2016509 Informe Laboratorio N° 1

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
Gustavo Chica Pedraza
Taller de Ingeniería
Electrónica
La primera experiencia en el laboratorio
Lozada. Juan, Mozuca. Paula, Rosas. Jhonatan.
I.
Abstract — During our first practice of
electronic engineering workshop, we had intended to
familiarize ourselves with the different basic
elements that we will use during the semester. In
addition we perform simple calculations of electrical
circuits.
diodos emisores de luz o Leds. Se analiza su
funcionamiento, su simbología y sus códigos
estándar. También se estudiara conceptos básicos
en el uso de herramientas como protoboards y
multímetros.
First, we take ten resistors of various values, we
find its real value and nominal value, using color
coding and multimeter; proceeded to measure a
resistance, the current flowing to vary the voltage.
Moreover, the law of ohm resistance calculated in
real terms. Also, we measured the current of a LED
by varying the voltage. To analyze the results, the
value of the resistance of the leads, the wire, and the
LED diode are included.
La importancia del orden en los circuitos
electrónicos es fundamental para encontrar
posibles fallos que puedan darse en el montaje del
mismo, por esta razón, se necesita darle un
correcto uso a los materiales que se requieran
utilizar. Se seguirán pautas simples para el
montaje de componentes electrónicos y el
alambrado en protoboards, asimismo, para el
manejo del multímetro.
II.
Keywords — Diode, Led, Multimeter, Ohm,
Protoboard, Resistor, Watt.
III.
Resumen — Durante nuestra primera
práctica de taller de ingeniería electrónica, teníamos
la intención de familiarizarnos con los diferentes
elementos básicos que usaremos durante el semestre.
Además realizamos cálculos sencillos de circuitos
eléctricos.
En primer lugar, tomamos diez resistencias de
diferentes valores y encontramos su valor real y el
valor nominal, mediante un código de colores y
multímetro; se procedió a medir una resistencia, la
corriente que fluye con la variación del voltaje. Por
otra parte mediante la ley de ohm es calculada la
resistencia en términos teóricos. Además, se midió
la corriente de un LED variando la tensión. Para
analizar los resultados, el valor de la resistencia de
los cables, el cable, y el diodo LED están incluidos.
VI.
1.
Marco teórico
Resistores
Los resistores son componentes electrónicos que
se oponen en cierta medida al flujo de corriente,
por esa razón poseen la característica de
resistencia. Son usados generalmente para
controlar la tensión y el voltaje en los circuitos
eléctricos,
para
que
estos
funcionen
correctamente. Son componentes que protegen al
circuito.
IV.
Palabras clave — Diodo, Led, Multímetro,
Ohm, Placa de pruebas, Resistencia, Vatio.
V.
E
Introducción
n esta práctica se proporcionara una pequeña
introducción al mundo de la electrónica, más
precisamente, un acercamiento a dos componentes
electrónicos fundamentales: Los resistores y los
Imagen 1. Composición de una resistencia de película de
carbono [1].
Para medir una resistencia se usa la unidad del
ohmio, que se representa con el símbolo griego
omega (Ω). Las resistencias se dividen en
resistencias fijas y resistencias variables.
1
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1.1. Resistencias fijas.
Las resistencias fijas, son aquellas que tienen
una medida fija durante el funcionamiento del
circuito, estas resistencias tienen un código de
colores para que la persona que vaya a usarla,
conozca el valor aproximado de la resistencia
(Imagen 2). Las resistencias fijas más comunes,
son las resistencias de película de carbono, estas
se representan simbólicamente como se muestra
en la imagen 3 [2].
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Electrónica
Un resistor variable comúnmente se le conoce
como potenciómetro, es un elemento resistivo
continuo sobre un aislante, generalmente
baquelita, con un contacto deslizante que atraviesa
el elemento alrededor de una línea circular o recta,
dependiendo del estilo del potenciómetro
(Imagen 4). Normalmente se ajusta por un eje
conectado a un dial o tornillo de apriete manual, o
por una herramienta de destornillador o ajuste [5].
