Manual de prácticas de laboratorio de osciladores sinusoidales y aplicaciones del circuito integrado 555

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Manual de prácticas de laboratorio de osciladores. sinusoidales y aplicaciones del circuito integrado 555” Autor: Dairon Afonso García Tutor: Ing. Osmar Gómez César. Santa Clara 2017 "Año 59 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Manual de prácticas de laboratorio de osciladores. sinusoidales y aplicaciones del circuito integrado 555” Autor: Dairon Afonso García [email protected]. Tutor: Ing. Osmar Gómez César [email protected] Santa Clara 2017 "Año 59 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicado sin autorización de la Universidad.. ____________________ Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. ___________________ Firma del Tutor. _____________________. ________________________. Firma del Jefe de Departamento. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) PENSAMIENTO. El coraje no es tener la fuerza para seguir adelante es seguir adelante cuando no tienes la fuerza. Napoleón Bonaparte..

(5) DEDICATORIA. A mis padres Deiry y Jorge, que siempre me han apoyado incondicionalmente a lo largo de mi vida y a quienes les debo todo..

(6) AGRADECIMIENTOS. A mis padres Deiry y Jorge por todo el amor y esfuerzo que han dedicado a mi formación y por todos los sacrificios que han hecho para que hoy pudiera llegar hasta aquí. A mi familia que siempre me ha apoyado en mi formación profesional. A mis compañeros de estudio que fueron pilares fundamentales en mi desempeño académico durante estos cinco años. A mi tutor Osmar por toda su ayuda, dedicación y paciencia. A todas esas personas que contribuyeron a mi ingreso a la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Muchas Gracias..

(7) TAREA TÉCNICA. Para lograr la confección del presente trabajo y alcanzar los resultados esperados, se desarrollaron las tareas técnicas siguientes: . Revisión bibliográfica para conformar la investigación, enfocados en las tendencias actuales sobre la utilización de las herramientas de simulación en universidades a nivel mundial así como en la forma de impartir los temas tratados.. . Selección de las herramientas de simulación de acuerdo a las condiciones de la Facultad de Ingeniería Eléctrica (FIE) y a las capacidades tecnológicas que presentan los estudiantes.. . Selección de los laboratorios reales a implementar de acuerdo a las condiciones actuales disponibles en la FIE.. . Diseño de un manual de prácticas de laboratorio como propuesta para la enseñanza del tema de osciladores sinusoidales y aplicaciones del circuito integrado 555.. . Elaboración del informe final del Trabajo de Diploma.. __________________. _________________. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) RESUMEN. En el campo de la Electrónica el uso de las TICs se refleja a través la impartición de videoconferencias, prácticas de laboratorio simuladas con el uso de diferentes software, que permiten facilitar la impartición de los contenidos. La presente investigación se dedica al diseño de un manual de prácticas de laboratorio de los temas “Osciladores sinusoidales” y “Aplicaciones del Circuito Integrado (CI) 555”. Para ello, se describieron tendencias de la enseñanza de estos temas en universidades del mundo y simuladores empleados; la situación actual de los laboratorios 104 y 308 en la Facultad de Ingeniería Eléctrica de acuerdo a las capacidades tecnológicas de la institución y a las que presentan los estudiantes; se seleccionó Multisim14.0 como herramienta de software a utilizar; se caracterizaron osciladores sinusoidales y aplicaciones del CI 555. Como resultado de la investigación se diseñó un manual conformado por 6 prácticas simuladas y 4 prácticas reales. Se compararon resultados obtenidos de ejercicios de estas prácticas desde el punto de vista teórico, simulado y mediante el montaje real, destacando la exactitud de Multisim..

(9) ÍNDICE. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 10 CAPÍTULO 1.. TENDENCIAS. DE. LA. ENSEÑANZA. DEL. TEMA. DE. OSCILADORES SINUSOIDALES Y APLICACIONES DEL CI 555 ............................... 15 1.1. Principales tendencias de la enseñanza del tema de osciladores sinusoidales y CI. 555. 15 1.2. Herramientas de software empleadas en esta enseñanza ....................................... 18. 1.2.1. OrCAD ............................................................................................................ 18. 1.2.2. Matlab-Simulink ............................................................................................. 19. 1.2.3. EveryCircuit .................................................................................................... 20. 1.2.4. DroidTesla ...................................................................................................... 22. 1.2.5. ElectroDroid.................................................................................................... 22. 1.3. Conclusiones parciales ........................................................................................... 23. CAPÍTULO 2. RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DEL MANUAL DE PRÁCTICAS. ....................................................................................................................... 24 2.1. Diagnóstico de las condiciones tecnológicas de los laboratorios 104 y 308 de la. FIE y de los estudiantes. ................................................................................................... 24 2.1.1 Situación del laboratorio 104. .............................................................................. 24 2.1.2 Situación del laboratorio 308. .............................................................................. 25.

