Entorno visual de aprendizaje para las configuraciones de los

Desarrollo social y educativo
Entorno visual de aprendizaje para las configuraciones
de los transistores bjt como amplificadores
Karla Sánchez*, Alejandro Guerrero**
Resumen
Introducción: este proyecto surge de la necesidad de utilizar estrategias didácticas para mitigar la de‑
serción estudiantil en la asignatura de electrónica y facilitar el aprendizaje de las temáticas; propone
una forma para diseñar y calcular amplificadores análogos haciendo uso de las configuraciones de los
transistores bipolares (bjt). Metodología: mediante la metodología para crear objetos en programación
llamada “Ingeniería de Software Educativo con modelaje Orientado por Objetos (ise‑oo)” se desarrolla
el entorno visual de aprendizaje; esta metodología encamina el desarrollo de las aplicaciones según las
siguientes etapas: análisis de necesidad, diseño, procesos, funciones, enlaces del proyecto, desarrollo,
pruebas y correcciones. Resultados: la aplicación que se realizó en guide (Interfaz Gráfica) de matlab
y es funcional como autorun en cualquier pc tiene como finalidad ayudar en el análisis de los cálculos
de amplificadores, mostrar gráficas de sus comportamientos, almacenar gráficas y calcular las variables
que pueden ser verificadas en la práctica. Conclusión: el entorno visual de aprendizaje elaborado como
material didáctico para la asignatura de electrónica es una herramienta para verificar datos calculados a
mano alzada y corroborar valores hallados en la configuración de los transistores bjt como amplificado‑
res. Es una estrategia de análisis en procesos de autoaprendizaje para el estudiante.
Palabras clave: amplificador, análogo, guide, matlab, transistor.
Visual Environment for Learning about bjt Transistor Configurations as Amplifiers
Abstract
* Ingeniera en Telecomunicaciones,
Universidad de Pamplona.
Directora de Investigaciones,
Fundación de Estudios Superiores
Comfanorte, fesc.
Correo electrónico:
[email protected]
** Magíster en Controles Industriales,
Universidad de Pamplona. Docente
de la Facultad de Ingenierías y
Arquitectura, Universidad de
Pamplona.
Correo electrónico:
[email protected]
Recibido: 31 de enero del 2013
Aprobado: 19 de julio del 2013
Cómo citar este artículo: Sánchez, K.
y Guerrero, A. (2013). Entorno visual de
aprendizaje para las configuraciones de
los transistores bjt como amplificadores.
Memorias, 11(20), 79-86.
Introduction: This project arises from the need to use didactic strategies to mitigate student desertion
from the field of electronics and facilitate learning about these topics; it proposes a way to design and calcu‑
late analogue amplifiers using two-pole transistor configurations (bjt). Methodology: Using the methodo‑
logy to create objects in programming called “Engineering of Educational Software with Object Orientated
Modeling (ise-oo)” develops the visual learning environment. This methodology directs the development
of applications according to the following stages: analysis of need, design, processes, functions, links of the
project, development, tests and corrections. Results: The application made in matlab guide (Graphic In‑
terface) is functional as an autorun on any pc, aims to facilitate analyses of calculations of amplifiers, show
graphics of their behaviors, store graphics and calculate variables that can be verified in practice. Conclusion: The visual learning environment created as didactic material for the field of electronics is a tool for
verification of freely calculated data and for corroborating values found in the bjt transistor configuration
as amplifiers. It is a strategy for analysis in self-learning processes for students.
Keywords: amplifier, analogous, guide, matlab, transistor.