Estas
resistencias,
tienen
el
mismo
funcionamiento
de
las
mencionadas
anteriormente, la diferencia es la posibilidad de
cambiar su valor resistivo durante el
funcionamiento del circuito, haciendo a estas más
versátiles a la hora del montaje del mismo.
Imagen 2. Tabla de colores para resistencias de
película de carbono [3].
Estas resistencias están clasificadas por su
medida resistiva en ohmios (Ω), kilo-ohmios (kΩ)
o mega-ohmios (MΩ), de la misma forma, por su
capacidad de disipar la potencia sin sufrir daños o
sobrecalentamientos. En cuanto a la potencia se
especifica como 1/8 de Watt, ¼ de Watt, ½ de
Watt, 1 Watt y de 2 Watt.
Para leer el valor de una resistencia, es
necesario guiarse por el código de colores,
normalmente se utilizan 3 colores para el valor
nominal de la resistencia y un cuarto para la
tolerancia que tiene este valor. Las primeras dos
bandas de color, se leen como cifras significativas
del valor total, la tercera como un exponente en
base 10 de estas cifras.
Imagen 3. Simbología para las resistencias fijas [4].
1.2. Resistencias variables
Imagen 4. Diagrama general de un potenciómetro [6].
Las resistencias variables se simbolizan de la
siguiente forma:
Imagen 5. Símbolo de una resistencia variable [7].
2.
Diodo emisor de luz o LED.
Un diodo puede emitir luz o tener
electroluminiscencia (Emisión de luz por un
sólido excitado por un campo electrostático), esta
emisión de luz se debe a la inyección de
electrones en un semiconductor. La luz emitida en
este caso procede de la recombinación electrónhueco. Esto se ve claramente al considerar que
cuando un electrón se recombina, cae desde un
nivel sin ligadura, o de alta energía, a su estado
neutro y se obtiene luz de una longitud de onda
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Electrónica
correspondiente a la diferencia de niveles de
energía asociada con esta transición (Imagen 6).
escapar del LED. Para tener el máximo
rendimiento de un LED, los fabricantes:
Entre los materiales más comunes para fabricar
LED’s, se encuentra el germanio (Ge), el silicio
(Si), el arseniuro de galio (GaAs) entre otros, de
los cuales el GaAs es uno de los más antiguos y
mejores para fabricar LED’s, una de las ventajas
principales del GaAs es que tiene una gran
probabilidad de transición directa radiactiva. Es
decir, toda transición directa es siempre de la
banda de conducción a la de valencia.
1.
Utilizan los materiales menos absorbentes
y de alto rendimiento directo con cristales
lo menos defectuosos posible, de forma
que los portadores o fotones no se pierdan
en el sistema, atrapados en los defectos del
cristal.
2.
Colocan lentes con índices de refracción lo
más próximos posible al del material del
LED, de forma que se refleje la menor luz
posible hacia el interior cuando atraviesan
la separación LED-aire.
3.
Trabajan en funcionamiento intermitente
para eliminar problemas de Saturación y
temperatura.
El material de construcción para LED’s es el
GaAsP, a este material le podemos cambiar la
relación de impurezas (AsP) lo que permite
diversas longitudes de onda (colores).
4.
Enfrían los dispositivos para disminuir el
número de transiciones no radiantes originadas
por la dispersión de estados de energía cuando
se añade energía térmica.
La mayoría de los LED’s tienen un encapsulado
comercial de plástico con una lente directamente
sobre la unión p-n. No todos los fotones
generados por la unión salen de la superficie del
LED, tres elementos separados disminuyen la
cantidad de fotones emitidos.
1.
Pérdidas debidas a los materiales de
construcción
((
Imagen 6. Varios materiales cristalinos y la porción del
espectro en la cual emiten radiaciones. [8]
Para tener una inyección luminiscente eficaz o
un alto rendimiento de conversión de energía
eléctrica en energía de recombinación, es
necesario: 1. una buena alimentación o
inyección de portadores minoritarios, 2. un alto
rendimiento de recombinación radiactiva, y 3.
una elevada probabilidad de los fotones de
𝐺𝑎𝐴𝑠𝑃
𝐺𝑎𝐴𝑠
) η=0.15, (
𝐺𝑎𝐴𝑠𝑃
𝐺𝑎𝑃
) η=0.76).
