C/ Dibujo de un circuito circuito sencillo en Multisim En este artículo consideramos que Ud. ya tiene instalado por lo menos el Multisim demo en su computadora y que ya lo tienen predispuesto según su gusto personal con respecto al entorno de trabajo (colores, norma de dibujo, ampliación, etc.). Con el contenido de este artículo, Ud. podrá: y y y y y
Procesar un determinado archivo de circuito (simularlo, corregir dibujos, etc.).
Ubicar componentes en un circuito nuevo. Cambiar las etiquetas o los colores individuales de los componentes y los nodos. nodo s. Conectar los componentes entre si. s i. circuito Adicionar texto al circuito
En este artículo lo vamos a guiar en el diseño y simulación de un circuito muy simple. Se trata de un led que se ilumina ilumina en un u n parpadeo (flash). El circuito completo puede pu ede observarse en la figura 1.
Fig.1 Circuito de un flash repetitivo
Comienzo del archivo del circuito co nstruir el circuito, circuito, corra el Multisim. Automáticamente se abre una ventana Para comenzar a construir que es el espacio de trabajo, en donde Ud. va a dibujar el circuito. La ventana tendrá una apariencia (color, tamaño, y tipo t ipo de display) correspondiente con la predisposición que Ud. haya adoptado previamente según le indicáramos en el artículo anterior. Vamos a ubicar un co mponente. Multisim posee tres base de datos de componentes, Multisim master, User y (solo para algunas ediciones) Co rporate Library. En esta entrega vamos a utilizar u tilizar solo las librerías Master. las mismas se encuentran ordenadas o rdenadas por Para ubicar fácilmente los componentes de las librerías las tipo de materiales. materiales. Por ejemplo todos los componentes pasivos se e ncuentran en la segunda gaveta de la izquierda de la pantalla (el autor auto r prefiere dar el nombre gaveta a ese casillero de la
barra de herramientas para que el lector asocie el mundo virtual del programa con el mundo real, en donde los materiales están guardados en estanterías con gavetas). res istor de 10K vaya a la estantería de materiales. A bra la gaveta de Por ejemplo para obtener un resistor materiales pasivos pulsando el segundo botón. En cuanto se abra la gaveta busque el símbolo del resistor y pulse sobre el. Luego tendrá posibilidades de elegir el tamaño (potencia) y el v alor resistivo ya que aparecerá una lista con los diferentes valores posibles. Observe que hay do s posibilidades de elección para algunos componentes pasivos; hay un botón con fondo gris claro y otro con fondo verde oscuro.
Fig.2 Elección de componentes virtuales y reales Los componentes en verde oscuro son lo llamados ³virtuales´ y los otros ³reales´. La diferencia entre ambos es realmente sutil. y
y
Los reales no pueden tener cualquier valor sino aquellos valores indicados en la tabla que corresponden a la serie del 5%. Los virtuales tienen siempre un valor inicial de 1kȍ (por supuesto que luego de pegarlos en el circuito se pueden modificar a voluntad y por valores que no correspondan a las series reales).
Por lo tanto un resistor virtual de 1kȍ y otro real de 1kȍ no se diferencian en nada luego de
conectarlos al circuito salvo que si Ud. quiere cambiar el valor del ³real´ a 1,05 K no va a poder en tanto que el virtual si lo permite. El modo de instalar instalar los componentes co mponentes puede ser ajustado a su criterio criterio personal (personalizar el programa). Esto se realiza pulsando OPTION/PR EFE EFER ENCES ENCES de las solapas superiores. De inmediato aparece un cuadro de dialogo general de preferencias con varias solapas.
barra de herramientas para que el lector asocie el mundo virtual del programa con el mundo real, en donde los materiales están guardados en estanterías con gavetas). res istor de 10K vaya a la estantería de materiales. A bra la gaveta de Por ejemplo para obtener un resistor materiales pasivos pulsando el segundo botón. En cuanto se abra la gaveta busque el símbolo del resistor y pulse sobre el. Luego tendrá posibilidades de elegir el tamaño (potencia) y el v alor resistivo ya que aparecerá una lista con los diferentes valores posibles. Observe que hay do s posibilidades de elección para algunos componentes pasivos; hay un botón con fondo gris claro y otro con fondo verde oscuro.
Fig.2 Elección de componentes virtuales y reales Los componentes en verde oscuro son lo llamados ³virtuales´ y los otros ³reales´. La diferencia entre ambos es realmente sutil. y
y
Los reales no pueden tener cualquier valor sino aquellos valores indicados en la tabla que corresponden a la serie del 5%. Los virtuales tienen siempre un valor inicial de 1kȍ (por supuesto que luego de pegarlos en el circuito se pueden modificar a voluntad y por valores que no correspondan a las series reales).
Por lo tanto un resistor virtual de 1kȍ y otro real de 1kȍ no se diferencian en nada luego de
conectarlos al circuito salvo que si Ud. quiere cambiar el valor del ³real´ a 1,05 K no va a poder en tanto que el virtual si lo permite. El modo de instalar instalar los componentes co mponentes puede ser ajustado a su criterio criterio personal (personalizar el programa). Esto se realiza pulsando OPTION/PR EFE EFER ENCES ENCES de las solapas superiores. De inmediato aparece un cuadro de dialogo general de preferencias con varias solapas.
Pulse en la solapa COMPONENTS BITS y aparecerá un cuadro de dialogo como el de la figura
3.
Fig.3 Preferencias Este cuadro de dialogo dialogo está dividido en tres zonas. La pr imera permite permite elegir el t ipo de norma de dibujo entre la americana A NSI o la europea DI N. La segunda zona determina el modo de captar un componente y la tercera el modo de depositarlo en el circuito. Para evitarnos complejas explicaciones lo más recomendable es que Ud. cambie la predisposición y observe como opera en cada caso.
Armado del circuito de ejemplo El primer componente que vamos a depositar en el circuito es una batería de 5V. Ubique el cursor sobre la primera gaveta (fuentes) y clickee c on el botón de la izquierda del mouse. Esto hace que se abra la gaveta de fuentes mostrando todas las posibles fuentes que se pueden utilizar.
Fig.4 Elección de las fuentes Busque la fuente de tensión continua; ubique el cursor sobre ella y clickee. Su cursor cambia mostrando el dibujo del componente en forma fantasmal. Mueva ese dibujo al lugar donde desea ubicarlo, vuelva a clickear y ya tendrá el componente ubicado y transformado de su modo fantasma a su modo normal.
Fig.5 Pegado de un componente Observe que existe una diferencia con respecto al modo de operar del Multisim con respecto a las versiones anteriores de EWB en donde e l proceso era el clásico arrastrar y pegar (presiono,
arrastro y suelto). No sabemos porque se modificó el modo clásico pero luego de un pequeño uso se asimila la diferencia y uno se olvida de la variante. El texto descriptivo que aparece al lado del componente es el número de posición y el valor. En las versiones anteriores el tipo de letra, el co lor, y la posición de estos textos no podía cambiarse y muchas veces cortaban el dibujo de las conexiones. En el Multisim Ud. puede operar como en cualquier programa de dibujo para Windows; puede picar sobre cada uno de los textos y moverlo donde desee. Si Ud. pica dos veces sobre el componente aparece un cuadro de diálogo que le permite cambiar tanto el valor (que originalmente tiene un valor típico de 12V) por otro cualquiera, como el número de posición entrando en la solapa ³label´ (etiqueta).