(10) 2.1.3 Equpamiento que poseen los estudiantes. ............................................................ 28 2.2. Características del Multisim 14.0 ........................................................................... 28. 2.3. Características de osciladores sinusoidales. ........................................................... 30. 2.3.1 Osciladores RC .................................................................................................... 30 2.3.2 Osciladores LC .................................................................................................... 32 2.4. Características del CI 555. ..................................................................................... 33. 2.4.1 Astable: ................................................................................................................ 34 2.4.2 Monoestable: ........................................................................................................ 35 2.5. Conclusiones parciales ........................................................................................... 38. CAPÍTULO 3.. CARACTERÍSTICAS DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE. LABORATORIO DISEÑADO ............................................................................................ 39 3.1 Características de las prácticas de laboratorio existentes. .......................................... 39 3.2 Características del manual de prácticas de laboratorio. .............................................. 41 3.3 Comparación de los resultados. .................................................................................. 47 3.3.1 Resultados del laboratorio simulado 3. ................................................................ 47 3.3.2 Resultados del laboratorio simulado 4. ................................................................ 49 3.3.3 Resultados de la práctica real 3............................................................................ 51 3.3.4 Resultados de la práctica simulada 4. .................................................................. 52 3.3.5 Resultados de la práctica real 4............................................................................ 53 3.4. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 55. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 56 RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 58 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 59 ANEXOS .............................................................................................................................. 62 Anexo 1 Pantalla principal de Multisim 14.0. .................................................................. 62.

(11) Anexo 2 Herramienta 555 timer wizard de Multisim 14.0. .............................................. 62 Anexo 3. Respuesta del ejercicio 1, inciso a, de la técnica operatoria de la práctica. simulada 1. ........................................................................................................................ 63 Anexo 4. Respuesta del ejercicio 2, inciso a, de la técnica operatoria de la práctica. simulada 1. ........................................................................................................................ 63 Anexo 5. Respuesta del ejercicio 3, inciso a, de la técnica operatoria de la práctica. simulada 1. ........................................................................................................................ 64 Anexo 6. Respuesta del ejercicio 1, inciso a, de la técnica operatoria de la práctica. simulada 2. ........................................................................................................................ 64 Anexo 7. Respuesta del ejercicio 2, inciso a, de la técnica operatoria de la práctica. simulada 2. ........................................................................................................................ 64 Anexo 8. Respuesta del ejercicio 2, inciso a, de la técnica operatoria de la práctica. simulada 3. ........................................................................................................................ 64 Anexo 9. Respuesta del ejercicio 1, inciso a, de la técnica operatoria de la práctica. simulada 4. Configuración astable. ................................................................................... 65 Anexo 10. Respuesta del ejercicio 1, inciso a, de la técnica operatoria de la práctica. simulada 4. Forma de onda del voltaje de salida de la configuración astable. ................. 65 Anexo 11. Respuesta del ejercicio 1, inciso a, de la técnica operatoria de la práctica. simulada 4. Configuración monoestable. .......................................................................... 66 Anexo 12. Respuesta del ejercicio 1, inciso a, de la técnica operatoria de la práctica. simulada 4. Forma de onda del voltaje de salida de la configuración monoestable. ........ 66 Anexo 13. Respuesta del ejercicio 1, inciso a, de la técnica operatoria de la práctica. real 1………. .................................................................................................................... 66 Anexo 14. Respuesta del ejercicio 2, inciso a, de la técnica operatoria de la práctica. real 1……….. ................................................................................................................... 67.

(12) Anexo 15. Respuesta del ejercicio 1, inciso a, de la técnica operatoria de la práctica. real 3. Forma de onda del voltaje de salida de la configuración monoestable con CI 555…………. ................................................................................................................... 67 Anexo 16. Respuesta del ejercicio 1, inciso a, de la técnica operatoria de la práctica. real 4. Forma de onda del voltaje de salida de la configuración astable con CI 555. ....... 68.

(13) INTRODUCCIÓN. 10. INTRODUCCIÓN. La educación ha sido considerada por mucho tiempo el eslabón privilegiado que articula la integración cultural, la movilidad social y el desarrollo productivo. El acceso y generación de conocimiento pasan a ser los motores del desarrollo. La tecnología digital se hace presente en todas las áreas de actividad y colabora con los cambios que se producen en el trabajo, la familia y la educación, entre otros[1]. Las Tecnologías de la información y la comunicación (TICs) es un concepto que tiene dos significados. El término "tecnologías de la información" se usa a menudo para referirse a cualquier forma de hacer cómputo. Como nombre de un programa de licenciatura, se refiere a la preparación que tienen estudiantes para satisfacer las necesidades de tecnologías en cómputo y comunicación de gobiernos, seguridad social, escuelas y cualquier tipo de organización[2]. Es clave entender que las TICs no son sólo herramientas simples, sino que constituyen sobre todo nuevas conversaciones, estéticas, narrativas, vínculos relacionales, modalidades de construir identidades y perspectivas sobre el mundo. En el siglo XXI es indispensable saber utilizar tecnologías, que los estudiantes se apropien de los usos y así puedan participar activamente en la sociedad e insertarse en el mercado laboral. En varios países del mundo ya se habla del acceso a tecnología y conectividad como un derecho asociado a un bien básico[3],[4]. En la educación superior el uso de las TICs ha favorecido el proceso de enseñanza aprendizaje de los estudiantes a través del uso de la computación como medio para acceder a la información disponible en videoconferencias, sitios y páginas web. Permite al estudiante portar la información que necesite en formato digital e intercambiarla de una manera fácil y rápida. En el campo de la Electrónica, el uso de las TICs se refleja a través la impartición de.