Fórmula (1).
2.
Perdidas FRESNEL (en dos elementos
con diferente índice de refracción una parte de la
radiación se refleja).
Fórmula (2).
3
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3.
Perdidas por ángulo crítico.
Fórmula (3).
3.
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Protoboard
Una Protoboard o tablero de pruebas, es un
tablero perforado para el montaje de prototipos
de circuitos electrónicos sin el uso de soldadura
para comprobar su funcionamiento (Imagen 9).
La unión de todas las perdidas nos da.
Fórmula (4).
Estas ecuaciones se aplican la cantidad de veces
que sea necesario, ya que existe perdidas entre
cada cambio de índice de refracción, en un LED
compuesto por capas, y las pérdidas se multiplican
para encontrar el total [8].
En la imagen 7, se muestra el encapsulado de
un LED común y en la imagen 6 su respectivo
símbolo.
Imagen 9. Esquema de una Protoboard [10].
4.
Multímetro
Un multímetro es un instrumento de medida
que ofrece la posibilidad de medir distintos
parámetros eléctricos y magnitudes en el mismo
aparato. Las más comunes son las de
voltímetro, amperímetro y óhmetro. Es
utilizado frecuentemente por personal en toda la
gama de electrónica y electricidad.
Para el manejo del multímetro debemos tener
en cuenta los siguientes aspectos:
Medición de resistencia:
Imagen 7. Encapsulado de un LED común. [8]
Para evitar descargas eléctricas, lesiones
personales o daños al medidor, desconecte la
alimentación del circuito y descargue todos los
condensadores de alta tensión antes de realizar
pruebas de resistencia, continuidad, diodos o
capacitancia.
Imagen 8. Símbolo de un LED [9].
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Prueba de continuidad
La función de continuidad funciona mejor
como método rápido y práctico de verificar la
existencia de tramos abiertos del circuito o
cortocircuitos. Con el fin de obtener la máxima
precisión al medir la resistencia, utilice la
función de resistencia (OHMS) del medidor.
Medición de tensiones de AC y CC:
Con el selector de funciones en la posición
de VCC o VAC el hace una medición de
tensión de CC o AC basándose en la entrada
aplicada entre las tomas V+ y COM. Esta
función también establece la impedancia de
entrada del medidor en aproximadamente 3 kΩ
para reducir la posibilidad de lecturas falsas
debido a tensiones parásitas.
Medición de mV de AC y CC:
Con el interruptor de función en la posición
de mV el multímetro mide milivoltios de AC o
CC.
Medición de corriente alterna y continúa:
Para evitar lesiones personales o daños al
medidor. Nunca trate de realizar una medición
de corriente en un circuito cuando la tensión del
circuito abierto a tierra sea superior a 600 V.
Antes de realizar la prueba, verifique el fusible
del medidor. Utilice los terminales, la posición
del selector y el rango apropiados para las
mediciones.
No coloque nunca las sondas en paralelo con
un circuito o componente cuando los
conductores estén conectados en los terminales
de corriente A (Amperios).
Desconecte la alimentación eléctrica al
circuito, abra el circuito e inserte el medidor en
serie con el circuito y vuelva a conectar la
alimentación eléctrica [11].
VII.
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Electrónica
Metodología
 Se ordenó el material de acuerdo al tiempo
de uso, de tal manera que se garantizaba el
orden de la práctica.
 Se realizó el reconocimiento de los
materiales de la práctica además de verificar el
buen funcionamiento de estos.
 Se tomó la guía y con base en ella se
desarrolló el literal 4.1.3 A, sus datos se
encuentran consignados en el aparte
Respuestas a las preguntas sugeridas del
informe.
 Con el montaje realizado antes del
laboratorio se procedieron a medir cada una de
las resistencias que se encontraban en el
protoboard mientras ocurría esto otro
integrante anotó dichos valores en las tablas
del pre informe.
 Posteriormente con ayuda de la calculadora
se realizaron los cálculos para los errores de
las resistencias, estos valores fueron anotados
en la bitácora.