Ambiente visual de aprendizagem para as configurações dos transistores bjt como amplificadores
Resumo
Introdução: este projeto surge da necessidade de utilizar estratégias didáticas para mitigar a deserção
estudantil na disciplina de eletrônica e facilitar a aprendizagem das temáticas; propõe uma forma para
desenhar e calcular amplificadores análogos que fazem uso das configurações dos transistores bipolares
(bjt). Metodologia: ao fazer uso da metodologia para criar objetos em programação chamada “Eng‑
enharia de Software Educativo com modelagem Orientado por Objetos (ise‑oo)”, desenvolve-se o am‑
biente visual de aprendizagem; esta metodologia encaminha o desenvolvimento das aplicações segundo
as seguintes etapas: análise de necessidade, desenho, processos, funções, ligações do projeto, desenvol‑
vimento, provas e correções. Resultados: a aplicação que se realizou em guide (Interface Gráfica) de
matlab e é funcional como autorun em qualquer pc, tem como finalidade ajudar na análise dos cálculos
de amplificadores, mostrar gráficos de seus comportamentos, armazenar gráficos e calcular as variáveis
que podem ser verificadas na prática. Conclusão: o ambiente visual de aprendizagem elaborado como
material didático para a disciplina de eletrônica é uma ferramenta para verificar dados calculados aber‑
tamente e corroborar valores encontrados na configuração dos transistores bjt como amplificadores; é
uma estratégia de análise em processos de autoaprendizagem para o estudante.
Palavras-chave: amplificador, análogo, guide, matlab, transistor.
80
Desarrollo social y educativo
Introducción1
guide es un entorno de programación gráfica que
ofrece matlab para poder realizar aplicaciones y eje‑
cutar programas de simulación de forma simple pero
acertada, y tiene las características básicas de todos los
programas visuales más representativos como Visual
Basic o Visual C++.
Con el desarrollo que han alcanzado las tecnolo‑
gías de la información y las comunicaciones —tic— y
su aplicabilidad en los procesos de enseñanza‑apren‑
dizaje, se ha revolucionado también la didáctica, y en
este contexto ha tenido lugar la renovación y la intro‑
ducción de nuevos conceptos orientados a hacer más
dinámicos, más flexibles y más creativos los encuentros
pedagógicos en las universidades.
Con mayor frecuencia los docentes buscan entor‑
nos visuales de aprendizaje para enseñar a sus estudian‑
tes alguna temática en particular y hacer el aprendizaje
significativo. Por tal motivo, surgió la idea de reali‑
zar este proyecto que es una aplicación realizada bajo
la plataforma que ofrece el entorno gráfico guide de
matlab como estrategia de enseñanza de la temática
“configuraciones de los transistores bjt como amplifi‑
cadores” en la asignatura de Electrónica, obedeciendo
a la necesidad de utilizar didácticas que disminuyan la
deserción de los estudiantes en la materia, ya que regis‑
tra la mayor pérdida con 88% de los estudiantes.
Este entorno visual de aprendizaje presenta las di‑
ferentes configuraciones de los transistores bjt para
formar amplificadores análogos; muestra los cálculos
de cada variable (corriente, voltaje, ganancia, resisten‑
cia, entre otros) según el circuito, y almacena las gráfi‑
cas obtenidas del análisis para que el estudiante tenga
las herramientas básicas de interpretación de valores y
pueda hacer un análisis del comportamiento del ampli‑
ficador o de los elementos que lo componen.
Esta aplicación es una interfaz didáctica amigable
que apunta a ser útil en prácticas o laboratorios de elec‑
trónica y que afianza el conocimiento del estudiante; se
presenta como una herramienta que estimula el diseño
y cálculo de amplificadores análogos, según sea el caso
que el campo laboral le demande. Este tipo de software
creado a través de matlab y su entorno visual es quizá
una de las más innovadoras salidas a la hora de gene‑
1
Artículo resultado del proyecto de investigación “Entornos visua‑
les de aprendizaje”, realizado por la Universidad de Pamplona y la Fun‑
dación de Estudios Superiores Comfanorte (fesc), durante el periodo
2011‑2012.
Memorias / Volumen 11, Número 20 / julio - diciembre 2013
rar aplicaciones que faciliten el entendimiento de asig‑
naturas que por algún motivo generan dificultad en su
aprendizaje.