(14) INTRODUCCIÓN. 11. videoconferencias, prácticas de laboratorio simuladas con el uso de diferentes software, que permiten facilitar la impartición de los contenidos[5]. El colectivo de la disciplina Electrónica en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) ha incorporado el uso de las TICs a través del uso de la computación a la enseñanza de esta disciplina, para hacer más eficiente el proceso de aprendizaje desde los años 80 del siglo XX. Entre los recursos que ha empleado se encuentran: videos instructivos, programas entrenadores, así como el montaje de asignaturas de Electrónica Analógica en la plataforma Moodle[7]. En la asignatura Electrónica Analógica III, que se imparte en el segundo semestre de tercer año de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, se abordan los temas de osciladores sinusoidales y aplicaciones del Circuito Integrado (CI) 555. En estos temas se dedican dos conferencias, dos clases prácticas y cuatro prácticas de laboratorios, dos simuladas y dos reales, una de osciladores sinusoidales y una de CI 555 para las prácticas simuladas y los mismos temas para las dos prácticas reales. Cabe destacar que se abordan ejercicios tanto de análisis como de diseño, para las prácticas de osciladores no se trabaja con la topología del Hartley que, aunque es menos usada para aplicaciones que el Colpitts es de igual importancia para el aprendizaje del tema. Para los laboratorios de CI 555 tanto el real como el simulado solo se trabaja con el generador de rampa, por lo que se pude agregar a estas prácticas el prolongador de pulsos, el detector de pulsos faltantes y el divisor de frecuencia. En la Facultad de Ingeniería Eléctrica (FIE) de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas de Cuba se han hecho trabajos relacionados con las herramientas de simulación, tal es el caso de la tesis presentada en opción al título académico de Máster en Electrónica de la profesora Ileana Moreno Campdesuñer y el trabajo de diploma de Julio Antonio Pérez González. Estos trabajos sirvieron de apoyo a la búsqueda y descripción de los posibles software a emplear para dar solución a las prácticas de laboratorio simuladas a diseñar en el manual propuesto[8],[7]. Como puntos a reforzar en las prácticas de laboratorio simuladas y reales: . Abordar ejercicios con la topología Hartley, tanto en la práctica real como en la simulada del tema de osciladores..

(15) INTRODUCCIÓN. . Agregar aplicaciones del CI 555 tales como: divisor de frecuencia, prolongador de pulsos y modulador FSK.. . Utilizar la herramienta de Multisim 14.0 Circuit Wizards para el diseño de CI 555 en configuración astable y monoestable, para la comprobación de los diseños realizados en las prácticas de laboratorio.. Existe la necesidad de desarrollar una investigación encaminada a validar la bondad o eficacia que presentan los materiales computarizados empleados en la docencia, analizando sus posibilidades reales, limitaciones y efectividad en el proceso de aprendizaje de los estudiantes y la explotación de los recursos materiales en cuanto a componentes reales ahora disponibles debido a la entrada de nuevos componentes en los laboratorios reales. Por las razones anteriormente citadas se plantea como problema de investigación: ¿Cómo contribuir a la enseñanza de temas de osciladores sinusoidales y aplicaciones del CI 555 para la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica? Esta investigación tiene como objeto de estudio la Electrónica Analógica y el campo de estudio las prácticas de laboratorio. Como objetivo general de la investigación se propone: diseñar un manual de prácticas de laboratorio para la enseñanza de temas de osciladores sinusoidales y aplicaciones del CI 555. Para resolver el problema de investigación y dar cumplimiento al objetivo general, se plantean los siguientes objetivos específicos: . Identificar las principales tendencias de la enseñanza del tema de osciladores sinusoidales y CI 555.. . Diagnosticar la situación actual de los laboratorios 104 y 308 de la FIE y de las condiciones tecnológicas de los estudiantes.. . Describir las características y ventajas del Multisim 14.0.. . Identificar esquemas seleccionados de circuitos osciladores sinusoidales y que constituyen aplicaciones del circuito integrado 555.. 12.

(16) INTRODUCCIÓN. . 13. Describir las características de las prácticas de laboratorio contenidas en el manual.. . Comparar resultados de ejercicios de las prácticas simuladas con el análisis teórico y el montaje real.. De los objetivos específicos propuestos, surgen las siguientes interrogantes científicas, a las cuales se les dan respuestas en el desarrollo de la investigación: . ¿Cuáles son las principales tendencias de la enseñanza del tema de osciladores sinusoidales y CI 555 en universidades del mundo? . ¿Cuál es la situación actual de los laboratorios 104 y 308 de la FIE y de las condiciones tecnológicas de los estudiantes?. . ¿Cuáles son las características y ventajas que posee el Multisim 14.0?. . ¿Cuáles son los esquemas de circuitos osciladores sinusoidales y que constituyen aplicaciones del circuito integrado 555 a seleccionar?. . ¿Qué características poseen las prácticas de laboratorio diseñadas?. . ¿Cómo comparar los resultados obtenidos de la simulación en Multisim con el punto de vista real y teórico?. La presente investigación será de gran importancia para la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) y por ende para la Facultad de Ingeniería Eléctrica, desde el punto de vista teórico y práctico, así como para aquellas personas que se incentiven a indagar en el tema, ya que se presentarán guías de prácticas de laboratorio reales y simuladas de osciladores sinusoidales y aplicaciones del CI 555, temas que se abordan en la asignatura Electrónica Analógica III, utilizando los componentes reales que fueron recibidos en la facultad el curso pasado. En el primer capítulo se exponen las principales tendencias de la enseñanza de la electrónica analógica en universidades del mundo y las características de las principales herramientas de software que se emplean en su enseñanza. En el segundo capítulo se describe: la situación actual de los laboratorios 104 y 308 en la FIE de acuerdo a las capacidades tecnológicas de la institución y a las que presentan los.

