UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE BAHÍA DE BANDERAS
MANUAL DE ASIGNATURA
PROGRAMA EDUCATIVO TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN MANTENIMIENTO
ASIGNATURA ELECTRÓNICA ANALÓGICA ELECTRÓNICA ANALÓGICA
AUTORES ING. VÍCTOR MESSINA LÓPEZ
FECHA DE ELABORACIÓN AGOSTO DEL 2010
U NI VE RS ID AD TE CN OL
G I C A D E B AH A DE B AN D ER AS
ORGANISMO PÚBLICO DESCENTRALIZADO DESCENTRALIZADO DEL GOBIERNO GO BIERNO DEL ESTADO DE NAYARIT Boulevard Nayarit Nayarit No. 65 Poniente, Poniente, Nuevo Vallarta, Vallarta, Nayarit, C.P. 63735
ELECTRÓNICA ANALÓGICA ELECTRÓNICA ANALÓGICA TSU. EN MANTENIMIENTO
ÍNDICE ÍNDICE ............................................................... .............................. .................................................................. ..................................... .... 1 1. INTRODUCCIÓN ............................................................... .............................. ...................................................... ..................... 3 UNIDAD TEMÁTICA I. DIODOS ............................................................. ..................................................................... ........ 5 Tema 1.1. DIODOS RECTIFICADORES................................................. ........................................................ ....... 5 TEMA 1.2. RECTIFICACIÓN.................................................. .......................................................................... ........................ 5 TEMA I.3. DIODOS ESPECIALES (ZENER Y LED) ...................................... 6 TEMA I. 4. FUENTES DE TENSIÓN DE CORRIENTE DIRECTA (CD). ........ 6 Práctica No. 1 ................................. ......................................................... .................................................. ................................... ......... 15 Práctica No. 2 ................................. ......................................................... .................................................. ................................... ......... 21 Práctica No. 3 ................................. ......................................................... .................................................. ................................... ......... 27 UNIDAD TEMÁTICA II. TRANSISTORES .................................................... .................................................... 28 TEMA II.1. TRANSISTORES BIPOLARES B IPOLARES .................................................. .................................................. 28 TEMA II.2. AMPLIFICACIÓN.................................................. ........................................................................ ...................... 28 TEMAS II.3. CONMUTACIÓN ............................... ........................................................ ....................................... .............. 29 TEMAS II.4. FALLAS EN CIRCUITOS CON TRANSISTORES BIPOLARES ................................................. .......................................................................... ................................................... ........................................... ................. 29 II.1. TRANSISTORES BIPOLARES TBJ .......................... .................................................... ............................... ..... 30 UNIDAD TEMÁTICA III. TIRISTORES..................................... .......................................................... ..................... 43 TEMA III.1. RECTIFICADORES CONTROLADOS DE SILICIO (SCR) .......... 43 TEMA III.2. DIACS ................................................ .......................................................................... ....................................... ............. 44 TEMA III.3. TRIACS ............................................................... ..................................................................................... ...................... 44 TEMA III.4. OPTOACOPLADORES ................................... ........................................................... .......................... .. 44 Práctica No. 4 ................................. ......................................................... .................................................. ................................... ......... 48 UNIDAD TEMÁTICA IV. AMPLIFICADORES OPERACIONALES ............... ............... 62 TEMA IV.1. AMPLIFICADORES OPERACIONALES ................................... ................................... 62 tema iv.2 configuraciones lineales.................................................. ................................................................ .............. 63 TEMA IV.3. CONFIGURACIONES NO LINEALES ...................................... ...................................... 63
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ELECTRÓNICA ANALÓGICA ELECTRÓNICA ANALÓGICA TSU. EN MANTENIMIENTO
Práctica No. 5 ................................. ......................................................... .................................................. ................................... ......... 70
3. PROYECTO DE LA ASIGNATURA ........................................................... ............................. .............................. 71 4. INSTRUMENTOS ................................ ......................... 72 NSTRUMENTOS DE EVALUACIÓN ......................................................... 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................... ................................. ......................... 74 5. ANEXOS .............................................................. .............................. .............................................................. .............................. 75
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1. INTRODUCCIÓN OBJETIVO El alumno construirá dispositivos electrónicos analógicos básicos utilizados en equipos industriales y comerciales, mediante el empleo de componentes electrónicos, para conservar la operación de los procesos COMPETENCIA Gestionar las actividades de mantenimiento mediante la integración del plan maestro, para garantizar la operación y contribuir a la productividad de la organización. La electricidad y la electrónica son disciplinas íntimamente unidas entre si. La electricidad, se encarga del estudio, generación, y distribución de la energía eléctrica, así como de sus operadores y receptores asociados entre si, que la transforman en un elemento útil. Por otra parte, la electrónica es la rama de la física aplicada que estudia la construcción y diseño de circuitos que permiten generar, modificar y manipular una señal eléctrica. Las operaciones que llevan a cabo los circuitos electrónicos consisten en aumentar o atenuar una señal (amplificación y atenuación), forzar el sentido de circulación de la carga eléctrica (rectificación) o dejar pasar únicamente aquellas señales u ondas eléctricas de determinada frecuencia (filtrado). Los circuitos electrónicos pueden clasificarse en analógicos y digitales, (el estudio en este curso será solamente analógico), según se trate de circuitos que permiten el tratamiento de una señal analógica o digital. Una señal es analógica cuando puede tomar cualquier valor en el tiempo dentro del rango permitido, y digital (multivaluada) cuando varía en el tiempo a intervalos concretos. Sin embargo, cuando únicamente puede tomar dos valores, se denomina digital binaria.
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En la actualidad, muchos de los aparatos y dispositivos que utilizamos a diario contienen circuitos electrónicos digitales (computadoras, teléfonos celulares, DVD…etc). El funcionamiento de cualquier circuito electrónico, sólo puede
explicarse a partir del conocimiento del funcionamiento y características de cada uno de los componentes interconectados que lo integran. Estos se pueden clasificar en dos grupos: componentes pasivos y componentes activos. Tanto unos como otros se fabrican, generalmente normalizados, es decir, con parámetros o valores y características determinadas. Los componentes electrónicos pasivos no generan ni amplifican por si mismos señales eléctricas. Se comportan como receptores que pueden compensar o ajustar una señal eléctrica en un circuito. Los componentes pasivos incluidos habitualmente en los circuitos electrónicos son las resistencias, capacitores y las bobinas. Por otra parte los componentes electrónicos activos pueden generar, modificar y amplificar el valor de una señal eléctrica. Son componentes activos las baterías, generadores, los diodos y los transistores. En general en todo sistema electrónico podemos encontrar tres tipos de elementos: los dispositivos de entrada (interruptores, resistencias variables con la luz, con la temperatura, etc, los dispositivos de salida (diodos led, relés, zumbadores….), y los dispositivos de control o proceso, q ue son los componentes
capaces de realizar por si mismos una función concreta de control sobre las señales de salida en función de la señal de entrada recibida (transistores, circuitos integrados, etc).
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UNIDAD TEMÁTICA I.
DIODOS
OBJETIVO: El alumno construirá fuentes de tensión reguladas, mediante el empleo
de diodos rectificadores y
reguladores de tensión, para mantener en
operación los equipos industriales. RESULTADO
DE APRENDIZAJE :
Construirá fuentes de tensión reguladas fijas y
variables con circuitos integrados, acompañadas de un reporte que incluya mediciones, diagramas de conexión y diagnóstico de los parámetros eléctricos de éstas. TEMA 1.1. DIODOS RECTIFICADORES SABER: Describir las características de los diodos semiconductores de uso común
en la industria. Expresar las características, parámetros e implementación de circuitos en serie y paralelo de los diodos en CD. SABER HACER : Interpretar en una hoja de datos los parámetros eléctricos del diodo rectificador. Construir circuitos considerando polarización inversa, directa, diodo ideal y aproximaciones del diodo. Ser: Ordenado, Ético, Analítico, Observador, Proactivo. TEMA 1.2. RECTIFICACIÓN
Describir las características, parámetros y aplicaciones de los rectificadores de tensión de media onda. Describir las características, parámetros y aplicaciones de los rectificadores de tensión de onda completa. Sabe hacer: Construir y poner en funcionamiento rectificadores de media onda. Saber:
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Construir y poner en funcionamiento rectificadores de onda completa con dos diodos y puente rectificador. Ser: Ordenado, Ético, Analítico, Observador, Proactivo TEMA I.3. DIODOS ESPECIALES (ZENER Y LED) Saber: Describir las características, parámetros y aplicaciones de los diodos zener.
Describir las características, parámetros y aplicaciones de los diodos emisores de luz. Saber hacer: Construir y poner en funcionamiento circuitos que involucren diodos zener en aplicaciones de regulación de tensión. Resolver circuitos que permitan determinar la resistencia limitadora del diodo emisor de luz. Ser : Ordenado, Ético, Analítico, Observador, Proactivo: TEMA I. 4. FUENTES DE TENSIÓN DE CORRIENTE DIRECTA (CD). Saber : Describir las características, parámetros y aplicaciones de las fuentes de
tensión no reguladas. Describir las características, parámetros y aplicaciones de las fuentes de tensión reguladas. Saber hacer: Desarrollar y poner en funcionamiento fuentes no reguladas de tensión. Desarrollar y poner en funcionamiento fuentes reguladas de tensión, tanto fijas como variables con circuitos integrados reguladores de tensión. Ser: Ordenado, Ético, Analítico, Observador, Proactivo
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I. DIODOS I.1. DIODOS RECTIFICADORES EL DIODO IDEAL. Uno de los dispositivos electrónicos más sencillos que existen, pero no menos importante es el diodo. Sus características son muy similares a las de un interruptor sencillo y este, aparece en una amplia cantidad de aplicaciones, que van desde las mas sencillas a configuraciones realmente complejas. Para analizar la construcción y las características de un dispositivo real, es preciso considerar al diodo como un elemento ideal, lo cual nos ofrecerá, una base de comparación efectiva. El diodo ideal es un dispositivo de dos terminales, con el símbolo y características de operación que se muestran en la figura 1.1.
