Introducción Y Mediciones Electricas Y Electronicas: Unidad I

UNIDAD I

INTRODUCCIÓN Y MEDICIONES ELECTRICAS Y ELECTRONICAS INTRODUCCIÓN

La presente unidad, tiene como objetivo, el proporcionar a los alumnos un panorama básico sobre los principios de la electrónica y el uso de los instrumentos de medición empleados muy comúnmente en el área de la electrónica. La primera parte de esta unidad, abarca la conceptualización de los los parámetros eléctricos eléctricos usuales dentro de los circuitos electrónicos, así como un breve estudio sobre los dispositivos pasivos. Entre estos dispositivos, encontramos a los resistores, capacitores e inductores. Para un uso correcto de los mismos y para cada aplicación es interesante conocer las características técnicas que definen su comportamiento. En tanto que en la segunda parte de esta unidad, se abarcará la teoría básica y operación de los instrumentos de medición básicos en la la electrónica. Sabemos que el uso de instrumentos instrumentos es clave a la hora de desarrollar aplicaciones. De ahí, que nos centramos en el estudio de los principales instrumentos de medición, tales como el multímetro, fuentes de alimentación, generadores de funciones y osciloscopios. A partir de unos modelos genéricos veremos las funciones básicas de estos y su forma de uso.

Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.

F-CADI-SA-MA-24-GP-A

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Tema 1: DEFINICIONES BÁSICAS Y TERMINOLOGÍA DE ELECTRÓNICA QUE SE MANEJAN EN EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS, TANTO DE CD COMO DE CA OBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJE APRENDIZAJE 1.

Describir llos cconceptos b básicos d de lla eelectrónica yy d diferenciar lla eelectrónica digital d de lla a analógica. 1.1 Definir los conceptos de corriente, tensión, resistencia, potencia, capacitancia e inductancia eléctrica. 1.2 Definir electrónica digital y electrónica analógica.

RESULTADOS DE APRENDIZAJE APRENDIZAJE

(DEMOSTRACIÓN DE HABILIDADES PARCIALES) PARCIALES) conceptos e eléctricos b básicos e empleados e en lla e electrónica. 1.1.1 Enunciar llos c principales d diferencias e entre lla e electrónica a analógica yy d digital. 1.1.2 Enunciar llas p

Tema 2: INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN OBJETIVO Y CRITERIOS DE APRENDIZAJE APRENDIZAJE 2.

Explicar el principio de operación de un multí metro, un osciloscopio y un generador d de ffunciones. 2.1 Describir los principios de funcionamiento de un multímetro, un osciloscopio y un generador de funciones.

RESULTADOS DE APRENDIZAJE APRENDIZAJE

(DEMOSTRACIÓN DE HABILIDADES PARCIALES) PARCIALES) de resistencia, 2.1.1 Operar los instrumentos básicos de medición en mediciones d tensión yy ccorriente eeléctrica, aasí c generación yy m mediciones d de fformas como lla g de o onda.



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TEMA 1 DEFINICIONES BÁSICAS Y TERMINOLOGÍA DE ELECTRÓNICA QUE SE MANEJAN EN EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS, TANTO DE CD COMO DE CA

OBJETIVO DE APRENDIZAJE: 1. Describir los conceptos básicos de la electrónica y diferenciar la la electrónica digital de la analógica.

CRITERIO DE APRENDIZAJE: 1.1 Definir los conceptos de corriente, tensión, tensión, resistencia, potencia, capacitancia e inductancia eléctrica.

Definiciones básicas. Intensidad de corriente eléctrica. Es la rapidez con la que una carga se mueve de un punto a otro en una dirección específica. La corriente presente en una trayectoria como por ejemplo un conductor, tiene dirección y magnitud. Su definición general, es la razón de cambio de la corriente con respecto al tiempo: I = dq / dq / dt dt .......... ( 1) La unidad de corriente es el Ampere, y cuando en un corte transversal practicado a un conductor circulan circulan 6.24 x 10 18 electrones: I (Ampere) = Q (Couloms) / (Couloms) / tt (Segundos) .......... (2 ) El símbolo gráfico gráfico de la corriente es una flecha flecha que se coloca junto al conductor. conductor. Por ejemplo en la figura 1.1 se muestra que una corriente de +3 C/S circulando de izquierda a derecha por un conductor equivalente a una corriente de –3 C/S circulando de derecha a izquierda: Figura 1.1 Tensión eléctrica. Es el trabajo requerido para mover una carga positiva de un Coulomb, de una terminal a la otra a través del elemento: V = Joule / Joule / Coulomb Coulomb .......... (3) Su unidad es el Volt en Volt en honor al físico Italiano Alessandro Giussepe Antonio Anastasio Volt. Entre un par de terminales eléctricas puede existir una tensión, aún cuando entre ellas fluya o no una corriente, tal es el caso de las pilas y baterías las cuales tienen una tensión entre sus terminales aún cuando no hay nada conectado a ellas. Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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Posteriormente se establecerá un convenio por medio del cual se podrá distinguir entre energía suministrada al elemento por algún agente externo, y energía suministrada por el elemento mismo a algún dispositivo externo. Para lo cual es necesaria la polaridad del elemento, es decir el signo de una terminal con respecto a la otra. La polaridad de la tensión se indica por medio de un par de signos “+,–” +,–” (esto se muestra en la figura 1.2) 1.2), la cual nos indica que la terminal A es V volt positiva con respecto a la terminal B o bien que la terminal B es V volt negativos con respecto a la terminal A. En conclusión toda tensión eléctrica debe de estar acompañado siempre de este par de signos: “+ , –” –”.

Figura 1.2 Resistencia eléctrica. Se define como la oposición que ofrece un material al paso de la corriente a través de su estructura, es directamente proporcional al aumento de la longitud de un material o al decrecimiento en su espesor. Pero también depende de las propiedades químicas del material y de la temperatura a la que se encuentre (dilatación) dilatación). Es la propiedad de oponerse al paso de la corriente. La poseen todos los materiales en mayor o menor grado. El valor de las resistencias eléctricas, viene determinada por tres factores: - el tipo de material ( resistividad “ρ” ), - la sección transversal “s”, y - la longitud “l”, y su relación matemática es: R = ρ •

l s

..........

(4)

Cuando existe un flujo de energía eléctrica a través de un material, este se da por la presencia de “espacios” espacios” en los átomos. De química, se sabe por la regla del octeto, que el máximo número de electrones que pueden estar en la última orbita del átomo es ocho. Los buenos conductores de electricidad como lo son los metales, tienen muy pocos electrones en su última orbita, y por lo tanto, hay lugar disponible para más electrones. Otro factor esencial para que exista el flujo eléctrico es la diferencia de potencial de un punto a otro, en donde, para llevar una carga de un punto a otro en un campo electromagnético se necesita realizar un trabajo, por ello existe un movimiento de las cargas eléctricas de un extremo al otro en un material. Imagínese un elemento metálico con una longitud y espesor determinados y con una diferencia de potencial a los extremos de este. Cuando sólo la longitud aumenta la cantidad de átomos en el material también lo hace, por lo tanto, “costará” más trabajo llevar una carga eléctrica de un extremo a otro dadas las condiciones existentes (oposición) oposición); ahora bien, si sólo el espesor se reduce, transitará una menor cantidad de cargas eléctricas a través del Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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material (oposición). Si los casos son contrarios, sucederán situaciones contrarias. Imagínense las otras situaciones posibles. Al existir un aumento de temperatura en un material, se está hablando de que las partículas que lo conforman están presentando ciertas situaciones, en base a las que, el material empezará a ocupar un mayor espacio y tendrá un mayor desorden en sus partículas. En este caso, el paso de cargas eléctricas se verá modificado y reducido a conforme el material presente mayor temperatura. Algo más que puede afectar la resistencia eléctrica de un material es la composición química de este. Si existen impurezas de materiales con características diferentes, entonces no se habla de un material homogéneo con átomos con las mismas características, ahora debe tomarse en cuenta las características de los átomos del otro material y ver como pueden afectar la resistencia que presente todo el arreglo. En el Sistema Internacional la unidad para la resistencia eléctrica es el Ohm (Ω), este se define como el cociente existente entre la tensión e intensidad eléctrica. En circuitos de ac (corriente alterna) la resistencia no altera en como se dan las fases o el ángulo existente entre estas, sólo se presenta como una carga que guarda proporción entre la tensión y la intensidad presentes. El resistor, es el elemento utilizado en electricidad y electrónica con el propósito de cambiar las características de la energía eléctrica presentes en un circuito conforme a la cantidad de corriente a través de la sección transversal de un conductor. Físicamente puede presentarse como un elemento cerámico de forma cilíndrica con dos terminales a sus extremos, pero también hay otras presentaciones: en película, alambre, papel, cúbica, etc. Su simbología en diagramas es la mostrada en la figura 1.4.

