Circuitos Eléctricos VI — Experimentos

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Este es el texto íntegro del libro, capítulo a capítulo, para leerlo aquí sin salir de la página.

Presentación del libro

Aprender teoría electrónica está muy bien, pero como la mayoría de las tareas reales, la electrónica es 20% teoría y 80% práctica. El hecho de que un circuito funcione en una simulación no significa que funcione en la vida real. Eche un vistazo a algunas placas de circuito impreso de alta tecnología (como una placa base) y rápidamente encontrará extrañas técnicas de diseño. Un ejemplo clásico es hacer coincidir las longitudes de traza para las señales en un bus; las trazas serpentinan hacia adelante y hacia atrás para asegurar que las señales del bus lleguen a su destino al mismo tiempo.

Así que baja tu lápiz y deja de afinar ese circuito SPICE, ¡porque es hora de sacar la tabla de pruebas, el soldador y la papelera de componentes! En este libro veremos muchos experimentos y ejemplos guiados que van desde la creación de un taller de electrónica hasta la construcción de pantallas de 7 segmentos.

• Materia Frontal
• 1: Introducción
• 2: Conceptos básicos y equipos de prueba
• 3: Circuitos de CC
• 4: Circuitos de CA
• 5: Circuitos semiconductores discretos
• 6: Circuitos Integrados Analógicos
• 7: Circuitos Integrados Digitales
• 8:555 Circuitos Temporizadores
• Volver Materia

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Portadilla

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Portada del libro

Libro: VI Experimentos

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Licencias

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1: Introducción

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1.1: La electrónica como ciencia

La electrónica es una ciencia, y una ciencia muy accesible en eso. Con otras áreas de estudio científico, generalmente se requiere equipo costoso para realizar cualquier experimento no trivial. No es así con la electrónica. Muchos conceptos avanzados pueden ser explorados utilizando piezas y equipos por un total de menos de unos pocos cientos de dólares estadounidenses. Esto es bueno, porque la experimentación práctica es vital para adquirir conocimientos científicos sobre cualquier tema.

Cuando comencé a escribir Lecciones En Circuitos Eléctricos, mi intención era crear un libro de texto adecuado para uso universitario introductorio. No obstante, siendo en su mayoría autodidacta en electrónica yo mismo, conocía el valor de un buen libro de texto para aficionados y experimentadores no inscritos en ningún curso formal de electrónica. Muchas personas voluntariamente ofrecieron su tiempo y experiencia para ayudarme a aprender electrónica cuando era más joven, y mi intención es honrar su servicio y amor devolviendo al mundo lo que me dieron.

Para que alguien se enseñe a sí mismo una ciencia como la electrónica, debe dedicarse a la experimentación práctica. El conocimiento obtenido solo de los libros tiene un uso limitado, especialmente en los esfuerzos científicos. Para que mi contribución a la sociedad sea completa, debo incluir una guía de experimentación junto con el (los) texto (s) sobre teoría, para que el individuo aprenda por sí mismo tenga un recurso para guiar sus aventuras experimentales.

Un curso formal de laboratorio para estudios universitarios de electrónica requiere una enorme cantidad de trabajo para preparar y generalmente debe basarse en piezas y equipos específicos para que los experimentos sean lo suficientemente detallados, con resultados lo suficientemente precisos para permitir una comparación rigurosa entre experimental y datos teóricos. Un proceso de evaluación, articulado a través de un instructor calificado, también es vital para garantizar que se ha dado un cierto nivel de aprendizaje. La revisión por pares (comparación de resultados experimentales con el trabajo de otros) es otro componente importante del estudio de laboratorio a nivel universitario y ayuda a mejorar la calidad del aprendizaje. Ya que no puedo cumplir con estos criterios a través de un libro, no es práctico para mí presentar aquí un curso completo de laboratorio. Con el interés de mantener esta guía de experimentos razonablemente barata para que la gente la siga, y práctica para su implementación a través de Internet, me veo obligado a diseñar los experimentos a un nivel inferior al que se esperaría para un curso de laboratorio universitario.

Los experimentos en este volumen comienzan en un nivel apropiado para alguien sin conocimientos electrónicos, y progresan a niveles superiores. Destacan el conocimiento cualitativo sobre el conocimiento cuantitativo, aunque podrían servir como plantillas para cursos más rigurosos. Si hay alguna porción de Lecciones en Circuitos Eléctricos que permanecerá “incompleta”, es esta: Tengo la intención de seguir agregando experimentos ad infinitum para proporcionar al experimentador o aficionado una gran cantidad de ideas para explorar la ciencia de la electrónica. Este volumen de la serie de libros también es el más fácil de contribuir, para aquellos que quieran ayudarme a proporcionar información gratuita a las personas que aprenden electrónica. No hace falta un esfuerzo tremendo para describir uno o dos experimentos, y con mucho gusto lo incluiré si me lo mandas por correo electrónico, dándote crédito completo por el trabajo. Consulte el Apéndice 2 para obtener detalles sobre cómo contribuir a este libro.

Al realizar estos experimentos, siéntase libre de explorar probando diferentes técnicas de construcción y medición de circuitos. Si algo no funciona como el texto lo describe debería, ¡no te rindas! Probablemente se deba a un simple problema en la construcción (cable suelto, valor de componente incorrecto) o configuración del equipo de prueba. Puede ser frustrante trabajar a través de estos problemas por su cuenta, pero el conocimiento adquirido al “resolver problemas” de un circuito usted mismo es al menos tan importante como el conocimiento adquirido por un experimento que funcione correctamente. Esta es una de las razones más importantes por las que la experimentación es tan vital para tu educación científica: los problemas reales que invariablemente encontrarás en la experimentación te desafían a desarrollar habilidades prácticas de resolución de problemas.

En muchos de estos experimentos, ofrezco números de pieza para componentes de la marca Radio Shack. Esto no es un aval de Radio Shack, sino simplemente una referencia conveniente a una compañía de suministro electrónico conocida en Norteamérica. Muchas veces, los componentes de mejor calidad y menor precio se pueden obtener a través de compañías de pedidos por correo y otras casas de suministros menos conocidas. Recomiendo encarecidamente que los experimentadores obtengan algunos de los componentes más caros como los transformadores (ver el capítulo AC) rescatándolos de aparatos eléctricos desechados, tanto por razones económicas como ecológicas.

Todos los experimentos mostrados en este libro están diseñados pensando en la seguridad. Es casi imposible impactarse o lastimarse de otra manera por experimentos alimentados por baterías u otros circuitos de bajo voltaje. Sin embargo, los peligros sí existen construyendo cualquier cosa con sus propias manos. Donde hay un nivel de peligro mayor de lo normal en un experimento, hago esfuerzos para dirigir la atención del lector hacia él. No obstante, es, lamentablemente, necesario en esta sociedad litigiosa renunciar a toda responsabilidad por el resultado de cualquier experimento aquí presentado. Ni yo ni ningún contribuyente somos responsables de las lesiones resultantes de la construcción o uso de ninguno de estos proyectos, del mal manejo de la electricidad por parte del experimentador, o de cualquier otra práctica insegura que conduzca a lesiones. ¡Realiza estos experimentos bajo tu propio riesgo!

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1.2: Configuración de un laboratorio doméstico

Para construir los circuitos descritos en este volumen, necesitará una pequeña área de trabajo, así como algunas herramientas y suministros críticos. En esta sección se describe la configuración de un laboratorio de electrónica doméstica.

Área de trabajo

Un área de trabajo debe consistir en un gran banco de trabajo, escritorio o mesa (preferiblemente de madera) para realizar el ensamblaje de circuitos, con energía eléctrica doméstica (120 voltios CA) fácilmente accesible para equipos de soldadura de energía, fuentes de alimentación y cualquier equipo de prueba. Escritorios económicos destinados al uso de la computadora funcionan muy bien para este propósito. Evite un escritorio de superficie metálica, ya que la conductividad eléctrica de una superficie metálica crea tanto un peligro de choque como la posibilidad muy clara de que se desarrollen “cortocircuitos” involuntarios a partir de componentes del circuito que tocan la mesa metálica. Se deben evitar las superficies de banco de vinilo y plástico por su capacidad de generar y almacenar grandes cargas estáticas-eléctricas, que pueden dañar componentes electrónicos sensibles. Además, estos materiales se funden fácilmente cuando se exponen a soldadoras calientes y gotas de soldadura fundidas.

Si no puede obtener un banco de trabajo con superficie de madera, puede convertir cualquier forma de mesa o escritorio en uno colocando una pieza de madera contrachapada en la parte superior. Si usted es razonablemente hábil con las herramientas para trabajar la madera, puede construir su propio escritorio utilizando madera contrachapada y tablas 2x4.

El área de trabajo debe estar bien iluminada y cómoda. Tengo una pequeña radio instalada en mi propio banco de trabajo para escuchar música o noticias mientras experimento. Mi propio banco de trabajo tiene un receptáculo de “regleta de alimentación” y un conjunto de interruptor montado en la parte inferior, en el que conecto todos los dispositivos de 120 voltios. ¡Es conveniente tener un solo interruptor para apagar toda la energía en caso de un cortocircuito accidental!

Herramientas

Se requieren algunas herramientas para el trabajo electrónico básico. La mayoría de estas herramientas son económicas y fáciles de obtener. Si desea mantener el costo lo más bajo posible, es posible que desee buscarlos en tiendas de segunda mano y casas de empeño antes de comprarlas nuevas. Como se desprende de las fotografías, algunas de mis propias herramientas son bastante antiguas pero funcionan bien, no obstante.

Primero y ante todo en tu colección de herramientas es un multímetro. Este es un instrumento eléctrico diseñado para medir voltaje, corriente, resistencia y, a menudo, también otras variables. Los multímetros se fabrican tanto en forma digital como analógica. Se prefiere un multímetro digital para trabajos de precisión, pero los medidores analógicos también son útiles para obtener una comprensión intuitiva de la sensibilidad y el alcance del instrumento.

Mi propio multímetro digital es un Fluke modelo 27, comprado en 1987:

Multímetro digital

La mayoría de los multímetros analógicos que se venden hoy en día son bastante económicos, y no necesariamente instrumentos de Te recomiendo tener tipos de medidores tanto digitales como analógicos en tu colección de herramientas, gastar el menor dinero posible en el multímetro analógico e invertir en un multímetro digital de buena calidad (recomiendo encarecidamente la marca Fluke).

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Un instrumento de prueba que he encontrado indispensable en mi trabajo doméstico es un detector de voltaje sensible, o detector de audio sensible, descrito en experimentos casi idénticos en dos capítulos de este volumen de libro. No es más que un conjunto sensibilizado de auriculares de audio, equipados con un atenuador (control de volumen) y diodos limitantes para limitar la intensidad del sonido a partir de señales fuertes. Su propósito es indicar audiblemente la presencia de señales de voltaje de baja intensidad, CC o CA. A falta de un osciloscopio, esta es una herramienta muy valiosa, ya que permite escuchar una señal electrónica, y con ello determinar algo de su naturaleza. ¡Pocas herramientas engendran una comprensión intuitiva de la frecuencia y la amplitud como esta! Cito su uso en muchos de los experimentos que se muestran en este volumen, por lo que animo fuertemente a que construya el suyo propio. En segundo lugar, sólo para un multímetro, es la pieza de equipo de prueba más útil en la colección del experimentador de electrónica presupuestal.

Detector sensible de voltaje/audio

Como pueden ver, construí mi detector usando piezas de desecho (interruptor eléctrico del hogar/caja de receptáculos para el gabinete, sección de cable de lámpara marrón para los cables de prueba). Incluso algunos de los componentes internos fueron rescatados de chatarra (el transformador reductor y el conector para auriculares se tomaron de una radio vieja, comprados en condiciones que no funcionaban en una tienda de segunda mano). Todo, incluyendo los auriculares, comprados de segunda mano, no costó más de 15 dólares para construir. Por supuesto, uno podría tener mucho mayor cuidado en la elección de materiales de construcción (caja metálica, cable de sonda de prueba blindado), pero probablemente no mejoraría su rendimiento significativamente.

El componente más influyente con respecto a la sensibilidad del detector es el conjunto de auriculares: en términos generales, cuanto mayor sea la clasificación “dB” de los auriculares, mejor funcionarán para este propósito. Dado que los auriculares no necesitan ser modificados para su uso en el circuito detector, y se pueden desenchufar de él, podrías justificar la compra de audífonos más caros y de alta calidad usándolos como parte de un sistema de entretenimiento doméstico (audio/video).

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También es esencial una placa de pruebas sin soldadura, a veces llamada placa de prototipado o protoplaca. Este dispositivo le permite unir rápidamente componentes electrónicos entre sí sin tener que soldar terminales de componentes y cables juntos.

Tabla de cortar el pan sin soldadura

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Al trabajar con alambre, necesita una herramienta para “pelar” el aislamiento plástico de los extremos para que quede expuesto el metal de cobre desnudo. Esta herramienta se llama pelacables, y es una forma especial de alicates con varios orificios con filo de cuchillo en el área de la mandíbula del tamaño perfecto para cortar a través del aislamiento de plástico y no el cobre, para una multitud de tamaños de alambre, o calibres. Aquí se muestran dos tamaños diferentes de alicates para pelar cables:

Alicates para pelar cables

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Para hacer conexiones rápidas y temporales entre algunos componentes electrónicos, necesita cables de puente con pequeños clips de “mordaza de cocodrilo” en cada extremo. Estos pueden comprarse completos o ensamblarse a partir de clips y alambres.

Cables de puente (vendidos por Radio Shack)

Cables de puente (hechos en casa)

Los cables de puente hechos en casa con clips de cocodrilo grandes no aislados (metal desnudo) están bien para usar siempre que se tenga cuidado de evitar cualquier contacto involuntario entre los clips desnudos y cualquier otro cable o componente. Para su uso en circuitos de placa de prueba abarrotados, los cables de puente con clips aislados (cubiertos de goma) como el puente que se muestra en Radio Shack son muy preferidos.

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Los alicates de punta fina están diseñados para agarrar objetos pequeños y son especialmente útiles para empujar los cables en los orificios difíciles de la placa de prueba.

Alicates de punta de aguja

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Ningún juego de herramientas estaría completo sin destornilladores, y te recomiendo un par complementario (3/16 pulgadas ranurado y #2 Phillips) como punto de partida para tu colección. Más tarde te puede resultar útil invertir en un juego de destornilladores de joyero para trabajar con tornillos muy pequeños y ajustes de cabeza de tornillo.

Destornilladores

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Para proyectos que involucran ensamblaje o reparación de placas de circuito impreso, un pequeño soldador y un carrete de soldadura de “núcleo de colofonia-núcleo” son herramientas esenciales. Te recomiendo un soldador de 25 vatios, no más grande para trabajos de placa de circuito impreso, y la soldadura más delgada que puedas encontrar. ¡No use soldadura “ácido-núcleo”! La soldadura ácido-núcleo está destinada a la soldadura de tubos de cobre (plomería), donde una pequeña cantidad de ácido ayuda a limpiar el cobre de las impurezas superficiales y proporcionar una unión más fuerte. Si se usa para trabajos eléctricos, el ácido residual hará que los cables se corroan. Además, debe evitar la soldadura que contenga el plomo metálico, optando en su lugar por la soldadura de aleación de plata. Si aún no usa anteojos, se recomienda encarecidamente un par de gafas de seguridad mientras se suelda, para evitar que los trozos de soldadura fundida aterricen de manera accidental en su ojo en caso de que un cable se suelte de la junta durante el proceso de soldadura y arroje trozos de soldadura hacia usted.

Soldador y soldadura (“núcleo de colofonia”)

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Los proyectos que requieren la unión de cables grandes mediante soldadura requerirán una fuente de calor más potente que un soldador de 25 vatios. Una pistola de soldadura es una opción práctica.

Pistola de soldadura

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Los cuchillos, como los destornilladores, son herramientas esenciales para todo tipo de trabajos. Por razones de seguridad, recomiendo una navaja “utilitaria” con hoja retráctil. Estas cuchillas también son ventajosas de tener por su capacidad de aceptar cuchillas de reemplazo.

Navaja utilitaria

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Alicates distintos del tipo de punta de aguja son útiles para el montaje y desmontaje del chasis del dispositivo electrónico. Dos tipos que recomiendo son la junta deslizante y la junta ajustable (“Channel-lock”).

Alicates para juntas deslizantes

Alicates de junta ajustable

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Es posible que se requiera perforación para el montaje de grandes proyectos. Aunque los taladros eléctricos funcionan bien, he descubierto que un simple taladro de manivela hace un trabajo notable perforando plástico, madera y la mayoría de los metales. Sin duda, es más seguro y silencioso que un taladro eléctrico, y cuesta bastante menos.

Taladro de mano

Como indica el desgaste de mi taladro, ¡es una herramienta de uso frecuente en mi casa!

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Algunos experimentos requerirán una fuente de señales de voltaje de audiofrecuencia. Normalmente, este tipo de señal es generada en un laboratorio de electrónica por un dispositivo llamado generador de señal o generador de funciones. Si bien construir tal dispositivo no es imposible (¡ni difícil!) , a menudo requiere el uso de un osciloscopio para afinar, y los osciloscopios suelen estar fuera del rango presupuestal del experimentador doméstico. Una alternativa relativamente económica a un generador de señal comercial es un teclado electrónico de tipo musical. No necesitas ser músico para operar uno con el propósito de generar una señal de audio (¡solo presiona cualquier tecla en la placa!) , y se pueden obtener con bastante facilidad en tiendas de segunda mano por un precio sustancialmente inferior al nuevo. La señal electrónica generada por el teclado se conduce a su circuito a través de un cable de auriculares enchufado a la toma de “auriculares”. Más detalles sobre el uso de un “Teclado Musical como Generador de Señal” se pueden encontrar en el experimento de ese nombre en el capítulo 4 (AC).

Suministros

El alambre utilizado en las planchas sin soldadura debe ser de cobre sólido calibre 22. Los carretes de este cable están disponibles en tiendas de suministros electrónicos y algunas ferreterías, en diferentes colores de aislamiento. El color del aislamiento no influye en el rendimiento del cable, pero a veces son útiles diferentes colores para las funciones de cable de “codificación de colores” en un circuito complejo.

Carrete de alambre de cobre sólido calibre 22

Observe cómo el último 1/4 de pulgada más o menos del alambre de cobre que sobresale del carrete ha sido “despojado” de su aislamiento de plástico.

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Una alternativa a la construcción de circuitos de placa de prueba sin soldadura es la envoltura de alambre, donde calibre 30 (¡muy delgado!) alambre de cobre sólido se envuelve firmemente alrededor de los terminales de los componentes insertados a través de los agujeros de una placa de fibra de vidrio No se requiere soldadura, y las conexiones hechas son al menos tan duraderas como las conexiones soldadas, quizás más. La envoltura de alambre requiere un carrete de este alambre muy delgado, y una herramienta especial para envolver, el tipo más simple que se asemeja a un destornillador pequeño.

Alambre para envolver alambre y herramienta para envolver

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Es posible que se necesite un cable grande (calibre 14 y más grande) para construir circuitos que transporten niveles significativos de corriente. Aunque el cable eléctrico de prácticamente cualquier calibre se puede comprar en carretes, he encontrado una fuente muy económica de alambre de cobre trenzado (flexible), disponible en cualquier ferretería: cables de extensión baratos. Normalmente compuesto por tres cables de color blanco, negro y verde, los cables de extensión a menudo se venden a precios menores que el costo minorista del cable constituyente solo. ¡Esto es especialmente cierto si el cable se compra a la venta! Además, un cable de extensión le proporciona un par de conectores de 120 voltios: macho (enchufe) y hembra (receptáculo) que pueden usarse para proyectos alimentados por 120 voltios.

Cable de extensión, en paquete

Para extraer los cables, corte cuidadosamente la capa exterior de aislamiento plástico con una navaja utilitaria. Con la práctica, puede encontrar que puede despegar el aislamiento exterior haciendo un atajo en él en un extremo del cable, luego agarrando los cables con una mano y el aislamiento con la otra y separándolos. Esto es, por supuesto, muy preferible a cortar toda la longitud del aislamiento con un cuchillo, tanto por razones de seguridad como para evitar cortes en el aislamiento de los cables individuales.

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Durante el transcurso de la construcción de muchos circuitos, acumularás una gran cantidad de pequeños componentes. Una técnica para mantener organizados estos componentes es mantenerlos en una caja “organizadora” de plástico como la que se usa para aparejos de pesca.

Caja de componentes

En esta vista de una de mis cajas de componentes, se pueden ver muchas resistencias de 1/8 vatios, transistores, diodos e incluso algunos circuitos integrados de 8 pines (“chips”). Las etiquetas para cada compartimento se realizaron con un marcador de tinta permanente.

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2: Conceptos básicos y equipos de prueba

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2.1: Uso del voltímetro

PARTES Y MATERIALES

• Multímetro, digital o analógico
• Surtido de baterías
• Un diodo emisor de luz (Radio Shack catálogo # 276-026 o equivalente)
• Pequeño motor “hobby”, tipo imán permanente (catálogo Radio Shack # 273-223 o equivalente)
• Dos cables puente con extremos de “pinza de cocodrilo” (Catálogo Radio Shack # 278-1156, 278-1157 o equivalente)

Un multímetro es un instrumento eléctrico capaz de medir voltaje, corriente y resistencia. Los multímetros digitales tienen pantallas numéricas, como relojes digitales, para indicar la cantidad de voltaje, corriente o resistencia. Los multímetros analógicos indican estas cantidades por medio de un puntero móvil sobre una escala impresa.

Los multímetros analógicos tienden a ser menos costosos que los multímetros digitales, y más beneficiosos como herramientas de aprendizaje para el estudiante primerizo de la electricidad. Recomiendo encarecidamente comprar un multímetro analógico antes de comprar un multímetro digital, pero para eventualmente tener ambos en su kit de herramientas para estos experimentos.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 1: “Conceptos Básicos de Electricidad”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 8: “Circuitos de Medición DC”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo medir el voltaje
• Características del voltaje: existente entre dos puntos
• Selección del rango de medidor adecuado

Ilustracion

Instrucciones

En todos los experimentos de este libro, estarás usando algún tipo de equipo de prueba para medir aspectos de la electricidad que no puedes ver, sentir, escuchar, probar u oler directamente. La electricidad—al menos en pequeñas cantidades seguras— es insensible para nuestro cuerpo humano. Tus “ojos” más fundamentales en el mundo de la electricidad y la electrónica serán un dispositivo llamado multímetro. Los multímetros indican la presencia y miden la cantidad de propiedades eléctricas como voltaje, corriente y resistencia. En este experimento, te familiarizarás con la medición de voltaje.

El voltaje es la medida del “empuje” eléctrico listo para motivar a los electrones a moverse a través de un conductor. En términos científicos, es la energía específica por unidad de carga, definida matemáticamente como julios por culombo. Es análogo a la presión en un sistema de fluidos: la fuerza que mueve el fluido a través de una tubería, y se mide en la unidad del Volt (V).

Tu multímetro debe venir con algunas instrucciones básicas. ¡Léelos bien! Si tu multímetro es digital, requerirá una batería pequeña para funcionar. Si es analógico, no necesita batería para medir voltaje.

Algunos multímetros digitales son autoranging. Un medidor de autoranging tiene solo unas pocas posiciones de interruptor selector (dial). Los medidores de alcance manual tienen varias posiciones de selección diferentes para cada cantidad básica: varios para voltaje, varios para corriente y varios para resistencia. La autoranging generalmente se encuentra solo en los medidores digitales más caros, y es al alcance manual como una transmisión automática es a una transmisión manual en un automóvil. Un medidor de autoranging “cambia de marcha” automáticamente para encontrar el mejor rango de medición para mostrar la cantidad particular que se está midiendo.

Ajuste el interruptor selector de su multímetro en la posición de “voltios CC” de mayor valor disponible. Los multímetros de autoranging solo pueden tener una sola posición para voltaje de CC, en cuyo caso es necesario ajustar el interruptor a esa posición. Toque la sonda de prueba roja hacia el lado positivo (+) de una batería y la sonda de prueba negra hacia el lado negativo (-) de la misma batería. El medidor ahora debería proporcionarte algún tipo de indicación. Invierta las conexiones de la sonda de prueba a la batería si la indicación del medidor es negativa (en un medidor analógico, el puntero indica un valor negativo desviando a la izquierda en lugar de a la derecha).

Si su medidor es del tipo de rango manual y el interruptor selector se ha establecido en una posición de rango alto, la indicación será pequeña. Mueva el interruptor selector a la siguiente configuración de rango de voltaje de CC inferior y vuelva a conectarlo a la batería. La indicación debería ser más fuerte ahora, como lo indica una mayor desviación del puntero analógico del medidor (aguja), o dígitos más activos en la pantalla del medidor digital. Para obtener los mejores resultados, mueva el interruptor selector a la configuración de rango más bajo que no “sobrealcance” el medidor. Se dice que un medidor analógico sobre-rango está “vinculado”, ya que la aguja se verá forzada hasta el lado derecho de la báscula, más allá del valor de la escala de rango completo. Un medidor digital sobre-rango a veces muestra las letras “OL”, o una serie de líneas discontinuas. Esta indicación es específica del fabricante.

¿Qué sucede si solo toca la sonda de prueba de un metro a un extremo de una batería? ¿Cómo tiene que conectarse el medidor a la batería para proporcionar una indicación? ¿Qué nos dice esto sobre el uso del voltímetro y la naturaleza del voltaje? ¿Existe tal cosa como el voltaje “en” un solo punto?

Asegúrese de medir más de un tamaño de batería y aprenda a seleccionar el mejor rango de voltaje en el multímetro para darle la máxima indicación sin sobre-rango.

Ahora cambie su multímetro al rango de voltaje de CC más bajo disponible y toque las sondas de prueba del medidor a los terminales (cables) del diodo emisor de luz (LED). Un LED está diseñado para producir luz cuando se alimenta con una pequeña cantidad de electricidad, pero los LED también generan voltaje de CC cuando se exponen a la luz, algo así como una célula solar. Apunte el LED hacia una fuente de luz brillante con el multímetro conectado a ella, y anote la indicación del medidor:

Las baterías desarrollan voltaje eléctrico a través de reacciones químicas. Cuando una batería “muere”, ha agotado su almacén original de “combustible” químico. El LED, sin embargo, no se basa en un “combustible” interno para generar voltaje; más bien, convierte la energía óptica en energía eléctrica. Siempre y cuando haya luz para iluminar el LED, producirá voltaje.

Otra fuente de voltaje a través de la conversión de energía de un generador. El pequeño motor eléctrico especificado en la lista “Partes y Materiales” funciona como un generador eléctrico si su eje es girado por una fuerza mecánica. Conecte su voltímetro (su multímetro, ajustado a la función “voltios”) a los terminales del motor tal como lo conectó a los terminales del LED, y haga girar el eje con los dedos. El medidor debe indicar voltaje por medio de deflexión de aguja (analógica) o lectura numérica (digital).

Si le resulta difícil mantener ambas sondas de prueba de medidor en conexión con los terminales del motor mientras simultáneamente gira el eje con los dedos, puede usar cables de “puente” de pinza de cocodrilo como este:

¿Determinar la relación entre voltaje y velocidad del eje del generador? Invierta la dirección de rotación del generador y observe el cambio en la indicación del medidor. Al invertir la rotación del eje, se cambia la polaridad del voltaje creado por el generador. El voltímetro indica polaridad por dirección de la dirección de la aguja (analógica) o signo de indicación numérica (digital). Cuando el cable de prueba rojo es positivo (+) y el cable de prueba negro negativo (-), el medidor registrará voltaje en la dirección normal. Si el voltaje aplicado es de polaridad inversa (negativo en rojo y positivo en negro), el medidor indicará “hacia atrás”.

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2.2: Uso del ohmímetro

Partes y Materiales

• Multímetro, digital o analógico
• Resistencias surtidas (Catálogo Radio Shack # 271-312 es un surtido de 500 piezas)
• Diodo rectificador (1N4001 o equivalente; Catálogo Radio Shack # 276-1101)
• Fotocélula de Sulfuros de Cadmio (Catálogo Radio Shack # 276-1657)
• Tabla de pruebas (Catálogo Radio Shack # 276-174 o equivalente)
• Alambres de puente
• Papel
• Lápiz
• Vaso de agua
• Sal de mesa

Este experimento describe cómo medir la resistencia eléctrica de varios objetos. No es necesario poseer todos los elementos enumerados anteriormente para poder aprender de manera efectiva sobre la resistencia. Por el contrario, no es necesario limitar sus experimentos a estos elementos. Sin embargo, asegúrese de nunca medir la resistencia de ningún objeto o circuito eléctricamente “vivo”. En otras palabras, no intente medir la resistencia de una batería o cualquier otra fuente de voltaje sustancial utilizando un multímetro ajustado a la función de resistencia (“ohmios”). No atender esta advertencia probablemente resultará en daños en el medidor e incluso lesiones personales.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 1: “Conceptos Básicos de Electricidad”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 8: “Circuitos de Medición DC”

Objetivos de aprendizaje

• Determinación y comprensión de la “continuidad eléctrica”
• Determinación y comprensión de “puntos eléctricamente comunes”
• Cómo medir la resistencia
• Características de la resistencia: existente entre dos puntos
• Selección del rango de medidor adecuado
• Conductividad relativa de diversos componentes y materiales

Ilustración

Instrucciones

La resistencia es la medida de la “fricción” eléctrica a medida que los electrones se mueven a través de un conductor. Se mide en la unidad del “Ohm”, esa unidad simbolizada por la mayúscula griega omega (Ω).

Establezca su multímetro al rango de resistencia más alto disponible. La función de resistencia suele ser denotada por el símbolo de unidad para resistencia: la letra griega omega (Ω), o a veces por la palabra “ohmios”. Toque las dos sondas de prueba de su medidor juntas. Cuando lo hagas, el medidor debe registrar 0 ohmios de resistencia. Si está utilizando un medidor analógico, notará que la aguja se desvía a gran escala cuando las sondas se tocan juntas, y volverá a su posición de reposo cuando las sondas se separen. La escala de resistencia en un multímetro analógico se imprime al revés de las otras escalas: la resistencia cero se indica en el extremo derecho de la escala, y la resistencia infinita se indica en el extremo izquierdo. También debe haber una pequeña perilla de ajuste o “rueda” en el multímetro analógico para calibrarlo para “cero” ohmios de resistencia. Toque las sondas de prueba juntas y mueva este ajuste hasta que la aguja apunte exactamente a cero en el extremo derecho de la báscula.

Si bien su multímetro es capaz de proporcionar valores cuantitativos de resistencia medida, también es útil para pruebas cualitativas de continuidad: si existe o no una conexión eléctrica continua de un punto a otro. Puede, por ejemplo, probar la continuidad de un trozo de cable conectando las sondas del medidor a los extremos opuestos del cable y verificando para ver que la aguja se mueve a gran escala. ¿Qué diríamos de un trozo de alambre si la aguja del ohmímetro no se moviera en absoluto cuando las sondas estuvieran conectadas a extremos opuestos?

Cómo medir la resistencia

Los multímetros digitales ajustados al modo “resistencia” indican no continuidad al mostrar alguna indicación no numérica en la pantalla. Algunos modelos dicen “OL” (Open-Loop), mientras que otros muestran líneas discontinuas.

Use su medidor para determinar la continuidad entre los orificios de una placa de pruebas: un dispositivo utilizado para la construcción temporal de circuitos, donde los terminales de los componentes se insertan en agujeros en una rejilla de plástico, clips de resorte metálicos debajo de cada orificio que conectan ciertos orificios a otros. Use pequeños trozos de alambre de cobre sólido calibre 22, insertados en los orificios de la placa de pruebas, para conectar el medidor a estos clips de resorte para que pueda probar la continuidad:

Un concepto importante en la electricidad, estrechamente relacionado con la continuidad eléctrica, es el de que los puntos son eléctricamente comunes entre sí. Los puntos eléctricamente comunes son puntos de contacto en un dispositivo o en un circuito que tienen una resistencia insignificante (extremadamente pequeña) entre ellos. Podríamos decir, entonces, que los puntos dentro de una columna de tabla de pruebas (verticales en las ilustraciones) son eléctricamente comunes entre sí, porque hay continuidad eléctrica entre ellos. Por el contrario, los puntos de tabla de pruebas dentro de una fila (horizontales en las ilustraciones) no son eléctricamente comunes, porque no hay continuidad entre ellos. La continuidad describe lo que hay entre puntos de contacto, mientras que lo común describe cómo los puntos en sí se relacionan entre sí.

Al igual que la continuidad, la comunalidad es una evaluación cualitativa, basada en una comparación relativa de la resistencia entre otros puntos de un circuito. Es un concepto importante a comprender, porque hay ciertos hechos con respecto al voltaje en relación a los puntos eléctricamente comunes que son valiosos en el análisis de circuitos y la solución de problemas, siendo el primero que nunca habrá caída sustancial de voltaje entre puntos que son eléctricamente comunes a cada uno otro.

Seleccione una resistencia de 10,000 ohmios (10 kΩ) de su surtido de piezas. Este valor de resistencia está indicado por una serie de bandas de color: Marrón, Negro, Naranja, y luego otro color que representa la precisión de la resistencia, Oro (+/- 5%) o Plata (+/- 10%). Algunas resistencias no tienen color para la precisión, lo que las marca como +/- 20%. Otras resistencias utilizan cinco bandas de color para denotar su valor y precisión, en cuyo caso los colores para una resistencia de 10 kΩ serán Marrón, Negro, Negro, Rojo y un quinto color para mayor precisión.

Conecte las sondas de prueba del medidor a través de la resistencia como tal, y anote su indicación en la escala de resistencia:

Si la aguja apunta muy cerca de cero, debe seleccionar un rango de resistencia menor en el medidor, tal como necesitó seleccionar un rango de voltaje apropiado al leer el voltaje de una batería.

Si está utilizando un multímetro digital, debería ver una cifra numérica cercana a 10 que se muestra en la pantalla, con un pequeño símbolo “k” en el lado derecho que denota el prefijo métrico para “kilo” (mil). Algunos medidores digitales tienen rango manual y requieren una selección de rango adecuada al igual que el medidor analógico. Si el tuyo es así, experimenta con diferentes posiciones de interruptor de rango y mira cuál te da la mejor indicación.

Intente invertir las conexiones de la sonda de prueba en la resistencia. ¿Esto cambia en absoluto la indicación del medidor? ¿Qué nos dice esto sobre la resistencia de una resistencia? ¿Qué sucede cuando solo tocas una sonda a la resistencia? ¿Qué nos dice esto sobre la naturaleza de la resistencia y cómo se mide? ¿Cómo se compara esto con la medición de voltaje y qué sucedió cuando intentamos medir el voltaje de la batería tocando solo una sonda a la batería?

Cuando toque las sondas del medidor a los terminales de la resistencia, trate de no tocar ambas puntas de sonda con los dedos. Si lo haces, estarás midiendo la combinación paralela de la resistencia y tu propio cuerpo, ¡lo que tenderá a hacer que la indicación del medidor sea más baja de lo que debería ser! Al medir una resistencia de 10 kΩ, este error será mínimo, pero puede ser más severo al medir otros valores de resistencia.

Puede medir de manera segura la resistencia de su propio cuerpo sujetando una punta de sonda con los dedos de una mano y la otra punta de sonda con los dedos de la otra mano. Nota: tenga mucho cuidado con las sondas, ya que a menudo están afiladas hasta una punta de aguja. ¡Sostenga las puntas de la sonda a lo largo de su longitud, no en los puntos Es posible que deba ajustar el rango del medidor nuevamente después de medir la resistencia de 10 kΩ, ya que la resistencia de su cuerpo tiende a ser superior a 10,000 ohmios mano a mano. Intenta mojar tus dedos con agua y volver a medir la resistencia con el medidor. ¿Qué impacto tiene esto en la indicación? Intenta mojar tus dedos con agua salada preparada con el vaso de agua y sal de mesa, y volver a medir la resistencia. ¿Qué impacto tiene esto en la resistencia de su cuerpo medida por el medidor?

La resistencia es la medida de la fricción al flujo de electrones a través de un objeto. Cuanta más resistencia haya entre dos puntos, más difícil es que los electrones se muevan (fluyan) entre esos dos puntos. Dado que la descarga eléctrica es causada por un gran flujo de electrones a través del cuerpo de una persona, y el aumento de la resistencia corporal actúa como una salvaguardia al dificultar que los electrones fluyan a través de nosotros, ¿qué podemos determinar sobre la seguridad eléctrica a partir de las lecturas de resistencia obtenidas con los dedos mojados? ¿El agua aumenta o disminuye el riesgo de choque para las personas?

Mida la resistencia de un diodo rectificador con un medidor analógico. Intente invertir las conexiones de la sonda de prueba al diodo y vuelva a medir la resistencia. ¿Qué le llama la atención por ser notable del diodo, especialmente en contraste con la resistencia?

Toma un trozo de papel y dibuja una marca negra muy pesada sobre él con un lápiz (¡no un bolígrafo!). Mida la resistencia en la tira negra con su medidor, colocando las puntas de la sonda en cada extremo de la marca así:

Mueva las puntas de la sonda más cerca de la marca negra y anote el cambio en el valor de resistencia. ¿Aumenta o disminuye con la disminución del espaciado de las sondas? Si los resultados son inconsistentes, es necesario volver a dibujar la marca con más y más trazos de lápiz más pesados, para que sea consistente en su densidad. ¿Qué le enseña esto sobre la resistencia versus la longitud de un material conductor?

Conecte su medidor a los terminales de una fotocélula de sulfuro de cadmio (CDs) y mida el cambio en la resistencia creado por las diferencias en la exposición a la luz. Al igual que con el diodo emisor de luz (LED) del experimento del voltímetro, es posible que desee usar cables de puente de pinza de cocodrilo para hacer la conexión con el componente, dejando las manos libres para sujetar la fotocélula a una fuente de luz y/o cambiar los rangos del medidor:

Experimente con la medición de la resistencia de varios tipos diferentes de materiales, solo asegúrese de no intentar medir nada que produzca voltaje sustancial, como una batería. Las sugerencias de materiales a medir son: tela, plástico, madera, metal, agua limpia, agua sucia, agua salada, vidrio, diamante (en un anillo de diamantes u otra pieza de joyería), papel, caucho y aceite.

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2.3: Un circuito muy simple

Partes y Materiales

• Batería de 6 voltios
• Lámpara incandescente de 6 voltios
• Alambres puente
• Tabla de cortar el pan
• Regleta de terminales

A partir de este experimento, se supone que es necesario un multímetro y no se incluirá en la lista requerida de piezas y materiales. En todas las ilustraciones posteriores, se mostrará un multímetro digital en lugar de un medidor analógico a menos que haya alguna razón particular para usar un medidor analógico. Se le anima a utilizar ambos tipos de medidores para familiarizarse con el funcionamiento de cada uno en estos experimentos.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 1: “Conceptos Básicos de Electricidad”

Objetivos de aprendizaje

• Configuración esencial necesaria para hacer un circuito
• Caída de voltaje normal en un circuito operativo
• Importancia de la continuidad a un circuito
• Definiciones de trabajo de circuitos “abiertos” y “cortocircuitos”
• Uso de la tabla de pruebas
• Uso de regletas terminales

Diagrama esquemático

Ilustración

Creación de un circuito simple

Este es el circuito completo más simple en esta colección de experimentos: una batería y una lámpara incandescente. Conecte la lámpara a la batería como se muestra en la ilustración, y la lámpara debe encenderse, asumiendo que la batería y la lámpara están ambas en buenas condiciones y están emparejadas entre sí en términos de voltaje.

Si hay un “break” (discontinuidad) en cualquier parte del circuito, la lámpara no se encenderá. ¡No importa donde ocurra tal ruptura! Muchos estudiantes asumen que debido a que los electrones salen del lado negativo (-) de la batería y continúan a través del circuito hacia el lado positivo (+), que el cable que conecta el terminal negativo de la batería a la lámpara es más importante para el funcionamiento del circuito que el otro cable que proporciona una ruta de retorno para electrones de vuelta a la batería. ¡Esto no es cierto!

Usando su multímetro establecido en el rango apropiado de “voltios de CC”, mida el voltaje a través de la batería, a través de la lámpara y a través de cada cable de puente. Familiarízate con los voltajes normales en un circuito en funcionamiento.

Ahora, “rompa” el circuito en un punto y vuelva a medir el voltaje entre los mismos conjuntos de puntos, midiendo adicionalmente el voltaje a través de la interrupción así:

¿Qué voltajes miden lo mismo que antes? ¿Qué voltajes son diferentes desde la introducción del break? ¿Cuánto voltaje se manifiesta, o se cae a través de la rotura? ¿Cuál es la polaridad de la caída de voltaje a través de la rotura, como indica el medidor?

Vuelva a conectar el cable puente a la lámpara y rompa el circuito en otro lugar. Mida de nuevo todas las “caídas” de voltaje, familiarizándose con las tensiones de un circuito “abierto”.

Construya el mismo circuito en una placa de pruebas, teniendo cuidado de colocar la lámpara y los cables en la placa de manera que se mantenga la continuidad. El ejemplo que se muestra aquí es solo eso: un ejemplo, no la única manera de construir un circuito en una placa de pruebas:

Experimente con diferentes configuraciones en la placa de pruebas, enchufando la lámpara en diferentes orificios. Si encuentra una situación en la que la lámpara se niega a encenderse y los cables de conexión se están calentando, probablemente tenga una situación conocida como cortocircuito, en la que una trayectoria de menor resistencia que la lámpara evita la corriente alrededor de la lámpara, evitando que se baje suficiente voltaje a través del lámpara para encenderla. Aquí hay un ejemplo de un cortocircuito realizado en una placa de pruebas:

Un ejemplo de un cortocircuito accidental

Aquí hay un ejemplo de un cortocircuito accidental del tipo típicamente hecho por estudiantes que no están familiarizados con el uso de la placa de prueba:

Aquí no hay ningún cable de “cortocircuito” presente en la placa de pruebas, sin embargo, hay un cortocircuito, y la lámpara se niega a encenderse. Con base en su comprensión de las conexiones de orificios de placa de prueba, ¿puede determinar dónde está el “corto” en este circuito?

Consejos para evitar cortocircuitos

Los cortocircuitos generalmente se deben evitar, ya que resultan en tasas muy altas de flujo de electrones, lo que hace que los cables se calienten y las fuentes de energía de la batería se agoten. Si la fuente de energía es lo suficientemente sustancial, un cortocircuito puede provocar que se manifieste calor de proporciones explosivas, causando daños en el equipo y peligros para el personal cercano. Esto es lo que sucede cuando una rama de árbol “se corta” a través de cables en una línea eléctrica: la extremidad, que está compuesta de madera húmeda, actúa como un camino de baja resistencia a la corriente eléctrica, lo que resulta en calor y chispas.

También puede construir el circuito de la batería/lámpara en una regleta de terminales: una longitud de material aislante con barras metálicas y tornillos para unir cables y terminales de componentes a. Aquí hay un ejemplo de cómo este circuito podría construirse en una regleta de terminales:

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2.4: Cómo usar un amperímetro para medir la corriente

Partes y Materiales

• Batería de 6 voltios
• Lámpara incandescente de 6 voltios

Los componentes básicos de construcción de circuitos como placa de pruebas, regleta de terminales y cables puente también se supone que están disponibles a partir de ahora, dejando solo componentes y materiales únicos para el proyecto que se enumeran en “Partes y materiales”.

Lectura adicional

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 1: “Conceptos Básicos de Electricidad”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 8: “Circuitos de Medición DC”

Objetivos de aprendizaje del uso del amperímetro

• Cómo medir la corriente con un multímetro
• Cómo verificar el fusible interno de un multímetro
• Selección del rango de medidor adecuado

Diagrama esquemático de amperímetro

Amperímetro Ilustración

Instrucciones del experimento

La corriente es la medida de la tasa de “flujo” de electrones en un circuito. Se mide en la unidad del Ampere, simplemente llamada “Amp”, (A).

La forma más común de medir la corriente en un circuito es romper el circuito abierto e insertar un “amperímetro” en serie (en línea) con el circuito para que todos los electrones que fluyen a través del circuito también tengan que pasar por el medidor. Debido a que medir la corriente de esta manera requiere que el medidor forme parte del circuito, es un tipo de medición más difícil de realizar que el voltaje o la resistencia.

Algunos medidores digitales, como la unidad que se muestra en la ilustración, tienen un conector separado para insertar el enchufe rojo del cable de prueba al medir la corriente. Otros medidores, como la mayoría de los medidores analógicos económicos, utilizan las mismas tomas para medir voltaje, resistencia y corriente. Consulte su manual del propietario sobre el modelo particular de medidor que posee para obtener detalles sobre la medición de corriente.

Cuando se coloca un amperímetro en serie con un circuito, idealmente no baja voltaje a medida que la corriente pasa a través de él. En otras palabras, actúa muy parecido a un trozo de alambre, con muy poca resistencia de una sonda de prueba a la otra. En consecuencia, un amperímetro actuará como cortocircuito si se coloca en paralelo (a través de los terminales de) una fuente sustancial de voltaje. Si se hace esto, se generará una sobretensión en la corriente, potencialmente dañando el medidor:

Los amperímetros generalmente están protegidos de la corriente excesiva por medio de un pequeño fusible ubicado dentro de la carcasa del medidor. Si el amperímetro se conecta de manera accidentada a través de una fuente de voltaje sustancial, la sobretensión resultante de la corriente “soplará” el fusible y hará que el medidor sea incapaz de medir la corriente hasta que se reemplacen el fusible. ¡Ten mucho cuidado para evitar este escenario!

Puede probar el estado del fusible de un multímetro al cambiarlo al modo de resistencia y medir la continuidad a través de los cables de prueba (y a través del fusible). En un medidor donde se utilizan los mismos conectores de cable de prueba tanto para la medición de resistencia como de corriente, simplemente deje los enchufes de los cables de prueba donde están y toque las dos sondas juntas. En un medidor donde se utilizan diferentes tomas, así es como se insertan los enchufes del cable de prueba para verificar el fusible:

Construya el circuito de una batería y una lámpara usando cables puente para conectar la batería a la lámpara y verifique que la lámpara se encienda antes de conectar el medidor en serie con ella. Luego, rompa el circuito abierto en cualquier punto y conecte las sondas de prueba del medidor a los dos puntos de la rotura para medir la corriente.

Como de costumbre, si su medidor tiene rango manual, comience por seleccionar el rango más alto para la corriente, luego mueva el interruptor selector a posiciones de rango inferior hasta que se obtenga la indicación más fuerte en la pantalla del medidor sin sobredimensionarlo. Si la indicación del medidor es “hacia atrás” (movimiento a la izquierda en la aguja analógica o lectura negativa en una pantalla digital), invierta las conexiones de la sonda de prueba e inténtelo de nuevo.

Cuando el amperímetro indica una lectura normal (no “hacia atrás”), los electrones están entrando al cable de prueba negro y saliendo del rojo. Así es como se determina la dirección de la corriente usando un medidor.

Para una batería de 6 voltios y una lámpara pequeña, la corriente del circuito estará en el rango de milésimas de amplificador, o miliamperios. Los medidores digitales suelen mostrar una letra minúscula “m” en el lado derecho de la pantalla para indicar este prefijo métrico.

Intenta romper el circuito en algún otro punto e insertar el medidor ahí en su lugar. ¿Qué nota sobre la cantidad de corriente medida? ¿Por qué crees que es esto?

Reconstruya el circuito en una placa de pruebas como esta:

Conexión de un amperímetro a un circuito de placa de pruebas: consejos y trucos

Los estudiantes a menudo se confunden al conectar un amperímetro a un circuito de placa de pruebas. ¿Cómo se puede conectar el medidor para interceptar toda la corriente del circuito y no crear un cortocircuito? Un método fácil que garantiza el éxito es este:

• • Identifique a qué terminal de cable o componente desea medir la corriente.
• • Tire de ese cable o terminal fuera del orificio de la placa de pruebas. Déjalo colgando en el aire.
• • Inserte un trozo de cable de repuesto en el orificio del que acabas de sacar el otro cable o terminal. Deja el otro extremo de este cable colgando en el aire.
• • Conecte el amperímetro entre los dos extremos de cable desconectados (los dos que colgaban en el aire). Ahora tiene la seguridad de medir la corriente a través del cable o terminal identificado inicialmente.

Nuevamente, mida la corriente a través de diferentes cables en este circuito, siguiendo el mismo procedimiento de conexión descrito anteriormente. ¿Qué nota de estas mediciones de corriente? Los resultados en el circuito de placa de pruebas deben ser los mismos que los resultados en el circuito de forma libre (sin placa de prueba).

Resultados del experimento

Construir el mismo circuito en una regleta de bornes también debería arrojar resultados similares:

La cifra actual de 24.70 miliamperios (24.70 mA) mostrada en las ilustraciones es una cantidad arbitraria, razonable para una pequeña lámpara incandescente. Si la corriente para tu circuito es de un valor diferente, está bien, siempre y cuando la lámpara esté funcionando cuando el medidor esté conectado. Si la lámpara se niega a encenderse cuando el medidor está conectado al circuito, y el medidor registra una lectura mucho mayor, probablemente tenga una condición de cortocircuito a través del medidor. Si tu lámpara se niega a encenderse cuando el medidor está conectado en el circuito, y el medidor registra corriente cero, probablemente hayas fundido el fusible dentro del medidor. Verifique el estado del fusible de su medidor como se describió anteriormente en esta sección y reemplace el fusible si es necesario.

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2.5: Ley de Ohm

PARTES Y MATERIALES

• Calculadora (o lápiz y papel para hacer aritmética)
• Batería de 6 voltios
• Surtido de resistencias entre 1 KΩ y 100 kΩ en valor

Estoy restringiendo intencionadamente los valores de resistencia entre 1 kΩ y 100 kΩ para obtener lecturas precisas de voltaje y corriente con su medidor. Con valores de resistencia muy bajos, la resistencia interna del amperímetro tiene un impacto significativo en la precisión de la medición. Valores de resistencia muy altos pueden causar problemas para la medición de voltaje, la resistencia interna del voltímetro cambia sustancialmente la resistencia del circuito cuando está conectado en paralelo con una resistencia de alto valor.

A los valores de resistencia recomendados, todavía habrá una pequeña cantidad de error de medición debido al “impacto” del medidor, pero no lo suficiente como para causar serios desacuerdos con los valores calculados.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 2: “Ley de Ohm”

Objetivos de aprendizaje

• Uso del voltímetro
• Uso de amperímetro
• Uso del ohmímetro
• Uso de la Ley de Ohm

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Seleccione una resistencia del surtido y mida su resistencia con su multímetro ajustado al rango de resistencia apropiado. Asegúrese de no sujetar los terminales de la resistencia cuando mida la resistencia, ¡o de lo contrario su resistencia corporal mano a mano influirá en la medición! Registre este valor de resistencia para uso futuro.

Construya un circuito de una batería y una resistencia. En la ilustración se muestra una regleta de terminales, pero cualquier forma de construcción de circuito está bien. Establezca su multímetro en el rango de voltaje apropiado y mida el voltaje a través de la resistencia a medida que está siendo alimentado por la batería. Registre este valor de voltaje junto con el valor de resistencia previamente medido.

Ajuste su multímetro al rango de corriente más alto disponible. Rompe el circuito y conecta el amperímetro dentro de esa ruptura, de manera que se convierte en parte del circuito, en serie con la batería y la resistencia. Seleccione el mejor rango de corriente: el que dé la indicación más fuerte del medidor sin sobrepasar el medidor. Si tu multímetro está autoranging, por supuesto, no necesitas molestarte en establecer rangos. Registre este valor de corriente junto con los valores de resistencia y voltaje registrados previamente.

Tomando las cifras medidas para voltaje y resistencia, use la ecuación de la Ley de Ohm para calcular la corriente del circuito. Compare esta cifra calculada con la cifra medida para la corriente del circuito:

Tomando las cifras medidas para voltaje y corriente, use la ecuación de la Ley de Ohm para calcular la resistencia del circuito. Compare esta cifra calculada con la cifra medida para la resistencia del circuito:

Finalmente, tomando las cifras medidas de resistencia y corriente, utilice la ecuación de la Ley de Ohm para calcular el voltaje del circuito. Compare esta cifra calculada con la cifra medida para el voltaje del circuito:

Debe haber un acuerdo cercano entre todas las cifras medidas y todas las calculadas. Cualquier diferencia en las respectivas cantidades de voltaje, corriente o resistencia se debe muy probablemente a inexactitudes del medidor. Estas diferencias deberían ser bastante pequeñas, no más de varios por ciento. ¡Algunos metros, por supuesto, son más precisos que otros!

Sustituya diferentes resistencias en el circuito y vuelva a tomar todas las mediciones de resistencia, voltaje y corriente. Vuelva a calcular estas cifras y verificar la concordancia con los datos experimentales (cantidades medidas). También tenga en cuenta la relación matemática simple entre los cambios en el valor de la resistencia y los cambios en la corriente El voltaje debe permanecer aproximadamente el mismo para cualquier tamaño de resistencia insertado en el circuito, ya que es la naturaleza de una batería mantener el voltaje a un nivel constante.

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2.6: Resistencia no lineal

PARTES Y MATERIALES

• Calculadora (o lápiz y papel para hacer aritmética)
• Batería de 6 voltios
• Lámpara incandescente de bajo voltaje (Radio Shack catálogo # 272-1130 o equivalente)

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 2: “Ley de Ohm”

Objetivos de aprendizaje

• Uso del voltímetro
• Uso de amperímetro
• Uso del ohmímetro
• Uso de la Ley de Ohm
• ¡Comprensión de que algunas resistencias son inestables!
• Método científico

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Mida la resistencia de la lámpara con su multímetro. Esta cifra de resistencia se debe al delgado “filamento” metálico dentro de la lámpara. Tiene sustancialmente más resistencia que un cable puente, pero menos que cualquiera de las resistencias del último experimento. Registre este valor de resistencia para uso futuro.

Construya un circuito de una batería y una lámpara. Ajuste su multímetro en el rango de voltaje apropiado y mida el voltaje a través de la lámpara a medida que está energizada (encendida). Registre este valor de voltaje junto con el valor de resistencia previamente medido.

Ajuste su multímetro al rango de corriente más alto disponible. Rompe el circuito y conecta el amperímetro dentro de esa ruptura, de manera que se convierte en parte del circuito, en serie con la batería y la lámpara. Seleccione el mejor rango de corriente: el que dé la indicación más fuerte del medidor sin sobrepasar el medidor. Si tu multímetro está autoranging, claro, no necesitas molestarte en establecer rangos. Registre este valor de corriente junto con los valores de resistencia y voltaje registrados previamente.

Tomando las cifras medidas para voltaje y resistencia, use la ecuación de la Ley de Ohm para calcular la corriente del circuito. Compare esta cifra calculada con la cifra medida para la corriente del circuito:

Lo que debes encontrar es una marcada diferencia entre la corriente medida y la corriente calculada: la cifra calculada es mucho mayor. ¿Por qué es esto?

Para hacer las cosas más interesantes, intenta medir nuevamente la resistencia de la lámpara, esta vez usando un modelo diferente de medidor. Deberá desconectar la lámpara del circuito de la batería para obtener una lectura de resistencia, ya que los voltajes fuera del medidor interfieren con la medición de la resistencia. Esta es una regla general que debe recordarse: ¡mida la resistencia solo en un componente sin alimentación!

Usando un ohmímetro diferente, la lámpara probablemente se registrará como un valor diferente de resistencia. Por lo general, los medidores analógicos dan lecturas de resistencia de lámpara más altas que los

Este comportamiento es muy diferente al de las resistencias en el último experimento. ¿Por qué? ¿Qué factor (es) podría (n) influir en la resistencia del filamento de la lámpara, y cómo podrían ser diferentes esos factores entre las condiciones de encendido y apagado, o entre las mediciones de resistencia tomadas con diferentes tipos de medidores?

Este problema es un buen caso de prueba para la aplicación del método científico. Una vez que hayas pensado en una posible razón para que la resistencia de la lámpara cambie entre condiciones encendidas y apagadas, trata de duplicar esa causa por algún otro medio. Por ejemplo, si crees que la resistencia de la lámpara podría cambiar a medida que se expone a la luz (su propia luz, cuando se enciende), y que esto explica la diferencia entre las corrientes de circuito medidas y calculadas, intente exponer la lámpara a una fuente externa de luz mientras mide su resistencia. Si mide el cambio sustancial de resistencia como resultado de la exposición a la luz, entonces su hipótesis tiene algún respaldo probatorio. Si no, entonces su hipótesis ha sido falsificada, y otra causa debe ser la responsable del cambio en la corriente del circuito.

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2.7: Disipación de potencia

PARTES Y MATERIALES

• Calculadora (o lápiz y papel para hacer aritmética)
• Batería de 6 voltios
• Dos resistencias de 1/4 vatios: 10 Ω y 330 Ω.
• Termómetro pequeño

Los valores de resistencia no necesitan ser exactos, sino dentro del cinco por ciento de las cifras especificadas (+/- 0.5 Ω para la resistencia de 10 Ω; +/- 16.5 Ω para la resistencia de 330 Ω). Los códigos de color para las resistencias de tolerancia del 5% de 10 Ω y 330 Ω son los siguientes: Marrón, Negro, Negro, Oro (10, +/- 5%) y Naranja, Naranja, Marrón, Oro (330, +/- 5%).

No utilice ningún tamaño de batería que no sea de 6 voltios para este experimento.

El termómetro debe ser lo más pequeño posible, para facilitar la detección rápida del calor producido por la resistencia. Recomiendo un termómetro médico, del tipo utilizado para tomar la temperatura corporal.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 2: “Ley de Ohm”

Objetivos de aprendizaje

• Uso del voltímetro
• Uso de amperímetro
• Uso del ohmímetro
• Uso de la Ley de Joule
• Importancia de la potencia nominal de los componentes
• Importancia de los puntos eléctricamente comunes

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

Mida la resistencia de cada resistencia con su ohmímetro, anotando los valores exactos en una hoja de papel para referencia posterior.

Conecte la resistencia de 330 Ω a la batería de 6 voltios utilizando un par de cables puente como se muestra en la ilustración. Conecte los cables puente a los terminales de la resistencia antes de conectar los otros extremos a la batería. Esto asegurará que sus dedos no toquen la resistencia cuando se aplique energía de la batería.

Quizás se pregunte por qué aconsejo que no haya contacto corporal con la resistencia alimentada. Esto se debe a que se calentará cuando sea alimentado por la batería. Utilizarás el termómetro para medir la temperatura de cada resistor cuando esté alimentado.

Con la resistencia de 330 Ω conectada a la batería, mida el voltaje con un voltímetro. En la medición de voltaje, hay más de una manera de obtener una lectura adecuada. El voltaje se puede medir directamente a través de la batería o directamente a través de la resistencia. El voltaje de la batería es el mismo que el voltaje de la resistencia en este circuito, ya que esos dos componentes comparten el mismo conjunto de puntos eléctricamente comunes: un lado de la resistencia está conectado directamente a un lado de la batería, y el otro lado de la resistencia está conectado directamente al otro lado de la batería.

Todos los puntos de contacto a lo largo del cable superior en la ilustración (de color rojo) son eléctricamente comunes entre sí. Todos los puntos de contacto a lo largo del cable inferior (de color negro) son igualmente comunes eléctricamente entre sí. El voltaje medido entre cualquier punto en el cable superior y cualquier punto en el cable inferior debe ser el mismo. El voltaje medido entre dos puntos comunes cualquiera, sin embargo, debe ser cero.

Usando un amperímetro, mida la corriente a través del circuito. Nuevamente, no hay una manera “correcta” de medir la corriente, siempre y cuando el amperímetro se coloque dentro de la trayectoria de flujo de electrones a través de la resistencia y no a través de una fuente de voltaje. Para ello, haga una interrupción en el circuito, y coloque el amperímetro dentro de esa ruptura: conecte las dos sondas de prueba a los dos extremos de cable o terminal que quedan abiertos desde la rotura. Una opción viable se muestra en la siguiente ilustración:

Ahora que ha medido y registrado la resistencia de la resistencia, el voltaje del circuito y la corriente del circuito, está listo para calcular la disipación de energía. Mientras que el voltaje es la medida del “empuje” eléctrico que motiva a los electrones a moverse a través de un circuito, y la corriente es la medida del caudal de electrones, la potencia es la medida de la velocidad de trabajo: qué tan rápido se está haciendo el trabajo en el circuito. Se necesita cierta cantidad de trabajo para empujar electrones a través de una resistencia, y el poder es una descripción de cuán rápido se está llevando a cabo ese trabajo. En las ecuaciones matemáticas, el poder se simboliza con la letra “P” y se mide en la unidad del vatio (W).

La potencia puede calcularse mediante una cualquiera de las tres ecuaciones, denominadas colectivamente Ley de Joule, dadas dos de cada tres cantidades de voltaje, corriente y resistencia:

Intente calcular la potencia en este circuito, utilizando los tres valores medidos de voltaje, corriente y resistencia. De cualquier manera que lo calcule, la cifra de disipación de potencia debería ser aproximadamente la misma. Asumiendo una batería con 6.000 voltios y una resistencia de exactamente 330 Ω, la disipación de potencia será de 0.1090909 watts, o 109.0909 mili-watts (mW), para usar un prefijo métrico. Dado que la resistencia tiene una potencia nominal de 1/4 vatio (0.25 vatios, o 250 mW), es más que capaz de mantener este nivel de disipación de potencia. Debido a que el nivel de potencia real es casi la mitad de la potencia nominal, la resistencia debería calentarse notablemente pero no debería sobrecalentarse. Toque el extremo del termómetro a la mitad de la resistencia y vea qué tan caliente se pone.