(17) INTRODUCCIÓN. 14. estudiantes; las características y ventajas que posee el Multisim 14.0; se identifican los esquemas de circuitos osciladores sinusoidales y que constituyen aplicaciones del circuito integrado 555 seleccionados para el diseño del manual de prácticas de laboratorio. En el tercer capítulo se describen las características del manual de prácticas de laboratorio diseñado, que contiene 6 prácticas simuladas y 4 reales, y de las prácticas de laboratorio existentes; se comparan resultados obtenidos de ejercicios del manual desde el punto de vista teórico, simulado y mediante el montaje real..

(18) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE OSCILADORES SINUSOIDALES Y APLICACIONES DEL CI 555. CAPÍTULO 1.. 15. TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE OSCILADORES SINUSOIDALES Y APLICACIONES DEL CI 555. El uso de simuladores computarizados data de la segunda mitad del Siglo XX. En la década de los 60 el departamento de defensa de los Estados Unidos había diseñado varios simuladores de circuitos eléctricos, con la intención de evaluar la radiación de un circuito. En 1973 vio la luz SPICE1 programado bajo Fortran y reescrito de su antecesor CANCER (Computer Analysis of Nonlinear Circuits, Excluding Radiation). SPICE1 usaba el sistema de análisis de Nodos para construir los Sistemas de ecuaciones del circuito y calcular así cada parámetro requerido. Aunque contaba con pocos elementos fue un paso importante en la simulación de circuitos asistida por ordenador. La electrónica se ha beneficiado enormemente de los avances de la Informática y actualmente existe una gran cantidad de programas que agilizan enormemente el diseño y construcción de circuitos eléctricos y electrónicos. Estos programas son empleados en diferentes universidades del mundo como apoyo al proceso de enseñanza aprendizaje en carreras afines a esta disciplina[9]. En el presente capítulo se exponen principales tendencias de la enseñanza del tema de osciladores sinusoidales y CI 555. Además, se describen herramientas de software empleadas en esta enseñanza. 1.1. Principales tendencias de la enseñanza del tema de osciladores sinusoidales y CI 555.. En la carrera Ingeniería en Telemática de la Universidad Católica de Manizales, Colombia, se realizan prácticas de laboratorios reales del tema de osciladores sinusoidales. Estas prácticas reales cuentan con una base teórica proporcionada a los alumnos en forma de.

(19) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE OSCILADORES SINUSOIDALES Y. 16. APLICACIONES DEL CI 555. documento de texto donde se les explica brevemente con los componentes que se cuenta y las características de estos, así como una técnica operatoria donde se comparan los resultados reales con los obtenidos a través de la simulación previamente realizada[4]. En la Universidad Nacional de la Plata, Argentina, en la asignatura Circuitos Electrónicos ll en la facultad de Ingeniería se imparte el tema “Osciladores de Onda Senoidal” donde se describen los criterios y procedimientos de diseño del: oscilador Colpitts, Desplazamiento de Fase y Puente de Wien. Estos osciladores son los típicos osciladores realimentados. También se tratan el efecto piezoeléctrico y el modelo del cristal piezoeléctrico, básico para la construcción de osciladores estables con la temperatura, lo cual es muy importante cuando se desea construir sistemas que tengan una frecuencia de transmisión muy precisa y estable en el tiempo. Como un ejemplo típico de oscilador a cristal se muestra el oscilador Pierce. También se muestra cómo se puede construir un oscilador Colpitts a cristal piezoeléctrico[11]. En la Universidad Nacional de San Luis (U.N.S.L), Argentina, en la facultad de Ciencias Físico-Matemáticas y Naturales para la Ingeniería Electrónica En Sistemas Digitales se imparten en forma de laboratorios simulados, utilizando la herramienta de software Multisim 14.0, los temas Osciladores y Aplicaciones del CI 555. Se destacan como objetivo de estos utilizar un LM741 para construir un oscilador de puente de Wien, un temporizador 555 como un multivibrador astable y como oscilador controlado por tensión y un LM741 para construir un oscilador de corrimiento de fase. En estos laboratorios los estudiantes deben recoger en forma de tablas las mediciones de parámetros como la frecuencia de oscilación, ganancia de voltaje y se comparan dichas mediciones con su valor esperado, estimando el error cometido en los mismos[6]. A modo de videoconferencia en la Universidad de Huelva, España, los estudiantes reciben el tema de “Osciladores Senoidales” a través del análisis de distintos circuitos que producen en su salida una onda senoidal y para cada uno de ellos se obtienen la ecuación correspondiente a la frecuencia de oscilación y la ecuación que establece la condición que ha de cumplirse para que se produzcan y mantengan dichas oscilaciones. Todo este análisis está basado en el criterio de Barkhausen. Los temas fundamentales impartidos son[12]: . Principios básicos para la oscilación..

