Guía práctica 1 Ficheiro - Campus Virtual
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Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle UNIVERSIDAD DEL VALLE ESCUELA DE INGENIERIA ELÉCTRICA Y ELÉCTRONICA CÁTEDRA DE PERCEPCIÓN Y SISTEMAS INTELIGENTES LABORATORIO No. 1 DE ELECTRÓNICA I ELEMENTOS DE LABORATORIO RESISTENCIAS Y DIODOS . **** Lea completamente esta guía antes de realizar la práctica **** 0. INTRODUCCION Es importante para el Ingeniero eléctrico estar familiarizado con los componentes electrónicos más utilizados y los instrumentos de medición para el trabajo con circuitos eléctricos. Adicionalmente, mediante esta práctica tendrá la oportunidad de confrontar los conocimientos adquiridos con los resultados que se obtienen en la práctica. 1. OBJETIVOS. • • • Identificar los componentes que con mayor frecuencia se usan en electrónica. Conocer el manual de reemplazos (ECG ) y realizar búsquedas sencillas en el mismo. Manipular el equipo básico de todo laboratorio de electrónica y familiarizarse con sus funciones principales. 2. MATERIALES Adquiridos por el estudiante 2 Diodo 1N4004 1 Resistencia de 330 ohm ½ W 1 Diodo led 1 Resistencia de 1KOhm ½ W 1 Resistencia de 2,2KOhm ½ W 1 Resistencia de 10KOhm ½ W 1 Resistencia de 22KOhm ½ W 2 caimanes ó 1mt de cable UTP para realizar la conexión a las fuentes 1 Protoboard Suministrados por el laboratorio Multímetro digital Fuente de DC Generador de señales Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle Osciloscopio Puntas de Prueba 3. CONTENIDO. 3.1. IDENTIFICACIÓN DE COMPONENTES. 3.1.1. Resistencias. Las resistencias son elementos eléctricos que restringen o limitan el flujo de corriente a través de ellas; esta limitación varía de forma directamente proporcional a su valor en ohms (Ω) y su símbolo eléctrico es: Existen otro tipo de resistencias de valor variable que pueden ser potenciómetros (como los usados en los controles de volumen de las radiograbadoras comunes), o los llamados trimmers o resistencias variables de precisión, con las que se logran ajustes mucho más finos en el valor de la resistencia que los obtenidos mediante potenciómetros. El valor de la resistencia expresado en ohms y su tolerancia se encuentra indicado sobre el dispositivo, ya sea directamente como en los potenciómetros, trimmers y resistencias de potencia; o indicada con un código de colores expresado en cuatro o cinco bandas de colores alrededor del cuerpo de la resistencia. La figura 1 presenta un ejemplo de resistencias de carbón (arriba) y de película metálica (abajo) con 5 y 5 bandas, en la siguiente sección de código de colores se indica el valor según el color que se encuentre en cada banda: Figura 1. Resistencias con 4 y 5 bandas CÓDIGO DE COLORES Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle Para interpretar los valores de la resistencias de acuerdo con el código de colores, primero debe identificarse el orden de las cifras, para lo cual, puede usar como referencia la banda de tolerancia de color dorada o plateada que corresponde a la menos significativa. Los colores de las dos primeras bandas, que corresponden a los dos dígitos más significativos, codifican el valor de la resistencia que termina de definirse al multiplicarlo por 10 elevado a una potencia determinada por el color de la cuarta banda. Sin embargo, el valor real podrá estar por encima o por debajo del valor indicado de acuerdo con la banda de tolerancia. Tabla1. Valor de los colores de las bandas Banda Banda multiplicadora Tolerancia Significativa Negro 0 x1 Marrón 1 x 10 ± 1% Rojo 2 x 100 ± 2% Naranja 3 x 1000 Amarillo 4 x 10000 Verde 5 x 100000 Azul 6 x 1000000 Violeta 7 Gris 8 Blanco 9 Dorado x 0.1 ± 5% Plata x 0.01 ± 10% Color Ejemplo, se tiene la resistencia de la figura 2: Figura 2. Resistencia de 10kΩ ± 5% Con bandas de color café=1, negro=0, naranja=3 y dorado=5%, su valor será de: 10x103 ± 5%.= 10.000 Ω ± 5%.=10KΩ± 5%. Como la banda de tolerancia es dorada, su valor puede variar por encima o por debajo un 5%, esto equivale para este caso a 500Ω, y por tanto, el valor real de la resistencia estará entre 9500 Ω y 10.500 Ω. Siempre se debe expresar el valor en ohms de la resistencia con su respectiva tolerancia: 10kΩ ± 5%. Valores nominales de las resistencias. Como podrán imaginar no se fabrican resistencias de todos los valores nominales posibles. Por una parte, porque los efectos que pueden sufrir durante el proceso de fabricación (tolerancia) imposibilita conseguir componentes en los que se puede tener la seguridad de que su valor nominal coincide con el valor real. Por otro lado porque en general siempre se trabaja con unos valores de magnitudes eléctricas que se pueden conseguir con estos valores. Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle Cuanto más pequeño es el valor de la tolerancia mayor es la cantidad de valores nominales de la serie. Habitualmente se trabaja con la serie E12 y E24 que corresponde a una tolerancia del 10% y 5% respectivamente. Tabla 2. Valores nominales En la Tabla 2 se muestran los valores nominales de las resistencias, consulten esta tabla al momento de comprar las resistencias de los diseños. Resistencia fotoeléctrica La resistencia Fotoeléctrica o LDR es un dispositivo que tiene la propiedad de cambiar su resistencia eléctrica de acuerdo a la cantidad de iluminación que reciba el dispositivo, útil en circuitos que requieran detectar la cantidad de luz y oscuridad de un recinto o detectar el paso de objetos. Normalmente su resistencia es alta, pero cuando se le aplica luz esta disminuye. Animación: http://www.technologystudent.com/elec1/ldr1.htm 3.1.2. Condensadores. Al igual que ocurre con los resistores, el condensador (o capacitor) no suele faltar en cualquier circuito electrónico. Este componente, del que existen muchas formas y modelos consiste básicamente en dos placas metálicas separadas por un aislante, llamado dieléctrico. Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle Este dieléctrico, que dependiendo del tipo de condensador puede ser aire, papel, mica, plástico u otro, es clave para determinar las características que tendrá el condensador. El valor del condensador, en términos de capacidad, se mide en Faradios y su símbolo eléctrico es: Si se conecta un condensador a una fuente de corriente continua, uniendo uno de sus terminales al positivo y el otro al negativo, no habrá circulación de electrones a través de él debido a la presencia del dieléctrico, que como se mencionó es un material aislante que impide que los electrones se desplacen a través de él. Sin embargo, se producirá una acumulación de cargas en las armaduras, concretamente de electrones en la armadura que está conectada al negativo de la fuente, y de “huecos” (cargas positivas) en la que se conecte al positivo. Este efecto se conoce como polarización del dieléctrico. Si se desconecta la fuente de energía del condensador, la acumulación de carga se mantiene debido a la atracción que existe entre las cargas de distinto signo que se ubican en cada una de las armaduras. Esta fuerza de atracción es mayor en la medida en que la distancia entre las placas sea más pequeña, lo que explica por qué la capacidad es mayor en estas circunstancias. Cuando se utiliza un condensador conectado a una fuente de corriente alterna, el condensador se ve obligado a variar al ritmo del sentido de la corriente entregada por la fuente. Esto se debe a que la polarización de las placas que pasa de negativo a positivo en cada una de las placas (alternadamente) cambia varias veces por segundo. Si la frecuencia de esta variación es muy elevada, el dieléctrico será incapaz de seguir los cambios a la misma velocidad, y su polarización disminuirá. Este fenómeno explica el por qué la capacidad de un condensador disminuye cuando la frecuencia aumenta. Así mismo, es importante destacar que debido a la existencia del dieléctrico, se producirá un desfasaje entre la tensión aplicada y la corriente que circula a por el condensador, de manera que cuando la corriente este en su valor máximo, la tensión será cero, y viceversa, situación que se repetirá a lo largo del ciclo de la corriente alterna. Hay varios tipos de condensadores: cerámico, electrolíticos, de tantalio, etc. Los condensadores cerámicos se fabrican con capacidades relativamente pequeñas, comprendidas entre 1 pF y los 470 nF (0.47uF). La tolerancia respecto del valor nominal es de aproximadamente un 2% para los de valor más pequeño, y de un 10% para los de mayor denominación. Físicamente, se parecen a una lenteja con los dos terminales saliendo desde uno de los bordes, y se utilizan principalmente en circuitos que necesitan una alta estabilidad y bajas pérdidas en altas frecuencias. Debido al pequeño tamaño de estos componentes, y a que a menudo los valores están compuestos por varios dígitos, se emplea una codificación similar al código de color para las resistencias pero con números. En efecto, es habitual encontrar escrito sobre el cuerpo de estos condensadores un número de 3 cifras, donde las dos primeras corresponden a las unidades y decenas, y la tercera la cantidad de ceros. Este sistema