La clasificación de potencia de cualquier componente eléctrico no nos dice cuánta energía disipará, sino simplemente cuánta energía puede disipar sin sufrir daños. Si la cantidad real de potencia disipada excede la potencia nominal de un componente, ese componente aumentará la temperatura hasta el punto de daño.

Para ilustrar, desconecte la resistencia de 330 Ω y sustitúyala por la resistencia de 10 Ω. Nuevamente, evite tocar la resistencia una vez que el circuito esté completo, ya que se calentará rápidamente. La forma más segura de hacerlo es desconectar un cable puente de un terminal de batería, luego desconectar la resistencia de 330 Ω de los dos clips de cocodrilo, luego conectar la resistencia de 10 Ω entre los dos clips y finalmente volver a conectar el cable puente al terminal de la batería.

Precaución: ¡mantenga la resistencia de 10 Ω lejos de cualquier material inflamable cuando esté alimentada por la batería!

Es posible que no tenga tiempo suficiente para tomar medidas de voltaje y corriente antes de que la resistencia comience a fumar. Ante la primera señal de angustia, desconecte uno de los cables puente de un terminal de batería para interrumpir la corriente del circuito, y darle a la resistencia unos momentos para que se enfríe. Con la alimentación aún desconectada, mida la resistencia de la resistencia con un ohmímetro y anote cualquier desviación sustancial de su valor original. Si la resistencia aún mide dentro de +/- 5% de su valor anunciado (entre 9.5 y 10.5 Ω), vuelva a conectar el cable puente y deje que fume un poco más.

¿Qué tendencia notas con el valor de la resistencia ya que se daña cada vez más al sobrealimentarse? Es típico de las resistencias fallar con una resistencia mayor de lo normal cuando se sobrecalientan. Este suele ser un modo de falla autoprotector, ya que una mayor resistencia da como resultado menos corriente y (generalmente) menos disipación de energía, enfriándola nuevamente. Sin embargo, el valor de resistencia normal de la resistencia no volverá si está suficientemente dañado.

Realizando algunos cálculos de la Ley de Joule para la potencia del resistor nuevamente, encontramos que una resistencia de 10 Ω conectada a una batería de 6 voltios disipa aproximadamente 3.6 vatios de potencia, aproximadamente 14.4 veces su disipación de potencia nominal. ¡No es de extrañar que fume tan rápido después de la conexión a la batería!

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2.8: Circuito con un interruptor

PARTES Y MATERIALES

• Batería de 6 voltios
• Lámpara incandescente de bajo voltaje (Radio Shack catálogo # 272-1130 o equivalente)
• Longitudes de alambre largas, calibre 22 o más grandes
• Interruptor de luz doméstico (estos están fácilmente disponibles en cualquier ferretería)

Los interruptores de luz domésticos son una ganga para estudiantes de electricidad básica. Están fácilmente disponibles, son muy económicos y casi imposibles de dañar con la energía de la batería. No obtenga interruptores “dimmer”, solo la variedad simple de encendido-apagado “toggle” que se usa para los controles de luz domésticos comunes montados en la pared.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 1: “Conceptos Básicos de Electricidad”

Objetivos de aprendizaje

• Comportamiento del conmutador
• Uso de un ohmímetro para verificar la acción del interruptor

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Construya un circuito de una batería, un interruptor y una lámpara como se muestra en el diagrama esquemático y en la ilustración. Este circuito es de lo más impresionante cuando los cables son largos, ya que muestra cómo el interruptor es capaz de controlar la corriente del circuito sin importar cuán físicamente grande pueda ser el circuito.

Mida el voltaje a través de la batería, a través del interruptor (mida de un terminal de tornillo a otro con el voltímetro) y a través de la lámpara con el interruptor en ambas posiciones. Cuando se apaga el interruptor, se dice que está abierto, y la lámpara se apagará igual que si se tirara un cable suelto de un terminal. Como antes, cualquier interrupción en el circuito en cualquier ubicación hace que la lámpara se desenergice (oscurezca) inmediatamente.

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2.9: Experimento de electromagnetismo

PARTES Y MATERIALES

• Batería de 6 voltios
• Brújula magnética
• Pequeño imán permanente
• Carrete de alambre magnético calibre 28
• Perno grande, clavo o varilla de acero
• Cinta aislante

Alambre magnético es un término para alambre de cobre de calibre delgado con aislamiento de esmalte en lugar de aislamiento de caucho o plástico. Su pequeño tamaño y aislamiento muy delgado permiten que muchos “giros” se enrollen en una bobina compacta. Necesitará suficiente alambre magnético para envolver cientos de vueltas alrededor del perno, clavo u otra forma de acero en forma de varilla.

Asegúrese de seleccionar un perno, clavo o varilla que sea magnético. ¡El acero inoxidable, por ejemplo, no es magnético y no funcionará con el propósito de una bobina de electroimán! El material ideal para este experimento es el hierro blando, pero cualquier acero comúnmente disponible será suficiente.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 14: “Magnetismo y Electromagnetismo”

Objetivos de aprendizaje

• Aplicación de la regla de la izquierda
• Construcción de electroimanes

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Envuelva una sola capa de cinta aislante alrededor de la barra de acero (o perno, o correo) para proteger el cable de la abrasión. Proceda a envolver varios cientos de vueltas de alambre alrededor de la barra de acero, haciendo que la bobina sea lo más uniforme posible. Está bien superponerse el alambre, y está bien envolver con el mismo estilo que un carrete de pesca envuelve la línea alrededor del carrete. La única regla que debes seguir es que todos los giros deben envolverse alrededor de la barra en la misma dirección (¡sin invertir de sentido horario a antihorario!). Encuentro que una taladradora funciona como una gran herramienta para enrollar bobinas: sujetar la varilla en el portabrocas del taladro como si fuera una broca, luego enciende el motor del taladro a baja velocidad y ¡deja que haga la envoltura! Esto le permite alimentar alambre sobre la varilla de una manera muy estable y uniforme.

Después de haber envuelto varios cientos de vueltas de cable alrededor de la varilla, envuelva una o dos capas de cinta aislante sobre la bobina del cable para asegurar el cable en su lugar. Raspe el aislamiento de esmalte de los extremos de los cables de la bobina para conectarlos a los cables de puente, luego conecte la bobina a una batería.

Cuando la corriente eléctrica pasa por la bobina, producirá un campo magnético fuerte: un “polo” en cada extremo de la varilla. A este fenómeno se le conoce como electromagnetismo. La brújula magnética se utiliza para identificar los polos “Norte” y “Sur” del electroimán.

Con el electroimán energizado (conectado a la batería), coloque un imán permanente cerca de un polo y observe si hay una fuerza atractiva o repulsiva. Invierta la orientación del imán permanente y anote la diferencia de fuerza.

El electromagnetismo tiene muchas aplicaciones, incluyendo relés, motores eléctricos, solenoides, timbres, mecanismos de impresora de computadora y cabezales de “escritura” de medios magnéticos (grabadoras de cinta, unidades de disco).

Es posible que note una chispa significativa cada vez que la batería se desconecta de la bobina del electroimán: mucho mayor que la chispa producida si la batería simplemente se cortocircuita. Esta chispa es el resultado de una sobretensión de alto voltaje creada cada vez que la corriente se interrumpe repentinamente a través de la bobina. ¡El efecto se conoce como “contragolpe” inductivo y es capaz de entregar una pequeña pero inofensiva descarga eléctrica! Para evitar recibir este choque, ¡no coloques tu cuerpo al otro lado de la rotura en el circuito al desenergizar! Use una mano a la vez cuando desconecte la bobina y estará perfectamente seguro. Este fenómeno se explorará con mayor detalle en el próximo capítulo (Circuitos CC).

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2.10: Experimento de inducción electromagnética

PARTES Y MATERIALES

• Electroimán del experimento anterior
• Imán permanente

Consulte el experimento anterior para obtener instrucciones sobre la construcción de electroimanes.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 14: “Magnetismo y Electromagnetismo”

Objetivos de aprendizaje

• Relación entre la intensidad del campo magnético y la tensión inducida

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

La inducción electromagnética es el fenómeno complementario al electromagnetismo. En lugar de producir un campo magnético a partir de la electricidad, producimos electricidad a partir de un campo magnético. Sin embargo, hay una diferencia importante: mientras que el electromagnetismo produce un campo magnético constante a partir de una corriente eléctrica constante, la inducción electromagnética requiere movimiento entre el imán y la bobina para producir una tensión.

Conecte el multímetro a la bobina y conéctelo al rango de voltaje de CC más sensible disponible. Mueva el imán lentamente hacia y desde un extremo del electroimán, observando la polaridad y magnitud del voltaje inducido. Experimenta con mover el imán y descubre por ti mismo qué factor (es) determina (n) la cantidad de voltaje inducido. Pruebe el otro extremo de la bobina y compare los resultados. Prueba el otro extremo del imán permanente y compara.

Si usa un multímetro analógico, asegúrese de usar cables puente largos y ubicar el medidor lejos de la bobina, ya que el campo magnético del imán permanente puede afectar el funcionamiento del medidor y producir lecturas falsas. Los medidores digitales no se ven afectados por los campos magnéticos.

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3: Circuitos de CC

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3.1: Introducción a los circuitos de CC

“DC” significa D irect C urrent, que puede referirse a voltaje o corriente en una polaridad o dirección constante, respectivamente. Estos experimentos están diseñados para presentarle varios conceptos importantes de electricidad relacionados con los circuitos de CC.

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3.2: Baterías de la Serie

PARTES Y MATERIALES

• Dos baterías de 6 voltios
• Una batería de 9 voltios

En realidad, las baterías de cualquier tamaño bastarán para este experimento, pero se recomienda tener al menos dos voltajes diferentes disponibles para hacerlo más interesante.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 5: “Circuitos en Serie y Paralelos”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 11: “Baterías y Sistemas de Potencia”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo conectar baterías para obtener diferentes niveles de voltaje

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

Conectar componentes en serie significa conectarlos en línea entre sí, de modo que no haya sino una sola ruta para que los electrones fluyan a través de todos ellos. Si conecta baterías para que el positivo de una se conecte al negativo de la otra, encontrará que se suman sus respectivos voltajes. Mida el voltaje a través de cada batería individualmente a medida que están conectadas, luego mida el voltaje total entre ambas, así:

Intente conectar baterías de diferentes tamaños en serie entre sí, por ejemplo una batería de 6 voltios con una batería de 9 voltios. ¿Cuál es el voltaje total en este caso? Intente invertir las conexiones terminales de solo una de estas baterías, para que estén opuestas entre sí de esta manera:

¿Cómo se compara el voltaje total en esta situación con el anterior con ambas baterías “auxiliando”? Tenga en cuenta la polaridad del voltaje total como indica la indicación del voltímetro y la orientación de la sonda de prueba. Recuerde, si la indicación digital del medidor es un número positivo, la sonda roja es positiva (+) y la sonda negra negativa (-); si la indicación es un número negativo, la polaridad es “hacia atrás” (rojo=negativo, negro=positivo). Los medidores analógicos simplemente no se leerán correctamente si están conectados al revés, porque la aguja intenta moverse en la dirección equivocada (izquierda en lugar de derecha). ¿Se puede predecir cuál será la polaridad general del voltaje, conociendo las polaridades de las baterías individuales y sus respectivas resistencias?

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3.3: Baterías Paralelas

PARTES Y MATERIALES

• Cuatro baterías de 6 voltios
• Bombilla de 12 voltios, 25 o 50 vatios
• Toma de lámpara

Las lámparas de 12 voltios de alta potencia se pueden comprar en tiendas de suministros para vehículos recreativos (RV) y embarcaciones. Los tamaños comunes son de 25 vatios y 50 vatios. Esta lámpara se utilizará como una carga “pesada” para sus baterías (carga pesada = una que consume corriente sustancial).

Una toma de lámpara doméstica normal (120 voltios) funcionará bien para estas lámparas “RV” de bajo voltaje.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 5: “Circuitos en Serie y Paralelos”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 11: “Baterías y Sistemas de Potencia”

Objetivos de aprendizaje

• Regulación de fuente de voltaje
• Impulso de la capacidad de corriente mediante conexiones paralelas

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

Comience este experimento conectando una batería de 6 voltios a la lámpara. La lámpara, diseñada para funcionar con 12 voltios, debería brillar tenuemente cuando se alimenta con la batería de 6 voltios. Usa tu voltímetro para leer el voltaje a través de la lámpara de esta manera:

El voltímetro debe registrar un voltaje inferior al voltaje habitual de la batería. Si usa su voltímetro para leer el voltaje directamente en los terminales de la batería, también medirá un voltaje bajo allí. ¿Por qué es esto? La gran corriente consumida por la lámpara de alta potencia hace que el voltaje en los terminales de la batería se “comba” o “baje”, debido a la caída de voltaje en la resistencia interna de la batería.

Podemos superar este problema conectando las baterías en paralelo entre sí, de manera que cada batería solo tiene que suministrar una fracción de la corriente total que demanda la lámpara. Las conexiones paralelas implican hacer que todos los terminales positivos (+) de la batería sean eléctricamente comunes entre sí mediante la conexión a través de cables puente, y todos los terminales negativos (-) también comunes entre sí. Agregue una batería a la vez en paralelo, observando el voltaje de la lámpara con la adición de cada batería nueva conectada en paralelo:

También debe haber una diferencia notable en la intensidad de la luz a medida que se mejora el voltaje “pandeo”.

Intente medir la corriente de una batería y compararla con la corriente total (corriente de la bombilla). Aquí se muestra la forma más fácil de medir la corriente de una sola batería:

Al romper el circuito por una sola batería, e insertar nuestro amperímetro dentro de esa ruptura, interceptamos la corriente de esa batería y por lo tanto somos capaces de medirla. Medir la corriente total implica un procedimiento similar: hacer una ruptura en algún lugar del camino que debe tomar la corriente total, luego insertar el amperímetro dentro de que romper:

Observe la diferencia de corriente entre la batería única y las mediciones totales.

Para obtener el máximo brillo de la bombilla, se requiere una conexión serie-paralelo. Dos baterías de 6 voltios conectadas con ayuda en serie proporcionarán 12 voltios. Conectar dos de estos pares de baterías conectadas en serie en paralelo mejora su capacidad de suministro de corriente para una caída mínima de voltaje:

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3.4: Divisor de voltaje

PARTES Y MATERIALES

• Calculadora (o lápiz y papel para hacer aritmética)
• Batería de 6 voltios
• Surtido de resistencias entre 1 KΩ y 100 kΩ en valor

Estoy restringiendo intencionadamente los valores de resistencia entre 1 kΩ y 100 kΩ para obtener lecturas precisas de voltaje y corriente con su medidor. Con valores de resistencia muy bajos, la resistencia interna del amperímetro tiene un impacto significativo en la precisión de la medición. Valores de resistencia muy altos pueden causar problemas para la medición de voltaje, la resistencia interna del voltímetro cambiando sustancialmente la resistencia del circuito cuando está conectado en paralelo con una resistencia de alto valor.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 6: “Circuitos Divisores y Leyes de Kirchhoff”

Objetivos de aprendizaje

• Uso del voltímetro
• Uso de amperímetro
• Uso del ohmímetro
• Uso de la Ley de Ohm
• Uso de la Ley de Voltaje de Kirchhoff (“KVL”)
• Diseño de divisor de voltaje

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

Aquí se muestran tres métodos diferentes de construcción de circuitos: en una placa de pruebas, en una regleta de terminales y “forma libre”. Intenta construir el mismo circuito en cada sentido para familiarizarte con las diferentes técnicas de construcción y sus respectivos méritos. El método de “forma libre”, donde todos los componentes están conectados entre sí con cables de puente estilo “cocodrilo”, es el menos profesional, pero apropiado para un experimento simple como este. La construcción de la tabla de pruebas es versátil y permite una alta densidad de componentes (muchas partes en un espacio pequeño), pero es bastante temporal. Las regletas terminales ofrecen una forma de construcción mucho más permanente a costa de una baja densidad de componentes.

Seleccione tres resistencias de su surtido de resistencias y mida la resistencia de cada una con un ohmímetro. Tenga en cuenta estos valores de resistencia con lápiz y papel, para referencia en sus cálculos de circuito.

Conecte las tres resistencias en serie y a la batería de 6 voltios, como se muestra en las ilustraciones. Mida el voltaje de la batería con un voltímetro después de que las resistencias hayan sido conectadas a ella, observando también esta cifra de voltaje en papel. Es recomendable medir el voltaje de la batería mientras alimenta el circuito de resistencia porque este voltaje puede diferir ligeramente de una condición sin carga. Vimos este efecto exagerado en el experimento de “batería paralela” mientras alimentaba una lámpara de alta potencia: el voltaje de la batería tiende a “hundirse” o “caerse” bajo carga. Aunque este circuito de tres resistencias no debe presentar una carga lo suficientemente pesada (no se consume suficiente corriente) como para causar un “hundimiento” de voltaje significativo, medir el voltaje de la batería bajo carga es una buena práctica científica porque proporciona datos más realistas.

Use la Ley de Ohm (I=E/R) para calcular la corriente del circuito, luego verifique este valor calculado midiendo la corriente con un amperímetro como este (la versión “regleta de terminales” del circuito se muestra como una elección arbitraria en el método de construcción):

Si sus valores de resistencia están de hecho entre 1 kΩ y 100 kΩ, y el voltaje de la batería es de aproximadamente 6 voltios, la corriente debe ser un valor muy pequeño, en el rango de miliamperios (mA) o microamperios (µA). Cuando mide la corriente con un medidor digital, el medidor puede mostrar el símbolo de prefijo métrico apropiado (m o µ) en alguna esquina de la pantalla. Estos telltales de prefijo métrico son fáciles de pasar por alto al leer la pantalla de un medidor digital, ¡así que presta mucha atención!

El valor medido de la corriente debe estar de acuerdo estrechamente con su cálculo de la Ley de Ohm. Ahora, toma ese valor calculado para la corriente y multiplícalo por las respectivas resistencias de cada resistor para predecir sus caídas de voltaje (E=IR). Cambia tu multímetro al modo “voltaje” y mide el voltaje caído en cada resistencia, verificando la precisión de tus predicciones. Nuevamente, debe haber un acuerdo cercano entre las cifras de voltaje calculadas y medidas.

Cada caída de voltaje de resistencia será alguna fracción o porcentaje del voltaje total, de ahí el nombre divisor de voltaje dado a este circuito. Este valor fraccional está determinado por la resistencia de la resistencia particular y la resistencia total. Si una resistencia cae el 50% del voltaje total de la batería en un circuito divisor de voltaje, esa proporción del 50% seguirá siendo la misma siempre que los valores de la resistencia no se alteren. Entonces, si el voltaje total es de 6 voltios, el voltaje a través de esa resistencia será 50% de 6, o 3 voltios. Si el voltaje total es de 20 voltios, esa resistencia caerá 10 voltios, o 50% de 20 voltios.

La siguiente parte de este experimento es una validación de la Ley de Voltaje de Kirchhoff. Para ello, es necesario identificar cada punto único en el circuito con un número. Los puntos que son eléctricamente comunes (conectados directamente entre sí con una resistencia insignificante entre ellos) deben llevar el mismo número. Aquí se muestra un ejemplo usando los números del 0 al 3, tanto en forma ilustrativa como esquemática. En la ilustración, muestro cómo se pueden etiquetar puntos en el circuito con pequeños trozos de cinta, números escritos en la cinta:

Usar un voltímetro digital (¡esto es importante!) , medir las caídas de voltaje alrededor del bucle formado por los puntos 0-1-2-3-0. Escribir en papel cada uno de estos voltajes, junto con su respectivo signo como lo indica el medidor. Es decir, si el voltímetro registra un voltaje negativo como -1.325 voltios, debe escribir esa cifra como un número negativo. No invierta las conexiones de la sonda del medidor con el circuito para que el número se lea “correctamente”. ¡El signo matemático es muy significativo en esta fase del experimento! Aquí hay una secuencia de ilustraciones que muestran cómo “dar un paso” al bucle del circuito, comenzando y terminando en el punto 0:

El uso del voltímetro para “dar un paso” alrededor del circuito de esta manera produce tres cifras de voltaje positivo y una negativa:

Estas cifras, agregadas algebraicamente (“algebraicamente” = respetando los signos de los números), deben ser iguales a cero. Este es el principio fundamental de la Ley de Voltaje de Kirchhoff: que la suma algebraica de todas las caídas de voltaje en un “bucle” se suma a cero.

Es importante darse cuenta de que el “bucle” que dio un paso no tiene que ser el mismo camino que toma la corriente en el circuito, o incluso un camino de corriente legítimo en absoluto. El bucle en el que contabilizamos las caídas de voltaje puede ser cualquier colección de puntos, siempre y cuando comience y termine con el mismo punto. Por ejemplo, podemos medir y sumar los voltajes en el bucle 1-2-3-1, y ellos también formarán una suma de cero:

Intenta pisar entre cualquier conjunto de puntos, en cualquier orden, alrededor de tu circuito y comprueba por ti mismo que la suma algebraica siempre es igual a cero. Esta Ley es cierta sin importar cuál sea la configuración del circuito: serie, paralelo, serie-paralelo, o incluso una red irreducible.

La Ley de Voltaje de Kirchhoff es un concepto poderoso, que nos permite predecir la magnitud y polaridad de los voltajes en un circuito mediante el desarrollo de ecuaciones matemáticas para el análisis basadas en la verdad de todos los voltajes en un bucle sumando cero. Este experimento pretende dar evidencia empírica y una comprensión profunda de la Ley de Voltaje de Kirchhoff como principio general.

SIMULACIÓN COMPU

Esta simulación por computadora se basa en los números de puntos mostrados en los diagramas anteriores para ilustrar la Ley de Voltaje de Kirchhoff (puntos 0 a 3). _{Los valores de resistencia se eligieron para proporcionar proporciones de 50%, 30% y 20% de voltaje total a través de R1, R2 y R 3, respectivamente.} No dude en modificar el valor de la fuente de voltaje (en la línea “.dc”, que se muestra aquí como 6 voltios) y/o los valores de la resistencia.

Cuando se ejecuta, SPICE imprimirá una línea de texto que contiene cuatro cifras de voltaje, luego otra línea de texto que contiene tres cifras de voltaje, junto con muchas otras líneas de texto que describen el proceso de análisis. Sumar las cifras de voltaje en cada línea para ver que la suma es cero.

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3.5: Divisor de corriente

PARTES Y MATERIALES

• Calculadora (o lápiz y papel para hacer aritmética)
• Batería de 6 voltios
• Surtido de resistencias entre 1 KΩ y 100 kΩ en valor

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 6: “Circuitos Divisores y Leyes de Kirchhoff”

Objetivos de aprendizaje

• Uso del voltímetro
• Uso de amperímetro
• Uso del ohmímetro
• Uso de la Ley de Ohm
• Uso de la Ley Actual de Kirchhoff (KCL)
• Diseño de divisor de corriente

Diagrama esquemático

Ilustracion

Normalmente, se considera inadecuado asegurar más de dos cables bajo un solo tornillo de regleta de terminales. En esta ilustración, muestro tres alambres que se unen en el tornillo superior de la orejeta más a la derecha utilizada en esta tira. Esto se hace por la facilidad de probar un concepto (de suma de corriente en un nodo de circuito), y no representa una técnica de montaje profesional.

El carácter no profesional del método de construcción “de forma libre” no amerita más comentarios.

INSTRUCCIÓN

Una vez más, muestro diferentes métodos para construir el mismo circuito: placa de pruebas, regleta de terminales y “forma libre”. Experimente con todos estos formatos de construcción y familiarízate con sus respectivas ventajas y desventajas.

Seleccione tres resistencias de su surtido de resistencias y mida la resistencia de cada una con un ohmímetro. Tenga en cuenta estos valores de resistencia con lápiz y papel, para referencia en sus cálculos de circuito.

Conecte las tres resistencias en paralelo y entre sí, y con la batería de 6 voltios, como se muestra en las ilustraciones. Mida el voltaje de la batería con un voltímetro después de que las resistencias hayan sido conectadas a ella, observando también esta cifra de voltaje en papel. Es recomendable medir el voltaje de la batería mientras alimenta el circuito de resistencia porque este voltaje puede diferir ligeramente de una condición sin carga.

Mida el voltaje en cada una de las tres resistencias. ¿Qué notas? En un circuito en serie, la corriente es igual a través de todos los componentes en un momento dado. En un circuito paralelo, el voltaje es la variable común entre todos los componentes.

Use la Ley de Ohm (I=E/R) para calcular la corriente a través de cada resistor, luego verifique este valor calculado midiendo la corriente con un amperímetro digital. Coloque la sonda roja del amperímetro en el punto donde los extremos positivos (+) de las resistencias se conectan entre sí y levante un cable de resistencia a la vez, conectando la sonda negra del medidor al cable levantado. De esta manera, mida cada corriente de resistencia, observando tanto la magnitud de la corriente como la polaridad. En estas ilustraciones, muestro un amperímetro utilizado para medir la corriente a través de R ₁:

Mida la corriente para cada una de las tres resistencias, comparando con las cifras de corriente calculadas previamente. Con el amperímetro digital conectado como se muestra, las tres indicaciones deben ser positivas, no negativas.

Ahora, mida la corriente total del circuito, manteniendo la sonda roja del amperímetro en el mismo punto del circuito, pero desconectando el cable que conduce al lado positivo (+) de la batería y tocando la sonda negra hacia ella:

Anote tanto la magnitud como el signo de la corriente como lo indica el amperímetro. Agregue esta figura (algebraicamente) a las tres corrientes de resistencia. ¿Qué nota del resultado que es similar al experimento de Ley de Voltaje de Kirchhoff? La Ley de Corriente de Kirchhoff es que las corrientes “sumen” en un punto (nodo) en un circuito, así como la Ley de Voltaje de Kirchhoff es a voltajes que se suman en un bucle en serie: en ambos casos, la suma algebraica es igual a cero.

Esta Ley también es muy útil en el análisis matemático de los circuitos. Junto con la Ley de Voltaje de Kirchhoff, nos permite generar ecuaciones que describen varias variables en un circuito, que luego pueden resolverse usando una variedad de técnicas matemáticas.

Ahora considere las cuatro mediciones de corriente como todos los números positivos: las tres primeras representan la corriente a través de cada resistencia, y la cuarta representa la corriente total del circuito como una suma positiva de las tres corrientes “ramificadas”. Cada corriente de resistencia (rama) es una fracción, o porcentaje, de la corriente total. Esta es la razón por la cual un circuito de resistencia paralelo a menudo se llama divisor de corriente.

Desconecte la batería del resto del circuito y mida la resistencia a través de las resistencias paralelas. Puede leer la resistencia total en cualquiera de los terminales de las resistencias individuales y obtener la misma indicación: será un valor menor que cualquiera de los valores de resistencia individuales. Esto suele sorprender a los nuevos estudiantes de electricidad, que lees exactamente la misma cifra de resistencia (total) al conectar un ohmímetro a través de cualquiera de un conjunto de resistencias conectadas en paralelo. Sin embargo, tiene sentido si se consideran los puntos en un circuito paralelo en términos de comunalidad eléctrica. Todos los componentes paralelos están conectados entre dos conjuntos de puntos eléctricamente comunes. Dado que el medidor no puede distinguir entre puntos comunes entre sí a modo de conexión directa, leer la resistencia a través de una resistencia es leer la resistencia de todos ellos. Lo mismo ocurre con el voltaje, razón por la cual el voltaje de la batería podría leerse en cualquiera de las resistencias con la misma facilidad que podría leerse directamente en los terminales de la batería.

Si divide el voltaje de la batería (previamente medido) por esta cifra de resistencia total, debe obtener una cifra para la corriente total (I=E/R) que se corresponda estrechamente con la cifra medida.

La relación entre la corriente de la resistencia y la corriente total es la misma que la relación entre la resistencia total y la resistencia individual. Por ejemplo, si una resistencia de 10 kΩ forma parte de un circuito divisor de corriente con una resistencia total de 1 kΩ, esa resistencia conducirá 1/10 de la corriente total, sea cual sea el valor que ese total de corriente pase a ser.

SIMULACIÓN COMPU

Los amperímetros en las simulaciones SPICE son en realidad fuentes de voltaje cero insertadas en los caminos del flujo de electrones. Notará que las fuentes de voltaje V _ir1, V _ir2 y V _ir3 están ajustadas a 0 voltios en la netlist. Cuando los electrones entran en el lado negativo de una de estas baterías “ficticias” y salen del positivo, la indicación de corriente de la batería será un número positivo. En otras palabras, estas fuentes de 0 voltios deben considerarse como amperímetros con la sonda roja en el lado de línea larga del símbolo de la batería y la sonda negra en el lado de línea corta.

_{Cuando se ejecuta, SPICE imprimirá una línea de texto que contiene cuatro cifras actuales, la primera corriente representa el total como una cantidad negativa, y las otras tres representan corrientes para las resistencias R1, R2 y R 3.} Cuando se agregan algebraicamente, la cifra negativa y las tres cifras positivas formarán una suma de cero, como lo describe la Ley Actual de Kirchhoff.

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3.6: Potenciómetro como divisor de voltaje

PARTES Y MATERIALES

• Dos baterías de 6 voltios
• Lápiz de carbono “plomo” para un lápiz de estilo mecánico
• Potenciómetro, giro simple, 5 kΩ a 50 kΩ, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1714 a 271-1716)
• Potenciómetro, multigiro, de 1 kΩ a 20 kΩ, (Radio Shack catálogo # 271-342, 271-343, 900-8583, o 900-8587 a 900-8590)

Los potenciómetros son divisores de voltaje variable con un eje o control deslizante para establecer la relación de división. Se fabrican en versiones de montaje en panel, así como en placa de circuito impreso (placa de circuito impreso). Cualquier estilo de potenciómetro será suficiente para este experimento.

Si rescata un potenciómetro de una radio antigua u otro dispositivo de audio, es probable que obtenga lo que se llama un potenciómetro cónico de audio. Estos potenciómetros presentan una relación logarítmica entre la relación de división y la posición del eje. Por el contrario, un potenciómetro lineal presenta una correlación directa entre la posición del eje y la relación de división de voltaje. Recomiendo encarecidamente un potenciómetro lineal para este experimento, y para la mayoría de los experimentos en general.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 6: “Circuitos Divisores y Leyes de Kirchhoff”

Objetivos de aprendizaje

• Uso del voltímetro
• Uso de Ohmímetro
• Diseño y función del divisor de voltaje
• Cómo se agregan los voltajes en serie

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Comienza este experimento con el circuito de lápiz “plomo”. Los lápices utilizan una varilla hecha de una mezcla de grafito-arcilla, no plomo (el metal), para hacer marcas negras en el papel. El grafito, al ser un conductor eléctrico mediocre, actúa como una resistencia conectada a través de la batería por los dos cables de puente de pinza cocodrilo. Conecte el voltímetro como se muestra y toque la sonda de prueba roja a la varilla de grafito. Mueva la sonda roja a lo largo de la varilla y observe el cambio de indicación del voltímetro. ¿Qué posición de la sonda da la mayor indicación de voltaje?

Esencialmente, la varilla actúa como un par de resistencias, la relación entre las dos resistencias establecida por la posición de la sonda de prueba roja a lo largo de la longitud de la varilla:

Ahora, cambie la conexión del voltímetro al circuito para medir el voltaje a través de la “resistencia superior” del cable del lápiz, así:

Mueva la posición negra de la sonda de prueba a lo largo de la varilla, observando la indicación del voltímetro. ¿Qué posición da la mayor caída de voltaje para que el medidor mida? ¿Esto difiere del arreglo anterior? ¿Por qué?

Los potenciómetros fabricados encierran una tira resistiva dentro de una carcasa de metal o plástico, y proporcionan algún tipo de mecanismo para mover un “limpiaparabrisas” a lo largo de esa tira resistiva. Aquí hay una ilustración de la construcción de un potenciómetro rotativo:

Algunos potenciómetros rotativos tienen una tira resistiva en espiral y un limpiaparabrisas que se mueve axialmente a medida que gira, para requerir múltiples giros del eje para impulsar el limpiaparabrisas de un extremo del rango del potenciómetro al otro. Los potenciómetros de giro múltiple se utilizan en aplicaciones donde el ajuste preciso es importante.

Los potenciómetros lineales también contienen una tira resistiva, siendo la única diferencia la dirección de desplazamiento del limpiaparabrisas. Algunos potenciómetros lineales utilizan un mecanismo deslizante para mover el limpiaparabrisas, mientras que otros un tornillo, para facilitar el funcionamiento de múltiples vueltas:

Cabe señalar que no todos los potenciómetros lineales tienen las mismas asignaciones de pines. En algunos, el pasador del medio es el limpiaparabrisas.

Configure un circuito usando un potenciómetro fabricado, no el “hecho en casa” hecho a partir de una mina de lápiz. Se puede utilizar cualquier forma de construcción que sea conveniente.

Mida el voltaje de la batería mientras alimenta el potenciómetro y anote esta cifra de voltaje en papel. Mida el voltaje entre el limpiaparabrisas y el extremo del potenciómetro conectado al lado negativo (-) de la batería. Ajuste el mecanismo del potenciómetro hasta que el voltímetro registre exactamente 1/3 del voltaje total. Para una batería de 6 voltios, ésta será aproximadamente de 2 voltios.

Ahora, conecte dos baterías en una configuración de ayuda en serie, para proporcionar aproximadamente 12 voltios a través del potenciómetro. Mida el voltaje total de la batería y luego mida el voltaje entre los mismos dos puntos en el potenciómetro (limpiaparabrisas y lado negativo). Divida el voltaje de salida medido del potenciómetro por el voltaje total medido. El cociente debe ser 1/3, la misma relación de división de voltaje que se estableció anteriormente:

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3.7: Potenciómetro como reóstato

Objetivos de aprendizaje

• Uso de reóstatos
• Cableado de un potenciómetro como reóstato
• Control simple de la velocidad del motor
• Uso de voltímetro sobre amperímetro para verificar un circuito continuo

Partes y Materiales

• Batería de 6 voltios
• Potenciómetro, giro simple, 5 kΩ, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1714)
• Pequeño motor “hobby”, tipo imán permanente (catálogo Radio Shack # 273-223 o equivalente)

Para este experimento, necesitará un potenciómetro de valor relativamente bajo, ciertamente no más de 5 kΩ.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 2: “Ley de Ohm”

Diagrama esquemático

Ilustración de cableado para usar un potenciómetro como reóstato

Instrucciones para el cableado del potenciómetro

Los potenciómetros encuentran su aplicación más sofisticada como divisores de voltaje, donde la posición del eje determina una relación de división de voltaje específica. Sin embargo, hay aplicaciones en las que no necesariamente necesitamos un divisor de voltaje variable, sino simplemente una resistencia variable: un dispositivo de dos terminales. Técnicamente, una resistencia variable se conoce como reóstato, pero se pueden hacer potenciómetros para funcionar como reóstatos con bastante facilidad.

En su configuración más simple, un potenciómetro puede ser utilizado como reóstato simplemente usando el terminal del limpiaparabrisas y uno de los otros terminales, quedando el tercer terminal desconectado y sin usar:

Mover el control del potenciómetro en la dirección que acerque el limpiaparabrisas al otro terminal usado da como resultado una menor resistencia. La dirección de movimiento requerida para aumentar o disminuir la resistencia se puede cambiar usando un conjunto diferente de terminales:

Sin embargo, tenga cuidado de no usar los dos terminales exteriores, ya que esto no provocará ningún cambio en la resistencia a medida que se gira el eje del potenciómetro. En otras palabras, ya no funcionará como una resistencia variable:

Construya el circuito como se muestra en el esquema y la ilustración, usando solo dos terminales en el potenciómetro, y vea cómo se puede controlar la velocidad del motor ajustando la posición del eje. Experimente con diferentes conexiones terminales en el potenciómetro, observando los cambios en el control de velocidad del motor. Si su potenciómetro tiene una resistencia alta (medida entre los dos terminales exteriores), es posible que el motor no se mueva en absoluto hasta que el limpiaparabrisas se acerque mucho al terminal externo conectado.

Como puede ver, la velocidad del motor puede hacerse variable utilizando un reóstato conectado en serie para cambiar la resistencia total del circuito y limitar la corriente total. Este sencillo método de control de la velocidad del motor, sin embargo, es ineficiente, ya que resulta en cantidades sustanciales de energía disipadas (desperdiciadas) por el reóstato. Un medio mucho más eficiente de control del motor se basa en la rápida “pulsación” de potencia al motor, utilizando un dispositivo de conmutación de alta velocidad como un transistor. Un método similar de control de potencia se utiliza en los interruptores de “dimmer” de luz doméstica. Desafortunadamente, estas técnicas son demasiado sofisticadas para explorarlas en este punto de los experimentos.

Cuando se usa un potenciómetro como reóstato, el terminal “no utilizado” a menudo se conecta al terminal del limpiaparabrisas, así:

Al principio, esto parece bastante inútil, ya que no tiene impacto en el control de resistencia. Puedes verificar este hecho por ti mismo insertando otro cable en tu circuito y comparando el comportamiento del motor antes y después del cambio:

Si el potenciómetro está en buen estado de funcionamiento, este cable adicional no hace ninguna diferencia. Sin embargo, si alguna vez el limpiaparabrisas pierde contacto con la tira resistiva dentro del potenciómetro, esta conexión asegura que el circuito no se abra completamente: que todavía habrá una trayectoria resistiva para la corriente a través del motor. En algunas aplicaciones, esto puede ser importante. Los potenciómetros antiguos tienden a sufrir pérdidas intermitentes de contacto entre el limpiaparabrisas y la tira resistiva, y si un circuito no puede tolerar la pérdida completa de continuidad (resistencia infinita) creada por esta condición, ese cable “extra” proporciona una medida de protección al mantener la continuidad del circuito.

Puede simular una “falla” de contacto de limpiaparabrisas desconectando el terminal central del potenciómetro de la regleta de terminales, midiendo el voltaje a través del motor para asegurarse de que todavía hay energía llegando a él, por pequeño que sea:

El uso de voltaje del motor es una alternativa más segura a medir la corriente del circuito

Hubiera sido válido medir la corriente del circuito en lugar del voltaje del motor para verificar un circuito terminado, pero este es un método más seguro porque no implica romper el circuito para insertar un amperímetro en serie. Siempre que se usa un amperímetro, existe el riesgo de causar un cortocircuito conectándolo a través de una fuente de voltaje sustancial, posiblemente resultando en daños en el instrumento o lesiones personales. Los voltímetros carecen de este riesgo de seguridad inherente, por lo que siempre que se pueda hacer una medición de voltaje en lugar de una medición de corriente para verificar lo mismo, es la elección más sabia.

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3.8: Potenciómetro de precisión

PARTES Y MATERIALES

• Dos potenciómetros de una sola vuelta, de forma cónica lineal, 5 kΩ cada uno (Radio Shack catálogo # 271-1714)
• Un potenciómetro de cono lineal de una sola vuelta, 50 kΩ (Catálogo Radio Shack # 271-1716)
• Caja de montaje de plástico o metal
• Tres postes de unión tipo jack “banana”, u otro hardware de terminal, para la conexión al circuito del potenciómetro (catálogo Radio Shack # 274-662 o equivalente)

Este es un proyecto útil para quienes quieren un potenciómetro de precisión sin gastar mucho dinero. Normalmente, los potenciómetros de varias vueltas se utilizan para obtener relaciones precisas de división de voltaje, pero existe una alternativa más económica utilizando múltiples potenciómetros de una sola vuelta (a veces llamados “3/4 vueltas”) conectados entre sí en una red divisora compuesta.

Debido a que este es un proyecto útil, recomiendo construirlo en forma permanente utilizando alguna forma de cerramiento del proyecto. Proveedores como Radio Shack ofrecen bonitas cajas de proyecto, pero las cajas compradas en una ferretería general son mucho menos costosas, si un poco feas. Lo último en bajo costo para una caja nueva son las cajas de plástico que se venden como cajas de interruptores de luz y receptáculos para cableado eléctrico doméstico.

Las tomas “Banana” permiten la conexión temporal de cables de prueba y cables de puente equipados con extremos de enchufe “banana” coincidentes. La mayoría de los cables de prueba de multímetro tienen este estilo de enchufe para su inserción en las tomas del medidor. Los tapones tipo banana se llaman así por su aspecto oblongo formado por tiras de acero para resortes, que mantienen un contacto firme con las paredes del gato cuando se insertan. Algunos gatos tipo banana se llaman postes de encuadernación porque también permiten que los cables lisos se unan firmemente. Los postes de encuadernación tienen mangas atornilladas que se ajustan sobre un poste de metal. El manguito se utiliza como una tuerca para asegurar un alambre envuelto alrededor del poste, o insertado a través de un orificio perpendicular perforado a través del poste. Una breve inspección de cualquier poste vinculante aclarará esta descripción verbal.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 6: “Circuitos Divisores y Leyes de Kirchhoff”

Objetivos de aprendizaje

• Práctica de soldadura
• Función y funcionamiento del potenciómetro

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Es esencial que los cables de conexión estén soldados a los terminales del potenciómetro, no retorcidos ni encintados. Dado que la acción del potenciómetro depende de la resistencia, la resistencia de todas las conexiones de cableado debe controlarse cuidadosamente al mínimo. La soldadura asegura una condición de baja resistencia entre los conductores unidos, y también proporciona muy buena resistencia mecánica para las conexiones.

Cuando el circuito esté ensamblado, conecte una batería de 6 voltios a los dos postes de unión externos. Conecte un voltímetro entre el poste del “limpiaparabrisas” y el terminal negativo (-) de la batería. Este voltímetro medirá la “salida” del circuito.

El circuito funciona según el principio de rango comprimido: el rango de salida de voltaje de este circuito disponible ajustando el potenciómetro R ₃ está restringido entre los límites establecidos por los potenciómetros _R1 y _R2. En otras palabras, si _R1 y _R2 se fijaran en la salida de 5 voltios y 3 voltios, respectivamente, de una batería de 6 voltios, el rango de voltajes de salida obtenibles ajustando R ₃ estaría restringido de 3 a 5 voltios para la rotación completa de ese potenciómetro. Si solo se usara un solo potenciómetro en lugar de este circuito de tres potenciómetros, la rotación completa produciría un voltaje de salida de 0 voltios a voltaje completo de la batería. La “compresión de rango” que proporciona este circuito permite un ajuste de voltaje más preciso de lo que normalmente se obtendría usando un solo potenciómetro.

Operar esta red de potenciómetros es más complejo que usar un solo potenciómetro. Para comenzar, gire el potenciómetro R ₃ completamente en el sentido de las agujas del reloj, de modo que su limpiaparabrisas esté en la posición completa “arriba” como se hace referencia al diagrama esquemático (eléctricamente “más cercano” al terminal del limpiaparabrisas R ₁). Ajustar el potenciómetro _R1 hasta que se alcance el límite de voltaje superior, como lo indica el voltímetro.

_{Gire el potenciómetro R 3 completamente en sentido contrario a las agujas del reloj, de modo que su limpiaparabrisas esté en la posición completa “hacia abajo” como se hace referencia al diagrama esquemático (eléctricamente “más cercano” al terminal del limpiaparabrisas R2).} Ajustar el potenciómetro _R2 hasta que se alcance el límite de voltaje inferior, como lo indica el voltímetro.

Cuando se ajusta el potenciómetro R ₁ o R ₂, interfiere con el ajuste previo del otro. _{En otras palabras, si R1 se ajusta inicialmente para proporcionar un límite de voltaje superior de 5.000 voltios de una batería de 6 voltios, y luego R 2 se ajusta para proporcionar alguna tensión límite inferior diferente a la que era antes, R1 ya no se establecerá en 5.000 voltios.}

Para obtener límites precisos de voltaje superior e inferior, gire R ₃ completamente en el sentido de las agujas del reloj para leer y ajustar el voltaje de R ₁, luego gire R ₃ completamente en sentido antihorario para leer y ajustar el voltaje de _R2, repitiéndose según sea necesario.

Técnicamente, este fenómeno de un ajuste que afecta al otro se conoce como interacción, y suele ser indeseable debido al esfuerzo extra requerido para establecer y restablecer los ajustes. La razón por la que _R1 y _R2 se especificaron como 10 veces menos resistencia que R ₃ es para minimizar este efecto. Si los tres potenciómetros fueran de igual valor de resistencia, la interacción entre _R1 y _R2 sería más severa, aunque manejable con paciencia. Tenga en cuenta que no es necesario establecer con precisión los límites de voltaje superior e inferior para que este circuito logre su objetivo de mayor precisión. Siempre y cuando el rango de ajuste de R ₃ esté comprimido a un valor menor que el voltaje completo de la batería, disfrutaremos de una mayor precisión que la que podría proporcionar un solo potenciómetro.

Una vez que se han establecido los límites de voltaje superior e inferior, el potenciómetro _R3 se puede ajustar para producir un voltaje de salida en cualquier lugar entre esos límites.

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3.9: Limitación del rango del reóstato

PARTES Y MATERIALES

• Varias resistencias de 10 kΩ
• Un potenciómetro de 10 kΩ, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 5: “Circuitos en Serie y Paralelos”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 7: “Circuitos Combinados Serie-Paralelo”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 8: “Circuitos de Medición DC”

Objetivos de aprendizaje

• Resistencias serie-paralelo
• Teoría y práctica de la calibración

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Este experimento explora los diferentes rangos de resistencia que se pueden obtener al combinar resistencias de valor fijo con un potenciómetro conectado como reóstato. Para comenzar, conecte un potenciómetro de 10 kΩ como reóstato sin otras resistencias conectadas. Ajustar el potenciómetro a través de su rango completo de recorrido debería resultar en una resistencia que varía suavemente de 0 Ω a 10,000 Ω:

Supongamos que queríamos elevar el extremo inferior de este rango de resistencia para que tuviéramos un rango ajustable de 10 kΩ a 20 kΩ con un barrido completo del ajuste del potenciómetro. Esto podría lograrse fácilmente agregando una resistencia de 10 kΩ en serie con el potenciómetro. Agregue uno al circuito como se muestra y vuelva a medir la resistencia total mientras ajusta el potenciómetro:

Un cambio en el extremo inferior de un rango de ajuste se llama calibración cero, en términos metrológicos. Con la adición de una resistencia serie de 10 kΩ, el “punto cero” se desplazó hacia arriba en 10,000 Ω. Sin embargo, la diferencia entre los extremos altos y bajos de un rango, llamado span del circuito, no ha cambiado: un rango de 10 kΩ a 20 kΩ tiene el mismo lapso de 10,000 Ω que un rango de 0 Ω a 10 kΩ. Si queremos cambiar también el lapso de este circuito de reóstato, debemos cambiar el rango del propio potenciómetro. Podríamos reemplazar el potenciómetro por uno de otro valor, o podríamos simular un potenciómetro de menor valor colocando una resistencia en paralelo con él, disminuyendo su resistencia máxima obtenible. Esto disminuirá el lapso del circuito de 10 kΩ a algo menos.

Agregue una resistencia de 10 kΩ en paralelo con el potenciómetro, para reducir el lapso a la mitad de su valor anterior: de 10 KΩ a 5 kΩ. Ahora el rango de resistencia calibrada de este circuito será de 10 kΩ a 15 kΩ:

No hay nada que podamos hacer para aumentar el lapso de este circuito de reóstato, corto de reemplazar el potenciómetro por otro de mayor resistencia total. Agregar resistencias en paralelo solo puede disminuir el lapso. Sin embargo, no existe tal restricción con la calibración del punto cero de este circuito, ya que comenzó en 0 Ω y puede hacerse tan grande como deseemos sumando resistencia en serie.

Se pueden obtener multitud de rangos de resistencia usando solo resistencias de valor fijo de 10 KΩ, si somos creativos con combinaciones serie-paralelo de ellas. Por ejemplo, podemos crear un rango de 7.5 kΩ a 10 kΩ construyendo el siguiente circuito:

Crear un rango de resistencia personalizado a partir de resistencias de valor fijo y un potenciómetro es una técnica muy útil para producir resistencias precisas requeridas para ciertos circuitos, especialmente circuitos de medidor. En muchos instrumentos eléctricos, especialmente los multímetros, la resistencia es el factor determinante para el rango de medición del instrumento. Si los valores de resistencia interna de un instrumento no son precisos, tampoco lo serán sus indicaciones. Es poco probable encontrar una resistencia de valor fijo de la resistencia adecuada para su colocación en un diseño de circuito de instrumento, por lo que es posible que sea necesario construir “redes” de resistencia personalizadas para proporcionar la resistencia deseada. Tener un potenciómetro como parte de la red de resistencias proporciona un medio de corrección si la resistencia de la red debe “derivar” de su valor original. Diseñar la red para un lapso mínimo asegura que el efecto del potenciómetro sea pequeño, de manera que sea posible un ajuste preciso y de manera que el movimiento accidental de su mecanismo no provoque graves errores de calibración.

Experimente con diferentes “redes” de resistencias y observe los efectos en el rango de resistencia total.

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3.10: Termoelectricidad

PARTES Y MATERIALES

• Longitud del alambre de cobre desnudo (sin aislamiento)
• Longitud del alambre de hierro desnudo (sin aislamiento)
• Vela
• Cubitos de hielo

El alambre de hierro se puede obtener de una ferretería. Si no se pueden encontrar algunos, el alambre de aluminio también funciona.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, capítulo 9: “Señales de Instrumentación Eléctrica”

Objetivos de aprendizaje

• Función y propósito del termopar

Diagrama esquemático

Ilustracion

INDICACIONES

Gire un extremo del alambre de hierro junto con un extremo del cable de cobre. Conecte los extremos libres de estos cables a los terminales respectivos en una regleta de terminales. Ajuste su voltímetro a su rango más sensible y conéctelo a los terminales donde se conectan los cables. El medidor debe indicar voltaje casi cero.

Lo que acabas de construir es un termopar: un dispositivo que genera un pequeño voltaje proporcional a la diferencia de temperatura entre la punta y los puntos de conexión del medidor. Cuando la punta está a una temperatura igual a la regleta de terminales, no se producirá voltaje, y por lo tanto no se verá ninguna indicación en el voltímetro.

Enciende una vela e inserta la punta de alambre retorcido en la llama. Deberías notar una indicación en tu voltímetro. Retire la punta del termopar de la llama y deje enfriar hasta que la indicación del voltímetro sea casi cero nuevamente. Ahora, toca la punta del termopar a un cubito de hielo y anota el voltaje que indica el medidor. ¿Es una magnitud mayor o menor que la indicación obtenida con la llama? ¿Cómo se compara la polaridad de este voltaje con la generada por la llama?

Después de tocar la punta del termopar al cubito de hielo, caliéntelo sosteniéndolo entre los dedos. Puede tomar poco tiempo alcanzar la temperatura corporal, así que tenga paciencia mientras observa la indicación del voltímetro.

Un termopar es una aplicación del efecto Seebeck: la producción de un pequeño voltaje proporcional a un gradiente de temperatura a lo largo de la longitud de un cable. Este voltaje depende de la magnitud de la diferencia de temperatura y del tipo de cable. La medición directa del voltaje Seebeck producido a lo largo de una longitud de cable continuo a partir de un gradiente de temperatura es bastante difícil, por lo que no se intentará en este experimento.

Los termopares, al estar hechos de dos metales diferentes unidos en un extremo, producen un voltaje proporcional a la temperatura de la unión. El gradiente de temperatura a lo largo de ambos cables resultante de una temperatura constante en la unión produce diferentes voltajes de Seebeck a lo largo de las longitudes de esos cables, ya que los cables están hechos de diferentes metales. El voltaje resultante entre los dos extremos libres del cable es la diferencia entre los dos voltajes de Seebeck:

Los termopares son ampliamente utilizados como dispositivos de detección de temperatura porque la relación matemática entre la diferencia de temperatura y el voltaje resultante es repetible y bastante lineal. Al medir el voltaje, es posible inferir la temperatura. Diferentes rangos de medición de temperatura son posibles seleccionando diferentes pares de metales que se unirán entre sí.

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3.11: Haz Tu Propio Multímetro

PARTES Y MATERIALES

• Movimiento de medidor sensible (Catálogo Radio Shack #22-410)
• Interruptor selector, unipolar, multitiro, rotura antes de hacer (Radio Shack catálogo # 275-1386 es una unidad de 2 polos y 6 posiciones que funciona bien)
• Potenciómetros multigiro, montaje en PCB (Radio Shack catálogo # 271-342 y 271-343 son unidades “trimmer” de 15 vueltas, 1 kΩ y 10 kΩ, respectivamente)
• Resistencias surtidas, preferiblemente tipos de película metálica de alta precisión o enrollados de alambre (Radio Shack catálogo # 271-309 es un surtido de resistencias de película metálica, +/- 1% de tolerancia)
• Caja de montaje de plástico o metal
• Tres postes de unión tipo jack “banana”, u otro hardware de terminal, para la conexión al circuito del potenciómetro (catálogo Radio Shack # 274-662 o equivalente)

El componente más importante y costoso de un medidor es el movimiento: el mecanismo real de aguja y escala cuya tarea es traducir una corriente eléctrica en desplazamiento mecánico donde pueda ser interpretada visualmente. El movimiento ideal del medidor es físicamente grande (para facilitar la visualización) y lo más sensible posible (requiere una corriente mínima para producir una desviación a gran escala de la aguja). Los movimientos de medidores de alta calidad son caros, pero Radio Shack tiene algunos de calidad aceptable que tienen un precio razonable. El modelo recomendado en la lista de piezas se vende como voltímetro con un rango de 0-15 voltios, pero en realidad es un miliamperímetro con una resistencia de rango (“multiplicador”) incluida por separado.

Puede ser más económico comprar un medidor analógico económico y desmontarlo solo para el movimiento del medidor. Si bien la idea de destruir un multímetro de trabajo para tener partes para hacer las tuyas propias puede sonar contraproducente, el objetivo aquí es aprender, no la función del medidor.

No puedo especificar valores de resistencia para este experimento, ya que estos dependen del movimiento particular del medidor y los rangos de medición elegidos. Asegúrese de usar resistencias de valor fijo de alta precisión en lugar de resistencias de composición de carbono. Incluso si encuentra resistencias de composición de carbono de los valores correctos, esos valores cambiarán o “derivarán” con el tiempo debido al envejecimiento y las fluctuaciones de temperatura. Por supuesto, si no te importa la estabilidad a largo plazo de este medidor pero lo estás construyendo solo para la experiencia de aprendizaje, la precisión de la resistencia importa poco.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 8: “Circuitos de Medición DC”

Objetivos de aprendizaje

• Diseño y uso del voltímetro
• Diseño y uso del amperímetro
• Limitación del rango de reóstatos
• Teoría y práctica de la calibración
• Práctica de soldadura

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Primero, debes determinar las características del movimiento de tu medidor. Lo más importante es conocer la deflexión a gran escala en miliamperios o microamperios. Para determinar esto, conecte el movimiento del medidor, un potenciómetro, batería y amperímetro digital en serie. Ajuste el potenciómetro hasta que el movimiento del medidor se desvíe exactamente a escala completa. Lea la pantalla del amperímetro para encontrar el valor de corriente a escala completa:

Tenga mucho cuidado de no aplicar demasiada corriente al movimiento del medidor, ya que los movimientos son dispositivos muy sensibles y se dañan fácilmente por sobrecorriente. La mayoría de los movimientos del medidor tienen clasificaciones de corriente de desviación a gran escala de 1 mA o menos, así que elija un valor de potenciómetro lo suficientemente alto como para limitar la corriente de manera adecuada y comience a probar con el potenciómetro girado a la máxima resistencia Cuanto menor sea la clasificación de corriente a escala completa de un movimiento, más sensible es.

Después de determinar la clasificación de corriente a gran escala del movimiento de su medidor, debe medir con precisión su resistencia interna. Para ello, desconecte todos los componentes del circuito de prueba anterior y conecte su ohmímetro digital a través de los terminales de movimiento del medidor. Registrar esta cifra de resistencia junto con la cifra actual a escala completa obtenida en el último procedimiento.

Quizás la parte más desafiante de este proyecto es determinar los valores de resistencia de rango adecuados e implementarlos en forma de redes de reóstatos. Los cálculos se describen en el capítulo 8 del volumen 1 (“Circuitos de medición”), pero aquí se da un ejemplo. Supongamos que el movimiento de su medidor tenía una clasificación a escala completa de 1 mA y una resistencia interna de 400 Ω. Si quisiéramos determinar la resistencia de rango necesaria (“_{multiplicador} R”) para darle a este movimiento un rango de 0 a 15 voltios, tendríamos que dividir 15 voltios (voltaje total aplicado) por 1 mA (corriente a escala completa) para obtener la resistencia total de sonda a sonda del voltímetro (R=E/I). Para este ejemplo, esa resistencia total es de 15 kΩ. De esta cifra de resistencia total, restamos la resistencia interna del movimiento, dejando 14.6 kΩ para el valor de la resistencia de rango. Una simple red de reóstato para producir 14.6 kΩ (ajustable) sería un potenciómetro de 10 kΩ en paralelo con una resistencia fija de 10 kΩ, todo en serie con otro resistor fijo de 10 kΩ:

Una posición del interruptor selector conecta directamente el movimiento del medidor entre el poste de unión común negro y el poste de unión V/ma rojo. En esta posición, el medidor es un amperímetro sensible con un rango igual a la clasificación de corriente a escala completa del movimiento del medidor. La posición lejana en el sentido de las agujas del reloj del interruptor desconecta el terminal positivo (+) del movimiento de cualquiera de los postes de unión rojos y lo corta directamente al terminal negativo (-). Esto protege el medidor de daños eléctricos aislándolo de la sonda de prueba roja, y “amortigua” el mecanismo de la aguja para protegerlo aún más contra golpes mecánicos.

La resistencia de derivación (_derivación R) necesaria para una función de amperímetro de alta corriente debe ser una unidad de baja resistencia con una alta disipación de potencia. Definitivamente no utilizará ninguna resistencia de 1/4 vatio para esto a menos que forme una red de resistencias con varias resistencias más pequeñas en combinación paralela. Si planeas tener un rango de amperímetro superior a 1 amperio, te recomiendo usar una pieza gruesa de alambre o incluso una pieza delgada de chapa como la “resistencia”, adecuadamente archivada o dentada para proporcionar la cantidad justa de resistencia.

Para calibrar una resistencia de derivación casera, necesitará conectar el conjunto de su multímetro a una fuente calibrada de alta corriente, o una fuente de alta corriente en serie con un amperímetro digital como referencia. Use una pequeña lima de metal para afeitarse el grosor del cable de derivación o para entallar la tira de chapa metálica en cantidades pequeñas y cuidadosas. La resistencia de tu derivación aumentará con cada golpe de la lima, haciendo que el movimiento del medidor se desvíe más fuertemente. Recuerda que siempre puedes acercarte al valor exacto en pasos cada vez más lentos (trazos de archivo), ¡pero no puedes ir “hacia atrás” y disminuir la resistencia de derivación!

Construya primero el circuito multímetro en una placa de pruebas mientras determina los valores de resistencia de rango adecuados y realiza todos los ajustes de calibración allí. Para la construcción final, suelde los componentes en una placa de circuito impreso. Radio Shack vende placas de circuito impreso que tienen el mismo diseño que una placa de pruebas, por conveniencia (catálogo # 276-170). Siéntase libre de alterar el diseño de los componentes de lo que se muestra.

Te recomiendo encarecidamente que monte la placa de circuito y todos los componentes en una caja robusta para que el medidor esté terminado de manera duradera. A pesar de las limitaciones de este multímetro (sin función de resistencia, incapacidad para medir la corriente alterna y menor precisión que la mayoría de multímetros analógicos comprados), es un excelente proyecto para ayudar a aprender los principios fundamentales del instrumento y la función del circuito. Un multímetro mucho más preciso y versátil se puede construir usando muchas de las mismas partes si se le agrega un circuito amplificador, ¡así que guarde las partes y piezas para un experimento posterior!

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3.12: Detector de Voltaje Sensible

PARTES Y MATERIALES

• Audífonos de audio de “copa cerrada” de alta calidad
• Toma de auriculares: receptáculo hembra para conector de auriculares (Radio Shack catálogo # 274-312)
• Transformador de potencia reductor pequeño (catálogo Radio Shack # 273-1365 o equivalente, usando la toma de devanado secundario de 6 voltios)
• Dos diodos rectificadores 1N4001 (Radio Shack catálogo # 276-1101)
• Resistencia de 1 kΩ
• Potenciómetro de 100 kΩ (Catálogo Radio Shack # 271-092)
• Dos postes de unión tipo jack “banana”, u otro hardware de terminal, para la conexión al circuito del potenciómetro (catálogo Radio Shack # 274-662 o equivalente)
• Caja de montaje de plástico o metal

En cuanto a los auriculares, cuanto mayor sea la clasificación de “sensibilidad” en decibelios (dB), mejor, pero escuchar es creer: si te tomas en serio la construcción de un detector con máxima sensibilidad para señales eléctricas pequeñas, deberías probar algunos modelos diferentes de auriculares en una tienda de audio de alta calidad y “escuchar” para cuáles producen un sonido audible para el ajuste de volumen más bajo en una radio o reproductor de CD. ¡Cuidado, ya que podrías gastar cientos de dólares en un par de auriculares para obtener la mejor sensibilidad absoluta! Sin embargo, tómate: He usado un viejo par de auriculares de la marca Radio Shack “Realistic” con resultados perfectamente adecuados, así que no necesitas comprar los mejores.