(20) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE OSCILADORES SINUSOIDALES Y. 17. APLICACIONES DEL CI 555. . Clasificación de los osciladores senoidales.. . El Oscilador en Puente de Wien.. . El Oscilador de desplazamiento de fase.. . Generalidades de los osciladores LC.. . El oscilador Colpitts.. . El oscilador Hartley osciladores de cristal.. En el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) se imparten cursos llamados “MITOPENCOURSEWARE” para la disciplina de “High Speed Communication Circuits and Systems” en los que se trabaja con osciladores Colpitts y Hartley, empleados en aplicaciones relacionadas con dispositivos de comunicaciones como el diseño de un transmisor que utiliza Modulación por desplazamiento mínimo gaussiano (GMSK) para redes inalámbricas de alta velocidad[13],[14]. Este diseño se realiza con el uso de la herramienta Simulink de Matlab[15]. En la Universidad de Antioquia, Colombia, en la Facultad de Ingeniería en el Departamento de Ingeniería Electrónica se realiza la práctica de laboratorio número 5: “Generadores de señal” correspondiente a la asignatura Circuitos II, se inicia la práctica con la descripción de la base teórica del tema tratado y posteriormente se procede a realizar los ejercicios de la misma que consisten en el diseño y análisis de un generador de onda cuadrada utilizando un CI 555 y un oscilador puente de Wien con LF353[16]. En la Universidad de Vigo, España, en el departamento de Tecnología Electrónica en la asignatura Electrónica I para la titulación de Ingeniero Industrial Eléctrico se imparten un total de 14 prácticas de laboratorio que abarcan temas tanto de electrónica digital como de electrónica analógica. Las que se enfocan en este último tema tienen como objetivo que el alumno se enfrente al análisis, diseño, realización y prueba de circuitos analógicos a partir de unas especificaciones concretas y para lograr esto el estudiante tiene que diseñar circuitos temporales (monoestables, astables) utilizando el circuito integrado 555. En esta práctica el alumno tiene que realizar el diseño y comprobación de tres circuitos utilizando el CI 555: monoestable no redisparable, monoestable redisparable, astable[17]..

(21) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE OSCILADORES SINUSOIDALES Y. 18. APLICACIONES DEL CI 555. En España en la universidad de Málaga se imparten tutoriales web basados en applets Java, como se muestra en la figura 1.1, que permitiera ilustrar, de forma interactiva y gráfica, el funcionamiento de la mayoría de los circuitos modelo que se estudian en el temario para la asignatura de circuitos integrados ofrecidos por el Departamento de Tecnología Electrónica para las Ingenierías Técnicas de Telecomunicación de esta universidad[18].. Figura 1.1. Interfaz gráfica del ANALISIS TIMER 555[18]. 1.2. Herramientas de software empleadas en esta enseñanza. 1.2.1 OrCAD. OrCAD provee una producción probada, dimensionable y robusta de la placa de circuito impreso y permite ayudarte en tu meta de creación del producto. Entre sus principales rasgos están: Las soluciones del diseño de la placa de circuito impreso proveen una colección completa de herramientas para ayudarte a lograr los resultados que necesitas. Sus herramientas tienen una plataforma de arquitectura completamente abierta. Esto quiere decir que puedes continuar diciendo que la funcionalidad única es integrada en el programa en forma de aplicaciones. Las ofertas del entorno de sus herramientas permiten realizar diferentes tipos de análisis para evaluar la integridad de la señal, ya sea señal analógica y mixta como análisis.

(22) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE OSCILADORES SINUSOIDALES Y. 19. APLICACIONES DEL CI 555. transitorio, barrido de corriente directa (DC) y otros más. Cuenta además con soluciones efectivas y enriquecedoras del diseño de la placa de circuito impreso. El set de diseño de la placa del circuito impreso puede ser expandido y mejorado[7]. OrCAD Capture OrCAD Capture es la herramienta más conocida en todo el mundo por una simple razón: es la herramienta de captura de esquemas universal. Con OrCAD Capture CIS (Component Información Sistema), se puede acceder a la información de los componentes en bases de datos centralizadas e Internet sin abandonar la herramienta de esquemas. Por medio de Interchange Architecture, OrCAD Capture y Capture CIS se unen todas las tareas del diseño en un mismo entorno. OrCAD Capture ofrece un interfaz intuitivo y un amplio conjunto de características que han hecho de OrCAD, el estándar en la industria de la captura de esquemas. OrCAD Capture CIS incluye un sistema de información de componentes que reduce la mayor parte del tiempo dedicado a la búsqueda, captura y gestión de los datos de los componentes de forma manual[19]... OrCAD es empleado en proyectos investigativos, es una herramienta muy potente que ofrece muchas ventajas a la hora de realizar cálculos precisos y representaciones gráficas certeras, por lo que también es muy útil para la docencia. Se trabaja OrCAD dentro de la oferta de asignaturas troncales de la titulación de Grado de Ingeniería en Electrónica Industrial y Automática (EIA) de la Universidad Politécnica de Cataluña en la asignatura Electrónica Analógica, donde es utilizado para simular circuitos electrónicos. También es utilizado con este fin en la Universidad Carlos III de Madrid y otras universidades del mundo[20]. 1.2.2 Matlab-Simulink. MatLab es un lenguaje de programación técnico de alto nivel y un entorno interactivo para el desarrollo de algoritmos, visualización y análisis de datos y cálculo numérico. Con MatLab se pueden resolver problemas de cálculo más rápido que otros lenguajes de programación tradicionales, tales como C, C++ o Fortran. Una de las herramientas incluidas en MatLab es.