Figura 1.3

Figura 1.4 Son componentes electrónicos que tienen la propiedad de presentar oposición al paso de la corriente eléctrica. Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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Las características más importantes de las resistencias, también llamadas resistores, son: - Valor nominal: Es el valor en Ohms que posee. Este valor puede venir impreso o en código de colores. - Tolerancia. Es el error máximo con el que se fabrica la resistencia. Esta tolerancia puede ser de ±5% y ±10%, por lo general. - Potencia máxima: Es la mayor potencia que será capaz de disipar sin quemarse. Su clasificación es la siguiente (figura 1.5): a) Los resistores fijos son aquellas en las que el valor en ohms que posee es fijo y se define al fabricarlas. Se pueden clasificar en resistores de uso general y en resistores de alta estabilidad. b) Los resistores variables son dispositivos sobre las que se desliza un contacto móvil, variándose así el valor, sencillamente, desplazando dicho contacto. Las hay de grafito y bobinadas, y a su vez se dividen en dos grupos según su utilización que son las denominados resistores ajustables, que se utilizan para ajustar un valor y no se modifican hasta otro ajuste, y los potenciómetros donde el uso es corriente. c) Los resistores especiales son aquellos en las que el valor óhmico varía en función de una magnitud física.

Figura 1.5 Resistores fijos Los resistores fijos se pueden clasificar en resistores de usos generales y en resistencias de alta estabilidad .

Figura 1.6 Modelos físicos de resistores fijos. Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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Los resistores de usos generales se fabrican utilizando una mezcla de carbón, mineral en polvo y resina aglomerante; a éstas se les llama resistores de composición. Las características más importantes son: pequeño tamaño, soportan hasta 3W de potencia máxima, tolerancias altas (5%, 10% y 20%), amplio intervalo de valores y mala estabilidad de temperatura. Los resistores de alta estabilidad se clasifican a su vez en: • Resistores pirolíticas: se fabrican depositando una película de carbón sobre un soporte cerámico, y seguidamente se raspa dicha capa de forma que lo que queda es una especie de espiral de carbón sobre el soporte cerámico. Sus principales características son: pequeño tamaño, hasta 2W de potencia máxima, tolerancias del 1% y 2% y coeficiente de temperatura medio. • Resistores de hilo bobinado: se construyen con un hilo metálico de constantán o manganita enrollado sobre un tubo de porcelana. Sus características son: tamaño medio o grande, hasta 400W de potencia máxima, baja tolerancia 0’25 % y coeficiente de temperatura bajo. • Resistores de película metálica: consisten en una película metálica a la que se va eliminando parte de esta capa dejando una forma similar a un hilo muy largo. Sus principales características son: tamaño medio, pequeños valores de resistencia eléctrica, hasta 6W de potencia máxima, tolerancias de 1%, 2% y 5% y bajo coeficiente de temperatura. Resistencias ajustables y variables

Figura 1.7 Símbolos.

Figura 1.8 Modelos físicos de resistores variables. Resistencias especiales - PTC (Positive Temperature Coefficient = Coeficiente Positivo de Temperatura): aumenta el valor óhmico al aumentar la temperatura de ésta. - NTC (Negative Temperature Coefficient = Coeficiente Negativo de Temperatura): disminuye el valor óhmico al aumentar la temperatura. - LDR (Light Dependent Resistors = Resistencias Dependientes de Luz): disminuye el valor óhmico al aumentar la luz que incide sobre ella. - VDR (Voltage Dependent Resistors = Resistencias Dependientes de Tensión): disminuye el valor óhmico al aumentar la tensión eléctrica entre sus extremos. Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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Figura 1.9 Modelos físicos de resistores especiales. Potencia eléctrica. Es la rapidez con que se gasta la energía. Puede definirse también como la cantidad de trabajo que se puede realizar en un cierto tiempo y se mide en: Joules / Segundo Su unidad es el Watt, que equivale a un Joule/Segundo. Otra unidad de medida es HP o caballo de fuerza que es la potencia promedio que realiza un caballo (fuerte) de tiro en un día; un HP = 746 Watt. La potencia puede ser determinada por la Ley de Watt la cual establece que: P = V • I (Watt) ………. (5) sustituyendo a V e I con la Ley de Ohm, la potencia puede ser expresada como: P = I2 • R P = V2 / R ………. (6) Hasta el momento no se ha analizado si un elemento absorbe o suministra potencia. En función de la polaridad de su tensión eléctrica y la dirección en que circula el flujo de corriente a través de dicho elemento. Para hacer este análisis es conveniente recordar lo que se muestra en la siguiente figura:

Figura 1.10 Ahora bien, se dice que un elemento de circuito suministra potencia si por su terminal positiva sale una +I y el producto de V•I es negativo; caso contrario, se dice que el elemento absorbe energía (figura 1.11). Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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Figura. 1.11 Si en P=V•I una I (positiva o negativa) sale del terminal positivo, el símbolo de V se cambia (figura 1.12).

Figura. 1.12 Capacitancia eléctrica. Cuando se conectan a las terminales de un fuente de alimentación dos elementos metálicos paralelos, una cantidad de las cargas de la alimentación se desplazará a tales elementos. Nótese que las cargas positivas y negativas provienen de una terminal correspondiente y en conjunto tendrán una misma magnitud si son comparadas. Dado que existen cargas de signos opuestos habrá un campo eléctrico y una tendencia a la atracción. Si la alimentación es desconectada, una pequeña cantidad de energía eléctrica quedará almacenada en el arreglo y se ira liberando poco a poco según sea el material de las placas, las condiciones de aislamiento entre estas, etc. La capacitancia es entonces la medida de la capacidad de almacenamiento de la carga eléctrica y está definida como la cantidad de carga almacenada por unidad de diferencia de potencial aplicada. De lo que se obtiene: C = Q / V .......... (7) donde Q es la cantidad de carga almacenada, V la tensión o diferencia de potencial aplicado y C la capacitancia. Su unidad en el Sistema Internacional de la capacitancia es el Farad (F), el cual está en unidades de (m-2•kg-1•s4•A2). En la capacitancia, el capacitor es el elemento de uso eléctrico y electrónico que se ocupa para almacenar carga eléctrica, los hay de diferentes tipos: - Cerámico. Consta de dos pequeñas placas paralelas que están separadas por un elemento dieléctrico que impide la conducción entre estas, su forma común es la de una lenteja y su construcción es cerámica. - Electrolítico. Puede constar de dos placas, pero comúnmente está conformado por dos laminillas que se rodean mutuamente en forma de rollo; el elemento dieléctrico es mica o algún plástico. Todo el arreglo se encuentra sumergido en una solución que puede modificar el funcionamiento del capacitor. En este caso, los capacitores electrolíticos a Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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diferencia de los cerámicos, cuentan con una polarización y se encuentran dentro de un almacenaje metálico parecido a un bote. Figura. 1.13 Símbolo de un capacitor cerámico y electrolítico respectivamente. Nota: En el símbolo del capacitor electrolítico ha de añadirse un signo positivo a la izquierda de este para indicar su polarización. Si es el caso de un capacitor variable, ya no muy usados, ha de añadirse una flecha en diagonal para indicar tal caso.