Un transformador es un dispositivo que normalmente se usa con circuitos de corriente alterna (“CA”), que se usa para convertir la alimentación de CA de alto voltaje en alimentación de CA de bajo voltaje, y para muchos otros propósitos. No es importante que entiendas su función pretendida en este experimento, aparte de que hace que los auriculares se vuelvan más sensibles a las señales eléctricas de baja corriente.

Normalmente, el transformador utilizado en este tipo de aplicaciones (coincidencia de impedancia de altavoz de audio) se denomina “transformador de audio”, con sus devanados primario y secundario representados por valores de impedancia (1000 Ω: 8 Ω) en lugar de voltajes. Un transformador de audio funcionará, pero he encontrado que los transformadores de potencia reductores pequeños de relación 120/6 voltios son perfectamente adecuados para la tarea, más baratos (especialmente cuando se toman de una vieja radio despertador de tienda de segunda mano) y mucho más resistente.

La clasificación de tolerancia (precisión) para la resistencia de 1 kΩ es irrelevante. El potenciómetro de 100 kΩ es una opción recomendada para su incorporación a este proyecto, ya que le da al usuario el control sobre la sonoridad de cualquier señal dada. Aunque un potenciómetro de audio cónico sería apropiado para esta aplicación, no es necesario. Un potenciómetro de conicidad lineal funciona bastante bien.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 8: “Circuitos de Medición DC”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 10: “Análisis de Redes DC” (respecto al Teorema de Transferencia Máxima de Potencia)

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 9: “Transformadores”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 12: “Circuitos de Medición AC”

Objetivos de aprendizaje

• Práctica de soldadura
• Detección de señales eléctricas extremadamente pequeñas
• Uso de un potenciómetro como divisor de voltaje/atenuador de señal
• Uso de diodos para “clip” de voltaje en algún nivel máximo

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

Los auriculares, lo más probable es que sean unidades estéreo (altavoces separados izquierdo y derecho) tendrán un enchufe de tres contactos. Te estarás conectando solo con dos de esos tres puntos de contacto. Si solo tienes un juego de auriculares “mono” con un enchufe de dos contactos, solo conéctate a esos dos puntos de contacto. Puede conectar los dos altavoces estéreo en serie o en paralelo. He encontrado que la conexión en serie funciona mejor, es decir, para producir la mayor cantidad de sonido a partir de una pequeña señal:

Suelde bien todas las conexiones de cable. Este sistema detector es extremadamente sensible, y cualquier conexión de cable suelto en el circuito agregará ruido no deseado a los sonidos producidos por la señal de voltaje medida. Los dos diodos (símbolos de componente tipo flecha) conectados en paralelo con el devanado primario del transformador, junto con la resistencia de 1 kΩ conectada en serie, trabajan juntos para evitar que más de aproximadamente 0.7 voltios caigan a través de la bobina primaria del transformador. Esto hace una cosa y una sola cosa: limitar la cantidad de sonido que pueden producir los auriculares. El sistema funcionará sin los diodos y la resistencia en su lugar, pero no habrá límite para el volumen del sonido en el circuito, y el sonido resultante causado por conectar accidentalmente los cables de prueba a través de una fuente de voltaje sustancial (como una batería) puede ser ensordecedor!

Los postes de unión proporcionan puntos de conexión para un par de sondas de prueba con enchufes estilo banana, una vez que los componentes del detector están montados dentro de una caja. Puede usar sondas multímetros comunes o hacer sus propias sondas con pinzas de cocodrilo en los extremos para una conexión segura a un circuito.

Los detectores están diseñados para ser utilizados para equilibrar circuitos de medición de puentes, circuitos de voltímetro potenciométricos (balance nulo) y detectar señales de CA (“corriente alterna”) de amplitud extremadamente baja en el rango de frecuencia de audio. Es una pieza valiosa de equipo de prueba, especialmente para el experimentador de bajo presupuesto sin osciloscopio. También es valioso ya que permite utilizar un sentido corporal diferente en la interpretación del comportamiento de un circuito.

Para la conexión a través de cualquier fuente de voltaje no trivial (1 voltio o mayor), la sensibilidad extremadamente alta del detector debe ser atenuada. Esto se puede lograr conectando un divisor de voltaje a la “parte frontal” del circuito:

Diagrama esquemático

Ilustracion

Ajuste el potenciómetro divisor de voltaje de 100 kΩ a aproximadamente el rango medio cuando detecte inicialmente una señal de voltaje de magnitud desconocida. Si el sonido es demasiado alto, baje el potenciómetro y vuelva a intentarlo. Si es demasiado suave, súbalo e inténtalo de nuevo. El detector produce un sonido de “clic” cada vez que los cables de prueba hacen o rompen el contacto con la fuente de voltaje bajo prueba. Con mis auriculares baratos, he podido detectar corrientes de menos de 1/10 de un microamplificador (

< 0.1 µA).

Una buena demostración de la sensibilidad del detector es tocar ambas pruebas lleva al final de la lengua, con el ajuste de sensibilidad establecido al máximo. El voltaje producido por el contacto de metal a electrolito (llamado voltaje galvánico) es muy pequeño, pero suficiente para producir sonidos suaves de “clic” cada vez que los cables hacen y rompen el contacto con la piel húmeda de la lengua.

Intente desenchufar el enchufe para auriculares del conector (receptáculo) y tocarlo de manera similar hasta el extremo de la lengua. Aún deberías escuchar sonidos suaves de clic, pero serán mucho más pequeños en amplitud. Los altavoces para auriculares son dispositivos de “baja impedancia”: requieren bajo voltaje y corriente “alta” para ofrecer una potencia de sonido sustancial. La impedancia es una medida de oposición a todas y cada una de las formas de corriente eléctrica, incluida la corriente alterna (CA). La resistencia, en comparación, es una medida estricta de oposición a la corriente continua (CC). Al igual que la resistencia, la impedancia se mide en la unidad del Ohm (Ω), pero se simboliza en ecuaciones por la letra mayúscula “Z” en lugar de la letra mayúscula “R”. Usamos el término “impedancia” para describir la oposición de los auriculares a la corriente porque son principalmente señales de CA a las que normalmente están sometidos los auriculares, no CC.

La mayoría de las fuentes de señal pequeñas tienen altas impedancias internas, algunas muy superiores a los 8 Ω nominales de los altavoces de los auriculares. Esta es una forma técnica de decir que son incapaces de suministrar cantidades sustanciales de corriente. Como predice el Teorema de Transferencia de Potencia Máxima, la potencia de sonido máxima será entregada por los altavoces de los auriculares cuando su impedancia esté “emparejada” con la impedancia de la fuente de voltaje. El transformador hace esto. El transformador también ayuda a la detección de pequeñas señales de CC al producir un “retroceso” inductivo cada vez que se rompe el circuito del cable de prueba, “amplificando” la señal almacenando magnéticamente energía eléctrica y liberándola repentinamente a los altavoces de los auriculares.

Recomiendo construir este detector de manera permanente (montar todos los componentes dentro de una caja y proporcionar buenos cables de prueba) para que pueda usarse fácilmente en el futuro. Construido como tal, podría verse así:

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3.13: Voltímetro Potenciométrico

PARTES Y MATERIALES

• Dos baterías de 6 voltios
• Un potenciómetro, giro simple, 10 kΩ, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)
• Dos resistencias de alto valor (al menos 1 MΩ cada una)
• Detector de voltaje sensible (del experimento anterior)
• Voltímetro analógico (del experimento anterior)

El valor del potenciómetro no es crítico: cualquier cosa desde 1 kΩ hasta 100 kΩ es aceptable. Si ha construido el “potenciómetro de precisión” descrito anteriormente en este capítulo, se recomienda que lo utilice en este experimento.

De igual manera, los valores reales de las resistencias no son críticos. En este experimento en particular, cuanto mayor sea el valor, mejores serán los resultados. Tampoco necesitan ser precisamente de igual valor.

Si aún no ha construido el detector de voltaje sensible, ¡se recomienda que construya uno antes de continuar con este experimento! Se trata de un equipo de prueba muy útil, pero simple, del que no deberías estar sin. Puede usar un multímetro digital configurado en el rango de “milivoltios CC” (DC mV) en lugar de un detector de voltaje, pero el detector de voltaje basado en auriculares es más apropiado porque demuestra cómo puede realizar mediciones precisas de voltaje sin usar equipos de medidores costosos o avanzados. Te recomiendo usar tu multímetro casero por el mismo motivo, aunque cualquier voltímetro bastará para este experimento.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 8: “Circuitos de Medición DC”

Objetivos de aprendizaje

• Carga del voltímetro: sus causas y su solución
• Uso de un potenciómetro como fuente de voltaje variable
• Método potenciométrico de medición de voltaje

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Construya el circuito divisor de voltaje de dos resistencias que se muestra a la izquierda del diagrama esquemático y de la ilustración. Si las dos resistencias de alto valor son de igual valor, el voltaje de la batería debe dividirse por la mitad, con aproximadamente 3 voltios caídos en cada resistencia.

Mida el voltaje de la batería directamente con un voltímetro, luego mida la caída de voltaje de cada resistor. ¿Notas algo inusual en las lecturas del voltímetro? Normalmente, las caídas de voltaje en serie se suman para igualar el voltaje total aplicado, pero en este caso, notará una discrepancia grave. ¿Es falsa la Ley de Voltaje de Kirchhoff? ¿Es esto una excepción a una de las leyes más fundamentales de los circuitos eléctricos? ¡No! Lo que está pasando es esto: cuando conectas un voltímetro a través de cualquiera de las resistencias, el propio voltímetro altera el circuito para que el voltaje no sea el mismo que sin medidor conectado.

Me gusta usar la analogía de un manómetro de aire utilizado para verificar la presión de una llanta neumática. Cuando se conecta un medidor a la válvula de llenado de la llanta, libera algo de aire de la llanta. Esto afecta la presión en la llanta, por lo que el manómetro lee una presión ligeramente menor que la que había en la llanta antes de que se conectara el manómetro. En otras palabras, el acto de medir la presión de los neumáticos altera la presión del neumático. Ojalá, sin embargo, haya tan poco aire liberado del neumático durante el acto de medición que la reducción de la presión sea insignificante. Los voltímetros impactan de manera similar el voltaje que miden, al evitar algo de corriente alrededor del componente cuya caída de voltaje se está midiendo. Esto afecta la caída de voltaje, pero el efecto es tan leve que normalmente no lo notas.

En este circuito, sin embargo, el efecto es muy pronunciado. ¿Por qué es esto? Intente reemplazar las dos resistencias de alto valor por dos de valor de 100 kΩ cada una y repita el experimento. Reemplace esas resistencias con dos unidades de 10 KΩ y repita. ¿Qué nota acerca de las lecturas de voltaje con resistencias de menor valor? ¿Qué le dice esto sobre el “impacto” del voltímetro en un circuito en relación con la resistencia de ese circuito? Reemplace las resistencias de bajo valor por las resistencias originales de alto valor (>= 1 MΩ) antes de continuar.

Intente medir el voltaje a través de las dos resistencias de alto valor, una a la vez, con un voltímetro digital en lugar de un voltímetro analógico. ¿Qué notas sobre las lecturas del medidor digital frente a las del medidor analógico? Los voltímetros digitales suelen tener mayor resistencia interna (sonda a sonda), lo que significa que consumen menos corriente que un voltímetro analógico comparable al medir la misma fuente de voltaje. Un voltímetro ideal extraería corriente cero del circuito bajo prueba, y así no sufriría problemas de “impacto” de voltaje.

Si por casualidad tienes dos voltímetros, prueba esto: conecta un voltímetro a través de una resistencia y el otro voltímetro a través de la otra resistencia. Las lecturas de voltaje que obtenga sumarán el voltaje total esta vez, sin importar cuáles sean los valores de resistencia, aunque sean diferentes de las lecturas obtenidas de un solo medidor utilizado dos veces. Desafortunadamente, sin embargo, es poco probable que las lecturas de voltaje obtenidas de esta manera sean iguales a las verdaderas caídas de voltaje sin medidores conectados, por lo que no es una solución práctica al problema.
¿Hay alguna manera de hacer un voltímetro “perfecto”: uno que tenga una resistencia infinita y no extraiga corriente del circuito bajo prueba? Los voltímetros de laboratorio modernos abordan este objetivo mediante el uso de circuitos semiconductores “amplificadores”, pero este método es demasiado avanzado tecnológicamente para que el estudiante o aficionado lo duplique. Una técnica mucho más simple y mucho más antigua se llama el método potenciométrico o de equilibrio nulo. Esto implica usar una fuente de voltaje ajustable para “equilibrar” el voltaje medido. Cuando los dos voltajes son iguales, como lo indica un detector de nulos muy sensible, la fuente de voltaje ajustable se mide con un voltímetro ordinario. Debido a que las dos fuentes de voltaje son iguales entre sí, medir la fuente ajustable es lo mismo que medir a través del circuito de prueba, excepto que no hay error de “impacto” porque la fuente ajustable proporciona cualquier corriente que necesite el voltímetro. En consecuencia, el circuito bajo prueba no se ve afectado, permitiendo la medición de su verdadera caída de voltaje.

Examine el siguiente esquema para ver cómo se implementa el método del voltímetro potenciométrico:

El símbolo de círculo con la palabra “nulo” escrita en su interior representa el detector de nulos. Esto puede ser cualquier movimiento del medidor arbitrariamente sensible o indicador de voltaje. Su único propósito en este circuito es indicar cuando hay voltaje cero: cuando la fuente de voltaje ajustable (potenciómetro) es precisamente igual a la caída de voltaje en el circuito bajo prueba. Cuanto más sensible sea este detector de nulos, más precisamente se puede ajustar la fuente ajustable para igualar el voltaje bajo prueba, y más precisamente ese voltaje de prueba se puede medir.

Construya este circuito como se muestra en la ilustración y pruebe su funcionamiento midiendo la caída de voltaje a través de una de las resistencias de alto valor en el circuito de prueba. Puede ser más fácil usar un multímetro regular como detector de nulos al principio, hasta que se familiarice con el proceso de ajustar el potenciómetro para una indicación “nula”, luego leer el voltímetro conectado a través del potenciómetro.

Si está utilizando el detector de voltaje basado en auriculares como su medidor nulo, deberá hacer y romper intermitentemente el contacto con el circuito bajo prueba y escuchar sonidos de “clic”. Haga esto asegurando firmemente una de las sondas de prueba al circuito de prueba y tocando momentáneamente la otra sonda de prueba al otro punto del circuito de prueba una y otra vez, escuchando sonidos en los auriculares que indican una diferencia de voltaje entre el circuito de prueba y el potenciómetro. Ajusta el potenciómetro hasta que no se puedan escuchar sonidos de clic desde los auriculares. Esto indica una condición “nula” o “balanceada”, y puede leer la indicación del voltímetro para ver cuánto voltaje se cae a través de la resistencia del circuito de prueba. Desafortunadamente, el detector de nulos basado en auriculares no proporciona ninguna indicación de si el voltaje del potenciómetro es mayor o menor que el voltaje del circuito de prueba, por lo que tendrá que escuchar para disminuir la intensidad de “clic” mientras gira el potenciómetro para determinar si necesita ajustar el voltaje más alto o más bajo.

Puede encontrar que un potenciómetro de una sola vuelta (“3/4 vuelta”) es demasiado grueso de un dispositivo de ajuste para “anular” con precisión el circuito de medición. Se puede usar un potenciómetro de giro múltiple en lugar de la unidad de giro único para una mayor precisión de ajuste, o se puede usar el circuito de “potenciómetro de precisión” descrito en un experimento anterior.

Antes de la llegada de la tecnología de voltímetro amplificado, el método potenciométrico era el único método para realizar mediciones de voltaje de alta precisión. Incluso ahora, los laboratorios de estándares eléctricos hacen uso de esta técnica junto con la última tecnología de medidores para minimizar los errores de “impacto” del medidor y maximizar la precisión de medición. Aunque el método potenciométrico requiere más habilidad para usar que simplemente conectar un voltímetro digital moderno a través de un componente, y se considera obsoleto para todas las aplicaciones de medición excepto para las más precisas, sigue siendo un valioso proceso de aprendizaje para el nuevo estudiante de electrónica, y una técnica útil para el aficionado que puede carecer de instrumentación costosa en su laboratorio de origen.

SIMULACIÓN COMPU

Esta simulación SPICE muestra el voltaje real a través de _R2 del circuito de prueba, el voltaje del detector nulo y el voltaje a través de la fuente de voltaje ajustable, ya que esa fuente se ajusta de 0 voltios a 6 voltios en pasos de 0.5 voltios. En la salida de esta simulación, notará que el voltaje a través de _R2 se ve impactado significativamente cuando el circuito de medición está desequilibrado, volviendo a su voltaje verdadero solo cuando hay prácticamente cero voltaje a través del detector nulo. En ese punto, por supuesto, la fuente de voltaje ajustable está en un valor de 3.000 voltios: exactamente igual a la caída de voltaje del circuito de prueba (no afectada).

¿Cuál es la lección que hay que aprender de esta simulación? Que un voltímetro potenciométrico evite impactar el circuito de prueba sólo cuando se encuentra en una condición de perfecto equilibrio (“nulo”) con el circuito de prueba!

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3.14: Medición de resistencia de 4 hilos

PARTES Y MATERIALES

• Batería de 6 voltios
• Electroimán hecho del experimento del capítulo anterior, o un carrete grande de alambre

Sería ideal en este experimento tener dos metros: un voltímetro y un amperímetro. Para los experimentadores con presupuesto, esto puede no ser posible. Cualquiera que sea el amperímetro que se utilice debe ser capaz de medir al menos algunos amperios de corriente. Una batería “linterna” de 6 voltios esencialmente cortocircuitada por un largo trozo de cable puede producir corrientes de esta magnitud, y su amperímetro debe ser capaz de medirlo sin fundir un fusible ni sufrir otros daños. ¡Asegúrate de que el rango de corriente más alto en el medidor sea de al menos 5 amperios!

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 8: “Circuitos de Medición DC”

Objetivos de aprendizaje

• Principio de funcionamiento de la medición de resistencia Kelvin (4 hilos)
• Cómo medir resistencias bajas con equipos de prueba comunes

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Si bien este experimento se realiza mejor con dos metros, y de hecho se muestra como tal en el diagrama esquemático y la ilustración, un multímetro es suficiente.

La mayoría de los ohmímetros operan según el principio de aplicar una pequeña tensión a través de una resistencia desconocida (R _desconocida) e inferir resistencia a partir de la cantidad de corriente consumida por ella. Excepto en casos especiales como el megger, tanto las cantidades de voltaje como de corriente empleadas por el medidor son bastante pequeñas.

Esto presenta un problema para la medición de resistencias bajas, ya que una muestra de baja resistencia puede tener un valor de resistencia mucho menor que la propia circuitería del medidor. Imagínese intentar medir el diámetro de un hilo de algodón con una vara de medir, o medir el peso de una moneda con una báscula construida para pesar camiones de carga, y apreciará el problema que nos ocupa.

Una de las muchas fuentes de error en la medición de pequeñas resistencias con un ohmímetro ordinario es la resistencia de los propios cables de prueba del ohmímetro. Al ser parte del circuito de medición, los cables de prueba pueden contener más resistencia que la resistencia de la muestra de prueba, incurriendo en un error de medición significativo por su presencia:

Una solución se llama el método de medición de resistencia Kelvin, o de 4 hilos. Implica el uso de un amperímetro y voltímetro, determinando la resistencia de la muestra mediante el cálculo de la Ley de Ohm. Se pasa una corriente a través de la resistencia desconocida y se mide. El voltaje caído a través de la resistencia es medido por el voltímetro, y la resistencia se calcula usando la Ley de Ohm (R=E/I). Las resistencias muy pequeñas se pueden medir fácilmente mediante el uso de corriente grande, proporcionando una caída de voltaje más fácil de medir a partir de la cual inferir resistencia que si se usara una corriente pequeña.

Debido a que solo el voltaje caído por la resistencia desconocida se tiene en cuenta en el cálculo, no el voltaje caído a través de los cables de prueba del amperímetro o cualquier otro cable de conexión que lleve la corriente principal, los errores causados por estas resistencias parásitas se eliminan por completo.

Primero, seleccione una muestra de baja resistencia adecuada para usar en este experimento. Sugiero la bobina de electroimán especificada en el último capítulo o una bobina de alambre donde se pueda acceder a ambos extremos. Conecte una batería de 6 voltios a esta muestra, con un amperímetro conectado en serie. ADVERTENCIA: el amperímetro utilizado debe ser capaz de medir al menos 5 amperios de corriente para que no se dañe por la (posiblemente) alta corriente generada en esta condición de casi cortocircuito. Si tienes un segundo medidor, utilízalo para medir el voltaje a través de los puntos de conexión de la muestra, como se muestra en la ilustración, y registra las indicaciones de ambos metros.

Si solo tienes un metro, utilízalo para medir la corriente primero, registrando su indicación lo más rápido posible, luego abriendo (rompiendo) inmediatamente el circuito. Cambie el medidor a su modo de voltaje, conéctelo a través de los puntos de conexión de la muestra y vuelva a conectar la batería, observando rápidamente la indicación de voltaje. No desea dejar la batería conectada al espécimen por más tiempo del necesario para obtener las mediciones del medidor, ya que comenzará a descargarse rápidamente debido a la alta corriente del circuito, comprometiendo así la precisión de la medición cuando el medidor se reconfigura y el circuito se cierra una vez más para el siguiente medición. Cuando se utilizan dos medidores, esto no es un problema tan significativo, ya que las indicaciones de corriente y voltaje pueden registrarse simultáneamente.

Toma la medición de voltaje y divídala por la medición de corriente. El cociente será igual a la resistencia del espécimen en ohmios.

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3.15: Una Computadora Muy Simple

PARTES Y MATERIALES

• Tres baterías, cada una con un voltaje diferente
• Tres resistencias de igual valor, entre 10 kΩ y 47 kΩ cada una

Al seleccionar resistencias, mida cada una con un ohmímetro y elija tres que sean los más cercanos en valor entre sí. ¡La precisión es muy importante para este experimento!

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 10: “Análisis de Redes DC”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo puede funcionar una red de resistencias como un promedio de señal de voltaje
• Aplicación del Teorema de Millman

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Este circuito engañosamente crudo realiza la función de promediar matemáticamente tres señales de voltaje juntas y así cumple un papel computacional especializado. En otras palabras, se trata de una computadora que sólo puede hacer una operación matemática: promediar tres cantidades juntas.

Construya este circuito como se muestra y mida todos los voltajes de la batería con un voltímetro. Escribe estas cifras de voltaje en papel y promediarlas juntas (E ₁ + E ₂ + E ₃, dividido por tres). Cuando mida el voltaje de cada batería, mantenga la sonda de prueba negra conectada al punto de “tierra” (el lado de la batería unido directamente a las otras baterías mediante cables puente) y toque la sonda roja al otro terminal de la batería. ¡La polaridad es importante aquí! Notarás una batería en el diagrama esquemático conectada “hacia atrás” a las otras dos, lado negativo “arriba”. El voltaje de esta batería debe leerse como una cantidad negativa cuando se mide mediante un medidor digital correctamente conectado, las otras baterías miden positivo.

Cuando el voltímetro está conectado al circuito en el punto que se muestra en el esquema y las ilustraciones, debe registrar el promedio algebraico de los voltajes de las tres baterías. Si los valores de resistencia se eligen para que coincidan entre sí muy estrechamente, el voltaje de “salida” de este circuito también debe coincidir muy estrechamente con el promedio calculado.

Si se desconecta una batería, el voltaje de salida será igual al voltaje promedio de las baterías restantes. Si los cables puente que anteriormente conectaban la batería extraída al circuito promedio están conectados entre sí, el circuito promediará los dos voltajes restantes junto con 0 voltios, produciendo una señal de salida más pequeña:

La pura simplicidad de este circuito disude a la mayoría de la gente de llamarlo “computadora”, pero innegablemente realiza la función matemática de promediar. ¡No solo realiza esta función, sino que la realiza mucho más rápido de lo que puede hacer cualquier computadora digital moderna! Las computadoras digitales, como las computadoras personales (PC) y las calculadoras de pulsadores, realizan operaciones matemáticas en una serie de pasos discretos. Las computadoras analógicas realizan cálculos de manera continua, explotando las leyes de Ohm y Kirchhoff con un propósito aritmético, la “respuesta” calculada tan rápido como el voltaje se propaga a través del circuito (¡idealmente, a la velocidad de la luz!).

Con la adición de circuitos llamados amplificadores, las señales de voltaje en redes informáticas analógicas pueden potenciarse y reutilizarse en otras redes para realizar una amplia variedad de funciones matemáticas. Tales computadoras analógicas sobresalen al realizar las operaciones de cálculo de diferenciación e integración numéricas, y como tales pueden usarse para simular el comportamiento de sistemas mecánicos, eléctricos e incluso químicos complejos. En un momento, las computadoras analógicas fueron la herramienta definitiva para la investigación de ingeniería, pero desde entonces han sido suplantadas en gran medida por la tecnología informática digital. Las computadoras digitales disfrutan de la ventaja de realizar operaciones matemáticas con una precisión mucho mejor que las computadoras analógicas, aunque a velocidades teóricas mucho más lentas.

SIMULACIÓN COMPU

Con este netlist SPICE, podemos obligar a una computadora digital a simular una computadora analógica, que promedia tres números juntos. Obviamente, no estamos haciendo esto para la tarea práctica de promediar números, ¡sino para aprender más sobre circuitos y más sobre simulación por computadora de circuitos!

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3.16: Batería de Papa

PARTES Y MATERIALES

• Una papa grande
• Un limón (opcional)
• Tira de zinc, o metal galvanizado
• Pieza de alambre grueso de cobre

El experimento básico se basa en el uso de una papa, ¡pero muchas frutas y verduras funcionan como baterías potenciales!

Para el electrodo de zinc, un clavo galvanizado grande funciona bien. Los clavos con una textura gruesa y rugosa de zinc son preferibles a los clavos galvanizados que son lisos.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 11: “Baterías y Sistemas de Potencia”

Objetivos de aprendizaje

• La importancia de la actividad química en el funcionamiento de la batería
• Cómo afecta la superficie del electrodo al funcionamiento de la batería

Ilustracion

Instrucciones

Empuje tanto la uña como el alambre profundamente en la papa. Mida la salida de voltaje por la batería de papa con un voltímetro. Ahora bien, ¿no fue fácil?

Sin embargo, en serio, experimente con diferentes metales, profundidades de electrodos y espaciamientos de electrodos para obtener el mayor voltaje posible de la papa. Pruebe otras verduras o frutas y compare la salida de voltaje con los mismos metales de electrodo.

Puede ser difícil alimentar una carga con una sola batería de “papa”, así que no esperes encender una lámpara incandescente o alimentar un motor de hobby o hacer algo así. Incluso si la salida de voltaje es adecuada, una batería de papa tiene una resistencia interna bastante alta lo que hace que su voltaje se “comba” mal incluso bajo una carga ligera. Sin embargo, con múltiples baterías de papa conectadas en serie, paralelo o serie-paralelo, es posible obtener suficiente capacidad de voltaje y corriente para alimentar una carga pequeña.

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3.17: Carga y Descarga de Capacitores

En este experimento, intentaremos conocer los siguientes conceptos:

• Acción de carga del condensador
• Acción de descarga de capacitores
• Cálculo constante de tiempo
• Capacitancia en serie y paralelo

Capacitores de carga y descarga de piezas y materiales del experimento

Para realizar este experimento, necesitarás lo siguiente:

• Batería de 6 voltios
• Dos capacitores electrolíticos grandes, 1000 µF como mínimo (catálogo de Radio Shack # 272-1019, 272-1032 o equivalente)
• Dos resistencias de 1 kΩ
• Un interruptor de palanca, SPST (“Monopolo, Single-Throw”)

Se requieren condensadores de gran valor para este experimento para producir constantes de tiempo lo suficientemente lentas como para rastrear con un voltímetro y un cronómetro. Tenga en cuenta que la mayoría de los condensadores grandes son del tipo “electrolítico”, ¡y son sensibles a la polaridad! Un terminal de cada condensador debe estar marcado con un signo de polaridad definida. Por lo general, los condensadores del tamaño especificado tienen una marca negativa (-) o una serie de marcas negativas apuntando hacia el terminal negativo. Los capacitores muy grandes suelen ser etiquetados por polaridad mediante una marca positiva (+) junto a un terminal.

Si no se presta atención a la polaridad adecuada, casi seguramente resultará en una falla del condensador, incluso con un voltaje de fuente tan bajo como 6 voltios. Cuando los condensadores electrolíticos fallan, normalmente explotan, arrojando productos químicos cáusticos y emitiendo malos olores. ¡Por favor, trate de evitar esto!

Recomiendo un interruptor de luz doméstico para el “interruptor de palanca SPST” especificado en la lista de piezas.

Lectura adicional

• Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 13: “Capacitores”
• Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, capítulo 16: “Constantes de Tiempo RC y L/R”

Diagrama esquemático del circuito de carga y descarga

Ilustración del experimento

Instrucciones del experimento

Medición del voltaje de su circuito

Construya el circuito de “carga” y mida el voltaje a través del condensador cuando el interruptor esté cerrado. Observe cómo aumenta lentamente con el tiempo, en lugar de repentinamente como sería el caso con una resistencia. Puede “restablecer” el condensador a un voltaje de cero cortando a través de sus terminales con un trozo de cable.

La “constante de tiempo” (τ) de un circuito resistor-condensador se calcula tomando la resistencia del circuito y multiplicándola por la capacitancia del circuito. Para una resistencia de 1 kΩ y un condensador de 1000 µF, la constante de tiempo debe ser de 1 segundo. Esta es la cantidad de tiempo que tarda el voltaje del condensador en aumentar aproximadamente 63.2% desde su valor actual hasta su valor final: el voltaje de la batería.

Es educativo trazar el voltaje de un condensador de carga a lo largo del tiempo en una hoja de papel cuadriculado, para ver cómo se desarrolla la curva exponencial inversa. Para trazar la acción de este circuito, sin embargo, debemos encontrar una manera de ralentizarlo. ¡Una constante de tiempo de un segundo no proporciona mucho tiempo para tomar lecturas de voltímetro!

Cambio de la Constante de Tiempo de un Circuito

Podemos aumentar la constante de tiempo de este circuito de dos maneras diferentes:

• Cambiar la resistencia total del circuito, y/o
• Cambio de la capacitancia total del circuito.

Dado un par de resistencias idénticas y un par de condensadores idénticos, experimente con varias combinaciones en serie y paralelo para obtener la acción de carga más lenta. Ya deberías saber a estas alturas cómo se necesitan conectar múltiples resistencias para formar una mayor resistencia total, pero ¿qué pasa con los capacitores?

Este circuito le demostrará cómo cambia la capacitancia con las conexiones de condensadores en serie y en paralelo. Solo asegúrate de insertar el condensador (es) en la dirección correcta: ¡con los extremos etiquetados como negativo (-) eléctricamente “más cercanos” al terminal negativo de la batería!

El circuito de descarga proporciona el mismo tipo de cambio de voltaje del condensador, excepto que esta vez el voltaje salta a voltaje completo de la batería cuando el interruptor se cierra y cae lentamente cuando se abre el interruptor.

Experimente una vez más con diferentes combinaciones de resistencias y capacitores, asegurándose como siempre de que la polaridad del condensador sea correcta.

Simulación por Computadora

Esquema con números de nodo SPICE:

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3.18: Indicador de tasa de cambio

PARTES Y MATERIALES

• Dos baterías de 6 voltios
• Capacitor, 0.1 µF (Catálogo Radio Shack # 272-135)
• Resistencia de 1 MΩ
• Potenciómetro, giro simple, 5 kΩ, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1714)

El valor del potenciómetro no es especialmente crítico, aunque las unidades de menor resistencia funcionarán, en teoría, mejor para este experimento que las unidades de alta resistencia. He usado un potenciómetro de 10 kΩ para este circuito con excelentes resultados.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 13: “Capacitores”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo construir un circuito diferenciador
• Obtener una comprensión empírica de la función de cálculo derivado

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Mida el voltaje entre el terminal del limpiaparabrisas del potenciómetro y el punto de “tierra” que se muestra en el diagrama esquemático (el terminal negativo de la batería inferior de 6 voltios). Este es el voltaje de entrada para el circuito, y se puede ver cómo varía suavemente entre cero y 12 voltios ya que el control del potenciómetro se gira de rango completo. Dado que el potenciómetro se usa aquí como divisor de voltaje, este comportamiento no debería sorprenderte.

Ahora, mida el voltaje a través de la resistencia de 1 MΩ mientras mueve el control del potenciómetro. Un voltímetro digital es muy recomendable, y aconsejo configurarlo a un rango muy sensible (milivoltios) para obtener las indicaciones más fuertes. ¿Qué indica el voltímetro mientras no se mueve el potenciómetro? Gire el potenciómetro lentamente en sentido horario y anote la indicación del voltímetro. Gire el potenciómetro lentamente en sentido antihorario y anote la indicación del voltímetro. ¿Qué diferencia ve entre las dos direcciones diferentes del movimiento de control del potenciómetro?

Intente mover el potenciómetro de tal manera que el voltímetro dé una indicación estable y pequeña. ¿Qué tipo de movimiento del potenciómetro proporciona el voltaje más estable a través de la resistencia de 1 MΩ?

En el cálculo, una función que representa la tasa de cambio de una variable en comparación con otra se llama la derivada. Este circuito simple ilustra el concepto de la derivada produciendo un voltaje de salida proporcional a la tasa de cambio del voltaje de entrada a lo largo del tiempo. Debido a que este circuito realiza la función de cálculo de diferenciación con respecto al tiempo (emitiendo la derivada de tiempo de una señal entrante), se denomina circuito diferenciador.

Al igual que el circuito promedio mostrado anteriormente en este capítulo, el circuito diferenciador es una especie de computadora analógica. La diferenciación es una función matemática mucho más compleja que la promediación, especialmente cuando se implementa en una computadora digital, por lo que este circuito es una excelente demostración de la elegancia de los circuitos analógicos en la realización de cálculos matemáticos.

Se pueden construir circuitos diferenciadores más precisos combinando redes de resistencia-condensador con circuitos amplificadores electrónicos. Para más detalles sobre los circuitos computacionales, vaya al capítulo “Circuitos integrados analógicos” en este volumen Experimentos.

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4: Circuitos de CA

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4.1: Introducción a los circuitos de CA

“AC” significa A lternating C urrent, que puede referirse a voltaje o corriente que alterna en polaridad o dirección, respectivamente. Estos experimentos están diseñados para presentarle varios conceptos importantes específicos de AC.

Una fuente conveniente de voltaje de CA es la energía de toma de pared doméstica, que presenta un riesgo significativo de choque. Para minimizar este peligro aprovechando la conveniencia de esta fuente de CA, una pequeña fuente de alimentación será el primer proyecto, consistente en un transformador que escalona el voltaje peligroso (110 a 120 voltios CA, RMS) hasta 12 voltios o menos. El título de “fuente de alimentación” es algo engañoso. Este dispositivo no actúa realmente como una fuente o fuente de alimentación, sino más bien como un convertidor de energía, para reducir el voltaje peligroso de la energía de toma de pared a un nivel mucho más seguro.

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4.2: Transformador—Fuente de alimentación

PARTES Y MATERIALES

• Transformador de potencia, reductor de 120VCA a 12VCA, con el devanado secundario de toma central (catálogo de Radio Shack # 273-1365, 273-1352 o 273-1511).
• Regleta de bornes con al menos tres terminales.
• Enchufe y cable de alimentación de pared para el hogar.
• Interruptor de cable de línea.
• Caja (opcional).
• Fusible y portafusibles (opcional).

Los transformadores de potencia se pueden obtener de radios antiguas, que generalmente se pueden obtener de una tienda de segunda mano por unos pocos dólares (¡o menos!). El radio también proporcionaría el cable de alimentación y el enchufe necesarios para este proyecto. Los interruptores de cable de línea se pueden obtener de una ferretería. Sin embargo, si quieres estar absolutamente seguro de qué tipo de transformador estás obteniendo, deberías comprar uno en una tienda de suministros electrónicos.

Si decide equipar su fuente de alimentación con un fusible, asegúrese de obtener un fusible de acción lenta o de soplado lento. Los transformadores pueden extraer altas corrientes de “sobretensión” cuando se conectan inicialmente a una fuente de CA, y estas corrientes transitorias soplarán un fusible de acción rápida. Determine la clasificación de corriente adecuada del fusible dividiendo la clasificación “VA” del transformador por 120 voltios: en otras palabras, calcule la corriente del devanado primario permitida completa y dimensione el fusible en consecuencia.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 1: “Teoría Básica AC”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 9: “Transformadores”

Objetivos de aprendizaje

• Comportamiento reductor de voltaje del transformador.
• Propósito de los devanados roscados.
• Técnicas de cableado seguro para cables de alimentación.

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

¡Advertencia! Este proyecto implica el uso de voltajes peligrosos. Debe asegurarse de que todos los conductores de alto voltaje (alimentación doméstica de 120 voltios) estén aislados de forma segura del contacto accidental. No se deben ver cables desnudos en ninguna parte del lado “primario” del circuito del transformador. Asegúrese de soldar todas las conexiones de cable para que estén seguras y use cinta aislante real (¡no cinta adhesiva, cinta adhesiva, cinta de embalaje o cualquier otro tipo!) para aislar sus conexiones soldadas.

Si desea encerrar el transformador dentro de una caja, puede usar una caja de “conexiones” eléctrica, obtenida de una ferretería o casa de suministro eléctrico. Si el gabinete utilizado es de metal en lugar de plástico, se debe usar un enchufe de tres clavijas, con la clavija de “tierra” (la más larga del enchufe) conectada directamente a la caja de metal para una máxima seguridad.

Antes de enchufar el enchufe a un enchufe de pared, realice una verificación de seguridad con un ohmímetro. Con el interruptor de línea en la posición “on”, mida la resistencia entre cualquiera de las clavijas del enchufe y la caja del transformador. Debe haber una resistencia infinita (máxima). Si el medidor registra continuidad (algún valor de resistencia menor al infinito), entonces tienes un “cortocircuito” entre uno de los conductores de alimentación y la caja, ¡lo cual es peligroso!

A continuación, verifique la continuidad de los devanados del transformador. Con el interruptor de línea en la posición “on”, debe haber una pequeña cantidad de resistencia entre las dos clavijas del enchufe. Cuando el interruptor está “apagado”, la indicación de resistencia debe aumentar a infinito (circuito abierto, sin continuidad). Mida la resistencia entre pares de cables en el lado secundario. Estos devanados secundarios deben registrar una resistencia mucho menor que el primario. ¿Por qué es esto?

Enchufe el cable a un enchufe de pared y encienda el interruptor. Debe poder medir el voltaje de CA en el lado secundario del transformador, entre pares de terminales. Entre dos de estos terminales, debe medir alrededor de 12 voltios. Entre cualquiera de estos dos terminales y el tercer terminal, debes medir la mitad de eso. Este tercer cable es el cable de “derivación central” del devanado secundario.

Sería recomendable mantener este proyecto ensamblado para su uso en la potenciación de otros experimentos mostrados en este libro. A partir de aquí, designaré esta “fuente de alimentación de CA de bajo voltaje” usando esta ilustración:

SIMULACIÓN COMPU

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4.3: Construir un Transformador

PARTES Y MATERIALES

• Barra plana de acero, 4 piezas
• Varios tornillos, tuercas, arandelas
• Alambre “magnético” calibre 28
• Fuente de alimentación de CA de bajo voltaje

El “cable magnético” es un alambre de calibre pequeño aislado con una fina capa de esmalte. Está destinado a ser utilizado para hacer electroimanes, ya que muchas “vueltas” de alambre pueden envolverse en una bobina de diámetro relativamente pequeño. Cualquier calibre de alambre funcionará, pero se recomienda calibre 28 para hacer una bobina con tantas vueltas como sea posible en un diámetro pequeño.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 9: “Transformadores”

Objetivos de aprendizaje

• Efectos del electromagnetismo.
• Efectos de la inducción electromagnética.
• Efectos del acoplamiento magnético sobre la regulación de voltaje.
• Efectos de una relación de giro de bobinado en “paso”.

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Envuelva dos barras de acero de igual longitud con una fina capa de cinta aislante eléctrica. Envuelva varios cientos de vueltas de alambre magnético alrededor de estas dos barras. Puedes hacer estos devanados con un número igual o desigual de vueltas, dependiendo de si quieres o no que el transformador pueda “subir o bajar” la tensión. Recomiendo giros iguales, para empezar, luego experimentar después con bobinas de conteo de giros desiguales.

Une esas barras juntas en un rectángulo con otras dos barras de acero más cortas. Use pernos para asegurar las barras juntas (se recomienda que taladre los orificios de los pernos a través de las barras antes de envolver el cable alrededor de ellas).

Verifique si hay devanados en cortocircuito (lectura de ohmímetro entre los extremos del cable y la barra de acero) después de terminar de envolver los devanados. No debe haber continuidad (resistencia infinita) entre el devanado y la barra de acero. Verifique la continuidad entre los extremos del devanado para asegurarse de que el cable no esté roto y abierto en algún lugar dentro de la bobina. Si alguna de las mediciones de resistencia indica un problema, se debe volver a hacer el devanado.

Encienda su transformador con la salida de bajo voltaje de la “fuente de alimentación” descrita al inicio de este capítulo. ¡No encienda su transformador directamente desde el voltaje de toma de pared (120 voltios), ya que sus devanados caseros realmente no están clasificados para ningún voltaje significativo!

Mida el voltaje de salida (devanado secundario) de su transformador con un voltímetro de CA. Conecta una carga de algún tipo (¡las bombillas son buenas!) al devanado secundario y vuelva a medir el voltaje. Tenga en cuenta el grado de voltaje “hundido” en el devanado secundario a medida que aumenta la corriente de carga.

Afloje o retire los pernos de conexión de una de las piezas cortas de la barra, aumentando así la reluctancia (análoga a la resistencia) del “circuito” magnético que acopla los dos devanados juntos. Tenga en cuenta el efecto sobre el voltaje de salida y el voltaje “hundido” bajo carga.

Si ha hecho su transformador con devanados de giro inigualable. pruébelo en modo elevador versus reductor, alimentando diferentes cargas de CA.

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4.4: Inductor variable

PARTES Y MATERIALES

• Tubo de papel, de un rollo de papel inodoro
• Barra de hierro o acero, lo suficientemente grande como para casi llenar el diámetro del tubo de papel
• Alambre “magnético” calibre 28
• Fuente de alimentación de CA de bajo voltaje
• Lámpara incandescente, clasificada para voltaje de fuente de alimentación

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 14: “Magnetismo y Electromagnetismo”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, capítulo 15: “Inductores”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, Capítulo 3: “Reactancia e Impedanza—Inductiva”

Objetivos de aprendizaje

• Efectos de la permeabilidad magnética sobre la inductancia.
• Cómo la reactancia inductiva puede controlar la corriente en un circuito de CA.

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

Envuelva cientos de vueltas de alambre magnético alrededor del tubo de papel. Conecte este inductor casero en serie con una fuente de alimentación de CA y una lámpara para formar un circuito. Cuando el tubo está vacío, la lámpara debe brillar intensamente. Cuando la barra de acero se inserta en el tubo, la lámpara se apaga debido al aumento de la inductancia (L) y, en consecuencia, al aumento de la reactancia inductiva (X _L).

Intente usar barras de diferentes materiales, como cobre y acero inoxidable, si están disponibles. No todos los metales tienen el mismo efecto, debido a diferencias en la permeabilidad magnética.

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4.5: Detector de Audio Sensible

PARTES Y MATERIALES

• Audífonos de audio de “copa cerrada” de alta calidad
• Toma de auriculares: receptáculo hembra para conector de auriculares (Radio Shack catálogo # 274-312)
• Transformador de potencia reductor pequeño (catálogo Radio Shack # 273-1365 o equivalente, usando la toma de devanado secundario de 6 voltios)
• Dos diodos rectificadores 1N4001 (Radio Shack catálogo # 276-1101)
• Resistencia de 1 kΩ
• Potenciómetro de 100 kΩ (Catálogo Radio Shack # 271-092)
• Dos postes de unión tipo jack “banana”, u otro hardware de terminal, para la conexión al circuito del potenciómetro (catálogo Radio Shack # 274-662 o equivalente)
• Caja de montaje de plástico o metal

En cuanto a los auriculares, cuanto mayor sea la clasificación de “sensibilidad” en decibelios (dB), mejor, pero escuchar es creer: si te tomas en serio la construcción de un detector con máxima sensibilidad para señales eléctricas pequeñas, deberías probar algunos modelos diferentes de auriculares en una tienda de audio de alta calidad y “escuchar” para cuáles producen un sonido audible para el ajuste de volumen más bajo en una radio o reproductor de CD. ¡Cuidado, ya que podrías gastar cientos de dólares en un par de auriculares para obtener la mejor sensibilidad absoluta! Sin embargo, tómate: He usado un viejo par de auriculares de la marca Radio Shack “Realistic” con resultados perfectamente adecuados, así que no necesitas comprar los mejores.

Normalmente, el transformador utilizado en este tipo de aplicaciones (coincidencia de impedancia de altavoz de audio) se denomina “transformador de audio”, con sus devanados primario y secundario representados por valores de impedancia (1000 Ω: 8 Ω) en lugar de voltajes. Un transformador de audio funcionará, pero he encontrado que los transformadores de potencia reductores pequeños de relación 120/6 voltios son perfectamente adecuados para la tarea, más baratos (especialmente cuando se toman de una vieja radio despertador de tienda de segunda mano), y mucho más rugged.Ω: 8 Ω) en lugar de voltajes. Un transformador de audio funcionará, pero he encontrado que los transformadores de potencia reductores pequeños de relación 120/6 voltios son perfectamente adecuados para la tarea, más baratos (especialmente cuando se toman de una vieja radio despertador de tienda de segunda mano) y mucho más resistente.

La clasificación de tolerancia (precisión) para la resistencia de 1 kΩ es irrelevante. El potenciómetro de 100 kΩ es una opción recomendada para su incorporación a este proyecto, ya que le da al usuario el control sobre la sonoridad de cualquier señal dada. Aunque un potenciómetro de audio cónico sería apropiado para esta aplicación, no es necesario. Un potenciómetro de conicidad lineal funciona bastante bien.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 8: “Circuitos de Medición DC”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 9: “Transformadores”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 12: “Circuitos de Medición AC”

Objetivos de aprendizaje

• Práctica de soldadura
• Uso de un transformador para la adaptación de impedancia
• Detección de señales eléctricas extremadamente pequeñas
• Uso de diodos para “clip” de voltaje en algún nivel máximo

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Este experimento es idéntico en construcción al “Detector de Voltaje Sensible” descrito en el capítulo de experimentos de CC. Si ya has construido este detector, puedes saltarte este experimento.

Los auriculares, lo más probable es que sean unidades estéreo (altavoces separados izquierdo y derecho) tendrán un enchufe de tres contactos. Te estarás conectando solo con dos de esos tres puntos de contacto. Si solo tienes un juego de auriculares “mono” con un enchufe de dos contactos, solo conéctate a esos dos puntos de contacto. Puede conectar los dos altavoces estéreo en serie o en paralelo. He encontrado que la conexión en serie funciona mejor, es decir, para producir la mayor cantidad de sonido a partir de una pequeña señal:

Suelde bien todas las conexiones de cable. Este sistema detector es extremadamente sensible, y cualquier conexión de cable suelto en el circuito agregará ruido no deseado a los sonidos producidos por la señal de voltaje medida. Los dos diodos conectados en paralelo con el devanado primario del transformador, junto con la resistencia de 1 kΩ conectada en serie, trabajan juntos para “acortar” el voltaje de entrada a un máximo de aproximadamente 0.7 voltios. Esto hace una cosa y una sola cosa: limitar la cantidad de sonido que pueden producir los auriculares. El sistema funcionará sin los diodos y la resistencia en su lugar, pero no habrá límite para el volumen del sonido en el circuito, y el sonido resultante causado por conectar accidentalmente los cables de prueba a través de una fuente de voltaje sustancial (como una batería) puede ser ensordecedor!

Los postes de unión proporcionan puntos de conexión para un par de sondas de prueba con enchufes estilo banana, una vez que los componentes del detector están montados dentro de una caja. Puede usar sondas multímetros comunes o hacer sus propias sondas con clips de cocodrilo en los extremos para una conexión segura a un circuito.

Los detectores están diseñados para ser utilizados para equilibrar circuitos de medición de puentes, circuitos de voltímetro potenciométricos (balance nulo) y detectar señales de CA (“corriente alterna”) de amplitud extremadamente baja en el rango de frecuencia de audio. Es una pieza valiosa de equipo de prueba, especialmente para el experimentador de bajo presupuesto sin osciloscopio. También es valioso ya que permite utilizar un sentido corporal diferente en la interpretación del comportamiento de un circuito.

Para la conexión a través de cualquier fuente de voltaje no trivial (1 voltio o mayor), la sensibilidad extremadamente alta del detector debe ser atenuada. Esto se puede lograr conectando un divisor de voltaje a la “parte frontal” del circuito:

Diagrama esquemático

Ilustracion

Ajuste el potenciómetro divisor de voltaje de 100 kΩ a aproximadamente el rango medio cuando detecte inicialmente una señal de voltaje de magnitud desconocida. Si el sonido es demasiado alto, baje el potenciómetro e inténtelo de nuevo. Si es demasiado suave, súbalo e inténtalo de nuevo. Este detector incluso detecta señales de CC y radiofrecuencia (frecuencias por debajo y por encima del rango de audio, respectivamente), se escucha un “clic” cada vez que los cables de prueba hacen o rompen el contacto con la fuente bajo prueba. Con mis auriculares baratos, he podido detectar corrientes de menos de 1/10 de un microamplificador (

< 0.1 µA) CC y señales de RF de baja magnitud de manera similar hasta 2 MHz.

Una buena demostración de la sensibilidad del detector es tocar ambas pruebas lleva al final de la lengua, con el ajuste de sensibilidad establecido al máximo. El voltaje producido por el contacto de metal a electrolito (llamado

voltaje galvánico) es muy pequeño, pero lo suficiente para producir sonidos suaves de “clic” cada vez que los cables hacen y rompen el contacto con la piel húmeda de la lengua.

Intente desenchufar el enchufe para auriculares del conector (receptáculo) y tocarlo de manera similar hasta el extremo de la lengua. Aún deberías escuchar sonidos de clic suaves, pero serán mucho más pequeños en amplitud. Los altavoces para auriculares son dispositivos de “baja impedancia”: requieren bajo voltaje y corriente “alta” para ofrecer una potencia de sonido sustancial. La impedancia es una medida de oposición a todas y cada una de las formas de corriente eléctrica, incluida la corriente alterna (CA). La resistencia, en comparación, es una medida estricta de oposición a la corriente continua (CC). Al igual que la resistencia, la impedancia se mide en la unidad del Ohm (Ω), pero se simboliza en ecuaciones por la letra mayúscula “Z” en lugar de la letra mayúscula “R”. Usamos el término “impedancia” para describir la oposición de los auriculares a la corriente porque son principalmente señales de CA a las que normalmente están sometidos los auriculares, no CC.

La mayoría de las fuentes de señal pequeñas tienen altas impedancias internas, algunas muy superiores a los 8 Ω nominales de los altavoces de los auriculares. Esta es una forma técnica de decir que son incapaces de suministrar cantidades sustanciales de corriente. Como predice el Teorema de Transferencia de Potencia Máxima, la potencia de sonido máxima será entregada por los altavoces de los auriculares cuando su impedancia esté “emparejada” con la impedancia de la fuente de voltaje. El transformador hace esto. El transformador también ayuda a la detección de pequeñas señales de CC al producir un “retroceso” inductivo cada vez que se rompe el circuito del cable de prueba, “amplificando” la señal almacenando magnéticamente energía eléctrica y liberándola repentinamente a los altavoces de los auriculares.

Al igual que con el experimento de fuente de alimentación de CA de bajo voltaje, recomiendo construir este detector de manera permanente (montar todos los componentes dentro de una caja y proporcionar buenos cables de prueba) para que pueda usarse fácilmente en el futuro. Construido como tal, podría verse algo como esto:

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4.6: Detección de campos magnéticos de CA

PARTES Y MATERIALES

• Detector de audio con auriculares
• Bobina de electroimán de relé o solenoide

Lo que se necesita para una bobina de electroimán es una bobina con muchas vueltas de alambre, para producir la mayor tensión posible a partir de la inducción con campos magnéticos sueltos? La bobina tomada de un relé o solenoide viejo funciona bien para este propósito.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 7: “Señales de CA de Frecuencia Mixta”

Objetivos de aprendizaje

• Efectos de la inducción electromagnética.
• Técnicas de blindaje electromagnético.

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Usando el circuito detector de audio explicado anteriormente para detectar voltaje de CA en las frecuencias de audio, una bobina de cable puede servir como sensor de campos magnéticos de CA. Los voltajes producidos por la bobina serán bastante pequeños, por lo que es recomendable ajustar el control de sensibilidad del detector a “máximo”.

Hay muchas fuentes de campos magnéticos de CA que se encuentran en el hogar promedio. Intente, por ejemplo, sujetar la bobina cerca de una pantalla de televisión o caja de disyuntores. La orientación de la bobina es tan importante como su proximidad a la fuente, ¡como pronto descubrirás por tu cuenta! Si quieres escuchar tonos más interesantes, intenta mantener la bobina cerca de la placa base de una computadora operativa (¡ten cuidado de no “cortocircuitar” ninguna conexión en la placa de circuito de la computadora con cualquier parte metálica expuesta en la bobina de detección!) , o a su disco duro mientras se lleva a cabo una operación de lectura/escritura.

Una fuente muy fuerte de campos magnéticos de CA es el proyecto de transformador hecho en casa descrito anteriormente. Intente experimentar con varios grados de “acoplamiento” entre las bobinas (las barras de acero firmemente unidas entre sí, versus abrochadas sueltas, versus desmontadas). Otra fuente es el inductor variable y el circuito de lámpara descritos en otra sección de este capítulo.

Tenga en cuenta que el contacto físico con una fuente de campo magnético es innecesario: los campos magnéticos se extienden por el espacio con bastante facilidad. También es posible que desee intentar “blindar” la bobina de una fuente fuerte utilizando varios materiales. Prueba papel de aluminio, papel, chapa de acero, plástico o cualquier otro material que se te ocurra. ¿Qué materiales funcionan mejor? ¿Por qué? ¿Qué ángulos (orientaciones) de la posición de la bobina minimizan el acoplamiento magnético (dan como resultado un mínimo de señal detectada)? ¿Qué nos dice esto con respecto al posicionamiento del inductor si la interferencia entre circuitos de otros inductores es algo malo?

Si campos magnéticos extraviados como estos representan o no algún peligro para la salud del cuerpo humano es un tema acaloradamente debatido. Una cosa está clara: ¡en la sociedad moderna actual, los campos magnéticos de bajo nivel de todas las frecuencias son fáciles de encontrar!

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4.7: Detección de campos eléctricos de CA

PARTES Y MATERIALES

• Detector de audio con auriculares

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 7: “Señales de CA de Frecuencia Mixta”

Objetivos de aprendizaje

• Efectos del acoplamiento electrostático (capacitivo).
• Técnicas de blindaje electrostático.

Diagrama esquemático

Ilustracion

INDICACIONES

“Poner a tierra” un cable del detector a un objeto metálico en contacto con la tierra (suciedad). La mayoría de cualquier tubería de agua o grifo en una casa será suficiente. Toma el otro cable y manténtelo cerca de un aparato eléctrico o accesorio de lámpara. ¡No intentes hacer contacto con el aparato ni con ningún conductor dentro! Cualquier campo eléctrico de CA producido por el aparato se escuchará en los auriculares como un tono de zumbido.

Intente sostener el cable en diferentes posiciones junto a una buena y fuerte fuente de campos eléctricos. Intente usar un trozo de papel de aluminio enganchado al extremo del cable para maximizar la capacitancia (y por lo tanto su capacidad para interceptar un campo eléctrico). Intente usar diferentes tipos de material para “blindar” el cable de una fuente de campo eléctrico. ¿Qué material (es) funcionan mejor? ¿Cómo se compara esto con el experimento de campo magnético de CA?

Al igual que con los campos magnéticos, existe controversia sobre si campos eléctricos extraviados como estos representan o no algún peligro para la salud del cuerpo humano.

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4.8: Alternador Automotriz

Piezas y materiales del proyecto

• Alternador automotriz (se requiere uno, pero se recomiendan dos)

Se pueden obtener alternadores viejos por precios bajos en patios de destrozos de automóviles. Muchas yardas tienen alternadores ya retirados del automóvil, para su comodidad. No recomiendo pagar el precio completo por un alternador nuevo, ya que las unidades usadas cuestan mucho menos dinero y funcionan igual de bien para los fines de este experimento.

Recomiendo encarecidamente usar una marca Delco-Remy del alternador. Este es el tipo utilizado en los vehículos de General Motors (GMC, Chevrolet, Cadillac, Buick, Oldsmobile). Un modelo en particular ha sido producido por Delco-Remy desde principios de la década de 1960 con poco cambio de diseño. Es una unidad muy común para ubicar en un patio de naufragios, y muy fácil de trabajar.

Si obtiene dos alternadores, puede usar uno como generador y el otro como motor. Los pasos necesarios para preparar un alternador como generador trifásico y como motor trifásico son los mismos.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 14: “Magnetismo y Electromagnetismo”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 10: “Circuitos CA Polifásicos”

Objetivos de aprendizaje

• Efectos del electromagnetismo
• Efectos de la inducción electromagnética
• Construcción de máquinas electromagnéticas reales
• Construcción y aplicación de devanados trifásicos

Diagrama esquemático del alternador automotriz

Un alternador automotriz es un generador trifásico con un circuito rectificador incorporado que consta de seis diodos. Como la polea (la mayoría de la gente la llama “polea”) es girada por una correa conectada al cigüeñal del motor del automóvil, un imán se hace girar más allá de un conjunto estacionario de devanados trifásicos (llamados estator), generalmente conectados en una configuración Y. El imán giratorio es en realidad un electroimán, no un imán permanente. Los alternadores están diseñados de esta manera para que se pueda controlar la intensidad del campo magnético, con el fin de que el voltaje de salida pueda controlarse independientemente de la velocidad del rotor. Esta bobina magnética del rotor (llamada bobina de campo, o simplemente campo) es energizada por la energía de la batería de manera que toma una pequeña cantidad de entrada de energía eléctrica al alternador para que genere mucha potencia de salida.

La energía eléctrica se conduce a la bobina de campo giratoria a través de un par de “anillos deslizantes” de cobre montados concéntricamente en el eje, contactados por “escobillas” de carbón estacionarias. Los cepillos se mantienen en firme contacto con los anillos deslizantes por la presión del resorte.

Muchos alternadores modernos están equipados con circuitos “reguladores” incorporados que encienden y apagan automáticamente la energía de la batería a la bobina del rotor para regular el voltaje de salida. Este circuito, si está presente en el alternador que elija para el experimento, es innecesario y solo impedirá su estudio si se deja en su lugar. Siéntase libre de “quitarlo quirúrgicamente”, solo asegúrese de dejar el acceso a los terminales del cepillo para que pueda alimentar la bobina de campo con el alternador completamente ensamblado.

Ilustración de Alternador Automotriz

Instrucciones del experimento

Primero, consulta un manual de reparación automotriz sobre los detalles específicos de tu alternador. La documentación proporcionada en el libro que estás leyendo ahora es lo más general posible para dar cabida a diferentes marcas de alternadores. Es posible que necesite información más específica, y un manual de servicio es el mejor lugar para obtenerla.

Para este experimento, conectarás cables a las bobinas dentro del alternador y extendiéndolas fuera de la caja del alternador, para facilitar la conexión a equipos y circuitos de prueba. Desafortunadamente, los terminales de conexión proporcionados por el fabricante no se ajustan a nuestras necesidades aquí, por lo que necesita hacer sus propias conexiones.

Desmonte la unidad y localice los terminales para conectarlos a las dos escobillas de carbón. Suelde un par de cables a estos terminales (de al menos calibre 20) y extienda estos cables a través de los orificios de ventilación en la caja del alternador, asegurándose de que no se enganchen en el rotor giratorio cuando el alternador se vuelva a ensamblar y usar.

Localice las conexiones de línea trifásica que provienen de los devanados del estator y conecte los cables a ellos también, extendiendo estos cables fuera de la caja del alternador a través de algunos orificios de ventilación. Use el cable de calibre más grande con el que sea conveniente trabajar para estos cables, ya que pueden estar transportando corriente sustancial. Al igual que con los cables de campo, enrutarlos de tal manera que el rotor girará libremente con el alternador reensamblado. Los terminales de línea de bobinado del estator son fáciles de ubicar: los tres de ellos se conectan a tres terminales en el conjunto de diodos, generalmente con terminales de “orejeta de anillo” soldados a los extremos de los cables.

Le recomiendo que suelde terminales de orejeta de anillo a sus cables y los conecte debajo de las tuercas de los terminales junto con los extremos del cable del estator para que cada terminal de bloque de diodos asegure dos orejetas de anillo.

Vuelva a montar el alternador, teniendo cuidado de asegurar las escobillas de carbón en una posición retraída para que el rotor no las dañe al reinsertarlas. En los alternadores Delco-Remy, se proporciona un pequeño orificio en la mitad de la caja posterior, y también en la parte frontal del conjunto del portaescobillas, a través del cual se puede insertar un clip o un cable de calibre delgado para sujetar los cepillos contra su presión de resorte. Consulte el manual de servicio para obtener más detalles sobre el conjunto del alternador.