 Se midió la resistencia de las puntas del
multímetro y se anotó su resultado asimismo
se procedió a medir la resistencia en el
alambre, diodo y led. También se midió
resistencia con puntas invertidas (diodo y led),
datos consignados en el aparte Respuestas a
las preguntas sugeridas del informe.
 Se procedió a elegir la resistencia y a realizar
el montaje de la Figura 10 de la guía de
laboratorio N°1, Definiciones básicas en
electrónica y posteriormente medir el voltaje e
intensidad (corriente) y demás magnitudes que
se pedían, se eligieron los 6 valores con una
variación constante para facilidad de graficar
además de aplicar el debido proceso en la
variación de voltaje en la fuente.
 Se realizó el montaje con el LED y se
procedió a medir las 6 variaciones de valor
teniendo en cuenta conocimientos previos se
decidieron los voltajes con la precaución de no
quemar el elemento, se anotaron los datos en
las tablas del pre informe y se realizó el
intercambio de puntas (polaridad).
 Finalmente se realizaron las gráficas de los
datos consignados y se evaluaron con las
expectativas antes consultadas
(consulta
previa) y con los conocimientos previos de los
estudiantes.
5
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VIII.
Fórmulas
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑙
|
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙
𝑬𝑹𝑹𝑶𝑹 = |
𝑹𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 (Ω) =
IX.
E1= |
𝑅4 =
𝑉4
5.5 𝑣
=
= 8 100 Ω
𝐼4
0.679 𝑚𝐴
𝑅5 =
𝑉5
6𝑣
=
= 8 042 Ω
𝐼5
0.746 𝑚𝐴
𝑅6 =
𝑉6
6.5 𝑣
=
= 8 145 Ω
𝐼6
0.798 𝑚𝐴
𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒
Intensidad
Cálculos realizados
220 Ω-215 Ω
| =0.02
220 Ω
100 𝑘Ω − 98 𝑘Ω
𝐸2 = |
| = 0.02
100 𝑘Ω
39 Ω − 38.7 Ω
𝐸3 = |
| = 0.008
39 Ω
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Electrónica
X.
Tablas
Tabla 1. Resistencias utilizadas en la práctica
(Anexo 1).
RESISTENCIA
Voltaje (V) Corriente (mA)
15 𝑘Ω − 14.96 𝑘Ω
𝐸4 = |
| = 0.003
15 𝑘Ω
4
0,495
4,5
0,549
51 Ω − 50 Ω
𝐸5 = |
| = 0.02
51 Ω
5
0,62
5,5
0,679
220 Ω − 224 Ω
𝐸6 = |
| = 0.02
220 Ω
6
0,746
6,5
0,798
𝐸7 = |
15 Ω − 14.96 Ω
| = 0.03
15 Ω
𝐸8 = |
390 Ω − 381 Ω
| = 0.023
390 Ω
𝐸9 = |
470 Ω − 461 Ω
| = 0.019
470 Ω
Tabla 2. Medición de corriente y voltaje en
resistencia.
Ver gráfica (Anexo 2).
LED
Voltaje (V) Corriente (mA)
2
0,001
2,3
0,74
8 200 Ω − 8 130 Ω
𝐸10 = |
| = 0.009
8200 Ω
2,6
4,9
2,9
10,1
𝑉1
4𝑣
𝑅1 =
=
= 8 080 Ω
𝐼1
0.495 𝑚𝐴
3,2
25,1
3,5
42,2
𝑅2 =
𝑉2
4.5 𝑣
=
= 8 272 Ω
𝐼2
0.544 𝑚𝐴
𝑉3
5𝑣
𝑅3 =
=
= 8 064 Ω
𝐼3
0.620 𝑚𝐴
Tabla 3. Medición de corriente y voltaje en Led.
Ver gráfica (Anexo 3).
XI.
Análisis de resultados
Los resultados esperados en la parte de
procedimiento de la práctica son satisfactorios
luego se asemejan a la teoría vista en clase y a los
diferentes códigos estándar, leyes o normas que
6
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permiten al practicante tener la seguridad de tener
una mínima tolerancia de error al momento de
realizar las diferentes prácticas que se realizan en
la electrónica.