Fig.6 Carga de valores Todo el procedimiento de carga de valores puede personalizarse entrando a OPTIONS/PR EFER ENCE. Allí aparece un cuadro de diálogo en la solapa ³Circuits´ (que es la
primera que sale). En la parte superior de esta solapa se observan varias posibilidades de elección. Ud. pude seleccionar que aparezca el número de posición, que aparezca el valor del componente el número del nodo, etc. Como siempre le aconsejamos que pruebe las diferentes predisposiciones para elegir la de su preferencia. Observe que en este caso tiene una muestra del aspecto en el circuito que cambia automáticamente al marcar los cambios.
Fig.7 Selección de colores y muestra de textos En nuestro circuito necesitamos una batería de 5 V. Así que debe clickear sobre el componente y cambiar el valor sobre el cuadro de diálogo. Cambie 12 por 5 clickee OK. Los siguientes componentes que debemos ubicar son los resistores. Clickee sobre ³Pasivos´ y luego en resistores reales. A parecerá un buscador de resistores como el indicado en la figura 8.
Fig.8 Buscador de resistores Mueva la barra de desplazamiento hasta que aparezca el resistor de 100 Ohm que es el primero que debemos colocar. Seleccione el resistor, clickee OK y aparecerá en lugar de la flecha del
cursor. Mueva esta imagen hasta ubicarla aproximadamente en el lugar deseado. Observe que el resistor tiene un color diferente al de la fuente. Esto se debe a que la fuente es virtual por definición y el resistor elegido es real. Si lo desea puede personalizar el programa para que todos los componentes virtuales y reales tengan e l mismo color. El primer resistor que ubicamos debe estar en posición vertical. Clickee sobre el dibujo rec ién pegado para que quede seleccionado con 4 puntos a su alrededor. En esa condición el componente está activado para modificarlo. Clickee con el botón derecho del mouse y aparecerá un cuadro de diálogo para girarlo, cambiarle el color, cortarlo o co piarlo.
Fig.9 Posición del componente Ahora se deben ubicar los otros resistores. Se los ubica de un modo apro ximado tal como lo
indicamos en el punto anterior de modo que nuestra mesa de trabajo tendrá un aspecto de una mesa sembrada con 3 resistores y una fuente. Observe que los números de posición van apareciendo consecutivamente en forma automática a medida que se van colocando los componentes. Ahora vamos a ubicar el resto de los componentes comenzando por un diodo led rojo, tomado de la gaveta de los diodos y colocado al lado de R 1. Luego debemos ubicar la compuerta NA ND que la tomamos de la gaveta TTL. Este componente es un caso especial ya que se trata de una cuádruple compuerta de la que solo vamos a utilizar una de las secciones (la ³A´). En estos casos
la misma librería nos dará la oportunidad de elegir entre las 4 secciones. El transistor 2N2222 lo elegimos de la gaveta de transistores y así seguimos hasta completar la colocación de todos los componentes. Como en nuestro circuito tenemos un componente digital que se alimenta con 5 V se debe colocar en algún lugar del mismo el símbolo de fuente digital y de masa digital que aparece en las gavetas de fuentes. Estos símbolos no necesitan ser conectados a los componentes d igitales ya que esas conexiones quedan sobreentendidas.
Fig. 10 Conexión de masa y fuente digital Es conveniente grabar cada tanto el trabajo realizado. Así que puede proceder a grabarlo con FILES-/SAVE en el directorio de su preferencia y con el nombre que Ud. desee.
Conexionado de los componentes El Multisim presenta novedades importantes con respecto al conexionado que lo diferencian de las versiones anteriores. Ahora se puede elegir entre el modo de conexionado automático o manual. En el primer caso solo debemos marcar de que punto a que punto se debe realizar una conexión para que el Multisim la genere automáticamente. En el modo manual nosotros debemos indicarle por donde deseamos que pase la conexión. También es posible comenzar el trabajo en el modo manual realizar las conexiones más importantes y luego pasar al modo automático para terminar el trabajo mas rápidamente. Cuando Ud. acerca el cursor a un terminal de algún componente la flecha se transforma en una cruz con un punto indicando que el programa está en el modo de ³conexionado´. Acerque el cursor a la pata inferior de V1 y cuando la flecha se transforma en cruz pulse el botón d e la izquierda del mouse. Ahora vaya al terminal de la conexión de masa y cuando la flecha se transforme en cruz pulse nuevamente el botón de la izquierda del mouse. Observe que se realizó una conexión en el color predeterminado para las conexiones (en nuestro caso rojo porque ese es el color por default). Si la masa está muy cerca de la fuente es posible que la conexión se realice en ³U´ sobre un costado. No se preocupe, pique sobre la masa y arrástrela hacia abajo hasta que se enderece. Continúe con el resto de las conexiones, siguiendo el mismo criterio. Algunas conexiones requieren alguna explicación extra. Por ejemplo entre las entradas de la NA ND y el colector de Q2. Para obtener el resultado deseado se deben realizar las conexiones automáticas en un c ierto orden. Por ejemplo primero debe realizar la conexión del colector de Q1 a la base de Q2. Posteriormente puede realizar una conexión desde R 3 hasta el cable recién trazado y por ultimo
debe realizar la conexión desde C1 hasta el cable. Para realizar la conexión faltante se requiere un paso previo. Multisim no permite que se rea licen
más de una conexión sobre el mismo terminal; por lo tanto cuando se une la pata 1 y la 2 de la NA ND no quedan posibilidades de realizar otra conexión hacia el colector de Q2. Esto se soluciona de dos modos diferentes: y
Una primero la pata 1 de la NA ND con el colector y luego una la pata 1 con la 2
y
Una la pata 1 con la 2; Seleccione PLACE/PLACE JUNTION y aparecerá un cursor con una unión pegue la unión sobre el cable y ahora trace una conexión automática desde la unión agregada al colector
Si algún cable quedó realizando una conexión indebida se puede borrar clickeando sobre él, con el botón de la derecha. Cuando aparece el cuadro de dialogo seleccione DELETE (borrar) y el cable desaparecerá. El conexionado manual se realiza si a Ud. no le gusta alguna conexión automática. Por ejemplo la conexión desde las entradas unidas de la compuerta hasta el colector de Q2 se realiza cruzando el cable de base de Q1. Si el cable fuera por la parte inferior de la figura dicho cruce no se produciría. El modo automático realiza un trabajo aceptable pero su criterio debe privar sobre el automático. Si no está conforme borre el cable molesto y realícelo con el modo de cableado manual. Acerque el cursor a la unión de las entradas; cuando se transforme en una cruz lleve el ratón
hacia abajo y luego hacia la derecha marcando la traza deseada. Cuando desee subir pulse el botón de la izquierda y recién después suba hasta la altura del colector y vaya hacia la izquierda. Observe que ahora la traza pasa por el lugar deseado. Observe que con el modo manual Ud. debe realizar 4 clicks para lograr la conexión cuando en el modo automático bastaban solo dos.
Adicionando texto Multisim permite agregar texto sobre el circuito y/o generar u n bloque titulador con los datos del circuito. Para adicionar un bloque titulador seleccione VIEW/SHOW TITLE BLOCK A ND BOR DER y aparecerá un bloque para títulos en el borde inferior derecho del plano. Para modificar este bloque seleccione OPTION/MODIFY TITLE BLOCK ingrese el texto deseado en cada campo y luego pulse OK. Para adicionar texto sobre el circuito seleccione PLACE/PLACE TEXT. Ubíquese allí donde
desea agregar el texto y pulse el botón de la derecha del mouse. Cuando aparezca un cursor recto escriba el texto deseado. Para modificar un texto clickee sobre él. Cuando cambie el cursor, modifique el texto original como si escribiera en u n editor de textos.