Cuando el alternador haya sido ensamblado, intente girar el eje y escuche cualquier sonido indicativo de partes colisionadas o cables enganchados. Si hay algún problema así, desarmelo de nuevo y corrija lo que sea que esté mal.

Si y cuando gira libremente como debería, conecte los dos cables de “campo” a una batería de 6 voltios. Conecte un voltímetro a cualquiera de las dos conexiones de línea trifásica:

Con el multímetro ajustado a la función “DC volts”, gire lentamente el eje del alternador. La lectura del voltímetro debe alternar entre positivo y negativo a medida que el eje giró: una demostración de voltaje alterno muy lento (voltaje CA) que se está generando. Si esta prueba es exitosa, cambie el multímetro a la configuración de “voltios de CA” e inténtelo de nuevo. Intente hacer girar el eje lento y rápido, comparando las lecturas del voltímetro entre las dos condiciones.

Cortocircuito cualquiera de los dos cables de línea trifásica e intente girar el alternador. Lo que debes notar es que el eje del alternador se vuelve más difícil de girar. La carga eléctrica pesada que ha creado a través del cortocircuito provoca una carga mecánica pesada en el alternador, ya que la energía mecánica se convierte en energía eléctrica.

Ahora, intente conectar 12 voltios CC a los cables de campo. Repita el voltímetro de CC, el voltímetro de CA y las pruebas de cortocircuito descritas anteriormente. ¿Qué diferencia (es) nota (es)?

Encuentre algún tipo de cargas de 6 o 12 voltios insensibles a la polaridad, como pequeñas lámparas incandescentes, y conéctelas a los cables de línea trifásica. Envuelva una cuerda delgada o una cuerda pesada alrededor de la ranura de la polea (“polea”) y haga girar el alternador rápidamente, y las cargas deberían funcionar.

Si tiene un segundo alternador, modifíquelo a medida que modificó el primero, conectando cinco de sus propios cables a los cepillos de campo y a los terminales de línea del estator, respectivamente. Luego puede usarlo como un motor trifásico, alimentado por el primer alternador.

Conecte cada uno de los cables de línea trifásicos del primer alternador a los cables respectivos del segundo alternador. Conecte los cables de campo de un alternador a una batería de 6 voltios. Este alternador será el generador. Envuelva la cuerda alrededor de la roldana en preparación para girarla. Toma los dos cables de campo del segundo alternador y corta juntos. Este alternador será el motor:

Haga girar el eje del generador mientras observa la rotación del eje del motor. Intente invertir cualquiera de las dos conexiones de línea trifásica entre las dos unidades y haga girar nuevamente el generador. ¿Qué es diferente esta vez?

Conecte los cables de campo de la unidad motora a la batería de 6 voltios (puede conectar en paralelo este campo con el campo de la unidad generadora, a través de los mismos terminales de la batería, si la batería es lo suficientemente fuerte como para entregar los varios amperios de corriente que ambas bobinas se juntarán). Esto magnetizará el rotor del motor. Intente hacer girar el generador nuevamente y anote cualquier diferencia en el funcionamiento.

En la primera configuración del motor, donde los cables de campo eran simples cortocircuitados, el motor funcionaba como un motor de inducción. En la segunda configuración, donde el rotor del motor estaba magnetizado, funcionaba como un motor síncrono.

Lleve su alternador modificado al siguiente nivel

Si se siente particularmente ambicioso y es experto en técnicas de fabricación de metales, puede hacer su propia plataforma de generador de alta potencia conectando el alternador modificado a una bicicleta. He construido un arreglo que se ve así:

La rueda trasera acciona la roldana del generador con una correa en V larga. Este cinturón también soporta la parte trasera de la bicicleta, manteniendo una tensión constante cuando un ciclista está pedaleando la bicicleta. El generador cuelga de una estructura de soporte de acero (utilicé tubos cuadrados soldados de 2 pulgadas, pero un marco podría estar hecho de madera). Esta máquina no solo es práctica, sino que es lo suficientemente confiable como para ser utilizada como máquina de ejercicios, y es económica de hacer:

Se puede ver un banco de tres bombillas “RV” de 12 voltios detrás de la unidad de bicicleta (en la esquina inferior izquierda de la fotografía), las cuales utilizo para una carga al andar en bicicleta como máquina de ejercicios. Un conjunto de tres interruptores está montado en la parte delantera de la bicicleta, donde puedo encender y apagar las cargas mientras conduzco.

Al rectificar la potencia de CA trifásica producida, es posible que el alternador alimente su propia bobina de campo con voltaje de CC, eliminando la necesidad de una batería. Sin embargo, alguna fuente independiente de voltaje de CC seguirá siendo necesaria para el arranque, ya que la bobina de campo debe ser energizada antes de que se pueda producir cualquier alimentación de CA.

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4.9: Motor de Inducción

PARTES Y MATERIALES

• Fuente de alimentación de CA: 120VAC
• Capacitor, 3.3 µF (o 2.2 µF) 120VCA o 350VDC, no polarizado
• Lámpara incandescente de 15 a 25 vatios o resistencias de 820Ω de 25 vatios
• Alambre magnético #32 AWG
• tabla de madera aprox. 5 in. cuadrado.
• Cable de línea de CA con enchufe
• Tubo de cartón de 1.75 pulgadas de diámetro (rollo de papel higiénico)
• zócalo de la lámpara

• Fuente de alimentación de CA: 220VAC
• Capacitor, 1.5 µF, 240 VCA o 680 VCC, no polarizado
• Lámpara incandescente de 25 a 40 vatios o resistencias de 820Ω de 25 vatios
• Alambre magnético #32 AWG
• tabla de madera aprox. 15 cm. cuadrada.
• Cable de línea de CA con enchufe
• 4.5 a 5 cm. de diá. tubos de cartón.
• zócalo de la lámpara

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 13: “Motores AC”, “Motores de inducción monofásicos”, “Motor de condensador dividido permanente”.

Objetivos de aprendizaje

• Para construir un motor de inducción de fase dividida con condensador permanente de CA.
• Para ilustrar la simplicidad del motor de inducción de CA.

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Hay dos listas de piezas para elegir dependiendo de la disponibilidad de 120VAC o 220VAC. Elige el indicado para tu ubicación. Este conjunto de instrucciones es para la versión 120VAC.

Esta es una versión simplificada de un “motor de inducción de fase dividida de condensador permanente”. Al simplificar, nos referimos a que las bobinas solo requieren unos cientos de vueltas de alambre en lugar de unos pocos miles. Esto es más fácil de enrollar. Sin embargo, el modelo más grande de pocos miles de vueltas es impresionante. Hay dos bobinas de estator como se muestra en la ilustración anterior. Aproximadamente 440 vueltas de alambre magnético esmaltado #32 AWG (calibre de alambre americano) se enrollan sobre una longitud de una pulgada de longitud de una sección ligeramente más larga de un tubo de papel higiénico de 1,75 pulgadas de diámetro. Para evitar contar las vueltas, enrolle de cerca cuatro capas de alambre magnético sobre una pulgada de ancho del tubo. Véase el inciso b) anterior. Deje algunas pulgadas de cable magnético para los cables. Pega con cinta el cable inicial cerca del extremo del tubo para que los devanados cubran y anclen la cinta. No corte el ancho final del tubo de cartón hasta que termine el devanado. Cerrar viento una sola capa. Cinta adhesiva o cemento la primera capa para evitar que se desenrolle antes de proceder a la segunda capa. Aunque es posible enrollar capas adicionales directamente sobre las capas existentes, considere aplicar cinta o papel entre las capas como se muestra en el esquema (b). Después de enrollar cuatro capas, pegue los devanados en su lugar.

Si cerrar enrollar cuatro capas de alambre magnético es demasiado difícil, revolver viento 440 vueltas del alambre magnético sobre el extremo del tubo de cartón. Sin embargo, la bobina de estilo de enrollamiento cerrado se monta más fácilmente en la placa base. Mantenga los devanados dentro de una pulgada de largo.

Corta el devanado terminado desde el extremo del tubo de cartón con una navaja de afeitar permitiendo que la forma se extienda un poco más allá del devanado. Pele el esmalte de una pulgada de los extremos del par de cables conductores con papel de lija. Empalme los extremos desnudos a un cable de conexión aislado de calibre más pesado. Suelde el empalme. Aísle con cinta adhesiva o tubo termorretráctil. Asegure el empalme al cuerpo de la bobina. Después proceder con una segunda bobina idéntica.

Consulte tanto el diagrama esquemático como la ilustración para el montaje. Tenga en cuenta que las bobinas están montadas en ángulo recto. Pueden ser cementados a un zócalo aislante como la madera. La lámpara de 25 vatios está cableada en serie con una bobina. Esto limita la corriente que fluye a través de la bobina. La lámpara es un sustituto de una resistencia de potencia de 820 Ω. El condensador está cableado en serie con la otra bobina. También limita la corriente a través de la bobina. Además, proporciona un desplazamiento de fase principal de la corriente con respecto al voltaje. El esquema y la ilustración no muestran ningún interruptor de alimentación ni fusible. Añádalos si lo desea.

El rotor debe estar hecho de un material ferromagnético como una tapa de lata de acero o tapa de botella. La siguiente ilustración muestra cómo hacer el rotor. Seleccione un rotor circular, ya sea más pequeño que las formas de la bobina o un poco más grande. Utilice la geometría para ubicar y marcar el centro. El centro necesita tener hoyuelos. Seleccione un clavo de octavo de pulgada de diámetro (unos pocos mm) (a) y lima o muele la punta redonda como se muestra en (b). Colocar el rotor encima de un trozo de madera blanda (c) y martillar la punta redondeada en el centro (d). Practica sobre una pieza de chatarra similar. Tenga cuidado de no perforar el rotor. Un rotor en forma de plato (f) o una tapa (g) se equilibran mejor que el rotor plano (e). El punto de pivote (e) puede ser un pasador recto conducido a través de un pedestal de madera móvil, o a través de la placa principal. La punta de un bolígrafo también funciona. Si el rotor no se equilibra encima del pivote, retire el metal del lado pesado.

Verifique dos veces el cableado. Verifique que cualquier cable desnudo haya sido aislado. El circuito puede estar encendido sin el rotor. La lámpara debe encenderse. Ambas bobinas se calentarán en pocos minutos. El calentamiento excesivo significa que una lámpara de menor potencia (mayor resistencia) y un condensador de menor valor deben ser sustituidos en serie con las bobinas respectivas.

Coloque el rotor encima del pivote y muévalo entre ambas bobinas. Debería girar. Cuanto más cerca esté, más rápido debería girar. Ambas bobinas deben estar calientes, lo que indica potencia. Prueba rotores de diferentes tamaños y estilos. Pruebe un pequeño rotor en el lado opuesto de las bobinas en comparación con la ilustración.

Por falta de cable magnético #32 AWG pruebe 440 vueltas de un alambre de diámetro ligeramente mayor (menor número AWG). Esto requerirá más de 4 capas para los giros requeridos. Un accesorio de luz nocturna podría ser menos costoso que el portalámparas de tamaño completo ilustrado. Aunque las bombillas de luz nocturna tienen una potencia demasiado baja a 3 o 7 vatios, las bombillas de 15 vatios se ajustan al zócalo.

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4.10: Motor de Inducción, Grande

PARTES Y MATERIALES

• Fuente de alimentación de CA: 120VAC
• Capacitor, 3.3 µF 120VAC o 350VDC, no polarizado
• Alambre magnético #33 AWG, 2 libras
• tabla de madera aprox. 6 a 12 in. cuadrado.
• Cable de línea de CA con enchufe
• Frasco de refresco de plástico de 5.1 pulgadas de diámetro y 3 litros
• Bolígrafo desechado
• Misc. pequeños bloques de madera

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 13: “Motores AC”, “Motores de inducción monofásicos”, “Motor de condensador dividido permanente”.

Objetivos de aprendizaje

• Para construir un motor de inducción de condensador dividido permanente de CA de gran tamaño de exhibición.
• Para ilustrar la simplicidad del motor de inducción de CA.

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Esta es una versión más grande de un “motor de inducción de fase dividida de condensador permanente”. Hay dos bobinas de estator diferentes. El devanado L2 de 3200 vueltas de 1.0 pulgadas de ancho se muestra en la ilustración anterior (b), enrollado sobre una sección de una botella de soda de plástico de 3 litros de diámetro de 5.1 pulgadas. L1 es aproximadamente 3800 vueltas de alambre magnético esmaltado #33 AWG (calibre de alambre americano) enrollado sobre un ancho de 1.25 de una sección de una botella de soda, más ancho que el mostrado en (b). Marque un cilindro de 1.25 pulgadas de ancho con márgenes de 0.25 pulgadas en cada extremo. El cable se enrollará en la zona de 1.25 pulgadas. La forma se corta de la botella en los bordes exteriores del margen. Los cortes de 0.25 pulgadas desde el margen hasta la zona de bobinado están espaciados a intervalos de 1 pulgada alrededor de la circunferencia de ambos extremos para que el margen pueda doblarse hacia arriba a 90 ^o para sostener el cable en la forma. Para evitar contar las 3800 vueltas, enrolle un alambre magnético de 1/8 de pulgada de grosor sobre el ancho de una pulgada de la forma. De lo contrario, cuente los giros. Raspe el esmalte de 1 pulgada en el extremo libre y raspe solo una pequeña sección desde el plomo hasta el carrete. NO corte el cable a la bobina. Mida la resistencia, y estime cuánto más cable enrollar para lograr 894 Ω. Aplique esmalte, esmalte de uñas, cinta adhesiva u otro aislamiento en el punto desnudo del cable de la bobina. Continúe enrollando y vuelva a verificar la resistencia. Una vez que se logre el aproximado de 894 Ω, deje unas pulgadas de alambre magnético para el cable. Corta el plomo de la bobina. Asegure los devanados a la forma con cordel de cordón u otros medios.

El devanado L1 de 3200 vueltas es aproximadamente 744 Ω y se enrolla en una forma de 1.0 pulgadas de ancho como se muestra en (b) de una manera similar al devanado L2 anterior.

Pele el esmalte de 1 pulgada de los extremos de los cables de alambre magnético si aún no está hecho. Empalme los extremos desnudos a un cable de conexión aislado de calibre más pesado. Suelde el empalme. Aísle con cinta adhesiva o tubo termorretráctil. Asegure el empalme al cuerpo de la bobina. Después proceda con la segunda bobina. Las bobinas pueden montarse en una esquina de la base de madera. Alternativamente, para mayor flexibilidad en el uso, pueden montarse en tarimas móviles.

Consulte tanto el diagrama esquemático como la ilustración para el montaje. Tenga en cuenta que las bobinas están montadas en ángulo recto. L2, la bobina más pequeña está cableada a ambos lados de la línea de 120 Vac. El condensador está cableado en serie con la bobina más ancha L1. El condensador proporciona un desplazamiento de fase principal de la corriente con respecto al voltaje. El esquema y la ilustración no muestran ningún interruptor de alimentación ni fusible. Agregar estas adiciones se recomiendan.

Si este dispositivo está diseñado para ser utilizado por no técnicos como una exhibición no supervisada, todas las terminaciones desnudas expuestas como el condensador deben ser seguras para los dedos cubriéndose con escudos. El interruptor y el fusible mencionados anteriormente son necesarios. Finalmente, el esmalte en las bobinas solo proporciona una sola capa de aislamiento. Por seguridad, se requiere una segunda capa como una envoltura aislante, una caja de plexiglás u otros medios. Reemplace todos los componentes de madera con plexiglás para una seguridad superior contra incendios en una exhibición sin supervisión.

El rotor debe estar hecho de un material ferromagnético como una lata vegetal de acero, lata de pastel de frutas, etc. Una lata de verdura demasiado larga puede cortarse por la mitad. La ilustración del motor de inducción pequeño anterior muestra el rodamiento con hoyuelos del rotor y los detalles del pivote. El rotor puede ser más pequeño que las formas de bobina como en el caso de un corte de la lata de vegetales. Incluso puede ser tan pequeño como el rotor de tapa de lata utilizado con el motor pequeño anterior. También es posible accionar un rotor más grande que las bobinas, que es el caso de la lata de pastel de frutas. Localizar y marcar el centro del rotor. El centro necesita tener hoyuelos. Seleccione un clavo (a) de octavo de pulgada de diámetro (unos pocos mm) y lima o muele la punta redonda. Usa esto y un bloque de madera para hoyugar el rotor como se muestra en el motor pequeño anterior Una lata bastante larga se equilibra mejor que un rotor plano debido al menor centro de gravedad. La punta de un bolígrafo funciona bien como pivote para rotores más grandes. Monte el pivote en un pedestal de madera móvil.

Verifique dos veces el cableado. Verifique que cualquier cable desnudo haya sido aislado. El circuito puede estar encendido sin el rotor. El calentamiento excesivo en L2 indica que se requieren más giros. El calor excesivo en L1 requiere una reducción en la capacitancia de C1. No hay calor en absoluto indica un circuito abierto a la bobina afectada.

Coloque el rotor encima del pivote y muévelo entre ambas bobinas energizadas. Debería girar. Cuanto más cerca esté, más rápido debería girar. Ambas bobinas deben estar calientes, lo que indica potencia. Prueba rotores de diferentes tamaños y estilos. Pruebe un pequeño rotor en el lado opuesto de las bobinas en comparación con la ilustración.

Tres modelos de este motor se han construido utilizando alambre magnético #33 AWG porque había un carrete grande a la mano. El cable magnético AWG #32 es probablemente más fácil de conseguir. Debería funcionar. Aunque la corriente será mayor debido a la menor resistencia del alambre #32 de mayor diámetro. Si un condensador de 3.3 µF no está disponible, use algo cercano siempre y cuando tenga una clasificación de voltaje adecuada. El autor utilizó un condensador de funcionamiento de motor de CA desechado (en forma de bañera). No utilice un condensador de arranque del motor (cilindro negro). Estos solo se pueden usar durante unos segundos de arranque del motor y pueden explotar si se usan más tiempo que eso.

Prueba esto: Es posible hacer girar simultáneamente más de un rotor. Por ejemplo, además del rotor principal dentro del ángulo recto formado por las bobinas, coloque un segundo rotor más pequeño (lata o tapa de botella) cerca del par de bobinas fuera del ángulo recto en el vértice.

Es posible invertir el sentido de rotación invirtiendo una de las bobinas. Si las bobinas están montadas en tarimas móviles, gire una bobina 180 ^o. Otro método, especialmente útil con bobinas fijas, es cablear una de las bobinas a un interruptor de inversión de polaridad DPDT. Por ejemplo, desconecte L2 y conéctelo a los limpiaparabrisas (contactos centrales) del interruptor DPDT. Los contactos superiores van a la 120 Vac. Los contactos superiores también van a los contactos inferiores en un patrón cruzado X.

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4.11: Desplazamiento de Fase

PARTES Y MATERIALES

• Fuente de alimentación de CA de bajo voltaje
• Dos capacitores, 0.1 µF cada uno, no polarizados (Radio Shack catálogo # 272-135)
• Dos resistencias de 27 kΩ

Recomiendo condensadores de disco cerámicos porque son insensibles a la polaridad (no polarizados), económicos y duraderos. Evite capacitores con cualquier tipo de marca de polaridad, ya que estos serán destruidos cuando sean alimentados por CA!

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 1: “Teoría Básica AC”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, Capítulo 4: “Reactancia e Impedancia Capacitiva”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo los voltajes de CA fuera de fase no se suman algebraicamente, sino de acuerdo con la aritmética vectorial (fasor)

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Construya el circuito y mida las caídas de voltaje en cada componente con un voltímetro de CA. Mida el voltaje total (de alimentación) con el mismo voltímetro. Descubrirás que las caídas de voltaje no suman para igualar el voltaje total. Esto se debe a los cambios de fase en el circuito: la tensión caída a través de los condensadores está desfasada con la caída de voltaje a través de las resistencias, y por lo tanto las cifras de caída de voltaje no suman como cabría esperar. Teniendo en cuenta el ángulo de fase, se suman para igualar el total, pero un voltímetro no proporciona mediciones de ángulo de fase, solo amplitud.

Intente medir la caída de voltaje en ambas resistencias a la vez. Esta caída de voltaje será igual a la suma de las caídas de voltaje medidas en cada resistencia por separado. Esto le dice que las formas de onda de caída de voltaje de ambas resistencias están en fase entre sí ya que se agregan simple y directamente.

Mida la caída de voltaje en ambos condensadores a la vez. Esta caída de voltaje, al igual que la caída medida a través de las dos resistencias, igualará la suma de las caídas de voltaje medidas en cada condensador por separado. De igual manera, esto le dice que las formas de onda de caída de voltaje de ambos condensadores están en fase entre sí.

Dado que la frecuencia de la fuente de alimentación es de 60 Hz (frecuencia de alimentación doméstica en Estados Unidos), calcule las impedancias para todos los componentes y determine todas las caídas de voltaje usando la Ley de Ohm (E=IZ; I=E/Z; Z=E/I). Las magnitudes polares de los resultados deben coincidir estrechamente con las lecturas de tu voltímetro.

Simulación por computadora

Las dos resistencias de gran valor R _bogus1 y R _bogus1 están conectadas a través de los condensadores para proporcionar una ruta de CC a tierra para que SPICE funcione. Esta es una “solución” para una de las peculiaridades de SPICE, para evitar que vea los condensadores como circuitos abiertos en su análisis. Estas dos resistencias son totalmente innecesarias en el circuito real.

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4.12: Cancelación de Sonido

PARTES Y MATERIALES

• Fuente de alimentación de CA de bajo voltaje
• Dos altavoces de audio
• Dos resistencias de 220 Ω

Los altavoces grandes y de baja frecuencia (“woofer”) son los más apropiados para este experimento. Para obtener resultados óptimos, los altavoces deben ser idénticos y montados en recintos.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 1: “Teoría Básica AC”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo el cambio de fase puede hacer que las ondas se refuercen o interfieran entre sí
• La importancia de la “fase” de altavoces en sistemas estéreo

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Conecte cada altavoz a la fuente de alimentación de CA de bajo voltaje a través de una resistencia de 220 Ω. La resistencia limita la cantidad de energía entregada a cada altavoz por la fuente de alimentación. Se debe escuchar un tono de 60 hercios de tono bajo por parte de los altavoces. Si el tono suena demasiado alto, use resistencias de mayor valor.

Con ambos altavoces conectados y produciendo sonido, colóquelos de manera que estén a solo un pie o dos de distancia, uno hacia el otro. Escucha el volumen del tono de 60 hercios. Ahora, invierta las conexiones (la “polaridad”) de solo uno de los altavoces y anote nuevamente el volumen. Intente cambiar la polaridad de un altavoz de un lado a otro de original a invertido, comparando los niveles de volumen en cada sentido. ¿Qué notas?

Al invertir las conexiones de cable a un altavoz, está invirtiendo la fase de la onda de sonido de ese altavoz en referencia al otro altavoz. En un modo, las ondas sonoras se reforzarán entre sí para un volumen fuerte. En el otro modo, las ondas sonoras interferirán destructivamente, resultando en disminución del volumen. Este fenómeno es común a todos los eventos de onda: ondas sonoras, señales eléctricas (“ondas” de voltaje), ondas en el agua, ¡e incluso ondas de luz!

Varios altavoces en un sistema de sonido estéreo deben estar correctamente “fasados” para que sus respectivas ondas sonoras no se cancelen entre sí, dejando menos nivel de sonido total para que el oyente o los oyentes escuchen. Entonces, incluso en un sistema de CA donde realmente no existe tal cosa como la “polaridad” constante, la secuencia de conexiones de cable puede marcar una diferencia significativa en el rendimiento del sistema.

Este principio de reducción de volumen por interferencia destructiva puede ser explotado para la cancelación de ruido. Dichos sistemas muestrean la forma de onda del ruido ambiental, luego producen una señal de sonido idéntica 180 ^o desfasada con el ruido. Cuando las dos señales de sonido se encuentran, se cancelan entre sí, lo ideal es eliminar todo el ruido. Como se podría adivinar, esto es mucho más fácil de lograr con fuentes de ruido de frecuencia y amplitud constantes. La cancelación de ruido aleatorio de amplio espectro es muy difícil, ya que algún tipo de circuito de procesamiento de señal debe muestrear el ruido y generar con precisión la cantidad correcta de sonido de cancelación en el momento justo para que sea efectivo.

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4.13: Teclado Musical como Generador de Señal

PARTES Y MATERIALES

• “Teclado” electrónico (musical)
• Enchufe tipo auricular “mono” (no estéreo)
• Transformador de adaptación de impedancia (relación de 1k Ω a 8 Ω; catálogo de Radio Shack # 273-1380)
• Resistencia de 10 kΩ

En este experimento, aprenderás a usar un teclado musical electrónico como fuente de señales de voltaje AC de frecuencia variable. No es necesario comprar un teclado caro para esto, pero uno con al menos algunas docenas de selecciones de “voz” (piano, flauta, arpa, etc.) estaría bien. El enchufe “mono” se conectará a la toma de auriculares del teclado musical, así que consigue un enchufe que sea del tamaño correcto para el teclado.

El “transformador de adaptación de impedancia” es un transformador de pequeño tamaño que se obtiene fácilmente de una tienda de suministro de electrónica. Uno puede ser barrido de una radio pequeña y basura: se conecta entre el altavoz y la placa de circuito (amplificador), por lo que es fácilmente identificable por ubicación. El devanado primario está clasificado en ohmios de impedancia (1000 Ω), y generalmente es de toma central. El devanado secundario es de 8 Ω y no está roscado en el centro. Estas cifras de impedancia no son lo mismo que la resistencia de CC, así que no esperes leer 1000 Ω y 8 Ω con tu ohmímetro; sin embargo, el devanado de 1000 Ω leerá más resistencia que el devanado de 8 Ω, porque tiene más giros.

Si no se puede obtener tal transformador para el experimento, un transformador de potencia reductor regular de 120V/6V también funciona bastante bien.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 1: “Teoría Básica AC”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 7: “Señales de CA de Frecuencia Mixta”

Objetivos de aprendizaje

• Diferencia entre amplitud y frecuencia
• Medición de voltaje CA, corriente con un medidor
• Operación del transformador, elevador

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

Normalmente, un estudiante de electrónica en una escuela tendría acceso a un dispositivo llamado generador de señal, o generador de funciones utilizado para hacer formas de onda de voltaje de frecuencia variable para alimentar circuitos de CA. Un teclado electrónico económico es una alternativa más barata a un generador de señal regular y proporciona características que la mayoría de los generadores de señal no pueden igualar, como producir ondas de frecuencia mixta.

Para “tocar” el voltaje de CA producido por el teclado, necesitará insertar un enchufe en el conector de auriculares (a veces solo etiquetado como “teléfono” en el teclado) completo con dos cables para la conexión a circuitos de su propio diseño. Cuando insertes el enchufe en la toma, el altavoz normal integrado en el teclado se desconectará (suponiendo que el teclado esté equipado con uno), y la señal que solía alimentar ese altavoz estará disponible en los cables del enchufe. En este experimento en particular, recomiendo usar el teclado para alimentar el lado de 8 Ω de un transformador de “salida” de audio para aumentar el voltaje a un nivel superior. Si usa un transformador de potencia en lugar de un transformador de salida de audio, conecte el teclado al devanado de bajo voltaje para que funcione como un dispositivo elevador. Los teclados producen señales de muy baja tensión, por lo que no hay peligro de choque en este experimento.

Usando un teclado Yamaha económico, he descubierto que la configuración de voz “panflauta” produce la forma de onda sinusoidal más verdadera. Esta forma de onda, o algo cercano a ella (flauta, por ejemplo), se recomienda para comenzar a experimentar ya que está relativamente libre de armónicos (muchas formas de onda mezcladas entre sí, de frecuencia integer-múltiple). Al estar compuesto por una sola frecuencia, es una forma de onda menos compleja para que tu multímetro mida. Asegúrese de que el teclado esté configurado en un modo en el que se mantendrá la nota, ya que se mantiene presionada cualquier tecla; de lo contrario, la amplitud (voltaje) de la forma de onda cambiará constantemente (alta cuando se presiona la tecla por primera vez y luego se decae rápidamente a cero).

Usando un voltímetro de CA, lee el voltaje directo desde el enchufe de auriculares. Luego, lea el voltaje tal como lo intensificó el transformador, señalando la relación de paso. Si tu multímetro tiene una función de “frecuencia”, utilízalo para medir la frecuencia de la forma de onda producida por el teclado. Prueba diferentes notas en el teclado y graba sus frecuencias. ¿Observa un patrón en frecuencia a medida que activa diferentes notas, especialmente teclas que son similares entre sí (observe el patrón de 12 teclas en blanco y negro repetido en el teclado de izquierda a derecha)? Si no te importa hacer marcas en tu teclado, escribe las frecuencias en Hertz con tinta negra en las teclas blancas, cerca de la parte superior donde es menos probable que los dedos froten los números.

Idealmente, no debería haber ningún cambio en la amplitud de la señal (voltaje) ya que se intentan diferentes frecuencias (notas en el teclado). Si ajusta el volumen hacia arriba y hacia abajo, debe descubrir que los cambios en la amplitud deben tener poco o ningún impacto en la medición de frecuencia. La amplitud y la frecuencia son dos aspectos completamente independientes de una señal de CA.

Intente conectar la salida del teclado a una resistencia de carga de 10 kΩ (a través del enchufe para auriculares) y mida la corriente CA con su multímetro. Si tu multímetro tiene una función de frecuencia, también puedes medir la frecuencia de esta corriente. Debe ser el mismo que para el voltaje para cualquier nota dada (tecla del teclado).

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4.14: Osciloscopio PC

PARTES Y MATERIALES

• Computadora personal compatible con IBM con tarjeta de sonido, con Windows 3.1 o superior
• Software Winscope, descargado gratis de internet
• “Teclado” electrónico (musical)
• Enchufe tipo auricular “mono” (no estéreo) para teclado
• Enchufe tipo auricular “mono” (no estéreo) para entrada de micrófono de tarjeta de sonido de computadora
• Potenciómetro de 10 kΩ

El programa Winscope que he usado fue escrito por el Dr. Constantin Zeldovich, para uso personal y académico gratuito. Traza formas de onda en la pantalla de la computadora en respuesta a señales de voltaje AC interpretadas por la entrada del micrófono de la tarjeta de sonido. Un programa similar, llamado Ocope, está hecho para el sistema operativo Linux. Si no tiene acceso a ninguno de los programas, puede usar la utilidad “grabadora de sonido” que viene en stock con la mayoría de las versiones de Microsoft Windows para mostrar formas de onda crudas.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 7: “Señales de CA de Frecuencia Mixta”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 12: “Circuitos de Medición AC”

Objetivos de aprendizaje

• Uso de la computadora
• Función básica del osciloscopio

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

El osciloscopio es un instrumento de prueba indispensable para el estudiante de electrónica y profesional. Ningún laboratorio de electrónica seria debería estar sin uno (¡o dos!). Desafortunadamente, los osciloscopios comerciales suelen ser caros, ¡y es casi imposible diseñar y construir el tuyo propio sin otro osciloscopio para resolverlo! Sin embargo, la tarjeta de sonido de una computadora personal es capaz de “digitalizar” señales de CA de bajo voltaje desde un rango de unos pocos cientos de Hertz a varios miles de Hertz con una resolución respetable, y se dispone de software libre para mostrar estas señales en forma de osciloscopio en la pantalla de la computadora. Dado que la mayoría de las personas o bien tienen una computadora personal o pueden obtener una por menor costo que un osciloscopio, esto se convierte en una alternativa viable para el experimentador con un presupuesto limitado.

Una palabra de precaución: ¡puede causar daños significativos de hardware a su computadora si se conectan señales de voltaje excesivo a la entrada del micrófono de la tarjeta de sonido! Los voltajes de CA producidos por un teclado musical son demasiado bajos para causar daños a su computadora a través de la tarjeta de sonido, pero otras fuentes de voltaje pueden ser peligrosas para la salud de su computadora. ¡Usa este “osciloscopio” bajo tu propio riesgo!

Utilizando la disposición de teclado y enchufe descrita en el experimento anterior, conecte la salida del teclado a los terminales exteriores de un potenciómetro de 10 kΩ. Suelde dos cables a los puntos de conexión en el enchufe de entrada del micrófono de la tarjeta de sonido, para que tenga un conjunto de “cables de prueba” para el “osciloscopio”. Conecte estos cables de prueba al potenciómetro: entre el terminal central (el limpiaparabrisas) y cualquiera de los terminales exteriores.

Inicie el programa Winscope y haga clic en el icono de “flecha” en la esquina superior izquierda (parece la flecha “play” vista en los botones de control del reproductor de cinta y reproductor de CD). Si presionas una tecla en el teclado musical, deberías ver algún tipo de forma de onda mostrada en la pantalla. Elija la “panflauta” o alguna otra voz similar a una flauta en el teclado musical para obtener la mejor forma de onda sinusoidal. Si la computadora muestra una forma de onda que se parece a una onda cuadrada, debe ajustar el potenciómetro para una señal de menor amplitud. Casi cualquier forma de onda será “recortada” para que parezca una onda cuadrada si excede el límite de amplitud de la tarjeta de sonido.

Prueba diferentes “voces” de instrumentos en el teclado musical y anota las diferentes formas de onda. Observe lo complejas que son algunas de las formas de onda, en comparación con la voz panflauta. Experimenta con los diferentes controles en la ventana de Winscope, señalando cómo cambian la apariencia de la forma de onda.

Como instrumento de prueba, este “osciloscopio” es bastante pobre. Casi no tiene capacidad para realizar mediciones de precisión de voltaje, aunque su precisión de frecuencia es sorprendentemente buena. Es muy limitado en el rango de voltaje y frecuencia que puede mostrar, relegándolo al análisis de tonos de audio de rango bajo y medio. He tenido muy poco éxito consiguiendo que el “osciloscopio” muestre buenas ondas cuadradas, presumiblemente por su respuesta de frecuencia limitada. Además, el condensador de acoplamiento que se encuentra en los circuitos de entrada del micrófono de la tarjeta de sonido le impide medir el voltaje de CC: es como si la característica de “acoplamiento de CA” de un osciloscopio normal estuviera atascada “en”.

A pesar de estas deficiencias, es útil como herramienta de demostración, y para exploraciones iniciales en el análisis de formas de onda para el estudiante principiante de electrónica. Para quienes estén interesados, existen varios dispositivos adaptadores de osciloscopio de calidad profesional fabricados para computadoras personales cuyo rendimiento va mucho más allá del de una tarjeta de sonido, y normalmente se venden a menor costo que un osciloscopio independiente completo (alrededor de 400 dólares, el año 2002). Radio Shack vende uno hecho por Velleman, catálogo # 910-3914. Tener una computadora que sirva como medio de visualización trae muchas ventajas, entre las cuales no menos importante es la capacidad de almacenar fácilmente imágenes de forma de onda como archivos digitales.

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4.15: Análisis de forma de onda

PARTES Y MATERIALES

• Computadora personal compatible con IBM con tarjeta de sonido, con Windows 3.1 o superior
• Software Winscope, descargado gratis de internet
• “Teclado” electrónico (musical)
• Enchufe tipo auricular “mono” (no estéreo) para teclado
• Enchufe tipo auricular “mono” (no estéreo) para entrada de micrófono de tarjeta de sonido de computadora, con cables para conectarse a fuentes de voltaje
• Potenciómetro de 10 kΩ

Las piezas y equipos para este experimento son idénticos a los requeridos para el experimento “osciloscopio PC”.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 7: “Señales de CA de Frecuencia Mixta”

Objetivos de aprendizaje

• Comprender la diferencia entre las gráficas de dominio de tiempo y de dominio de frecuencia
• Desarrollar un sentido cualitativo del análisis de Fourier

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

El programa Winscope viene con otra característica distinta a la típica pantalla de osciloscopio “de dominio de tiempo”: la pantalla “de dominio de frecuencia”, que traza la amplitud (vertical) sobre la frecuencia (horizontal). La pantalla de “dominio de tiempo” de un osciloscopio traza la amplitud (vertical) a lo largo del tiempo (horizontal), lo cual es adecuado para mostrar la forma de onda. Sin embargo, cuando es deseable ver la circunscripción armónica de una onda compleja, una gráfica de dominio de frecuencia es la mejor herramienta.

Si usa Winscope, haga clic en el icono “arco iris” para cambiar al modo de dominio de frecuencia. Genera una señal de onda sinusoidal usando el teclado musical (voz panflauta o flauta), y deberías ver un solo “pico” en la pantalla, correspondiente a la amplitud de la señal de frecuencia única. Mover el cursor del ratón por debajo del pico debería dar como resultado que la frecuencia se muestre numéricamente en la parte inferior de la pantalla.

Si se activan dos notas en el teclado musical, la trama debe mostrar dos picos distintos, cada uno correspondiente a una nota particular (frecuencia). Los acordes básicos (tres notas) producen tres picos en la gráfica de dominio de frecuencia, y así sucesivamente. Contraste esto con una gráfica de osciloscopio normal (dominio del tiempo) haciendo clic una vez más en el icono “arco iris”. Un acorde musical que se muestra en formato de dominio de tiempo es una forma de onda muy compleja pero es bastante simple de resolver en notas constituyentes (frecuencias) en una pantalla de dominio de frecuencia.

Experimentar con diferentes “voces” de instrumentos en el teclado musical, correlacionando la trama de dominio de tiempo con la trama de dominio de frecuencia. Las formas de onda que son simétricas por encima y por debajo de sus líneas centrales contienen solo armónicos impares (múltiplos enteros impares de la base o frecuencia fundamental), mientras que las formas de onda no simétricas también contienen armónicos pares. Use el cursor para ubicar la frecuencia específica de cada pico en la gráfica, y una calculadora para determinar si cada pico es par o impar.

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4.16: Circuito de “tanque” de inductor-condensador

PARTES Y MATERIALES

• Osciloscopio
• Surtido de capacitores no polarizados (0.1 µF a 10 µF)
• Transformador reductor de potencia (120V/6 V)
• Resistencias de 10 kΩ
• Batería de seis voltios

El transformador de potencia se utiliza simplemente como inductor, con un solo devanado conectado. El devanado no utilizado debe dejarse abierto. También se puede usar un inductor de bobinado simple con núcleo de hierro (a veces conocido como un estrangulador), pero dichos inductores son más difíciles de obtener que los transformadores de potencia.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 6: “Resonancia”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo construir un circuito resonante
• Efectos del tamaño del condensador en la frecuencia resonante
• Cómo producir antirresonancia

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Si un inductor y un condensador se conectan en paralelo entre sí, y luego se energizan brevemente mediante la conexión a una fuente de voltaje de CC, se producirán oscilaciones a medida que se intercambie energía del condensador al inductor y viceversa. Estas oscilaciones se pueden ver con un osciloscopio conectado en paralelo con el circuito inductor/condensador. Los circuitos de inductor/condensador paralelos se conocen comúnmente como circuitos de tanque.

Nota importante: Recomiendo no usar una tarjeta PC/sonido como osciloscopio para este experimento porque el inductor puede generar voltajes muy altos cuando se desconecta la batería (“contragolpe” inductivo). Estos altos voltajes seguramente dañarán la entrada de la tarjeta de sonido, y quizás otras partes de la computadora también.

La frecuencia natural de un circuito tanque, llamada frecuencia resonante, está determinada por el tamaño del inductor y el tamaño del condensador, de acuerdo con la siguiente ecuación:

Muchos transformadores de potencia pequeños tienen inductancia de devanado primario (120 voltios) de aproximadamente 1 H. Utilice esta cifra como una estimación aproximada de la inductancia para su circuito para calcular la frecuencia de oscilación esperada.

Idealmente, las oscilaciones producidas por un circuito de tanques continúan indefinidamente. De manera realista, las oscilaciones disminuirán en amplitud a lo largo de varios ciclos debido a las pérdidas resistivas y magnéticas del inductor. Los inductores con una clasificación “Q” alta, por supuesto, producirán oscilaciones de mayor duración que los inductores de Q baja.

Intente cambiar los valores del condensador y anotar el efecto en la frecuencia de oscilación. También puede notar cambios en la duración de las oscilaciones, debido al tamaño del condensador. Ya que sabe cómo calcular la frecuencia resonante a partir de inductancia y capacitancia, ¿puede encontrar una manera de calcular la inductancia del inductor a partir de valores conocidos de capacitancia de circuito (medida por un medidor de capacitancia) y frecuencia resonante (medida por un osciloscopio)?

La resistencia se puede agregar intencionalmente al circuito, ya sea en serie o en paralelo, con el propósito expreso de amortiguar las oscilaciones. Este efecto de amortiguación de resistencia a la oscilación del circuito del tanque se conoce como antirresonancia. Es análogo a la acción de un amortiguador al amortiguar el rebote de un automóvil tras golpear un bache en la carretera.

SIMULACIÓN COMPU

R _stray se coloca en el circuito para amortiguar las oscilaciones y producir una simulación más realista. Un menor valor _{de desviación} de R causa oscilaciones de mayor duración porque se disipa menos energía. La eliminación de esta resistencia del circuito da como resultado una oscilación sin fin.

Netlist (hacer un archivo de texto que contenga el siguiente texto, textualmente):

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4.17: Acoplamiento de Señal

PARTES Y MATERIALES

• Batería de 6 voltios
• Un condensador, 0.22 µF (Catálogo Radio Shack # 272-1070 o equivalente)
• Un condensador, 0.047 µF (Catálogo Radio Shack # 272-134 o equivalente)
• Pequeño motor “hobby”, tipo imán permanente (catálogo Radio Shack # 273-223 o equivalente)
• Detector de audio con auriculares
• Longitud del cable telefónico, varios pies de largo (Radio Shack catálogo # 278-872)

El cable telefónico también está disponible en ferreterías. Cualquier cable multiconductor sin blindaje será suficiente para este experimento. Los cables con conductores delgados (el cable telefónico suele ser de calibre 24) producen un efecto más pronunciado.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 7: “Señales de CA de Frecuencia Mixta”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 8: “Filtros”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo “acoplar” señales de CA y bloquear señales de CC a un instrumento de medición
• Cómo ocurre el acoplamiento parásito en los cables
• Técnicas para minimizar el acoplamiento entre cables

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

Conecte el motor a la batería usando dos de los cuatro conductores del cable telefónico. El motor debería funcionar, como se esperaba. Ahora, conecte el detector de señal de audio a través de los terminales del motor, con el condensador de 0.047 µF en serie, así:

Debería poder escuchar un “zumbido” o “gemido” en los auriculares, lo que representa el voltaje de “ruido” de CA producido por el motor a medida que las escobillas hacen y rompen el contacto con las barras giratorias del conmutador. El propósito del condensador en serie es actuar como un filtro de paso alto para que el detector solo reciba el voltaje de CA a través de los terminales del motor, no ningún voltaje de CC. Así es precisamente como los osciloscopios proporcionan una característica de “acoplamiento de CA” para medir el contenido de CA de una señal sin ningún voltaje de polarización de CC: un condensador está conectado en serie con una sonda de prueba.

Idealmente, uno esperaría nada más que voltaje de CC puro en los terminales del motor, porque el motor está conectado directamente en paralelo con la batería. Dado que los terminales del motor son eléctricamente comunes con los respectivos terminales de la batería, y la naturaleza de la batería es mantener un voltaje de CC constante, nada más que voltaje de CC debería aparecer en los terminales del motor, ¿verdad? Bueno, debido a la resistencia interna a la batería y a lo largo de las longitudes del conductor, los pulsos de corriente extraídos por el motor producen “caídas” de voltaje oscilante en los terminales del motor, provocando el “ruido” de CA escuchado por el detector:

Utilice el detector de audio para medir el voltaje de “ruido” directamente a través de la batería. Dado que el ruido de CA se produce en este circuito por caídas de voltaje pulsantes a lo largo de las resistencias parásitas, cuanto menos resistencia medimos, menos voltaje de ruido debemos detectar:

También puede medir el voltaje de ruido caído a lo largo de cualquiera de los conductores del cable telefónico que suministran energía al motor, conectando el detector de audio entre ambos extremos de un solo conductor de cable. El ruido detectado aquí se origina a partir de pulsos de corriente a través de la resistencia del cable:

Ahora que hemos establecido cómo se crea y distribuye el ruido de CA en este circuito, exploremos cómo se acopla a los cables adyacentes en el cable. Utilice el detector de audio para medir el voltaje entre uno de los terminales del motor y uno de los cables no utilizados en el cable telefónico. El condensador de 0.047 µF no es necesario en este ejercicio, ya que no hay voltaje de CC entre estos puntos para que el detector detecte de todos modos:

El voltaje de ruido detectado aquí se debe a la capacitancia parásita entre los conductores de cable adyacentes creando una “trayectoria” de corriente CA entre los cables. Recuerde que ninguna corriente realmente pasa por una capacitancia, pero la acción alternativa de carga y descarga de una capacitancia, ya sea intencional o no intencional, proporciona corriente alterna una suerte de vía.

Si intentáramos conducir una señal de voltaje entre uno de los cables no utilizados y un punto común con el motor, esa señal se contaminaría con el voltaje de ruido del motor. Esto podría ser bastante perjudicial, dependiendo de cuánto ruido se acoplara entre los dos circuitos y cuán sensible era un circuito al ruido del otro. Dado que el fenómeno de acoplamiento primario en este circuito es de naturaleza capacitiva, los voltajes de ruido de frecuencia más alta están acoplados más fuertemente que los voltajes de ruido de menor frecuencia.

Si la señal adicional era una señal de CC, sin CA esperada en ella, podríamos mitigar el problema del ruido acoplado “desacoplando” el ruido de CA con un condensador relativamente grande conectado a través de los conductores de la señal de CC. Utilice el condensador de 0.22 µF para este propósito, como se muestra:

El condensador de desacoplamiento actúa como un cortocircuito práctico a cualquier voltaje de ruido de CA, sin afectar en absoluto a las señales de voltaje de CC entre esos dos puntos. Siempre y cuando el valor del condensador de desacoplamiento sea significativamente mayor que la capacitancia de “acoplamiento” parásito entre los conductores del cable, el voltaje de ruido de CA se mantendrá al mínimo.

Otra forma de minimizar el ruido acoplado en un cable es evitar que dos circuitos compartan un conductor común. Para ilustrar, conecte el detector de audio entre los dos cables no utilizados y escuche una señal de ruido:

Debe haber mucho menos ruido detectado entre dos conductores no utilizados que entre un conductor no utilizado y uno utilizado en el circuito del motor. La razón de esta drástica reducción del ruido es que la capacitancia parásita entre los conductores de cable tiende a acoplar el mismo voltaje de ruido a ambos conductores no utilizados en proporciones aproximadamente iguales. Así, al medir voltaje entre esos dos conductores, el detector solo “ve” la diferencia entre dos señales de ruido aproximadamente idénticas.

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5: Circuitos semiconductores discretos

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5.1: Introducción a los circuitos semiconductores discretos

Un dispositivo semiconductor es uno hecho de silicio o cualquier número de otros materiales especialmente preparados diseñados para explotar las propiedades únicas de los electrones en una red cristalina, donde los electrones no son tan libres para moverse como en un conductor sino que son mucho más móviles que en un aislante. Un dispositivo discreto es uno contenido en su propio paquete, no construido sobre un sustrato semiconductor común con otros componentes, como es el caso de los CI, o circuitos integrados. Así, los “circuitos semiconductores discretos” son circuitos construidos a partir de componentes semiconductores individuales, conectados entre sí en algún tipo de placa de circuito o regleta de terminales. Estos circuitos emplean todos los componentes y conceptos explorados en los capítulos anteriores, por lo que una comprensión firme de la electricidad de CC y CA es esencial antes de embarcarse en estos experimentos.

Solo por diversión, en esta sección se incluye un circuito utilizando un tubo de vacío para amplificación en lugar de un transistor semiconductor. Antes de la llegada de los transistores, los “tubos de vacío” eran los caballos de batalla de la industria electrónica: utilizados para fabricar rectificadores, amplificadores, osciladores y muchos otros circuitos. Aunque ahora se considera obsoleto para la mayoría de los propósitos, todavía hay algunas aplicaciones para tubos de vacío, y puede ser divertido construir y operar circuitos usando estos dispositivos.

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5.2: Diodo de conmutación

PARTES Y MATERIALES

• Batería de 6 voltios
• Transformador de potencia, reductor de 120VCA a 12VCA (Catálogo Radio Shack # 273-1365, 273-1352 o 273-1511).
• Un diodo rectificador 1N4001 (Radio Shack catálogo # 276-1101)
• Una lámpara de neón (Radio Shack catálogo # 272-1102)
• Dos interruptores de palanca, SPST (“Single-Pole, Single-Throw”)

Se especifica un transformador de potencia, pero cualquier inductor de núcleo de hierro será suficiente, ¡incluso el inductor o transformador casero del capítulo de experimentos de CA!

El diodo no necesita ser un modelo exacto 1N4001. Cualquiera de la serie “1N400X” de diodos rectificadores son adecuados para la tarea, y son bastante fáciles de obtener.

Recomiendo interruptores de luz domésticos por su bajo costo y durabilidad.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, capítulo 16: “Constantes de Tiempo RC y L/R”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 3: “Diodos y Rectificadores”

Objetivos de aprendizaje

• Revisar “contragolpe” inductivo
• Aprende a suprimir el “contragolpe” usando un diodo

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

Al ensamblar el circuito, tenga mucho cuidado con la orientación del diodo. El extremo del cátodo del diodo (el extremo marcado con una sola banda) debe estar orientado hacia el lado positivo (+) de la batería. El diodo debe ser polarizado inverso y no conductor con el interruptor #1 en la posición “on”. Utilice el devanado de alto voltaje (120 V) del transformador para la bobina del inductor. El devanado primario de un transformador reductor tiene más inductancia que el devanado secundario y dará un mayor efecto de parpadeo de lámpara.

Coloque el interruptor #2 en la posición “off”. Esto desconecta el diodo del circuito para que no tenga ningún efecto. Cierre y abra rápidamente (encienda “” y luego “apague”) el interruptor #1. Cuando se abre ese interruptor, la bombilla de neón parpadeará por el efecto del “contragolpe” inductivo. La rápida disminución de corriente causada por la apertura del interruptor hace que el inductor cree una gran caída de voltaje ya que intenta mantener la corriente en la misma magnitud y yendo en la misma dirección.

El contragolpe inductivo es perjudicial para los contactos del interruptor, ya que causa un arco excesivo cada vez que se abren. En este circuito, la lámpara de neón realmente disminuye el efecto al proporcionar una ruta de corriente alterna para la corriente del inductor cuando se abre el interruptor, disipando la energía almacenada del inductor sin daño en forma de luz y calor. Sin embargo, todavía hay una caída de voltaje bastante alta a través de los contactos de apertura del interruptor #1, lo que provoca arcos indebidos y una vida útil acortada del interruptor.

Si el interruptor #2 está cerrado (encendido), el diodo ahora será parte del circuito. Cierre y abra rápidamente el interruptor #1 nuevamente, observando la diferencia en el comportamiento del circuito. Esta vez, la lámpara de neón no parpadea. Conecte un voltímetro a través del inductor para verificar que el inductor aún esté recibiendo voltaje completo de la batería con el interruptor #1 cerrado. Si el voltímetro registra solo una pequeña tensión con el interruptor #1 “encendido”, el diodo probablemente esté conectado hacia atrás, creando un cortocircuito.

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5.3: Rectificador de media onda

PARTES Y MATERIALES

• Fuente de alimentación de CA de bajo voltaje (salida de 6 voltios)
• Batería de 6 voltios
• Un diodo rectificador 1N4001 (Radio Shack catálogo # 276-1101)
• Pequeño motor “hobby”, tipo imán permanente (catálogo Radio Shack # 273-223 o equivalente)
• Detector de audio con auriculares
• Capacitor de 0.1 µF (catálogo de Radio Shack # 272-135 o equivalente)

El diodo no necesita ser un modelo exacto 1N4001. Cualquiera de la serie “1N400X” de diodos rectificadores son adecuados para la tarea, y son bastante fáciles de obtener.

Consulte el capítulo de experimentos de CA para obtener instrucciones detalladas sobre cómo construir el “detector de audio” que se enumera aquí. Si aún no has construido uno, te falta una herramienta simple y valiosa para la experimentación.

Se especifica un condensador de 0.1 µF para “acoplar” el detector de audio al circuito de manera que solo la CA llegue al circuito detector. El valor de este condensador no es crítico. He usado capacitores que van desde 0.27 µF a 0.015 µF con éxito. Los valores más bajos del condensador atenúan las señales de baja frecuencia en mayor grado, lo que resulta en una menor intensidad de sonido de los auriculares, así que use un valor de condensador de mayor valor si experimenta dificultades para escuchar el (los) tono (s).

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 3: “Diodos y Rectificadores”

Objetivos de aprendizaje

• Función de un diodo como rectificador
• Funcionamiento del motor de imán permanente en alimentación de CA frente a CC
• Medición de voltaje de “ondulación” con un voltímetro

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Conecte el motor a la fuente de alimentación de CA de bajo voltaje a través del diodo rectificador como se muestra. El diodo solo permite que la corriente pase a través de un medio ciclo de un ciclo positivo y negativo completo de voltaje de fuente de alimentación, eliminando que un medio ciclo llegue nunca al motor. Como resultado, el motor solo “ve” la corriente en una dirección, aunque sea una corriente pulsante, lo que le permite girar en una dirección.

Tome un cable puente y pase el diodo momentáneamente, observando el efecto en el funcionamiento del motor:

Como puede ver, los motores “CC” de imán permanente no funcionan bien con corriente alterna. Retire el cable puente temporal e invierta la orientación del diodo en el circuito. Tenga en cuenta el efecto en el motor.

Mida el voltaje de CC a través del motor de esta manera:

Luego, mida también el voltaje de CA a través del motor:

La mayoría de los multímetros digitales hacen un buen trabajo al discriminar el voltaje de CA de CC, y estas dos mediciones muestran los voltajes promedio de CC y de “ondulación” de CA, respectivamente, de la potencia “vista” por el motor. El voltaje de ondulación es la porción variable del voltaje, interpretado como una cantidad de CA por el equipo de medición, aunque la forma de onda del voltaje nunca invierte la polaridad. La ondulación se puede concebir como una señal de CA superpuesta a una señal de “polarización” o “compensación” de CC constante. Compare estas mediciones de CC y CA con las mediciones de voltaje tomadas a través del motor mientras están alimentadas por una batería:

Las baterías dan una alimentación de CC muy “pura”, y como resultado, debería haber muy poco voltaje de CA medido a través del motor en este circuito. Cualquier voltaje de CA que se mida a través del motor se debe al consumo de corriente pulsante del motor a medida que las escobillas hacen y rompen el contacto con las barras giratorias del conmutador. Esta corriente pulsante hace que los voltajes pulsantes caigan a través de cualquier resistencia parásita en el circuito, lo que resulta en “caídas” de voltaje pulsante en los terminales del motor.

Se puede obtener una evaluación cualitativa del voltaje de ondulación mediante el uso del detector de audio sensible descrito en el capítulo de experimentos de CA (el mismo dispositivo descrito como un “detector de voltaje sensible” en el capítulo de experimentos de CC). Baja la sensibilidad del detector para un volumen bajo y conéctalo a través de los terminales del motor a través de un condensador pequeño (0.1 µF), como este:

El condensador actúa como un filtro de paso alto, bloqueando el voltaje de CC para que no llegue al detector y permitiendo una “escucha” más fácil del voltaje de CA restante. Esta es exactamente la misma técnica utilizada en los circuitos de osciloscopio para el “acoplamiento de CA”, donde las señales de CC son bloqueadas de la visualización por un condensador conectado en serie. Con una batería que alimenta el motor, la ondulación debería sonar como un “zumbido” agudo o “lloriqueo”. Intente reemplazar la batería con la fuente de alimentación de CA y el diodo rectificador, “escuchando” con el detector el “zumbido” de tono bajo de la potencia rectificada de media onda:

SIMULACIÓN COMPU

Esta simulación traza la tensión de entrada como una onda sinusoidal y la tensión de salida como una serie de “jorobas” correspondientes a los semicíclos positivos de la tensión de fuente de CA. La dinámica de un motor de CC es demasiado compleja para ser simulada usando SPICE, desafortunadamente.

El voltaje de la fuente de CA se especifica como 8.485 en lugar de 6 voltios porque SPICE entiende el voltaje de CA solo en términos de valor pico. Un voltaje de onda senoidal RMS de 6 voltios es en realidad un pico de 8.485 voltios. En simulaciones donde la distinción entre RMS y valor pico no es relevante, no me molestaré con una conversión RMS a pico como esta. Para ser veraces, la distinción no es terriblemente importante en esta simulación, pero la discuto aquí para su edificación.

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5.4: Puente rectificador de onda completa

PARTES Y MATERIALES

• Fuente de alimentación de CA de bajo voltaje (salida de 6 voltios)
• Cuatro diodos rectificadores 1N4001 (Radio Shack catálogo # 276-1101)
• Pequeño motor “hobby”, tipo imán permanente (catálogo Radio Shack # 273-223 o equivalente)

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 3: “Diodos y Rectificadores”

Objetivos de aprendizaje

• Diseño de un circuito puente rectificador
• Ventajas y desventajas del circuito rectificador de puente, en comparación con el circuito de derivación central

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

Este circuito proporciona rectificación de onda completa sin la necesidad de un transformador de toma central. En aplicaciones donde una fuente de toma central, o de fase dividida, no está disponible, este es el único método práctico de rectificación de onda completa.

Además de requerir más diodos que el circuito de toma central, el puente de onda completa también sufre una ligera desventaja de rendimiento: la caída de voltaje adicional causada por la corriente que tiene que pasar por dos diodos en cada medio ciclo en lugar de por solo uno. Con una fuente de bajo voltaje como la que estás usando (6 voltios RMS), esta desventaja se mide fácilmente. Compare la lectura de voltaje de CC en los terminales del motor con la lectura obtenida del último experimento, dada la misma fuente de alimentación de CA y el mismo motor.

SIMULACIÓN COMPU

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5.5: Rectificador de grifo central de onda completa

PARTES Y MATERIALES

• Fuente de alimentación de CA de bajo voltaje (salida de 6 voltios)
• Dos diodos rectificadores 1N4001 (Radio Shack catálogo # 276-1101)
• Pequeño motor “hobby”, tipo imán permanente (catálogo Radio Shack # 273-223 o equivalente)
• Detector de audio con auriculares
• Capacitor 0.1 µF
• Un interruptor de palanca, SPST (“Monopolo, Mono-Tiro”)

Es esencial para este experimento que la fuente de alimentación de CA de bajo voltaje esté equipada con una toma central. Un transformador con un devanado secundario sin derivación simplemente no funcionará para este circuito.

Los diodos no necesitan ser unidades exactas modelo 1N4001. Cualquiera de la serie “1N400X” de diodos rectificadores son adecuados para la tarea, y son bastante fáciles de obtener.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 3: “Diodos y Rectificadores”

Objetivos de aprendizaje

• Diseño de un circuito rectificador de toma central
• Medición de voltaje de “ondulación” con un voltímetro

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Este circuito rectificador se llama onda completa porque hace uso de toda la forma de onda, tanto los semiciclos positivos como los negativos, de la tensión de la fuente de CA en la alimentación de la carga de CC. Como resultado, hay menos voltaje de “ondulación” visto en la carga. El valor RMS (Root-Mean-Square) de la salida del rectificador también es mayor para este circuito que para el rectificador de media onda.

Use un voltímetro para medir tanto el voltaje de CC como de CA suministrado al motor. Debe notar las ventajas del rectificador de onda completa inmediatamente por las mayores indicaciones de CC y CA más bajas en comparación con el último experimento.

Una ventaja experimental de este circuito es la facilidad con la que puede ser “desconvertido” en un rectificador de media onda: simplemente desconecte el cable puente corto que conecta los extremos del cátodo de los dos diodos juntos en la regleta de terminales. Mejor aún, para una comparación rápida entre la rectificación de media y onda completa, puede agregar un interruptor en el circuito para abrir y cerrar esta conexión a voluntad:

Con la capacidad de cambiar rápidamente entre la rectificación de media y onda completa, puede realizar fácilmente comparaciones cualitativas entre los dos modos de funcionamiento diferentes. Utilice el detector de señal de audio para “escuchar” el voltaje de ondulación presente entre los terminales del motor para los modos de rectificación de media onda y onda completa, observando tanto la intensidad como la calidad del tono. Recuerde usar un condensador de acoplamiento en serie con el detector para que solo reciba el voltaje de “ondulación” de CA y no el voltaje de CC:

SIMULACIÓN COMPU

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5.06: Rectificador

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5.6: Rectificador/Circuito de Filtro

PARTES Y MATERIALES

• Fuente de alimentación de CA de bajo voltaje
• Paquete puente rectificador (Radio Shack catálogo # 276-1185 o equivalente)
• Condensador electrolítico, 1000 µF, al menos 25 WVDC (catálogo de Radio Shack # 272-1047 o equivalente)
• Cuatro postes de unión tipo jack “banana”, u otro hardware de terminal, para la conexión al circuito del potenciómetro (catálogo Radio Shack # 274-662 o equivalente)
• Caja metálica
• Bombilla de 12 voltios, 25 vatios
• Zócalo de la lámpara

Se recomienda encarecidamente un “paquete” de rectificador de puente sobre la construcción de un circuito rectificador de puente a partir de diodos individuales, ya que dichos “paquetes” están hechos para atornillar a un disipador de calor de metal. Se recomienda una caja metálica sobre una caja de plástico por su capacidad para funcionar como disipador de calor para el rectificador.