La mayoría de las instalaciones eléctricas en la industria y en los hogares cuentan mayormente con bobinas, esto implica el retraso de la fase de intensidad con respecto a la de tensión y acarrea un mayor cobro por energía eléctrica. La forma más económica de realizar una ajuste es el uso de capacitores ya que estos adelantan la fase de intensidad. Dado que el capacitor almacena energía eléctrica, este puede liberarla gradualmente y cuando sea necesario, todo depende de sus características. En una primera distinción se tiene:

Figura. 1.14 - En

el primer caso , las características de la corriente alterna no se ven afectadas o están configuradas para que así se den. - En el segundo caso , la fase de intensidad (rojo) se ve adelantada y es la primera que llega a un circuito eléctrico. - El máximo ángulo de adelanto de intensidad o de atraso es de 90° ó 0,5π radianes. La liberación de la energía almacenada por el capacitor puede provocarse por un consumo externo, por un corto circuito, por tendencias de las ondas de la energía eléctrica (descarga), etc. En una analogía, un capacitor puede describirse como un deposito lleno de agua que se va quedando vacío a conforme se necesite pero que está siendo alimentado constantemente por un flujo uniforme. Un uso que saca ventaja de esta situación es el de rectificación de ondas eléctricas, el funcionamiento sería el siguiente: - Supóngase un capacitor electrolítico conectado con su terminal negativa al neutro de una alimentación de ac, mientras que la terminal positiva se encuentra conectada al cátodo de un diodo que sólo deja circular la parte positiva de la onda. De lo que se obtendría en el cátodo del diodo:

-

Figura. 1.15 El capacitor se va cargando uniformemente a conforme avance la onda hasta llegar al valor máximo de esta, cuando esto sucede, el capacitor empieza a descargarse y a liberar energía eléctrica hacía el circuito en que esté conectado. Cuando nuevamente aparece la onda, el capacitor vuelve a cargarse a partir de determinado valor y el ciclo se repite de nuevo. De lo que se obtendría después del capacitor (aproximadamente):



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Figura. 1.16 - La

descarga y el tiempo en que sucede esta hasta llegar a un valor mínimo depende de las características del capacitor (considérese lo dicho con respecto a la capacitancia). - Nótese que la onda no quedo rectificada, pero los fundamentos básicos de cómo se hace tal acción han sido explicados. Inductancia eléctrica. Cuando existe un flujo de energía eléctrica de un extremo a otro en un conductor se genera un campo electromagnético que puede afectar el como se da la energía eléctrica con respecto a su intensidad. Esta generación de campo existe en todas las configuraciones posibles y formas que se le den al cable o al alambre, pero una muy útil y que “concentra” más tal campo es la inductancia o bobina , esta es formada por el arrollamiento en espiral de algún conductor, el cual está aislado por un barniz que no permite la conducción de electricidad en el punto en que las espiras hacen contacto físico. Idealmente la inductancia no tiene resistencia, y el núcleo, o espacio entre sus espiras, es nulo o de aire. Su simbología en diagramas es la siguiente: Figura. 1.17 Símbolo de una inductancia. Las bobinas pueden trabajar con conductores unidos a su estructura a determinadas vueltas, en este arreglo se dice que existen derivaciones. Estas se utilizan para obtener “muchas bobinas” de una sola. En circuitos de corriente alterna, al existir un campo electromagnético en condiciones de que exista una fase de tensión y una de intensidad, habrá un flujo alternado por la estructura de la bobina y se obtendrá algo interesante; la fase de intensidad se verá retrasada un cierto ángulo con respecto a la de tensión, esto quiere decir que un circuito percibirá primeramente la fase de tensión, y en un intervalo de tiempo después, la de intensidad. Esto provocará que el circuito consumidor de energía eléctrica tendrá un consumo mayor. Cuando lo anterior sucede, se tiene la existencia de un factor de potencia, este es el ángulo existente entre la fase de tensión y la de intensidad, tiene valores que van de 0 a 1, entre más cerca esté del 1, será mejor. Téngase la siguiente situación:

Figura. 1.18 - En

el primer caso no existe una bobina que afecte la corriente alterna, o el arreglo está configurado de tal manera de que la fase de intensidad coincida con la de tensión.



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En segundo lugar , se puede ver que la fase de intensidad (rojo) está retrasada con respecto a la de tensión, de manera práctica este es el mayor desfase posible entre la intensidad y el tensión. Esto sucede cuando se añaden inductancias y el retraso se hace gradualmente. - Por lo tanto, se puede decir que la inductancia es un elemento pasivo que almacena energía en forma de campo, por lo que sucede tal situación de retraso. -

La unidad en el Sistema Internacional para la inductancia es el Henry (H), el cual está en unidades de (m2•kg•s-2•A-2 ).



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RESULTADOS DE APRENDIZAJE

(Demostración de habilidades parciales) 1.1.1 El alumno enunciará los conceptos eléctricos básicos empleados en la electrónica. Tomando como base la teoría presentada hasta el momento, definir los siguientes conceptos, indicando además sus unidades básicas. a) Intensidad eléctrica. b) Tensión eléctrica. c) Resistencia eléctrica. d) Potencia eléctrica. e) Capacitancia eléctrica. f) Inductancia eléctrica.



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PRÁCTICA PARCIAL Investigación In1 In1. Investigar la aplicación de los conceptos eléctricos en la electrónica. El trabajo de investigación deberá ser desarrollado por un grupo de estudiantes no mayor a cuatro, y consiste en los siguiente: “Investigar: a) algunas aplicaciones de los elementos pasivos (resistencia, capacitancia e inductancia) en la electrónica, donde a su vez se vea el uso de los conceptos de tensión, intensidad de corriente y potencia eléctrica., y b) concepto de corriente alterna (ac), corriente directa (dc) y corriente continua (cc). Deberá ser entregado un reporte escrito de la investigación, de acuerdo al siguiente formato: - Portada. - Índice. - Introducción. - Desarrollo de la investigación. - Resultados. - Conclusiones individuales. - Bibliografía. Finalmente, el profesor de la asignatura seleccionará al azar uno de los trabajos de investigación y pedirá a los estudiantes, exponerlo frente a sus demás compañeros.”



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EVIDENCIA PARCIAL LISTA DE COTEJO Ta1 EVIDENCIA

Sí

No

¿El trabajo de investigación cubrió los puntos solicitados por el profesor? ¿Se pudo ver calidad en el trabajo de acuerdo a lo requerido? ¿Quedo claro para el alumno los conceptos eléctricos básicos en la electrónica? ¿El alumno comprendió las diferencias existentes entre la corriente continua, directa y alterna? ¿Fue efectiva la exposición del trabajo seleccionado?