D/ Instrumental en Multisim Cuando Ud. termina de ar mar un circuito real ¿qué hace?: lo prueba, y para eso necesita ponerlo en su mesa de trabajo; conectarlo a la fuente de alimentación, conectarle instrumentos de entrada como ser generadores sinusoidales, de onda cuadrada o triangulares, barredores marcadores, generadores de ruido, generadores de palabras, generadores PWM, generadores de señales de TV, generadores de AM, generadores de FM, etc.
Nuestro circuito responderá a estas excitaciones con una respuesta determinada que debe ser medida con adecuados instrumentos, como por ejemplo: osciloscopio, tester, voltímetros, amperímetros, watímetros, analizadores de espectro, graficadores lógicos, etc. Todo ese instrumental tiene su equivalente en el mundo virtual del Workbench. No pretendemos
que Ud. aprenda a generar todas las ecuaciones de un componente y como esas ecuaciones se fusionan para formar una sola ecuación o función transferencia del circuito. Ni consideramos que lo necesite para realizar diseños en la época actual. Basta con que Ud. comprenda cómo se virtualiza un simple circuito con un resistor para que entienda cómo funciona un laboratorio virtual y cómo se realiza el milagro de hacer funcionar nuestros circuitos en la pantalla del monitor. No es fácil explicarlo. Mucho más fácil es emplear el programa imaginándose que el circuito funciona realmente. Conectar un generador y obtener la respuesta en forma inmediata sobre un osciloscopio. Sin embargo lo vamos a intentar porque aunque parezca increíble no existe en la literatura técnica, ningún libro o artículo que lo explique intuitivamente, sin emplear grandes dosis de conocimientos matemáticos. Por lo tanto vamos a poner manos a la obra.
El funcionamiento de un simulador de circuitos Un componente cualquiera se diferencia de otro por su reacción ante un estímulo eléctrico. Por ejemplo si un resistor es recorrido por una corriente genera una tensión sobre él que es proporcional a la corriente y al valor de la resistencia. Si la corriente es continua la tensión también lo será. Si es una a lterna sinusoidal, la tensión sobre el capacitor también lo será. Cuando Ud. pone una resistencia, el simulador pone en su programa la función matemática que le corresponde a la misma, es decir que un resistor de 2,2 K genera la ecuación: v = 2200 . i, en donde ³v´ se mide en voltios e ³i´ se mide en amperios lo cual significa que la resistencia se medirá en voltios por amperes o lo que es lo mismo en Ohmios. Para obtener una respuesta del resistor le debemos aplicar el estímulo de una fuente. Comencemos con una fuente de corriente continua de 100 mA.
Fig.1 Ecuación de una fuente de corriente por un resistor
Multímetro Ya sabemos construir este circuito. Lo único que todavía no conocemos es el agregado de los instrumentos de medición. En nuestro caso necesitamos medir una tensión continua así que requeriremos un tester digital (multímetro). Este instrumento es el primero de la barra de instrumentos que se encuentra a la derecha de la mesa de trabajo. Pique sobre él con el botón de la izquierda lleve el cursor al lugar donde desea colocarlo y vuelva a picar con el mismo botón. En nuestro caso necesitamos un voltímetro y un amperímetro así que hacemos la misma operación dos veces. Los instrumentos se manejan como instrumentos reales. Si pica dos veces sobre un instrumento el mismo se agrandará para que Ud. pueda leer la escala y predisponerlo a voluntad. Los multímetros son autorango, así que olvídese de ajustar la escala. Sólo presione sobre e l botón V para el multímetro de la derecha y el A para el de la izquierda. Con el circuito ya completo podemos comenzar la simulación. Solo basta con encender la mesa de trabajo con la llave basculante que se encuentra arriba a la derecha. (Si no aparece haga View> Show simulate Switch).
Fig.2 Solución de la ecuación Observe el resultado en el multímetro de la derecha (nota: los números aparecen según la costumbre de EEUU con un punto separador en lugar de una coma) es decir: la tensión sobre el resistor será de 220V. ¿No es cierto que el resultado es muy fácil de obtener? Sí, pero qué hizo el programa para obtenerlo. Simplemente realizó una operación matemática; multiplicó la ecuación de transferencia del resistor por la corriente de la fuent e. Es decir que toda la sabiduría del programa fue resolver el circuito con la ley de Ohms dando al valor ³i´ el de la fuente que dibujamos y usando como parámetro al valor de la resistencia. El resultado fue colocado sobre los dibujos de los multímetros. R epetimos, solo se realizó una operación matemática. La gran diferencia con otros simuladores
es la presentación de los resultados en forma muy real; tanto que nos hace olvidar que solo es una representación virtual. En circuito más complejos, las funciones de t ransferencia de los diferentes componentes, se procesan entre sí de acuerdo a la teoría de los cuadripolos. De modo que siempre se obtiene una función de transferencia única entre la entrada y la salida.
Osciloscopio Cuando la excitación es de alterna la cosa se complica. En ese caso los cálculos no cesan nunca y de acuerdo a la simulación utilizada se realizan punto por punto de la señal de entrada. Es decir que se la divide en valores instantáneos y se analiza una ecuación para cada valor instantáneo hasta completar un ciclo.
Por ejemplo en la figura 3 cambiamos el generador de continua por otro de alterna. En este caso
la señal de entrada es a su vez una función matemática del tiempo, dada por i = ip . sen wt y la resolución implica poner una cantidad de valores de i obtenidos de esta fórmula y calcular el correspondiente valor de v para cada uno de ellos (en realidad ese procedimiento se realiza si la señal es más compleja, para señales simples se rea liza por la ley de Ohm para CA). Luego los valores calculados se representan en una gráfica con un marco que simula a un osciloscopio.
Fig.3 Ecuaciones en CA Si Ud. sabe utilizar un osciloscopio real no puede tener ninguna duda cuando deba utilizar el virtual, ya que se utiliza de la misma forma (observe que se trata de un osciloscopio con memoria).
La barra de instrumentos La barra de instrumentos (yo prefiero llamarla ³la estantería de instrumentos´ para estar más a tono con la virtualización) está co mpletamente renovada en esta versión de WBM, en su forma, en su contenido y en el modo de uso. La misma aparece por defecto cuando se abre la pantalla principal. Si no llegara a aparecer debe picar en ³I NSTR UMENTS´.
Fig.4 Inclusión de la barra de instrumentos
Para que la barra siga apareciendo por defecto debe predisponer la solapa VIEW/TOOLSBAR /I NSTR UMENTS. La barra de instrumentos ahora posee los instrumentos
indicados en la figura 5.
Fig.5 Instrumentos disponibles Vale aclarar algo sobre cada instrumento porque del uso de los mismos obtendremos un funcionamiento óptimo del simulador. Dejamos de lado al multímetro, el osciloscopio, el generador de funciones, el generador de palabras y el conversor lógico porque son instrumentos de uso corriente que se manejan intuitivamente. Los instrumentos que nos quedan son:
El graficador de Bode En realidad es un nombre de fantasía, para un instrumento que tiene su nombre propio. Es un generador barredor con marcador ajustable que a diferencia de los instrumentos reales tiene su propia pantalla graficadora (los instrumentos reales usan un osciloscopio como graficador x y). Como su función es graficar la respuesta en frecuencia/fase de un cuadripolo posee cuatro terminales, dos de entrada y dos de salida.