+
VD
+ ID +
-
VD
-
ID
+ 0
VD -
a) Símbolo
+
b) Características
Figura 1.1. a) Símbolo del diodo, b) características de conducción.
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-
VD
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Las características d e un dio do id eal son aqu ellas de un int errup tor q ue puede cond ucir corriente en una sola dirección.
VD
+
ID
-
Corto circuito
ID (Limitado por el circuito) a) VD
-
0 Circuito abierto
+
ID = 0
b)
a) Figura 1.2. a) Estado de conducción, b) No conducción del diodo ideal según esta determinado por la polarización aplicada.
MATERIALES SEMICONDUCTORES Un material semiconductor se suele aplicar a un rango de niveles situado a la mitad, entre dos límites.
C o n d u c t o r : Material que soporte un flujo generoso de carga, cuando una
fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a través de sus terminales.
Aislante: Material que ofrece un nivel muy bajo de conductividad bajo la
presión de una fuente de voltaje aplicada.
S e m i c o n d u c t o r : Es un material que posee un nivel de conductividad sobre
algún punto entre los extremos de un aislante y un conductor.
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VD
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De manera inversa, y relacionada con la conductividad de un material, se encuentra su resistencia al flujo de carga o corriente. Esto es, mientras mas alto es el nivel de conductividad, menor es el nivel de resistencia. En las tablas, el termino resistividad ( ρ, la letra griega rho) se utiliza a menudo para comparar los niveles de resistencia de los materiales. En unidades métricas, la resistividad de un material se mide en Ω – cm, o en Ω – m. las unidades Ω -cm se derivan de la
sustitución de las unidades para cada cantidad de la figura 1.2, en la siguiente ecuación. R
ρ l
R = ____ A
ρ 1 cm
Fig 1.3. Definición de las unidades de Donde:
resistividad
RA
ρ=
l
=
(Ω) (cm)
cm
Ω-cm
DIODO SEMICONDUCTOR El diodo al ser un dispositivo de dos terminales, la aplicación de un voltaje a través de sus terminales permite tres posibilidades; sin polarización, polarización directa y sin po larización .
Sin polarización aplicada ( VD = 0 V )
En ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo neto de la carga en cualquier dirección para un diodo semiconductor es cero.
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+
VD = 0v ID = 0 mA
Figura 1.4. Diodo sin polarización
Polarización inversa ( VD < 0V )
A la corriente que existe bajo las condiciones de polarización inversa se le llama corriente de saturación inversa, y se representa mediante Is
VD
+
Is
-
+
Figura 1.5. Diodo con polarización inversa.
Polarización directa ( VD > 0V )
Un diodo semiconductor tiene polarización directa cuando se ha establecido la asociación tipo p y tipo n y negativo.
+
VD
-
ID
+
Figura 1.6. Diodo con polarización directa.
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-
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Silicio en función del Germanio Los valores del silicio, en función de la corriente y temperatura son mas altos que los del germanio, y para los primeros, los niveles de voltaje pueden encontrarse en el orden de los 1000 V, mientras que los segundos cerca de los 400V. VT = 0.7 (Si) VT = 0.3 (Ge)
Figura
1.7.
Grafica
Silicio
VS
Germanio
CONFIGURACIONES DE DIODOS EN SERIE CON ENTRADA DE DC En general un diodo esta en estado “encendido” si la corriente establecida por las
fuentes aplicadas es tal que su dirección concuerda con la flecha del símbolo del diodo, y VD ≥ 0.7 V para el silicio y VD ≥ 0.3 V para el germanio.
VD = VT VR = E - VT VR ID = IR =
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EJEMPLO 1. Para la configuración de diodos en serie de la siguiente figura, determine VD, VR e IR VD = 0.7 V VR = E – VD = 8 V – 0.7 = 7.3 V ID = IR = VR / R = 7.3 V / 2.2 K Ω 3.32mA
Figura 1.8. Diodo en serie con una resistencia
EJEMPLO 2. Repetir el ejercicio anterior con el diodo invertido
E – VD – VR = 0 VD = E – VR = 8 – 0 = 8V
Figura 1.9. Diodo invertido en serie con una resistencia.
EJEMPLO 3. Para la configuración de diodos en serie de la siguiente figura, determinar VD, VR e ID ID = 0A VR = I RR = IDR = (0A) 1.2 KΩ = 0V VD = E = 0.5V Figura 1.10. Diodo invertido en serie con una resistencia sin olarización.
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EJEMPLO 4. Determinar Vo e ID, para el circuito en serie de la siguiente figura. Vo = E – VT1 – VT2 = 12V – 0.7V – 0.3V = 11V ID = IR = VR / R = Vo / R = 11 / 5.6 KΩ 1.96mA
Figura 1.11. Configuración de dos diodos en serie con una resistencia y Vo. EJEMPLO 5. Determinar ID, VD y Vo para el siguiente circuito Vo = IRR = IDR = (0A)R = 0V VD2 = circuito abierto = E = 12V E – VD1 – VD2 – Vo = 0 VD2 = E – VD1 – Vo = 12 – 0 -0 = 12v Vo = 0V Figura 1.12. Configuración de dos diodos invertidos en serie con una resistencia y Vo. EJEMPLO 6. Determinar I, V 1, V2 Y Vo, para la configuración de dc en serie del sig. Circuito. I = E1 + E2 – VD / R1 + R2 = 10 + 5 – 0.7 / 4.7K + 2.2K = 14.3/6.9 K Ω = 2.07mA y los voltajes son : V1 = IR1 = 2.07 (4.7 KΩ) = 9.73 V V2 = IR2 = 2.07 (2.2 KΩ) = 4.55 V -E2 + V2 – Vo = 0 Vo = V2 – E2 = 4.55 – 5 = -.45V
Figura 1.13. Configuración de un diodo en serie con una resistencia y dos fuentes de alimentación Vo.
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CONFIGURACIONES EN PARALELO Y SERIE – PARALELO EJEMPLO 7. Determinar Vo, I 1, ID1 e ID2 para la configuración de diodos en paralelo de la sig. Figura.
I1 = VR / R = E – VD / R = =10 – 0.7 / 0.33 K Ω = 28.18mA ID1 = ID2 = I1 / 2 = 28.18 mA / 2 = 14.09mA Figura 1.14. Configuración de dos diodos en paralelo con una resistencia. EJEMPLO 8. Determinar la corriente I para la red de la figura.
I = E1 – E2 – VD / R = 20 – 4 - .07 / 2.2 K Ω = 6.95 mA Figura 1.15. Configuración de dos diodos en paralelo con una resistencia y dos fuentes de alimentación.
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PRÁCTICA NO. 1 NOMBRE DE LA PRÁCTICA: UNIDAD TEMÁTICA: TEMA: OBJETIVO DE LA PRÁCTICA :
DIODOS EN SERIE Y PARALELO I. DIODOS I. DIODOS RECTIFICADORES Que el alumno conozca y realice circuitos electrónicos con diodos en su configuración en serie y paralelo. 2 horas FECHA:
TIEMPO DE LA PRÁCTICA: DESCRIPCIÓN: Realizar la simulación y la práctica de las siguientes configuraciones de diodos, observando su funcionamiento y sus parámetros de voltaje y corrientes correspondientes. MATERIALES Y EQUIPOS: Software Electronic Workbench o de simulación de ctos. electrónicos Protoboard Diodos serie 1N4002-4003 Multímetro Osciloscopio Herramienta para electrónica PROCEDIMIENTO: 1. Realice los problemas en Electronic workbench que se muestran en las figuras, desde el 1.8 hasta el 2.5. 2. Realice los problemas utilizando una tableta protoboard, que se muestran en las figuras, desde el 1.8 hasta el 2.5. 3. en cada una de los ejercicios, se tendrá que obtener las mediciones eléctricas correspondientes. RESULTADOS Y ANÁLISIS: El análisis sobre este tipo de componente electrónica, se basa en su estructura de material semiconductor, además de corroborar su funcionamiento dentro de la electrónica actual. CONCLUSIÓN Con esta practica, se pretende analizar el principio de conversión de la corriente alterna a directa. CUESTIONARIO 1. Investiga en libros e Internet, que otros tipos de diodos existen y sus aplicaciones REFERENCIAS 9
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I.2. RECTIFICACIÓN ENTRADAS SENOIDALES; RECTIFICACIÓN DE MEDIA ONDA Ahora el análisis se ampliara para incluir las funciones variables en el tiempo, tales como la forma de onda senoidal y la onda cuadrada. La red mas simple que se examinara con una señal variable en el tiempo aparece en la siguiente figura.