(23) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE OSCILADORES SINUSOIDALES Y. 20. APLICACIONES DEL CI 555. Simulink. Simulink es un entorno para la simulación y diseño de dominios, basado en un modelo para los sistemas dinámicos. Proporciona un entorno gráfico interactivo y un conjunto personalizable de bibliotecas de bloque que permiten diseñar, simular, implementar y probar una variedad de sistemas incluyendo las comunicaciones, controles y procesamiento de señales, imágenes y videos. Se puede crear, modelar y mantener un diagrama de bloques detallado de su sistema utilizando un conjunto integral de bloques predefinidos. Simulink proporciona herramientas para el modelado jerárquico, administración de datos y personalización de subsistemas, lo que facilita la creación de representaciones concisas y precisas, independientemente de la complejidad del sistema. Se puede crear, modelar y mantener un diagrama de bloques detallado de su sistema utilizando un conjunto integral de bloques predefinidos. Simulink proporciona herramientas para el modelado jerárquico, administración de datos y personalización de subsistemas, lo que facilita la creación de representaciones concisas y precisas, independientemente de la complejidad del sistema[21],[22]. 1.2.3 EveryCircuit. EveryCircuit es una herramienta que permite visualizar, construir y realizar simulaciones interactivas de circuitos. Las simulaciones son animadas y se pueden ejecutar cambios en los circuitos en tiempo real. De esta forma aprender cómo funcionan los circuitos y cómo afectan los cambios en los diferentes elementos resulta más entretenido que haciéndolo sobre papel[23].. Esta aplicación para móviles, enfocada al área de ingeniería, permite la creación de circuitos electrónicos en un ambiente de simulación digital. EveryCircuit cuenta con una librería de elementos que se actualiza constantemente y ofrece todos los componentes necesarios para el desarrollo y prueba de circuitos de nivel básico e intermedio. Su funcionalidad de prueba.

(24) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE OSCILADORES SINUSOIDALES Y. 21. APLICACIONES DEL CI 555. y visualización del comportamiento del voltaje en función de las propiedades de cada elemento del circuito la convierten en un apoyo valioso para procesos de aprendizaje en el área que requieren inversión de tiempo y dinero, tanto en materiales como en montaje, para la prueba de circuitos de forma análoga[24]. Características: . Permite la simulación de circuitos de todo tipo y la solución de fallas o problemas en los mismos en tiempo real.. . Facilita la publicación de los circuitos creados en la plataforma de EveryCircuit y permite compartirlos con los miembros de la comunidad, o con cualquier persona, vía correo electrónico.. . Realiza búsquedas por palabras clave para encontrar circuitos de interés del usuario.. . Cuenta con un espacio de ayuda para el usuario, donde puede formular y resolver sus dudas con ayuda de los demás miembros de la comunidad.. . Ofrece un conjunto de animaciones que representan el voltaje y cómo fluye la corriente por el circuito.. . Cuenta con una extensión para Google Chrome, permitiendo la creación de circuitos desde cualquier computador[24].. Utilidades didácticas: . Realización de prácticas interactivas con circuitos sin tener que invertir en materiales para prácticas.. . Posibilidad de obtener medidas y cálculos en tiempo real tanto de la corriente eléctrica como de otras variables.. . Forzar los circuitos en las simulaciones sin miedo a romper materiales. Experimentar con mayor libertad los niveles altos de voltaje[23].. En un proyecto elaborado por profesores cubanos de la Universidad de Sancti Spíritus “José Martí Pérez”, colaborando en el Instituto Superior Politécnico de Huambo (ISP-Hbo) perteneciente a la Universidad angolana José Eduardo dos Santos, centrado en la descripción.

