mseg

%10012.2

21

1)122(693,0

1)21(693,0

21

11x

RR

RR

CRR

CRR

TT

T

T

TjoCicloTraba


156

Luego f = 1/T = 48,08 Hz Ciclo de trabajo = 66,67%

CUESTIONARIO

1. ¿Qué es un capacitor ó condensador? 2. ¿Qué es un dieléctrico? 3. ¿Qué unidades de medida tiene los condensadores y qué rangos de valores son los más

usuales? 4. Dibuje el símbolo de un condensador que no tiene polaridad. 5. Dibuje los símbolos los condensadores tienen polaridad. 6. ¿De qué depende que un condensador tenga polaridad o no? 7. ¿Qué es la fibra óptica? ¿Qué tipo de luz se utiliza para enviar información por este medio? 8. ¿El receptor que usaremos en el laboratorio que frecuencias de luz infrarroja detecta? 9. ¿Cuáles son los modos de operación de un Timer 555? 10. ¿Qué tipo de señal se genera en una configuración monoestable del 555 y en qué momento

se emite esta señal? ¿Qué duración tiene esta señal de salida del Timer 555? 11. ¿Qué tipo de señal se emite de una configuración Astable, cuánto es el periodo de la señal? 12. ¿De qué parámetros dependen los tiempos en un Timer 555 en configuración monoestable y

astable?

13. Se desea obtener una señal cuadrada de periodo T = 1seg que se usará para un reloj, con un ciclo de trabajo de 80%, además se cuenta con un condensador de 100uF, determinar los valores de las resistencias R1 y R2. Respuesta: R1=8.66kΩ, R2=2.886kΩ.

14. La salida de un Timer astable con R1=1kΩ, R2=1.4kΩ y C1=10nF ingresa a una puerta lógica AND (como de muestra la siguiente figura), por la otra entrada de la puerta AND ingresa una trama de bits 10011010 que se desea transmitir, la trama de bits a una velocidad de 1kbps. Dibuje la señal de salida de la puerta AND.


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1. Arme un Timer en modo Monoestable, el pulso de disparo DEBERÁ SER UN FLANCO DE BAJADA QUE LUEGO DEBERÁ REGRESAR INMEDIATAMENTE A SU POSICIÓN EN NIVEL ALTO, este pulso lo obtendrá de los interruptores del módulo. Para poder ver el pulso de salida, conectará una resistencia (330Ω) y luego un LED. La salida (pin 3) del timer deberá visualizarlo en el canal 1 del osciloscopio. Utilice los siguientes valores: R1=100kΩ y C1=47uF (electrolítico), Vcc = 5V

Calcule teóricamente el pulso Tpulso=……………..

Use los cursores de tiempo del osciloscopio para medir el tiempo del pulso de salida:

Tpulso(medido):……………..

330

330

+ 47uF

100kΩ ‘1’


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2. Arme un timer en modo Astable. Para ver la salida, conectará el pin 3 a una resistencia (330Ω) y luego a un LED. Utilice los siguientes valores: R1=330Ω, R2=330Ω, C1=47uF. Vcc=5V

3. No desarme su circuito, cambie los valores de los componentes a R1=15kΩ, R2=15kΩ,

C1=47uF, llene la tabla y dibuje la onda, luego anote sus observaciones:

1

CH1: 1 V M 500mseg


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4. Procedemos a implementar un circuito que transmita una señal infrarroja a 38 kHz, para esto utilizamos un LED IR en la salida, se conecta un transistor para aumentar la corriente que circula por el LED IR y pueda ‘brillar más’. El voltaje utilizado para el timer como para el LED IR es Vcc=5V. Tener en cuenta que la resistencia de 100Ω debe ser de 0.5W pues se calentará.

Utilice para R1=1kΩ, C1=10nF=0,01uF (Cerámico), y el valor de R2 lo obtendrá al variar la resistencia del potenciómetro (use la de 10kΩ del módulo )hasta que la señal de salida sea de 38kHz aproximadamente.