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CRITERIO DE APRENDIZAJE: 1.2 Definir electrónica digital y electrónica analógica. En los últimos tiempos se ha producido un crecimiento explosivo de la electrónica “digital” que presenta numerosas ventajas respecto a las técnicas analógicas. Sin embargo, muchas señales son por son por naturaleza “analógicas”. Por ejemplo: las que representan sonido, temperatura, velocidad, presión, humedad relativa y en general medidas o tamaños físicos. Por otro lado, las señales de tipo “digital” pueden ser: los estados de un semáforo, de un interruptor, en apagado/encendido de una lámpara, arranque /paro de un motor, etc. Una señal analógica es aquella que sufre una variación continua en amplitud a lo largo del tiempo (infinitos valores). En tanto, que una señal digital presenta magnitudes discretas con número finito de valores. La siguiente figura, nos muestra la interrelación entre las señales digitales y analógicas, específicamente, dentro de un sistema de adquisición de datos:

Figura. 1.19 El término “Analógico” se refiere a las magnitudes o valores que varían con el tiempo en forma continua como la distancia y la temperatura. Su modelo matemático que la describe es una función continua, por tanto transporta una información analógica, esto es, puede tomar infinitos valores con respecto al tiempo (figura 1.20):

Figura. 1.20 Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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En tanto, El término “digital” se refiere a cantidades discretas como la cantidad de personas en un una sala, cantidad de libros en una biblioteca, cantidad de autos en una zona de estacionamiento, etc. Por tanto, el modelo matemático que la describe es una función que sólo puede tomar un conjunto finito de valores, por tanto, transporta una información digital, comúnmente conocida como señal digital binaria (figura 1.20):

Figura. 1.21 El proceso que consiste en convertir una señal o variable analógica en digital se denomina digitalización. Y a manera de ejemplo, en la siguiente figura se muestra la digitalización de una señal analógica sinusoidal con una resolución de 3 bits.

Figura. 1.22 En la vida cotidiana el tiempo se representa en forma analógica por relojes, y en forma discreta (digital) por display’s digitales. La electrónica moderna usa electrónica digital para realizar muchas funciones que antes desempeñaba la electrónica analógica. Un ejemplo muy evidente y de moda de ésto es, por ejemplo, el hecho de que la música, que actualmente se graba en discos compactos (CD's), ha sido previamente convertida a formato digital. El equipo creado para reproducir la música grabada de esta manera está llena de circuitos lógicos digitales. A diferencia, los discos de acetato (los discos de 45 RPM y LP de color negro) utilizaban una aguja que recorría los surcos en el disco para poder reproducir la música grabada en forma analógica. Nadie duda de la calidad de los discos compactos de hoy, pues tienen un sonido excelente. Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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(Demostración de habilidades parciales) 1.2.1 El alumno enunciará las principales diferencias entre la electrónica analógica y digital. Tomando como base la teoría presentada hasta el momento, señale algunas diferencias entre la electrónica analógica y digital.



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PRÁCTICA PARCIAL Tarea Ta1 Ta1. Aplicaciones de la electrónica analógica y digital. El trabajo de es individual y consiste en lo siguiente: “Buscar algunas aplicaciones de la electrónica analógica y digital, describiendo circuitos con su explicación. Deberá ser entregado un reporte escrito de esta tarea, de acuerdo al siguiente formato: - Portada. - Introducción. - Desarrollo de la tarea. - Conclusiones individuales. - Bibliografía. Finalmente, el profesor de la asignatura seleccionará al azar dos de los trabajos de tarea y pedirá a los estudiantes, exponerlo frente a sus demás compañeros.”



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EVIDENCIA PARCIAL LISTA DE COTEJO Ta1 EVIDENCIA

Sí

No

¿La tarea cubrió lo requerido por el profesor? ¿El contenido del trabajo fue bueno y efectivo? ¿Quedo claro para el alumno la diferencia entre electrónica analógica y digital? ¿Fue efectiva la exposición de los trabajos seleccionados?



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TEMA 2 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

OBJETIVO DE APRENDIZAJE: 2. Explicar el principio de operación de los principales instrumentos de medición usados en la electrónica.

CRITERIO DE APRENDIZAJE: 2.1 Describir los principios de funcionamiento de un multímetro, un osciloscopio y un generador de funciones. Los instrumentos electrónicos se dividen en dos tipos: Analógicos y Digitales . Los primeros trabajan con variables continuas, mientras que los segundos lo hacen con variables discretas. Por ejemplo: un tocadiscos es un equipo analógico y un Compact Disc es un equipo digital.

Multímetro. El multímetro es un dispositivo electromagnético, que funciona bajo el principio del galvanómetro en los primeros multímetros (analógicos), y en los cuales se cuenta con un convertidor analógico-digital lo cual hace posible visualizar las mediciones en display (digital). En la siguiente figura se muestran ambos tipos:

a) Analógico

Figura. 1.23

b) Digital

Las magnitudes eléctricas que puede medir este instrumento normalmente son tensión eléctrica en directa (dc) y alterna (ac), corriente eléctrica en directa y alterna, resistencia eléctrica, y en algunos modelos es posible medir capacitancia, frecuencia, transistores (hfe o β , e identificar sus terminales) y diodos (identificación de terminales). Esto se muestra en la siguiente figura. Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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Directa

Tensión eléctrica (Volt - V). Corriente eléctrica (Ampere – A).

Alterna

Tensión eléctrica (Volt - V). Corriente eléctrica (Ampere - A).

Corriente Eléctrica

Resistencia Eléctrica (Ohm - Ω) Capacitancia (Farad – F) Frecuencia (Hertz – Hz)

Figura. 1.24

Este instrumento es empleado para la medición de condiciones eléctricas de un circuito o sistema eléctrico y/o electrónico, para lo cual se configura de tres formas básicas: como vóltmetro, ampérmetro y óhmetro (figura 1.25). El vóltmetro es habitualmente un instrumento de resistencia muy elevada que medirá la diferencia de potencial en volt entre dos puntos cualesquiera del circuito sin que absorba prácticamente corriente del mismo. Para efectuar esta medida se coloca en paralelo entre los puntos cuya diferencia de potencial se desea medir. El ampérmetro se construye dé modo que ofrezca una resistencia tan pequeña como sea posible a la corriente que mide en ampere. En tanto que el óhmetro es un instrumento proyectado para medir la resistencia que ofrece un circuito en ohm.

Figura. 1.25



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Ahora bien, ¿cuál es el procedimiento para hacer mediciones de tensión, intensidad de corriente y resistencia eléctrica en un multímetro digital? A continuación se describe brevemente el proceso a seguir: • Para realizar la medición de tensión eléctrica: - Se selecciona, en el multímetro que estemos

utilizando, la unidad (volt - V). Revisar que los cables rojo y negro estén conectados correctamente. El rojo es positivo (+) y el negro es negativo ( –). - Se selecciona la escala adecuada, si tiene selector de escala (si no se tiene idea de que magnitud de tensión eléctrica se va a medir, escoger la escala mas grande). Si no tiene selector de escala seguramente el multímetro escoge la escala automáticamente. - Se conecta el multímetro a los extremos del componente (en paralelo) y se obtiene la lectura en la pantalla. Si la lectura es negativa significa que la tensión eléctrica en el componente medido tiene la polaridad al revés de la que se supuso (normalmente en los multímetros el cable rojo debe tener la tensión más alta que el cable negro).

• Para realizar la medición de intensidad de corriente eléctrica: - Se selecciona, en el multímetro que estemos utilizando, la unidad

(ampere - A). Revisar

que los cables rojo y negro estén conectados correctamente. - Se selecciona la escala adecuada, si tiene selector de escala (si no se tiene idea de que magnitud de tensión eléctrica se va a medir, escoger la escala mas grande). Si no tiene selector de escala, seguramente el multímetro escogerá la escala automáticamente. - Para medir una corriente con el multímetro, éste tiene que ubicarse en el paso de la corriente que se desea medir. Para esto se abre el circuito en el lugar donde pasa la corriente a medir y se conecta el multímetro en serie. Si la lectura es negativa significa que la corriente en el componente, circula en sentido opuesto al que se había supuesto (normalmente se supone que por el cable rojo entra la corriente al multímetro y por el cable negro sale).