Se asimilan la ley de ohm, ley de watt y código de
colores como hecho de confiabilidad al momento
de realizar las diferentes mediciones asimismo se
comprobó el buen uso de la protoboard a
excepción del uso adecuado de los elementos
usados en la práctica ya que el cortocircuito
presentado durante la práctica con un Led permite
evidenciar la pequeña falla o descuido en el
momento de conectar el material.
Respecto a los datos se evidencian pequeñas
desviaciones estándares respecto a las ideales de
igual manera en una de las gráficas se presencia
una pequeña alarma por la desigualdad entre la
gráfica hallada con relación a la investigada en la
consulta previa, finalmente se analiza y se
entiende que la gráfica corresponde a un rango de
led y que con el led utilizado se presenta una
desviación que concuerda con la gráfica hallada.
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Electrónica
¿Son realmente cortocircuito? ¿Afecta esto la
medida? No son un cortocircuito pues se realiza la
medición que tiene el aparato de medida y por
supuesto afecta pero en una mínima proporción la
medida luego en caso de que se midan resistencias
se sumara a está por estar en un circuito serie.
¿El alambre es 100% conductor? No es 100%
conductor pues tiene una pequeña resistencia pero
se dice que es casi alrededor de 100% conductor
debido a su mínima oposición al paso de
electrones a través de este.
¿Es aislante o conductor el diodo? Es un material
conocido como semiconductor que permite el
paso de electrones a través de este en un solo
sentido y a su vez del otro sentido se comporta
como un aislante pues no permite el paso; para
que sea material conductor se requiere que
permita el paso en los dos sentidos.
Literal 4.1.3 C
Se concuerda con el buen uso del término
cortocircuito y con la ejecución de la inversión en
las puntas del multímetro (polaridad).
XII.
Respuestas a las preguntas sugeridas
Literal 4.1.3 A
Voltaje1: 3.75 V
Voltaje2: -3.81 V
Resistencia utilizada: 8.2 kΩ = 8 200 Ω
VResistencia= 1.62 V
VPila = 1.63 V
Corriente = 0.195 mA
¿Es óhmico el material? La resistencia como
material es óhmico pues en cierta medida se
opone al paso de la corriente a través de él lo que
permite bajar los valores en el circuito y poder
manejar tanto corriente como voltaje.
Literal 4.1.3 B
Resistencia puntas: 0.2 Ω
Resistencia alambre: 0.3 Ω
Resistencia diodo: 1.2 M Ω
Resistencia diodo (Invertido): - 1.4 M Ω
Resistencia Led: 1.2 M Ω
Resistencia Led (Invertido): - 1.4 M Ω
¿Están estas resistencias dentro de la tolerancia
especificada por el fabricante? ¿En caso contrario
indague por qué no? Sí están dentro de la
tolerancia como se indica en la Tabla 1.
¿Se mantiene respecto a la resistencia medida
directamente con el óhmetro? Se mantiene la
resistencia aunque en los cálculos realizados de
una variación esto es debido a las tolerancias en
las mediciones y en los resultados de los mismos
cálculos.
XIII.
Consulta
Potenciómetro: Resistor eléctrico con un valor de
resistencia variable, se utilizan en circuitos de
poca corriente, para circuitos de mayor corriente
se utilizan reóstatos. También se pueden utilizar
para controlar la diferencia de potencial (voltaje).
7
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- Tienen 3 terminales enumeradas como: 1,2 y c.
- La resistencia entre 1 y 2 es fija.
- La resistencia entre 1 y c es variable.
- La resistencia entre 2 y c es variable.
Taller de Ingeniería
Electrónica
básicos (leyes, normas y códigos) además
del buen uso de los mismos materiales.
2.
El uso del multímetro fundamento el éxito
de la práctica a través de las diferentes
lecturas que se aprendieron a tomar con
las partes y funciones de este mediante
materiales como resistencias y diodos.
3.
Se introdujo a los estudiantes a las leyes
de ohm y watt, asimismo, al código de
colores como fuente de la buena
culminación de las futuras prácticas y
bases de la electrónica.
XV.
Publicaciones
Este informe se encuentra publicado en la página
web: http://tatanrosas.jimdo.com/unal
XVI.