La Universidad Pablo de Olavide, España, pre‑
sentó una investigación encaminada al área financiera,
creando una aplicación que muestra los usos y las uti‑
lidades de matlab, tanto en la enseñanza como en las
aplicaciones de la Matemática Financiera. Esta aplica‑
ción muestra los métodos matemáticos utilizados para
estimar la prima de las opciones financieras, facilitan‑
do los cálculos y respectivos análisis a la hora de ense‑
ñar al estudiante (Merino y Vadillo, 2007).
Por otro lado, la Universidad de Carabobo hizo
una investigación acerca de cómo facilitar el apren‑
dizaje de circuitos de potencia para los estudiantes y
el producto fue un entorno multimedia en la ense‑
ñanza de los sistemas eléctricos de potencia; es un
software que facilita la labor docente en la temática
de circuitos y hace parte de un proyecto mayor lla‑
mado “Multimedia en la enseñanza de la ingeniería”
(Sanhueza, 2000).
Es tan amplia la aplicación de matlab como pla‑
taforma para la creación de entornos visuales de apren‑
dizaje, que se efectuó un estudio para facilitar el cálculo
de los coeficientes aerodinámicos para aviones usan‑
do matlab en la Universidad Nacional Mayor de San
Marcos, Perú. Este proyecto muestra una herramien‑
ta o aplicación que surgió de la necesidad de calcular
los coeficientes aerodinámicos del ala de una aerona‑
ve y que sirvió de base para enseñar la temática (Ruiz
y Raffo, 2005).
Quizá la aplicación con más bases académicas y
realizada bajo código de origen en matlab es llamada
ParLab, un ambiente interactivo de programación con
sintaxis matlab/Octave para ejecución eficiente de
operaciones matriciales en multiprocesadores. Es un
sistema interactivo de programación que se encuentra
actualmente en desarrollo en la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Carabobo, cuyo objetivo es faci‑
litar la migración de aplicaciones de cálculo intensivo
desarrolladas en matlab u Octave, para su ejecución
eficiente en computadores multiprocesadores. Este am‑
biente permite la ejecución de aplicaciones en un com‑
putador multiprocesador, sin necesidad que el usuario
paralelice explícitamente el código (Demetrio, Flores y
Vargas, 2009).
Como se puede ver con las investigaciones reali‑
zadas en los últimos años, matlab está desempeñan‑
do un papel importante como estrategia o herramienta
para el desarrollo de aplicaciones que facilitan el proce‑
Entorno visual de aprendizaje para las configuraciones de los transistores bjt como amplificadores
so de enseñanza‑aprendizaje dentro del aula de clase y
en laboratorios prácticos basados en software.
La enseñanza de los circuitos electrónicos se ha
llevado a cabo por años de forma principalmente teó‑
rica. La incorporación de actividades prácticas de la‑
boratorio en estos tiempos tiende a ser sustituida por
experiencias de simulación computacional que se rea‑
lizan mediante el apoyo de plataformas como matlab
y entornos visuales que se vienen adelantando (Cam‑
pomanes, 2009, pp. 615‑658). Este proyecto tiene como
objetivo entrar en una gama de aplicaciones que apo‑
yen el proceso de aprendizaje de asignaturas que re‑
quieren de las tres modalidades para ser entendidas por
el educando: teoría, simulación y práctica.
Metodología
La metodología utilizada para la elaboración del entor‑
no visual de aprendizaje se observa en la figura 1 con sus
respectivos pasos; además, la elaboración del software
está basada en la metodología de programación “Inge‑
niería de Software Educativo con modelaje Orientado
por Objetos (ise-oo)” (Gómez, Galvis y Mariño, 1998)
y en la experiencia de investigaciones previas.
Figura 1. Metodología para desarrollar en el proyecto
Fuente: elaboración propia
Problema
Debido a las constantes quejas, el historial de las califi‑
caciones de la asignatura de electrónica y la compleji‑
dad de la temática para los estudiantes por los extensos
cálculos que se deben llevar a cabo en el momento de
calcular un amplificador de tipo análogo, nace este
proyecto para resumir el tiempo que se gasta en esta
tarea y dinamizar los encuentros pedagógicos. Además
también pretende suplir la necesidad de una práctica
81
en el laboratorio de forma rápida a la hora de diseñar
y analizar el comportamiento de onda del circuito am‑
plificador que se requiere según la aplicación o necesi‑
dad que se va a suplir.