se conoce como Código 101. De esta manera, si en el número escrito es, por ejemplo, “124”, significa que la capacidad es de 120.000 pF, o lo que es lo mismo, 0.12 uF. Una letra al final del código Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle determina la “tolerancia”, o máximo error que podemos esperar encontrar entre el valor real del componente y el que tiene escrito en su cuerpo de acuerdo con la siguiente tabla: Algunos condensadores tiene impreso directamente sobre ellos el valor de 0.1 o 0.01, lo que indica 0.1 uF o 0.01 uF. Otro tipo de condensador muy utilizado es el denominado “electrolítico”, siendo el que mayor capacidad presenta para un tamaño físico determinado. Las tolerancias oscilan entre el 10% (condensadores de hasta 330uF) y el 20% para capacidades superiores, y su principal uso está relacionado con el filtrado de componentes de corriente alterna en fuentes de alimentación, y filtros de baja frecuencia. Los condensadores electrolíticos están formados por una banda de aluminio recubierta por un oxido del mismo metal, que hace las veces de dieléctrico. Sobre esta lámina hay una de papel, impregnada en un líquido conductor, que recibe el nombre de electrolito, de donde toma el nombre este modelo de condensador. Este tipo de condensador es polarizado, es decir, deben conectarse respetando la polaridad de sus terminales; usualmente se indica la polaridad a través de una marca impresa el terminal negativo ó se hace el terminal negativo más largo que el positivo. Debe tenerse en cuenta que un condensador electrolítico puede explotar si se somete a una tensión sensiblemente mayor a la que corresponde a su tipo. Esto se debe a que el electrolito pasa de estado líquido a gaseoso, y la presión dentro del recipiente que contiene las armaduras aumenta sensiblemente, lo que provoca la destrucción del componente. Los condensadores de poliéster son ampliamente utilizados, dado que entre sus características más importantes se encuentran una gran resistencia de aislamiento que le permite conservar la carga por largos periodos de tiempo, un volumen reducido y un excelente comportamiento frente a la humedad y a las variaciones de temperatura. Adicionalmente, en caso de que un exceso de tensión los perfore, el metal se vaporiza en una pequeña zona rodeando la perforación evitando el cortocircuito, lo que le permite seguir funcionando, fenómeno conocido como autorregeneración o autoreparación. Los materiales más utilizados en la construcción de estos condensadores son el poliestireno (styroflex), el poliester (mylar), el policarbonato (Macrofol) y politetrafluoretileno (conocido comercialmente como teflón). En el caso de algunos condensadores de poliéster se utiliza el mismo código de colores que en las resistencias, de cinco bandas, donde los colores de las dos primeras son el valor de las Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle unidades y decenas, el tercero la cantidad de ceros, el cuarto color es la tolerancia, y el quinto la tensión máxima. Finalmente, existen condensadores con capacidad variable, construidos generalmente en aluminio, con un dieléctrico que suele ser el aire, aunque también se utilizan la mica o el plástico. Estructuralmente consisten en dos armaduras formadas por láminas paralelas de metal que se introducen una en la otra cuando se actúa sobre un eje. Esto produce una modificación en la superficie de las armaduras que quedan enfrentadas, y con ello la variación de la capacidad. Se utilizan por ejemplo para variar la frecuencia en la que trabaja un receptor de radio de amplitud modulada. DIODO SEMICONDUCTOR El diodo es el elemento semiconductor más simple que existe y está compuesto en su forma más básica por una unión pn. La operación de la unión pn es tal, que el dispositivo conduce una corriente apreciable en un sentido de polarización, pero conduce una corriente muy pequeña en el otro sentido, tal y como lo muestra la figura 1. Como puede verse en la figura, el diodo posee dos terminales llamados Ánodo (A) y Cátodo (K). El voltaje entre el ánodo y el cátodo del dispositivo ha sido etiquetado como VD en la figura. La polarización directa ocurre cuando el voltaje VD es positivo y mayor a unas décimas de voltio. En este caso la corriente que fluye por el diodo, la fuente V1 y la resistencia está fundamentalmente limitada por elemento resistivo. La polarización directa del diodo está asociada a su estado de encendido o conducción. Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle La polarización inversa del diodo ocurre fundamentalmente cuando el voltaje VD es negativo o de valor muy cercano a cero voltios. En este caso la corriente que fluye por el diodo está limitada por el mismo elemento y su valor es despreciable o muy cercano a cero. La polarización inversa está asociada al estado de apagado o de no conducción del diodo. Característica VI del diodo de unión pn. La curva voltaje – corriente del diodo puede explicar de una manera más exacta el funcionamiento del diodo. Se trata de una gráfica en donde se grafican el voltaje Ánodo – Cátodo del dispositivo contra la corriente que circula por el mismo. La figura 2 muestra una curva típica para un diodo de unión pn. El diodo pn debe ser entendido como un dispositivo unilateral. Esto significa que se trata de un dispositivo que tiende a conducir corriente más fácil en un sentido que en el otro. Esta situación se evidencia fácilmente en la figura 2. Se pueden observar las zonas de conducción y de no conducción referenciadas anteriormente. Para lograr una conducción en el diodo, simplemente es necesario aplicar un voltaje ánodo – cátodo y mayor a unas cuantas décimas de voltio. Como puede verse en la zona de conducción, la corriente en el diodo puede crecer a valores considerables y solo está limitada por elementos externos al diodo. La zona de no conducción corresponde a la región en donde la corriente que circula por el diodo tiene un valor despreciable. En esta zona la corriente que circula por el diodo es del orden de nano amperios y está limitada por el mismo elemento. A esta zona corresponde los voltajes cercanos a cero y de valor negativo en el diodo. Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle Sin embargo, si se aumenta en magnitud el valor de voltaje negativo aplicado al diodo, es posible que se logre una avalancha del mismo. En esta región el diodo conduce corrientes de valor considerable, a pesar de estar polarizado en sentido inverso. La frontera en el eje de voltaje (eje X) entre las regiones de conducción y no conducción es llamado voltaje umbral (Vγ) y depende entre otras cosas del material usado para las capas semiconductoras que forman la unión. Para el caso en el que se ha usado Germanio, el voltaje umbral está entre 0.2 y 0.3 voltios. Para el Silicio el umbral se encuentra entre 0.5 y 0.7 voltios. La frontera en el eje de voltaje entre las zonas de conducción y de avalancha es llamado voltaje Zener y depende de la aplicación del diodo particular. Los diodos de aplicación común están diseñados para no entrar en la región de avalancha en operación normal. El voltaje Zener de estos diodos puede oscilar entre algunas centenas y miles de voltios. Por su parte, los diodos Zener están diseñados para entrar a la zona de avalancha en operación normal. En estos casos se construyen diodos con voltajes Zener desde unos pocos voltios hasta varias decenas de voltios. 3.1.3. El manual ECG El ECG es un manual de reemplazos de dispositivos semiconductores muy utilizado en el medio de la electrónica con el que se pueden conocer las principales características de un dispositivo o circuito integrado, tales como su forma física, la identificación de sus pines, y en algunos casos sus características eléctricas, y sus valores máximos de operación. A pesar de que no se encuentran todos los dispositivos semiconductores ni todas las especificaciones necesarias para abordar un problema de diseño, este manual brinda ayuda al técnico y al diseñador, así sea como paso inicial. Para usar este manual simplemente se busca la referencia del dispositivo que se quiere encontrar por ejemplo, en la última sección del libro donde aparecen al frente de cada referencia comercial, un código denominado número ECG. Con dicho número se va hacia la primera sección del manual donde estará para el número previamente hallado, la página o la sección donde se encontrará la información correspondiente al reemplazo. Ejemplo: Se desea averiguar las características más relevantes del transistor de potencia TIP31, al buscar en la parte de atrás del ECG, se indica que el número ECG correspondiente es 291, y, al buscar en la parte de adelante se remite a la página 1-78, en donde se hace referencia TO-220 y a la figura T41. Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle 3.2.EQUIPO BÁSICO DE LABORATORIO 3.2.1. El Protoboard. Es un elemento utilizado para armar circuitos sin necesidad de soldadura, de manera que sirva para probar prototipos cuando se está en la etapa de diseño. El protoboard está compuesto por múltiples pares de laminillas que se pueden presionar firmemente con un terminal de un elemento eléctrico o de un dispositivo electrónico. Estos pares están organizados de una forma especial estándar, y su acceso al exterior lo constituyen unos pequeños orificios en el recubrimiento de plástico donde se insertan los terminales a conectar. Todos los elementos ubicados sobre orificios que comparten las mismas laminillas conforman un nodo. En el Campus pueden encontrar una guía acerca del uso de la protoboard. 3.2.2. El Multímetro. El multímetro es un aparato que permite realizar mediciones (voltaje y corriente tanto DC como AC) sobre los circuitos o elementos de circuitos (valores de resistencia, ganancia de transistores, etc.) durante la etapa de diseño, de tal forma que se pueda verificar el comportamiento esperado en los mismos. Cuando se miden tensiones continuas (DC) hay que tener en cuenta la polaridad de los bornes de entrada (negro el negativo y rojo el positivo). Si las medidas son de tensión alterna (AC) el multímetro mide valores eficaces (RMS); así, si se desea transformar esta medida a valores pico, debe dividirse el valor rms por 0.707. Adicionalmente, debe tenerse en cuenta que la mayoría de los multímetros se debe cambiar de posición los bornes de entrada para poder medir la corriente en lugar de voltaje y viceversa. Cuando se realicen mediciones de voltaje el multímetro debe conectarse en paralelo con la carga; mientas que para medir corriente, se debe conectar en serie de forma tal que el instrumento haga parte de la rama por donde fluye la corriente que se desea sensar (Figura 3). Los multímetros pueden ser análogos o digitales; estos últimos tiene la ventaja de limitar la incertidumbre en la medida a la calidad del instrumento, a diferencia de los análogos que además, dependen de la buena observación del operario de la ubicación de la aguja sobre la escala. Existen unas reglas de oro para el uso de los multímetros que pueden sintetizarse como sigue. Cuando se tiene una señal de la cual no se conoce su valor, pero sabemos que está en el rango de medida del multímetro, se empieza por usar la mayor de todas las escalas, y dependiendo del valor leído se puede cambiar a escalas más bajas que proporcionen mayor precisión, lo que en la mayoría de situaciones equivale a tener más cifras significativas. Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle Figura 3 Configuración del multímetro para la medición de corriente y voltaje Otras medidas que se pueden realizar con algunos multímetros no menos importantes son: • • • • • • • Resistencia: Antes de conectar la resistencia es necesario asegurarse de que no hay tensión actuando sobre la misma. Para esta medición, se selecciona la función ohmios (Ω) y se actúa sobre la escala hasta obtener el valor de esta (la opción AC/DC es inoperante y no influye en las medidas). Medición de capacitancia, como función se suele seleccionar la opción de ohmios, y en modo AC. Es importante descargar el condensador antes de medir su capacidad. Cuando se trate de un condensador electrolítico se debe respetar la polaridad. Ganancia de transistores: Con esta opción se mide la ganancia de corriente del transistor (β). Para ellos se selecciona la función (hfe), se saca el transistor del circuito y se inserta en los orificios respetando su tipo (NPN o PNP) y los terminales (base, emisor y colector). Si un transistor NPN se inserta en el orificio de PNP (o viceversa) aparecerá una lectura nula, de forma que se consigue identificar el tipo de transistor. Si las patillas no están insertadas correctamente (base, emisor y colector) el valor que se obtendrá se acercará a cero. Prueba de continuidad, sirve para verificar que el circuito no está abierto. Para ello se seleccionamos función marcada con el símbolo ))) y se conectan los terminales. El zumbador sonará cuando el circuito esté cerrado. El circuito a medir debe estar sin tensión durante esta comprobación. Prueba de diodos: Para ello se selecciona la función con el símbolo correspondiente a un diodo y se conectan los terminales respetando la polaridad. Obtendremos la tensión de umbral del diodo. Si el diodo está en corte suele aparecer en pantalla "0.0" y si está abierto "1". Nunca se debe medir en circuitos que estén funcionando. Esta prueba puede realizarla igual a diodos LED. Niveles Lógicos: Suelen permitir hacer medidas lógicas TTL. Para ello se selecciona la función (LOGIC), y se conectan los terminales para obtener un "1" lógico si está en nivel alto o un "0" lógico si se encuentra en nivel bajo Medida de Frecuencia: Se consigue medir la frecuencia a la que trabaja un circuito