El analizador de espectro Es un instrumento que permite determinar el espec tro de frecuencia de las señales no senoidales. Es de gran utilidad en los circuitos de potencia de R F que al provocar distorsiones generan señales espurias. También se lo utiliza cuando se debe verificar el tipo de distorsión de un amplificador de audio (determina en qué frecuencia se encuentran los productos de la distorsión).
El analizador de distorsión
Es un instrumento que calcula la d istorsión de amplificadores y otros dispositivos que deben funcionar en forma lineal. Se utiliza mucho en el diseño y la prueba de amplificadores de potencia de audio.
El wattimetro Es un instrumento útil para evaluar el rendimiento d e amplificadores de audio porque permite medir la potencia consumida desde la fuente de alimentación y la potencia de salida del dispositivo. Como ocurre en la vida rea l este instrumento posee cuatro terminales, dos para la medición de tensión que se conectan en paralelo con la fuente o la salida de señal y los otros dos para la medición de corriente que se conectan en serie con la fuente o la carga.
Conectando el instrumental al circuito Para tener un ejemplo de conexión de instrumental vamos a analizar el circuito de un
amplificador inversor de video con un transistor para demostrar las utilidades de los instrumentos del Multisim. Este circuito es de suma utilidad para codi/decos económicos que no utilizan amplificadores integrados de entrada. En la figura 6 se puede observar el sencillo circuito y los instrumentos que lo rodean y que nos permiten obtener los parámetros de funcionamiento del mismo.
Fig.6 Circuito del flash con los instrumentos conectados Picando sobre el osciloscopio lo agrandamos para tener una idea del funcionamiento general del
circuito y el centrado de la tensión de colector. En pr imera instancia lo probamos a una frecuencia central de video de 1kHz y con una amplitud pico a pico de 1V de una señal sinusoidal. Estas condiciones las ajustamos picando sobre el generado r de funciones y modificando las indicaciones por default que allí existen. Luego pulsamos la tecla basculante para encender la mesa y observamos cómo se genera un oscilograma a partir de la izquierda de la pantalla. El osciloscopio está ajustado por default a una frecuencia de barrido muy baja de 1 S/div así que la cambiamos directamente mientras se está
generando el oscilograma, ajustándola para que se vean aproximadamente dos ciclos sobre la pantalla. En la figura 7 se puede observar el oscilograma correspondiente.
Fig.7 Oscilograma del amplificador inversor Observe que seguramente los colores de su oscilograma serán diferentes a los mostrados. E sto es porque debe elegirlos Ud. entre una paleta de colores. Con el cursor en forma de flecha diagonal debe ir a la conexión del osciloscopio que desea cambiar de color. Pique y aparecerá un cuadro de diálogo en donde una de las variantes indica ³color´. Pulse allí y aparecerá una paleta de colores de donde puede elegir el color deseado. El
oscilograma en general se está moviendo por la pantalla (oscilograma desincronizado). Para detenerlo se pueden emplear dos métodos igualmente realísticos. y
y
El primero es operar el sector de disparo del osciloscopio (trigger) como en un osciloscopio común (nota: luego de modificar el nivel de disparo puede ser necesario detener la simulación y volverla a arrancar para que opere el cambio). El segundo método es mucho más práctico y se basa en el hecho de que el osciloscopio del WBM es con memoria. Deje que el programa simule por un t iempo. Observe que la barra de desplazamiento que está debajo de la pantalla del osciloscopio se va achicando como indicando que se esta cargando la memoria. Detenga la simulación con la llave basculante. Pique sobre la barra de desplazamiento y llévela hacia la izquierda. Observará que comienzan a aparecer los oscilogramas sobre la pantalla comenzando por los últimos. Y se puede estudiar toda la historia de los mismos comenzando desde el arranque del circuito.
Hágalo si desea observar la transición de apagado a encendido. Luego de aplicar alguno de los dos métodos para fijar la imagen, pique sobre el cursor rojo de la pantalla y llévelo a un pico de la señal de colector.
Tome el azul y llévelo a un valle de la misma señal. En las ventanillas inferiores a la panta lla
aparecen una serie de números que nos evitan realizar una lectura minuciosa de la pantalla. En la primer ventana se observan las tensiones de ambos haces para el tiempo de muestra de 29,2mS a partir del encendido. En la segunda ventana se observa lo que ocurre a los 29,8mS. En la tercera ventana se observan las diferencias entre las dos ventanas anteriores. Por ejemplo podemos leer la diferencia entre los dos tiempos anteriores que es de 500ȝs (semiperíodo de una señal de 1kHz). Lo primero que necesitamos saber de nuestro circuito es si el video de salida está centrado. En efecto la señal de salida llega hasta 10,5V como se puede observar en la primera ventana. Y como la fuente es de 12V significa que faltan 1,5V para el recorte. En la segunda ventana se observa que el valor mínimo llega hasta 4,1V en tanto que la señal de emisor llega hasta 3,1V. Esto significa que quedan disponibles 1V a ntes de la saturación. Por lo tanto podemos decir que la salida está prácticamente centrada. Otra cosa importante es la respuesta a alta frecuencia del dispositivo. Como se puede observar en el circuito existe un capacitor de refuerzo de alta frecuencia en el emisor (en serie con un resistor) y un capacitor de realimentación entre el colector y la base. Ambas redes operan en forma inversa, pero lo hacen en diferentes puntos de corte. La red de emisor debe acentuar las altas frecuencias a partir de 1MHz aproximadamente y la realimentación debe o perar arriba de los 3MHz para producir un refuerzo en la zona de la subportadora de color. Diseñar estas redes de corte no es fácil, pero con el Multisim se puede ajustar el circuito por t anteo en muy poco tiempo. Todo el trabajo se realiza con el medidor de Bode.
Fig.8 Diagrama de amplitud Si aparece una curva es fácil centrarla con el seteo de valor mínimo y máximo vertical, porque se la ve variar en la pantalla. Pero es posible que la respuesta de l circuito esté fuera de los límites. Por lo tanto le convienen empezar con un valor mínimo I (de inicial) muy pequeño y un valor máximo F (de final) muy grande y luego ajustar los ejes (por ejemplo se puede empezar con toda la gama que va desde -200 hasta +200dB). En nuestro caso un ajuste de 0 a 15dB es el óptimo. Para analizar la respuesta en frecuencia se p ica sobre el cursor y se lo arrastra sobra la gráfica mientras se toma la lectura en la ventana inferior de amplitud versus frecuencia. Como se trata de un amplificador de video es sumamente importante la fase de todos los componentes armónicos cuando se trabaja con verdaderas señales de video. El graficador de bode nos permite observar tanto la respuesta de amplitud como la respuesta de fase con solo operar el botón correspondiente (phase).
Fig.9. Diagrama de fase Un amplificador de video se debe probar con una señal de video. El Multisim no tiene un generador de video especifico, pero se puede realizar uno utilizando instrumentos digitales como por ejemplo un generador de palabras y un analizador lógico para controlar la generación de palabras. En la figura 10 se puede observar el dispositivo generador de video y nuestro circuito amplificador. La señal de prueba es en realidad una señal de video simplificada porque solo tiene pulsos horizontales pero es suficiente para este amplificador de demostración.