Figura 1.16. Rectificador de media onda. Durante el primer semi-ciclo de la corriente alterna que es en el periodo T → T/2, el diodo rectificador solo deja pasar al pulso positivo de la onda senoidal, con lo cual, al invertir su polaridad, el diodo se comporta como un circuito abierto y no permite pasar el ciclo correspondiente a T/2 → T, que es el semi -ciclo negativo en este caso solo los pulsos positivos cumpliendo con la rectificación de media onda. Como se muestra a continuación en la figura.
Figura 1.17. Región de conducción (0 → T/2)
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Figura 1.18. Región de no conducción (T/2 → T)
Figura 1.19. Señal rectificada de media onda.
De esta última imagen tenemos que la señal de salida Vo tiene un área neta positiva arriba del eje sobre un periodo completo, y un valor promedio determinado por:
Vdc = 0.318Vm Con esto se tiene, que al proceso de eliminación de la mitad de la señal de entrada para establecer un nivel de d.c. se le llama rectificación de media onda .
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EJEMPLO DE RECTIFICACIÓN DE MEDIA ONDA. a) Dibujar la salida Vo y determinar el nivel de dc de la salida de la sig. Fig. b) Repetir el inciso a, si el diodo ideal es reemplazado por un diodo de silicio c) Repetir los incisos a y b, si Vm se incrementa a 200V
Figura 1.20. Voltaje de entrada y circuito SOLUCIÓN: a) en este caso, la configuración del diodo nos dice que solo conducirá la parte negativa, el cual, para el periodo completo el nivel de d.c. es: Vdc = -0.318 (Vm) = -0.318 (20V) = -6.36V El signo menos nos indica la polaridad de salida. b) Cambiando el diodo ideal por uno de silicio tendremos: Vdc -0.318 (Vm – VT) = -0.318(20 – 0.7V) = -0.318 (19.3V) = -6.14V c) Para el incremento de 20 a 200V, tendremos: Ideal:
Vdc -0.318 (200V) = -0.318 (200V) = -63.6V
Silicio:
Vdc -0.318 (200-0.7V) = -0.318 (199.3V) = -63.38V
El nivel que se desea a partir de una entrada senoidal, se puede depurar al 100% si se utiliza un proceso llamado rectificación de onda completa . La forma mas común de realizarlo se muestra en la siguiente figura.
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Figura 1.21. Puente rectificador de onda completa.
Figura 1.22. Trayectoria de conducción para la región positivas de vi.
Figura 1.23. Trayectoria de conducción para la región negativa de vi.
Vdc = 0.636Vm
Figura 1.24. Formas de onda de entrada y salida para un rectificador de onda completa.
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Debido a que el área arriba del eje para un ciclo completo es ahora del doble vs la obtenida en un sistema de media onda, el nivel de d.c. también se duplica.
Vdc = 0.636Vm
TRANSFORMADOR CON DERIVACIÓN CENTRAL (TAP CENTRAL) Otro rectificador popular de onda completa se muestra a continuación, pero a diferencia del rectificado pasado, este solo requiere de dos diodos en lugar de cuatro, pero requiere de un transformador con derivación central (CT, por sus iniciales en ingles de Center Tapped).
Figura 1.25. Transformador de onda completa con derivación central (Tap Central)
Figura 1.26. Condiciones para la región positiva de Vi.
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PRÁCTICA NO. 2 NOMBRE DE LA PRÁCTICA: UNIDAD TEMÁTICA: TEMA: OBJETIVO DE LA PRÁCTICA :
RECTIFICACIÓN DE MEDIA ONDA Y DE ONDA COMPLETA I. DIODOS I. DIODOS RECTIFICADORES Que el alumno conozca y realice circuitos electrónicos de rectificación de media onda, y de onda completa. 2 horas FECHA:
TIEMPO DE LA PRÁCTICA: DESCRIPCIÓN: Realizar la simulación y la práctica de las siguientes configuraciones de diodos rectificadores de media onda, y de onda completa mostradas en las figuras 3.0 y 3.1.. MATERIALES Y EQUIPOS: Software Electronic Workbench o de simulación de ctos. electrónicos Protoboard 4. Diodos serie 1N4002 al 4003 1.- Transformador con Tap central, 12+, 12-, 3 1 – 1.- Capacitor electrolítico 4700 f, y 100nf Multímetro Osciloscopio Herramienta para electrónica PROCEDIMIENTO: Colocar los diodos, según su configuración de las figuras mostradas. RESULTADOS Y ANÁLISIS: Analizar los procedimientos de rectificación de media onda, y de onda completa de los diodos rectificadores. CONCLUSIÓN Con esta práctica se conocerá la etapa de rectificación, tanto de media onda, como de onda completa, y su utilización e importancia en la electrónica. CUESTIONARIO 1.- ¿Cual de las dos formas de rectificación es la que se utiliza en la mayoría de los aparatos electrónicos que usted conoce.¿ 2.- ¿Mencione una aplicación de los rectificadores de media onda¿ REFERENCIAS Electrónica: teoría de circuitos
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I.3. DIODOS ESPECIALES (Zener y LEDs) DIODOS ZENER Cuando existe una polarización inversa denotada como Vz, revela que la corriente en la región Zener tiene una dirección opuesta a aquella de un diodo con polarización directa. Figura 1.27. Región Zener
Esta región cuya características es única se emplea en el diseño de este tipo de diodos, los cuales tienen un símbolo grafico que aparece en la siguiente figura, así, tanto el diodo semiconductor como el Zener se presenta uno al lado del otro para con el objeto de asegurar que la dirección de la conducción se comprenda.
Figura 1.28. Dirección de la conducción a) diodo Zener, b) diodo semiconductor
(a)
(b)
El circuito equivalente completo del diodo Zener en la región Zener, incluye una pequeña resistencia dinámica y una batería igual al potencial Zener, como se muestra en la siguiente figura.
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(a)
(b)
Figura 1.29. Circuito equivalente de Zener: a) completo; b) aproximado
DIODOS EMISORES DE LUZ (LED) En la actualidad, estos dispositivos que emiten luz cuando se polarizan en forma apropiada son de un uso amplio y variado. Los dos tipos que se utilizan con mayor frecuencia son, el diodo emisor de luz (LED, por las iniciales en ingles: Light emitting Diode) y la pantalla de cristal liquido (LCD, por las iniciales en ingles: liquid cristal display) Como lo indica su nombre, el diodo emisor de luz (LED) es un diodo con todas sus características el cual emite luz visible cuando se polariza. A l p r o c e s o d e em isión de l uz m edian te la ap licac ión d e un a fu ente de en erg ía elé ctr ica s e le llama electrolum iniscencia.
Figura 1.30. Símbolo grafico
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I.4. FUENTES DE TENSIÓN DE CORRIENTE DIRECTA (CD) PARTES QUE INTEGRAN UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN. La operación principal de una fuente de alimentación es convertir la corriente alterna en una directa con la mayor estabilidad posible y para ello, se requieren diseñar o construir las siguientes etapas. Entrada de la red
Salida c.d
Eléctrica c.a Transformador
Rectificador
Filtro
1)
2)
3)
Regulador 4)
La etapa 1 y 2 ya las hemos estudiado y analizado con anterioridad, por lo que nos corresponde analizar las etapas 3 y 4 de las fuentes de alimentación. Etapa 3, El Filtro: Cuando la tensión de la carga aumenta de cero a un nivel pico, el cual, vuelve a caer a cero nuevamente no es precisamente lo que la mayoría de los equipos electrónicos requiere. Lo que se requiere es una tensión constante, parecida a la que entrega una batería, con lo cual, para obtener este tipo de tensión rectificada en la carga se necesita el empleo de un filtro. El mas común de los filtros es el capacitor en la entrada, que sin embrago en algunos casos puede que no sea suficiente y se tendrá que utilizar algunos componentes adicionales. Este filtro mostrado en la siguiente figura 4.1. es el más usado y basta con conectar un capacitor en paralelo con la carga (RL)
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Figura 1.31. Circuito con un diodo y un capacitor como filtro Etapa 4, El Regulador: los reguladores de tensión son elementos que se encargan de reducir el rizado y proporcionar un voltaje a la salida lo mas estable posible. Los más comunes de estos dispositivos son los circuitos integrados encapsulados de tres terminales, que son de bajo costo y de una operación bastante aceptable. En la figura 1.32. Se muestra una fuente de alimentación variable con uno de estos reguladores:
LM350 de tres terminales.
Figura 1.32. Etapa de regulación con el regulador LM350K.
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Los tipos de reguladores que se suelen usar son: -
Reguladores de la serie 78XX:
-
Regulador ajustable LM350K
Etapa 5: Acoplamiento de etapas: en esta parte se acoplan todas las etapas para concretar la fuente de alimentación variable. Cabe mencionar que para un correcto funcionamiento de este dispositivo, es necesario ir paso a paso, chocando y corrigiendo los valores y analizando los errores que de ella puedan emanar. En la figura 4.3. Se muestra el diagrama final de una fuente de alimentación, la cual tendrá en su salida, una variación de voltaje de entre 1.4 v, hasta 30 v, entregando una corriente de 2 amperes.