Diseño
La aplicación está elaborada bajo código de programa‑
ción Visual Basic como lenguaje formal de la platafor‑
ma de interfaz gráfica (guide) de matlab. Para que
esta pueda ser modificada debe ejecutarse desde una
versión igual o superior a 7.0 de este programa.
El entorno visual de aprendizaje está elaborado
para que el estudiante introduzca los valores de las re‑
sistencias de cada configuración según el amplificador
que desee diseñar y este calcule los valores de las co‑
rrientes, voltajes, entre otros. Se puede variar el valor
de la fuente y la frecuencia a la que será expuesto para
realizar comparaciones y análisis.
La aplicación tiene la opción de almacenar las grá‑
ficas obtenidas en cada ejercicio. Como limitaciones
del entorno visual de aprendizaje, se presentan algunos
valores que no se pueden modificar por razones de va‑
riables en el momento de la programación, como por
ejemplo los valores por defecto de la fuente del gene‑
rador virtual análogo y el componente β del transistor
en su fabricación, que están especificados en un apar‑
tado de la aplicación para que sean tenidos en cuenta a
la hora de efectuar los cálculos con fines de relacionar
la teoría con la práctica.
La plataforma de matlab y su entorno visual son
elegidos como base de programación por las siguien‑
tes razones:
•• La aplicación puede ser ejecutada en cualquier com‑
putador sin importar el sistema operativo que tenga
instalado.
•• El tipo de aplicación se presta para desarrollarse en
un programa como matlab, ya que es muy recono‑
cido en ambientes virtuales de enseñanza.
•• matlab posee una interfaz gráfica amigable y de
excelente recepción con el usuario llamada guide.
matlab permite realizar gui de una manera muy
sencilla; en matlab se crean objetos y se definen las ac‑
ciones que cada uno va a realizar. Al usar guide se ob‑
tuvieron dos archivos: un archivo .fig, el cual contiene
la descripción de los componentes que contiene la in‑
terface, y un archivo .m, que contiene las funciones y
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Desarrollo social y educativo
los controles del gui, así como el callback —funciones
para llamar cada elemento u objeto creado en la gui—
(Barragán, 2007).
Un callback se define como la acción que llevará
a cabo un objeto de la gui cuando el usuario la active.
Para ejemplarizarlo, se puede suponer una ventana que
contiene un botón, el cual al presionarlo ejecutará una
serie de acciones; a eso se le conoce como la función
del callback. Esta es la más utilizada en las aplicaciones.
Memorias / Volumen 11, Número 20 / julio - diciembre 2013
El análisis del comportamiento del transistor en
amplificación se simplifica enormemente cuando se
utiliza el llamado modelo de pequeña señal, obtenido a
partir del análisis del transistor a pequeñas variaciones
de tensiones y corrientes en sus terminales (Boylestad
y Nashelsky, 1997).
A continuación se muestra la aplicación y las di‑
ferentes configuraciones en cada gui o rutina de pro‑
gramación:
Pruebas y correcciones
En esta sección se realizan las pruebas respectivas a la
rutina para verificar el funcionamiento de cada clase
por separado. Una vez se logra el buen funcionamiento
de cada configuración por aparte, se establece el gui
que hará las veces de tabla de contenido y la presenta‑
ción de la aplicación.
Por último, se corrige y se establece el tipo de em‑
paquetamiento que matlab ofrece y que se ajusta a las
necesidades del entorno visual de aprendizaje.
Perspectivas de la investigación
El entorno visual de aprendizaje para la enseñanza de
la temática de configuración de amplificadores hacien‑
do uso de los transistores bipolares es tan sólo una fase
del proyecto general, que consiste en estructurar el ma‑
terial didáctico de la asignatura de electrónica como
estrategia didáctica, para mitigar la deserción y el bajo
interés de los estudiantes.