Fig.10 Generador de video Cada línea horizontal tiene un tono de prueba que varía en frecuencia a medida que nos acercamos a la derecha de la pantalla. Comienza con una frecuencia de 500kHz y continúa con una secuencia de 1MHz, 2MHz, 3MHz y 3,5MHz. Luego de los tonos se encuentra un valor medio de gris y por último una señal de blanco. El generador de video funciona del siguiente modo. El generador de palabras es un instrumento que posee un puerto de salida paralelo programable de 32 bits. También posee un clock interno que puede setearse a voluntad; nosotros los predisponemos en 1MHz para generar pasos de 1ȝs. Esto significa que el puerto paralelo cambia los estados de sus hilos (refresco) cada 1ȝs por lo menos. Este cambio puede alcanzar a los 32 bits de la palabra de salida, a solo uno o a un valor intermedio. Estas palabras de salida pueden observarse en el analizador lógico que es como una especie de osciloscopio de 16 canales pero que sólo puede representar estados bajos o altos y no valores intermedios o analógicos.
Con la salida paralela del generador de palabras, se co ntrolan llaves controladas por tensión, que a su vez encienden señales de tono o tensiones continuas. Estas tensiones continuas y los generadores de tonos permiten generar el pulso de sincronismo horizontal con su burst y barras de frecuencia verticales descendentes. El corazón del sistema es la programación del generador de pantalla. Elegido el clock de 1MHz solo basta con generar tantas palabras como sean necesarias para explorar una línea horizontal que como sabemos en la norma PALN tiene 64ȝs. Si cada muestra tiene 1ȝs significa que debemos generar 64 muestras o líneas de programa. Estas 64 muestras son en realidad números hexadecimales que se suelen repetir ya que no existen detalles en cada línea que duren menos de 3ȝs (3 muestras). El mismo generador de palabras puede ser utilizado para crear estos números ya que tiene la posibilidad de trabajar con diferentes códigos de salida a saber: binario (ventana sobre el puerto de salida), hexadecimal (ventana principal y ventana abajo a la derecha) y ASCII pequeña ventana debajo de la hexadecimal. En cualquiera de esas ventanas se puede poner un número que de inmediato se transforma es su equivalente. En nuestro caso se ponen números binarios de acuerdo a la llave que se desea encender para generar los correspondientes hexadecimales.
E/ Captura de esquemáticos con Multisim Esta práctica da una introducción general de lo que se da en llamar ³Captura de esquemáticos con MultiSim´. Ud construirá y cableará un circuito básico usando una variedad de formas, experimentando con el cableado y ejecutando una simulación básica. Los objetivos son: y y y y y y
Familiarizarse con la pantalla general de MultiSim Familiarizarse con la configuración de los parámetros del área de trabajo Entender la diferencia entre componentes reales, virtuales, ideales e interactivos Familiarizarse con la estructura de la base de datos de MultiSim Construir y cablear un circuito básico (incluyendo cableado virtual) Familiarizarse con las opciones del cableado
Para aprender a usar un laboratorio virtual no hay nada como armar y probar un circuito real. En
nuestro caso vamos a dibujar un filtro pasabanda de 40 KHz construido co n un operacional.
Configuración del área de dibujo Igual a cuando Ud. realiza el dibujo de un circuito, lo primero que se hace es configurar el área
de dibujo (pegar una lamina de papel del tamaño adecuado en el tablero). El proceso a seguir es el siguiente: 1. En la parte superior de la pantalla pique en Options para que aparezca una ventana desplegable del menú, seleccione Sheet Properties y aparecerá una nueva ventana que le
permite configurar el espesor de las líneas (a partir de aquí simplemente escribiremos Options > Sheet Properties para simplificar). 2. Elija en esa ventana el color del fondo, el color de los componentes el tamaño de las letras etc. etc. 3. Una vez configurada el área de trabajo haga Options > Global Preference y configure los paths que son los archivos donde se guardara el resultado de su trabajo y las características generales del mismo entre otra información. Tiene la opción de dejar los paths por defecto.
Componentes Nosotros podríamos darle el archivo de circuito de nuestro filtro, pero preferimos que construya su propia versión del mismo como se muestra a continuación. 1. Seleccione los componentes requeridos desde la base de datos Maestro (Master Data Base), para esto vaya a Place > Component y seleccione el componente deseado. Cada vez que use un componente en un circuito, el mismo queda guardado en ³In Use List´ para que el diseñador trate de usar la menor variedad posible de componentes.Nota: los componentes R1, R2 y C2 son componentes virtuales es decir que no existen en la realidad porque no pertenecen a una serie formal (del 1%, del 5% etc.). Es decir que Ud. no puede ir a comprar un resistor de 40,2 Kohms. Lo deberá fabricar conectando resistores en serie o en paralelo y midiéndo los precisamente con un tester digital. El resto de los componentes son componentes reales que Ud. puede comprar en cualquier negocio de electrónica.Ambos componentes se encuentran en diferentes lugares de la panta lla: Los virtuales se ubican realizando Place > Component > Basic > virtual > o R esistor virtual o capacitor virtual. Observe que los componentes aparecen con un valor de 1K y de 1 uF y luego Ud. deberá poner el valor deseado. Los componentes reales se ubican directamente en la columna de la izquierda de o la pantalla con su correspondiente valor prefijado. Nota: cuando deba colocar un operacional tenga cuidado de no confundir la entrada ± con la +. Si el dibujo le queda invertido píquelo con el botón de la derecha del mouse y seleccione vertical.
Fig.1 Armado del circuito 2. Tome los materiales pasivos, virtuales y reales y péguelos en la zona de trabajo. Haga P lace > Component y seleccione analógicos en la segunda ventana desplegable de la izquierda que habitualmente está preseteada en BASIC. 3. Seleccione un LM358N y péguelo en la zona de trabajo. Observe que este integrado tiene realmente dos operacionales y WBM le ofrece que elija el A o el B. Elija el A y péguelo. WBM le ofrecerá el B, desprécielo. 4. Las fuentes y las masas las debe ubicar con Place > Component y seleccionando Sources. 5. Ubique los materiales en el lugar co rrecto, picando y arrastrando.
Cableado 1. Para cablear el circuito, acerque el cursor a cualquier pin de cualquier componente y notará como el cursor cambia de apariencia. 2. Mueva el puntero para dibujar la conexión hacia la terminal del segundo componente y haga un clic izquierdo para terminar. 3. De doble clic sobre los componentes virtuales para configurar el valor deseado. 4. R ote y mueva un componente dentro del circuito para ver como el movimiento de los componentes afecta el cableado que se modifica como si fuera de goma. Los componentes pueden rotarse también cuando están siendo pegados desde la base de datos. Para tal fin utilice ctrl.+R o si quiere hacerlo con el mouse pulse el boton izquierdo sobre el componente para seleccionarlo y el derecho para que aparezca un menú en donde esta la función rotar. 5. Genere los puntos de conexión A y B haciendo Place > juntion. 6. Seleccione el capacitor virtual desde In Use List y colóquelo entre los puntos A y B del circuito. Note como al ser un componente pasivo es automáticamente conectado. Esta función se utiliza cuando se debe elegir un componente por tanteo.
El dibujo definitivo del filtro de 40 KHz se puede observar en la figura 2.
Fig.2 Filtro selectivo de 40 KHz completo
Uso del instrumental Ud. ya sabe armar un circuito. Pero la segunda gran facilidad del WBM es probar los circuitos. Nuestro programa cuenta con un completísimo armario de instrumentos virtuales. Todos ellos fueron diseñados para que se parezcan lo mas posible a los instrumentos reales. Si Ud. sabe manejar un o sciloscopio seguramente va a saber utilizar el osciloscopio virtual sin ningún problema. En realidad contamos con todos los osciloscopio que Ud. desee no solo con uno de cada tipo (hay de dos tipos, el clásico de dos canales y uno de 4 canales). Conecte los instrumentos según la figura 3. Observe la figura 3 mientras desarrolla los pasos siguientes.