Figura 1.33. Fuente de alimentación variable con regulador de voltaje LM350K
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PRÁCTICA NO. 3 NOMBRE DE LA PRÁCTICA: UNIDAD TEMÁTICA: TEMA: OBJETIVO DE LA PRÁCTICA :
FUENTE DE ALIMENTACIÓN VARIABLE I. DIODOS Fuentes de tensión de corriente directa (cd) Que el alumno construya una fuente de alimentación variable, empleando diodos rectificadores, filtros y reguladores de tensión. 6 horas FECHA:
TIEMPO DE LA PRÁCTICA: DESCRIPCIÓN: Realizar una fuente de alimentación variable, que vaya desde los 2 volts, hasta los 30, entregando aproximadamente 2 amperes. MATERIALES Y EQUIPOS:
PROCEDIMIENTO: 1.- Iniciar con la etapa reductora de voltaje en el transformador para asi obtener el voltaje adecuado de operación. 2.- acoplar la etapa de rectificación con el transformador 3.- conectar el capacitor y medir el voltaje. 4- al tener la etapa de rectificación completada junto con el filtro, acoplar la etapa de regulación de voltaje, conectando de acuerdo a sus especificaciones el regulador de voltaje LM350K RESULTADOS Y ANÁLISIS: Conocer el funcionamiento de una fuente de alimentación variable, asi como el desglose de cada una de sus etapas. CONCLUSIÓN CUESTIONARIO 2. REFERENCIAS
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UNIDAD TEMÁTICA II.
TRANSISTORES
El alumno construirá circuitos amplificadores y conmutadores, mediante el uso de los principios de operación de los transistores, para mantener los equipos Objetivo:
en funcionamiento. Construirá circuitos amplificadores y conmutadores con transistores bipolares acompañados de un reporte que incluya mediciones, diagramas de conexión y diagnóstico de los parámetros eléctricos de estos. Resultados del aprendizaje:
TEMA II.1. TRANSISTORES BIPOLARES Saber: Describir las características, parámetros, configuraciones y polarización de
los transistores bipolares NPN y PNP. Identificar los circuitos de polarización por divisor de tensión y polarización de emisor empleados en transistores BJT. Saber hacer: Interpretar en una hoja de datos los parámetros eléctricos del transistor bipolar. Construir y poner en funcionamiento circuitos que involucren transistores BJT en polarización por divisor de tensión y polarización de emisor. Ser: Ordenado, Ético, Analítico, Observador, Proactivo TEMA II.2. AMPLIFICACIÓN Saber: Describir las características, parámetros y aplicaciones de los transistores
bipolares en la región de amplificación, utilizando la configuración de emisor común.
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ELECTRÓNICA ANALÓGICA TSU. EN MANTENIMIENTO
Saber hacer: Construir y poner en funcionamiento circuitos para amplificación de
corriente, utilizando transistores bipolares. Ser : Ordenado, Ético, Analítico, Observador, Proactivo. TEMAS II.3. CONMUTACIÓN Saber: Describir las características, parámetros y configuración de los transistores
bipolares en la región de conmutación, utilizando transistores NPN. Describir las características, parámetros y configuración de los transistores bipolares en la región de conmutación, utilizando transistores PNP. Saber hacer: Construir y poner en funcionamiento circuitos que utilicen transistores bipolares en la región de conmutación, mediante transistores NPN Construir y poner en funcionamiento circuitos que utilicen transistores bipolares en la región de conmutación, mediante transistores PNP. Ser: Ordenado, Ético, Analítico, Observador, Proactivo TEMAS II.4. FALLAS EN CIRCUITOS CON TRANSISTORES BIPOLARES Saber: Enlistar fallas típicas en circuitos con transistores bipolares. Saber hacer: Diagnosticar y corregir fallas en circuitos con transistores bipolares. Ser: Ordenado, Ético, Analítico, Observador, Proactivo.
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ELECTRÓNICA ANALÓGICA TSU. EN MANTENIMIENTO
II. TRANSISTORES II.1. TRANSISTORES BIPOLARES TBJ Este elemento semiconductor llamado transistor se compone de tres capas que consisten en dos de material tipo n y una capa de tipo p , o viceversa. Al primero lo identificamos como transistor n p n , en tanta que al segundo p np y ambos se muestran en la siguiente figura con polarización dc.
(a)
Figura 2.1.
(b)
Transistores a) pnp, b)npn
Pnp
npn
Para esta configuración antes mostrada, las terminales se indican con las siguientes literales. E = emisor C = colector B = base
EMISOR.
La unión base-emisor se polariza en forma directa. Los valores del voltaje de polarización más comunes son 0.3 v para el Ge y 0.7 v para el Si.
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El emisor P del transistor pnp de la figura (a) inyecta huecos a su unión con la base. La dirección de la corriente de huecos en el emisor está señalada por la flecha que aparece en su símbolo. Cuando la flecha apunta hacia la base, la unión entre el emisor y ella es del tipo pnp. En el transistor de la figura (b), el emisor inyecta electrones en la base. Por consiguiente, para un emisor de tipo N el símbolo es una flecha que señala en dirección contraria a la base y opuesta al flujo de electrones. En los símbolos para transistores, el emisor es el único que tiene una flecha. Cuando ésta apunta hacia la base, el transistor es PNP; en caso contrario, el transistor es NPN. En la práctica, todos los transistores pequeños utilizados en amplificadores de audio y RF son de tipo NPN, fabricados con silicio y con voltajes de polarización directa entre la base y el emisor de 0.6 v.
COLECTOR.
La función de este electrodo es remover las cargas de su unión con la base. En la figura (a), el
transistor PNP tiene un transistor P que recibe huecos. En el
transistor NPN de la figura (b), el colector N recibe electrones. La unión base-colector siempre tiene un voltaje con polarización inversa. Los valores más frecuentes de este voltaje varían de 4 a 100 v. La polarización inversa impide el flujo de portadores mayoritarios del colector hacia la base. Sin embargo, en la dirección opuesta, de la base hacia el colector, el voltaje en este último atrae las cargas en la base que proporciona el emisor.
BASE.
La base separa el colector del emisor. La unión base-emisor tiene polarización directa y, por tanto, la resistencia del circuito del emisor es muy baja. La unión base-colector tiene polarización inversa y, por consiguiente, la resistencia del circuito del colector es muy grande.
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CORRIENTE DE COLECTOR.
El requisito final para que el transistor funcione es que el circuito base-emisor controle la corriente del colector. El emisor tiene una contaminación considerable de impurezas con el fin de proporcionar portadores mayoritarios. Sin embargo, la base tiene una cantidad pequeña de impurezas y es muy delgada, lo cual permite que las cargas puedan moverse hacia la unión con el colector. El voltaje en el colector es relativamente grande. Como consecuencia de estos factores, prácticamente todas las cargas inyectadas a la base por el emisor circulan por el circuito del colector. Es común que entre un 98% y 99% de las cargas inyectadas por el emisor formen la corriente del colector Ic. El restante 1% y 2% pasa a formar la corriente de base Ib. Por ejemplo, considérense las corrientes en un transistor npn. El emisor n inyecta electrones en la base p. En ella, los electrones son portadores minoritarios. Como consecuencia de las escasas impurezas contenidas en la base, muy pocos electrones pueden recombinarse con los huecos de la base. Cualquier nueva combinación de cargas en la base genera una corriente de retorno Ib muy pequeña, que circula de la base hacia el emisor. En la unión base-emisor existe una concentración muy alta de electrones libres gracias a la polarización directa. Como resultado de lo anterior, casi todos los electrones fluyen a lo largo de la base hacia la unión con el colector. La abreviatura TBJ, de transistor bipolar de unión , del ingles (BJT, bipolar Juntion transistor), y la dirección de la corriente esta indicada por la flecha vista en su símbolo, dependiendo si es pnp o npn.
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El transistor bipolar es en esencia un amplificador de corriente al cual introducimos esta misma por una de sus terminales que en este caso es la base (b), la cual será entregada por la terminal del emisor (e) amplificada y debiéndole así su nombre de amplificador. El factor de amplificación lo denominamos el factor ß (beta), y es un dato proporcionado por el fabricante, el cual podemos calcular e modelos de d.c. de los cuales los niveles de I C e IB se obtienen de la siguiente manera.
ß = IC / IB De aquí, los valores tanto de I C como de IB son determinados en un punto de operación en particular de las características del transistor. Para el caso de c.a. la beta del circuito se define en los siguientes términos.
ßac = IC / IB
VCE = constante
el factor de amplificación de corriente directa de emisor común es el nombre correcto con el que nosotros identificamos a la ß, debido a que por lo general la corriente del colector es la corriente de salida para una configuración de emisor común, y la corriente de base es la corriente de entrada.
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OPERACIÓN DEL TRANSISTOR La operación básica del transistor usando el tipo pnp. La operación npn es exactamente la misma que si se intercambiaran las funciones que cumplen el electrón y el hueco. Se redibujar de nueva cuenta el transistor pnp sin la polarización base-colector
Figura 2.2. Operación del transistor.
CONFIGURACIÓN EMISOR COMÚN La configuración de los transistores que mas a menudo se encuentra es la emisor común, que se muestra en la siguiente figura para los transistores tanto pnp como npn. Se le denomina de esta manera debido a que el emisor es común y hace referencia a las terminales de entrada como de salida. En la figura también se describe de manera grafica del circuito de entrada o base-emisor y otro para el de salida o colector-emisor.
Figura 2.3. Notación y simbología e-c; a) npn; b) pnp
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En la región activa de un amplificador de base común la unión del colector-base se encuentra polarizada inversamente, mientras que la unión base-emisor se encuentra polarizada directamente.