Use el osciloscopio para verificar que la señal de salida está saliendo por la pata 3 del 555. Ajuste el potenciómetro hasta lograr la frecuencia de salida deseada. (38kHz).

En otra mesa se ha implementado el receptor infrarrojo, apunte el LED IR en la dirección del receptor IR de 38kHz y observe el LED del receptor que comienza a parpadear. Indique una aplicación del circuito. ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………



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Para la Casa: 1.- Realice la simulación del siguiente circuito: Temporizador 555 en configuración Astable.

NOTA: R(out) debe estar configurada como resistencia digital, mientras que R1 debe estar como resistencia analógica. 2.- Realice la simulación del circuito de un temporizador en configuración monoestable del laboratorio. 3.- Realice la simulación del circuito modulador digital. Lista de componentes utilizados en la simulación:



ANALOG NE555 Temporizador 555,

circuito integrado de 8 pines

DEVICE CAP-ELEC Condensador

electrolítico con polaridad

ACTIVE LED-RED Diodo LED ROJO


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Desarrollo de un Proyecto final de Hardware a

presentarse la semana 15

El proyecto del laboratorio tiene por objetivo poner en práctica los conocimientos adquiridos por el alumno durante el curso. El proyecto consta de un hardware digital, analógico o combinado que será armado en protoboard por el alumno y presentado al profesor funcionando adecuadamente y a la vez deberá presentar un informe, según las especificaciones que se le indique. La presentación del proyecto es en forma individual (a menos que amerite la presentación en grupos de dos integrantes) y que cuente con la aprobación del profesor. En la semana 15 durante la sesión del laboratorio, cada alumno dispondrá de un breve tiempo que el profesor le indique para que exponga su proyecto a todos sus compañeros. Cada alumno escogerá su proyecto (previa aprobación del profesor) La nota del proyecto se determinará según los siguientes criterios:

(30%) Funcionamiento correcto del circuito. o El circuito deberá funcionar correctamente según se propuso en el

objetivo del proyecto

(15%) Complejidad del circuito. o El alumno deberá mostrar dominio en todos los aspectos del

circuito. o Se recomienda aplicar los componentes utilizados en el curso.

(15%) Orden en la presentación del hardware. o Orden en el cableado. o Orden en la disposición de los componentes. o Si el caso lo requiera deberá usar una maqueta para demostrar el funcionamiento del

circuito.

(20%) Claridad y orden en la exposición. o Deberá ser con vestimenta formal.


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o Deberá usar presentaciones PPT u otro formato de presentación en computadora. o Deberá demostrar dominio del tema expuesto.

(20%) Informe del proyecto impreso. o El informe deberá contener:

Carátula: indicando curso, nombre del proyecto, integrante, fecha, ciclo y otra información que el alumno considere relevante.

Introducción: el proyecto deberá apuntar a solucionar un problema detectado por el alumno. En esta parte el alumno realizará una justificación de la razón del proyecto.

Desarrollo del proyecto. El alumno mostrará mediciones, diagramas, fotos, u otro tipo de gráficas o información para ayudar a explicar su proyecto en forma clara. Cada gráfico requiere de explicación.

Conclusiones y observaciones.


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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1) ‘How Computers Work’, Ron White, eighth Edition, editorial QUE (004.16 WHIT 2006) 2) ‘How the Internet Work’, Preston Gralla, seven Edition, editorial QUE (004.678 GRAL

2004). 3) ‘Circuitos Eléctricos’, Richard C. Dorf, Sexta Edición, Editorial ALFAOMEGA (621.3815

DORF 2006). 4) ‘Circuitos Eléctricos’, James Nilsson, Sexta Edición, Editorial PEARSON (621.3815 NILS

2001). 5) ‘Mis inicios en Electrónica’, Mims, Forrest M,Editorial McGraw-Hill (621.381 MIMS) 6) ‘Introduction to electronics’, Gates 6ta edition, editorial Thomson (621.381 GATE)

Documents

Laboratorio de Introducción a la Electrónica 2013