Fig.3 Conexión del instrumental
1. R eemplace el generador de clock por un generador de funciones obtenido de la barra de instrumentos de la derecha. Una vez colocado, de un doble clic sobre el icono del generador para abrir el panel del instrumento y ajuste su configuración a: Forma de señal (Waveform) sinusoidal ( sine wave) Amplitud: 1V Frequency: 40kHz 2. Cierre el panel del instrumento 3. Añada el analizador de Bode (Su nombre común es barredor, o instrumento utilizado para graficar la respuesta en frecuencia de un circuito) entre los nodos de entrada y salida. Haga doble clic sobre e l instrumento para abrirlo y ajuste su configuración como sigue: Magnitude A. Horizontal I (Initial) = 1 kHz, F (Final) = 1 MHz B. Vertical I (Initial) = -50 dB, F (Final) = 10 dB 4. Simule y observe la salida del analizador de bode. Para comenzar la simulación debe presionar el icono con un relámpago amarillo arriba en el centro. Seguramente va a obtener una curva con un máximo muy evidente en una frecuencia cercana a 40 KHz. 5. Para leer la curva se debe ut ilizar el cursor. Debajo de la pantalla se puede observar la atenuación en dB o en veces de acuerdo a como halla predispuesto el instrumento y la frecuencia en Hz.
Fig.4 Pantalla del analizador de Bode Nota1: para que funcione el analizador de Bode debe ubicar un generado r de funciones sobre la pantalla de trabajo aunque no esté conectado a nada. Nota2: también es imprescindible que el circuito tenga por lo menos una conexión a masa 6. Añada un osciloscopio para monitorear los voltajes de entrada y salida. Dando doble clic en el icono del osciloscopio abra el panel del instrumento y ajuste su configuración como se muestra a continuación: Timebase = 20 us/Div Channel A= 1V/Div Channel B = 1V/Div 7. Asegúrese de que los cables desde la salida del amplificador operacional son rojos para obtener un oscilograma rojo. Los de entrada puede hacerlos negros. Si no es así, entonces haga clic derecho sobre el segmento del cable y escoja ³Color´ para cambiar la configuración. Finalmente simule y observe la salida. 8. Cambie el valor del potenciómetro (R 3) presionando ³Shift A´ (mayúsculas) para incrementar la resistencia y ³A´ para decrementar la resistencia durante la simulación (Esto depende de cómo se ubique el ángulo del cursor del potenciómetro al dibujarlo. 9. Observe la respuesta en el osciloscopio.Nota: la respuesta del análisis de Bode puede ser configurada únicamente después de una nueva simulación del circuito.
Fig.5 Oscilograma 10. Mientras la simulación se esta ejecutando, use la punta de prueba dinámica para ver los niveles de voltaje en el circuito. Este instrumento se encuentra al final de la paleta de instrumentos.
Fig.6 Punta de prueba dinámica 11. Nuestro filtro esta cerca de la frecuencia de trabajo pero requiere un ajuste cambiando R 1 y C2 en forma pareja. Si se aumentan baja la frecuencia. En la figura 8 se pueden observar los nuevos valores.
Fig.7 Nuevos valores para ajustar la frecuencia De cualquier modo cuando se realice la prueba real se va a requerir un ajuste en campo de estos valores.
Trasmisor de 40 KHz El filtro que acabamos de diseñar se puede utilizar como un radar ultrasónico o sonar que detecte la presencia de obstáculos delante de un móvil. Pero para tener el circuito completo se requiere un generador de ondas ultrasónicas. El WBM no
solo lo ayuda en el diseño de sus circuitos sino que tiene un asistente con circuitos predesarrollados. Haga ³Tols > Circuits wizard >555 timers wizard´ y aparecerá una ventana de predisposición de un multivibrador astable con el 555. Llénelo según la fig. siguiente y luego pulse en ³Wild circuits´.
Fig.8 Predisposición del astable en 40 KHz En la fig.9 se puede observar el resultado
Fig.9. Circuito del astable con 555 sin modificar los parámetros de simulación Como puede observar la frecuencia está indicando un valor bastante mas bajo que el correcto de 40 KHz. Esto nos indica muchas veces que una simulación puede dar valores aproximados solamente. Si deseo obtener valor exactos debo adecuar los parámetros de la simulación y no dejar los colocados por defecto. La sonda puede predisponerse para que muestre solo los datos deseados como frecuencia y valor pico a pico de la salida. Si desea precisión ajuste la configuración de la simulación para cuadrar e l circuito: 1. Simulate > Interactive Simulation Settings. 2. De un clic en la pestaña de Análisis y luego otro clic en el botón redondo para configurarlo de forma personalizada es decir, selecione Custo mize. 3. Encuentre la configuración para el Error de Tolerancia R elativa (R ELTOL) y cambie el valor a ³1e-12Ǝ. 4. De un clic en OK hasta que todos los cuadros de configuración de la simulación estén cerrados. R e-ejecute la simulación y observe ahora que la frecuencia es la correcta, cosa que se puede
confirmar utilizando un frecuencímetro virtual o un o sciloscopio.
Fig.10 Medición precisa luego de modificar los parámetros de simulación Ud. puede guardar este nuevo perfil de la simulación para utilizarlo en otras ocasiones haciendo: 1. Seleccione Save Simulation Settings desde el Menú de Simulación. 2. Llame a su perfil de simulación por ejemplo ³Error de tolerancia bajo´ y de un clic en guardar. 3. Puede insertar una descripción, ³El perfil de esta simulación tiene un R ELTOL de 1e12Ǝ. Clic en OK.
1/ Conceptos básicos de electricidad Con esta primera lección comenzamos un curso completo de electrónica dirigido a todos aquellos lectores que quieran aprender electrónica desde sus principios. Nuestro curso completo capacitará al alumno para encarar la reparación de dispositivos simples como una radio de AM y FM pero su fin principal es prepararlo para que pueda iniciar el estudio del Curso Completo de TV en donde se analiza la reparación de televisores antiguos y modernos, o de cualquier otro curso especializado como el de DVD, video, CD, TV de LCD y Plasma, etc.
La electricidad estática La electricidad nos rodea aunque no siempre se manifieste. En efecto todos los cuerpos físicos (objetos) están formados con moléculas de diferentes materiales que a su vez están constru idas con alguno de los 92 átomos diferente que existen en la naturaleza. Y en cada átomo, existe un núcleo positivo y una nube de electrones negativa que se compensan perfectamente como para que el átomo sea neutro. Y si es neutro no puede manifestarse eléctricamente. Al núcleo no tenemos un acceso fácil que permita quitar protones, pero llegar a los electrones de
orbitas superiores es muy fácil y solo basta co n frotar materiales con un paño para arrancar o agregar electrones y generar cargas eléctricas fijas en el material utilizado. Agregar o quitar depende del material que se frote en el paño. Algunos materiales son dadores y otros son aceptores. Es así como podemos tener un objeto con exceso de electrones (negativo) y otro con falta de electrones (positivo). Mientras los objetos estén separados (aislados) permanecerán cargados permanentemente. Si se los aproxima hasta que se toquen, de inmediato circularan cargas eléctricas (electrones) ente ellos hasta neutralizarse de modo que cada cuerpo sea neutro. Como el lector puede observar, todas estas acciones ocurren en un instante de tiempo y luego cesan en cuanto los cuerpos se neutralizan. No hay una circulación permanente de electricidad. Un instante después que los cuerpos se tocan cesan los fenómenos eléctricos. Por esos a estos fenómenos se los incluye entre los de electricidad estática o electrostática. Nos sirven para establecer los principios de nuestra especialidad, pero no son los fenómenos que normalmente
ocurren dentro de un dispositivo electrónico, en donde las corrientes de e lectrones circulan en forma permanente. El concepto más importante de la electrónica es el de la circulación de la corriente eléctrica, que puede ser explicado claramente mediante la electricidad estática. Hasta ahora tenemos dos cuerpos cargados eléctricamente. Uno es de material dador (positivo) y otro de material aceptor (negativo). y
y
Si los unimos con una barra de vidrio los cuerpos permanecerán cargados y entonces decimos que la barra de vidrio es aisladora. Si los unimos con una barra de cobre los cuerpos se descargarán y entonces decimos que la barra de cobre es conductora.