II.2. AMPLIFICACIÓN Cuando polarizamos un transistor establecemos las corrientes y las tensiones que fijan su punto de trabajo dentro de la región lineal (bipolares), o de saturación (FET), en cuyas regiones los transistores presentan características casi lineales. Al aplicar en la entrada una señal alterna, el punto de trabajo se desplaza y amplifica esta señal. El análisis del transistor amplificador, se simplifica de manera significativa cuando se realiza un procedimiento o modelo que es llamado de pequeña señal, obteniendo de este análisis, pequeñas variaciones de tensiones y corrientes en sus terminales. En condiciones optimas, el transistor puede ser modelado a través de un circuito lineal que incluye equivalentes de Thevenin y Norton, así como análisis de circuitos lineales. El modelo de pequeña señal del transistor es llamado en ocasiones, modelo incremental de señal En la práctica, el estudio de los amplificadores demanda un análisis previo en corriente continua para determinar la polarización de los mismos. Posteriormente es menester realizar los cálculos de amplificación e impedancias utilizando modelos de pequeña señal con objeto de establecer un circuito equivalente. Las dos fases en principio son independientes pero íntimamente relacionadas.
ANÁLISIS DE UN AMPLIFICADOR BÁSICO En la figura 2.4 se muestra un esquema de los elementos básicos de los que se compone un circuito amplificador sencillo para señales alternas. A este amplificador se le puede considerar como un circuito de dos puertas.
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La puerta de entrada recibe un voltaje o corriente que se pretende amplificar. A esta señal procesada, se le procesa en el amplificador y se entrega a través de la puerta de salida convenientemente amplificada (o reducida en algunos casos). Cuando se trata de señales pequeñas, generalmente suponemos que la señal de salida es semejante a la de la entrada, con lo cual, suponemos que no existe o sufre ninguna distorsión, siendo la única diferencia, la amplitud de la variación de la señal y la fase. Uno de los parámetros que mejor definen el comportamiento de un circuito amplificador se encuentra en la ganancia y las impedancias de entrada y salida. Veremos a continuación el significado de cada uno de estos factores. El termino gananc ia, o factor d e amp lificación se usan indistintamente para señalar la relación entre las amplitudes de las señales de entrada y salida. Con esto, definimos el factor de amplificación de voltaje A v, con la siguiente relación: Vo
A
v
Vi
En donde Vo y Vi representan las amplitudes de los voltajes de la onda de entrada y salida. Similarmente, para las señales de corriente, el factor de amplificación en corriente Ai , será definido por la relación:
A
Io
i
Ii
Siendo Io e Ii, las amplitudes de las corrientes de la onda de entrada y salida Si en un circuito existe a la par amplificación del voltaje y de la corriente de entrada, se puede definir la ganancia en potencia, A p, como la relación entre las potencias de la onda de entrada y salida, esto es A p = P o / P i. De las relaciones
anteriores, tendremos para la ganancia en potencia: Ap = A v · A i . Es de notar que cuando existe desfase entre la onda de entrada y salida, el factor de amplificación queda determinado mediante dos términos, por lo que su valor suele ser expresado en forma de numero complejo.
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De los dos tipos de amplificadores mostrados, nos centraremos principalmente en los amplificadores de señales de voltaje, ya que son lo de mayor utilización en la práctica. Cuando un amplificador de voltaje se examina desde la entrada, se puede considerar que esta constituido por una resistencia (o una impedancia compleja por lo general), entre las dos terminales de entrada que recogen la señal de voltaje en la figura 2.4b. Esta resistencia se le llama impedancia de entrada del amplificador Ri , y representa la carga para la señal de entrada aplicada al amplificador. El valor de R i se pude calcular a través de la relación entre el voltaje de la señal, y la corriente producida en la terminal de entrada, con esto tenemos que: Ri = v i / ii . Cuando hablamos de amplificar señales de voltaje, un dato que interesa de manera importante es que la impedancia de entrada del amplificador sea lo mas grande posible, esto, con objeto de reducir al máximo la corriente i i que el generador entrega al amplificador.
a)
b)
c)
Figura 2.4. a) esquema de un circuito amplificador básico. b) esquema del amplificador considerando como un circuito de dos puertas con salida de señal de voltaje. c) esquema del amplificador con salida de seña l de corriente.
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Si desde el punto de vista del consumo de la corriente en la resistencia, la cual, recibe una señal de salida, interesa que la impedancia de salida sea lo mas baja posible, ya que, de esta forma el voltaje de salida del generador, Vo, sufre una menor atenuación en la resistencia de salida. Para el caso de la figura 2.4c, nos interesa que la resistencia en paralelo sea lo mas grande posible con el objeto de que el amplificador pueda entregar la señal de corriente sin ninguna atenuación en la propia resistencia interna Ro.
EL TBJ COMO AMPLIFICADOR (Circuito amplificador de base comun) El esquema de un circuito amplificador simple es mostrado en la figura 2.5a, basado en un transistor bipolar tipo pnp, conectado en configuración de base común. Como se muestra, el transistor esta polarizado en la region activa mediante dos fuentes de alimentación V EE y VCC, que polarizan las uniones del emisor y del colector en directo y en inverso respectivamente. En la entrada del circuito se incluye el generador de voltaje que es el que entrega la señal a la cual se pretende amplificar, v i . Esta señal es pequeña en comparación con V EE y VCC. También suponemos que se trata de un generador ideal, y por lo tanto, la resistencia en serie también es nula. Asimismo, a la salida del amplificador se ha conectado una resistencia de carga R L, la cual representa la resistencia de consumo denominada resistencia de carga sobre la cual aparece la señal amplificada vo. Generalmente, esta resistencia se coloca en serie con la fuente de tensión VCC, y por lo tanto sirve también para polarizar la unión de colector a una tensión VBC, diferente a V CC. Para entender de mejor manera como funciona el circuito amplificador supongamos que la señal del generador es nula.
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En este caso, la tensión V EE aplicada en el circuito de entrada polariza en directo la unión de emisor con una tensión V EE aplicada en el circuito de entrada polarizada en directo, y la union de emisor a una tensión V EB = VEE, la cual produce una corriente IE en la terminal de emisor. En un caso usual, la fuente de alimentación VEE suele ser de unas décimas de volts, con ello, la corriente I E puede ser de unos miliampers. Por otro lado, en el circuito de salida, la tensión V CC da lugar a una cierta polarización inversa VBC en la unión de colector, por lo que la corriente I C en la terminal de colector vendrá aproximadamente por IC
dc IE,
con
dc
1.
a)
b) Figura 2.5.a) circuito amplificador simple formado por un transistor pnp en su configuración base común, polarizado en la región activa. b) circuito equivalente de pequeña señal.
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II.3. CONMUTACIÓN Con el estudio previo de transistores, la consideración que siempre se ha tratado de mantener a este dispositivo es en la región activa o región lineal, en la cual siempre se cumpla que Ic = * Ib, de manera tal que la señal sea amplificada. Para esto, es necesario mantener polarizadas las uniones base – emisor y base – colector convenientemente, es decir, directamente la primera e inversamente la segunda con lo que se asegura el trabajo en la región activa. Para la conmutación del transistor, a este, lo utilizaremos de una manera nueva. Ahora, no se tratara de amplificar una señal, sino de utilizar al transistor como si este se tratara de un interruptor. Para ello, usaremos la zona evitada en estudios anteriores del transistor; el trabajo en saturación. Un transistor en saturación tiene la característica de: V ce,
sat
= 0.2V, es decir,
cuando un transistor esta en la región de saturación, la tensión existente entre su colector y su emisor es prácticamente cero. Esto se utiliza debido a que, sencillamente la tensión de cero volts entre dos puntos, equivale a un interruptor cerrado entre ellos. Por lo tanto, un transistor que se ha puesto en la región de saturación equivale (respecto a cualquier carga conectada entre su colector y su emisor) a un interruptor que se acaba de cerrar entre dichos puntos. Todos estos puntos serán mas claramente detallados:
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REGIÓN DE CORTE: Para ello, basta que Vbe sea no solamente negativa, sino que basta con que sea menor de 0.7V, para un transistor npn. Así para este caso, el transistor, sencillamente no conduce, con lo que se comporta como un interruptor abierto. REGIÓN DE SATURACIÓN: al estar el transistor en conducción y tener una tensión de aproximadamente 0V entre su colector y emisor, el transistor aparece ahora como un interruptor cerrado entre dichos puntos. En la figura 2.6. Veremos un ejemplo de la utilización del transistor en conmutación, es decir, de paso desde la saturación hasta el corte y viceversa.
Figura 2.6. Transistor como conmutador.
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Con estos datos podemos deducir que: ante una señal con valor cero en la base (Vi a nivel cero) el transistor esta en la región de corte , por lo que no circula una corriente por el colector, de forma que el Vo, tiene una tensión igual al V CC.
O, ante una señal a un nivel alto en la base (Vi = V BB), el transistor estará en la región de saturación, de forma que la tensión del Vo será igual a la tensión Vce del transistor, que como sabemos en saturación es prácticamente cero volts. Por lo tanto, una carga conectada al voltaje de salida, recibirá o no una tensión según el estado de la región del transistor (corte o saturación), donde este, se comporta como un interruptor que es manipulado desde el voltaje de entrada Vi. Para estar seguros de que se esta trabajando el transistor en la región de saturación y no en la región activa, debemos asegurarnos de que V BB produzca una Ib que sea mayor que la Ib minima de saturación.