[12]
XIV.
1.
Conclusiones
Los
estudiantes
asemejaron
las
herramientas básicas de la electrónica
como fuente, protoboard, multímetro,
resistencias, diodos a través de la práctica
se desarrollaron el uso de conceptos
Referencias
[1] http://cdn4.resistorguide.com/pictures/carbon_film
_resistor1.png
[2] Carbon
film
resistor
,SDA,
SDP,
http://www.resistorguide.com/carbon-film-resistor/
[3] http://4.bp.blogspot.com/ix3Qhbu5dqo/UD1kYIwHYkI/AAAAAAAAAKg/
sDqPhLOkMZ0/s1600/Codigo+de+Colores.jpg
[4] http://bricoarduino.files.wordpress.com/2013/02/di
agrama.jpg
[5] ITG SUBJECT: ELECTRONIC COMPONENTS
– RESISTORS, U.S. Food and Drug
administration,
(2008),
http://web.archive.org/web/20080403111045/http:/
/www.fda. gov/ora/Inspect_ref/itg/itg31.html
[6] http://imagenes.unicrom.com.s3.amazonaws.com/d
escripcion_potenciometro1.gif
[7] http://static.freepik.com/foto-gratis/rsa-iecvariable-resistencia-simbolo-de-clipart_432927.jpg
[8] DIODOS EMISORES DE LUZ (LED) , Instituto
tecnológico
de
la
laguna,
SDP,
http://www.itlalaguna.edu.mx/academico/carreras/
electronica/opteca/OPTOPDF2_archivos/UNIDA
D2TEMA7.PDF
[9] http://1.bp.blogspot.com/-tnaAypB12c/USeV9tkzFwI/AAAAAAAAACg/wPriS1jCO8
g/s1600/diodo+simbolo.png
[10] http://taller.tagabot.org/index.php/Arduino/Armada
[11] Multímetro,
SDA,
(2004),
http://www.finaltest.com.mx/Multimetros-s/24.htm
[12] Electrónica análoga; Martínez José Demetrio;
Universidad Nacional de Colombia.
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XVII.
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Anexos
Anexo 1
1 2 3
Dorado
Valor
nominal
220 Ω ± 5%
Dorado
Tolerancia
Valor real Error Error (%) ¿Cumple?
215 Ω
0,02
2,0%
Sí
100 kΩ ± 5%
98 kΩ
0,02
2,0%
Sí
Dorado
39 Ω ± 5%
38.7 Ω
0,008
0,8%
Sí
Dorado
15 kΩ ± 5%
14.96 kΩ
0,003
0,3%
Sí
Dorado
51 Ω ± 5%
50 Ω
0,02
2,0%
Sí
Dorado
220 Ω ± 5%
224 Ω
0,019
1,9%
Sí
Dorado
15 Ω ± 5%
15 Ω
0,003
0,3%
Sí
Dorado
390 Ω ± 5%
381 Ω
0,023
2,3%
Sí
Dorado
470 Ω ± 5%
461 Ω
0,019
1,9%
Sí
Dorado
8.2kΩ ± 5%
8130 Ω
0,009
0,9%
Sí
Tabla 1. Resistencias utilizadas en la práctica
Anexo 2
Corriente vs Voltaje Resistencia
0,9
0,8
Corriente
vs Voltaje
Corriente (mA)
0,7
0,6
0,5
Lineal
(Corrient
e vs
Voltaje)
0,4
0,3
0,2
y = 0,0619x + 0,4313
R² = 0,9985
0,1
0
4
4,5
5
5,5
6
6,5
Voltaje (v)
Gráfica 1. Medición de corriente y voltaje en resistencia.
9
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Anexo 3
Corriente vs Voltaje LED
45
40
y = 2,2351x2 - 7,3806x + 5,7735
R² = 0,9955
35
Corriente (mA)
30
Corriente vs Voltaje
LED
25
20
Polinómica
(Corriente vs
Voltaje LED)
15
10
5
0
-5
2
2,3
2,6 2,9 3,2
Voltaje (v)
3,5
Gráfica 2. Medición de corriente y voltaje en LED.
10