Un valor de condensador más grande está bien para usar en este experimento, siempre y cuando su voltaje de trabajo sea lo suficientemente alto. Para estar seguro, elija un condensador con una clasificación de voltaje de trabajo al menos el doble de la salida de voltaje de CA RMS de la fuente de alimentación de CA de bajo voltaje.

Las lámparas de 12 voltios de alta potencia se pueden comprar en un vehículo recreativo (RV) y en una tienda de suministros para embarcaciones. Los tamaños comunes son 25 watts y 50 watts. Esta lámpara se utilizará como una carga “pesada” para la fuente de alimentación.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 8: “Filtros”

Objetivos de aprendizaje

• Función de filtro capacitivo en una fuente de alimentación CA/CC
• Importancia de los disipadores de calor para semiconductores de potencia

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Este experimento consiste en la construcción de un rectificador y un circuito de filtro para la conexión a la fuente de alimentación de CA de bajo voltaje construida anteriormente. Con este dispositivo, tendrá una fuente de alimentación de CC de bajo voltaje adecuada como reemplazo de una batería en experimentos alimentados por batería. Si desea hacer de este dispositivo su propia fuente de alimentación de 120VAC/DC, puede agregar todos los componentes de la fuente de CA de bajo voltaje al lado “AC in” de este circuito: un transformador, cable de alimentación y enchufe. Incluso si no eliges hacer esto, te recomiendo usar una caja metálica más grande de lo necesario para proporcionar espacio para circuitos de regulación de voltaje adicionales que podrías elegir agregar a este proyecto más adelante.

La unidad rectificadora de puente debe estar clasificada para una corriente al menos tan alta como la nominal del devanado secundario del transformador, y para un voltaje al menos dos veces más alto que el voltaje RMS de la salida del transformador (esto permite voltaje pico, más un margen de seguridad adicional). El rectificador Radio Shack especificado en la lista de piezas está clasificado para 25 amperios y 50 voltios, más que suficiente para la salida de la fuente de alimentación de CA de bajo voltaje especificada en el capítulo de experimentos de CA.

Las unidades rectificadoras de este tamaño suelen estar equipadas con terminales de “desconexión rápida”. Se venden orejetas de “desconexión rápida” de cortesía que se engarzan en los extremos desnudos de un cable. Este es el método preferido de conexión de terminales. Puede soldar cables directamente a las orejetas del rectificador, pero recomiendo no soldar directamente a cualquier componente semiconductor por dos razones: posible daño por calor durante la soldadura, y dificultad para reemplazar el componente en caso de falla.

Los dispositivos semiconductores son más propensos a fallar que la mayoría de los componentes cubiertos en estos experimentos hasta ahora, por lo que si tienes alguna intención de hacer permanente un circuito, debes construirlo para que se mantenga. La “construcción mantenible” implica, entre otras cosas, hacer que todos los componentes delicados sean reemplazables. También significa hacer que los “puntos de prueba” sean accesibles a las sondas medidoras en todo el circuito, de manera que la resolución de problemas se pueda ejecutar con un mínimo de inconvenientes. Las regletas de terminales proporcionan inherentemente puntos de prueba para tomar mediciones de voltaje, y también permiten una fácil desconexión de los cables sin sacrificar la durabilidad de la conexión.

Atornillar la unidad rectificadora al interior de la caja metálica. El área de superficie de la caja actuará como radiador, manteniendo la unidad rectificadora fría a medida que pasa altas corrientes. Cualquier superficie metálica del radiador diseñada para bajar la temperatura de funcionamiento de un componente electrónico se llama disipador de calor. Los dispositivos semiconductores, en general, son propensos a sufrir daños por sobrecalentamiento, por lo que proporcionar una ruta para la transferencia de calor desde el (los) dispositivo (s) al aire ambiente es muy importante cuando el circuito en cuestión puede manejar grandes cantidades de energía.

Se incluye un condensador en el circuito para actuar como un filtro para reducir el voltaje de ondulación. Asegúrese de conectar el condensador correctamente a través de los terminales de salida de CC del rectificador para que las polaridades coincidan. Al ser un condensador electrolítico, es sensible al daño por inversión de polaridad. En este circuito especialmente, donde la resistencia interna del transformador y rectificador son bajas y la corriente de cortocircuito en consecuencia es alta, el potencial de daño es grande. Advertencia: ¡un condensador fallido en este circuito probablemente explotará con una fuerza alarmante!

Después de construir el circuito rectificador/filtro, conéctelo a la fuente de alimentación de CA de bajo voltaje de esta manera:

Mida la salida de voltaje de CA por la fuente de alimentación de bajo voltaje. Su medidor debe indicar aproximadamente 6 voltios si el circuito está conectado como se muestra. Esta medición de voltaje es el voltaje RMS de la fuente de alimentación de CA.

Ahora, cambie su multímetro a la función de voltaje de CC y mida la salida de voltaje de CC por el circuito rectificador/filtro. Debe leer sustancialmente más alto que el voltaje RMS de la entrada de CA medida anteriormente. La acción de filtrado del condensador proporciona un voltaje de salida de CC igual al voltaje de CA pico, de ahí la mayor indicación de voltaje:

Mida la magnitud del voltaje de ondulación de CA con un voltímetro digital configurado en voltios de CA (o milivoltios de CA). Debe notar un voltaje de ondulación mucho menor en este circuito que lo que se midió en cualquiera de los circuitos rectificadores sin filtrar construidos anteriormente. Siéntase libre de usar su detector de audio para “escuchar” la salida de voltaje de ondulación de CA por la unidad rectificadora/filtro. Como es habitual, conecte un pequeño condensador de “acoplamiento” en serie con el detector para que no responda a la tensión de CC, sino solo a la ondulación de CA. Se debe escuchar muy poco sonido.

Después de tomar mediciones de voltaje de ondulación de CA descargadas, conecte la bombilla de 25 vatios a la salida del circuito rectificador/filtro de esta manera:

Vuelva a medir el voltaje de ondulación presente entre los terminales de “salida de CC” de la unidad de rectificador/filtro. Con una carga pesada, el condensador del filtro se descarga entre picos de voltaje rectificados, lo que resulta en una mayor ondulación que antes:

Si se desea menos ondulación bajo condiciones de carga pesada, se puede usar un condensador más grande, o se puede construir un circuito de filtro más complejo usando dos condensadores y un inductor:

Si elige construir dicho circuito de filtro, asegúrese de usar un inductor de núcleo de hierro para obtener la máxima inductancia y uno con un cable lo suficientemente grueso para manejar de manera segura la corriente nominal completa de la fuente de alimentación. Los inductores utilizados con el propósito de filtrar a veces se conocen como chokes porque “chocan” el voltaje de ondulación de CA para que no llegue a la carga. Si no se puede obtener un estrangulador adecuado, se puede usar el devanado secundario de un transformador de potencia reductor como el tipo utilizado para escalonar 120 voltios de CA a 12 o 6 voltios de CA en la fuente de alimentación de bajo voltaje. Deje abierto el devanado primario (120 voltios):

SIMULACIÓN COMPU

Puede disminuir el valor de la _carga R en la simulación de 10 kΩ a algún valor menor para explorar los efectos de la carga en el voltaje de ondulación. Al igual que con una resistencia de carga de 10 kΩ, la ondulación es indetectable en la forma de onda trazada por SPICE.

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5.6: Rectificador

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5.7: Regulador de Voltaje

PARTES Y MATERIALES

• Cuatro baterías de 6 voltios
• Diodo Zener, tipo 1N4742 de 12 voltios (Radio Shack catálogo # 276-563 o equivalente)
• Una resistencia de 10 kΩ

Cualquier diodo zener de bajo voltaje es apropiado para este experimento. El modelo 1N4742 listado aquí (voltaje zener = 12 voltios) no es más que una sugerencia. Sea cual sea el modelo de diodo que elija, le recomiendo encarecidamente uno con una clasificación de voltaje zener mayor que el voltaje de una sola batería, para una experiencia de aprendizaje máxima. Es importante que veas cómo funciona un diodo zener cuando se expone a un voltaje menor que su clasificación de avería.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 3: “Diodos y Rectificadores”

Objetivos de aprendizaje

• Función de diodo Zener

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Construya este circuito simple, asegurándose de conectar el diodo en forma de “polarización inversa” (cátodo positivo y ánodo negativo), y mida el voltaje a través del diodo con una batería como fuente de alimentación. Registre esta caída de voltaje para referencia futura. Además, mida y registre la caída de voltaje a través de las resistencias de 10 kΩ.

Modifique el circuito conectando dos baterías de 6 voltios en serie, para un voltaje total de fuente de alimentación de 12 voltios. Vuelva a medir la caída de voltaje del diodo, así como la caída de voltaje de la resistencia, con un voltímetro:

Conecte tres, luego cuatro baterías de 6 voltios juntas en serie, formando una fuente de alimentación de 18 y 24 voltios, respectivamente. Mida y registre las caídas de voltaje del diodo y la resistencia para cada nuevo voltaje de fuente de alimentación. ¿Qué nota acerca de la caída de voltaje del diodo para estos cuatro voltajes de fuente diferentes? ¿Ves como el voltaje del diodo nunca supera un nivel de 12 voltios? ¿Qué nota sobre la caída de voltaje de la resistencia para estos cuatro niveles de voltaje de fuente diferentes?

Los diodos Zener se utilizan frecuentemente como dispositivos reguladores de voltaje porque actúan para sujetar la caída de voltaje a través de ellos mismos a un nivel predeterminado. Cualquier exceso de voltaje que suministre la fuente de alimentación se reduce a través de la resistencia en serie. Sin embargo, es importante señalar que un diodo zener no puede suplir una deficiencia en el voltaje de la fuente. Por ejemplo, este diodo zener de 12 voltios no baja 12 voltios cuando la fuente de alimentación es de solo 6 voltios de potencia. Es útil pensar en un diodo zener como un limitador de voltaje: establecer una caída de voltaje máxima, pero no una caída de voltaje mínima.

SIMULACIÓN COMPU

Un diodo zener puede simularse en SPICE con un diodo normal, el parámetro de ruptura inversa (bv=12) ajustado al voltaje de ruptura zener deseado.

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5.8: Transistor como interruptor

PARTES Y MATERIALES

• Dos baterías de 6 voltios
• Un transistor NPN: se recomiendan los modelos 2N2222 o 2N3403 (Radio Shack catálogo # 276-1617 es un paquete de quince transistores NPN ideal para este y otros experimentos)
• Una resistencia de 100 kΩ
• Una resistencia de 560 Ω
• Un diodo emisor de luz (Radio Shack catálogo # 276-026 o equivalente)

Los valores de resistencia no son críticos para este experimento. Tampoco se selecciona el diodo emisor de luz (LED) particular.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: “Transistores de Unión Bipolar”

Objetivos de aprendizaje

• Amplificación de corriente de un transistor de unión bipolar

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

El cable rojo que se muestra en el diagrama (el que termina en una punta de flecha, conectado a un extremo de la resistencia de 100 kΩ) está destinado a permanecer suelto, para que puedas tocarlo momentáneamente a otros puntos del circuito.resistor) está destinado a permanecer suelto, para que puedas tocarlo momentáneamente a otros puntos en el circuito.

Si toca el extremo del cable suelto a cualquier punto del circuito más positivo que éste, como el lado positivo de la fuente de alimentación de CC, el LED debería encenderse. Se necesitan 20 mA para iluminar completamente un LED estándar, por lo que este comportamiento debería parecerle interesante porque la resistencia de 100 kΩ a la que está conectado el cable suelto restringe la corriente a través de él a un valor mucho menor que 20 mA. A lo sumo, un voltaje total de 12 voltios a través de una resistencia de 100 kΩ produce una corriente de solo 0.12 mA, ¡o 120 µA! La conexión que se realiza al tocar el cable a un punto positivo en el circuito conduce mucha menos corriente que 1 mA, sin embargo, a través de la acción amplificadora del transistor, es capaz de controlar una corriente mucho mayor a través del LED.

Intente usar un amperímetro para conectar el cable suelto al lado positivo de la fuente de alimentación, así:

Es posible que tenga que seleccionar el rango de corriente más sensible en el medidor para medir este pequeño flujo. Después de medir esta corriente controladora, intente medir la corriente del LED (la corriente controlada) y compare magnitudes. ¡No se sorprenda si encuentra una relación superior a 200 (la corriente controlada 200 veces más grande que la corriente de control)!

Como puede ver, el transistor está actuando como una especie de interruptor controlado eléctricamente, encendiendo y apagando la corriente al LED al comando de una señal de corriente mucho menor conducida a través de su terminal base.

Para ilustrar aún más cuán minúscula es la corriente de control, retire el cable suelto del circuito e intente “unir” el extremo desconectado de la resistencia de 100 kΩ al polo positivo de la fuente de alimentación con dos dedos de una mano. Es posible que deba mojar los extremos de esos dedos para maximizar la conductividad:

Intenta variar la presión de contacto de tus dedos con estos dos puntos en el circuito para variar la cantidad de resistencia en la trayectoria de la corriente controladora. ¿Se puede variar el brillo del LED al hacerlo? Qué indica esto sobre la capacidad del transistor para actuar como algo más que un interruptor; es decir, como una variable

SIMULACIÓN COMPU

En esta simulación, la caída de voltaje a través de la resistencia de 560 Ω v (1,3) resulta ser de 10.26 voltios, lo que indica una corriente LED de 18.32 mA según la Ley de Ohm (I=E/R). La caída de voltaje de R ₁ (voltaje entre los nodos 1 y 2) termina siendo de 11.15 voltios, que a través de 100 kΩ da una corriente de solo 111.5 µA. Obviamente, una corriente muy pequeña está ejerciendo control sobre una corriente mucho mayor en este circuito.

En caso de que se lo preguntara, el parámetro is=1e-28 en la línea .model del diodo está ahí para hacer que el diodo actúe más como un LED con una caída de voltaje directa más alta.

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5.9: Sensor de Electricidad Estática

PARTES Y MATERIALES

• Un transistor de efecto campo de unión de canal N, modelos 2N3819 o J309 recomendados (Radio Shack catálogo # 276-2035 es el modelo 2N3819)
• Una batería de 6 voltios
• Una resistencia de 100 kΩ
• Un diodo emisor de luz (Radio Shack catálogo # 276-026 o equivalente)
• Peine de Plástico

El modelo particular de transistor de efecto de campo de unión, o JFET, utilizado en este experimento no es crítico. Los JFET de canal P también están bien para usar, pero no son tan populares como los transistores de canal N.

Tenga en cuenta que no todos los transistores comparten las mismas designaciones de terminales, o pinouts, aunque compartan la misma apariencia física. Esto dictará cómo conecta los transistores entre sí y a otros componentes, así que asegúrese de verificar las especificaciones del fabricante (hoja de datos del componente), fácilmente obtenidas del sitio web del fabricante. ¡Tenga en cuenta que es posible que el paquete del transistor e incluso la hoja de datos del fabricante muestre diagramas de identificación de terminales incorrectos! Es muy recomendable verificar las identidades de los pines con la función de “verificación de diodos” de su multímetro. Para obtener detalles sobre cómo identificar terminales de transistores de efecto campo de unión usando un multímetro, consulte el capítulo 5 del volumen Semiconductor (volumen III) de esta serie de libros.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 5: “Transistores de Efecto Campo de Unión”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo se usa el JFET como interruptor de encendido/apagado
• En qué se diferencia la ganancia de corriente JFET de un transistor bipolar

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Este experimento es muy similar al experimento anterior utilizando un transistor de unión bipolar (BJT) como dispositivo de conmutación para controlar la corriente a través de un LED. En este experimento, se utiliza en su lugar un transistor de efecto de campo de unión, lo que proporciona una sensibilidad dramáticamente mejorada.

Construye este circuito y toca el extremo del cable suelto (el cable que se muestra en rojo en el diagrama esquemático y en la ilustración, conectado a la resistencia de 100 kΩ) con la mano. Simplemente tocar este cable probablemente tendrá un efecto en el estado del LED. ¡Este circuito hace un sensor fino de electricidad estática! Intente desgastarse los pies en una alfombra y luego tocar el extremo del cable si aún no se ve ningún efecto en la luz.

Para una prueba más controlada, toque el cable con una mano y alternativamente toque los terminales positivo (+) y negativo (-) de la batería con un dedo de la otra mano. Tu cuerpo actúa como conductor (aunque pobre), conectando el terminal de puerta del JFET a cualquiera de los terminales de la batería a medida que los tocas. Anote qué terminal hace que el LED se encienda y cuál hace que el LED se apague. Intenta relacionar este comportamiento con lo que has leído sobre los JFET en el capítulo 5 del volumen Semiconductor.

El hecho de que un JFET se encienda y apague tan fácilmente (requiriendo tan poca corriente de control), como lo demuestra el control completo de encendido y apagado simplemente por la conducción de una corriente de control a través de su cuerpo, demuestra cuán grande de ganancia de corriente tiene. Con el experimento de “interruptor” de BJT, se necesitaba una conexión mucho más “sólida” entre el terminal de puerta del transistor y una fuente de voltaje para encenderlo. No es así con el JFET. De hecho, la mera presencia de electricidad estática puede encenderla y apagarla a distancia.

Para seguir experimentando con los efectos de la electricidad estática en este circuito, cepilla tu cabello con el peine de plástico y luego agite el peine cerca del transistor, observando el efecto en el LED. La acción de peinar tu cabello con un objeto plástico crea un alto voltaje estático entre el peine y tu cuerpo. ¡El fuerte campo eléctrico producido entre estos dos objetos debería ser detectable por este circuito desde una distancia significativa!

En caso de que se esté preguntando por qué no hay una resistencia de 560 Ω de “caída” para limitar la corriente a través del LED, muchos JFET de señal pequeña tienden a autolimitar su corriente controlada a un nivel aceptable por los LED. El modelo 2N3819, por ejemplo, tiene una corriente de drenaje saturada típica (I _DSS) de 10 mA y un máximo de 20 mA. Dado que la mayoría de los LED están clasificados a una corriente directa de 20 mA, no hay necesidad de una resistencia de caída para limitar la corriente del circuito: el JFET lo hace intrínsecamente.

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5.10: Sensor de luz pulsada

PARTES Y MATERIALES

• Dos baterías de 6 voltios
• Un transistor NPN: se recomiendan los modelos 2N2222 o 2N3403 (Radio Shack catálogo # 276-1617 es un paquete de quince transistores NPN ideal para este y otros experimentos)
• Un diodo emisor de luz (Radio Shack catálogo # 276-026 o equivalente)
• Detector de audio con auriculares

Si no tienes un detector de audio ya construido, puedes usar un bonito juego de auriculares de audio (estilo de copa cerrada, que cubre completamente tus oídos) y un transformador reductor de 120V/6V para construir un detector de audio sensible sin control de volumen ni protección contra sobretensiones, solo para este experimento.

Conecte estas partes del conector estéreo de auriculares al devanado secundario del transformador (6 voltios):

Pruebe tanto los esquemas de conexión en serie como en paralelo para obtener el sonido más fuerte.

Si no ha creado un detector de audio como se describe en los capítulos de experimentos de CC y CA, realmente debería, es una valiosa pieza de equipo de prueba para su colección.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: “Transistores de Unión Bipolar”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo usar un transistor como amplificador de emisor común crudo
• Cómo usar un LED como sensor de luz

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Este circuito detecta pulsos de luz que golpean el LED y los convierte en señales de audio relativamente fuertes para ser escuchadas a través de los auriculares. Forrest Mims enseña que los LED tienen la capacidad de producir corriente cuando se exponen a la luz, de una manera no diferente a una célula solar semiconductora. [MIM] Por sí mismo, el LED no produce suficiente energía eléctrica para accionar el circuito detector de audio, por lo que se utiliza un transistor para amplificar las señales del LED. Si el LED está expuesto a una fuente de luz pulsante, se escuchará un tono en los auriculares.

Las fuentes de luz adecuadas para este experimento incluyen lámparas fluorescentes y de neón, que parpadean rápidamente con la potencia de CA de 60 Hz energizándolas. También puede intentar usar luz solar brillante para obtener una fuente de luz constante y luego agitando los dedos frente al LED. Las sombras que pasan rápidamente harán que el LED genere pulsos de voltaje, creando un breve sonido de “zumbido” en los auriculares.

Los LEDs que sirven como fotodetectores son dispositivos de banda estrecha, que responden a una banda estrecha de longitudes de onda cercanas, pero no idénticas, a las emitidas normalmente. Los mandos a distancia por infrarrojos son una buena fuente de iluminación para los LEDs de infrarrojo cercano empleados como fotosensores, produciendo un sonido receptor. [MIM3]

Con un poco de imaginación, no es difícil comprender el concepto de transmitir información de audio, como música o voz, a través de un haz de luz pulsante. Dado un circuito “transmisor” adecuado para encender y apagar un LED con las crestas positiva y negativa de una forma de onda de audio desde un micrófono, el circuito “receptor” que se muestra aquí convertiría esos pulsos de luz nuevamente en señales de audio. [MIM2]

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5.11: Seguidor de Voltaje

PARTES Y MATERIALES

• Un transistor NPN: se recomiendan los modelos 2N2222 o 2N3403 (Radio Shack catálogo # 276-1617 es un paquete de quince transistores NPN ideal para este y otros experimentos)
• Dos baterías de 6 voltios
• Dos resistencias de 1 kΩ
• Un potenciómetro de 10 kΩ, giro simple, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)

Tenga en cuenta que no todos los transistores comparten las mismas designaciones de terminales, o pinouts, aunque compartan la misma apariencia física. Esto dictará cómo conecta los transistores entre sí y a otros componentes, así que asegúrese de verificar las especificaciones del fabricante (hoja de datos del componente), fácilmente obtenidas del sitio web del fabricante. ¡Tenga en cuenta que es posible que el paquete del transistor e incluso la hoja de datos del fabricante muestre diagramas de identificación de terminales incorrectos! Es muy recomendable verificar las identidades de los pines con la función de “verificación de diodos” de su multímetro. Para obtener detalles sobre cómo identificar terminales de transistores bipolares utilizando un multímetro, consulte el capítulo 4 del volumen Semiconductor (volumen III) de esta serie de libros.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: “Transistores de Unión Bipolar”

Objetivos de aprendizaje

• Propósito de la “tierra” del circuito cuando no hay una conexión real a tierra
• Uso de una resistencia de derivación para medir la corriente con un voltímetro
• Medir ganancia de voltaje del amplificador
• Medir ganancia de corriente del amplificador
• Transformación de impedancia de amplificador

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Nuevamente, tenga cuidado de que el transistor que seleccione para este experimento puede no tener las mismas designaciones de terminales que se muestran aquí, por lo que el diseño de la placa de pruebas que se muestra en la ilustración puede no ser correcto para usted. En mis ilustraciones, muestro todos los transistores de paquete TO-92 con terminales etiquetados “CBE”: Colector, Base y Emisor, de izquierda a derecha. Esto es correcto para el transistor modelo 2N2222 y algunos otros, pero no para todos; ¡ni siquiera para todos los transistores de tipo NPN! Como de costumbre, consulte con el fabricante para obtener detalles sobre los componentes particulares que elija para un proyecto. Con los transistores de unión bipolar, es bastante fácil verificar las asignaciones de terminales con un multímetro.

El seguidor de voltaje es el circuito amplificador de transistor más seguro y fácil de construir. Su propósito es proporcionar aproximadamente el mismo voltaje a una carga que lo que es entrada al amplificador pero a una corriente mucho mayor. En otras palabras, no tiene ganancia de voltaje, pero sí tiene ganancia de corriente.

Tenga en cuenta que el lado negativo (-) de la fuente de alimentación se muestra en el diagrama esquemático para conectarse a tierra, como lo indica el símbolo en la esquina inferior izquierda del diagrama. Esto no representa necesariamente una conexión con la tierra real. Lo que significa es que este punto en el circuito, y todos los puntos eléctricamente comunes al mismo, constituyen el punto de referencia predeterminado para todas las mediciones de voltaje en el circuito. Dado que el voltaje es por necesidad una cantidad relativa entre dos puntos, un punto de referencia “común” designado en un circuito nos da la capacidad de hablar de manera significativa de voltaje en puntos particulares, individuales en ese circuito.

Por ejemplo, si hablara de voltaje en la base del transistor (V _B), me referiría al voltaje medido entre el terminal base del transistor y el lado negativo de la fuente de alimentación (tierra), con la sonda roja tocando el terminal base y tocando la sonda negra suelo. Normalmente, no tiene sentido hablar de voltaje en un solo punto, pero tener un punto de referencia implícito para las mediciones de voltaje hace que tales declaraciones sean significativas:

Construya este circuito y mida el voltaje de salida frente al voltaje de entrada para varios ajustes de potenciómetro diferentes. El voltaje de entrada es el voltaje en el limpiaparabrisas del potenciómetro (voltaje entre el limpiaparabrisas y tierra del circuito), mientras que el voltaje de salida es el voltaje de la resistencia de carga (voltaje a través de la resistencia de carga o voltaje del emisor: entre el emisor y la tierra del circuito). Deberías ver una estrecha correlación entre estos dos voltajes: uno es solo un poco mayor que el otro (¿aproximadamente 0.6 voltios o así?) , pero un cambio en el voltaje de entrada da un cambio casi igual en el voltaje de salida. Debido a que la relación entre el cambio de entrada y el cambio de salida es casi 1:1, decimos que la ganancia de voltaje de CA de este amplificador es de casi 1.

No es muy impresionante, ¿verdad? Ahora mida la corriente a través de la base del transistor (corriente de entrada) versus la corriente a través de la resistencia de carga (corriente de salida). Antes de romper el circuito e insertar su amperímetro para tomar estas medidas, considere un método alternativo: medir el voltaje a través de la base y las resistencias de carga, cuyos valores de resistencia son conocidos. Usando la Ley de Ohm, la corriente a través de cada resistencia puede calcularse fácilmente: dividir el voltaje medido por la resistencia conocida (I=E/R). Este cálculo es particularmente fácil con resistencias de valor de 1 kΩ: habrá 1 miliamperio de corriente por cada voltio de caída a través de ellas. Para obtener la mejor precisión, puede medir la resistencia de cada resistencia en lugar de asumir un valor exacto de 1 kΩ, pero realmente no importa mucho para los fines de este experimento. Cuando las resistencias se utilizan para tomar medidas de corriente “traduciendo” una corriente en una tensión correspondiente, a menudo se las conoce como resistencias de derivación.

Debe esperar encontrar grandes diferencias entre las corrientes de entrada y salida para este circuito amplificador. De hecho, no es raro experimentar ganancias de corriente muy superiores a 200 para un transistor de señal pequeña que opera a bajos niveles de corriente. Este es el propósito principal de un circuito seguidor de voltaje: aumentar la capacidad de corriente de una señal “débil” sin alterar su voltaje.

Otra forma de pensar de la función de este circuito es en términos de impedancia. El lado de entrada de este amplificador acepta una señal de voltaje sin extraer mucha corriente. El lado de salida de este amplificador entrega el mismo voltaje, pero a una corriente limitada solo por la resistencia de carga y la capacidad de manejo de corriente del transistor. Fundido en términos de impedancia, podríamos decir que este amplificador tiene una alta impedancia de entrada (caída de voltaje con muy poca corriente extraída) y una baja impedancia de salida (voltaje caído con capacidad de abastecimiento de corriente casi ilimitada).

Simulación por computadora

Cuando esta simulación se ejecuta a través del programa SPICE, muestra un voltaje de entrada de 5.937 voltios y un voltaje de salida de 5.095 voltios, con una corriente de entrada de 25.35 µA (2.535E-02 voltios cayeron a través de la resistencia _base de 1 kΩ R). La corriente de salida es, por supuesto, 5.095 mA, inferida del voltaje de salida de 5.095 voltios caído a través de una resistencia de carga de exactamente 1 kΩ. Se puede cambiar la configuración del “potenciómetro” en este circuito ajustando los valores de R _pot1 y R _pot2, manteniendo siempre su suma en 10 kΩ.

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5.12: Amplificador de emisor común

PARTES Y MATERIALES

• Un transistor NPN — modelo 2N2222 o 2N3403 recomendado (Radio Shack catálogo # 276-1617 es un paquete de quince transistores NPN ideal para este y otros experimentos)
• Dos baterías de 6 voltios
• Un potenciómetro de 10 kΩ, giro simple, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)
• Una resistencia de 1 MΩ
• Una resistencia de 100 kΩ
• Una resistencia de 10 kΩ
• Una resistencia de 1.5 kΩ

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: “Transistores de Unión Bipolar”

Objetivos de aprendizaje

• Diseño de un circuito amplificador simple de emisor común
• Cómo medir la ganancia de voltaje del amplificador
• La diferencia entre un amplificador inversor y un amplificador no inversor
• Formas de introducir retroalimentación negativa en un circuito amplificador

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Construya este circuito y mida el voltaje de salida (voltaje medido entre el terminal del colector del transistor y tierra) y el voltaje de entrada (voltaje medido entre el terminal del limpiaparabrisas del potenciómetro y tierra) para varios ajustes de posición del potenciómetro. Recomiendo determinar el rango de voltaje de salida ya que el potenciómetro se ajusta a través de todo su rango de movimiento, luego elegir varios voltajes que abarcan ese rango de salida para tomar mediciones en. Por ejemplo, si la rotación completa en el potenciómetro impulsa el voltaje de salida del circuito amplificador de 0.1 voltios (bajo) a 11.7 voltios (alto), elija varios niveles de voltaje entre esos límites (1 voltio, 3 voltios, 5 voltios, 7 voltios, 9 voltios y 11 voltios). Midiendo el voltaje de salida con un medidor, ajusta el potenciómetro para obtener cada uno de estos voltajes predeterminados en la salida, anotando la cifra exacta para posterior referencia. Luego, mida el voltaje de entrada exacto que produce ese voltaje de salida y registre esa cifra de voltaje también.

Al final, debe tener una tabla de números que represente varios voltajes de salida diferentes junto con sus correspondientes voltajes de entrada. Tome dos pares de cifras de voltaje y calcule la ganancia de voltaje dividiendo la diferencia en los voltajes de salida por la diferencia en los voltajes de entrada. Por ejemplo, si un voltaje de entrada de 1.5 voltios me da un voltaje de salida de 7.0 voltios y un voltaje de entrada de 1.66 voltios me da un voltaje de salida de 1.0 voltios, la ganancia de voltaje del amplificador es (7.0 - 1.0)/(1.66 - 1.5), o 6 dividido por 0.16: una relación de ganancia de 37.50.

Debe notar inmediatamente dos características al tomar estas mediciones de voltaje: primero, que el efecto de entrada a salida se “invierte”; es decir, un voltaje de entrada creciente da como resultado un voltaje de salida decreciente. Este efecto se conoce como inversión de señal, y este tipo de amplificador como amplificador inversor. En segundo lugar, este amplificador exhibe una ganancia de voltaje muy fuerte: un pequeño cambio en el voltaje de entrada da como resultado un gran cambio en el voltaje de salida. Esto debería estar en marcado contraste con el circuito amplificador “seguidor de voltaje” discutido anteriormente, que tenía una ganancia de voltaje de aproximadamente 1.

Los amplificadores de emisor común son ampliamente utilizados debido a su alta ganancia de voltaje, pero rara vez se usan en una forma tan cruda como esta. Aunque este circuito amplificador trabaja para demostrar el concepto básico, es muy susceptible a los cambios de temperatura. Intenta dejar el potenciómetro en una posición y calentar el transistor agarrándolo firmemente con la mano o calentándolo con alguna otra fuente de calor como un secador de pelo eléctrico (ADVERTENCIA: ¡ten cuidado de no calentarlo tanto que tu tabla de pruebas de plástico se derrita!). También puede explorar los efectos de temperatura enfriando el transistor: toque un cubo de hielo a su superficie y observe el cambio en el voltaje de salida.

Cuando la temperatura del transistor cambia, sus características de diodo base-emisor cambian, lo que resulta en diferentes cantidades de corriente base para el mismo voltaje de entrada. Esto, a su vez, altera la corriente controlada a través del terminal del colector, afectando así el voltaje de salida. Tales cambios pueden minimizarse mediante el uso de retroalimentación de señal, por lo que una parte de la tensión de salida se “retroalimenta” a la entrada del amplificador para tener un efecto negativo, o de cancelación, sobre la ganancia de voltaje. La estabilidad se mejora a expensas de la ganancia de voltaje, una solución de compromiso, pero práctica no obstante.

Quizás la forma más sencilla de agregar retroalimentación negativa a un amplificador de emisor común es agregar cierta resistencia entre el terminal emisor y tierra para que el voltaje de entrada se divida entre la unión PN base-emisor y la caída de voltaje a través de la nueva resistencia:

Repita el mismo ejercicio de medición de voltaje y grabación con la resistencia de 1.5 kΩ instalada, calculando la nueva ganancia de voltaje (reducida). Intente alterar nuevamente la temperatura del transistor y anotar el voltaje de salida para un voltaje de entrada constante. ¿Cambia más o menos que sin la resistencia de 1.5 kΩ?

Otro método para introducir retroalimentación negativa a este circuito amplificador es “acoplar” la salida a la entrada a través de una resistencia de alto valor. Conectar una resistencia de 1 MΩ entre el colector del transistor y los terminales base funciona bien:

Aunque este método diferente de retroalimentación logra el mismo objetivo de aumentar la estabilidad al disminuir la ganancia, los dos circuitos de retroalimentación no se comportarán de manera idéntica. Observe el rango de posibles voltajes de salida con cada esquema de retroalimentación (los valores de voltaje bajo y alto obtenidos con un barrido completo del potenciómetro de voltaje de entrada), y cómo esto difiere entre los dos circuitos.

SIMULACIÓN COMPU

Esta simulación SPICE configura un circuito con una fuente de voltaje CC variable (vin) como señal de entrada y mide la tensión de salida correspondiente entre los nodos 2 y 0. El voltaje de entrada se varía, o “barrido”, de 0 a 2 voltios en incrementos de 0.05 voltios. Los resultados se muestran en una gráfica, con el voltaje de entrada apareciendo como una línea recta y el voltaje de salida como una figura de “paso” donde el voltaje comienza y termina de nivel, con un cambio pronunciado en el medio donde el transistor se encuentra en su modo activo de operación.

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5.13: Amplificador multietapa

PARTES Y MATERIALES

• Tres transistores NPN — modelo 2N2222 o 2N3403 recomendado (Radio Shack catálogo # 276-1617 es un paquete de quince transistores NPN ideal para este y otros experimentos)
• Dos baterías de 6 voltios
• Un potenciómetro de 10 kΩ, giro simple, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)
• Una resistencia de 1 MΩ
• Tres resistencias de 100 kΩ
• Tres resistencias de 10 kΩ

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: “Transistores de Unión Bipolar”

Objetivos de aprendizaje

• Diseño de un circuito amplificador multietapa de acoplamiento directo de emisor común
• Efecto de retroalimentación negativa en un circuito amplificador

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Al conectar tres circuitos amplificadores de emisor común juntos, el terminal de colector del transistor anterior a la base (resistencia) del siguiente transistor, las ganancias de voltaje de cada etapa se componen para dar una ganancia de voltaje general muy alta. Recomiendo construir este circuito sin la resistencia de retroalimentación de 1 MΩ, para empezar, para ver por ti mismo cuán alta es la ganancia de voltaje sin restricciones. Es posible que le resulte imposible ajustar el potenciómetro para un voltaje de salida estable (que no esté saturado a voltaje de suministro completo o cero), la ganancia es tan alta.

Incluso si no puede ajustar el voltaje de entrada lo suficientemente fino como para estabilizar el voltaje de salida en el rango activo del último transistor, debería poder decir que la relación de salida a entrada es inversora; es decir, la salida tiende a conducir a un voltaje alto cuando la entrada baja, y viceversa. Dado que cualquiera de las “etapas” de emisor común está invirtiendo en sí misma, un número par de amplificadores de emisor común por etapas da respuesta no inversora, mientras que un número impar de etapas da inversión. Puede experimentar estas relaciones midiendo el voltaje de colector a tierra en cada transistor mientras ajusta el potenciómetro de voltaje de entrada, observando si el voltaje de salida aumenta o disminuye con un aumento en el voltaje de entrada.

Conecte la resistencia de retroalimentación de 1 MΩ al circuito, acoplando el colector del último transistor a la base del primero. Dado que la respuesta general de este amplificador de tres etapas es inversora, la señal de retroalimentación proporcionada a través de la resistencia de 1 MΩ desde la salida del último transistor a la entrada del primero debe ser de naturaleza negativa. Como tal, actuará para estabilizar la respuesta del amplificador y minimizar la ganancia de voltaje. Debe notar la reducción en la ganancia inmediatamente por la disminución de la sensibilidad de la señal de salida en los cambios de la señal de entrada (cambios en la posición del potenciómetro). En pocas palabras, el amplificador no es tan “delicado” como lo fue sin la resistencia de retroalimentación en su lugar.

Al igual que con el amplificador simple de emisor común discutido en un experimento anterior, aquí es una buena idea hacer una tabla de cifras de voltaje de entrada versus salida con la que se puede calcular la ganancia de voltaje.

Experimentar con diferentes valores de resistencia a la retroalimentación. ¿Qué efecto cree que tiene una disminución en la resistencia de retroalimentación en la ganancia de voltaje? ¿Qué pasa con un aumento en la resistencia a la retroalimentación? Pruébalo y descúbrelo!

Una ventaja de usar retroalimentación negativa para “domar” un circuito amplificador de alta ganancia es que la ganancia de voltaje resultante se vuelve más dependiente de los valores de resistencia y menos dependiente de las características de los transistores constituyentes. Esto es bueno porque es mucho más fácil fabricar resistencias consistentes que transistores consistentes. Así, es más fácil diseñar un amplificador con ganancia predecible mediante la construcción de una red por etapas de transistores con una ganancia de voltaje arbitrariamente alta, para luego mitigar esa ganancia precisamente a través de retroalimentación negativa. Es este mismo principio el que se utiliza para hacer que los circuitos amplificadores operativos se comporten de manera tan predecible.

Este circuito amplificador está un poco simplificado de lo que normalmente encontrará en prácticos circuitos multietapa. Rara vez se usa una configuración pura de emisor común (es decir, sin resistencia de emisor a tierra), y si el servicio del amplificador es para señales de CA, el acoplamiento entre etapas a menudo es capacitivo con redes divisoras de voltaje conectadas a cada base de transistor para una polarización adecuada de cada etapa. Los circuitos amplificadores de radiofrecuencia a menudo están acoplados por transformador, con condensadores conectados en paralelo con los devanados del transformador para sintonización resonante.

Simulación por computadora

Esta simulación traza el voltaje de salida contra el voltaje de entrada y permite la comparación entre esas variables en forma numérica: una lista de cifras de voltaje impresas a la izquierda de la gráfica. Puede calcular la ganancia de voltaje tomando dos puntos de análisis cualesquiera y dividiendo la diferencia en los voltajes de salida por la diferencia en los voltajes de entrada, tal como lo hace para el circuito real.

Experimente con diferentes valores de resistencia de retroalimentación (rf) y vea el impacto en la ganancia de voltaje general. ¿Te das cuenta de un patrón? Aquí hay una pista: la ganancia de voltaje general puede aproximarse estrechamente usando las cifras de resistencia de r1 y rf, ¡sin referencia a ningún otro componente del circuito!

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5.14: Cómo construir un circuito de espejo de corriente

PARTES Y MATERIALES

• Dos transistores NPN: se recomiendan los modelos 2N2222 o 2N3403 (Radio Shack catálogo # 276-1617 es un paquete de quince transistores NPN ideal para este y otros experimentos)
• Dos baterías de 6 voltios
• Un potenciómetro de 10 kΩ, giro simple, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)
• Dos resistencias de 10 kΩ
• Cuatro resistencias de 1.5 kΩ

Se recomiendan transistores de señal pequeña para poder experimentar “fuga térmica” en la última parte del experimento. Los transistores de “potencia” más grandes pueden no exhibir el mismo comportamiento en estos bajos niveles de corriente. Sin embargo, se puede usar cualquier par de transistores NPN idénticos para construir un espejo de corriente.

Tenga en cuenta que no todos los transistores comparten las mismas designaciones de terminales, o pinouts, aunque compartan la misma apariencia física. Esto dictará cómo conecta los transistores entre sí y a otros componentes, así que asegúrese de verificar las especificaciones del fabricante (hoja de datos del componente), fácilmente obtenidas del sitio web del fabricante. ¡Tenga en cuenta que es posible que el paquete del transistor e incluso la hoja de datos del fabricante muestre diagramas de identificación de terminales incorrectos! Es muy recomendable verificar las identidades de los pines con la función de “verificación de diodos” de su multímetro. Para obtener detalles sobre cómo identificar terminales de transistores bipolares utilizando un multímetro, consulte el capítulo 4 del volumen Semiconductor (volumen III) de esta serie de libros.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: “Transistores de Unión Bipolar”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo construir un circuito de espejo de corriente
• Limitaciones de corriente de un circuito espejo de corriente
• Dependencia de temperatura de BJT
• Experimenta una situación controlada de “fuga térmica”

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Un espejo de corriente puede considerarse como un regulador de corriente ajustable, el límite de corriente se establece fácilmente por una sola resistencia. Se trata de un circuito regulador de corriente bastante crudo, pero que encuentra amplio uso debido a su simplicidad. En este experimento, tendrás la oportunidad de construir uno de estos circuitos, explorar sus propiedades reguladoras de corriente, y también experimentar algunas de sus limitaciones prácticas de primera mano.

Construir el circuito como se muestra en el esquema y la ilustración. Tendrá una resistencia adicional de 1.5 kΩ de valor fijo de las piezas especificadas en la lista de piezas. Lo estarás usando en la última parte de este experimento.

El potenciómetro establece la cantidad de corriente a través del transistor _Q1. Este transistor está conectado para actuar como un simple diodo: solo una unión PN. ¿Por qué usar un transistor en lugar de un diodo normal? Porque es importante hacer coincidir las características de unión de estos dos transistores cuando se usan en un circuito espejo de corriente. El voltaje caído a través de la unión base-emisor de _Q1 se impresiona a través de la unión base-emisor del otro transistor, Q ₂, lo que hace que se “encienda” e igualmente conduzca la corriente.

Dado que el voltaje a través de las uniones base-emisor de los dos transistores es el mismo, los dos pares de uniones que están conectados en paralelo entre sí, entonces la corriente debería ser a través de sus terminales base, asumiendo características de unión idénticas y temperaturas de unión idénticas. Los transistores emparejados también deben tener las mismas relaciones β, por lo que las corrientes de base iguales significan corrientes de colector iguales. El resultado práctico de todo esto es la corriente de colector de Q ₂ imitando cualquier magnitud de corriente que se haya establecido a través del colector de _Q1 por el potenciómetro. En otras palabras, la corriente a través de Q ₂ refleja la corriente a través de Q ₁.

Los cambios en la resistencia de carga (resistencia que conecta el colector de Q ₂ al lado positivo de la batería) no tienen ningún efecto sobre la corriente de Q ₁ y, en consecuencia, no tienen efecto sobre el voltaje base-emisor o la corriente base de _Q2. Con una corriente base constante y una relación β casi constante, Q ₂ caerá tanto o tan poco voltaje colector-emisor como sea necesario para mantener constante su corriente de colector (carga). Así, el circuito espejo de corriente actúa para regular la corriente a un valor establecido por el potenciómetro, sin tener en cuenta la resistencia de carga.

Bueno, así es como se supone que debe funcionar, de todos modos. La realidad no es tan simple, como están a punto de ver. En el diagrama de circuito que se muestra, el circuito de carga de Q ₂ se completa al lado positivo de la batería a través de un amperímetro, para facilitar la medición de corriente. En lugar de conectar sólidamente la sonda negra del amperímetro a un punto definido en el circuito, he marcado cinco puntos de prueba, TP1 a TP5, para que toque la sonda de prueba negra mientras mide la corriente. Esto le permite cambiar rápida y sin esfuerzo la resistencia de carga: tocar la sonda a TP1 resulta prácticamente sin resistencia a la carga, mientras que tocarla a TP5 resulta en aproximadamente 14.5 kΩ de resistencia de carga.

Para comenzar el experimento, toque la sonda de prueba a TP4 y ajuste el potenciómetro a través de su rango de recorrido. Deberías ver una corriente pequeña y cambiante indicada por tu amperímetro a medida que mueves el mecanismo del potenciómetro: no más de unos pocos miliamperios. Deje el potenciómetro ajustado en una posición que dé un número redondo de miliamperios y mueva la sonda de prueba negra del medidor a TP3. La indicación actual debería ser casi la misma que antes. Mueva la sonda a TP2 y luego a TP1. Nuevamente, deberías ver una cantidad casi sin cambios de corriente. Intente ajustar el potenciómetro a otra posición, dando una indicación de corriente diferente, y toque la sonda negra del medidor para probar los puntos TP1 a TP4, observando la estabilidad de las indicaciones de corriente a medida que cambia la resistencia de carga. Esto demuestra el comportamiento regulador de corriente de este circuito.

Debe tener en cuenta que la regulación vigente no es perfecta. A pesar de regular la corriente en casi el valor para resistencias de carga entre 0 y 4.5 kΩ, hay alguna variación en este rango. La regulación puede ser mucho peor si se permite que la resistencia a la carga aumente demasiado. Intente ajustar el potenciómetro para que se obtenga la corriente máxima, como se indica con la sonda de prueba amperímetro conectada a TP1. Dejando el potenciómetro en esa posición, mueva la sonda del medidor a TP2, luego TP3, luego TP4 y finalmente TP5, observando la indicación del medidor en cada punto de conexión. La corriente debe regularse a un valor casi constante hasta que la sonda del medidor se mueva al último punto de prueba, TP5. Allí, la indicación de corriente será sustancialmente menor que en los otros puntos de prueba. ¿Por qué es esto? Porque se ha insertado demasiada resistencia a la carga en el circuito de Q ₂. En pocas palabras, Q ₂ no puede “encenderse” más de lo que ya tiene, para mantener la misma cantidad de corriente con esta gran resistencia de carga que con resistencias de carga menores.

Este fenómeno es común a todos los circuitos reguladores de corriente: hay una cantidad limitada de resistencia que un regulador de corriente puede manejar antes de que se sature. Esto es razonable, ya que cualquier circuito regulador de corriente capaz de suministrar una cantidad constante de corriente a través de cualquier resistencia de carga imaginable requeriría una fuente ilimitada de voltaje para hacerlo! La Ley de Ohm (E=IR) dicta la cantidad de voltaje necesario para empujar una cantidad dada de corriente a través de una cantidad dada de resistencia, y con solo 12 voltios de voltaje de fuente de alimentación a nuestra disposición, definitivamente existe un límite finito de corriente de carga y resistencia a la carga para este circuito. Por esta razón, puede ser útil pensar en los circuitos reguladores de corriente como circuitos limitadores de corriente, ya que todo lo que realmente pueden hacer es limitar la corriente a algún valor máximo.

Una advertencia importante para los circuitos de espejo de corriente, en general, es la de igual temperatura entre los dos transistores. El “reflejo” de corriente que tiene lugar entre los circuitos colectores de los dos transistores depende de las uniones base-emisor de esos dos transistores que tienen exactamente las mismas propiedades. Como describe la “ecuación de diodo”, la relación voltaje/corriente para una unión PN depende en gran medida de la temperatura de unión. Cuanto más caliente sea una unión PN, más corriente pasará para una cantidad dada de caída de voltaje. Si un transistor se calentara más que el otro, pasará más corriente de colector que el otro, y el circuito ya no “reflejará” la corriente como se esperaba. Al construir un circuito de espejo de corriente real usando transistores discretos, los dos transistores deben estar pegados de epoxi (espalda con espalda) para que permanezcan aproximadamente a la misma temperatura.

Para ilustrar esta dependencia de igual temperatura, intenta agarrar un transistor entre tus dedos para calentarlo. ¿Qué sucede con la corriente a través de las resistencias de carga a medida que aumenta la temperatura del transistor? Ahora, suelte el transistor y sople sobre él para enfriarlo a temperatura ambiente. Agarra el otro transistor entre tus dedos para calentarlo. ¿Qué hace ahora la corriente de carga?

En esta siguiente fase del experimento, permitiremos intencionalmente que uno de los transistores se sobrecaliente y note los efectos. Para evitar dañar un transistor, este procedimiento debe realizarse no más tiempo del necesario para observar que la corriente de carga comienza a “huir”. Para comenzar, ajuste el potenciómetro para corriente mínima. A continuación, reemplace la resistencia _límite R de 10 kΩ por una resistencia de 1.5 kΩ. Esto permitirá que una corriente más alta pase a través de Q ₁, y en consecuencia también por Q ₂.

Coloque la sonda negra del amperímetro en TP1 y observe la indicación de corriente. Mueva el potenciómetro en la dirección de aumentar la corriente hasta que lea aproximadamente 10 mA a través del amperímetro. En ese punto, deja de mover el potenciómetro y solo observa la corriente. Notarás que la corriente comienza a aumentar por sí sola, ¡sin más movimiento del potenciómetro! Rompe el circuito retirando la sonda del medidor de TP1 cuando la corriente supere los 30 mA, para evitar dañar el transistor Q ₂.

Si tocas cuidadosamente ambos transistores con un dedo, debes notar que Q ₂ está caliente, mientras que Q ₁ está frío. Advertencia: si se ha permitido que la corriente de Q ₂ “huya” demasiado lejos o durante demasiado tiempo, ¡puede que se ponga muy caliente! Puedes recibir una mala quemadura en la yema del dedo tocando un componente semiconductor sobrecalentado, ¡así que ten cuidado aquí!

¿Qué acaba de pasar para que Q ₂ se sobrecaliente y pierda el control de corriente? Al conectar el amperímetro a TP1, se eliminó toda la resistencia de carga, por lo que Q ₂ tuvo que bajar el voltaje completo de la batería entre el colector y el emisor ya que regulaba la corriente. El transistor Q ₁ al menos tenía la resistencia de 1.5 kΩ del _límite R en su lugar para bajar la mayor parte del voltaje de la batería, por lo que su disipación de potencia fue mucho menor que la de Q ₂. Este desequilibrio bruto de disipación de potencia provocó que Q ₂ calentara más de _Q1. A medida que aumentaba la temperatura, Q ₂ comenzó a pasar más corriente por la misma cantidad de caída de voltaje base-emisor. Esto provocó que se calentara aún más rápido, ya que pasaba más corriente de colector mientras seguía cayendo los 12 voltios completos entre colector y emisor. El efecto se conoce como fuga térmica, y es posible en muchos circuitos de transistores de unión bipolar, no solo en los espejos de corriente.

SIMULACIÓN COMPU

El _amperímetro V no es más que una batería de CC de cero voltios estratégicamente colocada para interceptar la corriente de carga. Esto no es más que un truco para medir la corriente en una simulación SPICE, ya que no existe ningún componente dedicado “amperímetro” en el lenguaje SPICE.

Es importante recordar que SPICE sólo reconoce los primeros ocho caracteres del nombre de un componente. El nombre “vammeter” está bien, pero si tuviéramos que incorporar más de una fuente de voltaje de medición de corriente en el circuito y nombrarlos “vammeter1” y “vammeter2”, respectivamente, SPICE los vería como dos instancias del mismo componente “vammeter” (viendo solo los primeros ocho caracteres) y se detendría con un error. ¡Algo a tener en cuenta a la hora de alterar el netlist o programar tu propia simulación SPICE!

Tendrás que experimentar con diferentes valores de resistencia de _carga R en esta simulación para apreciar la naturaleza de regulación de corriente del circuito. Con _{el límite} R establecido en 10 kΩ y una tensión de alimentación de 12 voltios, la corriente regulada a través de la _carga R será de 1.1 mA. SPICE muestra que la regulación es perfecta (¿no es tan agradable el mundo virtual de la simulación por computadora?) , la corriente de carga restante en 1.1 mA para una amplia gama de resistencias de carga. Sin embargo, si la resistencia de carga se incrementa más allá de 10 kΩ, incluso esta simulación muestra que la corriente de carga sufre una disminución como en la vida real.

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5.15: Regulador de corriente JFET

PARTES Y MATERIALES

• Un transistor de efecto campo de unión de canal N, se recomiendan los modelos 2N3819 o J309 (Radio Shack catálogo # 276-2035 es el modelo 2N3819)
• Dos baterías de 6 voltios
• Un potenciómetro de 10 kΩ, giro simple, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)
• Una resistencia de 1 kΩ
• Una resistencia de 10 kΩ
• Tres resistencias de 1.5 kΩ

Para este experimento necesitarás un JFET de canal N, ¡no un canal P! experimento necesitarás un JFET de canal N, ¡no un canal P!

Tenga en cuenta que no todos los transistores comparten las mismas designaciones de terminales, o pinouts, aunque compartan la misma apariencia física. Esto dictará cómo conecta los transistores entre sí y a otros componentes, así que asegúrese de verificar las especificaciones del fabricante (hoja de datos del componente), fácilmente obtenidas del sitio web del fabricante. ¡Tenga en cuenta que es posible que el paquete del transistor e incluso la hoja de datos del fabricante muestre diagramas de identificación de terminales incorrectos! Es muy recomendable verificar las identidades de los pines con la función de “verificación de diodos” de su multímetro. Para obtener detalles sobre cómo identificar terminales de transistores de efecto campo de unión usando un multímetro, consulte el capítulo 5 del volumen Semiconductor (volumen III) de esta serie de libros.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 5: “Transistores de Efecto Campo de Unión”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 3: “Diodos y Rectificadores”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo usar un JFET como regulador de corriente
• Cómo el JFET es relativamente inmune a los cambios de temperatura

Diagrama esquemático

Ilustracion

INDICACIONES

Anteriormente en este capítulo, se vio cómo un par de transistores de unión bipolar (BJT) podrían usarse para formar un espejo de corriente, por lo que un transistor intentaría mantener la misma corriente a través de él como si el otro, el nivel de corriente del otro se estableciera por una resistencia variable. Este circuito realiza la misma tarea de regular la corriente pero utiliza un transistor de efecto de campo de unión simple (JFET) en lugar de dos BJT.

Las dos resistencias serie R _ajustan y R _límite establecen el punto de regulación de corriente, mientras que las resistencias de carga y los puntos de prueba entre ellas sirven solo para demostrar corriente constante a pesar de los cambios en la resistencia de carga.

Para comenzar el experimento, toque la sonda de prueba a TP4 y ajuste el potenciómetro a través de su rango de recorrido. Deberías ver una corriente pequeña y cambiante indicada por tu amperímetro a medida que mueves el mecanismo del potenciómetro: no más de unos pocos miliamperios. Deje el potenciómetro ajustado en una posición que dé un número redondo de miliamperios y mueva la sonda de prueba negra del medidor a TP3. La indicación actual debería ser casi la misma que antes. Mueva la sonda a TP2 y luego a TP1. Nuevamente, deberías ver una cantidad casi sin cambios de corriente. Intente ajustar el potenciómetro a otra posición, dando una indicación de corriente diferente, y toque la sonda negra del medidor para probar los puntos TP1 a TP4, observando la estabilidad de las indicaciones de corriente a medida que cambia la resistencia de carga. Esto demuestra el comportamiento regulador de corriente de este circuito.

TP5, al final de una resistencia de 10 kΩ, se proporciona para introducir un gran cambio en la resistencia de carga. Conectar la sonda de prueba negra de su amperímetro a ese punto de prueba le da una resistencia de carga combinada de 14.5 kΩ, que será demasiada resistencia para que el transistor mantenga la corriente máxima regulada a través. Para experimentar lo que estoy describiendo aquí, toque la sonda de prueba negra a TP1 y ajuste el potenciómetro para la corriente máxima. Ahora, mueva la sonda de prueba negra a TP2, luego TP3, luego TP4. Para todas estas posiciones de punto de prueba, la corriente se mantendrá aproximadamente constante. Sin embargo, cuando toca la sonda negra a TP5, la corriente caerá dramáticamente. ¿Por qué? Porque a este nivel de resistencia de carga, hay una caída de voltaje insuficiente a través del transistor para mantener la regulación. En otras palabras, el transistor estará saturado ya que intenta proporcionar más corriente de la que permitirá la resistencia del circuito.

Mueva la sonda de prueba negra de nuevo a TP1 y ajuste el potenciómetro para una corriente mínima. Ahora, toque la sonda de prueba negra a TP2, luego TP3, luego TP4, y finalmente TP5. ¿Qué nota de la indicación actual en todos estos puntos? Cuando el punto de regulación de corriente se ajusta a un valor menor, el transistor es capaz de mantener la regulación en un rango mucho mayor de resistencia de carga.

Una advertencia importante con el circuito de espejo de corriente BJT es que ambos transistores deben estar a la misma temperatura para que las dos corrientes sean iguales. Con este circuito, sin embargo, la temperatura del transistor es casi irrelevante. Intenta agarrar el transistor entre tus dedos para calentarlo, observando la corriente de carga con tu amperímetro. Intente enfriarlo después soplando sobre él. No solo se elimina el requisito de coincidencia de transistores (debido al uso de un solo transistor), sino que los efectos térmicos se eliminan también debido a la inmunidad térmica relativa del transistor de efecto de campo. Este comportamiento también hace que los transistores de efecto de campo sean inmunes a la fuga térmica; una ventaja decidida sobre los transistores de unión bipolar.

Una aplicación interesante de este circuito regulador de corriente es el llamado diodo de corriente constante. Descrito en el capítulo “Diodos y rectificadores” del volumen III, este diodo no es realmente un dispositivo de unión PN en absoluto. En cambio, es un JFET con una resistencia fija conectada entre los terminales de puerta y fuente:

Un diodo de unión PNnormal se incluye en serie con el JFET para proteger el transistor contra daños por voltaje de polarización inversa, pero por lo demás la instalación de regulación de corriente de este dispositivo es proporcionada completamente por el transistor de efecto de campo.

SIMULACIÓN COMPU

SPICE no permite valores de resistencia de “barrido”, por lo que para demostrar la regulación de corriente de este circuito en una amplia gama de condiciones, he elegido barrer el voltaje de la fuente de 6 a 12 voltios en pasos de 0.1 voltios. Si lo desea, puede establecer rload a diferentes valores de resistencia y verificar que la corriente del circuito permanezca constante. Con un valor rlimit de 1 kΩ, la corriente regulada será 291.8 µA. Esta cifra actual probablemente no será la misma que la actual de su circuito real, debido a diferencias en los parámetros JFET.

Muchos fabricantes dan parámetros del modelo SPICE para sus transistores, que pueden escribirse en el. línea modelo de la netlist para una simulación de circuito más precisa.

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5.16: Amplificador Diferencial

PARTES Y MATERIALES

• Dos baterías de 6 voltios
• Dos transistores NPN: se recomiendan los modelos 2N2222 o 2N3403 (Radio Shack catálogo # 276-1617 es un paquete de quince transistores NPN ideal para este y otros experimentos)
• Dos potenciómetros de 10 kΩ, de una sola vuelta, conicidad lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)
• Dos resistencias de 22 kΩ
• Dos resistencias de 10 kΩ
• Una resistencia de 100 kΩ
• Una resistencia de 1.5 kΩ

Los valores de resistencia no son especialmente críticos en este experimento, pero se han elegido para proporcionar una ganancia de alto voltaje para un comportamiento de amplificador diferencial “similar a un comparador”.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: “Transistores de Unión Bipolar”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 8: “Amplificadores Operacionales”

Objetivos de aprendizaje

• Diseño básico de un circuito amplificador diferencial.
• Definiciones de trabajo de voltajes diferenciales y de modo común

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Este circuito forma el corazón de la mayoría de los circuitos amplificadores operacionales: el par diferencial. En la forma aquí mostrada, es un amplificador diferencial bastante crudo, bastante no lineal y asimétrico con respecto al voltaje de salida versus voltaje (s) de entrada. Sin embargo, con una ganancia de alto voltaje creada por una gran relación de resistencia colector/emisor (100 kΩ/1.5 kΩ), actúa principalmente como un comparador: el valor de voltaje de salida cambia rápidamente a medida que las dos señales de voltaje de entrada se acercan a la igualdad.

Mida el voltaje de salida (voltaje en el colector de Q ₂ con respecto a tierra) a medida que se varían los voltajes de entrada. Observe cómo los dos potenciómetros tienen diferentes efectos sobre el voltaje de salida: una entrada tiende a accionar la tensión de salida en la misma dirección (no inversora), mientras que la otra tiende a accionar la tensión de salida en la dirección opuesta (invirtiendo). Esta es la naturaleza esencial de un amplificador diferencial: dos entradas complementarias, con efectos contrarios en la señal de salida. Idealmente, el voltaje de salida de dicho amplificador es estrictamente una función de la diferencia entre las dos señales de entrada. Este circuito queda considerablemente por debajo del ideal, ya que incluso una prueba superficial revelará.

Un amplificador diferencial ideal ignora todo el voltaje de modo común, que es cualquier nivel de voltaje común a ambas entradas. Por ejemplo, si la entrada inversora está a 3 voltios y la entrada no inversora a 2.5 voltios, el voltaje diferencial será de 0.5 voltios (3 - 2.5) pero el voltaje de modo común será de 2.5 voltios ya que ese es el nivel de señal de entrada más bajo. Idealmente, esta condición debería producir el mismo voltaje de señal de salida que si las entradas estuvieran ajustadas a 3.5 y 3 voltios, respectivamente (diferencial de 0.5 voltios, con un voltaje de modo común de 3 voltios). Sin embargo, este circuito no da el mismo resultado para los dos escenarios de señal de entrada diferentes. En otras palabras, su voltaje de salida depende tanto del voltaje diferencial como del voltaje de modo común.