I max c
Vcc
I max c
Rc
Vcc
Rc Re
si existe una Re
Donde: I min( b
sat )
Ic max
min
Cuando un transistor entre en la región de saturación, su corriente de colector permanece prácticamente invariable (igual o cercana a I cmax).
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UNIDAD TEMÁTICA III. TIRISTORES
El alumno diseñará circuitos electrónicos de potencia para el control de motores mediante el uso de tiristores, observando las medidas de seguridad. Objetivo:
Diseñará variadores de velocidad electrónicos que involucren el uso de tiristores, acompañados de un reporte que incluya mediciones, diagramas de conexión y diagnóstico de los parámetros eléctricos de estos. Resultados del aprendizaje:
TEMA III.1. RECTIFICADORES CONTROLADOS DE SILICIO (SCR) Saber: Describir las características, parámetros de los rectificadores controlados de
silicio (SCR). Explicar circuitos de disparo y aplicaciones de los rectificadores controlados de silicio (SCR). Saber hacer: Interpretar en una hoja de datos los parámetros eléctricos del rectificador controlado de silicio (SCR) Diseñar y poner en funcionamiento circuitos que involucren rectificadores controlados de silicio (SCR). Ser: Ordenado, Observador, Analítico, Ético, Proactivo
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TEMA III.2. DIACS Saber: Describir las características, parámetros y aplicaciones del Diac.
Explicar cómo influye el Diac en la conformación de un circuito de disparo. Saber hacer: Identificar en una hoja de datos los parámetros eléctricos del Diac Diseñar y poner en funcionamiento circuitos que utilicen diacs en el disparo de tiristores. Ser: Ordenado, Observador, Analítico, Ético, Proactivo TEMA III.3. TRIACS Saber: Describir las características, parámetros y aplicaciones del Triac.
Explicar circuitos de disparo y aplicaciones del Triac. Saber hacer: Identificar en una hoja de datos los parámetros eléctricos del Triac Diseñar y poner en funcionamiento circuitos que involucren triacs Ser: Ordenado, Observador, Analítico, Ético, Proactivo TEMA III.4. OPTOACOPLADORES Saber:
Describir
las
características,
parámetros
y
aplicaciones
del
optoacoplamiento y los dispositivos utilizados. Explicar el uso del optoacoplador como dispositivo de interface entre cargas de mediana y alta potencia. Saber hacer: Identificar en una hoja de datos los parámetros eléctricos de los optoacopladores. Diseñar y poner en funcionamiento circuitos que involucren optoacoplamiento para la interface control – potencia. Ser: Ordenado, Observador, Analítico, Ético, Proactivo
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III. TIRISTORES III.1. RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO (SCR) Dentro de la familia de dispositivos pnpn, se encuentra el (SCR), Rectificador Controlado de Silicio por sus siglas en Ingles, y es uno de los dispositivos mas usados hoy en día. Algunas de sus funciones más sobresalientes para su aplicación incluyen los controles de relevador, circuitos de retraso de tiempo, fuentes de alimentación reguladas, interruptores estáticos, controles de motores, inversores, cargadores de baterías, circuitos de protección, controles de fase, etc. En la actualidad podemos encontrar SCR para controlar potencias del orden de 10MW, y con valores de 2000A a 1800V. OPERACIÓN BÁSICA DEL RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO (SCR) Como lo indica su nombre, el SCR esta construido de silicio con una tercera terminal para el control. El silicio se selección como material, debido a su capacidad de soportar altas temperaturas y potencia. La diferencia fundamental que diferencia al diodo del SCR, es la tercera terminal a la cual llamamos compuerta (G) de Gate en Ingles. Para este dispositivo no solo es suficiente la polarización directa del ánodo al cátodo.
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El símbolo del SCR se muestra en la siguiente figura. Si se quiere establecer conducción directa, el ánodo debe ser positivo con respecto al cátodo, sin embargo, como se menciono anteriormente, esto no es suficiente para encender el dispositivo. También se debe aplicar un pulso de magnitud suficiente a la compuerta para establecer una corriente de encendido de compuerta a la que se le denomina I GT.
Figura. 3.1. Símbolo del SCR.
Figura 3.2. Hoja de datos. (power innovations limited, UK)
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APLICACIONES DEL SCR. Control de fase de resistencia variable: Para este caso el SCR se usa con el propósito de controlar la potencia que llega a una carga. La potencia suministrada a la carga es controlada variando el ángulo de conducción. El arreglo RC produce un corrimiento de la fase entre la alimentación de entrada, así como en la del capacitor que es la que suministra la corriente a la compuerta del SCR. La resistencia R es un potenciómetro, así es que el valor resistivo puede variar y con esto, producir un corrimiento de fase ajustable la que causara que la entrega de potencia en la carga sea también variable.
Figura. 3.3. Control de fase de resistencia variable po r medio del SCR.
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Figura 3.4. Circuito de práctica con scr.
PRÁCTICA NO. 4 NOMBRE DE LA PRÁCTICA: UNIDAD TEMÁTICA: TEMA: OBJETIVO DE LA PRÁCTICA :
SCR III. TIRISTORES SCRs Que el alumno construya un circuito empleando el SCR 2 horas FECHA:
TIEMPO DE LA PRÁCTICA: DESCRIPCIÓN: Realizar la practica de la figura 3.4. la cual es una practica de un circuito que prende una carga por medio del SCR y una fotorresistencia LDR. MATERIALES Y EQUIPOS: 1 LDR (fotorresistencia) Un potenciometro de 1M Una resistencia de 100K Una resistencia de 15K Una resistencia de 1K Un SCR (MCR-106 o C-106 o TIC-106) Un diodo D1N4002 PROCEDIMIENTO: Conecte el circuito de acuerdo a su figura mostrada 3.4 RESULTADOS Y ANÁLISIS: CONCLUSIÓN En esta practica se muestra la operación de un SCR, al depender de la fotorresistencia, cuando existe una corriente pequeña en la compuerta G del SCR, este conduce y prende la carga. CUESTIONARIO
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REFERENCIAS
SCR ACTIVADO POR LUZ. El SCR activado por luz (LASCR) es también un dispositivo pnpn cuyo estado es controlado por la luz que incide sobre una capa semiconductora de silicio, el cual se muestra en la siguiente figura. Al igual que un SCR convencional, la compuerta es la terminal que permite el disparo del dispositivo.
Figura 3.5. Símbolo del LASCR APLICACIONES DEL LASCR. Las aplicaciones más comunes de este tipo de dispositivos incluyen controles de luz óptica, relevadores, controles de fase y de motores, etc.
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A continuación se muestra una configuración de compuertas AND y NOR. En el caso de la compuerta AND, solamente cuando incidan en los dos componentes un halo de luz se representara como un circuito cerrado y aparecerá un voltaje de alimentación a través de la carga como el mostrado a continuación.
Figura 3.6. Compuerta AND con LASCR
Para el caso de la compuerta OR, la energía aplicada al LASCR1 o al LASCR2, dará como resultado la aparición del voltaje de alimentación a través de la carga.
Figura. 3.7. Compuerta OR con LASCR
El LASCR es mas sensible a la luz cuando en la compuerta esta abierta, asi, su sensibilidad puede reducirse y/o controlarse de alguna manera con la anexión de una resistencia de compuerta como se muestra en la siguiente figura.
Figura. 3.8. Comportamiento del LASCR
III.2. DIAC
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III.2. DIACS La composición básica del diac consta de una combinación paralela inversa de dos terminales de un diodo que permite el disparo en cualquier dirección. Las características.
Figura. 3.9. Características de conducción de un Diac.
Figura. 3.10. Símbolo del DIAC.
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Figura. 3.11. Hoja de datos. (RFE International) APLICACIONES DEL DIAC. En el circuito del a figura 3.12. el Diac gobierna el Triac que alimenta en corriente alterna a la carga. La potencia que ésta recibe varía con el ángulo de conducción impuesto por la resistencia variable R2. Una vez que se aplica el voltaje de alimentación, en cuanto se presenta el primer semiciclo, el capacitor C empieza a cargarse a través de la resistencia R1 + R2. Cuando en su carga alcanza el voltaje de ruptura del Diac (alrededor de 30 volts), este último entra en conducción y C se descarga sobre la puerta del Triac, que entonces se dispara y permite el flujo de corriente hacia la carga. Cuanto más baja sea la resistencia en serie con el capacitor (R2=0) menor será la constante de
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tiempo (R1C, cuando R2 =0) y el voltaje en el capacitor alcanzará más rápidamente el valor de voltaje de ruptura del Diac (vbo) y el Diac se disparará pronto en el semiciclo. Inversamente cuanto mayor sea la resistencia en serie (R2 máxima), la constante de tiempo será mayor ((R1 + R2)C); C tardará más en cargarse al voltaje de ruptura del Diac, y el Triac se disparará más tarde entregando menos corriente. La operación del circuito debería ser la idéntica en ambos sentidos, puesto que el Diac entra en conducción al mismo voltaje de ruptura en ambos sentidos de polarización. Figura. 3.12. Aplicación del DIAC.