Es un error considerar que el mismo electrón que sale del cuerpo con exceso de electrones y penetra en la barra conductora, llega al que tiene falta de electrones. En efecto el fenómeno que se produce es un desplazamiento de electrones de átomo en átomo de modo que entra un electrón por una punta de la barra pero el que sale es otro electrón que estaba situado en la otra punta. La carga se desplaza prácticamente a la velocidad de la luz el corpúsculo (electrón) lo hace mucho mas lentamente. y
y
En un cuerpo aislador los electrones están fuertemente unidos a su núcleo y es difícil o imposible sacarlos de sus orbitas. En un cuerpo conductor los electrones están flojamente unidos a su núcleo, inclusive muchas veces se movilizan y cambia de núcleo en forma casual; aunque siempre que un átomo adquiere un electrón cede otro para mantener la neutralidad.
Ahora es fácil entender que si un cuerpo con electrones en exceso se une a una barra de cobre,
este cuerpo transfiere algunos de sus electrones de modo que el nuevo cuerpo con el agregado de la barra de cobre tiene características negativas distribuidas uniformemente por todo el cuerpo compuesto. Es decir que la barra de cobre es también negativa y por lo tanto al acercarla al cuerpo positivo, establecerá la circulación de electrones. En cambio la barra de vidrio no acepta que sus electrones se muevan de átomo en átomo y por lo tanto el cuerpo con exceso de electrones no puede influir sobre ella. Estos dos conceptos de cuerpos aisladores y conductores son fundamenta les en nuestra especialidad. y
y
E jemplos de cuerpos conductores son los metales como el cobre, el aluminio, la plata, el oro, etc. Pero debemos aclarar que no solo los metales son conductores; algunos
líquidos también lo son. Dejemos el caso obvio de los metales líquidos a temperatura ambiente como el mercurio. Algunos líquidos compuestos como los ácidos, las bases y las sales disueltas (como el agua salada) son conductores, aunque no tan buenos como los metales. También existen sólidos conductores como por ejemplo el grafito (un estado de agregación del carbono). Como ejemplo de aisladores podemos indicar, al vidrio, los materiales plásticos y el agua destilada. En realidad son aisladores hasta cierto punto. En efecto si un cuerpo esta
muy cargado de electricidad y la barra aisladora no es muy larga puede ocurrir un efecto de circulación disruptiva que perfora el aislador y lo vuelve conductor. En general esta circulación se produce con presencia de ruido, efectos luminosos y térmicos dando lugar a lo que se llama una descarga eléctrica y en muchos casos el cuerpo aislador queda definitivamente transformado en un conductor. Este efecto no requiere en realidad a la barra aisladora; el propio aire entre los dos cuerpos cargados puede oficiar de conductor si la carga de los cuerpos es suficientemente alta. En este caso se producen arcos a través del aire de los cuales los relámpagos son una manifestación natural que se produce debido a la carga eléctrica de las nubes de tormenta. Inclusive se puede formar un arco en el vacío. En efecto un cuerpo cargado muy negativamente
puede rechazar tanto su exceso de electrones que estos son capaces de adqu irir suficiente energía como para saltar el espacio vacío. El arco que se observa visualmente como una línea luminosa y el ruido que se produce son causados por los electrones circulantes a gran velocidad y en gran cantidad.
La corriente eléctrica Los electrones que circulan entre dos cuerpos cargados con cargas opuestas, al unirlos con un conductor, forman lo que clásicamente se conoce como corriente eléctrica. Es decir que circulación de electrones y corriente e léctrica son sinónimos. Por lo general cuando se trata de fenómenos electrostáticos se habla de circulación de cargas o de electrones y cuando los procesos son continuos se habla de corriente eléctrica. La corriente de agua que circula por un caño se mide en litros/Seg. ¿En que se mide la corriente electrica? Es evidente que se podría medir en electrones/Seg. pero la carga de un electrón es tan pequeña que los números serían muy altos, es decir que la unidad electrones/Seg. no es práctica. Inclusive la unidad de carga eléctrica de un cuerpo cargado por frotamiento medida en electrones es ya un número muy alto. Por todo esto se idearon unidades práct icas tanto para la cantidad de electricidad o carga eléctrica
como para la corriente eléctrica dándole a esas unidades el no mbre de diferentes científicos que trabajaron con los fenómenos eléctricos. La unidad practica de corriente eléctrica es el Coulomb (culombio) y es igual a 6,28 1018 electrones (6 trillones 228.000 electrones) o 6.280.000.000.000.000.000 electrones. La unidad práctica de corriente eléctrica es el Amper y es igual a un Coulomb por segundo. Para simplificar la notación se utilizan letras para representar a los diferentes conceptos y unidades. Por ejemplo a la carga siempre se la representa por la letra Q y a su unidad práctica por las letras Cb. La corriente eléctrica se representa por una I y a su unidad por una A. A la unidad de tiempo se la representa co n la ³t´ minúscula (porque se reserva la T mayúscula para la
temperatura) Con estas representaciones se puede escribir que la corriente eléctrica
I =
Q/t
medida en Cb/Seg o la unidad equivalente A. Las unidades siempre involucran los múltiplos y submúltiplos de las mismas. En electrónica se utilizan por lo general los submultimplos del A es decir el mA (miliamper) y el u A (microamper) en la siguiente tabla se pueden observar estas equivalencias. SIMBOLO
POT DE 10
1A
10 A
1 mA
10 A
1 ȝA
10 A
EQUIV. mA
EQUIV. ȝA
NOMBR E
1000
1.000.000
AMPER
-3
1
1.000
MILIAMPER
-6
0,001
1
MICR OAMPER
La electricidad dinámica La electricidad dinámica se produce cuando existe una fuente permanente de electricidad que provoca la circulación permanente de electrones por un conductor. Las fuentes permanentes de electricidad se d ividen en químicas y electromecánicas. Una pila eléctrica es una fuente química de electricidad. Dentro de la pila se generan reacciones
químicas cuyo resultado es la producción de electrones. Estos electrones están disponibles para que circulen por ejemplo por un conductor, pero a diferencia de un cuerpo cargado esa fuente de electrones no se agota. Cuando se los utiliza la pila vuelve a generar mas electrones que reemplazan a los tomados. Podría considerarse que la pila tiene en su interior tanto un cuerpo con exceso de electrones (el terminal negativo) como un cuerpo con falta de electrones (el terminal positivo) y que la pila transforma energía qu ímica en eléctrica como para tomar un electrón del terminal negativo y subirlo hasta el positivo. Una dínamo es una maquina electromecánica que transforma energía mecánica de rotación en
energía eléctrica. Hace lo mismo que la pila, es decir que la podemos asimilar a dos cuerpos cargados con diferente polaridad en donde las cargas que circulan son reemplazadas a medida que se van tomando. En este caso la energía necesaria para restaurar las cargas se saca de una interacción magnética entre los electrones y el campo magnético rotatorio de la d ínamo. Con la electricidad dinámica se arriba a otro concepto que es la capacidad de un generador de producir una circulación de corriente permanente. ¿De que depende la corriente eléctrica que circula entre dos cuerpos cargados? Depende de la diferencia de carga existente entre esos cuerpos y del tipo de barra con la cual interconectamos a los mismos. No hace falta en realidad que uno de los cuerpos sea negativo y el otro positivo. Si uno está muy lleno de electrones y el otro solo tiene un pequeño exceso de electrones y se conectan con una barra conductora, la misma equilibrará las cargas de modo que ambos cuerpos tendrán luego de un tiempo una cantidad de electrones promedio. Se puede decir por lo tanto que la circulación de corriente depende de la diferencia de potencial eléctrico entre los dos cuerpos (cuanto mas cargado esta un
cuerpo que el otro) y del tipo de barra utilizada para establecer la unión entre los cuerpos. Hablamos de potencial porque un cuerpo cargado tiene una energía potencial, en el sentido de que si no colocamos la barra no hay circulación y por lo tanto la electricidad no puede generar trabajo de ningún tipo. Los diferentes tipos de barras utilizados para hacer circular las cargas y las diferentes tipos de fuentes generan el concepto de la diferencia de potencial eléctrico y de la resistencia de la barra que analizaremos a continuación.