Por imperfecto que sea este amplificador diferencial, su comportamiento podría ser peor. Observe cómo los potenciómetros de señal de entrada han sido limitados por resistencias de 22 kΩ a un rango ajustable de aproximadamente 0 a 4 voltios, dado un voltaje de alimentación de 12 voltios. Si desea ver cómo se comporta este circuito sin ninguna limitación de señal de entrada, simplemente omita las resistencias de 22 kΩ con cables puente, lo que permite un rango completo de ajuste de 0 a 12 voltios de cada potenciómetro.

¡No te preocupes por generar calor excesivo mientras ajustas los potenciómetros en este circuito! A diferencia del circuito de espejo de corriente, este circuito está protegido de la fuga térmica por la resistencia del emisor (1.5 kΩ), que no permite suficiente corriente de transistor para causar ningún problema

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5.17: Amplificador operacional simple

PARTES Y MATERIALES

• Dos baterías de 6 voltios
• Cuatro transistores NPN — modelos 2N2222 o 2N3403 recomendados (Radio Shack catálogo # 276-1617 es un paquete de quince transistores NPN ideal para este y otros experimentos)
• Dos transistores PNP: se recomiendan los modelos 2N2907 o 2N3906 (Radio Shack catálogo # 276-1604 es un paquete de quince transistores PNP ideal para este y otros experimentos)
• Dos potenciómetros de 10 kΩ, una sola vuelta, conicidad lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)
• Una resistencia de 270 kΩ
• Tres resistencias de 100 kΩ
• Una resistencia de 10 kΩ

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: “Transistores de Unión Bipolar”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 8: “Amplificadores Operacionales”

Objetivos de aprendizaje

• Diseño de un circuito amplificador diferencial utilizando espejos de corriente.
• Efectos de la retroalimentación negativa en un amplificador diferencial de alta ganancia.

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Este diseño de circuito mejora en el amplificador diferencial mostrado anteriormente. En lugar de usar resistencias para bajar voltaje en el circuito de par diferencial, se usa un conjunto de espejos de corriente, el resultado es una mayor ganancia de voltaje y un rendimiento más predecible. Con una ganancia de voltaje más alta, este circuito es capaz de funcionar como un amplificador operacional de trabajo o amplificador operacional. Los amplificadores operacionales forman la base de muchos circuitos semiconductores analógicos modernos, por lo que es importante comprender el funcionamiento interno de un amplificador operacional.

Los transistores PNP _Q1 y _Q2 forman un espejo de corriente que intenta mantener la corriente dividida por igual a través de los dos transistores de par diferencial Q ₃ y Q ₄. Los transistores NPN Q ₅ y Q ₆ forman otro espejo de corriente, ajustando la corriente total del par diferencial a un nivel predeterminado por la resistencia R _prg.

Mida el voltaje de salida (voltaje en el colector de Q ₄ con respecto a tierra) a medida que se varían los voltajes de entrada. Observe cómo los dos potenciómetros tienen diferentes efectos sobre el voltaje de salida: una entrada tiende a accionar la tensión de salida en la misma dirección (no inversora), mientras que la otra tiende a accionar la tensión de salida en la dirección opuesta (invirtiendo). Notarás que el voltaje de salida responde más a los cambios en la entrada cuando las dos señales de entrada son casi iguales entre sí.

Una vez que se ha probado la respuesta diferencial del circuito (el voltaje de salida pasa bruscamente de un nivel extremo a otro cuando una entrada se ajusta por encima y por debajo del nivel de voltaje de la otra entrada), está listo para usar este circuito como un amplificador operacional real. Un circuito simple de amplificador operacional llamado seguidor de voltaje es una buena configuración para probar primero. Para hacer un circuito seguidor de voltaje, conecte directamente la salida del amplificador a su entrada inversora. Esto significa conectar los terminales colector y base de Q ₄ juntos, y descartar el potenciómetro “inversor”:

Observe el símbolo triangular del amplificador operacional que se muestra en el diagrama esquemático inferior. Las entradas inversoras y no inversoras se designan con símbolos (-) y (+), respectivamente, con el terminal de salida en el vértice derecho. El cable de retroalimentación que conecta la salida a la entrada inversora se muestra en rojo en los diagramas anteriores.

Como seguidor de voltaje, el voltaje de salida debe “seguir” muy de cerca el voltaje de entrada, desviándose no más de unas pocas centésimas de voltio. Este es un circuito seguidor mucho más preciso que el de un solo transistor colector común, ¡descrito en un experimento anterior!

Un circuito de amplificador operacional más complejo se llama amplificador no inversor, y usa un par de resistencias en el bucle de retroalimentación para “retroalimentar” una fracción del voltaje de salida a la entrada inversora, lo que hace que el amplificador emita un voltaje igual a algún múltiplo del voltaje en la entrada no inversora. Si usamos dos resistencias de igual valor, el voltaje de retroalimentación será 1/2 el voltaje de salida, haciendo que el voltaje de salida se convierta en el doble del voltaje impreso en la entrada no inversora. Así, tenemos un amplificador de voltaje con una ganancia precisa de 2:

Al probar este circuito amplificador no inversor, puede notar ligeras discrepancias entre los voltajes de salida y entrada. De acuerdo con los valores de la resistencia de retroalimentación, la ganancia de voltaje debe ser exactamente 2. No obstante, puede notar desviaciones del orden de varias centésimas de voltio entre cuál es el voltaje de salida y cuál debería ser. Estas desviaciones se deben a imperfecciones del circuito amplificador diferencial y pueden verse muy disminuidas si agregamos más etapas de amplificación para aumentar la ganancia de voltaje diferencial. Sin embargo, una forma en la que podemos maximizar la precisión del circuito existente es cambiar la resistencia de R _prg. Esta resistencia establece el punto de control del espejo de menor corriente y, al hacerlo, influye en muchos parámetros de rendimiento del amplificador operacional. Intente sustituir valores de resistencia de diferencia, que van de 10 kΩ a 1 MΩ. No use una resistencia inferior a 10 kΩ, o de lo contrario los transistores de espejo actuales pueden comenzar a sobrecalentarse y “huir” térmicamente.

Algunos amplificadores operativos disponibles en unidades preempaquetadas proporcionan una manera para que el usuario “programe” de manera similar el espejo de corriente del par diferencial y se denominan amplificadores operacionales programables. La mayoría de los amplificadores operacionales no son programables y tienen sus puntos de control de espejo de corriente internos fijados por una resistencia interna, recortados a un valor preciso en la fábrica.

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5.18: Oscilador de audio

PARTES Y MATERIALES

• Dos baterías de 6 voltios
• Tres transistores NPN: se recomiendan los modelos 2N2222 o 2N3403 (Radio Shack catálogo # 276-1617 es un paquete de quince transistores NPN ideal para este y otros experimentos)
• Dos capacitores de 0.1 µF (catálogo de Radio Shack # 272-135 o equivalente)
• Una resistencia de 1 MΩ
• Dos resistencias de 100 kΩ
• Una resistencia de 1 kΩ
• Surtido de pares de resistencias, menos de 100 kΩ (por ejemplo: dos 10 kΩ, dos 5 kΩ, dos 1 kΩ)
• Un diodo emisor de luz (Radio Shack catálogo # 276-026 o equivalente)
• Detector de audio con auriculares

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: “Transistores de Unión Bipolar”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, capítulo 10: “Multivibradores”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo construir un circuito multivibrador astable usando transistores discretos

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

El nombre propio de este circuito es “multivibrador astable”. Es un circuito oscilador simple y de funcionamiento libre cronometrado por los tamaños de las resistencias, condensadores y voltaje de la fuente de alimentación. Desafortunadamente, su forma de onda de salida está muy distorsionada, ni onda sinusoidal ni cuadrada. Con el simple propósito de hacer un tono de audio, sin embargo, la distorsión no importa mucho.

Con un suministro de 12 voltios, resistencias de 100 kΩ y condensadores de 0.1 µF, la frecuencia de oscilación estará en el rango de audio bajo. Puede escuchar esta señal con el detector de audio conectado con una sonda de prueba a tierra y la otra a uno de los terminales del colector del transistor. Recomiendo colocar una resistencia de 1 MΩ en serie con el detector de audio para minimizar tanto los efectos de carga del circuito como la sonoridad de los auriculares:

El multivibrador en sí es solo dos transistores, dos resistencias y dos condensadores de conexión cruzada. El tercer transistor mostrado en el esquema y la ilustración está ahí para accionar el LED, para ser utilizado como indicador visual de la acción del oscilador. Utilice el cable de sonda conectado a la base de este amplificador de emisor común para detectar voltaje en diferentes partes del circuito con respecto a tierra. Dada la baja frecuencia de oscilación de este circuito multivibrador, debería poder ver el LED parpadear rápidamente con el cable de la sonda conectado al terminal colector de cualquiera de los transistores multivibradores.

Puede notar que el LED no parpadeará con su cable de sonda tocando la base de cualquiera de los dos transistores multivibradores, sin embargo, el detector de audio le dice que hay un voltaje oscilante allí. ¿Por qué es esto? El amplificador de transistor de colector común del LED es un seguidor de voltaje, lo que significa que no amplifica el voltaje. Por lo tanto, si el voltaje bajo prueba es menor que el mínimo requerido por el LED para encenderse, no brillará. Dado que la unión base-emisor de polarización directa de un transistor activo cae solo alrededor de 0.7 voltios, no hay voltaje suficiente en cualquiera de las bases del transistor para energizar el LED. Sin embargo, el detector de audio, al ser extraordinariamente sensible, detecta fácilmente esta señal de baja tensión.

Siéntase libre de sustituir las resistencias de menor valor en lugar de las dos unidades de 100 kΩ que se muestran. ¿Qué pasa con la frecuencia de oscilación cuando lo haces? Recomiendo usar resistencias de al menos 1 kΩ de tamaño para evitar una corriente excesiva del transistor.

Una deficiencia de muchos circuitos osciladores es su dependencia de una cantidad mínima de voltaje de fuente de alimentación. Demasiado poco voltaje y el circuito deja de oscilar. Este circuito no es la excepción. Es posible que desee experimentar con voltajes de suministro más bajos y determinar el voltaje mínimo necesario para la oscilación, así como experimentar el efecto que tiene el cambio de voltaje de suministro en la frecuencia de oscilación.

Una deficiencia específica de este circuito es la dependencia de componentes no coincidentes para un arranque exitoso. Para que el circuito comience a oscilar, un transistor debe encenderse antes que el otro. Por lo general, hay suficiente desajuste en los diversos valores de los componentes para permitir que esto suceda, pero es posible que el circuito se “congele” y no oscile en el encendido. Si esto sucede, pruebe diferentes componentes (mismos valores, pero diferentes unidades) en el circuito.

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5.19: Amplificador de audio de tubo de vacío

PARTES Y MATERIALES

• Un tubo de vacío de doble triodo 12AX7
• Dos transformadores de potencia, reductor de 120VCA a 12VCA (catálogo de Radio Shack # 273-1365, 273-1352 o 273-1511).
• Módulo puente rectificador (Radio Shack catálogo # 276-1173)
• Condensador electrolítico, al menos 47 µF, con un voltaje de trabajo de al menos 200 voltios CC.
• Bobina de encendido automotriz
• Altavoz de audio, impedancia de 8 Ω
• Dos resistencias de 100 kΩ
• Un condensador de 0.1 µF, 250 WVDC (catálogo de Radio Shack # 272-1053)
• “Fuente de alimentación CA de bajo voltaje” como se muestra en el capítulo Experimentos de CA
• Un interruptor de palanca, SPST (“Monopolo, Single-Throw”)
• Radio, reproductor de cinta, teclado musical u otras fuentes de señal de voltaje de audio

¿Dónde se puede obtener un tubo 12AX7, usted pregunta? Estos tubos son muy populares para su uso en las etapas de “preamplificador” de muchos amplificadores profesionales de guitarra eléctrica. Acude a cualquier buena tienda de música y los encontrarás disponibles por un precio modesto ($12 US o menos). Un fabricante ruso llamado Sovtek hace que estos tubos sean nuevos, por lo que no necesita confiar en los componentes “New-Old Stock” (NOS) sobrantes de fabricantes estadounidenses desaparecidos. Este modelo de tubo fue muy popular en su día y se puede encontrar en viejos equipos de prueba electrónicos “tubed” (osciloscopios, osciladores) si por casualidad tiene acceso a dicho equipo. Sin embargo, sugiero encarecidamente comprar un tubo nuevo en lugar de arriesgarse con tubos rescatados de equipos antiguos.

Es importante seleccionar un condensador electrolítico con suficiente voltaje de trabajo (WVDC) para soportar la salida del circuito de fuente de alimentación de este amplificador (aproximadamente 170 voltios). Recomiendo encarecidamente elegir un condensador con una clasificación de voltaje muy superior al voltaje de funcionamiento esperado, para manejar sobretensiones inesperadas o cualquier otro evento que pueda gravar el condensador. Compré el surtido de condensadores electrolíticos Radio Shack (catálogo # 272-802), y resultó que contenía dos capacitores de 47 µF, 250 WVDC. Si no eres tan afortunado, puedes construir este circuito usando cinco capacitores, cada uno nominal a 50 WVDC, para sustituir por una unidad de 250 WVDC:

Tenga en cuenta que la capacitancia total para esta red de cinco condensadores será 1/5, o 20%, del valor de cada condensador. Además, para garantizar una carga uniforme de los condensadores en la red, asegúrese de que todos los valores de los condensadores (en µF) y todos los valores de resistencia sean idénticos.

Una bobina de encendido automotriz es un transformador de alto voltaje de propósito especial utilizado en motores de automóviles para producir decenas de miles de voltios para “disparar” las bujías. En este experimento, se usa (muy poco convencional, ¡podría agregar!) como un transformador de adaptación de impedancia entre el tubo de vacío y un altavoz de audio de 8 Ω. La elección específica de “bobina” no es crítica, siempre y cuando esté en buenas condiciones de funcionamiento. Aquí hay una fotografía de la bobina que utilicé para este experimento:

El altavoz de audio no necesita ser extravagante. He usado altavoces pequeños de “estantería”, altavoces automotrices (6"x9"), así como un altavoz estéreo grande (100 vatios) de 3 vías para este experimento, y todos funcionan bien. No utilice un juego de auriculares bajo ninguna circunstancia, ya que la bobina de encendido no proporciona aislamiento eléctrico entre los 170 voltios CC de la fuente de alimentación “placa” y el altavoz, elevando así las conexiones del altavoz a ese voltaje con respecto a tierra. Ya que obviamente colocarle cables en la cabeza con alto voltaje a tierra sería muy peligroso, ¡por favor no use auriculares!

Necesitará alguna fuente de CA de audiofrecuencia como señal de entrada a este circuito amplificador. Te recomiendo un pequeño teclado musical o radio alimentado por batería, con un cable apropiado enchufado a la toma de “auriculares” o “salida de audio” para transmitir la señal a tu amplificador.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, capítulo 13: “Tubos Electricos”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 3: “Diodos y Rectificadores”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 9: “Transformadores”

Objetivos de aprendizaje

• Uso de un tubo de vacío (triodo) como amplificador de audio
• Uso de transformadores tanto en funcionamiento reductor como elevador
• Cómo construir una fuente de alimentación de CC de alto voltaje
• Uso de un transformador para igualar impedancias

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

¡Bienvenido al mundo de la electrónica de tubos de vacío! Si bien no es exactamente una aplicación de la tecnología de semiconductores (exceptuado el rectificador de fuente de alimentación), este circuito se utiliza como una introducción a la tecnología de tubos de vacío y una aplicación interesante para transformadores de adaptación de impedancia. ¡Cabe señalar que construir y operar este circuito implica trabajar con voltajes letales! Debes exhibir el máximo cuidado mientras trabajas con este circuito, ya que 170 voltios CC es capaz de electrocutarte! Se recomienda que los principiantes busquen asistencia calificada (electricistas experimentados, técnicos en electrónica o ingenieros) si intentan construir este amplificador.

ADVERTENCIA: ¡no toque ningún cable o terminal mientras el circuito amplificador esté energizado! Si debe hacer contacto con el circuito en algún punto, apague el interruptor de la fuente de alimentación “placa” y espere a que el condensador del filtro se descargue por debajo de los 30 voltios antes de tocar cualquier parte del circuito. Si prueba los voltajes del circuito con la alimentación encendida, use solo una mano si es posible para evitar la posibilidad de una descarga eléctrica de brazo a brazo.

La fuente de alimentación en realidad tiene dos salidas de potencia diferentes: la salida de CC “B+” para la alimentación de placa, y la potencia de “filamento”, que es de solo 12 voltios de CA. Los tubos requieren energía aplicada a un filamento pequeño (a veces llamado calentador) para funcionar, ya que el cátodo debe estar lo suficientemente caliente para emitir electrones térmicamente, ¡y eso no sucede a temperatura ambiente! El uso de un transformador de potencia para escalonar la alimentación doméstica de 120 voltios de CA a 12 voltios de CA proporciona bajo voltaje para los filamentos, y otro transformador conectado de manera escalonada devuelve el voltaje a 120 voltios. Quizás se esté preguntando, “¿por qué retroceder el voltaje hasta 120 voltios con otro transformador? ¿Por qué no simplemente desconectar el enchufe de pared para obtener alimentación de CA de 120 voltios directamente, y luego rectificar eso en 170 voltios CC?” La respuesta a esto es doble: primero, el funcionamiento de la energía a través de dos transformadores limita inherentemente la cantidad de corriente que puede enviarse a un cortocircuito accidental en el lado de la placa del circuito amplificador. Segundo, aísla eléctricamente el circuito de placa del sistema de cableado de su casa. Si tuviéramos que rectificar la alimentación de toma de pared con un puente de diodos, haría que ambos terminales de CC (+ y -) se elevaran en voltaje desde la conexión a tierra de seguridad del sistema eléctrico de su casa, lo que aumentaría el riesgo de choque.

Tenga en cuenta el interruptor de palanca conectado entre los devanados de 12 voltios de los dos transformadores, etiquetado como “Interruptor de suministro de placa”. Este interruptor controla la alimentación al transformador elevador, controlando así el voltaje de la placa al circuito amplificador. ¿Por qué no usar el interruptor de alimentación principal conectado al enchufe de 120 voltios? ¿Por qué tiene un segundo interruptor para apagar el alto voltaje de CC, cuando apagar un interruptor principal lograría lo mismo? La respuesta radica en el correcto funcionamiento del tubo de vacío: como las bombillas incandescentes, los tubos de vacío se “desgastan” cuando sus filamentos se encienden hacia arriba y hacia abajo repetidamente, por lo que tener este interruptor adicional en el circuito permite apagar el alto voltaje de CC (por seguridad al modificar o ajustar el circuito) sin tener que apagar el filamento. Además, es un buen hábito esperar a que el tubo alcance la temperatura de funcionamiento completa antes de aplicar voltaje de placa, y este segundo interruptor permite retrasar la aplicación de voltaje de placa hasta que el tubo haya tenido tiempo de alcanzar la temperatura de funcionamiento.

Durante el funcionamiento, debe tener un voltímetro conectado a la salida “B+” de la fuente de alimentación (entre el terminal B+ y tierra), proporcionando continuamente una indicación del voltaje de la fuente de alimentación. Este medidor le mostrará cuando el condensador del filtro se haya descargado por debajo del límite de riesgo de choque (30 voltios) cuando apague el “Interruptor de suministro de placa” para dar servicio al circuito amplificador.

El terminal de “tierra” que se muestra en la salida de CC del circuito de la fuente de alimentación no necesita conectarse a tierra. Más bien, es simplemente un símbolo que muestra una conexión común con un símbolo de terminal de tierra correspondiente en el circuito amplificador. En el circuito que construyas, habrá un trozo de cable que conectará estos dos puntos de “tierra” juntos. Como siempre, la designación de ciertos puntos comunes en un circuito por medio de un símbolo compartido es una práctica estándar en los esquemas electrónicos.

Notará que el diagrama esquemático muestra una resistencia de 100 kΩ en paralelo con el condensador del filtro. Esta resistencia es bastante necesaria, ya que proporciona al condensador una ruta para la descarga cuando se apaga la alimentación de CA. Sin esta resistencia de “purga” en el circuito, es probable que el condensador retenga una carga peligrosa durante mucho tiempo después del “apagado”, lo que representa un peligro de choque adicional para usted. En el circuito que construí, con un condensador de 47 µF y una resistencia de sangrado de 100 kΩ, la constante de tiempo de este circuito RC fue de unos breves 4.7 segundos. Si encuentra un valor de condensador de filtro más grande (bueno para minimizar el “zumbido” de la fuente de alimentación no deseada en el altavoz), necesitará usar un valor correspondientemente menor de resistencia de purga, o esperar más tiempo a que el voltaje se apague cada vez que apague el interruptor “Suministro de placa”.

Asegúrese de tener la fuente de alimentación construida de manera segura y funcionando de manera confiable antes de intentar alimentar el circuito amplificador con ella. Esta es una buena práctica de construcción de circuitos en general: construya y solucione primero la fuente de alimentación, luego construya el circuito que pretende alimentar con ella. Si la fuente de alimentación no funciona como debería, entonces tampoco lo hará el circuito alimentado, sin importar lo bien que pueda diseñarse y construirse.

Para tubos pequeños, este problema puede ser evitado soldando directamente longitudes cortas de alambre de cobre sólido de calibre 22 a los pines del tubo, lo que le permite “enchufar” el tubo en una placa de prueba sin soldadura. Aquí hay una fotografía de mi amplificador de tubo, mostrando el 12AX7 en una posición invertida (pin-side-up). Por favor, no tenga en cuenta el gráfico de barras LED de 10 segmentos a la izquierda y el conjunto del interruptor DIP de 8 posiciones a la derecha en la fotografía, ya que estos son componentes sobrantes de un experimento de circuito digital ensamblado previamente en mi placa de pruebas.

Un beneficio de montar el tubo en esta posición es la facilidad de identificación del pasador, ya que la mayoría de los “diagramas de conexión de pines” para tubos se muestran desde una vista inferior:

Notará en el esquema del amplificador que se están utilizando ambos elementos triodo dentro de la envoltura de vidrio del 12AX7, en paralelo: placa conectada a placa, conectada a rejilla y cátodo conectado al cátodo. Esto se hace para maximizar la salida de potencia del tubo, pero no es necesario para demostrar el funcionamiento básico. Puedes usar solo uno de los triodos, por simplicidad, si lo deseas.

El condensador de 0.1 µF que se muestra en el esquema “acopla” la fuente de señal de audio (radio, teclado musical, etc.) a la (s) rejilla (s) del tubo, permitiendo que pase la CA pero bloqueando la CC. La resistencia de 100 kΩ asegura que el voltaje promedio de CC entre la rejilla y el cátodo sea cero, y no pueda “flotar” a algún nivel alto. Por lo general, los circuitos de polarización se utilizan para mantener la red ligeramente negativa con respecto a tierra, pero para este propósito, un circuito de polarización introduciría más complejidad que su valor.

Cuando probé mi circuito amplificador, utilicé la salida de un receptor de radio, y posteriormente la salida de un reproductor de disco compacto (CD), como fuente de señal de audio. Usando un cable de extensión del conector “mono” -to- “phono” enchufado a la toma de auriculares del receptor/reproductor de CD, y cables de puente de clip de cocodrilo que conectan la punta “mono” del cable a los terminales de entrada del amplificador de tubo, pude enviar fácilmente las señales de audio del amplificador de amplitud variable para probar su rendimiento en una amplia gama de condiciones:

Un transformador es esencial en la salida del circuito amplificador para “hacer coincidir” las impedancias del tubo de vacío y el altavoz. Dado que el tubo de vacío es un dispositivo de alto voltaje y baja corriente, y la mayoría de los altavoces son dispositivos de baja tensión y alta corriente, la falta de coincidencia entre ellos daría como resultado una salida de baja potencia de audio muy baja si estuvieran conectados directamente. Para hacer coincidir con éxito la fuente de alta tensión y baja corriente con la carga de baja tensión y alta corriente, debemos usar un transformador reductor.

Dado que la resistencia Thevenin del circuito del tubo de vacío varía en las decenas de miles de ohmios, y el altavoz solo tiene una impedancia de aproximadamente 8 ohmios, necesitaremos un transformador con una relación de impedancia de aproximadamente 10. 000:1. Dado que la relación de impedancia de un transformador es el cuadrado de su relación de vueltas (o relación de voltaje), estamos buscando un transformador con una relación de vueltas de aproximadamente 100:1. Una bobina de encendido automotriz típica tiene aproximadamente esta relación de vueltas, y también está clasificada para un voltaje extremadamente alto en el devanado de alto voltaje, lo que la hace muy adecuada para esta aplicación.

El único aspecto malo del uso de una bobina de encendido es que no proporciona aislamiento eléctrico entre devanados primarios y secundarios, ya que el dispositivo es en realidad un autotransformador, con cada devanado compartiendo un terminal común en un extremo. Esto significa que los cables del altavoz estarán a un alto voltaje de CC con respecto a la tierra del circuito. Siempre y cuando sepamos esto, y evitemos tocar esos cables durante la operación, no habrá ningún problema. Idealmente, sin embargo, el transformador proporcionaría un aislamiento completo, así como una adaptación de impedancia, y los cables del altavoz serían perfectamente seguros de tocar durante el uso.

Recuerda, ¡haz todas las conexiones en el circuito con la alimentación apagada! Después de verificar las conexiones visualmente y con un ohmímetro para asegurar que el circuito está construido según el diagrama esquemático, aplique energía a los filamentos del tubo y espere unos 30 segundos a que alcance la temperatura de funcionamiento. Ambos filamentos deben emitir un resplandor suave, naranja, visible tanto desde la vista superior como desde abajo del tubo.

Gire al mínimo el control de volumen de su fuente de señal de radio/reproductor de CD/teclado musical, luego encienda el interruptor de suministro de placa. El voltímetro que haya conectado entre el terminal de salida B+ de la fuente de alimentación y la “tierra” debe registrar el voltaje completo (aproximadamente 170 voltios). Ahora, aumente el control de volumen en la fuente de señal y escuche el altavoz. Si todo está bien, deberías escuchar los sonidos correctos claramente a través del altavoz.

La solución de problemas de este circuito se realiza mejor con el detector de audio sensible descrito en los capítulos de CC y CA de este volumen de Experimentos. Conecte un condensador de 0.1 µF en serie con cada cable de prueba para bloquear CC del detector, luego conecte uno de los cables de prueba a tierra, mientras usa el otro cable de prueba para verificar la señal de audio en varios puntos del circuito. Use capacitores con una clasificación de alto voltaje, como el que se usa en la entrada del circuito amplificador:

El uso de dos capacitores de acoplamiento en lugar de solo uno agrega un grado adicional de seguridad, al ayudar a aislar la unidad de cualquier voltaje de CC (alto). Sin embargo, incluso sin el condensador adicional, el transformador interno del detector debería proporcionar suficiente aislamiento eléctrico para su seguridad al usarlo para probar señales en un circuito de alto voltaje como este, especialmente si construyó su detector usando un transformador de potencia de 120 voltios (en lugar de una “salida de audio” transformador) como se sugiere. Úselo para probar una buena señal en la entrada, luego en el pin (s) de rejilla del tubo, luego en la placa del tubo, etc. hasta que se encuentre el problema. Al estar acoplado capacitivamente, el detector también puede probar la fuente de alimentación excesiva “zumbido”: toque el cable de prueba libre al terminal B+ de la fuente y escuche un fuerte zumbido de 60 Hz. El ruido debe ser muy suave, no fuerte. Si es ruidoso, la fuente de alimentación no se filtra lo suficiente y puede necesitar capacitancia de filtro adicional.

Después de probar un punto en el circuito amplificador con gran voltaje de CC a tierra, los condensadores de acoplamiento en el detector pueden acumular voltaje sustancial. Para descargar este voltaje, brevemente, toque el cable de prueba libre al cable de prueba conectado a tierra. Se debe escuchar un sonido “pop” en los auriculares a medida que se descargan los condensadores de acoplamiento.

Si prefiere usar un voltímetro para probar la presencia de señal de audio, puede hacerlo, configurándolo en un rango de voltaje de CA sensible. La indicación que obtienes de un voltímetro, sin embargo, no te dice nada sobre la calidad de la señal, solo su mera presencia. Tenga en cuenta que la mayoría de los voltímetros de CA registrarán un voltaje transitorio cuando se conectan inicialmente a través de una fuente de voltaje de CC, así que no se sorprenda al ver un “pico” (una indicación de voltaje fuerte y momentáneo) en el mismo momento en que se hace contacto con las sondas del medidor con el circuito, disminuyendo rápidamente a la verdadera Valor de la señal de CA.

Puede que te sorprenda gratamente la calidad y profundidad de tono de este pequeño circuito amplificador, especialmente dada su baja potencia de salida: menos de 1 vatio de potencia de audio. Por supuesto, el circuito es bastante crudo y sacrifica la calidad por simplicidad y disponibilidad de piezas, pero sirve para demostrar el principio básico de la amplificación del tubo de vacío. Los aficionados y estudiantes avanzados pueden desear experimentar con redes de polarización, retroalimentación negativa, diferentes transformadores de salida, diferentes voltajes de fuente de alimentación e incluso diferentes tubos, para obtener más potencia y/o mejor calidad de sonido.

Aquí una foto de un circuito amplificador muy similar, construido por el equipo de marido y mujer de Terry y Cheryl Goetz, ilustrando lo que se puede hacer cuando se aplica el cuidado y la artesanía a un proyecto como este.

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6: Circuitos Integrados Analógicos

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6.1: Introducción a los circuitos integrados analógicos

Los circuitos analógicos son circuitos que tratan con señales libres para variar de cero a voltaje de fuente de alimentación completa. Esto contrasta con los circuitos digitales, que emplean casi exclusivamente señales de “todas o nada”: voltajes restringidos a valores de cero y voltaje de suministro completo, sin estado válido entre esos límites extremos. Los circuitos analógicos a menudo se denominan circuitos lineales para enfatizar la continuidad válida del rango de señal prohibido en los circuitos digitales, pero esta etiqueta desafortunadamente es engañosa. El hecho de que se permita que una señal de voltaje o corriente varíe suavemente entre los extremos de cero y los límites de la fuente de alimentación completa no significa necesariamente que todas las relaciones matemáticas entre estas señales sean lineales en el sentido “lineal” o “proporcional” de la palabra. Como verás en este capítulo, muchos circuitos llamados “lineales” son bastante no lineales en su comportamiento, ya sea por la necesidad de la física o por el diseño.

Los circuitos de este capítulo hacen uso de componentes IC, o circuito integrado. Dichos componentes son en realidad redes de componentes interconectados fabricados en una sola oblea de material semiconductor. Los circuitos integrados que proporcionan una multitud de funciones prediseñadas están disponibles a muy bajo costo, beneficiando a estudiantes, aficionados y diseñadores de circuitos profesionales por igual. La mayoría de los circuitos integrados proporcionan la misma funcionalidad que los circuitos semiconductores “discretos” a niveles más altos de confiabilidad y a una fracción del costo. Por lo general, la construcción del circuito de componentes discretos es favorecida solo cuando los niveles de disipación de potencia son demasiado altos para que los circuitos integrados los manejen.

Quizás el circuito integrado analógico más versátil e importante para que el estudiante domine es el amplificador operacional o op-amp. Esencialmente nada más que un amplificador diferencial con ganancia de voltaje muy alto, los amplificadores operacionales son el caballo de batalla del mundo del diseño analógico. Al aplicar inteligentemente la retroalimentación de la salida de un amplificador operacional a una o más de sus entradas, se puede obtener una amplia variedad de comportamientos de este único dispositivo. Muchos modelos diferentes de amplificador operacional están disponibles a bajo costo, pero los circuitos descritos en este capítulo incorporarán solo modelos de amplificador operacional comúnmente disponibles.

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6.2: Comparador de Voltaje

Partes y Materiales

• Amplificador operacional, modelo 1458 o 353 recomendado (Catálogo Radio Shack # 276-038 y 900-6298, respectivamente)
• Tres baterías de 6 voltios
• Dos potenciómetros de 10 kΩ, conicidad lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)
• Un diodo emisor de luz (Radio Shack catálogo # 276-026 o equivalente)
• Una resistencia de 330 Ω
• Una resistencia de 470 Ω

Este experimento solo requiere de un único amplificador operacional. Los modelos 1458 y 353 son unidades de amplificador operacional “duales”, con dos circuitos amplificadores completos alojados en el mismo paquete DIP de 8 pines. Te recomiendo que compres y uses amplificadores operacionales “duales” sobre amplificadores operacionales “individuales” incluso si un proyecto solo requiere uno, porque son más versátiles (la misma unidad de amplificador operacional puede funcionar en proyectos que requieren solo un amplificador, así como en proyectos que requieren dos). Con el interés de comprar y abastecer el menor número de componentes para su laboratorio doméstico, esto tiene sentido.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 8: “Amplificadores Operacionales”

Objetivos Inclinados

• Cómo usar un amplificador operacional como comparador

Diagrama esquemático

Ilustración

Instrucciones para el Circuito Comparador

Un circuito comparador compara dos señales de voltaje y determina cuál es mayor. El resultado de esta comparación está indicado por el voltaje de salida: si la salida del amplificador operacional está saturada en la dirección positiva, la entrada no inversora (+) es una tensión mayor, o más positiva, que la entrada inversora (-), todas las tensiones medidas con respecto a tierra. Si el voltaje del amplificador operacional está cerca del voltaje de suministro negativo (en este caso, 0 voltios o potencial de tierra), significa que la entrada inversora (-) tiene un voltaje mayor aplicado a ella que la entrada no inversora (+).

Este comportamiento es mucho más fácil de entender al experimentar con un circuito comparador que al leer la descripción verbal de alguien del mismo. En este experimento, dos potenciómetros suministran voltajes variables para ser comparados por el amplificador operacional. El estado de salida del amplificador operacional se indica visualmente por el LED. Ajustando los dos potenciómetros y observando el LED, se puede comprender fácilmente la función de un circuito comparador.

Para una mayor comprensión del funcionamiento de este circuito, es posible que desee conectar un par de voltímetros a los terminales de entrada de amplificador operacional (ambos voltímetros referenciados a tierra) para que ambos voltajes de entrada puedan compararse numéricamente entre sí, estas indicaciones del medidor comparadas con el estado del LED:

Los circuitos comparadores son ampliamente utilizados para comparar mediciones físicas, siempre que esas variables físicas puedan traducirse en señales de voltaje. Por ejemplo, si un pequeño generador estuviera conectado a una rueda anemométrica para producir un voltaje proporcional a la velocidad del viento, esa señal de velocidad del viento podría compararse con un voltaje de “punto de ajuste” y compararse por un amplificador operacional para accionar una alarma de alta velocidad del viento:

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6.3: Seguidor de voltaje de precisión

PARTES Y MATERIALES

• Amplificador operacional, modelo 1458 o 353 recomendado (Catálogo Radio Shack # 276-038 y 900-6298, respectivamente)
• Tres baterías de 6 voltios
• Un potenciómetro de 10 kΩ, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 8: “Amplificadores Operacionales”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo usar un amplificador operacional como seguidor de voltaje
• Propósito de la retroalimentación negativa
• Estrategia de solución de problemas

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

En el experimento anterior de op-amp, el amplificador se utilizó en modo de “bucle abierto”; es decir, sin ningún tipo de retroalimentación de salida a entrada. Como tal, la ganancia de voltaje total del amplificador operacional estaba disponible, lo que resultó en la saturación de voltaje de salida para prácticamente cualquier cantidad de voltaje diferencial aplicado entre los dos terminales de entrada. Esto es bueno si deseamos el funcionamiento del comparador, pero si queremos que el amplificador operacional se comporte como un verdadero amplificador, lo necesitamos para exhibir una ganancia de voltaje manejable.

Dado que no tenemos el lujo de desmontar los circuitos integrados del amplificador operacional y cambiar los valores de resistencia para dar una menor ganancia de voltaje, estamos limitados a conexiones externas y componentes. En realidad, esto no es una desventaja como se podría pensar, porque la combinación de ganancia de voltaje de bucle abierto extremadamente alta junto con retroalimentación nos permite usar el amplificador operacional para una variedad de propósitos mucho más amplia, mucho más fácil que si tuviéramos que ejercer la opción de modificar su circuito interno.piense, porque la combinación de ganancia de voltaje de bucle abierto extremadamente alta junto con retroalimentación nos permite usar el amplificador operacional para una variedad de propósitos mucho más amplia, mucho más fácil que si tuviéramos que ejercer la opción de modificar su circuitería interna.

Si conectamos la salida de un amplificador operacional a su entrada inversora (-), el voltaje de salida buscará cualquier nivel que sea necesario para equilibrar el voltaje de la entrada inversora con el aplicado a la entrada no inversora (+). Si esta conexión de retroalimentación es directa, ya que, en un trozo de cable recto, el voltaje de salida “seguirá” precisamente el voltaje de la entrada no inversora. A diferencia del circuito seguidor de voltaje hecho de un solo transistor (ver capítulo 5: Circuitos semiconductores discretos), que aproximó el voltaje de entrada dentro de varias décimas de voltio, este circuito seguidor de voltaje dará salida a una tensión precisa dentro de meros microvoltios del ¡voltaje de entrada!

Mida el voltaje de entrada de este circuito con un voltímetro conectado entre el terminal de entrada no inversor (+) del amplificador operacional y la masa del circuito (el lado negativo de la fuente de alimentación), y el voltaje de salida entre el terminal de salida del amplificador operacional y la masa del circuito. Observe que el voltaje de salida del amplificador operacional sigue el voltaje de entrada mientras ajusta el potenciómetro a través de su rango.

Puede medir directamente la diferencia, o error, entre los voltajes de salida y entrada conectando el voltímetro entre los dos terminales de entrada del amplificador operacional. A lo largo de la mayor parte del rango del potenciómetro, este voltaje de error debería ser casi cero.

Intenta mover el potenciómetro a una de sus posiciones extremas, lejos en sentido horario o lejos en sentido contrario a las agujas del reloj. Mida el voltaje de error o compare el voltaje de salida con el voltaje de entrada. ¿Te das cuenta de algo inusual? Si está utilizando el modelo 1458 o el modelo 353 op-amp para este experimento, debe medir un voltaje de error sustancial, o la diferencia entre la salida y la entrada. Muchos amplificadores operacionales, incluidos los modelos especificados, no pueden “balancear” su voltaje de salida exactamente a los niveles de voltaje de la fuente de alimentación completa (“riel”). En este caso, los voltajes “rail” son +18 voltios y 0 voltios, respectivamente. Debido a las limitaciones en los circuitos internos del 1458, su voltaje de salida es incapaz de alcanzar exactamente estos límites altos y bajos. Es posible que encuentre que solo puede ir dentro de uno o dos voltios de los “rieles” de la fuente de alimentación. Esta es una limitación muy importante a entender a la hora de diseñar circuitos usando amplificadores operativos. Si se requiere una oscilación completa de voltaje de salida “riel a riel” en un diseño de circuito, se pueden seleccionar otros modelos de amplificador operacional que ofrezcan esta capacidad. El modelo 3130 es uno de esos op-amp.

Los circuitos seguidores de voltaje de precisión son útiles si la señal de voltaje a amplificar no puede tolerar la “carga”; es decir, si tiene una alta impedancia de fuente. Dado que un seguidor de voltaje por definición tiene una ganancia de voltaje de 1, su propósito no tiene nada que ver con amplificar el voltaje, sino con amplificar la capacidad de una señal para entregar corriente a una carga.

Los circuitos seguidores de voltaje tienen otro uso importante para los constructores de circuitos: permiten realizar pruebas lineales simples de un amplificador operacional. Una de las técnicas de solución de problemas que recomiendo es simplificar y reconstruir. Supongamos que está construyendo un circuito usando uno o más amplificadores operacionales para realizar alguna función avanzada. Si uno de esos amplificadores operacionales parece estar causando un problema y sospecha que puede estar defectuoso, intente volver a conectarlo como un simple seguidor de voltaje y vea si funciona en esa capacidad. ¡Un amplificador operacional que no funciona como seguidor de voltaje ciertamente no funcionará como algo más complejo!

SIMULACIÓN COMPU

Un amplificador operacional ideal se puede simular en SPICE usando una fuente de voltaje dependiente (e1 en la lista de red). Los nodos de salida se especifican primero (2 0), luego los dos nodos de entrada, entrada no inversora primero (1 2). La ganancia de bucle abierto se especifica por último (999meg) en la línea de fuente de voltaje dependiente.

Debido a que SPICE ve la impedancia de entrada de una fuente dependiente como infinita, se debe incluir cierta cantidad finita de resistencia para evitar un error de análisis. Este es el propósito de R _falso: proporcionar una ruta de CC a tierra para la fuente de voltaje _{de entrada} de V. Tales resistencias “falsas” deberían ser arbitrariamente grandes. En esta simulación, elegí 1 MΩ para un valor _falso de R.

Una resistencia de carga se incluye en el circuito por casi la misma razón: para proporcionar una ruta de CC para la corriente en la salida de la fuente de voltaje dependiente. Como puedes ver, ¡a SPICE no le gustan los circuitos abiertos!

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6.4: Amplificador no inversor

PARTES Y MATERIALES

• Amplificador operacional, modelo 1458 o 353 recomendado (Catálogo Radio Shack # 276-038 y 900-6298, respectivamente)
• Tres baterías de 6 voltios
• Dos potenciómetros de 10 kΩ, conicidad lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 8: “Amplificadores Operacionales”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo usar un amplificador operacional como amplificador de un solo extremo
• Uso de retroalimentación dividida y negativa

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Este circuito difiere del seguidor de voltaje en un solo aspecto: el voltaje de salida se “retroalimenta” a la entrada inversora (-) a través de un potenciómetro de división de voltaje en lugar de estar conectado directamente. Con solo una fracción del voltaje de salida realimentado a la entrada inversora, el amplificador operacional emitirá un múltiplo correspondiente del voltaje detectado en la entrada no inversora (+) para mantener el voltaje diferencial de entrada cerca de cero. En otras palabras, el amplificador operacional funcionará ahora como un amplificador con una ganancia de voltaje controlable, esa ganancia se establece por la posición del potenciómetro de retroalimentación (_R2).

Ajuste R ₂ a aproximadamente la posición media. Esto debería dar una ganancia de voltaje de aproximadamente 2. Mida tanto el voltaje de entrada como de salida para varias posiciones del potenciómetro de entrada _R1. Mueva _R2 a una posición diferente y vuelva a tomar las mediciones de voltaje para varias posiciones de _R1. Para cualquier posición R ₂ dada, la relación entre la salida y la tensión de entrada debe ser la misma.

También notará que los voltajes de entrada y salida son siempre positivos con respecto a tierra. Debido a los aumentos de voltaje de salida en una dirección positiva para un aumento positivo de la tensión de entrada, este amplificador se conoce como no inversor. Si los voltajes de salida y entrada estuvieran relacionados entre sí de manera inversa (es decir, el aumento positivo del voltaje de entrada da como resultado una salida decreciente positiva o negativa en aumento), entonces el amplificador se conocería como un tipo inversor.

La capacidad de aprovechar un amplificador operacional de esta manera para crear un amplificador con ganancia de voltaje controlable hace que este circuito sea extremadamente útil. Se necesitaría bastante más diseño y esfuerzo de solución de problemas para producir un circuito similar usando transistores discretos.

Intente ajustar R ₂ para obtener ganancia de voltaje máxima y mínima. ¿Cuál es la ganancia de voltaje más baja alcanzable con esta configuración de amplificador? ¿Por qué crees que es esto?

SIMULACIÓN COMPU

Con R ₁ y _R2 establecidos por igual a 5 kΩ en la simulación, imita el potenciómetro de retroalimentación del circuito real en la posición media (50%). Para simular el potenciómetro en la posición 75%, establezca _R2 a 7.5 kΩ y R ₁ a 2.5 kΩ.

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6.5: Voltímetro de alta impedancia

PARTES Y MATERIALES

• Amplificador operacional, modelo TL082 recomendado (Radio Shack catálogo # 276-1715)
• Amplificador operacional, modelo LM1458 recomendado (Radio Shack catálogo # 276-038)
• Cuatro baterías de 6 voltios
• Movimiento de un metro, desviación a escala completa de 1 mA (Catálogo Radio Shack #22 -410)
• Resistencia de precisión de 15 kΩ
• Cuatro resistencias de 1 MΩ

El movimiento de medidor de 1 mA vendido por Radio Shack se anuncia como un medidor de 0-15 VCC pero en realidad es un movimiento de 1 mA que se vende con una resistencia multiplicadora de tolerancia de 15 kΩ +/- 1%. Si obtiene este movimiento del medidor Radio Shack, puede usar la resistencia de 15 kΩ incluida para la resistencia especificada en la lista de piezas.

Este experimento de medidor se basa en un amplificador operacional de entrada JFET como el TL082. El otro op-amp (modelo 1458) se utiliza en este experimento para demostrar la ausencia de enganche: un problema inherente al TL082.

No necesitas resistencias de 1 MΩ, exactamente. Cualquier resistencia de muy alta resistencia bastará.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 8: “Amplificadores Operacionales”

Objetivos de aprendizaje

• Carga del voltímetro: sus causas y su solución
• Cómo hacer un voltímetro de alta impedancia usando un amplificador operacional
• Qué es el “latch-up” del amplificador operacional y cómo evitarlo

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Un voltímetro ideal tiene impedancia de entrada infinita, lo que significa que extrae corriente cero del circuito bajo prueba. De esta manera, no habrá “impacto” en el circuito ya que se está midiendo el voltaje. Cuanta más corriente consume un voltímetro del circuito bajo prueba, más se “comba” el voltaje medido bajo el efecto de carga del medidor, como un manómetro de presión de neumáticos que libera aire del neumático que se está midiendo: cuanto más aire se libere del neumático, más se verá impactada la presión del neumático por el acto de medición. Esta carga es más pronunciada en circuitos de alta resistencia, como el divisor de voltaje hecho de resistencias de 1 MΩ, mostrado en el diagrama esquemático.

Si construyera un voltímetro simple de rango de 0-15 voltios conectando el movimiento del medidor de 1 mA en serie con la resistencia de precisión de 15 kΩ, e intentara usar este voltímetro para medir el voltaje en TP1, TP2 o TP3 (con respecto a tierra), encontraría graves errores de medición inducidos por medidor” impacto:”

Intente usar el movimiento del medidor y la resistencia de 15 kΩ como se muestra para medir estos tres voltajes. ¿El medidor lee falsamente alto o falsamente bajo? ¿Por qué crees que es esto?

Si aumentáramos la impedancia de entrada del medidor, disminuiríamos su consumo de corriente o “carga” en el circuito bajo prueba y, en consecuencia, mejoraríamos su precisión de medición. Un amplificador operacional con entradas de alta impedancia (usando una etapa de entrada de transistor JFET en lugar de una etapa de entrada BJT) funciona bien para esta aplicación.

Tenga en cuenta que el movimiento del medidor es parte del bucle de retroalimentación del amplificador operacional desde la salida hasta la entrada inversora. Este circuito acciona el movimiento del medidor con una corriente proporcional al voltaje impreso en la entrada no inversora (+), la corriente requerida suministrada directamente desde las baterías a través de los pines de la fuente de alimentación del amplificador operacional, no desde el circuito bajo prueba a través de la sonda de prueba. El rango del medidor es establecido por la resistencia que conecta la entrada inversora (-) a tierra.

Construya el circuito del medidor de amperios operacionales como se muestra y vuelva a tomar las mediciones de voltaje en TP1, TP2 y TP3. Esta vez deberías disfrutar de un éxito mucho mejor, con el movimiento del medidor midiendo con precisión estos voltajes (aproximadamente 3, 6 y 9 voltios, respectivamente).

Podrá presenciar la extrema sensibilidad de este voltímetro tocando la sonda de prueba con una mano y el terminal de batería más positivo con la otra. Observe cómo puede conducir la aguja hacia arriba en la báscula simplemente midiendo el voltaje de la batería a través de la resistencia de su cuerpo: una hazaña imposible con el circuito voltímetro original sin amplificar. Si toca la sonda de prueba a tierra, el medidor debe leer exactamente 0 voltios.

Después de haber demostrado que este circuito funciona, modifíquelo cambiando la fuente de alimentación de dual a split. Esto implica quitar la conexión a tierra del grifo central entre las baterías 2ª y 3ª, y poner a tierra el terminal negativo lejano de la batería en su lugar:

Esta alteración en la fuente de alimentación aumenta los voltajes en TP1, TP2 y TP3 a 6, 12 y 18 voltios, respectivamente. Con una resistencia de rango de 15 kΩ y un movimiento de medidor de 1 mA, medir 18 voltios “pegará” suavemente el medidor, pero debería poder medir bien los puntos de prueba de 6 y 12 voltios.

Intente tocar la sonda de prueba del medidor a tierra. Esto debería conducir la aguja del medidor a exactamente 0 voltios como antes, ¡pero no lo hará! Lo que está sucediendo aquí es un fenómeno de amplificador operacional llamado enganche: donde la salida de amplificador operacional conduce a un voltaje positivo cuando el voltaje de modo común de entrada excede el límite permitido. En este caso, como ocurre con muchos amplificadores operacionales de entrada JFET, ninguna de las entradas se debe permitir que se acerque a la tensión del riel de la fuente de alimentación. Con una sola fuente, el riel de alimentación negativo del amplificador operacional está a potencial de tierra (0 voltios), por lo que poner a tierra la sonda de prueba lleva la entrada no inversora (+) exactamente a ese voltaje del riel. Esto es malo para un amplificador operacional JFET, e impulsa la salida fuertemente positiva, aunque no parezca que debería, en función de cómo se supone que funcionan los amplificadores operacionales.

Cuando el amplificador operacional funcionaba con una fuente “dual” (+12/-12 voltios, en lugar de una fuente “única” de +24 voltios), el riel de la fuente de alimentación negativa estaba a 12 voltios de tierra (0 voltios), por lo que poner a tierra la sonda de prueba no violó el límite de voltaje de modo común del amplificador operacional. Sin embargo, con el suministro “único” de +24 voltios, tenemos un problema. Tenga en cuenta que algunos amplificadores operacionales no se “traban” como lo hace el modelo TL082. Puede reemplazar el TL082 con un amplificador operacional LM1458, que es compatible con pin por pin (no se necesitan cambios en el cableado de la placa de pruebas). El modelo 1458 no se “trabará” cuando la sonda de prueba esté conectada a tierra, aunque aún puede obtener lecturas incorrectas del medidor con el voltaje medido exactamente igual al riel de fuente de alimentación negativa. Como regla general, siempre debe estar seguro de que los voltajes del riel de la fuente de alimentación del amplificador operacional excedan los voltajes de entrada esperados.

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6.6: Integrador

PARTES Y MATERIALES

• Cuatro baterías de 6 voltios
• Amplificador operacional, modelo 1458 recomendado (Radio Shack catálogo # 276-038)
• Un potenciómetro de 10 kΩ, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)
• Dos capacitores, 0.1 µF cada uno, no polarizados (Radio Shack catálogo # 272-135)
• Dos resistencias de 100 kΩ
• Tres resistencias de 1 MΩ

Casi cualquier modelo de amplificador operacional funcionará bien para este experimento integrador, pero estoy especificando el modelo 1458 sobre el 353 porque el 1458 tiene corrientes de polarización de entrada mucho más altas. Normalmente, la corriente de polarización de entrada alta es una mala característica para que un amplificador operacional tenga en un circuito amplificador de CC de precisión (¡y especialmente en un circuito integrador!). No obstante, quiero que la corriente de sesgo sea alta para que sus malos efectos puedan ser exagerados, y para que aprendas un método para contrarrestar sus efectos.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 8: “Amplificadores Operacionales”

Objetivos de aprendizaje

• Método para limitar el alcance de un potenciómetro
• Propósito de un circuito integrador
• Cómo compensar la corriente de polarización de amplificador operacional

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Como puede ver en el diagrama esquemático, el potenciómetro está conectado a los “rieles” de la fuente de alimentación a través de resistencias de 100 kΩ, una en cada extremo. Esto es para limitar el alcance del potenciómetro de modo que el movimiento completo produzca un rango bastante pequeño de voltajes de entrada para que el amplificador operacional funcione. En un extremo del movimiento del potenciómetro, se producirá un voltaje de aproximadamente 0.5 voltios (con respecto al punto de tierra en el medio de la cadena de baterías en serie) en el limpiaparabrisas del potenciómetro. En el otro extremo de movimiento, se producirá un voltaje de aproximadamente -0.5 voltios. Cuando el potenciómetro se coloca en el punto muerto, el voltaje del limpiaparabrisas debe medir cero voltios.

Conecte un voltímetro entre el terminal de salida del amplificador operacional y el punto de tierra del circuito. Mueva lentamente el control del potenciómetro mientras monitorea el voltaje de salida. El voltaje de salida debe estar cambiando a una velocidad establecida por la desviación del potenciómetro desde la posición cero (centro). Para usar términos de cálculo, diríamos que el voltaje de salida representa la integral (con respecto al tiempo) de la función de voltaje de entrada. Es decir, el nivel de voltaje de entrada establece la tasa de cambio de voltaje de salida a lo largo del tiempo. Esto es precisamente lo contrario de la diferenciación, donde la derivada de una señal o función es su velocidad instantánea de cambio.

Si tiene dos voltímetros, es posible que vea fácilmente esta relación entre el voltaje de entrada y la tasa de cambio de voltaje de salida midiendo el voltaje del limpiaparabrisas (entre el limpiaparabrisas del potenciómetro y tierra) con un metro y el voltaje de salida (entre el terminal de salida de amplificador operacional y tierra) con el otro. Ajustar el potenciómetro para dar cero voltios debería dar como resultado la tasa de cambio de voltaje de salida más baja. Por el contrario, cuanto mayor sea la entrada de voltaje a este circuito, más rápido cambiará su voltaje de salida, o “rampa”.

Intente conectar el segundo condensador de 0.1 µF en paralelo con el primero. Esto duplicará la cantidad de capacitancia en el bucle de retroalimentación del amplificador operacional. ¿Qué efecto tiene esto en la tasa de integración del circuito para cualquier posición de potenciómetro dada?

Intente conectar otra resistencia de 1 MΩ en paralelo con la resistencia de entrada (la resistencia que conecta el limpiaparabrisas del potenciómetro al terminal inversor del amplificador operacional). Esto hará que la mitad de la resistencia de entrada del integrador. ¿Qué efecto tiene esto en la tasa de integración del circuito?

Los circuitos integradores son una de las funciones fundamentales de “bloque de construcción” de una computadora analógica. Al conectar circuitos integradores con amplificadores, veranos y potenciómetros (divisores), se podría modelar casi cualquier ecuación diferencial y obtener soluciones mediante la medición de voltajes producidos en varios puntos de la red de circuitos. Debido a que las ecuaciones diferenciales describen tantos procesos físicos, las computadoras analógicas se utilizan como simuladores. Antes de la llegada de las computadoras digitales modernas, los ingenieros utilizaron computadoras analógicas para simular procesos como la vibración de la maquinaria, la trayectoria del cohete y la respuesta del sistema de control. A pesar de que las computadoras analógicas se consideran obsoletas según los estándares modernos, sus componentes constituyentes aún funcionan bien como herramientas de aprendizaje para conceptos de cálculo.

Mueva el potenciómetro hasta que el voltaje de salida del amplificador operacional esté lo más cerca de cero que pueda obtenerlo, y moviéndose tan lentamente como pueda hacerlo. Desconecte la entrada del integrador del terminal del limpiaparabrisas del potenciómetro y conéctela en su lugar a tierra, así:

La aplicación de voltaje exactamente cero a la entrada de un circuito integrador debería, idealmente, hacer que la tasa de cambio de voltaje de salida sea cero. Cuando realice este cambio en el circuito, debe notar que el voltaje de salida permanece en un nivel constante o cambiando muy lentamente.

Con la entrada del integrador aún cortocircuitada a tierra, corto más allá de la resistencia de 1 MΩ que conecta la entrada no inversora (+) del amplificador operacional a tierra. No debería haber necesidad de esta resistencia en un circuito de amplificador operacional ideal, así que al cortocircuitarlo, veremos qué función proporciona en este circuito de amplificador operacional muy real:

Tan pronto como la resistencia de “puesta a tierra” se cortocircule con un cable puente, el voltaje de salida del amplificador operacional comenzará a cambiar o a la deriva. Idealmente, esto no debería suceder, porque el circuito integrador aún tiene una señal de entrada de cero voltios. Sin embargo, los amplificadores operacionales reales tienen una cantidad muy pequeña de corriente que ingresa a cada terminal de entrada llamada corriente de polarización. Estas corrientes de polarización caerán voltaje a través de cualquier resistencia en su trayectoria. Dado que la resistencia de entrada de 1 MΩ conduce cierta cantidad de corriente de polarización independientemente de la magnitud de la señal de entrada, caerá voltaje a través de sus terminales debido a la corriente de polarización, “compensando” la cantidad de voltaje de señal visto en el terminal inversor del amplificador operacional. Si la otra entrada (no inversora) está conectada directamente a tierra como lo hemos hecho aquí, esta tensión de “compensación” incurrida por la caída de voltaje generada por la corriente de polarización hará que el circuito integrador se “integre” lentamente como si estuviera recibiendo una señal de entrada muy pequeña.

La resistencia de “puesta a tierra” es mejor conocida como una resistencia de compensación porque actúa para compensar los errores de voltaje creados por la corriente de polarización. Dado que las corrientes de polarización a través de cada terminal de entrada de amplificador operacional son aproximadamente iguales entre sí, una cantidad igual de resistencia colocada en la trayectoria de cada corriente de polarización producirá aproximadamente la misma caída de voltaje. Las caídas de voltaje iguales vistas en las entradas complementarias de un amplificador operacional se cancelan entre sí, anulando así el error inducido por la corriente de polarización.

Retire el cortocircuito del cable puente más allá de la resistencia de compensación y observe cómo la salida del amplificador operacional vuelve a un estado relativamente estable. Todavía puede derivar algo, muy probablemente debido a un error de voltaje de polarización en el amplificador operacional en sí, ¡pero ese es otro tema del todo!

SIMULACIÓN COMPU

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6.7:555 Oscilador de audio

PARTES Y MATERIALES

• Dos baterías de 6 voltios
• Un condensador, 0.1 µF, no polarizado (Radio Shack catálogo # 272-135)
• Un temporizador IC 555 (Radio Shack catálogo # 276-1723)
• Dos diodos emisores de luz (Radio Shack catálogo # 276-026 o equivalente)
• Una resistencia de 1 MΩ
• Una resistencia de 100 kΩ
• Dos resistencias de 510 Ω
• Detector de audio con auriculares
• Osciloscopio (recomendado, pero no necesario)

Un osciloscopio sería útil para analizar las formas de onda que produce este circuito, pero no es esencial. Un detector de audio es una pieza de equipo de prueba muy útil para este experimento, especialmente si no tienes un osciloscopio.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, capítulo 10: “Multivibradores”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo usar el temporizador 555 como multivibrador astable
• Conocimiento práctico del ciclo de trabajo

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

El circuito integrado “555” es un temporizador de propósito general útil para una variedad de funciones. En este experimento, exploramos su uso como un multivibrador u oscilador astable. Conectado a un condensador y dos resistencias como se muestra, oscilará libremente, encendiendo y apagando los LED con un voltaje de salida de onda cuadrada.

Este circuito funciona según el principio de cargar y descargar alternativamente un condensador. El 555 comienza a descargar el condensador poniendo a tierra el terminal Disch cuando el voltaje detectado por el terminal Thresh supera 2/3 el voltaje de la fuente de alimentación (V _cc). Detiene la descarga del condensador cuando el voltaje detectado por el terminal Trig cae por debajo de 1/3 del voltaje de la fuente de alimentación. Por lo tanto, cuando ambos terminales Thresh y Trig están conectados al terminal positivo del condensador, el voltaje del condensador ciclará entre 1/3 y 2/3 de voltaje de fuente de alimentación en un patrón de “diente de sierra”.

Durante el ciclo de carga, el condensador recibe corriente de carga a través de la combinación en serie de las resistencias de 1 MΩ y 100 kΩ. Tan pronto como el terminal Disch en el temporizador 555 pasa al potencial de tierra (un transistor dentro del 555 conectado entre ese terminal y tierra se enciende), la corriente de descarga del condensador solo tiene que pasar por la resistencia de 100 kΩ. El resultado es una constante de tiempo RC que es mucho más larga para la carga que para la descarga, lo que resulta en un tiempo de carga que excede en gran medida el tiempo de descarga.

El terminal de salida del 555 produce una señal de voltaje de onda cuadrada que es “alta” (casi V _cc) cuando el condensador se está cargando, y “baja” (casi 0 voltios) cuando el condensador se está descargando. Esta señal alterna de alta/baja tensión impulsa los dos LEDs en modos opuestos: cuando uno está encendido, el otro estará apagado. Debido a que los tiempos de carga y descarga del condensador son desiguales, los tiempos “alto” y “bajo” de la forma de onda cuadrada de la salida también serán desiguales. Esto se puede ver en el brillo relativo de los dos LEDs: uno será mucho más brillante que el otro porque está encendido por un periodo de tiempo más largo durante cada ciclo.