• Para medir la resistencia eléctrica: - Se selecciona en el multímetro la unidad

(ohm - Ω). Revisar que los cables rojo y negro

estén conectados correctamente. - Se selecciona la escala adecuada, si tiene selector de escala (si no se tiene idea de que magnitud de tensión eléctrica se va a medir, escoger la escala mas grande). Si no tiene selector de escala seguramente el multímetro escoge la escala automáticamente. - Para medir el valor de un resistor con el multímetro, éste tiene que ubicarse con las puntas en los extremos del elemento a medir (en paralelo) y se obtiene la lectura en la pantalla.

Osciloscopio. El osciloscopio no es mas que un instrumento para la visualización de señales eléctricas en el dominio del tiempo. En otras palabras, se pueden ver formas de onda en él. La mayoría de los usos pueden no ser obvios, pero si posee uno, probablemente piense que es uno de los elementos mas usados. El osciloscopio, de rayos catódicos, es uno de los instrumentos electrónicos normalmente más utilizados (figura 1.26). Básicamente se define como un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. Trabaja basándose en el principio de un haz electrónico que “pinta” sobre una pantalla con recubrimiento de fósforo de un tubo de rayos catódicos. Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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Figura 1.26 Osciloscopio digital. La pantalla tiene la forma de un gráfico bidimensional que muestra cómo la señal varía con el tiempo o con alguna otra señal. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y, representa la tensión eléctrica, mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo (figura 1.27).

Figura 1.27 Ejemplo de una señal adquirida por el osciloscopio. El osciloscopio es, esencialmente, una forma particular de vóltmetro. Sin embargo, componentes adicionales hacen posible la utilización del osciloscopio como algo más que un vóltmetro con pantalla. Con un osciloscopio podemos hacer varias cosas: • Determinar directamente el periodo y la tensión eléctrica de una señal. • Determinar indirectamente la frecuencia de una señal. • Determinar que parte de la señal es dc y cual ac. • Localizar averías en un circuito. • Medir la fase entre dos señales. • Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo. Los osciloscopios son de los instrumentos más versátiles que existen y lo utilizan desde técnicos de reparación de televisores hasta médicos. Un osciloscopio puede medir un gran número de fenómenos, provisto del transductor adecuado (un elemento que convierte una magnitud física en señal eléctrica) será capaz de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc. Pueden ser analógicos ó digitales . Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, está una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analógicodigital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla. Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriamente). A continuación, se presenta un básico, aunque ficticio, osciloscopio (figura 1.28):

Figura 1.28 Panel frontal de un osciloscopio. Este es un osciloscopio de dos trazos (o haces), donde sus controles básicos son: a) Vertical o VOLT/DIV, que nos ayuda a seleccionar la amplitud deseada. b) Horizontal o TIME/DIV, encargado de seleccionar la velocidad con la que el trazo se desplaza en la pantalla. c) Disparo o TRIGGER, que es donde se selecciona la fuente de disparo. d) Brilo o Bright, el cual girando su cursos se ajusta la intensidad de la pantalla. e) Foco o Focus, donde si lo giramos, se ajusta el foco del trazo sobre la pantalla. f) Grat, encargado de iluminar una cuadrícula o grilla que facilita la visualización de la señal. g) Trazo oTrace, que tiene como función seleccionar la señal a trazar en la pantalla. h) Nivel de disparo o TRIGGER LEVEL, encargado de seleccionar el punto de la onda utilizado para disparar. i) Nivel de entrada o INPUT LEVEL, el cual ajusta el nivel de la entrada. j) Posición o POS (Position), que establece la posición del trazo en la pantalla. El instrumento dispone de un conector de entrada para cada canal (A o B), situado en el frente del mismo. Pero aunque actualmente existen otro tipo de osciloscopios con más controles que los mencionados hasta ahora, éstos son los básicos y por ello, se tratará de cubrirlos un poco más. BRIGHT (Brillo). Controla la intensidad lumínica de la pantalla .

Esto es muy útil ya que los osciloscopios (a diferencia de las computadoras) no disponen de salvapantallas. Entonces, si deja un trazo brillante en la pantalla durante tiempos muy largos, puede suceder que esa imagen quede “quemada” sobre la superficie fluorescente del tubo quedando permanentemente visible, incluso con el instrumento apagado. Si desea (o necesita) dejar el instrumento conectado mucho tiempo con una señal estática será necesario bajar el brillo del trazo al mínimo para evitar este inconveniente. Cabe aclarar que la superficie quemada está en el interior del tubo, no pudiendo ser reparado de ninguna forma.



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FOCUS (Foco). Este mando permite ajustar la definición del trazo . Un trazo fuera de foco se ve difuso y poco definido, mientras que un trazo enfocado correctamente permite una clara y rápida visualización. GRATicule. Este control permite iluminar una escala (o grilla) que facilita la medición de la señal visualizada. Usualmente es una película plástica colocada sobre la superficie del tubo la cual está dibujada con una matriz de cubos de 1 cm cuadrado, generalmente con líneas punteadas. Comparando la matriz con la forma de onda, es posible efectuar la medida tanto de tensión como de frecuencia. Si el control es apagado la grilla no será visible. TRACE. También llamado “CHANNEL”, este mando permite seleccionar el trazo a mostrar en la pantalla . Estas son las opciones mas usuales junto con su explicación: • A: Sólo se muestra el trazo de la señal A. • B: Sólo se muestra el trazo de la señal B. • A+B: Se muestran tanto la señal A como la señal B (en dos trazos). • ADD: Las dos entradas de señal son sumadas y mostradas en un único trazo. TRIGGER LEVEL (nivel de disparo). Un trazo que exhibe una forma de onda sin el uso del TRIGGER (o disparador) se desplaza de forma similar que lo hace un sistema de TV cuando su sistema de traba horizontal está desajustado. El trigger detiene el trazo de una señal , hasta que una determinada parte de la forma de onda aparezca. Esto produce que el tubo se borre exactamente en el punto adecuado de la forma de onda para que ésta parezca estacionaria o quieta en un mismo lugar, facilitando su comprensión. Este control, por consiguiente, permite establecer el punto de la forma de onda donde debe actuar. TRIGGER SELECTOR (selector de disparo). Selecciona el origen de la señal de disparo . La mayoría de los instrumentos de dos trazos pueden ser disparados tanto desde el canal A como el B. Algunos mas complejos, disponen de la facilidad de disparar desde una señal externa, en cuyo caso un conector (usualmente rotulado TRIGGER) permite ingresar dicho impulso. TIMEBASE. La velocidad con la que se dibuja un trazo en la pantalla del tubo puede ser ajustada con el control TIMEBASE o base de tiempo . Este está calibrado en segundos (s), milisegundos (ms=0,001s) o microsegundos (µs = 0,000 001s). INPUT LEVEL. Ajusta el nivel de entrada de cada canal permitiendo que el trazo complete la totalidad de la pantalla. Este es un selector calibrado en Volt por centímetro (V/cm). Dado que este mando se ajusta de acuerdo a la magnitud de la señal de entrada, un ajuste sobre el intervalo hará que la señal mostrada sea imperceptible, pero ajustarlo bajo la escala puede dañar los circuitos de entrada del instrumento. De todas formas los equipos actuales disponen de protección contra este tipo de inconvenientes. Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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POSITION (posición). Establece la posición vertical del trazo en la pantalla permitiendo facilitar la lectura de la señal. Por ejemplo, puede establecer de cero volt a la posición central de la grilla para medir ac, o al pié de la pantalla para medir dc. La impedancia de las entradas de un osciloscopio es muy alta para evitar cargar el circuito bajo prueba (similar al vóltmetro). La mayoría de los osciloscopios disponen de un interruptor ac/dc en la entrada de cada canal. Cuando lo coloca en dc, el trazo del canal se mueve arriba o abajo en una distancia proporcional a la tensión de dc en la entrada. Si lo coloca en ac, los componentes dc son quitados de la señal permitiéndole ver únicamente la componente ac de la misma. Esta función es muy útil cuando se desea medir el nivel de ripple (rizado) de una fuente de alimentación. Un buen ejercicio sería, implementar el experimento de abajo para entender mejor lo explicado en el párrafo anterior:

Figura 1.29 Entradas en un osciloscopio. Aquí, el osciloscopio tiene conectadas sus dos entradas a la salida de una fuente común de 12 Vdc. El trazo B está a 5 V/cm dc y solo se ve una línea. La línea horizontal puede ser movida hacia arriba sólo 2 cm, pero siempre está quieta y sin desviaciones. El trazo A está en ac (dc bloqueada), y la sensibilidad de entrada está en 1 mV/cm. La componente dc de la señal puede dar una deflexión de 1 200 cm pero justamente esa componente está bloqueada. Así, el rizado de bajo nivel puede ser observado claramente. En la práctica, con el circuito mostrado, es muy probable que extremadamente poco o nada de rizado sea visible, pero cuando la fuente de alimentación es cargada el rizado comienza a verse claramente, dependiendo de la calidad de la fuente y de los valores de sus componentes. Esto es muy interesante para ver que la frecuencia del rizado ronda los 100 Hz o 10 ms relativo a los picos. Esto es causado por el rectificador de onda completa. El selector TIMEBASE es muy posible que tenga una posición XY, incluso los equipos mas económicos. Esto puede ser usado para una variedad de nuevas funciones como: • Figuras de Lisajous: mediciones de frecuencia muy precisas. • Otros equipos: tales como wobuladores y analizadores. • Modulación en transmisores HF: rápido y conveniente. La posición XY del selector TIMEBASE desconecta el generador interno que desplaza el punto o barrido a través de la pantalla. Es ahora la entrada de señal B la encargada de hacer eso, mientras que la entrada A se encarga del desplazamiento vertical. Para otro ejercicio interesante, conecte dos puntas de prueba a CHAN-A y CHAN-B. Luego, sostenga con sus manos por la parte metálica ambas puntas. Verá la misma basura que vio en la experiencia anterior, pero esta vez hay diferencia entre ambas señales. Esto resulta mucho mejor si dos personas sostienen uno cada punta de medición. Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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Si ambas señales son exactamente idénticas, entonces el punto se moverá hacia arriba y hacia la derecha y luego hacia abajo y hacia la izquierda. Esto causará una línea diagonal a través de la pantalla. El círculo se produce cuando ambas señales tienen exactamente la misma frecuencia, pero diferente forma de onda o fase. Si ambas señales son perfectas ondas seno y diferenciadas exactamente por 90 grados de fase se producirá la siguiente visualización:

Figura 1.30 Si tiene acceso a un generador de onda seno de AF, conecte un circuito RC a una de las entradas y un circuito CR a la otra. Vería entonces lo siguiente:

Figura 1.31 Observará que la forma de la figura cambia en función de la frecuencia de la señal. Si la fase cambiara constantemente (ligeramente en diferentes frecuencias) vería un bloque cuadrado formado por una imagen en movimiento cambiando de izquierda - una línea inclinándose a la izquierda - un círculo - una línea inclinándose a la derecha - otro círculo - y volvería a la línea inclinándose a la izquierda nuevamente. Si ambas ondas seno difieren en frecuencia en una relación 2:1 vería una figura como la siguiente:

Figura 1.32 Puede notar que en plano vertical (eje Y = CHAN 2) hay sólo un pico, pero en el plano horizontal (eje X = CHAN 1) hay dos. CHAN 1 tiene, por consiguiente, el doble de la Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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frecuencia de CHAN 2. Con otras combinaciones de frecuencias la forma de onda obtenida se vuelve mas compleja, puede experimentar con relaciones de 3:2, 8:3, 2:5, etc. Finalmente, un punto importante en los osciloscopios, son las puntas de prueba. Éstas, pueden comprarse ya armadas o adquirir los materiales separadamente y ensamblarlas. Lo recomendable en estos casos es invertir un poco mas y comprar puntas armadas y de una calidad aceptable, ya que son las encargadas se conducir las señales desde el circuito bajo prueba hacia el osciloscopio. Una de las alternativas mas comunes en puntas comerciales son los divisores resistivos de tensión que permiten incrementar el rango de trabajo del instrumento. Desafortunadamente son hechas con cable coaxial, lo cual las vuelve poco accesibles (a decir verdad no hay puntas de osciloscopio baratas). El cable coaxial posee capacitancia, por consiguiente esa capacitancia es colocada a través de cualquier señal dentro de su costoso instrumento y hace efecto en la señal mostrada. Considere un simple divisor de tensión resistivo utilizando cable coaxial (caso A); como el que se muestra abajo.

Figura 1.33 Aquí vemos que el resistor de 1MΩ es colocado en serie con un capacitor (el propio cable coaxial) que forma un filtro pasa-bajos de 6dB/octava. Una forma de onda cuadrada típicamente es como se muestra en el gráfico de abajo (trazo A), pero con la punta mencionada puede verse como el trazo C. Si en paralelo con el resistor de 1MΩ se coloca un pequeño capacitor, como en el circuito B, esto lograría corregir la situación, pero el valor de ese capacitor es extremadamente crítico. Si es demasiado pequeño la forma de onda lograda se vería como el trazo C. si fuese demasiado grande se vería como el trazo B.

Figura 1.34 Si el capacitor de corrección es adecuadamente seleccionado la forma de onda se vería tal como la traza A. Algunos osciloscopios tienen una salida de señal de onda cuadrada cuya frecuencia es de 1 kHz para calibración y pruebas. Usualmente es de 1VPP (volt pico a pico). Si el instrumento no dispone de esta salida, puede hacerse utilizando un circuito integrado CD4060 como oscilador/divisor partiendo de un cristal de cuarzo de 8 192 kHz (8,192 MHz), tal como se muestra en la siguiente figura:



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Figura 1.35

Generador de funciones. Un generador de funciones (Figura 1.36) es un aparato electrónico que produce ondas senoidales, cuadradas y triangulares, además de crear señales TTL (niveles lógicos binarios: 0 ó 1). Sus aplicaciones incluyen pruebas y calibración de sistemas de audio, prueba de circuitos electrónicos, etc. Trabajan en intervalos de frecuencias altos (comúnmente encontramos en el mercado de 0,2 Hz a 5 MHz). También cuenta con una función de barrido la cual puede ser controlada tanto internamente como externamente con un nivel de dc. El ciclo de máquina, nivel de offset en dc, intervalo de barrido y la amplitud y ancho del barrido pueden ser controlados por el usuario.

Figura 1.36 Generador de funciones. Sus principales controles son los siguientes: a) Botones de funciones (comúnmente el de las señales que genera). b) Botones de intervalos de frecuencias de trabajo. c) Control de frecuencia de trabajo. d) Control de amplitud de la señal de trabajo. e) Offset en dc. f) Conector de salida principal. g) Conector de la salida TTL. A continuación, se detallarán los paneles frontal y posterior de un generador de funciones estándar, en este caso, el CFG250 de la marca Tektronix. En cada uno de ellos, se describirá brevemente cada uno de los botones y conectores, para entender su funcionamiento y hacer buen uso del instrumento.