La resistencia eléctrica La característica mas importante de lo que hasta ahora llamamos barra es su capacidad para nivelar las cargas de los cuerpos con mayor o menor velocidad. Intuitivamente sabemos que si coloco una barra de cobre las cargas se nivelan rápidamente; en cambio si coloco una barra de grafito las cargas pueden tardar mucho mas en nivelarse (dependiendo del tipo de grafito). En el primer caso decimos que la barra de cobre tiene muy poca resistencia a la circulación de la corriente eléctrica y el segundo que el grafito presenta mas resistencia a la circulación de los electrones. ¿Como haría Ud. para comparar la resistencia a la circulación electrónica de d iferentes materiales? Lo lógico sería realizar probetas idénticas y operar por comparación. En el fondo lo que hace es muy parecido pero mas científico. Se define a una probeta del material como un alambre de 1 metro de longitud con una sección de 1 mm2 y se dice que la resistencia especifica de ese material es unitaria cuando el resistor tiene una resistencia de 1 Ohms. La letra elegida para nombrar a la resistencia es R . La formula que da la resistencia en función de la resistencia especifica del material y las dimensiones del mismo es la siguiente: R
= Re.L / S
en donde R e es la resistencia especifica del material En la tabla siguiente expresamos la resistencia especifica de los materiales mas comunes. MATERIAL CONDUCTOR
2
R ESISTENCIA ESPECIFICA (L = 1 m, S = 1mm )
PLATA
0,016 ȍ
COBR E
0,018 ȍ
ALUMI NIO
0,03 ȍ
HIERR O
0,1 ȍ
NIQUEL
0,13 ȍ
ESTAÑO
0,142 ȍ
BR ONCE
0,17 ȍ
PLOMO
0,20 ȍ
Tabla de resistencias especificas
En electrónica se hace un uso enorme de barras de diferente resistencia. Tanto, que en realidad se define un componente llamado resistor, que puede tener valores específicos de resistencia que difieren entre si en un 1%, en un 5% o un 10% de acuerdo con su calidad. Estos resistores están construidos con grafito y poseen terminales de cobre para su soldadura en c ircuitos impresos con cobre sobre una lamina aislante. La unidad Ohm representada por la letra griega Omega tiene por supuesto múltiplos y submúltiplos como el Amper. Las siguientes igualdades nos indican los múltiplos y submúltiplos mas utilizados: miliohm 1000 mȍ = 1 ȍ kiloohm 1 Kȍ = 1.000 ȍ megaohm 1 Mȍ = 1.000.000 ȍ
La tensión eléctrica Se dice que una fuente tiene una diferencia de potencial o tensión de 1 Voltio cuando al conectarle un resistor de 1 Ohms circula 1 A de corriente eléctrica por el. La tensión de una fuente se individualiza por la letra E y su unidad el Voltio por la letra V. Las siguientes igualdades nos indican los múltiplos y submúltiplos mas utilizados: microvolt 1.000.000 uV = 1 V milivolt 1.000 mV = 1 V Kilovolt 1 KV = 1.000 V En realidad la tensión de una fuente y la diferencia de potencial no obedecen al mismo concepto. Entre ambas características existe una pequeña d iferencia que pasamos a explicar. Toda fuente de electricidad posee una resistencia interna asociada que no puede ser evitada. Tomemos por ejemplo una pila del tipo A (las mas grandes usadas en linternas). Si medimos la
tensión que entrega una pila nueva sin colocarle ningún resistor de carga, mediremos una tensión de exactamente 1,52V (la tensión depende de los materiales usados para su construcción, las pilas mas comunes utilizan grafito y zinc como electrodos y son las que dan exactamente esa tensión). Pero el grafito y el resto de los materiales que forman parte de la pila tienen cierta resistencia que debe ser considerada. En cambio si colocamos un resistor de carga de 1 Ohms la tensión de la pila se reduce a 1,3 V aproximadamente. Esto significa que esa pila tiene una resistencia interna que vamos a aprender a calcular posteriormente.
Por ahora podemos decir que la diferencia de potencial de la pila (o la tensión sin carga que es lo
mismo) es de 1,52V y que la tensión cargada depende de la carga conectada, pero para una carga de 1 Ohm es de 1,3V. Los generadores electromecánicos (dínamos) también poseen una diferencia de potencial y una tensión de trabajo con carga. En este caso la resistencia interna de la fuente está formada por la resistencia de los bobinados del dispositivo.
La Ley de Ohm Una de las leyes mas importante de la electrónica es la ley de Ohm. El conocimiento por parte del alumno de esta ley es imprescindible y su aplicación no debe presentar ningún tipo de duda. Dudar en la aplicación de la ley de Ohm implica que todo el conocimiento que posteriormente se adquiera estará viciado de nulidad. Por eso le pedimos que preste la mayor atención y practique con la ley de Ohm hasta que no tenga la menor duda. En la próxima lección vamos a insistir sobre el tema pero utilizando una herramienta invalorable para ello; el laboratorio virtual Live Wire. Pero primero debemos captar el concepto a la antigua es decir utilizando solo nuestra capacidad de raciocinio. La ley de Ohm es muy lógica e intuitiva y el alumno seguramente la va a entender con total facilidad. En la figura 1 se puede observar lo que en electrónica se llama un circuito.
Fig. 1 Circuito de una pila cargada con un resistor Evidentemente se trata de un dibujo esquematizado de la realidad. En lugar de dibujar una pila real, un resistor real y los cables que conectan a esos componentes se los reemplaza por un esquema fácil de dibujar. A la derecha se puede observar el símbolo de un resistor y a la izquierda el de una pila unido por líneas que representan a los cables del circuito o a las pistas del circuito impreso de cobre. Inclusive siempre se dibuja la pila de modo que la raya mas larga sea el terminal positivo de la misma. En este circuito están claramente determinados do s parámetros mas importantes. La tensión de la pila y la resistencia del resistor conectado sobre ella y que por supuesto tiene aplicada la misma