La igualdad o desigualdad entre tiempos “altos” y “bajos” de una onda cuadrada se expresa como el ciclo de trabajo de esa onda. Una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50% es perfectamente simétrica: su tiempo “alto” es precisamente igual a su tiempo “bajo”. Se dice que una onda cuadrada que es “alta” 10% del tiempo y “baja” 90% del tiempo tiene un ciclo de trabajo del 10%. En este circuito, la forma de onda de salida tiene un tiempo “alto” superior al tiempo “bajo”, resultando en un ciclo de trabajo mayor al 50%.

Utilice el detector de audio (o un osciloscopio) para investigar las diferentes formas de onda de voltaje producidas por este circuito. Pruebe diferentes valores de resistencia y/o valores de condensador para ver qué efectos tienen en la frecuencia de salida o los tiempos de carga/descarga.

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6.8:555 Generador de Rampa

PARTES Y MATERIALES

• Dos baterías de 6 voltios
• Un condensador, 470 µF electrolítico, 35 WVDC (Radio Shack catálogo # 272-1030 o equivalente)
• Un condensador, 0.1 µF, no polarizado (Radio Shack catálogo # 272-135)
• Un temporizador IC 555 (Radio Shack catálogo # 276-1723)
• Dos transistores PNP: se recomiendan los modelos 2N2907 o 2N3906 (Radio Shack catálogo # 276-1604 es un paquete de quince transistores PNP ideal para este y otros experimentos)
• Dos diodos emisores de luz (Radio Shack catálogo # 276-026 o equivalente)
• Una resistencia de 100 kΩ
• Una resistencia de 47 kΩ
• Dos resistencias de 510 Ω
• Detector de audio con auriculares

La clasificación de voltaje en el condensador 470 µF no es crítica, siempre y cuando exceda generosamente el voltaje máximo de la fuente de alimentación. En este circuito en particular, ese voltaje máximo es de 12 voltios. ¡Asegúrate de conectar este condensador en el circuito correctamente, respetando la polaridad!

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 13: “Capacitores”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, capítulo 10: “Multivibradores”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo usar el temporizador 555 como multivibrador astable
• Un uso práctico para un circuito de espejo de corriente
• Comprender la relación entre la corriente del condensador y la tasa de cambio de voltaje del condensador

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

Nuevamente, estamos usando un IC de temporizador 555 como multivibrador astable, u oscilador. Esta vez, sin embargo, compararemos su funcionamiento en dos modos diferentes de carga de condensador: RC tradicional y corriente constante.

Conexión del punto de prueba #1 (TP1) al punto de prueba #3 (TP3) usando un cable puente. Esto permite que el condensador se cargue a través de una resistencia de 47 kΩ. Cuando el condensador ha alcanzado 2/3 de voltaje de alimentación, el temporizador 555 cambia al modo de “descarga” y descarga el condensador a un nivel de 1/3 de voltaje de alimentación casi de inmediato. El ciclo de carga comienza de nuevo en este punto. Mida el voltaje directamente a través del condensador con un voltímetro (se prefiere un voltímetro digital) y anote la velocidad de carga del condensador a lo largo del tiempo. Debería subir rápidamente al principio, luego disminuir a medida que acumula un voltaje de alimentación de 2/3, tal como cabría esperar de un circuito de carga RC.

Retire el cable puente del TP3 y vuelva a conectarlo a TP2. Esto permite que el condensador se cargue a través de la rama de corriente controlada de un circuito de espejo de corriente formado por los dos transistores PNP. Mida el voltaje directamente a través del condensador nuevamente, observando la diferencia en la tasa de carga a lo largo del tiempo en comparación con la última configuración del circuito.

Al conectar TP1 a TP2, el condensador recibe una corriente de carga casi constante. La corriente constante de carga del condensador produce una curva de voltaje que es lineal, como se describe en la ecuación i = C (de/dt). Si la corriente de los condensadores es constante, también lo será su tasa de cambio de voltaje a lo largo del tiempo. El resultado es una forma de onda de “rampa” en lugar de una forma de onda “diente de sierra”:

La corriente de carga del condensador puede medirse directamente sustituyendo un amperímetro en lugar del cable puente. El amperímetro deberá configurarse para medir una corriente en el rango de cientos de microamperios (décimas de miliamperios). Conectado entre TP1 y TP3, debería ver una corriente que comienza en un valor relativamente alto al comienzo del ciclo de carga, y se estrecha hacia el final. Conectada entre TP1 y TP2, sin embargo, la corriente será mucho más estable.

Es un experimento interesante en este punto cambiar la temperatura de cualquiera de los dos transistores actuales del espejo tocándolo con el dedo. A medida que el transistor se calienta, conducirá más corriente de colector para el mismo voltaje base-emisor. Si se toca el transistor controlador (el que está conectado a la resistencia de 100 kΩ), la corriente disminuye. Si se toca el transistor controlado, la corriente aumenta. Para el funcionamiento del espejo de corriente más estable, los dos transistores deben cementarse juntos para que sus temperaturas nunca difieran en ninguna cantidad sustancial.

Este circuito funciona igual de bien en frecuencias altas como lo hace en frecuencias bajas. Reemplace el condensador 470 µF por un condensador de 0.1 µF y use un detector de audio para detectar la forma de onda de voltaje en el terminal de salida del 555. El detector debe producir un tono de audio que sea fácil de escuchar. El voltaje del condensador ahora cambiará demasiado rápido para verlo con un voltímetro en el modo CC, pero aún podemos medir la corriente del condensador con un amperímetro.

Con el amperímetro conectado entre TP1 y TP3 (modo RC), mida tanto microamperios de CC como microamperios de CA. Registrar estas cifras actuales en papel. Ahora, conecte el amperímetro entre TP1 y TP2 (modo de corriente constante). Mida tanto microamperios de CC como microamperios de CA, observando cualquier diferencia en las lecturas de corriente entre esta configuración de circuito y la última. Medir la corriente de CA además de la corriente de CC es una manera fácil de determinar qué configuración de circuito proporciona la corriente de carga más estable. Si el circuito del espejo de corriente fuera perfecto, la corriente de carga del condensador absolutamente constante, habría una corriente CA cero medida por el medidor.

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6.9: Controlador de potencia PWM

PARTES Y MATERIALES

• Cuatro baterías de 6 voltios
• Un condensador, 100 µF electrolítico, 35 WVDC (Radio Shack catálogo # 272-1028 o equivalente)
• Un condensador, 0.1 µF, no polarizado (Radio Shack catálogo # 272-135)
• Un temporizador IC 555 (Radio Shack catálogo # 276-1723)
• Amplificador operacional dual, modelo 1458 recomendado (Radio Shack catálogo # 276-038)
• Un transistor de potencia NPN— (Catálogo Radio Shack # 276-2041 o equivalente)
• Tres diodos rectificadores 1N4001 (Radio Shack catálogo # 276-1101)
• Un potenciómetro de 10 kΩ, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)
• Una resistencia de 33 kΩ
• Lámpara de luz trasera automotriz de 12 voltios
• Detector de audio con auriculares

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 8: “Amplificadores Operacionales”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 2, capítulo 7: “Señales de CA de Frecuencia Mixta”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo usar el temporizador 555 como multivibrador astable
• Cómo usar un amplificador operacional como comparador
• Cómo usar diodos para bajar voltaje de CC no deseado
• Cómo controlar la potencia de una carga mediante modulación de ancho de pulso

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Este circuito utiliza un temporizador 555 para generar una forma de onda de voltaje en diente de sierra a través de un condensador, luego compara esa señal con una tensión constante proporcionada por un potenciómetro, usando un amplificador operacional como comparador. La comparación de estas dos señales de voltaje produce una salida de onda cuadrada del amplificador operacional, variando en el ciclo de trabajo según la posición del potenciómetro. Esta señal de ciclo de trabajo variable entonces acciona la base de un transistor de potencia, encendiendo y apagando la corriente a través de la carga. La frecuencia de oscilación del 555 es mucho mayor que la capacidad del filamento de la lámpara para ciclar térmicamente (calor y frío), por lo que cualquier variación en el ciclo de trabajo, o ancho de pulso, tiene el efecto de controlar la potencia total disipada por la carga a lo largo del tiempo.

Controlar la energía eléctrica a través de una carga por medio de encenderla y apagarla rápidamente, y variar el tiempo de “encendido”, se conoce como modulación por ancho de pulso, o PWM. Es un medio muy eficiente de controlar la energía eléctrica porque el elemento controlador (el transistor de potencia) disipa comparativamente poca potencia en el encendido y apagado, especialmente si se compara con la potencia desperdiciada disipada de un reóstato en una situación similar. Cuando el transistor está en corte, su disipación de potencia es cero porque no hay corriente a través de él. Cuando el transistor está saturado, su disipación es muy baja debido a que hay poca caída de voltaje entre el colector y el emisor mientras está conduciendo corriente.

PWM es un concepto más fácil de entender a través de la experimentación que la lectura. Sería bueno ver el voltaje del condensador, el voltaje del potenciómetro y las formas de onda de salida de amplificador operacional, todo en un osciloscopio (triple traza) para ver cómo se relacionan entre sí y con la potencia de carga. Sin embargo, la mayoría de nosotros no tenemos acceso a un osciloscopio de triple traza, mucho menos a ningún osciloscopio en absoluto, por lo que un método alternativo es ralentizar el oscilador 555 lo suficiente como para que los tres voltajes puedan compararse con un simple voltímetro de CC. Reemplace el condensador de 0.1 µF por uno que sea de 100 µF o más grande. Esto ralentizará la frecuencia de oscilación en un factor de al menos mil, lo que le permitirá medir el voltaje del condensador que aumenta lentamente con el tiempo, y la transición de salida de amplificador operacional de “alto” a “bajo” cuando el voltaje del condensador se vuelve mayor que el voltaje del potenciómetro. Con una frecuencia de oscilación tan lenta, la potencia de carga no se proporcionará como antes. Más bien, la lámpara se encenderá y apagará a intervalos regulares. Siéntase libre de experimentar con otros valores de condensadores o resistencias para acelerar las oscilaciones lo suficiente para que la lámpara nunca se encienda o apague por completo, sino que sea “estrangulado” por la pulsación rápida de encendido y apagado del transistor.

Cuando examine el esquema, notará dos amplificadores operativos conectados en paralelo. Esto se hace para proporcionar la salida de corriente máxima al terminal base del transistor de potencia. Un solo amplificador operacional (la mitad de un IC 1458) puede no ser capaz de proporcionar suficiente corriente de salida para conducir el transistor a la saturación, por lo que se utilizan dos amplificadores operacionales en tándem. Esto solo se debe hacer si los amplificadores operacionales en cuestión están protegidos contra sobrecarga, lo que es la serie 1458 de amplificadores operacionales. De lo contrario, es posible (aunque poco probable) que un amplificador operacional pueda encenderse antes que el otro, y el daño resulte de que las dos salidas se cortocircuiten entre sí (una conduciendo “alta” y la otra conduciendo “baja” simultáneamente). La protección inherente contra cortocircuitos que ofrece el 1458 permite la activación directa de la base del transistor de potencia sin necesidad de una resistencia limitadora de corriente.

Los tres diodos en serie que conectan las salidas de los amplificadores operacionales a la base del transistor están ahí para bajar el voltaje y garantizar que el transistor caiga en corte cuando las salidas de amplificador operacional pasen “bajas”. Debido a que el amplificador operacional 1458 no puede oscilar su voltaje de salida hasta el potencial de tierra, sino solo a aproximadamente 2 voltios de tierra, una conexión directa desde el amplificador operacional al transistor significaría que el transistor nunca se apagaría completamente. Al agregar tres diodos de silicio en serie, se reducen aproximadamente 2.1 voltios (0.7 voltios por 3) para garantizar que haya un voltaje mínimo en la base del transistor cuando las salidas de amplificador operacional van “bajas”.

Es interesante escuchar la señal de salida op-amp a través de un detector de audio ya que el potenciómetro se ajusta a través de su rango completo de movimiento. Ajustar el potenciómetro no tiene ningún efecto sobre la frecuencia de la señal, pero afecta en gran medida el ciclo de trabajo. Observe la diferencia en la calidad del tono, o timbre, ya que el potenciómetro varía el ciclo de trabajo de 0% a 50% a 100%. Variar el ciclo de trabajo tiene el efecto de cambiar el contenido armónico de la forma de onda, lo que hace que el tono suene diferente.

Es posible que note una singularidad particular en el sonido que se escucha a través de los auriculares detectores cuando el potenciómetro está en la posición central (50% ciclo de trabajo, 50% de potencia de carga), frente a una especie de similitud en el sonido justo por encima o por debajo del ciclo de trabajo del 50%. Esto se debe a la ausencia o presencia de armónicos pares. Cualquier forma de onda que sea simétrica por encima y por debajo de su línea central, como una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50%, no contiene armónicos pares, solo impares. Si el ciclo de trabajo está por debajo o por encima del 50%, la forma de onda no exhibirá esta simetría, y habrá armónicos pares. La presencia de estas frecuencias armónicas pares puede ser detectada por el oído humano, ya que algunas de ellas corresponden a octavas de la frecuencia fundamental y así “encajan” de manera más natural en el esquema de tono.

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6.10: Amplificador de audio Clase B

PARTES Y MATERIALES

• Cuatro baterías de 6 voltios
• Amplificador operacional dual, modelo TL082 recomendado (Radio Shack catálogo # 276-1715)
• Un transistor de potencia NPN en un paquete TO-220 (catálogo de Radio Shack # 276-2020 o equivalente)
• Un transistor de potencia PNP en un paquete TO-220 (catálogo de Radio Shack # 276-2027 o equivalente)
• Un diodo de conmutación 1N914 (Radio Shack catálogo # 276-1620)
• Un condensador, 47 µF electrolítico, 35 WVDC (catálogo de Radio Shack # 272-1015 o equivalente)
• Dos capacitores, 0.22 µF, no polarizados (Radio Shack catálogo # 272-1070)
• Un potenciómetro de 10 kΩ, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)

Asegúrese de usar un amplificador operacional que tenga una alta tasa de respuesta. Evite el LM741 o LM1458 por este motivo.

Cuanto más se acerquen los dos transistores, mejor. Si es posible, intente obtener los transistores TIP41 y TIP42, que son transistores de potencia NPN y PNP estrechamente emparejados con clasificaciones de disipación de 65 vatios cada uno. Si no puede obtener un transistor TIP41 NPN, el TIP3055 (disponible en Radio Shack) es un buen sustituto. No utilice transistores de potencia muy grandes (es decir, caso TO-3), ya que el amplificador operacional puede tener problemas para conducir suficiente corriente a sus bases para un buen funcionamiento.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: “Transistores de Unión Bipolar”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 8: “Amplificadores Operacionales”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo construir un amplificador de clase B “push-pull” usando transistores bipolares complementarios
• Los efectos de la “distorsión de cruce” en un circuito amplificador push-pull
• Uso de retroalimentación negativa a través de un amplificador operacional para corregir las no linealidades del circuito

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Este proyecto es un amplificador de audio adecuado para amplificar la señal de salida de una pequeña radio, reproductor de cinta, reproductor de CD o cualquier otra fuente de señales de audio. Para el funcionamiento estéreo, se deben construir dos amplificadores idénticos, uno para el canal izquierdo y otro para el canal derecho. Para obtener una señal de entrada para que este amplificador se amplifique, simplemente conéctelo a la salida de una radio u otro dispositivo de audio como este:

Este circuito amplificador también funciona bien en la amplificación de señales de audio de “nivel de línea” de componentes estéreo modulares de alta calidad. Proporciona una sorprendente cantidad de potencia de sonido cuando se reproduce a través de un altavoz grande, y tal vez funcione sin disipadores térmicos en los transistores (aunque deberías experimentar un poco con él antes de decidirte a renunciar a los disipadores de calor, ya que la disipación de potencia varía según el tipo de altavoz utilizado).

El objetivo de cualquier circuito amplificador es reproducir la forma de onda de entrada con la mayor precisión posible. La reproducción perfecta es imposible, por supuesto, y cualquier diferencia entre las formas de onda de salida y entrada se conoce como distorsión. En un amplificador de audio, la distorsión puede hacer que los tonos desagradables se superpongan al sonido verdadero. Hay muchas configuraciones diferentes de circuitería de amplificador de audio, cada una con sus propias ventajas y desventajas. Este circuito en particular se llama circuito de “clase B”, push-pull.

La mayoría de los amplificadores de “potencia” de audio utilizan una configuración de clase B, donde un transistor proporciona energía a la carga durante la mitad del ciclo de forma de onda (empuja) y un segundo transistor proporciona energía a la carga para la otra mitad del ciclo (tira). En este esquema, ninguno de los dos transistores permanece “encendido” durante todo el ciclo, dando a cada uno un tiempo para “descansar” y enfriarse durante el ciclo de forma de onda. Esto lo convierte en un circuito amplificador de bajo consumo, pero conduce a un tipo distinto de no linealidad conocida como “distorsión de cruce”.

Aquí se muestra una forma de onda sinusoidal, equivalente a un tono de audio constante de volumen constante:

En un circuito amplificador push-pull, los dos transistores se turnan para amplificar los semiciclos alternos de la forma de onda así:

Sin embargo, si la “transferencia” entre los dos transistores no está sincronizada con precisión, la forma de onda de salida del amplificador puede verse así en lugar de una onda sinusoidal pura:

Aquí, la distorsión resulta del hecho de que hay un retraso entre el momento en que un transistor se apaga y el otro transistor se enciende. Este tipo de distorsión, donde la forma de onda “aplana” en el punto de cruce entre semiciclos positivo y negativo, se denomina distorsión de cruce. Un método común para mitigar la distorsión de cruce es polarizar los transistores de manera que sus puntos de encendido/apagado realmente se superpongan, de modo que ambos transistores estén en un estado de conducción por un breve momento durante el período de cruce:

Esta forma de amplificación se conoce técnicamente como clase AB en lugar de clase B porque cada transistor está “encendido” durante más del 50% del tiempo durante un ciclo completo de forma de onda. La desventaja de hacer esto, sin embargo, es el aumento del consumo de energía del circuito amplificador, ya que durante los momentos de tiempo en los que ambos transistores están conduciendo, hay corriente conducida a través de los transistores que no están pasando por la carga, sino que simplemente está siendo “cortocircuitada” de uno riel de alimentación al otro (de -V a +V). Esto no sólo es un desperdicio de energía, sino que disipa más energía térmica en los transistores. Cuando los transistores aumentan de temperatura, sus características cambian (V _sea caída de voltaje directo, β, resistencias de unión, etc.), dificultando la polarización adecuada.

En este experimento, los transistores operan en modo puro de clase B. Es decir, nunca están conduciendo al mismo tiempo. Esto ahorra energía y disminuye la disipación de calor, pero se presta a la distorsión cruzada. La solución tomada en este circuito es usar un amplificador operacional con retroalimentación negativa para conducir rápidamente los transistores a través de la zona “muerta” produciendo distorsión de cruce y reducir la cantidad de “aplanamiento” de la forma de onda durante el cruce.

El primer amplificador operacional (más a la izquierda) que se muestra en el diagrama esquemático no es más que un búfer. Un búfer ayuda a reducir la carga de la red de capacitor/resistencia de entrada, que se ha colocado en el circuito para filtrar cualquier voltaje de polarización de CC de la señal de entrada, evitando que cualquier voltaje de CC sea amplificado por el circuito y enviado al altavoz donde podría causar daños. Sin el amplificador operacional de búfer, el circuito de filtrado de capacitor/resistencia reduce la respuesta de baja frecuencia (“graves”) del amplificador y acentúa la alta frecuencia (“agudos”).

El segundo amplificador operacional funciona como un amplificador inversor cuya ganancia es controlada por el potenciómetro de 10 kΩ. Esto no hace más que proporcionar un control de volumen para el amplificador. Por lo general, los circuitos de amplificador operacional inversores tienen sus resistencias de retroalimentación conectadas directamente desde el terminal de salida de amplificador operacional al terminal de entrada de inversión de esta manera:

Si tuviéramos que usar la señal de salida resultante para accionar los terminales base del par de transistores push-pull, sin embargo, experimentaríamos una distorsión de cruce significativa, porque habría una zona “muerta” en el funcionamiento de los transistores ya que el voltaje base pasaba de + 0.7 voltios a - 0.7 voltios:

Si ya has construido el circuito amplificador en su forma final, puede simplificarlo a esta forma y escuchar la diferencia en la calidad del sonido. Si aún no ha comenzado la construcción del circuito, el diagrama esquemático que se muestra arriba sería un buen punto de partida. Amplificará una señal de audio, ¡pero sonará horrible!

La razón de la distorsión de cruce es que cuando la señal de salida op-amp está entre + 0.7 voltios y - 0.7 voltios, ninguno de los transistores conducirá, y el voltaje de salida al altavoz será de 0 voltios para todo el lapso de 1.4 voltios de oscilación de voltaje base. Por lo tanto, hay una “zona” en el rango de señal de entrada donde no se producirá ningún cambio en el voltaje de salida del altavoz. Aquí es donde se suelen introducir intrincadas técnicas de polarización en el circuito para reducir esta “brecha” de 1.4 voltios en la respuesta de la señal de entrada del transistor. Por lo general, se hace algo como esto:

Los dos diodos conectados en serie caerán aproximadamente 1.4 voltios, equivalente a la V combinada _ser caídas de voltaje directo de los dos transistores, resultando en un escenario en el que cada transistor está justo a punto de encenderse cuando la señal de entrada es de cero voltios, eliminando la señal de 1.4 voltios “muerta” zona que existía antes.

Desafortunadamente, sin embargo, esta solución no es perfecta: a medida que los transistores se calientan de conducir energía a la carga, sus caídas de voltaje V _be forward disminuirán de 0.7 voltios a algo menos, como 0.6 voltios o 0.5 voltios. Los diodos, que no están sujetos al mismo efecto de calentamiento porque no conducen ninguna corriente sustancial, no experimentarán el mismo cambio en la caída de voltaje directo. Por lo tanto, los diodos continuarán proporcionando el mismo voltaje de polarización de 1.4 voltios aunque los transistores requieran menos voltaje de polarización debido al calentamiento. El resultado será que el circuito deriva hacia la operación de clase AB, donde ambos transistores estarán en estado de conducción parte del tiempo. Esto, por supuesto, resultará en una mayor disipación de calor a través de los transistores, exacerbando el problema del cambio de caída de voltaje directo.

Una solución común a este problema es la inserción de resistencias de “retroalimentación” de compensación de temperatura en las patas del emisor del circuito de transistor push-pull:

Esta solución no impide el encendido simultáneo de los dos transistores, sino que simplemente reduce la gravedad del problema y evita la fuga térmica. También tiene el desafortunado efecto de insertar resistencia en la trayectoria de corriente de carga, limitando la corriente de salida del amplificador. La solución que opté en este experimento es aquella que capitaliza el principio de retroalimentación negativa de amplificador operacional para superar las limitaciones inherentes del circuito de salida del transistor push-pull. Utilizo un diodo para proporcionar un voltaje de polarización de 0.7-voltios para el par push-pull. Esto no es suficiente para eliminar la zona de señal “muerta”, pero la reduce en al menos un 50%:

Dado que la caída de voltaje de un solo diodo siempre será menor que las caídas de voltaje combinadas de las uniones base-emisor de los dos transistores, los transistores nunca pueden encenderse simultáneamente, impidiendo así el funcionamiento de clase AB. A continuación, para ayudar a deshacerse de la distorsión de cruce restante, la señal de retroalimentación del amplificador operacional se toma del terminal de salida del amplificador (los terminales emisores de los transistores) así:

La función del amplificador operacional es emitir cualquier señal de voltaje que tenga que para mantener sus dos terminales de entrada en el mismo voltaje (0 voltios diferenciales). Al conectar el cable de retroalimentación a los terminales emisores de los transistores push-pull, el amplificador operacional tiene la capacidad de detectar cualquier zona “muerta” donde ninguno de los transistores está conduciendo, y emitir una señal de voltaje apropiada a las bases de los transistores para conducirlos rápidamente a la conducción nuevamente para “mantenerse al día” con la forma de onda de señal de entrada. Esto requiere un amplificador operacional con una alta tasa de respuesta (la capacidad de producir un voltaje de salida de rápido aumento o caída rápida), razón por la cual se especificó el amplificador operacional TL082 para este circuito. Es posible que los amplificadores operacionales más lentos, como el LM741 o el LM1458, no puedan mantenerse al día con la alta dv/dt (tasa de cambio de voltaje a lo largo del tiempo, también conocida como de/dt) necesaria para la operación de baja distorsión.

Solo se agregan un par de condensadores a este circuito para llevarlo a su forma final: un condensador de 47 µF conectado en paralelo con el diodo ayuda a mantener constante el voltaje de polarización de 0.7 voltios a pesar de las grandes oscilaciones de voltaje en la salida del amplificador operacional, mientras que un condensador de 0.22 µF conectado entre la base y el emisor de el transistor NPN ayuda a reducir la distorsión de cruce en ajustes de bajo volumen:

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7: Circuitos Integrados Digitales

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7.1: Introducción a los Circuitos Integrados Digitales

Los circuitos digitales son circuitos que tratan con señales restringidas a los límites extremos de cero y alguna cantidad completa. Esto contrasta con los circuitos analógicos, en los que las señales son libres de variar continuamente entre los límites impuestos por el voltaje de la fuente de alimentación y las resistencias del circuito. Estos circuitos encuentran uso en operaciones lógicas “verdadero/falso” y computación digital.

Los circuitos de este capítulo hacen uso de componentes IC, o circuito integrado. Dichos componentes son en realidad redes de componentes interconectados fabricados en una sola oblea de material semiconductor. Los circuitos integrados que proporcionan una multitud de funciones prediseñadas están disponibles a muy bajo costo, beneficiando a estudiantes, aficionados y diseñadores de circuitos profesionales por igual. La mayoría de los circuitos integrados proporcionan la misma funcionalidad que los circuitos semiconductores “discretos” a niveles más altos de confiabilidad y a una fracción del costo.

Los circuitos de este capítulo utilizarán principalmente la tecnología CMOS, ya que esta forma de diseño de CI permite una amplia gama de voltaje de fuente de alimentación manteniendo niveles de consumo de energía generalmente bajos. Aunque los circuitos CMOS son susceptibles a daños por electricidad estática (los altos voltajes perforarán las barreras aislantes en los transistores MOSFET), los CI CMOS modernos son mucho más tolerantes a la descarga electrostática que los CI CMOS del pasado, lo que reduce el riesgo de falla del chip al manejar mal. El manejo adecuado de CMOS implica el uso de espuma antiestática para el almacenamiento y transporte de CI, y medidas para evitar que se acuñe carga estática en su cuerpo (uso de una correa para la muñeca a tierra o tocar frecuentemente un objeto conectado a tierra).

Los circuitos que utilizan la tecnología TTL requieren un voltaje de fuente de alimentación regulado de 5 voltios y no tolerarán ninguna desviación sustancial de este nivel de voltaje. Cualquier circuito TTL en este capítulo se etiquetará adecuadamente como tal, y se espera que se dé cuenta de sus requisitos únicos de suministro de energía.

Al construir circuitos digitales usando “chips” de circuitos integrados, se recomienda encarecidamente que use una placa de pruebas con conexiones de “riel” de fuente de alimentación a lo largo de la longitud. Estos son conjuntos de agujeros en la placa de pruebas que son eléctricamente comunes a lo largo de toda la longitud de la placa. Conecte uno al terminal positivo de una batería y el otro al terminal negativo, y la alimentación de CC estará disponible para cualquier área de la placa de pruebas a través de la conexión a través de cables puente cortos:

Con tantos de estos circuitos integrados que tienen “reinicio”, “habilitar” y “deshabilitar” terminales que necesitan mantenerse en un estado “alto” o “bajo”, sin mencionar los terminales V _DD (o V _CC) y tierra que requieren conexión a la fuente de alimentación, teniendo ambos terminales del fuente de alimentación fácilmente disponible para la conexión en cualquier punto a lo largo de la placa es muy útil.

La mayoría de las placas de prueba que he visto tienen estos orificios de “riel” de fuente de alimentación, pero algunas no. Hasta este punto, he estado ilustrando circuitos usando una placa de pruebas que carece de esta característica, solo para mostrar cómo no es absolutamente necesaria. Sin embargo, los circuitos digitales parecen requerir más conexiones a la fuente de alimentación que otros tipos de circuitos de placa de prueba, lo que hace que esta característica sea más que una simple conveniencia.

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7.2: Función básica de puerta

Partes y Materiales

• 4011 cuádruple puerta NAND (Radio Shack catálogo # 276-2411)
• Interruptor DIP de ocho posiciones (Radio Shack catálogo # 275-1301)
• Gráfico de barras LED de diez segmentos (Radio Shack catálogo # 276-081)
• Una batería de 6 voltios
• Dos resistencias de 10 kΩ
• Tres resistencias de 470 Ω

¡Precaución! El 4011 IC es CMOS, ¡y por lo tanto sensible a la electricidad estática!

Lectura adicional

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, Capítulo 3: “Puertas Lógicas”

Objetivos de aprendizaje

• Propósito de una resistencia “pulldown”
• Cómo determinar experimentalmente la tabla de verdad de una puerta
• Cómo conectar puertas lógicas juntas
• Cómo crear diferentes funciones lógicas mediante el uso de puertas NAND

Diagrama esquemático de la función de puerta básica

Ilustración básica de la función de puerta

Instrucciones del experimento

Para comenzar, conecte una sola puerta NAND a dos interruptores de entrada y un LED, como se muestra. Al principio, el uso de un interruptor de 8 posiciones y un gráfico de barras LED de 10 segmentos puede parecer excesivo ya que solo se necesitan dos interruptores y un LED para mostrar el funcionamiento de una sola puerta NAND. Sin embargo, la presencia de esos interruptores y LEDs adicionales hacen que sea muy conveniente expandir el circuito y ayudar a que el diseño del circuito sea limpio y compacto.

Es muy recomendable que tenga disponible una hoja de datos para el chip 4011 cuando construya su circuito. ¡No solo sigas la ilustración que se muestra arriba! Es importante que desarrolles la habilidad de leer hojas de datos, especialmente diagramas de “pinout” al conectar terminales IC a otros elementos del circuito. El diagrama de conexión de la hoja de datos es una pieza esencial de información para tener. Aquí se muestra mi propia versión de lo que muestra cualquier hoja de datos 4011:

En la ilustración de la placa de pruebas, he mostrado el circuito construido usando la puerta NAND inferior izquierda: los pines # 1 y 2 son las entradas, y el pin #3 es la salida. Los pines # 14 y 7 conducen la alimentación de CC a los cuatro circuitos de puerta dentro del chip IC, “V _DD” que representa el lado positivo de la fuente de alimentación (+V) y “Gnd” representa el lado negativo de la fuente de alimentación (-V), o tierra. A veces el terminal negativo de la fuente de alimentación se etiquetará como “V _SS” en lugar de “Gnd” en una hoja de datos, pero significa lo mismo.

El circuito lógico digital no hace uso de fuentes de alimentación divididas como lo hacen los amplificadores operacionales. Sin embargo, al igual que los circuitos de amplificador operacional, la tierra sigue siendo el punto de referencia implícito para todas las mediciones de voltaje. Si hablara de que una señal “alta” estuviera presente en cierto pin del chip, significaría que había voltaje completo entre ese pin y el lado negativo de la fuente de alimentación (tierra).

Observe cómo todas las entradas de las puertas no utilizadas dentro del chip 4011 están conectadas a V _DD o a tierra. Esto no es un error, sino un acto de diseño intencional. Dado que el 4011 es un circuito integrado CMOS, y las entradas del circuito CMOS dejadas desconectadas (flotantes) pueden asumir cualquier nivel de voltaje simplemente por interceptar una carga eléctrica estática de un objeto cercano, dejando entradas flotantes significa que esas puertas no utilizadas pueden recibir cualquier combinación aleatoria de “alta” y señales “bajas”.

¿Por qué esto es indeseable, si no estamos usando esas puertas? ¿A quién le importa qué señales reciben, si no estamos haciendo nada con sus salidas? El problema es que si aparecen señales de voltaje estático en las entradas de la puerta que no son completamente “altas” o completamente “bajas”, los transistores internos de las puertas pueden comenzar a encenderse de tal manera que consuma corriente excesiva. En el peor de los casos, esto podría ocasionar daños en el chip. En el mejor de los casos significa un consumo excesivo de energía. Poco importa si elegimos conectar estas entradas de puerta no utilizadas “alta” (V _DD) o “baja” (tierra), siempre y cuando las conectemos a uno de esos dos lugares. En la ilustración de la placa de pruebas, muestro todas las entradas superiores conectadas a V _DD, y todas las entradas inferiores (de las compuertas no utilizadas) conectadas a tierra. ¡Esto se hizo simplemente porque esos orificios del riel de la fuente de alimentación estaban más cerca y no requerían cables de puente largos!

Tenga en cuenta que ninguna de las salidas de puerta no utilizadas se ha conectado a V _DD o tierra, ¡y por una buena razón! Si tuviera que hacer eso, podría estar forzando una puerta a asumir el estado de salida opuesto que está tratando de lograr, lo cual es una forma complicada de decir que habría creado un cortocircuito. Imagine una puerta que se supone que genera un nivel lógico “alto” (para una puerta NAND, esto sería cierto si alguna de sus entradas fuera “baja”). Si dicha puerta tuviera su terminal de salida directamente conectado a tierra, nunca podría alcanzar un estado “alto” (siendo hecho eléctricamente común a tierra a través de la conexión del cable puente). En cambio, su transistor de salida superior (canal P) se encendería en vano, abasteciendo la corriente máxima a una carga inexistente. ¡Esto muy probablemente dañaría la puerta! Los terminales de salida de puerta, por su propia naturaleza, generan sus propios niveles lógicos y nunca “flotan” de la misma manera que lo hacen las entradas de puerta CMOS.

Las dos resistencias de 10 kΩ se colocan en el circuito para evitar condiciones de entrada flotante en la puerta usada. Con un interruptor cerrado, la entrada respectiva se conectará directamente a V _DD y por lo tanto será “alta”. Con un interruptor abierto, la resistencia “pulldown” de 10 kΩ proporciona una conexión resistiva a tierra, asegurando un estado seguro “bajo” en el terminal de entrada de la puerta. De esta manera, la entrada no será susceptible a tensiones estáticas parásitas.

Con la puerta NAND conectada a los dos interruptores y un LED como se muestra, está listo para desarrollar una “tabla de verdad” para la puerta NAND. Aunque ya sepas cómo es una mesa de verdad de puerta NAND, este es un buen ejercicio de experimentación: descubrir los principios conductuales de un circuito por inducción. Dibuja una tabla de la verdad en una hoja de papel como esta:

Las columnas “A” y “B” representan los dos interruptores de entrada, respectivamente. Cuando el interruptor está encendido, su estado es “alto” o 1. Cuando el interruptor está apagado, su estado es “bajo” o 0, como lo asegura su resistencia de pulldown. La salida de la puerta, por supuesto, está representada por el LED: ya sea encendida (1) o apagada (0). Después de colocar los interruptores en todas las combinaciones posibles de estados y registrar el estado del LED, compare la tabla de verdad resultante con lo que debería ser la tabla de verdad de una puerta NAND.

Como se puede imaginar, este circuito de placa de pruebas no se limita a probar puertas NAND. Cualquier tipo de puerta puede probarse con dos interruptores, dos resistencias desplegables y un LED para indicar el estado de salida. Solo asegúrate de verificar el diagrama de “pinout” del chip antes de sustituirlo pin por pin en lugar del 4011. ¡No todos los chips de puerta “cuádruple” tienen las mismas asignaciones de pines!

Mejora Adicional

Una mejora que quizás quieras hacer a este circuito es asignar un par de LEDs para indicar el estado de entrada, además del LED asignado para indicar la salida. Esto hace que la operación sea un poco más interesante de observar, y tiene el beneficio adicional de indicar si un interruptor no se cierra (o abre) mostrando la señal de entrada verdadera a la puerta, en lugar de obligarlo a inferir el estado de entrada desde la posición del interruptor:

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7.3: Pestillo S-R de puerta NOR

PARTES Y MATERIALES

• 4001 cuádruple puerta NOR (Radio Shack catálogo # 276-2401)
• Interruptor DIP de ocho posiciones (Radio Shack catálogo # 275-1301)
• Gráfico de barras LED de diez segmentos (Radio Shack catálogo # 276-081)
• Una batería de 6 voltios
• Dos resistencias de 10 kΩ
• Dos resistencias de 470 Ω
• Dos resistencias de 100 Ω

¡Precaución! El 4001 IC es CMOS, ¡y por lo tanto sensible a la electricidad estática!

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, Capítulo 3: “Puertas Lógicas”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, capítulo 10: “Multivibradores”

Objetivos de aprendizaje

• Los efectos de la retroalimentación positiva en un circuito digital
• ¿Qué se entiende por el estado “inválido” de un circuito de pestillo
• Qué condición de carrera es en un circuito digital
• La importancia de los niveles de voltaje de señal CMOS “altos” válidos

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

El circuito integrado 4001 es una puerta NOR cuádruple CMOS, idéntica en asignaciones de pines de entrada, salida y fuente de alimentación a la puerta NAND cuádruple 4011. Su diagrama de “pinout” o “conexión” es como tal:

Cuando dos puertas NOR están interconectadas como se muestra en el diagrama esquemático, habrá retroalimentación positiva de salida a entrada. Es decir, la señal de salida tiende a mantener la puerta en su último estado de salida. Al igual que en los circuitos de amplificador operacional, la retroalimentación positiva crea histéresis. Esta tendencia para que el circuito permanezca en su último estado de salida le da una especie de “memoria”. De hecho, ¡existen tecnologías de memoria de computadora de estado sólido basadas en circuitos como este!

Si designamos el interruptor izquierdo como la entrada “Set” y el interruptor derecho como el “Reset”, el LED izquierdo será la salida “Q” y el LED derecho la salida “Q-not”. Con la entrada Set “high” (switch on) y la entrada Reset “low”, Q irá “high” y Q-not irá “low”. Esto se conoce como el estado establecido del circuito. Hacer la entrada Reset “alta” y la entrada Set “baja” invierte el estado de salida del circuito de pestillo: Q “bajo” y Q-no “alto”. Esto se conoce como el estado de reinicio del circuito. Si ambas entradas se colocan en el estado “bajo”, las salidas Q y Q-not del circuito permanecerán en sus últimos estados, “recordando” sus ajustes anteriores. Esto se conoce como el estado enclavado del circuito.

Debido a que las salidas han sido designadas “Q” y “Q-not”, se da a entender que sus estados siempre serán complementarios (opuestos). Así, si ocurriera algo que obligara a ambas salidas al mismo estado, estaríamos inclinados a llamar a ese modo del circuito “inválido”. Esto es exactamente lo que sucederá si hacemos que tanto las entradas Set como Reset sean “altas”: tanto las salidas Q como Q-not serán forzadas al mismo estado lógico “bajo”. Esto se conoce como el estado inválido o ilegal del circuito, no porque algo haya salido mal, sino porque las salidas no han cumplido con las expectativas establecidas por sus etiquetas.

Dado que el estado “enganchado” es una condición histerética mediante la cual los últimos estados de salida son “recordados”, uno podría preguntarse qué pasará si el circuito se enciende de esta manera, sin estado previo que mantener. Para experimentar, coloque ambos interruptores en sus posiciones de apagado, haciendo que las entradas Set y Reset sean bajas, luego desconecte uno de los cables de la batería de la placa de pruebas. Luego, haga y rompa rápidamente el contacto entre ese cable de la batería y su punto de conexión adecuado en la placa de pruebas, señalando el estado de los dos LED a medida que el circuito se enciende una y otra vez:

Cuando un circuito de pestillo como este se alimenta a su estado “enganchado”, las puertas compiten entre sí para el control. Dadas las entradas “bajas”, ambas puertas intentan emitir señales “altas”. Si una de las puertas alcanza su estado de salida “alta” antes que la otra, ese estado “alto” se retroalimentará a la entrada de la otra puerta para forzar su salida “baja”, y la carrera es ganada por la puerta más rápida.

Invariablemente, una puerta gana la carrera, debido a variaciones internas entre compuertas en el chip, y/o resistencias y capacitancias externas que actúan para retrasar una puerta más que la otra. Lo que esto suele significar es que el circuito tiende a encenderse en el mismo modo, una y otra vez. Sin embargo, si eres persistente en tus ciclos de encendido/apagado, deberías ver al menos algunas veces donde el circuito de pestillo se enciende enganchado en el estado opuesto al normal.

Las condiciones de carrera son generalmente indeseables en cualquier tipo de sistema, ya que conducen a una operación impredecible. Pueden ser particularmente problemáticos de localizar, como muestra este experimento, debido a la imprevisibilidad que crean. Imagínese un escenario, por ejemplo, donde una de las dos puertas NOR fuera excepcionalmente lenta, debido a un defecto en el chip. Este hándicap provocaría que la otra puerta ganara cada vez la carrera de power-up. Es decir, el circuito será muy predecible en el encendido con ambas entradas “bajas”. Sin embargo, supongamos que el chip inusual iba a ser reemplazado por uno con puertas más igualadas, o por un chip donde la otra puerta NOR fuera consistentemente más lenta. No se supone que el comportamiento normal del circuito cambie cuando se reemplaza un componente, pero si las condiciones de carrera están presentes, un cambio de componentes muy bien puede hacer precisamente eso.

Debido a la tendencia inherente de carrera de un pestillo S-R, no se debe diseñar un circuito con la expectativa de un estado de encendido consistente, sino usar medios externos para “forzar” la carrera de modo que la puerta deseada siempre “gane”.

Una modificación interesante para probar en este circuito es reemplazar una de las resistencias de “caída” LED de 470 Ω por una unidad de menor valor, como 100 Ω. El efecto obvio de esta alteración será el aumento del brillo del LED, ya que se permita el paso de más corriente. También resultará un efecto no tan obvio, y es este efecto el que tiene un gran valor de aprendizaje. Intente reemplazar una de las resistencias de 470 Ω por una resistencia de 100 Ω, y opere los interruptores de señal de entrada a través de las cuatro combinaciones de ajustes posibles, observando el comportamiento del circuito.

Debe tener en cuenta que el circuito se niega a enclavarse en uno de sus estados (ya sea Set o Reset), pero sólo en el otro estado, cuando los interruptores de entrada están ambos establecidos “bajo” (el modo “latch”). ¿Por qué es esto? Toma un voltímetro y mide el voltaje de salida de la puerta cuya salida es “alta” cuando ambas entradas son “bajas”. Observe esta indicación de voltaje, luego configure los interruptores de entrada de tal manera que el otro estado (ya sea Reset o Set) sea forzado, y mida el voltaje de salida de la otra puerta cuando su salida sea “alta”. Observe la diferencia entre los dos niveles de voltaje de salida de puerta, una puerta cargada por un LED con una resistencia de 470 Ω y la otra cargada por un LED con una resistencia de 100 Ω. El cargado por la carga “más pesada” (resistencia de 100 Ω) será mucho menor: ¡mucho menos que este voltaje no será interpretado por la entrada de la otra puerta NOR como una señal “alta” en absoluto ya que se retroalimenta! Todas las puertas lógicas tienen rangos permisibles de voltaje de señal de entrada “alto” y “bajo”, y si el voltaje de una señal digital cae fuera de este rango permisible, es posible que la puerta receptora no la interprete correctamente. En un circuito de cierre como este, que depende de una señal sólida “alta” realimentada desde la salida de una puerta a la entrada de la otra, una señal “débil” no podrá mantener la retroalimentación positiva necesaria para mantener el circuito enclavado en uno de sus estados.

Esta es una razón por la que estoy a favor del uso de un voltímetro como “sonda” lógica para determinar los niveles de señal digital, en lugar de una sonda lógica real con luces “altas” y “bajas”. Una sonda lógica puede no indicar la presencia de una señal “débil”, mientras que un voltímetro definitivamente lo hará por medio de su indicación cuantitativa. Este tipo de problema, común en circuitos donde se mezclan diferentes “familias” de circuitos integrados (TTL y CMOS, por ejemplo), solo se puede encontrar con equipos de prueba que proporcionan mediciones cuantitativas de nivel de señal.

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7.4: Pestillo activado S-R de puerta NAND

PARTES Y MATERIALES

• 4011 cuádruple puerta NAND (Radio Shack catálogo # 276-2411)
• Interruptor DIP de ocho posiciones (Radio Shack catálogo # 275-1301)
• Gráfico de barras LED de diez segmentos (Radio Shack catálogo # 276-081)
• Una batería de 6 voltios
• Tres resistencias de 10 kΩ
• Dos resistencias de 470 Ω

¡Precaución! El 4011 IC es CMOS, ¡y por lo tanto sensible a la electricidad estática!

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, Capítulo 3: “Puertas Lógicas”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, capítulo 10: “Multivibradores”

Objetivos de aprendizaje

• Principio y función de un circuito de pestillo habilitado

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Aunque este circuito usa puertas NAND en lugar de puertas NOR, su comportamiento es idéntico al del pestillo S-R de puerta NOR (una entrada Set “alta” impulsa Q “alta” y una entrada de reinicio “alta” impulsa Q-no “alta”), excepto por la presencia de una tercera entrada: el Enable. El propósito de la entrada Enable es activar o desactivar las entradas Set y Reset para que no tengan efecto sobre el estado de salida del circuito. Cuando la entrada Enable es “alta”, el circuito actúa igual que el pestillo S-R de la puerta NOR. Cuando la entrada Enable es “baja”, las entradas Set y Reset se desactivan y no tienen ningún efecto en las salidas, dejando el circuito en su estado de bloqueo.

Este tipo de circuito de pestillo (también llamado pestillo S-R cerrado), puede construirse a partir de dos puertas NOR y dos puertas AND, pero el diseño de la puerta NAND es más fácil de construir ya que hace uso de las cuatro puertas en un solo circuito integrado.

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7.5: NAND Gate S-R Flip-Flop

PARTES Y MATERIALES

• 4011 cuádruple puerta NAND (Radio Shack catálogo # 276-2411)
• 4001 cuádruple puerta NOR (Radio Shack catálogo # 276-2401)
• Interruptor DIP de ocho posiciones (Radio Shack catálogo # 275-1301)
• Gráfico de barras LED de diez segmentos (Radio Shack catálogo # 276-081)
• Una batería de 6 voltios
• Tres resistencias de 10 kΩ
• Dos resistencias de 470 Ω

¡Precaución! El 4011 IC es CMOS, ¡y por lo tanto sensible a la electricidad estática! Aunque la lista de piezas requiere una unidad LED de diez segmentos, la ilustración muestra dos LEDs individuales que se utilizan en su lugar. Esto se debe a la falta de espacio en mi placa de pruebas para montar el conjunto del interruptor, dos circuitos integrados y el gráfico de barras. Si tiene espacio en su tabla de pruebas, no dude en usar el gráfico de barras como se indica en la lista de piezas y como se muestra en los circuitos de pestillo anteriores.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, Capítulo 3: “Puertas Lógicas”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, capítulo 10: “Multivibradores”

Objetivos de aprendizaje

• La diferencia entre un pestillo cerrado y un flip-flop
• Cómo construir un circuito “detector de pulsos”
• Conozca los efectos del “rebote” del contacto del interruptor en los circuitos digitales

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

La única diferencia entre un pestillo cerrado (o habilitado) y un flip-flop es que un flip-flop se habilita solo en el borde ascendente o descendente de una señal de “reloj”, en lugar de durante toda la duración de una señal de habilitación “alta”. La conversión de un pestillo habilitado en un flip-flop simplemente requiere que se agregue un circuito “detector de pulsos” a la entrada Enable para que el borde de un pulso de reloj genere un breve pulso de habilitación “alto”:

La única puerta NOR y las tres puertas inversoras crean este efecto al explotar el tiempo de retardo de propagación de múltiples puertas en cascada. En este experimento, utilizo tres puertas NOR con entradas paralelas para crear tres inversores, usando así las cuatro puertas NOR de un circuito integrado 4001:

Normalmente, cuando se usa una puerta NOR como inversor, una entrada estaría conectada a tierra mientras que la otra actúa como entrada del inversor, para minimizar la capacitancia de entrada y aumentar la velocidad. Aquí, sin embargo, se desea una respuesta lenta, por lo que paraleo las entradas NOR para hacer inversores en lugar de usar el método más convencional. Tenga en cuenta que este circuito detector de pulsos en particular produce un pulso de salida “alto” en cada borde descendente de la señal de reloj (entrada). Esto significa que el circuito flip-flop debe responder a los estados de entrada Set y Reset solo cuando el interruptor central se mueve de “on” a “off”, no de “off” a “on”.

Sin embargo, cuando construyes este circuito, puedes descubrir que las salidas responden a las señales de entrada Set y Reset durante ambas transiciones de la entrada de Reloj, no solo cuando se cambia de un estado “alto” a un estado “bajo”. La razón de esto es el rebote de contacto: el efecto de un interruptor mecánico que se hace y rompe rápidamente cuando sus contactos se cierran por primera vez, debido a la colisión elástica de las almohadillas de contacto metálicas. En lugar de que el interruptor Clock produzca una única transición de señal limpia de baja a alta cuando se cierra, lo más probable es que haya varios “ciclos” de bajo-alto-bajo a medida que las almohadillas de contacto “rebotan” al activarse de encendido a apagado. La primera transición de alto a bajo causada por el rebote activará el circuito detector de pulsos, habilitando el pestillo S-R para ese momento en el tiempo, haciéndolo sensible a las entradas Set y Reset. Idealmente, por supuesto, los interruptores son perfectos y sin rebotes. En el mundo real, sin embargo, el rebote de contacto es un problema muy común para los circuitos de puerta digitales operados por entradas de interruptor y debe entenderse bien si se quiere superar.

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7.6: Secuenciador LED

PARTES Y MATERIALES

• Contador/divisor de 4017 décadas (Catálogo Radio Shack # 276-2417)
• 555 temporizador IC (Radio Shack catálogo # 276-1723)
• LED con gráfico de barras de diez segmentos (Radio Shack catálogo # 276-081)
• Un interruptor SPST
• Una batería de 6 voltios
• Resistencia de 10 kΩ
• Resistencia de 1 MΩ
• Capacitor de 0.1 µF (catálogo de Radio Shack # 272-135 o equivalente)
• Condensador de acoplamiento, 0.047 a 0.001 µF
• Diez resistencias de 470 Ω
• Detector de audio con auriculares

¡Precaución! El 4017 IC es CMOS, ¡y por lo tanto sensible a la electricidad estática!

Cualquier interruptor unipolar y de un solo tiro es adecuado. Un interruptor de luz doméstico funcionará bien y está fácilmente disponible en cualquier ferretería.

El detector de audio se utilizará para evaluar la frecuencia de la señal. Si tiene acceso a un osciloscopio, el detector de audio es innecesario.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, Capítulo 3: “Puertas Lógicas”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, Capítulo 4: “Interruptores”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, Capítulo 11: “Contadores”

Objetivos de aprendizaje

• Uso de un circuito temporizador 555 para producir pulsos de “reloj” (multivibrador astable)
• Uso de un circuito contador/divisor de 4017 décadas para producir una secuencia de pulsos
• Uso de un circuito contador/divisor de 4017 décadas para división de frecuencia
• Uso de un divisor de frecuencia y un reloj (reloj) para medir la frecuencia
• Propósito de una resistencia “pulldown”
• Conozca los efectos del “rebote” del contacto del interruptor en los circuitos digitales
• Uso de un circuito temporizador 555 para “desrebotar” un interruptor mecánico (multivibrador monoestable)

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

El circuito integrado modelo 4017 es un contador CMOS con diez terminales de salida. Uno de estos diez terminales estará en un estado “alto” en cualquier momento dado, siendo todos los demás “bajos”, dando una secuencia de salida “uno de diez”. Si se aplican pulsos de voltaje bajo a alto al terminal de “reloj” (Clk) del 4017, incrementará su conteo, forzando la siguiente salida a un estado “alto”.

Con un temporizador 555 conectado como un multivibrador astable (oscilador) de baja frecuencia, el 4017 circulará a través de su secuencia de diez conteos, iluminando cada LED, uno a la vez, y “reciclando” de nuevo al primer LED. El resultado es una secuencia visualmente agradable de luces intermitentes. Siéntase libre de experimentar con los valores de resistencia y condensador en el temporizador 555 para crear diferentes velocidades de flash.

Intente desconectar el cable puente que va desde el terminal “Reloj” del 4017 (pin #14) al terminal “Output” del 555 (pin #3) donde se conecta al chip del temporizador 555, y sostenga su extremo en su mano. Si hay suficiente “ruido” de línea eléctrica de 60 Hz a tu alrededor, el 4017 lo detectará como una señal de reloj rápida, haciendo que los LED parpadean muy rápidamente.

Dos terminales en el chip 4017, “Reset” y “Clock Enable”, se mantienen en un estado “bajo” por medio de una conexión al lado negativo de la batería (tierra). Esto es necesario si el chip es para contar libremente. Si el terminal “Reset” se hace “alto”, la salida del 4017 se restablecerá de nuevo a 0 (pin #3 “alto”, todos los demás pines de salida “bajo”). Si el “Habilitar reloj” se hace “alto”, el chip dejará de responder a la señal del reloj y se detendrá en su secuencia de conteo.

Si el terminal “Reset” del 4017 está conectado a uno de sus diez terminales de salida, su secuencia de conteo se cortará o truncará. Puede experimentar con esto desconectando el terminal “Reset” de tierra, luego conectando un cable puente largo al terminal “Reset” para una fácil conexión a las salidas en el gráfico de barras LED de diez segmentos. Observe cuántos (o cuántos) LEDs se iluminan con el “Reset” conectado a cualquiera de las salidas:

Los contadores tales como el 4017 pueden usarse como divisores de frecuencia digitales, para tomar una señal de reloj y producir un pulso que ocurre en algún factor entero de la frecuencia de reloj. Por ejemplo, si la señal de reloj del temporizador 555 es de 200 Hz, y el 4017 está configurado para una secuencia de conteo completo (el terminal “Reset” conectado a tierra, dando un recuento completo de diez pasos), una señal con un periodo diez veces más largo (20 Hz) estará presente en cualquiera de los terminales de salida de los 4017. En otras palabras, cada terminal de salida ciclará una vez por cada diez ciclos de la señal de reloj: una frecuencia diez veces más lenta.

Para experimentar con este principio, conecte su detector de audio entre la salida 0 (pin #3) del 4017 y tierra, a través de un condensador muy pequeño (0.047 µF a 0.001 µF). El condensador se utiliza solo para “acoplar” señales de CA, para que pueda detectar de manera audible pulsos sin colocar una carga de CC (resistiva) en la salida del chip del contador. Con el terminal 4017 “Reset” conectado a tierra, tendrá una secuencia de conteo completo, y escuchará un “clic” en los auriculares cada vez que se encienda el LED “0”, correspondiente a 1/10 de la frecuencia de salida real del 555:

De hecho, conocer esta relación matemática entre los clics que se escuchan en los auriculares y la frecuencia del reloj nos permite medir la frecuencia del reloj con un grado justo de precisión. Usando un cronómetro u otro reloj, cuente el número de clics escuchados en un minuto completo mientras está conectado a la salida “0” del 4017. Usando una resistencia de 1 MΩ y un condensador de 0.1 µF en el circuito de sincronización 555, y un voltaje de fuente de alimentación de 13 voltios (en lugar de 6), conté 79 clics en un minuto de mi circuito. Su circuito puede producir resultados ligeramente diferentes. Multiplique el número de pulsos contados en la salida “0” por 10 para obtener el número de ciclos producidos por el temporizador 555 durante ese mismo tiempo (mi circuito: 79 x 10 = 790 ciclos). Divide este número por 60 para obtener el número de ciclos de temporizador transcurridos en cada segundo (mi circuito: 790/60 = 13.17). Esta cifra final es la frecuencia de reloj en Hz.

Ahora, dejando una sonda de prueba del detector de audio conectada a tierra, toma la otra sonda de prueba (la que tiene el condensador de acoplamiento conectado en serie) y conéctala al pin #3 del temporizador 555. El zumbido que escuchas es la frecuencia de reloj indiviso:

Al conectar el terminal “Reset” del 4017 a uno de los terminales de salida, resultará una secuencia truncada. Si estamos usando el 4017 como divisor de frecuencia, esto significa que la frecuencia de salida será un factor diferente de la frecuencia del reloj: 1/9, 1/8, 1/7, 1/6, 1/5, 1/4, 1/3 o 1/2, dependiendo de a qué terminal de salida conectemos el cable puente “Reset”. Vuelva a conectar la sonda de prueba del detector de audio a la salida “0” del 4017 (pin #3) y conecte el puente del terminal “Reset” al sexto LED desde la izquierda en el gráfico de barras. Esto debería producir una relación de división de frecuencia 1/5:

Contando de nuevo el número de clics escuchados en un minuto, se debe obtener un número aproximadamente el doble de grande que lo que se contó con el 4017 configurado para una relación 1/10, porque 1/5 es dos veces más grande que 1/10. Si no obtienes un conteo que sea exactamente el doble de lo que obtuviste antes, es por error inherente al método de contar ciclos: coordinar tu sentido del oído con la visualización de un cronómetro u otro dispositivo cronometrador.

Intente reemplazar la resistencia de sincronización de 1 MΩ en el circuito 555 por una de valor mucho menor, como 10 kΩ. Esto aumentará la frecuencia de reloj impulsando el chip 4017. Utilice el detector de audio para escuchar la frecuencia dividida en el pin #3 del 4017, observando los diferentes tonos producidos a medida que mueve el cable puente “Reset” a diferentes salidas, creando diferentes relaciones de división de frecuencia. Vea si puede producir octavas dividiendo la frecuencia original por 2, luego por 4, y luego por 8 (cada octava descendente representa la mitad de la frecuencia anterior). Las octavas se distinguen fácilmente de otras frecuencias divididas por sus tonos similares al tono original.

Una lección final que se puede aprender de este circuito es la del contacto del interruptor “rebote”. Para ello, necesitará un interruptor para proporcionar señales de reloj al chip 4017, en lugar del temporizador 555. Vuelva a conectar el cable de puente “Reset” a tierra para habilitar una secuencia completa de conteo de diez pasos y desconecte la salida del 555 del terminal de entrada “Reloj” del 4017. Conecte un interruptor en serie con una resistencia desplegable de 10 kΩ y conecte este conjunto a la entrada “Reloj” 4017 como se muestra:

El propósito de una resistencia de “pulldown” es proporcionar un estado lógico definido “bajo” cuando se abre el contacto del interruptor. Sin esta resistencia en su lugar, el cable de entrada “Reloj” del 4017 estaría flotando cada vez que se abriera el contacto del interruptor, dejándolo susceptible a la interferencia de tensiones estáticas parásitas o “ruido” eléctrico, ya sea uno capaz de hacer que el 4017 cuente aleatoriamente. Con la resistencia pulldown en su lugar, la entrada “Reloj” del 4017 tendrá una conexión definitiva, aunque resistiva, a tierra, proporcionando un estado lógico estable “bajo” que excluye cualquier interferencia de electricidad estática o “ruido” acoplado desde el cableado cercano del circuito de CA.

Accione el interruptor de encendido y apagado, observando la acción de los LED. Con cada transición de interruptor de apagado a encendido, el 4017 debería incrementarse una vez en su recuento. Sin embargo, puede notar algún comportamiento extraño: a veces, la secuencia de LED “omitirá” uno o incluso varios pasos con un solo cierre de interruptor. ¿Por qué es esto? Se debe al “rebote” muy rápido y mecánico de los contactos del interruptor. Cuando dos contactos metálicos se juntan rápidamente como sucede dentro de la mayoría de los interruptores, habrá una colisión elástica. Esta colisión da como resultado que los contactos se hagan y rompan muy rápidamente a medida que “rebotan” entre sí. Normalmente, este “rebote” es muy rápido para que veas sus efectos, pero en un circuito digital como este donde el chip contador es capaz de responder a pulsos de reloj muy rápidos, estos “rebotes” se interpretan como señales de reloj distintas, y el recuento se incrementa en consecuencia.

Una forma de combatir este problema es usar un circuito de temporización para producir un solo pulso para cualquier número de señales de pulso de entrada recibidas dentro de un corto período de tiempo. El circuito se llama multivibrador monoestable, y cualquier técnica que elimine los falsos pulsos causados por el “rebote” del contacto del interruptor se denomina desrebote.

El circuito temporizador 555 es capaz de funcionar como desbouncer, si la entrada “Trigger” está conectada al interruptor como tal:

Tenga en cuenta que ya que estamos usando el 555 una vez más para proporcionar una señal de reloj al 4017, ¡debemos volver a conectar el pin #3 del chip 555 al pin #14 del chip 4017! Además, si ha alterado los valores de la resistencia o condensador en el circuito del temporizador 555, debe volver a los componentes originales de 1 MΩ y 0.1 µF.

Accione nuevamente el interruptor y anote el comportamiento de conteo del 4017. No debería haber más recuentos “omitidos” como antes porque el temporizador 555 emite un solo pulso nítido para cada accionamiento de encendido a apagado (¡observe la inversión de operación aquí!) del interruptor. Es importante que el tiempo del circuito 555 sea apropiado: el tiempo para cargar el condensador debe ser más largo que el período de “asentamiento” del interruptor (el tiempo requerido para que los contactos dejen de rebotar), pero no tanto que el temporizador “perdiera” una secuencia rápida de activación del interruptor, si fueran a ocurrir.