sometido a una determinada tensión. Cuando el multímetro tiene esta opción suele aparecer un interruptor TRIG (LEVEL) con dos posiciones: HI y LOW. Si se encuentra en la posición HI, el rango de operaciones en circuitos con familias TTL o CMOS sometidos a ondas cuadradas, suele ser el siguiente: Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I • • • • • • Universidad del Valle De 1.6 a 16 V de pico se tiene una frecuencia que va de 2 KHz a 2 MHz. De 1.6 a 5 V de pico, la frecuencia va desde 2 hasta 15 MHz y 20 MHz. De 1.6 a 3.3 V de pico, la corresponde una frecuencia de 15 a 20 MHz. Si por el contrario se encuentra en la posición LOW, se nos presenta que para cualquier tipo de ondas el rango de frecuencias suele ser el siguiente: Para 100 mV eficaces la frecuencia va de 2 KHz a 2 MHz. De 200 mV - 3.5 V eficaces el rango de frecuencia va de 2 KHZ a 2 MHz. 3.2.3. La Fuente de Alimentación. Es el equipo que suministra la potencia para que un circuito electrónico funcione. Generalmente cuando se habla de fuente de alimentación viene a la mente un instrumento en cuyos bornes de salida se puede obtener un voltaje DC regulado que puede estar fijo o ser variarse en cierto rango, aunque también existen fuentes de corriente y fuentes de voltaje AC. Se ha dicho que una fuente entrega potencia haciendo referencia al hecho de que, si bien debe entregar un voltaje de alimentación, también debe ser capaz de suministrar la corriente que el circuito consuma; por tanto toda fuente de voltaje proveerá corriente hasta un valor máximo por encima del cual el voltaje no será regulado, lo que finalmente puede llevar a la destrucción interna del equipo. Las fuentes están compuestas por una fuente fija de 5 V para aplicaciones digitales principalmente y dos fuentes variables con las que se alimentan los circuitos de corriente o voltaje en DC en un rango de 0∼20v. En la Figura 3 se muestran los accesorios del panel frontal de una fuente Tektronix PS230 y a continuación se indican las principales funciones. Figura 4 Panel frontal de la fuente de alimentación Tektronix ps280 1y8 Indicadores digitales. 2y7 Switches de selección para la indicación de corriente o voltaje. 4, 5 y 6 Indicadores de los switches de selección. 9 Switch de encendido. 14, 16 y 20 Perillas de control para corriente y voltaje de las fuentes de alimentación. Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle 12, 18 y 19 Indicadores de corriente y voltaje constantes. 13 y 17 Terminales de salida. 15 Configuración de las fuentes. 21 Fuente fija de 5 V. 22 Indicador de sobrecarga de la fuente fija. Las dos fuentes variables tienen la opción de operar en tres modos de configuración: a) Como fuentes independientes entre sí b) Como fuentes en serie, en cuyo caso actúan como fuentes simétricas, es decir, cada una entrega la misma magnitud de voltaje pero con polaridades opuestas: por ejemplo ± 10 V, ± 15 V, etc., magnitudes que pueden variarse mediante una de las dos perillas en la fuente. c) Como fuentes en paralelo, configuración en la que se comportan como una única fuente capaz de manejar una mayor cantidad de corriente, y su valor también se controla mediante una de las perillas. 3.2.4. El Generador de Señales. El generador de señales o de funciones es un equipo que proporciona las tres formas de onda básicas en el trabajo con circuitos electrónicos: onda senoidal o sinusoidal, onda triangular, y onda cuadrada. Estas señales se obtienen del equipo en forma de ondas de voltaje cuya amplitud y frecuencia pueden ajustarse a voluntad desde el exterior. El generador de funciones Tektronix CFG250 posee dos salidas de señal: una proporciona una onda cuadrada de 5V para aplicaciones digitales, y otra salida en la que sí se puede escoger la función de onda deseada. Es en esta última donde también puede realizarse el ajuste de la amplitud en dos rangos diferenciados mediante un selector: uno que va de 0V a 2V, y otro que lo hace de 0V a 20V. La variación de la frecuencia se consigue a través de dos pasos: primero se selecciona mediante una hilera de seis switches la escala de frecuencia dentro de la que se va a trabajar, y que viene en potencias de diez (el primer switche corresponde a unidades de Hertz, mientras que el último, a unidades de MHz). Luego se realiza el ajuste fino con la perilla principal que permite hacer un barrido de frecuencia desde 0 Hz hasta el doble del rango de la escala; el número que se ubique en la perilla multiplica a la potencia de diez seleccionada en la escala. Por ejemplo, para obtener una frecuencia de 60 Hz, el número elegido en la perilla debe ser 0.6, habiendo seleccionado la escala de 100 Hz). El equipo también posee un control de offset para agregar un nivel de voltaje DC a la forma de onda elegida, cuya magnitud se ajusta halando la perilla correspondiente antes de girarla. En la siguiente figura se muestra el generador de funciones y se nombran sus accesorios. Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle Figura 5 Panel frontal del generador de señales 1 2 3 4 5 6 7 Indicador de encendido. Control de amplitud Control de offset. Control de ciclo de trabajo (Duty). Rangos o escalas de frecuencias. Formas de onda. Control de frecuencia (ajuste fino). 2.3.5 8 Control de ancho de barrido. 9 Control de rata de barrido. 10 Selección de barrido. 11 Botón de inversión de señal. 12 Selección del voltaje de salida. 13 Salida TTL. 14 Salida principal. 15 Interruptor de encendido. El Osciloscopio. Figura 6 Panel frontal Osciloscopio El osciloscopio es un instrumento que permite registrar gráficamente en una pantalla la forma de una señal de voltaje. Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle Los osciloscopios análogos tienen como principal elemento el tubo de rayos catódicos (CRT) el cual genera en un extremo un haz de electrones de alta velocidad y bastante enfocados que finalmente chocan contra la superficie fluorescente de la pantalla produciendo un punto luminoso. En su recorrido el haz pasa por entre cuatro placas de deflexión, dos horizontales y dos verticales, que pueden manejar altos voltajes diferenciales con el fin de desviar el rayo electrónico, las dos primeras en sentido vertical (la deflexión vertical es proporcional a la magnitud de la señal registrada) y las segundas en sentido horizontal (la deflexión horizontal barre la pantalla de izquierda a derecha). Con el manejo apropiado de los voltajes en estas placas puede proyectarse, mediante el haz, un punto luminoso en cualquier coordenada sobre la pantalla, y lo que es más importante, un punto móvil y sincronizado con los cambios de voltaje. En el osciloscopio digital la señal es digitalizada por un conversor análogo digital, la fidelidad de este dispositivo depende directamente de este conversor. La pantalla del osciloscopio tiene impresa una grilla o cuadrícula que permite la medición rápida de la amplitud y el período (si lo tiene) de una señal. Cada uno de los segmentos en que queda dividida la pantalla se denomina una división; es por esta razón que la perilla de control de la amplitud de visualización de la señal en la pantalla se etiqueta siempre por VOLTS/DIV o voltios por división vertical. De la misma manera, la perilla ajustable TIME/DIV o tiempo por división, indica cuántos segundos o fracciones de segundo están representados en cada división horizontal de la pantalla, permitiendo ensanchar o comprimir la onda observada. Así por ejemplo, si se tiene una señal periódica cuya amplitud abarca en la pantalla 2 divisiones, y el control de amplitud indica 2V/división, entonces la señal es de 4V; ahora, si horizontalmente la señal se repite cada 3 divisiones, y el control de tiempo o de barrido está en 10ms/división, el período de la señal es de 30ms. El display del osciloscopio Gwinstek es presentado en la figura 7. Donde se muestra la señal, el canal seleccionado y la escala que se está manejando y a la izquierda aparece el menú de opciones del dispositivo. Figura 7 Display osciloscopio. Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle El osciloscopio del laboratorio tiene dos canales de entrada (CH1 y CH2) que permiten, si se quiere, desplegar simultáneamente en la pantalla las señales que ingresan a través de los dos canales, realizar operaciones matemáticas de las dos señales u operarlas en modo X-Y para obtener las figuras de Lissajous. Antes de realizar cualquier medición es conveniente establecer el punto de referencia o cero y verificar el correcto funcionamiento de las puntas de osciloscopio que ingresan la señal a cada canal, para ello ubique la punta de osciloscopio sobre probe comp. Output situado en la parte inferior izquierda del osciloscopio (Ver Figura 6) que entrega una señal cuadrada de 2Vpp a una frecuencia de 1kHz. A continuación se ajustan la visualización con los controles de VOLTS/DIV y no debe tener niveles de offset, si los presenta ajuste con la perilla POSITION. Una opción para obtener la mejor visualización de forma automática es presionando el botón AUTO SET, el cual configura automáticamente los parámetros de escala horizontal, vertical y la fuente de disparo (el disparo es una señal