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Controles, conectores e indicadores (Parte Frontal)

Figura 1.37 Panel frontal. 1. Botón de Encendido (Power button). Presionando este botón, se enciende el generador de funciones. Pero si se vuelve a presiona este botón nuevamente, el generador se apaga. 2. Luz de Encendido (Power on light). Si la luz está encendida significa que el generador esta encendido. 3. Botones de Función (Function buttons). Los botones de onda senoidal, cuadrada o triangular determinan el tipo de señal provisto por el conector en la salida principal. 4. Botones de Intervalo (Range buttons). Esta variable de control en Hz determina la frecuencia de la señal del conector en la salida principal. 5. Control de Frecuencia (Frecuency Control). Esta variable de control determina la frecuencia de la señal del conector en la salida principal tomando en cuenta también el intervalo establecido en los botones de intervalo. 6. Control de Amplitud (Amplitude Control). Esta variable de control, dependiendo de la posición del botón de tensión de salida (VOLTS OUT), determina el nivel de la señal del conector en la salida principal. 7.

Botón de intervalo de tensión de salida (Volts Out range button). Presionando este botón, se puede controlar el intervalo de amplitud de 0 a 2 V PP en circuito abierto o de 0 a 1 VPP con una carga de 50 W . Vuelve a presionar el botón para controlar el intervalo de amplitud de 0 a 20 V PP en circuito abierto o de 0 a 10 V PP con una carga de 50W.

8. Botón de inversión (Invert button). Si se presiona este botón, la señal del conector en la salida principal se invierte. Cuando el control de ciclo de máquina esta en uso, el botón de inversión determina que mitad de la forma de onda a la salida va a ser afectada. La siguiente tabla, muestra esta relación:

Figura 1.38 Formas de onda. Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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9. Control de ciclo de máquina (Duty control). Jalando este control, se activa esta opción. 10. Offset en DC (DC Offset). Jalando este control, se activar esta opción. Este control establece el nivel de dc y su polaridad de la señal del conector en la salida principal. Cuando el control esta presionado, la señal se centra a 0 VDC. 11. Botón de Barrido (SWEEP button). Presionando el botón, se puede hacer un barrido interno. Este botón activa los controles de intervalo de barrido y de ancho del barrido. Si se vuelve a presionar este botón, el generador de funciones puede aceptar señales desde el conector de barrido externo (EXTERNAL SWEEP) localizado en la parte trasera del generador de funciones. 12. Intervalo de Barrido (Sweep Rate). Este control ajusta el intervalo del generador del barrido interno y el intervalo de repetición de la compuerta de paso. 13. Ancho del Barrido (Sweep Width). Este control ajusta la amplitud del barrido. 14. Conector de la salida principal (MAIN output connector). Se utiliza un conector BNC para obtener señales de onda senoidal, cuadrada o triangular. 15. Conector de la salida TTL (SYNC (TTL) output connector). Se utiliza un conector BNC para obtener señales de tipo TTL. Controles, conectores e indicadores (Parte Posterior)

Figura 1.39 Parte trasera. 1R. Fusible (Line Fuse). Provee de protección por sobrecargas o mal funcionamiento del equipo. 2R. Entrada de alimentación (Power Input). Conector de entrada para el cable de alimentación. 3R. Conector de entrada para barrido externo (External Sweep Input Connector). Se utiliza un conector de entrada tipo BNC para controlar la tensión del barrido. Las señales aplicadas a este conector controlan la frecuencia de salida cuando el botón de barrido no está presionado. El intervalo total de barrido es también dependiente de la frecuencia base y la dirección deseada del barrido. 4R. Selector de tensión (Line Voltaje Selector). Estos selectores conectan la circuitería interna para distintas entradas de alimentación. Un punto importante en los generadores de funciones, son las formas de ondas que manejan y sus características. Éstas se pueden clasificar las ondas en los cuatro tipos siguientes: Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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• Ondas senoidales. • Ondas cuadradas y rectangulares. • Ondas triangulares y en diente de sierra. • Pulsos y flancos ó escalones. • Ondas senoidales.

Onda senoidal. Son las ondas fundamentales y eso por varias razones: Poseen unas propiedades matemáticas muy interesantes (por ejemplo con combinaciones de señales senoidales de diferente amplitud y frecuencia se puede reconstruir cualquier forma de onda), la señal que se obtiene de las tomas de corriente de cualquier casa tienen esta forma, las señales de prueba producidas por los circuitos osciladores de un generador de señal son también senoidales, la mayoría de las fuentes de potencia en ac producen señales senoidales. La señal senoidal amortiguada (Figura 1.40) es un caso especial de este tipo de ondas y se producen en fenómenos de oscilación, pero que no se mantienen en el tiempo.

Figura 1.40 Señal senoidal. Ondas cuadradas y rectangulares. Las ondas cuadradas (figura 1.41) son básicamente ondas que pasan de un estado a otro de tensión, a intervalos regulares, en un tiempo muy reducido. Son utilizadas usualmente para probar amplificadores (esto es debido a que este tipo de señales contienen en si mismas todas las frecuencias). La televisión, la radio y los ordenadores utilizan mucho este tipo de señales, fundamentalmente como relojes y temporizadores. Las ondas rectangulares se diferencian de las cuadradas en no tener iguales los intervalos en los que la tensión permanece a nivel alto y bajo. Son particularmente importantes para analizar circuitos digitales.

Figura 1.41 Señal cuadrada y rectangular. Ondas triangulares y en diente de sierra. Se producen en circuitos diseñados para controlar tensiones linealmente, como pueden ser, por ejemplo, el barrido horizontal de un osciloscopio analógico ó el barrido tanto horizontal como vertical de una televisión. Las transiciones entre el nivel mínimo y máximo de la señal cambian a un ritmo constante. Estas transiciones se denominan rampas . Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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La onda en diente de sierra es un caso especial de señal triangular con una rampa descendente de mucha más pendiente que la rampa ascendente (figura 1.42).

Figura 1.42 Señal triangular y diente de sierra. Pulsos y flancos ó escalones. Señales, como los flancos y los pulsos, que solo se presentan una sola vez, se denominan señales transitorias (figura 1.43). Un flanco ó escalón indica un cambio repentino en el voltaje, por ejemplo cuando se conecta un interruptor de alimentación. El pulso indicaría, en este mismo ejemplo, que se ha conectado el interruptor y en un determinado tiempo se ha desconectado. Generalmente el pulso representa un bit de información atravesando un circuito de un ordenador digital ó también un pequeño defecto en un circuito (por ejemplo un falso contacto momentáneo). Es común encontrar señales de este tipo en ordenadores, equipos de rayos X y de comunicaciones.

Figura 1.43 Señal tipo flanco o pulso. Finalmente, se describirán las medidas básicas en las formas de onda. Periodo y Frecuencia. Si una señal se repite en el tiempo, posee una frecuencia (f). La frecuencia se mide en Hertz (Hz) y es igual al numero de veces que la señal se repite en un segundo, es decir, 1 Hz equivale a 1 ciclo por segundo (figura 1.44). Una señal repetitiva también posee otro parámetro: el periodo (T), definiéndose como el tiempo que tarda la señal en completar un ciclo. Por tanto, periodo y frecuencia son recíprocos el uno del otro, esto es: f =


1 T

..........

(1)


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Figura 1.44 Ejemplificación de periodo y frecuencia. Tensión eléctrica. Es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito. Normalmente uno de esos puntos suele ser masa (GND, 0 V), pero no siempre. Por ejemplo, se puede medir la tensión pico a pico de una señal (VPP) como la diferencia entre el valor máximo y mínimo de esta. La palabra amplitud significa generalmente la diferencia entre el valor máximo de una señal y GND.