Figura 2. Pantalla de presentación de la aplicación
Fuente: elaboración propia
En la figura 2 se muestra la pantalla de presenta‑
ción del entorno visual, la cual presenta dos alterna‑
tivas de interacción que son: “salir”, como botón para
cerrar toda la aplicación, y “continuar”, que enlaza la
pantalla que hace las veces de tabla de contenido.
Resultados
El resultado del proyecto es el desarrollo de un en‑
torno visual de aprendizaje que consta de siete pan‑
tallas o gui básicos, que muestran el funcionamiento
de cada configuración de un bjt para comportarse
como amplificador análogo. Las configuraciones bási‑
cas utilizadas en el entorno visual de aprendizaje son:
autopolarización, polarización fija, divisor de tensión,
retroalimentación y base común (Malvino, 2000).
Las configuraciones consisten en polarizar un
transistor bipolar de diferentes formas; la polarización
de un transistor es la responsable de establecer las co‑
rrientes y tensiones que fijan su punto de trabajo en la
región lineal (bipolares) o saturación (fet), regiones en
donde los transistores presentan características más o
menos lineales (Robredo, 2001).
Figura 3. Pantalla de presentación del contenido
Fuente: elaboración propia
La figura 3 presenta las cinco configuraciones bási‑
cas de los transistores bjt para comportarse como ampli‑
ficadores de señales análogas. Este gui hace las funciones
Entorno visual de aprendizaje para las configuraciones de los transistores bjt como amplificadores
83
de tabla de contenidos para facilitar el uso de cada rutina
(Jara, Candelas y Torres, 2007). El botón que se encuen‑
tra a la derecha de cada configuración que dice “conti‑
nuar” abre la interfaz de cada pantalla de trabajo.
Figura 7. Pantalla de trabajo de la configuración de la retroali‑
mentación
Fuente: elaboración propia
Figura 4. Pantalla de trabajo de la configuración de autopola‑
rización
Fuente: elaboración propia
Figura 8. Pantalla de trabajo de la configuración de la base común
Fuente: elaboración propia
Figura 5. Pantalla de trabajo de la configuración de la polarización fija
Fuente: elaboración propia
Figura 6. Pantalla de trabajo de la configuración del divisor de
tensión
Fuente: elaboración propia
Las figuras 4, 5, 6, 7 y 8 muestran las pantallas de
trabajo de las diferentes configuraciones y cada una de
estas tiene las mismas funciones; sin embargo, los va‑
lores calculados se ajustan a cada configuración; los as‑
pectos para tener en cuenta se muestran en la figura 9.
84
Desarrollo social y educativo
Figura 9. Especificación de cada opción en las configuraciones
Fuente: elaboración propia
Para evaluar la aplicación se introducen los valores
de las resistencias de base, colector, emisor, frecuencia,
más el valor de la fuente y se puede simular el compor‑
tamiento del amplificador. En este caso, los valores que
se introducen son propios de cálculos ya efectuados an‑
teriormente para certificar que los resultados son los
mismos. La figura 10 permite ver cómo se comporta el
entorno visual de aprendizaje.
Figura 10. Prueba de funcionamiento de la aplicación en la confi‑
guración de retroalimentación
Fuente: elaboración propia
Por otro lado, las gui creadas con matlab, como
esta aplicación, suelen ser entregadas al ordenador del
cliente —quien posiblemente no tenga más que un na‑
vegador—, para ser ejecutadas en cualquier sistema
operativo y ser utilizadas en el ordenador de quien creó
Memorias / Volumen 11, Número 20 / julio - diciembre 2013
la interfaz en matlab —y que por supuesto tiene un
matlab funcionando—, de tal forma que la ventaja re‑
lativa de Java está parcialmente ofertada también por
matlab (Fernández, 2007).