que sincroniza el inicio del barrido de la pantalla con el momento en que la señal de interés sobrepasa un nivel de voltaje determinado o nivel de disparo). El AUTO SET no funciona en las siguientes situaciones: • Señales de entrada con frecuencia menor que 20Hz. • Señales de entrada con amplitud menor que 30mV. La opción RUN/STOP permite mantener un refresco constante sobre el display en modo RUN o congelar la señal y detener la adquisición de las señales en modo STOP. Para visualizar las medidas en la parte izquierda del display se encuentra el botón MEASURE y con las opciones F1 y F2 se selecciona el canal que se desea observar, con el botón CURSOR activa dos cursores que permiten la medida de la forma de onda en las posiciones horizontal y vertical de acuerdo a la ubicación que se configure con la opción F2 y la perilla Variable Knob. Precauciones Generales • • Los controles de desplazamiento vertical y horizontal (POSITION) se deben ajustar en sus posiciones intermedias, ya que si están en sus posiciones extremas las señales no podrán ser visualizadas. La tierra del osciloscopio debe ser conectada al punto de referencia del circuito. Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle 4. ACTIVIDADES PREVIAS a) Adquirir los dispositivos descritos en la parte inicial de esta guía de laboratorio b) Conformar grupos de 3 a 4 integrantes c) Investigue acerca de las definiciones: Voltaje de pico, voltaje pico a pico (Vpp), Voltaje RMS (Vrms) y voltaje de offset. Necesario para entender parte del procedimiento en el laboratorio. d) Realice los circuitos sobre la proboard. 5. PROCEDIMIENTO 1. Medición con el multímetro Identifique mediante el código de colores las resistencias adquiridas 1 Resistencia de 1KOhm ½ W 1 Resistencia de 2,2KOhm ½ W 1 Resistencia de 10KOhm ½ W 1 Resistencia de 22KOhm ½ W Con la ayuda del multímetro mida el valor de las resistencias y verifique que se encuentren en el rango de tolerancia. 2. Generador de señales y osciloscopio Obtenga una señal sinusoidal de 60Hz con una de amplitud de 10Vrms , una onda triangular con frecuencia 100KHz y 5V máximo y una onda cuadrada de 20KHz y 500mVpp(volts pico a pico) mediante el generador de onda visualizándolas a través del osciloscopio, mida su amplitud con el osciloscopio y tome el valor dado por el multímetro en medición de voltaje AC. Verifique que la fuente de disparo (CH1 o CH2) corresponde a aquella por las que se está introduciendo la señal del generador de ondas y que la tierra del osciloscopio corresponda a la misma del generador. Añada a la última señal una componente continua (OFFSET) de 0.5V y verifique que ocurre cuando se cambia la opción DC por la opción AC en el osciloscopio. Tarea: Explique claramente la diferencia entre tomar el valor de amplitud con el osciloscopio y tomarlo con el multímetro. Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle 1. Circuitos con Diodos a. D1 2 1N4004 R1 330 1 V1 5Vdc D2 LED 0 Figura 8. Polarización del diodo Realice el montaje de la figura 8, ajuste V1 a 5VDC. Que sucede con el diodo LED ¿enciende? Justifique su respuesta, invierta la polaridad del diodo D1 y mire que sucede con el diodo LED ¿enciende? b. D1 + 1N4004 2 V1 VOFF = 0 VAMPL = 2 FREQ = 1k R1 2.2k Vo 1 - 0 Figura 9. Aplicaciones, rectificador de media onda Para el circuito de la figura 9 ajuste V1 para que entregue una señal sinusoidal con una frecuencia de 1KHz y una amplitud de 4 voltios pico–pico, obtenga la forma de onda Vo, repita el procedimiento pero cambiando la polaridad de D1. ¿Que diferencias hay entre las formas de onda de Vo obtenidas anteriormente? c. Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores Laboratorio de Electrónica I Universidad del Valle 1 R1 2 + 1k V3 VOFF = 0 VAMPL = 5 FREQ = 1kHz D1 D1N4004 D2 D1N4004 2 R2 Vo 10k V2 V1 3Vdc 3Vdc 1 - 0 Figura 10. Aplicaciones, recortador Para el circuito de la figura 6 ajuste V1=V2=3VDC y V3 para que entregue una señal sinusoidal con una frecuencia de 1KHz y una amplitud de 10 voltios pico–pico, obtenga la forma de onda Vo y compárela con la señal de entrada V3 ¿Qué diferencias se pueden apreciar? 7. BIBLIOGRAFIA • • • • • COOPER, William David; Instrumentación Electrónica y Mediciones. Ed. Prentice-Hall, 2da edición, 1982. Tabla de valores nominales. http://www.arrakis.es/~fon/simbologia/_private/colores.htm. Agosto de 2012. Manual de la fuente Tektronix PS230. Manual del generador de funciones Tektronix CFG250. Manual del osciloscopio Gwinstek GDS-2000. Elementos De Laboratorio Resistencias, Capacitores, Bobinas, Diodos Y Transistores