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(Demostración de habilidades parciales) 2.1.1 El alumno operará los instrumentos básicos de medición en mediciones de resistencia, tensión y corriente eléctrica, así como la generación y mediciones de formas de onda. 1. Considerando el siguiente circuito, se desea medir la resistencia, tensión y corriente eléctrica (IT, I1, I2 e I3). Coloque los instrumentos de medición de forma adecuada para realizar dichas mediciones:

2. Utilizando un generador de funciones, proporcione a la entrada del siguiente circuito, una señal cuadrada con amplitud 5 VPP y frecuencia de 1 kHz. Use posteriormente el osciloscopio para medir la señal de entrada y la señal de salida. En ambos casos, medir amplitud, frecuencia, periodo, tiempo en alto y tiempo en bajo.



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Práctica Pa1 USO DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN BÁSICOS Duración: 3 horas. Objetivo. Que el alumno opere los principales instrumentos de medición empleados en la electrónica. Marco teórico. Los instrumentos básicos en la electrónica son el multímetro, el generador de funciones y el osciloscopio. Las fuentes de alimentación podrían entrar dentro de esta clasificación, pero son más bien dispositivos de apoyo para la reproducción de tensión y corriente eléctrica dentro de circuitos eléctricos. La fuente de alimentación es un aparato que convierte la corriente alterna a la continua con la tensión deseada. Sirve para alimentar circuitos de corriente continua. El multímetro sirve para medir tensiones alternas y continuas, corrientes, resistencias, etc. Los tipos de multímetros son digital y analógico. Los digitales son mejores porque la medición que señala en la pantalla digital es más exacta, pero en los analógicos tiene marcadas las medidas en la pantalla y se tienen que ver exactamente donde señala la aguja con el fin de evitar el error de paralaje y hacer mediciones más confiables. El generador de funciones sirve para entregar tensiones alternas con la frecuencia que se desee. Hay dos tipos de generador, uno tiene la pantalla digital que indica directamente los hertz que se quieren y en el otro existe una ruleta que indica unos números y abajo unos pulsadores para multiplicar por 10, 100, 1 k y 10 k el número que indica en la ruleta, con el fin de obtener la frecuencia deseada de la señal a reproducirse. Finalmente, el osciloscopio sirve para visualizar señales periódicas. De esta señal visualizada, se puede saber la tensión de pico a pico (VPP), el periodo (T) y frecuencia (f). Material. • Una fuente de alimentación con salida dual de ± 18 Vdc. • Un transformador de 127Vac a 12 V ac. • Un multímetro (analógico y digital), un generador de funciones y un osciloscopio. • Resistores varios @ 1 W. • Varios: protoboard, alambre telefónico, pinzas de punta y corte, conectores tipo

banana.

caimán y

Procedimiento. Antes de dar inicio a la práctica, verificar el buen funcionamiento de los instrumentos, que enciendan, no les haga falta fusibles y hacer los ajustes que sean necesarios. Recordar la verificación que debe hacerse en el caso de los osciloscopios. Una vez realizado lo anterior, efectuar lo siguiente: Revisión no. 0. Fecha de revisión: septiembre, 2004.


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1. Alimentar el primario del transformador con la señal de 127 Vac y medir amplitud, frecuencia y periodo de la señal de salida entre los extremos del secundario del transformador con el osciloscopio; y empleando el multímetro analógico y digital como vóltmetro y ampérmetro de corriente alterna , medir la tensión eléctrica y corriente eléctrica del primario y secundario.

2. Armar el siguiente circuito y usando un multímetro analógico y digital como óhmetro , medir la resistencia eléctrica entre los puntos a-c, b-c y a-c.

3. Usando la fuente de alimentación, aplicar a la salida una tensión de 18 Vdc a las siguientes cargas resistivas: 1,2 kΩ, 560 Ω y 390 Ω. Posteriormente, use el multímetro analógico y digital como vóltmetro y ampérmetro de corriente directa , y mida la tensión eléctrica en el resistor y la corriente eléctrica que circula a través de él. 4. Obtener con el generador de funciones, una señal senoidal de 100 Hz y una amplitud de pico a pico de 8 V sin carga y medirla en el osciloscopio. Posteriormente, conectar esta señal a un resistor de 470 Ω y medir nuevamente la señal de salida con el osciloscopio. Resultados. Anotar los resultados de las mediciones y dibujo de las formas de onda correspondientes. Bibliografía. •

Manuales de usuario de Instrumentos de medición como: multímetros digitales y analógicos, osciloscopios y generador de funciones.



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EVIDENCIA PARCIAL LISTA DE COTEJO Pa1 EVIDENCIA

Sí

No

¿El alumno efectuó la verificación pertinente en todos los instrumentos de medición? En el caso de que el osciloscopio haya requerido algún ajuste por no observarse bien la señal de prueba, ¿el alumno realizó correctamente el ajuste necesario en el instrumento para hacer una buena medición de la misma? ¿El alumno uso adecuadamente el multímetro para hacer las mediciones de tensión, corriente y resistencia eléctrica? ¿Ensamblo adecuadamente los circuitos requeridos en la práctica y colocó los instrumentos de medición en la posición correcta para su medición? ¿Midió correctamente las magnitudes de frecuencia, periodo y amplitud de las señales generadas? ¿Tuvo problemas con la generación de señales requeridas en la práctica?



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PRÁCTICA FINAL PRINCIPIOS BÁSICOS DE ELÉCTRÓNICA Duración: 4 horas. Objetivo. Que el alumno demuestre prácticamente los conceptos básicos de la electrónica y manejo efectivo de los instrumentos básicos de medición. Marco teórico. Para el desarrollo de la presente práctica, el alumno debe aplicar todos los conceptos aprendidos durante la presente unidad, así como la teoría d funcionamiento de los instrumentos de medición básica en la electrónica: • Conceptos básicos: -

Diferencia entre electrónica analógica y digital. Conceptos de tensión, intensidad de corriente, resistencia eléctrica y potencia eléctrica.

• Instrumentos

de medición:

- Multímetro. - Generador de funciones.

- Osciloscopio.

Material. Circuitos integrados varios: decodificador, multiplexor, compuertas lógicas, tiristores y transistores. • Una fuente de alimentación con salida variable y fija de +5 Vcd. • Un vóltmetro y un ampérmetro. • Varios: resistores, diodos LED, dipswitch, protoboard, pinzas de corte y punta, foco, alambre telefónico estañado y conectores varios. •

Procedimiento. 1. Considerando el siguiente circuito, indicar el tipo de señal (analógico o digital) mostrada en la pantalla del osciloscopio (Vdd = 9 Vcd).



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2. Medir con un multímetro digital y uno analógico, las magnitudes de corriente y tensión eléctrica del siguiente circuito. El valor de los resistores es de 1 kΩ.

3. Usando un multímetro digital que mida además de resistencia, capacitancia, medir la resistencia y capacitancia eléctrica equivalentes de los siguientes circuitos: 1k

1k

Req ->

1k

1k 1k

1k

1k

1k

1k

Bibliografía. • • • • •

C. Dorf, Richard. “Circuitos Eléctricos: Introducción al análisis y diseño”, Editorial Alfaomega. Tercera edición. 2000. E. Kemmerly, Jack y H. Hayt Jr., William. “Análisis de Circuitos en Ingeniería”. Editorial McGraw-Hill. Quinta edición. 1998. P. Huelsman, Lawrence. “Teoría de Circuitos”. Editorial Prentice-Hall. Boylestad, Robert. “Análisis Introductorio de Circuitos”. Editorial Prentice-Hall. Octava edición. 1998. Manuales de usuario de Instrumentos de medición como: multímetros digitales y analógicos, osciloscopios y generador de funciones.



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Introducción Y Mediciones Electricas Y Electronicas: Unidad I

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