En el entorno visual de aprendizaje realizado, se
utiliza el lenguaje de programación Visual Basic bajo la
plataforma de matlab por medio de su interfaz gráfica,
lo que facilita su estructuración y permite que el usua‑
rio cuente con una aplicación amigable, completa y con
el funcionamiento adecuado (Quintero, Ardila y Galle‑
go, 2010). Como referencia de los beneficios que pres‑
ta el gui de matlab se tiene la investigación titulada
“Material educativo computarizado para enseñanza de
la instrumentación básica en electrónica” (Angarita et
al., 2007), que describe un material educativo computa‑
rizado para la enseñanza de la instrumentación básica
en electrónica, desarrollado como elemento de apoyo
docente para introducir el funcionamiento de aparatos
como el osciloscopio, el milímetro y el generador de
señales. El programa resultante incluye audio, videos,
animaciones y texto que permiten al estudiante fami‑
liarizarse con los aparatos antes de entrar en contacto
físico con los mismos.
Una de las principales dificultades de los proce‑
sos educativos es la transmisión de conocimientos por
medios verbales o escritos, sin emplear ayudas visuales
apropiadas que permitan al estudiante entender la te‑
mática tratada de una manera precisa y sencilla (Pérez
y Gallego, 1996). La utilización de este tipo de material
despierta en los estudiantes la motivación por apren‑
der e investigar, lo que permite un aprendizaje libre e
interactivo y, a la vez, propicia cambios en la perspecti‑
va de la actividad docente dentro del aula de clase (Ian‑
francesco, 1996).
Desde una perspectiva pedagógica, lo que intere‑
sa es crear un sistema multimedia sencillo, que incor‑
pore características didácticas y pueda ser empleado
por el docente como medio para ayudar al estudian‑
te a adquirir habilidades, conocimientos, conductas,
participación activa, o a cambiar actitudes frente a los
procesos de formación tradicional (Sarramona, 1990;
Castro et al., 2006).
Una de las principales dificultades de la educación
es la transmisión de conocimientos que por medio de
la cátedra, palabra escrita o hablada, no logra propo‑
ner aprendizaje significativo, sino que requiere de un
buen apoyo visual que le permita al estudiante enten‑
der la temática de manera precisa y sencilla (Angarita,
Fernández y Duarte, 2008). Al lograr en los estudian‑
tes excelentes niveles de conocimiento y apropiación de
Entorno visual de aprendizaje para las configuraciones de los transistores bjt como amplificadores
los temas, se consigue también que ellos practiquen el
ejercicio de la innovación, que es la estrategia de desa‑
rrollo de cualquier país, no sólo en el campo material
sino en la comprensión de fenómenos sociales (Duar‑
te, Fernández y Gutiérrez, 2007).
Conclusiones
Los entornos visuales de aprendizaje se ven en la ac‑
tualidad con mayor frecuencia y son parte importante
del aprendizaje significativo de los estudiantes. Este
proyecto ayuda a los estudiantes de electrónica a com‑
prender de forma didáctica la temática de los transis‑
tores bjt y sus diferentes configuraciones.
Esta aplicación realizada en matlab y que se pue‑
de ejecutar en cualquier computadora, independiente‑
mente de tener o no instalado el software de matlab,
es un punto de partida para la creación de software que
comprenda todo el contenido didáctico de una asigna‑
tura. Permite mostrar que este tipo de software es parte
fundamental de la educación del estudiante para con‑
frontar resultados y situaciones prácticas en determi‑
nados tópicos.
El educando, con este entorno visual de aprendizaje,
puede calcular, diseñar y verificar datos para la creación
de amplificadores utilizando transistores bjt (bipolares)
y analizar su comportamiento a través de la onda genera‑
da con la señal de salida en comparación con la señal de
entrada. Le permite calcular corrientes en cualquier par‑
te del circuito y voltajes en todo el esquema para el desa‑
rrollo de cualquier aplicación que lo requiera.
Además, es una herramienta que le permite veri‑
ficar datos calculados a mano alzada y corroborar va‑
lores hallados para su estudio en cada configuración,
presentando la aplicación como una estrategia de com‑
prensión y análisis de lo aprendido durante los encuen‑
tros pedagógicos en procesos de autoaprendizaje que el
estudiante inicie.
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