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7.7: Cerradura de combinación simple

PARTES Y MATERIALES

• 4001 cuádruple puerta NOR (Radio Shack catálogo # 276-2401)
• 4070 cuádruple puerta XOR (Radio Shack catálogo # 900-6906)
• Dos interruptores DIP de ocho posiciones (Radio Shack catálogo # 275-1301)
• Dos diodos emisores de luz (Radio Shack catálogo # 276-026 o equivalente)
• Cuatro diodos de “conmutación” 1N914 (Catálogo Radio Shack # 276-1122)
• Diez resistencias de 10 kΩ
• Dos resistencias de 470 Ω
• Interruptor pulsador, normalmente abierto (Radio Shack catálogo # 275-1556)
• Dos baterías de 6 voltios

¡Precaución! Tanto los CI 4001 como los 4070 son CMOS, ¡y por lo tanto sensibles a la electricidad estática!

Este experimento puede construirse usando solo un interruptor DIP de 8 posiciones, pero el concepto es más fácil de entender si se utilizan dos conjuntos de interruptores. La idea es, un interruptor actúa para mantener el código correcto para desbloquear la cerradura, mientras que el otro interruptor sirve como punto de entrada de datos para la persona que intenta abrir la cerradura. En la vida real, por supuesto, el conjunto del interruptor con el código de “llave” establecido en él debe estar oculto a la vista de la persona que abre la cerradura, lo que significa que debe ubicarse físicamente en otro lugar de donde esté el conjunto del interruptor de entrada de datos. Esto requiere dos conjuntos de interruptores. Sin embargo, si entiende este concepto claramente, puede construir un circuito de trabajo con un solo interruptor de 8 posiciones, utilizando los cuatro interruptores izquierdos para la entrada de datos y los cuatro interruptores derechos para mantener el código de “llave”.

Para efecto extra, elige diferentes colores de LED: verde para “Go” y rojo para “No go”.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, Capítulo 3: “Puertas Lógicas”

Objetivos de aprendizaje

• Uso de puertas XOR como comparadores de bits
• Cómo construir funciones de puerta simples con diodos y una resistencia pull-up/down
• Uso de puertas NOR como inversores controlados

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Este circuito ilustra el uso de puertas XOR (Exclusive-OR) como comparadores de bits. Cuatro de estas puertas XOR comparan los bits respectivos de dos números binarios de 4 bits, cada número “ingresado” en el circuito a través de un conjunto de interruptores. Si los dos números coinciden, poco por bit, el LED verde “Go” se encenderá cuando se presione el interruptor de botón “Enter”. Si los dos números no coinciden exactamente, el LED rojo “No ir” se encenderá cuando se presione el botón “Enter”.

Debido a que cuatro bits proporcionan apenas dieciséis combinaciones posibles, este circuito de bloqueo no es muy sofisticado. Si se utilizara en una aplicación real como un sistema de seguridad para el hogar, la salida “No go” tendría que estar conectada a algún tipo de sirena u otro dispositivo alarmante para que la entrada de un código incorrecto disuadiera a una persona no autorizada de intentar otra entrada de código. De lo contrario, ¡no tomaría mucho tiempo probar todas las combinaciones (0000 a 1111) hasta que se encontrara la correcta! En este experimento, no describo cómo trabajar este circuito en un sistema de seguridad real o mecanismo de bloqueo, sino solo cómo hacer que reconozca un código pre-ingresado.

El código de “clave” que debe coincidir en la matriz de conmutadores de entrada de datos debe estar oculto a la vista, por supuesto. Si esto fuera parte de un sistema de seguridad real, el conjunto del interruptor de entrada de datos estaría ubicado fuera de la puerta y el conjunto del interruptor de código de llave detrás de la puerta con el resto de los circuitos. En este experimento, es probable que localice los dos conjuntos de interruptores en dos placas de prueba diferentes, pero es completamente posible construir el circuito usando solo un conjunto de interruptor DIP (8 posiciones). Nuevamente, el propósito del experimento no es hacer un sistema de seguridad real, sino simplemente presentarle el principio de comparación de código de puerta XOR.

Es la naturaleza de una puerta XOR emitir una señal “alta” (1) si las señales de entrada no están en el mismo estado lógico. Los terminales de salida de las cuatro puertas XOR están conectados a través de una red de diodos que funciona como una puerta OR de cuatro entradas: si alguna de las cuatro puertas XOR emite una señal “alta”, que indica que el código ingresado y el código clave no son idénticos, entonces una señal “alta” se pasará a la lógica de la puerta NOR. Si los dos códigos de 4 bits son idénticos, entonces ninguna de las salidas de puerta XOR será “alta”, y la resistencia desplegable conectada a los lados comunes de los diodos proporcionará un estado de señal “bajo” a la lógica NOR.

La lógica de puerta NOR realiza una tarea sencilla: evitar que cualquiera de los LED se encienda si no se presiona el botón “Enter”. Solo cuando se presiona este pulsador puede activarse cualquiera de los LED. Si se presiona el interruptor Enter y las salidas XOR son todas “bajas”, se encenderá el LED “Go”, indicando que se ha ingresado el código correcto. Si se presiona el interruptor Enter y alguna de las salidas XOR es “alta”, se encenderá el LED “No ir”, indicando que se ha ingresado un código incorrecto. Nuevamente, si se tratara de un verdadero sistema de seguridad, sería prudente que la salida “No ir” hiciera algo que disuada a una persona no autorizada de descubrir el código correcto mediante prueba y error. En otras palabras, debería haber algún tipo de penalización por ingresar un código incorrecto. ¡Deja que tu imaginación guíe tu diseño de este detalle!

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7.8: Contador binario de 3 bits

PARTES Y MATERIALES

• 555 temporizador IC (Radio Shack catálogo # 276-1723)
• Un diodo de “conmutación” 1N914 (Catálogo Radio Shack # 276-1122)
• Dos resistencias de 10 kΩ
• Un condensador de 100 µF (Catálogo Radio Shack # 272-1028)
• 4027 doble J-K flip-flop (Radio Shack catálogo # 900-4394)
• LED con gráfico de barras de diez segmentos (Radio Shack catálogo # 276-081)
• Tres resistencias de 470 Ω
• Una batería de 6 voltios

¡Precaución! El 4027 IC es CMOS, ¡y por lo tanto sensible a la electricidad estática!

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, capítulo 10: “Multivibradores”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, Capítulo 11: “Contadores”

Objetivos de aprendizaje

• Uso del temporizador 555 como oscilador de onda cuadrada
• Cómo hacer un contador asíncrono usando flip-flops J-K

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

En cierto sentido, este circuito “engaña” al usar solo dos flip-flops J-K para hacer un contador binario de tres bits. Ordinariamente, se usarían tres flip-flops, uno por cada bit binario, pero en este caso, podemos usar el pulso de reloj (salida del temporizador 555) como un poco propio. Cuando construyas este circuito, encontrarás que es un contador “abajo”. Es decir, su secuencia de conteo va de 111 a 110 a 101 a 100 a 011 a 010 a 001 a 000 y luego de vuelta a 111. Si bien es posible construir un contador “up” usando flip-flops J-K, esto requeriría componentes adicionales e introduciría más complejidad en el circuito.

El temporizador 555 funciona como un oscilador lento de onda cuadrada con un ciclo de trabajo de aproximadamente el 50 por ciento. Este ciclo de trabajo es posible gracias al uso de un diodo para “derivar” la resistencia inferior durante el ciclo de carga del condensador, de manera que la constante de tiempo de carga sea solo RC y no 2RC como sería sin el diodo en su lugar.

Es muy recomendable, en este experimento como en todos los experimentos, construir el circuito por etapas: identificar porciones del circuito con funciones específicas, y construir esas porciones una a la vez, probando cada una y verificando su desempeño antes de construir la siguiente. Un error muy común de los nuevos estudiantes de electrónica es construir un circuito completo a la vez sin probar secciones del mismo durante el proceso de construcción y luego enfrentar la posibilidad de varios problemas simultáneamente cuando llegue el momento de finalmente aplicarle energía. ¡Recuerda que una pequeña cantidad de atención extra prestada a los detalles cerca del comienzo de un proyecto vale una enorme cantidad de trabajo de solución de problemas cerca del final! Los estudiantes que cometen el error de no probar porciones de circuito antes de intentar operar todo el circuito a menudo (falsamente) piensan que el tiempo que tomaría probar esas secciones no vale la pena, y luego pasan días tratando de averiguar cuál es el problema (s) podría ser con su experimento.

Siguiendo esta filosofía, construya primero el circuito temporizador 555, antes incluso de enchufar el IC 4027 a la placa de pruebas. Conecte la salida del 555 (pin #3) al LED “Least Significant Bit” (LSB) para que tenga una indicación visual de su estado. Asegúrese de que la salida oscile en un patrón lento de onda cuadrada (el LED está “encendido” durante aproximadamente el tiempo que esté “apagado” en un ciclo), y que sea una señal confiable (sin comportamiento errático, sin pausas inexplicables). Si el temporizador 555 no funciona correctamente, ¡tampoco lo hará el resto del circuito contador! Una vez que se haya demostrado que el circuito temporizador es bueno, proceda a enchufar el CI 4027 a la placa de pruebas y completar el resto de las conexiones necesarias entre éste, el circuito temporizador 555 y el conjunto LED.

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7.9: Pantalla de 7 segmentos

PARTES Y MATERIALES

• 4511 pestillo/decodificador/controlador de BCD-a-7seg (catálogo de Radio Shack # 900-4437)
• Pantalla LED de 7 segmentos de cátodo común (Radio Shack catálogo # 276-075)
• Interruptor DIP de ocho posiciones (Radio Shack catálogo # 275-1301)
• Cuatro resistencias de 10 kΩ
• Siete resistencias 470 Ω
• Una batería de 6 voltios

¡Precaución! El 4511 IC es CMOS, ¡y por lo tanto sensible a la electricidad estática!

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, Capítulo 9: “Funciones Lógicas Combinacionales”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo utilizar el descodificador 4511 de 7 segmentos/controlador de pantalla IC
• Familiarizarse con el código BCD
• Cómo usar conjuntos LED de 7 segmentos para crear pantallas de dígitos decimales
• Cómo identificar y usar entradas lógicas “activo-baja” y “activa-alta”

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Este experimento es más una introducción al IC del controlador de descodificador/pantalla 4511 que una lección sobre cómo “construir” una función digital a partir de componentes de nivel inferior. Dado que las pantallas de 7 segmentos son componentes muy comunes de los dispositivos digitales, es bueno estar familiarizado con los circuitos de “conducción” detrás de ellos, y el 4511 es un buen ejemplo de un IC de controlador típico.

Su principio de funcionamiento es ingresar un valor BCD (decimal codificado binario) de cuatro bits y energizar las líneas de salida adecuadas para formar el dígito decimal correspondiente en la pantalla LED de 7 segmentos. Las entradas de BCD se designan A, B, C y D en orden de menos significativas a más significativas. Las salidas se etiquetan a, b, c, d, e, f y g, correspondiendo cada letra a una designación de segmento estandarizada para pantallas de 7 segmentos. Por supuesto, dado que cada segmento LED requiere su propia resistencia de caída, debemos usar siete resistencias de 470 Ω colocadas en serie entre los terminales de salida del 4511 y los terminales correspondientes de la unidad de visualización.

La mayoría de las pantallas de 7 segmentos también proporcionan un punto decimal (¡a veces dos!) , un LED y un terminal separados designados para su funcionamiento. Todos los LED dentro de la unidad de visualización se hacen comunes entre sí en un lado, ya sea cátodo o ánodo. El IC del controlador de pantalla 4511 requiere una unidad de visualización de 7 segmentos de cátodo común, y eso es lo que se usa aquí.

Después de construir el circuito y aplicar energía, operar los cuatro interruptores en una secuencia de conteo binario (0000 a 1111), observando la pantalla de 7 segmentos. Una entrada 0000 debería dar como resultado una visualización decimal “0”, una entrada 0001 debería dar como resultado una visualización decimal “1”, y así sucesivamente hasta 1001 (decimal “9”). ¿Qué sucede con los números binarios 1010 (10) a 1111 (15)? Lea la hoja de datos en el IC 4511 y vea lo que el fabricante especifica para la operación por encima de un valor de entrada de 9. En el código BCD, no hay un significado real para 1010, 1011, 1100, 1101, 1110 o 1111. Estos son valores binarios más allá del rango de un solo dígito decimal, por lo que no tienen función en un sistema BCD. El 4511 IC está construido para reconocer esto, y la salida (¡o no la salida!) en consecuencia.

Tres entradas en el chip 4511 se han conectado permanentemente a V _dd o a tierra: “Prueba de lámpara”, “Entrada de borrado” y “Activar pestillo”. Para saber qué hacen estas entradas, retire los puentes cortos que los conectan a cualquiera de los rieles de la fuente de alimentación (¡uno a la vez!) , y reemplace el puente corto por uno más largo que pueda llegar al otro riel de la fuente de alimentación. Por ejemplo, retire el puente corto que conecta la entrada “Latch Enable” (pin #5) a tierra y reemplácela con un cable puente largo que pueda llegar hasta el riel de la fuente de alimentación V _dd. Experimente con hacer esta entrada “alta” y “baja”, observando los resultados en la pantalla de 7 segmentos mientras altera el código BCD con los cuatro interruptores de entrada. Después de haber aprendido cuál es la función de la entrada, conéctela al riel de la fuente de alimentación permitiendo el funcionamiento normal y proceda a experimentar con la siguiente entrada (ya sea “Prueba de lámpara” o “Entrada de borrado”).

Una vez más, la ficha técnica del fabricante será informativa en cuanto al propósito de cada una de estas tres entradas. Tenga en cuenta que las etiquetas de entrada “Prueba de lámpara” (LT) y “Entrada de borrado” (BI) se escriben con barras de complementación booleanas sobre las abreviaturas. Los símbolos de barra designan estas entradas como activo-baja, lo que significa que debes hacer que cada una sea “baja” para invocar su función particular. Hacer una entrada activa-baja “alta” coloca esa entrada particular en un estado “pasivo” donde su función no será invocada. Por el contrario, la entrada “Latch Enable” (LE) no tiene ninguna barra de complementación escrita sobre su abreviatura, y correspondientemente se muestra conectada a tierra (“bajo”) en el esquema para no invocar esa función. La entrada “Latch Enable” es una entrada activa-alta, lo que significa que debe hacerse “alta” (conectada a V _dd) para invocar su función.

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8:555 Circuitos Temporizadores

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8.1: El 555 IC

El circuito integrado 555 es el chip más popular jamás fabricado. Fabricado independientemente por más de 10 fabricantes, aún en producción actual, y con casi 40 años de antigüedad, este pequeño circuito ha resistido la prueba del tiempo. Se ha rediseñado, mejorado y reconfigurado de muchas maneras, sin embargo, el diseño original se puede comprar de muchos proveedores. El diseño de este chip fue correcto la primera vez.

Originalmente concebidos en 1970 y creados por Hans R. Camenzind en 1971, más de mil millones de estos CI se fabricaron en 2003 sin una aparente reducción de la demanda. Se ha utilizado en todo, desde juguetes hasta naves espaciales. Debido a su versatilidad, disponibilidad y bajo costo sigue siendo uno de los favoritos de los aficionados.

Uno de los secretos de su éxito es que se trata de una verdadera caja negra, su esquema simbolizado es lo suficientemente simple y preciso como para que los diseños que utilizan esta simplificación como referencia tiendan a funcionar por primera vez. No es necesario entender todos los transistores en el esquema base para que funcione.

Se ha utilizado para derivar el 556, un 555 dual, cada uno independiente del otro en un paquete de 14 pines, y es la inspiración del 558, un temporizador cuádruple en un paquete de 16 pines. Qué pocos puntos débiles se ha abordado el diseño original mediante rediseños en tecnología CMOS, con sus requisitos de corriente y voltaje expandido drásticamente reducidos, y sin embargo la versión original permanece.

Originalmente concebido como un temporizador simple, el 555 se ha utilizado para osciladores, generadores de forma de onda, VCO's, discriminación de FM y mucho más. Realmente es un circuito multipropósito.

FUENTES

• El 555 Timer IC - Una entrevista con Hans Camenzind (http://semiconductormuseum.com/Trans...zind_Index.htm)
• 555 Tutorial (www.sentex.ca/~mec1995/gadgets/555/555.html)
• 555 Timer IC Artículo de la enciclopedia (http://www.nationmaster.com/encyclopedia/555-timer-IC)

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8.2:555 Gatillo Schmitt

PARTES Y MATERIALES

• Una batería de 9V
• Clip de Batería (Radio Shack catálogo # 270-325)
• Mini Clips de Gancho (Soldados a Clip de Batería, Radio Shack catálogo # 270-372)
• Un Potenciómetro, 10 KΩ, 15 Giro (Radio Shack catálogo # 271-343)
• Un temporizador IC 555 (Radio Shack catálogo # 276-1723)
• Un diodo emisor de luz rojo (Radio Shack catálogo # 276-041 o equivalente)
• Un diodo emisor de luz verde (Radio Shack catálogo # 276-022 o equivalente)
• Dos resistencias de 1 KΩ
• Un DVM (Voltímetro Digital) o VOM (Voltímetro Ohm)

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 8: “Retroalimentación Positiva”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, capítulo 3: “Niveles de Voltaje de Señal Lógica”

Objetivos de aprendizaje

• Aprende cómo funciona un disparador Schmitt
• Cómo usar el temporizador 555 como disparador Schmitt

Diagrama esquemático

Los disparadores Schmitt tienen una convención para mostrar una puerta que también es un disparador Schmitt, que se muestra a continuación.

El mismo esquema redibujado para reflejar esta convención se ve así:

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

El temporizador 555 es probablemente uno de los chips de “caja negra” más versátiles. Su divisor de voltaje de 3 resistencias, 2 comparadores y flip-flop de ajuste de restablecimiento incorporado están cableados para formar un disparador Schmitt en este diseño. Es interesante notar que la configuración ni siquiera está cerca de la configuración de amplificador operacional que se muestra en otra parte, pero el resultado final es idéntico.

Intente ajustar el potenciómetro hasta que las luces cambien los estados, luego mida el voltaje. Compare este voltaje con el voltaje de la fuente de alimentación. Ajusta el potenciómetro hacia el otro lado hasta que los estados de volteo del LED nuevamente, y mida el voltaje. ¿Qué tan cerca de las marcas 1/3 y 2/3 conseguiste?

Intente sustituir la batería de 9V por una batería de 6 voltios, o dos baterías de 6 voltios, y vea qué tan cerca están los umbrales de las marcas 1/3 y 2/3.

Los disparadores Schmitt son un circuito fundamental con varios usos. Uno es el procesamiento de señales, pueden extraer datos digitales de algunos entornos extremadamente ruidosos. Otros grandes usos se mostrarán en los siguientes proyectos, como un oscilador RC extremadamente simple.

TEORÍA DE OPERACIÓN

La característica definitoria de cualquier Disparador Schmitt es su histéresis. En este caso, es 1/3 y 2/3 del voltaje de la fuente de alimentación, definido por el divisor de voltaje de resistencia incorporado en el 555. Los comparadores incorporados C1 y C2 comparan el voltaje de entrada con las referencias proporcionadas por el divisor de voltaje y utilizan la comparación para disparar el flip-flop incorporado, que impulsa el controlador de salida, otra característica agradable del 555. El 555 puede conducir hasta 200 mA a ambos lados del riel de suministro de energía, el controlador de salida crea una trayectoria de conducción muy baja a ambos lados de las conexiones de la fuente de alimentación. El circuito “cortocircuita” cada lado del circuito LED, dejando que el otro lado se ilumine.

Las resistencias de 5KΩ no son muy precisas. Es interesante notar que la fabricación de CI generalmente no permite resistencias de precisión, pero las resistencias comparadas entre sí son extremadamente cercanas en valor, lo cual es crítico para el funcionamiento del circuito.

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8.3:555 Oscilador Histerético

PARTES Y MATERIALES

• Una batería de 9V
• Clip de Batería (Radio Shack catálogo # 270-325)
• Mini Clips de Gancho (Soldados a Clip de Batería, Radio Shack catálogo # 270-372)
• U1 - 555 temporizador IC (Radio Shack catálogo # 276-1723)
• D1 - Diodo emisor de luz rojo (Radio Shack catálogo # 276-041 o equivalente)
• D2 - Diodo emisor de luz verde (Radio Shack catálogo # 276-022 o equivalente)
• Resistencias R1, R2 - 1 KΩ 1/4W
• R3 - 10 Ω 1/4W Resistor
• R4 - 10 KΩ, Potenciómetro de 15 Giro (Radio Shack catálogo # 271-343)
• Condensador C1 - 1 µF (Catálogo Radio Shack 272-1434 o equivalente)
• Condensador C1 - 100 µF (Catálogo Radio Shack 272-1028 o equivalente)

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos Volumen 1, capítulo 16: Cálculos de voltaje y corriente

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 16: Resolviendo por tiempo desconocido

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, Capítulo 10: Multivibradores

Lecciones en Circuitos Eléctricos, Volumen 3, capítulo 8: Retroalimentación positiva

Objetivos de aprendizaje

• Aprende a usar un disparador Schmitt para un oscilador RC simple
• Aprende una aplicación práctica para una constante de tiempo RC
• Aprenda una de varias configuraciones de multivibrador astable de 555 temporizadores

Diagrama esquemático

Aquí hay una forma de dibujar el esquema:

Como se mencionó en el experimento anterior, también existe otra convención, que se muestra a continuación:

Ilustracion

Instrucciones

Este es uno de los osciladores RC más básicos. Es simple y muy predecible. Cualquier Schmitt Trigger inversor funcionará en este diseño, aunque la frecuencia cambiará algo dependiendo de la histéresis de la puerta.

Este circuito tiene una frecuencia de extremo inferior de 0.7 Hertz, lo que significa que cada LED se alternará y se encenderá por poco menos de un segundo cada uno. Al girar el potenciómetro en sentido contrario a las agujas del reloj la frecuencia aumentará, entrando bien en el rango de audio de gama alta. Puedes verificar esto con el Detector de Audio (Vol. VI, Capítulo 3, Sección 12) o un altavoz piezoeléctrico, a medida que continúe girando el potenciómetro el tono del sonido se elevará. Puede aumentar la frecuencia 100 veces reemplazando el condensador por el condensador de 1µF, que también elevará la frecuencia máxima bien dentro del rango ultrasónico, alrededor de 70Khz.

El 555 no va de riel a riel (no alcanza del todo el voltaje de suministro superior) debido a sus transistores Darlington de salida, y esto hace que los osciladores de onda cuadrada no sean del todo simétricos. ¿Puedes ver esto mirando los LEDs? Cuanto mayor sea el voltaje de la fuente de alimentación, menos pronunciada es esta asimetría, mientras que empeora con menores voltajes de suministro de energía. Si la salida fuera verdadera riel a riel sería una onda cuadrada del 50%, lo que se puede lograr si se usa la versión CMOS del 555, como el TLC555 (Radio Shack N/P 276-1718).

Se agregó R3 para evitar cortocircutar la salida IC a través de C1, ya que el condensador cortocircuita la porción de CA de la salida 555 a tierra. En una batería descargada no se nota, pero con un 9V fresco el 555 IC se calentará mucho. Si eliminas la resistencia y ajustas R4 para máxima frecuencia puedes probar esto, no es bueno para la batería ni para el 555, pero sobrevivirán a una prueba corta.

TEORÍA DE OPERACIÓN

Se trata de un oscilador histerético, que es un tipo de oscilador de relajación. También es un multivibrador astable. Es una rama lógica del experimento 555 Schmitt Trigger mostrado anteriormente.

La fórmula para calcular la frecuencia con esta configuración usando un 555 es:

La histéresis 555 depende de la tensión de alimentación, por lo que la frecuencia del oscilador sería relativamente independiente de la tensión de alimentación si no fuera por la falta de salida de riel a riel.

La salida de un 555 o bien va a tierra, o relativamente cerca del voltaje positivo. Esto permite que la resistencia y el condensador se carguen y descarguen a través del pin de salida. Al tratarse de una señal de tipo digital, los LEDs interactúan muy poco en su funcionamiento. El primer pulso generado por el oscilador es un poco más largo que el resto. Esta y las curvas de carga/descarga se muestran en la siguiente ilustración, que también muestra por qué se crea la onda cuadrada asimétrica.

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8.4:555 Multivibrador Monoestable

PARTES Y MATERIALES

• Una batería de 9V
• Clip de Batería (Radio Shack catálogo # 270-325)
• Mini Clips de Gancho (Soldados a Clip de Batería, Radio Shack catálogo # 270-372)
• Un reloj con una segunda mano/pantalla o un cronómetro
• Un cable, de 11/2” a 2” (3.8 mm a 5 mm) de largo, doblado por la mitad (mostrado como cable rojo en la ilustración)
• U1 - 555 temporizador IC (Radio Shack catálogo # 276-1723)
• D1 - Diodo emisor de luz rojo (Radio Shack catálogo # 276-041 o equivalente)
• D2 - Diodo emisor de luz verde (Radio Shack catálogo # 276-022 o equivalente)
• Resistencias R1, R2 - 1 KΩ 1/4W
• Rt - Resistencia 1/4W de 27 KΩ
• Rt - 270 KΩ 1/4W Resistor
• Condensador C1, C2 - 0.1 µF (Catálogo Radio Shack 272-1069 o equivalente)
• Ct - Capacitor de 10 µF (Catálogo Radio Shack 272-1025 o equivalente)
• Ct - Capacitor de 100 µF (Catálogo Radio Shack 272-1028 o equivalente)

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, capítulo 13: “Campos eléctricos y capacitancia”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, capítulo 13: “Capacitores y cálculo”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, capítulo 16: “Cálculos de voltaje y corriente”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 16: “Resolviendo por tiempo desconocido”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, Capítulo 10: “Multivibradores Monoestables”

Objetivos de aprendizaje

• Aprende cómo funciona un Multivibrador Monoestable
• Aprende una aplicación práctica para una constante de tiempo RC
• Cómo usar el temporizador 555 como Multivibrador Monoestable

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

Este es uno de los 555 circuitos más básicos. Este circuito es parte de esta hoja de datos de chips, completa con las matemáticas necesarias para diseñar según las especificaciones, y es una de las razones por las que un 555 se conoce como temporizador. El LED verde que se muestra en la ilustración se ilumina cuando la salida 555 es alta (es decir, conmutada a Vcc), y el LED rojo se ilumina cuando la salida 555 es baja (conmutada a tierra).

Este particular multivibrador monoestable (también conocido como monoestable o temporizador) no es de tipo reactivable. Esto significa que una vez activado ignorará más entradas durante un ciclo de sincronización, con una excepción, que se discutirá en el siguiente párrafo. El temporizador se inicia cuando la entrada baja o cambia al nivel del suelo, y la salida va alta. Puede probarlo conectando el cable rojo que se muestra en la ilustración entre tierra y el punto B, desconectándolo y volviendo a conectarlo.

Es una condición ilegal para que la entrada se mantenga baja para este diseño pasado el tiempo de espera. Por esta razón, se agregaron R3 y C1 para crear un acondicionador de señal, lo que permitirá que el borde solo se active y evitará la entrada ilegal. Puede probar esto conectando el cable rojo entre tierra y el punto A. El temporizador comenzará cuando el cable se inserte en la placa de prototipos entre estos dos puntos, e ignorará más contactos. Si fuerza la entrada del temporizador para que permanezca baja después del tiempo de espera, la salida permanecerá alta, aunque el temporizador haya terminado. Tan pronto como se retire esta tierra, el temporizador se pondrá bajo.

Se seleccionaron Rt y Ct por 3 segundos de duración de tiempo. Puedes verificar esto con un reloj, 3 segundos es lo suficientemente largo como para que los humanos lentos puedan realmente medirlo. Intente cambiar Rt y Ct con la resistencia 27 KO y los condensadores de 100 µF. Dado que la respuesta a la fórmula es la misma no debería haber diferencia en cómo opera. A continuación intenta cambiar Rt con la resistencia 270 KO, ya que la constante de tiempo RC es ahora 10 veces mayor deberías acercarte a los 30 segundos. La resistencia y el condensador son probablemente 5% y 20% de tolerancia respectivamente, por lo que los tiempos calculados que mida pueden variar tanto como 25%, aunque generalmente estará mucho más cerca.

Otra característica agradable del 555 es su inmunidad al voltaje de la fuente de alimentación. Si tuvieras que cambiar la batería de 9V por una batería de 6V o 12 deberías obtener resultados idénticos, aunque la intensidad de la luz LED cambiará.

C2 en realidad no es necesario. El 555 IC tiene esta opción en caso de que el temporizador se esté utilizando en un entorno donde la línea de suministro de energía sea ruidosa. Se puede quitar y no notar una diferencia. El 555 en sí mismo es una fuente de ruido ya que existe un periodo de tiempo muy breve en el que los transistores a ambos lados de la salida están conduciendo, creando una sobretensión de potencia (medida en nanosegundos) a partir de la fuente de alimentación.

TEORÍA DE OPERACIÓN

Al observar el esquema funcional que se muestra (Figura abajo), se puede ver que el pin 7 es un transistor que va a tierra.

Este transistor es simplemente un interruptor que normalmente conduce hasta que el pin 2 (que está conectado a través del comparador C1, que alimenta el flip-flop interno) se pone bajo, permitiendo que el condensador Ct comience a cargarse. El pin 7 permanece apagado hasta que el voltaje en Ct se carga a 2/3 del voltaje de la fuente de alimentación, donde el temporizador se agota y el transistor pin 7 se vuelve a encender, su estado normal en este circuito.

A continuación (Figura abajo) se mostrará la secuencia de conmutación, siendo el rojo los voltajes más altos y el verde siendo tierra (0 voltios), con el espectro intermedio ya que éste es fundamentalmente un circuito analógico.

Esta gráfica muestra la curva de carga a través del Ct.

La Figura 1 es el punto de inicio y finalización de este circuito, donde se encuentra a la espera de un disparador para iniciar un ciclo de sincronización. En este punto el transistor pin 7 está encendido, manteniendo el condensador Ct descargado.

En la Figura 2 se muestra lo que sucede cuando el 555 recibe un disparador, iniciando la secuencia. Ct no ha tenido tiempo de acumular voltaje, pero la carga ha comenzado.

La figura 3 muestra la carga del condensador, durante este tiempo el circuito se encuentra en una configuración estable y la salida es alta.

La Figura 4 muestra el circuito en medio de la desconexión cuando alcanza el tiempo de espera. El condensador se ha cargado al 67%, el límite superior del circuito 555, provocando que su flip-flop interno conmute estados. Como se muestra, el transistor aún no se ha conmutado, lo que descargará Ct cuando lo haga.

La figura 5 muestra el circuito después de que se haya asentado, que es básicamente el mismo que se muestra en la figura 1.

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8.5: CMOS 555 Luz intermitente LED roja de piezas mínimas de larga duración

PARTES Y MATERIALES

• Dos Pilas AAA
• Clip de Batería (Radio Shack catálogo # 270-398B)
• Un DVM o VOM
• U1 - T One CMOS TLC555 temporizador IC (Radio Shack catálogo # 276-1718 o equivalente)
• D1 - Diodo emisor de luz rojo (Radio Shack catálogo # 276-041 o equivalente)
• R1 - 1.5 MΩ 1/4W 5% Resistor
• R2 - 47 KΩ 1/4W 5% Resistor
• C1 - Capacitor de tantalio de 1 µF (Catálogo Radio Shack 272-1025 o equivalente)
• Condensador electrolítico C2 - 100 µF (Catálogo Radio Shack 272-1028 o equivalente)

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, capítulo 16: “Cálculos de voltaje y corriente”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 16: “Resolviendo por tiempo desconocido”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 9: “Descarga Electrostática”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, capítulo 10: “Multivibradores”

Objetivos de aprendizaje

• Aprende una aplicación práctica para una constante de tiempo RC
• Aprenda una de varias configuraciones de multivibrador Astable de 555 temporizadores
• Conocimiento práctico del ciclo de trabajo
• Aprende a manejar piezas sensibles a ESD

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

¡NOTA! Este proyecto utiliza una parte sensible a la estática, la CMOS 555. Si no usa protección como se describe en el Volumen 3, Capítulo 9, Descarga Electrostática, corre el riesgo de destruirla.

El 555 no es un cerdo de poder, sino que es hijo de la década de 1970, creado en 1971. Chupará una batería seca en días, si no horas. Afortunadamente, el diseño ha sido reinventado utilizando la tecnología CMOS. La nueva implementación no es perfecta, ya que carece de la fantástica unidad de corriente del original, pero para un dispositivo CMOS la corriente de salida sigue siendo muy buena. Las principales ventajas incluyen un rango de voltaje de suministro más amplio (las especificaciones de la fuente de alimentación son de 2V a 18V, y funcionará con una batería de 11/2V) y baja potencia. Este proyecto utiliza el TLC555, un diseño de Texas Instruments. Hay otros CMOS 555's por ahí, muy similares pero con algunas diferencias. Estos chips están diseñados para ser reemplazos directos y funcionan muy bien siempre y cuando la salida no esté sustancialmente cargada.

Este diseño convierte un déficit en una ventaja ya que la unidad de corriente solo empeora a voltajes de fuente de alimentación más bajos, sus especificaciones no son más de 3ma para 2VDC. Este diseño intenta que las baterías duren el mayor tiempo posible utilizando varios enfoques diferentes. El CI CMOS es de corriente extremadamente baja, y envía al LED un pulso de 30ms (que es un tiempo muy corto pero dentro de la persistencia de la visión humana) además de usar una velocidad de flash lenta (1 segundo) usando resistencias realmente grandes para minimizar la corriente. Con un ciclo de trabajo del 3%, este circuito pasa la mayor parte de su tiempo apagado, y (suponiendo 20ma para el LED) la corriente promedio es de 0.6ma. El gran problema es usar la limitación de corriente incorporada de este IC, ya que no está clasificado para una corriente específica, y la corriente LED puede variar mucho entre diferentes CI CMOS.

Es posible encontrar problemas con los condensadores electrolíticos cuando se trata de corrientes muy bajas (2µa en este caso) en que la fuga puede ser excesiva, una condición límite de falla. Si su experimento parece hacer esto, podría solucionarse cargando a través de la batería, luego descargando el condensador C1 a través de cualquier conductor varias veces.

Cuando completes este circuito el LED debería comenzar a parpadear y seguiría haciéndolo durante varios meses. Si usa baterías más grandes, como celdas D, esta duración aumentará drásticamente.

Para medir el consumo de corriente que alimenta el LED, conecte C1+ a Vcc con un puente (que se muestra en rojo en la Ilustración), que encenderá el TLC555. Mida el amperaje que fluye de la batería al circuito. La corriente objetivo es 20ma, medí 9ma a 24ma usando diferentes CMOS 555s. Esto no es crítico, aunque afectará la duración de la batería.

TEORÍA DE OPERACIÓN

Un lector observador notará que este es fundamentalmente el mismo circuito que se utilizó en el experimento 555 AUDIO OSCILLATOR. Muchos diseños utilizan los mismos diseños básicos y conceptos de varias maneras diferentes, este es un caso así. Un IC 555 convencional funcionaría en este diseño si la fuente de alimentación no fuera tan baja y se usa una resistencia limitadora de corriente LED. Aparte del tipo de transistores utilizados el diagrama de bloques mostrado en la Figura 1 es básicamente el mismo que un 555 convencional.

Este oscilador en particular depende del transistor pin 7, al igual que el 555 Multivibrador Monoestable mostrado en un experimento anterior. La condición de arranque es con el condensador descargado, la salida alta y el transistor pin 7 apagado. El condensador comienza a cargarse como se muestra en la Figura 2.

Cuando el voltaje a través de los pines 2 y 6 alcanza 2/3 de la fuente de alimentación, el flip flop se reinicia a través del comparador interno C1, que enciende el transistor Pin 7, e inicia la descarga del condensador C1 a través de R2 como se muestra en la Figura 3. La corriente que se muestra a través de R1 es incidental, y no es importante aparte de que drena la batería. Es por ello que este valor de resistencia es tan grande.

Cuando el voltaje a través de los pines 2 y 6 alcanza 1/3 de la fuente de alimentación el flip-flop se establece a través del comparador interno C2, cuando se apaga el transistor pin 7, permitiendo que el condensador comience a cargarse nuevamente a través de R1 y R2, como se muestra en la Figura 2. Este ciclo se repite.

El condensador C2 extiende la vida útil de las baterías, ya que almacenará el voltaje durante el 97% de tiempo que el circuito esté apagado, y proporcionará la corriente durante el 3% que esté encendido. Esta simple adición llevará a las baterías más allá de su vida útil por un amplio margen.

Al ejecutar este experimento había un mecanismo de retroalimentación que no había anticipado. La corriente de salida del TLC555 no es proporcional, ya que el voltaje de la fuente de alimentación baja, la corriente de salida reduce mucho más. Mi intermitente duró 6 meses antes de que terminara el experimento. Todavía estaba parpadeando, simplemente estaba muy tenue.

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8.6: Intermitente LED azul de larga duración CMOS 555

PARTES Y MATERIALES

• Dos Pilas AAA
• Clip de Batería (Radio Shack catálogo # 270-398B)
• U1 - 1CMOS TLC555 temporizador IC (Radio Shack catálogo # 276-1718 o equivalente)
• Q1 - 2N3906 Transistor PNP (Catálogo Radio Shack #276 -1604 (paquete de 15) o equivalente)
• Q2 - 2N2222 Transistor NPN (Catálogo Radio Shack #276 -1617 (paquete de 15) o equivalente)
• Diodo CR1 - 1N914 (Catálogo Radio Shack #276 -1122 (paquete de 10) o equivalente, ver Instrucciones)
• D1 - Diodo emisor de luz azul (Radio Shack catálogo # 276-311 o equivalente)
• R1 - 1.5 MΩ 1/4W 5% Resistor
• R2 - 47 KΩ 1/4W 5% Resistor
• R3 - 2.2 KΩ 1/4W 5% Resistor
• R4 - 620 Ω 1/4W 5% Resistor
• R5 - 82 Ω 1/4W 5% Resistor
• C1 - Capacitor de tantalio de 1 µF (Catálogo Radio Shack 272-1025 o equivalente)
• Condensador electrolítico C2 - 100 µF (Catálogo Radio Shack 272-1028 o equivalente)
• Condensador electrolítico C3 - 470 µF (Catálogo Radio Shack 272-1030 o equivalente)

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, capítulo 16: “Cálculos de voltaje y corriente”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 16: “Resolviendo por tiempo desconocido”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: “Transistores de Unión Bipolar”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 9: “Descarga Electrostática”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, capítulo 10: “Multivibradores”

Objetivos de aprendizaje

• Aprende una aplicación práctica para una constante de tiempo RC
• Aprenda una de varias configuraciones de multivibrador astable de 555 temporizadores
• Conocimiento de trabajo del ciclo de trabajo
• Cómo manejar piezas sensibles a ESD
• Cómo usar transistores para mejorar la ganancia de corriente
• Cómo usar un condensador para duplicar voltaje con un interruptor

Diagrama esquemático

Ilustracion

INDICACIONES

¡NOTA! Este proyecto utiliza una parte sensible a la estática, la CMOS 555. Si no usa protección como se describe en el Volumen 3, Capítulo 9, Descarga Electrostática, corre el riesgo de destruirla.

Este circuito se basa en los dos experimentos anteriores, utilizando sus características y sumando a ellos. Los LED azules y blancos tienen un Vf (voltaje de caída directa) más alto que la mayoría, alrededor de 3.6V. Las baterías de 3V no pueden manejarlos sin ayuda, por lo que se requieren circuitos adicionales.

Al igual que en los circuitos anteriores, al LED se le da un pulso de 0.03 segundos (30ms). C3 se utiliza para duplicar el voltaje de este pulso, pero sólo puede hacerlo por un corto tiempo. Medir la corriente aunque el LED no es práctico con este circuito debido a esta corta duración, pero los LED azules son generalmente más predecibles porque se inventaron más tarde.

Este diseño particular también se puede utilizar con una sola batería de 1 1/2V. El concepto base se creó con un CI ahora obsoleto, el LM3909, que utilizó un LED rojo, el IC y un condensador. Al igual que con este circuito, podría parpadear un LED rojo durante más de un año con una sola celda D. Cuando los ledes rojos más nuevos aumentaron su Vf de 1.5V a 2.5V este viejo chip ya no era práctico, y aún así lo extrañan muchos aficionados. Si quieres probar una batería de 11/2V cambia R5 a 10Ω y usa un LED rojo con un mejor CR1 (ver párrafo siguiente).

CR1 no es la mejor opción para este componente, se seleccionó porque es una parte común y funciona. Casi cualquier diodo funcionará en esta aplicación. Los diodos Schottky y germanio bajan mucho menos voltaje, un diodo de silicio cae 0.6-0.7V, mientras que un diodo Schottky cae 0.1-0.2V y un diodo de germanio cae 0.2V-0.3V. Si se utilizan estos componentes, la caída de voltaje reducida se traduciría en una intensidad de LED más brillante, ya que aumenta la eficiencia de los circuitos.

TEORÍA DE OPERACIÓN

Q2 es un interruptor, que utiliza este circuito. Cuando Q2 está apagado C3 se carga a la tensión de la batería, menos la caída del diodo, como se muestra en la Figura 1. Dado que el LED azul Vf es de 3.4V a 3.6V, efectivamente está fuera del circuito.

La Figura 2 muestra lo que sucede cuando Q2 se enciende. El lado del condensador C3 + está conectado a tierra, lo que mueve el lado - a -2.4V. El diodo CR1 ahora está polarizado hacia atrás y está fuera del circuito. El -2.4V se descarga a través de R5 y D1 a los +3.0V de las baterías. El 5.4V proporciona una gran cantidad de voltaje adicional para encender el LED azul. Mucho antes de que C3 se descargue, el circuito vuelve a conmutar y C3 comienza a cargarse nuevamente.

En el LM3909 CR1 había una resistencia. El diodo se utilizó para minimizar la corriente, al permitir que R4 fuera su valor máximo.

Es posible que note un brillo azul tenue en el LED azul cuando está apagado. Esto demuestra la diferencia entre teoría y práctica, 3V es suficiente para causar alguna fuga a través del LED azul, aunque no esté conduciendo. Si tuvieras que medir esta corriente sería muy pequeña.

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8.7: Intermitente LED Flyback de larga duración CMOS 555

PARTES Y MATERIALES

• Dos pilas AAA
• Clip de Batería (Radio Shack catálogo # 270-398B)
• U1, U2 - CI temporizador CMOS TLC555 (Radio Shack catálogo # 276-1718 o equivalente)
• Q1 - 2N3906 Transistor PNP (Catálogo Radio Shack #276 -1604 (paquete de 15) o equivalente)
• Q2 - 2N2222 Transistor NPN (Catálogo Radio Shack #276 -1617 (paquete de 15) o equivalente)
• D1 - Diodo emisor de luz rojo (Radio Shack catálogo # 276-041 o equivalente)
• D2 - Diodo emisor de luz azul (Radio Shack catálogo # 276-311 o equivalente)
• R1 - 1.5 MΩ 1/4W 5% Resistor
• R2 - 47 KΩ 1/4W 5% Resistor
• R3, R5 - 10 KΩ 1/4W 5% Resistor
• R4 - 1 MΩ 1/4W 5% Resisto
• r
• R6 - 100 KΩ 1/4W 5% Resistor
• R7 - 1 KΩ 1/4W 5% Resistor
• C1 - Capacitor de tantalio de 1 µF (Catálogo Radio Shack # 272-1025 o equivalente)
• Condensador de Disco Cerámico C2 - 100 pF (Catálogo Radio Shack # 272-123)
• Condensador electrolítico C3 - 100 µF (Catálogo Radio Shack 272-1028 o equivalente)
• L1 - 200 µH Choke o inductor (El valor exacto no es crítico, ver final del capítulo)

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 16: Título “Respuesta transitoria del inductor”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, capítulo 16: Título “¿Por qué L/R y no LR?”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: Título “El amplificador de emisor común”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 9: Título “Descarga Electrostática”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, capítulo 10: Título “Multivibradores monoestables”

Objetivos de aprendizaje

• Aprende otro modo de operación para el 555
• Cómo manejar piezas ESD
• Cómo usar un transistor para una puerta simple (inversor de transistor de resistencia)
• Cómo los inductores pueden convertir energía usando flyback inductivo
• Cómo hacer un inductor

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

¡NOTA! Este proyecto utiliza una parte sensible a la estática, la CMOS 555. Si no usa protección como se describe en el Volumen 3, Capítulo 9, Descarga Electrostática, corre el riesgo de destruirla.

Este experimento en particular se basa en otro experimento, “Diodo de conmutación” (Volumen 6, capítulo 5). Vale la pena revisar esa sección antes de proceder.

Esta es la última de la serie de luces LED de larga duración. Han demostrado cómo usar un CMOS 555 para destellar un LED, y cómo aumentar el voltaje de las baterías para permitir un LED con más caída de voltaje que las baterías que se van a usar. Aquí estamos haciendo lo mismo, pero con un inductor en lugar de un condensador.

El concepto básico se adapta de otro invento, el Joule Thief. Un ladrón de joule es un simple oscilador de transistor que también utiliza contragolpe inductivo para encender un LED de luz blanca de una batería 11/2, ¡y el LED necesita al menos 3.6 voltios para comenzar a conducir! Al igual que el ladrón de joule, es posible usar 11/2 voltios para que este circuito funcione. Sin embargo, ya que un CMOS 555 está clasificado para 2 voltios como mínimo 11/2 voltios no se recomienda, pero podemos aprovechar la extrema eficiencia de este circuito. Si quieres conocer más sobre el ladrón joule se puede encontrar mucha información en la web.

Este circuito también puede accionar más de 1 o 2 LEDs en serie. A medida que aumentan los números de LEDs disminuye la capacidad de las baterías para durar una larga duración, ya que la cantidad de voltaje que puede generar el inductor depende algo del voltaje de la batería. Para los fines de este experimento se utilizaron dos LEDs disímiles para demostrar su independencia de caída de voltaje del LED. La alta intensidad del LED azul pantanea el LED rojo, pero si miras de cerca encontrarás que el LED rojo está en su máximo brillo. Puedes usar prácticamente cualquier color de LEDs que elijas para este experimento.

Generalmente, el alto voltaje creado por el contragolpe inductivo es algo que hay que eliminar. Este circuito lo usa, pero si cometes un error con la polaridad de los LEDs el LED azul, que es más sensible a la ESD, probablemente morirá (esto ha sido verificado). Un pulso incontrolado de una bobina se asemeja a un evento ESD. El transistor y el TLC555 también pueden estar en riesgo.

El inductor en este circuito es probablemente la parte menos crítica en el diseño. El término inductor es genérico, también se puede encontrar este componente llamado choke o coil. También funcionaría una bobina de solenoide, ya que ese es también un tipo de inductor. Así lo haría la bobina de un relé. De todos los componentes que he usado, este es probablemente el menos crítico que me he encontrado. En efecto, las bobinas son probablemente el componente más práctico que puedes hacer tú mismo que existe. Cubriré cómo hacer una bobina que funcione en este diseño después de la Teoría de Operación, pero la parte que se muestra en la ilustración es un estrangulador de 200µH que compré a un minorista de electrónica local.

TEORÍA DE OPERACIÓN

Tanto los capacitores como los inductores almacenan energía. Los capacitores intentan mantener un voltaje constante, mientras que los inductores intentan mantener una corriente constante. Ambos resisten al cambio a su aspecto respectivo. Esta es la base para el transformador flyback, que es un circuito común utilizado en circuitos CRT antiguos y otros usos donde se necesita alta tensión con un mínimo de alboroto. Cuando cargas una bobina un campo magnético se expande a su alrededor, básicamente es un electroimán, y el campo magnético es energía almacenada. Cuando la corriente se detiene este campo magnético colapsa, se crea electricidad a medida que el campo cruza los cables en la bobina.

Este circuito utiliza dos multivibradores astables. El primer multivibrador controla el segundo. Ambos están diseñados para la corriente mínima, así como el inversor hecho usando Q1. Ambos osciladores son muy similares, el primero ha sido cubierto en experimentos anteriores. El problema es que permanece encendido, o es alto, 97% de las veces. En los circuitos anteriores utilizamos el estado bajo para encender el LED, en este caso el alto es lo que enciende el segundo multivibrador. El uso de un inversor de transistor simple diseñado para una corriente extra baja resuelve este problema. Esta es en realidad una familia lógica muy antigua, RTL, que es la abreviatura de lógica de transistores de resistencia.

El segundo multivibrador oscila a 68.6 kHz, con una onda cuadrada que ronda el 50%. Este circuito utiliza exactamente los mismos principios que se muestran en el Intermitente LED de Piezas Mínimas. Nuevamente, las resistencias prácticas más grandes se utilizan para minimizar la corriente, y esto significa un condensador realmente pequeño para C2. Esta onda cuadrada de alta frecuencia se utiliza para encender y apagar Q2 como un simple interruptor.

La Figura 1 muestra lo que sucede cuando el Q2 está conduciendo, y la bobina comienza a cargarse. Si Q2 se quedara encendido entonces resultaría un cortocircuito efectivo a través de las baterías, pero como esto es parte de un oscilador esto no sucederá. Antes de que la bobina pueda alcanzar su corriente máxima Q2 cambia, y el interruptor está abierto.

La Figura 2 muestra Q2 cuando se abre, y la bobina está cargada. La bobina intenta mantener la corriente, pero si no hay trayectoria de descarga no puede hacer esto. Si no hubiera trayectoria de descarga es la bobina crearía un pulso de alto voltaje, buscando mantener la corriente que fluía a través de ella, y este voltaje sería bastante alto. Sin embargo, tenemos un par de LEDs en la ruta de descarga, por lo que el pulso de las bobinas va rápidamente a la caída de voltaje de los LEDs combinados, luego volca el resto de su carga como corriente. Como resultado no se genera un alto voltaje, sino que hay una conversión al voltaje requerido para encender los LEDs.

Los LED son pulsados, y la curva de luz sigue la curva de descarga de la bobina bastante de cerca. Sin embargo, el ojo humano promedia esta salida de luz a algo que percibimos como luz continua.

PARTES Y MATERIALES

• 26 pies (8 metros) de cable magnético 26AWG (catálogo de Radio Shack #278 -1345 o equivalente)
• Tornillo de 6/32X1.5 pulgadas, un tornillo M4x30mm o un clavo de diámetro similar cortado a medida, acero o hierro, pero no inoxidable
• Tuerca de bloqueo a juego (opcional)
• Cinta transparente (opcional, necesaria si se usan tornillos)
• Super Pegamento
• Soldador, Soldar

Como se ha mencionado anteriormente, esta no es una pieza de precisión. Los inductores en general pueden tener una gran varianza para muchas aplicaciones, y este específicamente puede estar apagado en el lado alto una gran cantidad. El objetivo aquí es mayor a 220µH.

Si está usando un tornillo, use una capa de la cinta transparente entre las roscas y el cable. Esto es para evitar que las roscas del tornillo corten en el cable y cortocircuiten la bobina. Si está utilizando una contratuerca colóquela en el tornillo a 1” (25mm) de la cabeza del tornillo. Comenzando alrededor de 1” desde un extremo del cable, use el pegamento para adherir el cable en la cabeza del clavo o tornillo como se muestra. Deja que el pegamento se fije.

Enrolle el cable prolijamente y firmemente 1” de la longitud del tornillo, nuevamente pegándolo en su lugar con súper pegamento. (Figura anterior). Puedes usar un taladro de velocidad variable para ayudar con esto, siempre y cuando tengas cuidado. Como todos los electrodomésticos, puede morderte. Sostenga el cable firme hasta que el pegamento se asiente, luego comience a enrollar una segunda capa sobre la primera. Continúe con este proceso hasta que se use todo el cable excepto el último 1", usando el pegamento para adherir ocasionalmente el cable hacia abajo. Organice el cable en la última capa de manera que el segundo conductor del inductor esté en el otro extremo del tornillo lejos del primero. Agrupe esto por última vez con el pegamento. Dejar secar completamente.

Toma suavemente una cuchilla afilada y desecha el esmalte de cada extremo de los dos cables. Estañe el cobre expuesto con el soldador y la soldadura, y ahora tiene un inductor funcional que se puede utilizar en este experimento.

Así es como se veía el que hice: Figura a continuación.

Las conexiones mostradas se están utilizando para medir la inductancia, la cual funcionó bastante cerca de 220µH.

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8.8: Intermitente LED rojo de larga duración CMOS 555

PARTES Y MATERIALES

• Dos pilas AAA
• Clip de Batería (Radio Shack catálogo # 270-398B)
• Un DVM o VOM
• U1 - CI temporizador CMOS TLC555 (Radio Shack catálogo # 276-1718 o equivalente)
• Q1 - 2N3906 Transistor PNP (Catálogo Radio Shack #276 -1604 (paquete de 15) o equivalente)
• Q2 - 2N2222 Transistor NPN (Catálogo Radio Shack #276 -1617 (paquete de 15) o equivalente)
• D1 - Diodo emisor de luz rojo (Radio Shack catálogo # 276-041 o equivalente)
• R1 - 1.5 MΩ 1/4W 5% Resistor
• R2 - 47 KΩ 1/4W 5% Resistor
• R3 - 2.2 KΩ 1/4W 5% Resistor
• R4 - 27 Ω 1/4W 5% Resistor (o prueba seleccione un mejor valor)
• C1 - Capacitor de tantalio de 1 µF (Catálogo Radio Shack 272-1025 o equivalente)
• Condensador electrolítico C2 - 100 µF (Catálogo Radio Shack 272-1028 o equivalente)

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, capítulo 16: “Cálculos de voltaje y corriente”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 16: “Resolviendo por tiempo desconocido”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: “Transistores de Unión Bipolar”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 9: “Descarga Electrostática”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, capítulo 10: “Multivibradores”

Objetivos de aprendizaje

• Aprende una aplicación práctica para una constante de tiempo RC
• Aprenda una de varias configuraciones de multivibrador astable de 555 temporizadores
• Conocimiento práctico del ciclo de trabajo
• Cómo manejar piezas sensibles a ESD
• Cómo usar transistores para mejorar la ganancia de corriente
• Cómo calcular la resistencia correcta para un LED

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

¡NOTA! Este proyecto utiliza una parte sensible a la estática, la CMOS 555. Si no usa protección como se describe en el Volumen 3, Capítulo 9, Descarga Electrostática, corre el riesgo de destruirla.

El circuito mostrado en el experimento anterior, CMOS 555 Long Duration Minimum Parts Red LED Flasher, tiene un gran inconveniente, que es la falta de control de corriente LED. Este experimento utiliza el mismo esquema básico 555 y agrega controladores transistorizados para corregirlo.

Las partes utilizadas para este controlador de transistor no son críticas. Está diseñado para cargar el TLC555 a un mínimo absoluto y aún así encender Q2 completamente. Esto es importante porque a medida que el voltaje de la batería se acerca a 2V, la unidad del TLC555 se reduce a sus valores mínimos. Los transistores bipolares pueden ser buenos interruptores.

Dado que los LED pueden tener tanta variación, R4 se debe ajustar para que coincida con el LED específico utilizado. La corriente está limitada a 18.5ma con 27Ω y un Vf (voltaje de caída directa LED) de 2.5V, un LED Vf de 2.1V atraerá 33ma y un LED Vf de 1.5 atraerá 56ma. Este último es demasiada corriente, sin mencionar lo que eso haría por la duración de la batería. Para corregir este uso 47Ω si el Vf es 2.1V, y 75Ω si el Vf es 1.5V, asumiendo que la corriente objetivo es 20ma.

Puedes medir Vf usando el puente que se muestra en rojo en la ilustración, que encenderá el LED a tiempo completo. Puede calcular el valor de R4 usando la ecuación:

R4 = (3V-Vf)/0.02A

Se mencionó en el experimento anterior que el condensador C2 extendió la vida útil de las baterías. Un experimento interesante es eliminar esta parte periódicamente y ver qué pasa. Al principio notarás una atenuación del LED, y después de una semana o dos el circuito morirá sin él, y volverá a funcionar en un par de segundos cuando sea reemplazado. Este flasher funcionará durante 3 meses usando pilas AAA alcalinas frescas.

TEORÍA DE OPERACIÓN

El oscilador CMOS 555 se explicó a fondo en el experimento anterior, por lo que el controlador del transistor será el foco de esta explicación.

El controlador de transistor combina elementos de una configuración de colector común en Q1, junto con la configuración de emisor común en Q2. Esto permite una resistencia de entrada muy alta al tiempo que permite que Q2 se encienda completamente. La resistencia de entrada del transistor es la β (ganancia) del transistor multiplicada por la resistencia del emisor. Si Q1 tiene una ganancia de 50 (un valor mínimo) entonces el controlador carga el TLC555 con más de 100KΩ. Los transistores pueden tener grandes variaciones en la ganancia, incluso dentro de la misma familia.

Cuando Q1 se enciende 1ma se envía a Q2. Esto es más que suficiente para girar Q2 completamente, lo que se conoce como saturación. Q2 se utiliza como un simple interruptor para el LED.

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Créditos

Todas las entradas están ordenadas por orden alfabético de apellido. Las contribuciones mayores se enumeran por nombre individual con cierto detalle sobre la naturaleza de la (s) contribución (s), fecha, información de contacto, etc. Las contribuciones menores (correcciones tipográficas, etc.) se enumeran por nombre solo por razones de brevedad. Por favor entienda que cuando clasifico una contribución como “menor”, no es de ninguna manera inferior al esfuerzo o valor de una contribución “mayor”, solo menor en el sentido de menos texto cambiado. Todas y cada una de las contribuciones son aceptadas con gratitud. ¡Estoy en deuda con todos aquellos que han dado libremente de su propio conocimiento, tiempo y recursos para hacer de este un mejor libro!

Dennis Crunkilton

• Fecha (s) de contribución (es): Enero 2006 hasta la actualidad
• Naturaleza de contribución: Mini índice, todos los capítulos excepto las apelaciones; html, látex, ps, pdf; Ver Devel/tutorial.html; 01/2006.
• Naturaleza de aportación: CH 4, sección: Motor de inducción, 09/2007.
• Naturaleza de aportación: CH 4, sección: Motor de inducción, grande 02/2010.
• Contactar en: dcrunkilton (at) att (punto) net

Tony R. Kuphaldt

• Fecha (s) de contribución (es): 1996 hasta la fecha
• Naturaleza de contribución: Autor original.
• Contacto en: [email protected]

Bill Marsden

• Fecha (s) de contribución (es): Agosto 2008
• Naturaleza de contribución: Autor original: “555 Schmidt trigger” Sección, Capítulo 7.
• Contactar en: bill_marsden2 (at) hotmail (punto) com

Forrest Mims III

• Fecha (s) de contribución (es): Febrero 2008
• Naturaleza de contribución: Ch 5; Aclaración relativa a los LEDs como fotosensores.
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Correcciones tipográficas y otras contribuciones “menores”

• line-allaboutcircuits.com (junio 2005) Corrección de errores tipográficos en Volúmenes 1,2,3,5, varios capítulos, (:s/visa-versa/vice versa/).
• Los alumnos del programa de Instrumentación del Bellingham Technical College.
• Colin Creitz (Mayo 2007) Capítulos: varios, s/it's.
• Jeff DeFreitas (marzo 2006) Mejorar la apariencia: sustituir “/” y”/” Capítulos: A1, A2.
• Don Stalkowski (Junio 2002) Ayuda técnica con la conversión de formato de archivo Postscript a PDF.
• Joseph Teichman (Junio 2002) Sugerencia y ayuda técnica con respecto al uso de imágenes PNG en lugar de JPEG.
• Michael Warner (abril de 2002) Sugerencias para una sección que describe la configuración del laboratorio doméstico.
• [email protected] (agosto de 2007) Ch 1, s/iniciar/iniciado.
• [email protected] (Agosto 2007) Ch 6, s/y y apagado/encendido y apagado/.
• Timothy [email protected] (Feb 2008) Cambió la fuente romana predeterminada a newcent.
• Imranullah Syed (Feb 2008) Sugerido centrado de esquemas sin subtitulado.
• [email protected], [email protected] (mayo de 2008) Cambió la imagen 05320.png para estar de acuerdo con la imagen 05321.png [email protected] (abril de 2009) Ch4, s/intentar cambiar/intentar cambiar/ [email protected] (agosto de 2009) agregó etiquetas a “555 Schmitt trigger”, d_ic.sml.
• [email protected] (Agosto 2009) corrección a imagen 05198.eps &.png.
• [email protected] (enero de 2010) agregó <proofread>etiqueta a “555 Schmitt trigger”.
• [email protected] (enero de 2010) Ch2, S/Cuanto menos ressistancia/ Cuanto más resistencia.
• [email protected] (abril de 2010) agregó nuevo CROS-REFERENCE al “555 Schmitt trigger”.
• [email protected] (septiembre de 2010) Ch6, s/usable/usable/.
• D. Crunkilton (junio de 2011) hi.latex, archivo de cabecera; enlace actualizado a openbookproject.net.
• hillshaveeyes57 (enero de 2013) Ch8, Oscilador Histerético, Swap R3 y R4 con descripción en lista de piezas.
• Bill [email protected] (enero de 2014) Ch8, s/circuitos/operación del circuito.

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Fuente: LibreTexts Español — Tony R. Kuphaldt, vía All About Circuits · Licencia: GNU Free Documentation License 1.3 (GFDL). Texto completo reproducido en esta ficha, junto con el texto íntegro de la licencia al final del libro. Las figuras de la fuente no se reproducen en esta tanda y las fórmulas se muestran como texto.