III.3. TRIAC La composición del Triac es esencialmente un Diac, con una terminal de compuerta la cual, controla las condiciones del encendido en ambas direcciones del dispositivo. Esto es, conduce en cualquier dirección de forma muy similar a las mostradas en los SCRs. III.3.1. OPERACIÓN BÁSICA DEL TRIAC En la siguiente figura, se muestra la dirección de la conducción posible cuyo estado será controlado por la señal aplicada en la terminal de compuerta.
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Figura. 3.13. Características de conducción de un Triac.
Figura. 3.14. Símbolo del TRIAC.
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Figura. 3.15. Hoja de datos. (Motorola Company) APLICACIONES DEL TRIAC. Una aplicación muy común es el atenuador luminoso de lámparas incandescentes (circuito de control de fase).
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Figura. 3.16. Atenuador luminoso con un triac. PRACTICA NO. 5
NOMBRE DE LA PRÁCTICA: UNIDAD TEMÁTICA: TEMA: OBJETIVO DE LA PRÁCTICA :
TRIAC III. TIRISTORES tiristores Que el alumno construya un atenuador luminoso utilizando un TRIAC 2 horas FECHA:
TIEMPO DE LA PRÁCTICA: DESCRIPCIÓN: Realizar practica mostrada en el circuito 3.16. atenuador luminoso con un TRIAC MATERIALES Y EQUIPOS: Un potenciómetro de 100K Un capacitor de 1000 f Un resistencia de 330 Un TRIAC MAC-218 Un foco 60W PROCEDIMIENTO: Conecte el circuito mostrado en la figura 3.16, y haga las mediciones de corriente en la compuerta del TRIAC, así como el voltaje del potenciómetro. RESULTADOS Y ANÁLISIS: Comprobar el funcionamiento del TRIAC, el cual se comporta como un diodo bidireccional para c.a. CONCLUSIÓN CUESTIONARIO REFERENCIAS
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III.4. OPTO ACOPLADORES Actualmente los dispositivos sensibles a la luz han ampliado su gama a velocidades exponenciales en los años recientes, con esto, la optolectronica esta recibiendo una gran cantidad de atención por parte de investigadores, ya que se piensa que podría sustituir de una manera importante, a muchos dispositivos de iluminación
que
requieren
potencias
relativamente
grandes
para
su
funcionamiento lo que las hace de poca viabilidad hoy en día. III.3.1. FOTODIODO El fotodiodo es un dispositivo de tipo p-n, semiconductor con una conducción limitada a la región de polarización inversa. En la siguiente figura se muestra el arreglo de polarización básico, la construcción y el símbolo para este dispositivo.
Figura. 3.17. Arreglo de polarización básico y símbolo
III.3.1.2. APLICACIONES DEL FOTODIODO
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Figura. 3.18. Uso de fotodiodos en un sistema de alarma y en una operación de conteo.
Figura. 3.19. Hoja de datos. (Sharp)
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III.2. CELDAS FOTOCONDUCTORAS. Como su nombre lo indica, las celdas fotoconductoras son dispositivos de dos terminales los cuales son directamente influenciados en su resistencia por la intensidad de luz que les incide lo cual también por obvias razones les da el sobrenombre de fotorresistencia. Figura. Símbolo de una celda fotoconductora III.3.2.1. APLICACIONES DE LA FOTOCELDA Una aplicación común de una fotocelda es la que se muestra a continuación y su propósito es mantener en un nivel fijo al voltaje de salida (Vo). Aunque el voltaje de entrada (Vi) pueda oscilar respecto a su valor establecido, la fotocelda actúa como un regulador de voltaje como se muestra a continuación.
Figura. 3.20. Regulador de voltaje que emplea una celda fotoconductora.
Figura 3.21. Luz nocturna automática, utilizando un LDR.
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PRACTICA NO. 6 NOMBRE DE LA PRÁCTICA: UNIDAD TEMÁTICA: TEMA: OBJETIVO DE LA PRÁCTICA :
FOTOCELDA III. TIRISTORES fotoceldas Que el alumno construya un circuito con una fotocelda, para encender una luz automática en la ausencia de luz solar. 2 horas FECHA:
TIEMPO DE LA PRÁCTICA: DESCRIPCIÓN: Realizar la practica del ejercicio 3.21. De una luz automática nocturna. MATERIALES Y EQUIPOS: Una fotorresistencia LDR Un potenciometro de 47K Cuatro resistencia de 10K Un capacitor de 220nf Un CI 555 Un diodo 1N4148 Un relay MC2RC2 PROCEDIMIENTO: Realizar la practica conforme el circuito mostrado en la figura 3.21. RESULTADOS Y ANÁLISIS: CONCLUSIÓN CUESTIONARIO REFERENCIAS
III.3. EMISORES DE IR. Los diodos emisores infrarrojos son dispositivos que emiten un rayo de flujo radiante cuando existe una polarización de forma directa y están hechos por lo general de arseniuro de galio. Figura.3.22. Símbolo de un diodo emisor IR
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ELECTRÓNICA ANALÓGICA TSU. EN MANTENIMIENTO
III.3.2.1. APLICACIONES DE LOS IR Las aplicaciones más comunes de estos dispositivos incluyen lectoras de tarjetas, codificadoras, sistemas de transmisión de datos y alarmas.
Figura. 3.23. Hoja de datos. (Toshiba)
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ELECTRÓNICA ANALÓGICA TSU. EN MANTENIMIENTO
UNIDAD TEMÁTICA IV. AMPLIFICADORES OPERACIONALES Objetivo: El alumno diseñará circuitos con amplificadores operacionales para su
uso en aplicaciones industriales, mediante el análisis de las configuraciones básicas de estos dispositivos, observando las medidas de seguridad. Resultados del aprendizaje: Diseñará circuitos con las configuraciones básicas
del
amplificador
operacional,
así
como
un
reporte
que
incluya
mediciones, diagramas de conexión y diagnóstico de los parámetros eléctricos de los circuitos. TEMA IV.1. AMPLIFICADORES OPERACIONALES Saber: Describir las características, parámetros, símbolos y descripción de
terminales de los amplificadores operacionales de propósito general. Explicar las etapas internas de un amplificador operacional de propósito general: Etapa de entrada, Etapa intermedia y Etapa de salida. Saber hacer: Interpretar en una hoja de datos los parámetros eléctricos del
amplificador operacional. Simular la operación de las etapas internas de un amplificador operacional, mediante el uso de software especializado. Ser: Responsable, Analítico, Ético, Ordenado, Observador, Proactivo
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TEMA IV.2 CONFIGURACIONES LINEALES
Saber: Describir las características, parámetros y procedimientos de diseño del
amplificador: inversor, no inversor Explicar el funcionamiento de las configuraciones básicas del amplificador operacional: sumador, restador, promediador, seguidor, derivador e integrador. Saber hacer: Construir circuitos de prueba que permitan verificar los parámetros
del amplificador operacional con la hoja del fabricante. Diseñar y poner en funcionamiento circuitos con amplificadores operacionales en configuraciones lineales. Ser: Responsable, Analítico, Ético, Ordenado, Observador, Proactivo TEMA IV.3. CONFIGURACIONES NO LINEALES Saber: Explicar los conceptos de histéresis, tensión de umbral superior e inferior,
detector de cruce de cero con histéresis y detector de nivel de tensión con histéresis. Describir las características, parámetros y procedimiento de diseño: comparadores con histéresis tanto de cruce de cero como de nivel de tensión. Saber hacer: Construir circuitos de prueba que permitan demostrar el efecto de la
retroalimentación positiva en la construcción de circuitos comparadores. Diseñar y poner en funcionamiento circuitos comparadores con histéresis, tanto de cruce de cero como de nivel de tensión. Ser: Responsable, Analítico, Ético, Ordenado, Observador, Proactivo
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IV. AMPLIFICADORES OPERACIONALES INTRODUCCIÓN Un amplificador operacional u OP-AMP, es un amplificador básico con una ganancia muy alta así como una elevada impedancia de entrada y al contrario en su salida. Sus aplicaciones mas comunes van desde cambios en la amplitud del voltaje, osciladores, filtros y demás aplicaciones de instrumentación, con estas aplicaciones, un OP-AMP contiene varias etapas de amplificación diferencial la cual le otorga una ganancia de voltaje alta. La figura muestra un OP-AMP básico con dos entradas y una salida de modo tal, que cada entrada da como resultado una salida de la misma polaridad (o fase) o de la opuesta, dependiendo de si la señal se aplica en la entrada con el signo mas(+) o a la del signo menos (-). Entrada 1
+ Salida
Entrada 2 Figura. 4.1. Op-amp básico. ENTRADA CON UNA SOLA TERMINAL Con la entrada de una sola terminal tenemos la señal de entrada conectada a una terminal, mientras la otra se conecta a tierra. La siguiente figura muestra dos casos para cada terminal de entrada con su respectiva conexión. Se puede observar claramente que cuando la señal de entrada es conectada a la terminal (+), la señal de salida tiene la misma polaridad, y el caso contrario, cuando la señal de entrada se conecta a la terminal con el signo (-), la salida es de fase opuesta a la misma.
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Figura. 4.2. Operación de una sola terminal ENTRADA EN DOBLE TERMINAL (DIFERENCIAL) Es posible también aplicar señales en cada terminal de entrada, por lo que la convierte en una operación de dos terminales. En la figura se muestra que hay una entrada Vd aplicada entre las dos terminales de entrada (claramente se ve la ausencia de tierra) con la salida resultante amplificada en fase con la aplicada entre las terminales de entrada con signo mas (+)o con signo (-).