(25) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE OSCILADORES SINUSOIDALES Y. 22. APLICACIONES DEL CI 555. de una experiencia para fortalecer en los estudiantes de Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones su desempeño tecnológico dentro de la asignatura Electrónica, se incluye EveryCircuit como una de las herramientas útiles para el apoyo del proceso enseñanza-aprendizaje de esta asignatura[20]. 1.2.4 DroidTesla. DroidTesla es una herramienta simple y potente de SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). SPICE estaba inspirado por la necesidad de modelar exactamente dispositivos usados en diseño del circuito integrado. El simulador DroidTesla soluciona circuitos resistentes básicos usando la Ley de Kirchoff de Corriente (LKC), como mismo los estudiantes en clases lo hacen, el simulador sistemáticamente forma una matriz en concordancia con la LKC y entonces procede a solucionar usando técnicas algebraicas diversas como la eliminación Gaussiana y otras técnicas de matrices[7]. Para los componentes no lineales, tales como los diodos y BJT, este software hace suposiciones iniciales con las que logra soluciones con valores aproximados los cuales mejora a través de cálculos sucesivos basados en esta suposición inicial. Esto es llamado proceso iterativo. Este simulador utiliza el algoritmo iterativo de Newton-Raphson para resolver circuitos con relación I/V no lineal. Para el trabajo con elementos reactivos como capacitores e inductores DroidTesla usa métodos de integración numérica para aproximar el estado del elemento reactivo a una función de tiempo. DroidTesla ofrece el método de integración trapezoidal para aproximar el estado de los elementos reactivos[25]. 1.2.5. ElectroDroid.

(26) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE OSCILADORES SINUSOIDALES Y. 23. APLICACIONES DEL CI 555. ElectroDroid es una aplicación de Android que tiene una enorme colección de herramientas electrónicas y energéticas. La aplicación de ElectroDroid está disponible para dispositivos Android y teléfonos Windows en versión gratis y versión pagada. Son varias las herramientas que posee esta aplicación, entre ellas están[26]: . Decodificador de colores de resistores e inductores.. . Calculadora de la ley de Ohm..  Divisor de voltaje.  Calculadora de la carga del capacitor. . Amplificador operacional.. . Calculadora de resistencia de LED.. . Calculadora de la vida de una batería.. . Calculadora del voltaje ajustable del regulador LM317.. . Disipador de calor.. . Herramienta de diseño de inductores.. . Calculadora de filtros simples.. . Convertidor de frecuencia, de decibeles y de analógico-digital.. 1.3. Conclusiones parciales. En el presente capítulo se expusieron las principales tendencias de la enseñanza del tema de osciladores sinusoidales y CI 555 en varias universidades del mundo teniendo en cuenta los métodos para impartir los temas, ejemplo de esto es el uso de MatLab en el MIT para impartir cursos de comunicaciones de alta velocidad donde son empleados el oscilador Hartley y Colpitts. Además, se describen herramientas de software empleadas en esta enseñanza, OrCAD, Matlab, EveryCircuit, DroidTesla y ElectroDroid destacando los principales rasgos de cada una. Se puede concluir que OrCAD y MatLab son los software más empleados con fines académicos en universidades del mundo así como Multisim que será descrito en el siguiente capítulo..

(27) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 24. CAPÍTULO 2. RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DEL MANUAL DE PRÁCTICAS.. Un oscilador es un circuito que genera una forma de onda repetitiva de amplitud fija a una frecuencia fija, sin ninguna señal externa de entrada. Una forma de onda con esta característica se puede obtener al aplicar retroalimentación positiva a los amplificadores. Los osciladores son utilizados en muchos circuitos electrónicos, tales como radios, televisores, computadoras y equipo de comunicación[27]. El 555 es un circuito monolítico de temporalización, que puede producir retrasos u oscilaciones muy precisas y estables. Se utiliza en muchas aplicaciones como multivibradores monoestables y astables, sondas lógicas digitales, medidores de frecuencia analógicos, tacómetros, transmisores de infrarrojo y en alarmas contra robo y contra gases tóxicos[27]. En el presente capítulo se hace un diagnóstico de las condiciones tecnológicas de los laboratorios 104 y 308 de la FIE y de los estudiantes para la realización de prácticas de laboratorio reales y simuladas, se caracterizan el Multisim 14.0, los circuitos osciladores sinusoidales y aplicaciones de CI 555 que serán utilizados para el diseño del manual de prácticas de laboratorio. 2.1. Diagnóstico de las condiciones tecnológicas de los laboratorios 104 y 308 de la FIE y de los estudiantes.. 2.1.1 Situación del laboratorio 104. Para la realización de las prácticas simuladas en el laboratorio 104 disponible para la Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica en la FIE se cuenta con un total de 16 PC. De estas, dos poseen microprocesadores (CPU) Intel Core i5 @ 3.10 Giga Hertz (GHz) de.

(28) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 25. 4ta generación con 1 Tera Byte (TB) de disco duro (HDD) y 4 Giga Bytes (GB) de memoria RAM; diez de estas cuentan con CPU Intel Celeron @ 2.10 GHz con 1TB HDD y 4 GB de memoria RAM y los cuatro restantes tienen montados CPU Intel Core i3 con 1TB de disco duro y 4 GB de memoria RAM. 2.1.2 Situación del laboratorio 308. El laboratorio 308 posee 10 puestos de trabajo disponibles para impartir las prácticas reales, cada uno cuenta con un generador de señales, un osciloscopio, un multímetro digital, un generador de funciones mini-digital, una fuente de corriente directa (DC) y una breadboard. También están disponibles 12 maletas para la realización de los laboratorios reales de electrónica[28]. RIGOL DM3058[29]. Es un multímetro digital, a continuación puede ver un resumen de sus características fundamentales: . Resolución de 5 ½ dígitos.. . Velocidad de medida: 2.5, 20 y 120 lecturas/segundo.. . La función de doble display le permite visualizar dos características de una señal síncronamente.. . Conmutación dual entre el modo preseleccionado y normal mediante una tecla directo. El modo preseleccionado permite almacenar una configuración rápidamente.. . Tres formas distintas de control de la alimentación: Encender, Defecto, Conmutar.. . Rango de tensión DC entre 200 mV y 1000 V.. . Rango de corriente DC entre 200 uA y 10 A.. . True-RMS, rango de tensión AC entre 200 mV y 750 V.. . True-RMS, rango de corriente AC entre 20 mA y 10 A.. . Rango de resistencias entre 200 Ω y 100 MΩ, Medidas de resistencias de 2 y 4 hilos.. . Rango de capacidades entre 2 nF y 10000 uF.. . Rango de frecuencia entre 20 Hz y 1 MHz.. . Prueba de continuidad y de diodos..