Figura. 4.3. Operación en doble terminal (diferenciador). IV.1. AMPLIFICADOR OPERACIONAL BÁSICO Como se comento al principio, un OP-AMP es un amplificador con una ganancia muy alta, el cual posee una impedancia de entrada alrededor de unos cuantos megaohms, y a la salida menos de 100Ω.
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El modelo basico de un amplificador diferencial de dos entradas (mas y menos) y por lo menos una salida se muestra en la siguiente figura, y que muestra un modelo de OP-AMP.
Figura. 4.4. OP-AMP básico. La entrada positiva (+) produce una salida que esta en la fase a la señal aplicada, en tanto, la terminal (-) resulta en una señal de salida con polaridad invertida. IV.2.1 APLICACIONES CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES AMPLIFICADOR INVERSOR Este es el circuito de amplificador con ganancia constante que más se utiliza, debido a que la salida se obtiene multiplicando la entrada por una ganancia fija o constante, la cual determina la resistencia de entrada (R 1) y la resistencia de retroalimentación (Rf ), con la salida invertida respecto a la entrada, así como su ecuación que se muestra a continuación:
Figura. 4.5. Multiplicador inversor de ganancia constante.
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AMPLIFICADOR NO INVERSOR En este caso, el amplificador funciona como amplificador no inversor o multiplicador de ganancia constante. Cabe mencionar que la configuración de amplificador inversor es la más común, debido a que su estabilidad a la frecuencia es mejor. Con estos datos expondremos la ecuación para un amplificador no inversor:
Figura. 4.6. Multiplicador no inversor de ganancia constante. AMPLIFICADOR SUMADOR También, uno de los amplificadores operacionales mas usados seguramente es el amplificador sumador que se muestra a continuación, y nos muestra un circuito amplificador sumador de tres entradas que proporciona un medio de sumar algebraicamente tres voltaje, multiplicando cada uno por un factor de ganancia constante. Los tres voltajes de salida pueden expresarse en términos de las entradas como:
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En si, cada entrada suma un voltaje a la salida, multiplicado por su multiplicador de ganancia constante separado, así, al añadir mas entradas, cada una añade un componente adicional a la salida.
Figura. 4.7. Amplificador sumador. INTEGRADOR Si utilizamos como componente de retroalimentación en lugar de resistencias como ha sido hasta ahora el caso, y en su lugar, ponemos un capacitor a la configuración resultante se le llama integrador. La impedancia capacitiva equivalente puede ser expresada como:
Figura. 4.8. Op-amp integrador.
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DIFERENCIADOR A continuación se muestra un circuito diferenciador, el cual proporciona una operación bastante útil siendo la relación resultante para el circuito. v o(t) = -RC
dv 1(t) dt
Donde el factor de escala es - RC
Figura. 4.9. Circuito diferenciador.
Figura. 4.10.Hoja de datos. (©1995 National Semiconductor Corporation)
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El LED enciende cuando Vi pasa arriba de Vref (+6V)
El LED enciende cuando Vi pasa abajo de Vref (+6V)
Figura 4.11. un OPAMP 741 usado como comparador.
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PRÁCTICA NO. 7 NOMBRE DE LA PRÁCTICA: UNIDAD TEMÁTICA: TEMA: OBJETIVO DE LA PRÁCTICA :
OP-AMPs IV. AMPLIFICADORES OPERACIONALES OPAMS Que el alumno construya un circuito utilizando Amplificadores opercionales 2 horas FECHA:
TIEMPO DE LA PRÁCTICA: DESCRIPCIÓN: Realizar la práctica y simulación (en Electronic workbench) del circuito mostrado en la figura 4.11. MATERIALES Y EQUIPOS: Dos OPAMPs 741 Cuatro resistencias de 10K Dos LEDs rojos Una fuente de alimentacion PROCEDIMIENTO: Conectar el circuito conforme a la figura 4.11 RESULTADOS Y ANÁLISIS: CONCLUSIÓN CUESTIONARIO REFERENCIAS
3. PROYECTO DE LA ASIGNATURA
Con definición y revisión de avances programados durante el cuatrimestre.
Enfatiza la evaluación y la adquisición de capacidades sumativas.
Se puede considerar de una o varias asignaturas del cuatrimestre.
De participación y aprendizaje colaborativo.
Se recomienda conservar como evidencia del alumno
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4. INSTRUMENTOS NSTRUMENTOS DE EVALUACIÓN Se propone el contar con una sección que incluya:
Para conocimientos = Reactivos (de opción múltiple), siguiendo los lineamientos de CENEVAL.
Para productos = Listas de cotejo, rúbricas.
Para desempeño y actitud = Listas de observación.
Ejemplo de Rúbrica
INDICADOR
O
VARIABLE
FORMA Datos generales Índice Bibliografía Ortografía y redacción Aspectos generales CONTENIDO Objetivos Introducción Desarrollo Resultados Conclusión TOTAL
DESCRIPCIÓN
PUNTOS
Nombre, matrícula, nombre del profesor, asignatura, etc. El índice deberá mostrar el desarrollo completo del estudio Inclusión apropiada de citas bibliográficas. Reportar todas las fuentes correctamente en formato APA Ortografía sin errores. Redacción clara, coherente y secuenciada de párrafos Márgenes, tamaño de hoja, interlineado, sangría, paginado, etc. Propósito del proyecto xxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxx
0.02 0.02 0.03 0.10 0.30 0.05 0.15 0.30 0.20 0.10 10
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Ejemplo de Lista de Observación
ALUMNO: CARRERA: GRADO Y GRUPO: ASPECTOS A EVALUAR
CUATRIMESTRE: PRÁCTICA / FECHA DE REALIZACIÓN
ACTITUD 1. Puntualidad El alumno se presenta dentro de la tolerancia establecida en las políticas de curso y reglamentos vigentes. 2. Trabajo en equipo El alumno participa activamente en su equipo. 3. Respeto El trato hacia los demás es correcto y respetuoso. 4. Limpieza y orden El área de trabajo se mantiene limpia y en orden, en particular al concluir la práctica. 5. Material Se inicia la práctica con el material solicitado completo. 6. Equipo y herramientas Se inicia la práctica con el equipo y herramientas solicitadas completas. 7. Medidas de seguridad Se siguen las medidas de seguridad en el uso de herramientas y en particular en el uso de la electricidad.
DESEMPEÑO 8. Procedimiento para armado de circuito El procedimiento seguido para armar el circuito facilita el logro del resultado, la verificación, diagnóstico y corrección de fallas. 8. Procedimiento para verificar funcionamiento del circuito Se comprende lo que debe realizar el circuito, y en consecuencia la verificación del
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funcionamiento se hace de manera eficiente y efectiva. 10. Procedimiento para diagnóstico y corrección de fallas Cuando el circuito no funciona se emplea el equipo y los métodos adecuados para diagnosticar y corregir las fallas.
PRODUCTO 11. Presentación del circuito El circuito final está bien distribuido, utiliza un cableado adecuado y facilita su uso. 12. Circuito en operación El circuito realiza la operación para la cual fue diseñado y construido. Resultado Se recomienda dictaminar C (competente) cuando se tengan al menos 10 valores C en la columna.
OBSERVACIONES: PROFESOR:
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Boylestad, Robert L. Electrónica: teoria de circuitos . México: prentice Hall. (1999).
Foros de electronica, http://www.forosdeelectronica.com
http://inspeccionumvi10.iespana.es/ind11854.PDF
http://www.forosdeelectronica.com/proyectos/luz-nocturna-automatica.htm
http://www.icmm.csic.es/fis/gente/josemaria_albella/electronica/9%20Circuit os%20Amplificadores.pdf
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5. ANEXOS CÓDIGO DE COLORES PARA RESISTENCIAS.
CÓDIGO DE COLORES PARA CAPACITORES
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ALFABETO GRIEGO Y DESIGNACIONES COMUNES Nom bre
Mayúscu la
Minúscu la
Se usa para desig nar
Alfa
Α
α
ngulos, área, coeficientes
Beta
Β
β
ngulos, densidad de flujo, coeficientes
gamma
Γ
γ
Conductividad, gravedad especifica
Delta
Δ
δ
Variación, densidad
Epsilon
Ε
ε
Base de los logaritmos naturales
Dzeta
Ζ
ζ
Impedancia, coeficientes, coordenadas
Eta
Η
η
Coeficiente de histéresis, eficiencia
Teta
Θ
θ
Temperatura, Angulo de fase
Iota
Ι
ι
Cappa
Κ
κ
Constante dieléctrica, susceptibilidad
Lamda
Λ
λ
Longitud de onda
My
Μ
μ
Micro, factor de amplificación, permeabilidad
Ny
Ν
ν
Reluctividad
Xi
Ξ
ξ
Omicron
Ο
ο
Pi
Π
π
Relación de la circunferencia al diámetro
Rho
Ρ
ρ
Resistividad
Sigma
Σ
σ
Signo de sumatoria
Tau
Τ
τ
Contante de tiempo, desplazamiento de fase
Ipsilon
Υ
υ
Fi
Φ
φ
Ji
Χ
χ
Psi
Ψ
ψ
Flujo dielectrico, diferencia de fase
Omega
Ω
ω
Mayúscula: ohms, minúscula: velocidad
3.1416
Flujo magnético
angular
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