(29) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO. . 26. Función de medida con sensor aleatorio, Termopar incorporado compensado en terminal frío.. . Abundantes funciones matemáticas: Máx, Min, Promedio, Pasa/Falla, dBm, dB, Medida relativa, Desviación estándar y Barras verticales.. . Suporte remoto mediante USB, GPIB, RS-232 y LAN así como lenguajes USB-TMC 488.2 Basic, LXI-C Criterion y SCPI.. . Instrucciones compatibles con los modelos de Agilent 34401A y Fluke 45.. . Permite guardar, recuperar y editar hasta 10 configuraciones de forma remota o local.. . Posibilidad de clonar toda la configuración para clonar otro DM3058 vía el disco USB o para copia de seguridad.. . Sistema de ayuda en inglés o chino.. . Software de control para PC y software de edición para el sensor aleatorio incluido.. RIGOL Serie DS1000D/E[30]. Es un osciloscopio con almacenamiento digital que ofrece una excepcional visión y medida de las formas de onda en un equipo compacto y ligero. A continuación se muestran algunas de sus características: . . Doble canal, Ancho de banda: 100 MHz. (DS1102D, DS1102E). 50 MHz. (DS1052D, DS1062E). 16 canales digitales opcionales (osciloscopio con analizador lógico), cada canal puede encenderse/apagarse independientemente o en grupos de 8 bits.. . Pantalla TFT LCD Mono/Color con resolución 320*234.. . Proporciona almacenamiento e impresión por USB, el firmware es actualizable a través de la conexión USB.. . Intensidad ajustable de la forma de onda, para una visualización más efectiva.. . Configuración automática (AUTO) mediante una pulsación para mayor facilidad de su uso.. . Salva 10 formas de ondas, 10 configuraciones, soporta formato CSV y bitmap..

(30) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO. . 27. Función de scan retardado, para facilitar la atención a los detalles y visualización de una forma de onda.. . 20 mediciones automáticas.. . Medidas automáticas de seguimiento de los cursores.. . Grabación de formas de onda, grabación y reproducción dinámica de formas de onda.. . Rápida calibración de offset seleccionable por el usuario.. . Función FFT incluida, contador de frecuencia.. . Filtros digitales, incluye FPB, FPA, FBR.. . Función Pasa/Falla, Salida Pasa/Falla aislada ópticamente.. . Funciones matemáticas de Suma, Resta y Multiplicación.. . Tipos de disparo avanzados: Flanco, Video, Ancho de Pulso, Pendiente, Alternativo, Patrón y Duración (osciloscopio con analizador lógico).. . Tensibilidad de disparo ajustable.. . Menús en múltiples idiomas.. . Menús emergentes que facilitan su lectura y su uso.. . Sistema de ayuda incorporado (Sólo en inglés o chino).. . El sencillo sistema de ficheros soporta la introducción de caracteres en chino o del alfabeto inglés.. XJ1631[31]. XJ1631 es un generador de funciones mini-digital con frecuencia variable de 0.1 Hz a 2 MHz y amplitud de señal 20 Vp-p. Algunas de sus características son: . Rango de frecuencia de 0.1 Hz a 2 MHz en siete pasos de 0.1 Hz – 2 Hz, 1 Hz – 20 Hz, 10 Hz – 200 Hz, 100 Hz – 2 kHz, 1 kHz – 20 kHz, 10 kHz – 200 kHz, 100 kHz – 2 MHz.. . Distorsión de la onda del seno de 10 a 30 Hz no superior al 3 % y de 30 Hz – 100 kHz, inferior al 1 %.. . Señal de salida con amplitud mayor que 3 Vp-p y tiempo menor de 25 ns.. . Máxima amplitud de salida para frecuencia inferior a 1 MHz superior a 20 Vp-p..

(31) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO. . Máxima DC offset de ± 10 V.. . Impedancia de salida de 50 Ω ± 5 Ω.. . Consumo de potencia de aproximadamente 18.5 VA.. . Suministro de potencia de 220 V ± 10 % y 50 Hz ± 5 %.. . Dimensiones de 240 mm x 100 mm x 300 mm.. . Peso de 3 kg aproximadamente.. 28. 2.1.3 Equpamiento que poseen los estudiantes. Se realizó una encuesta a 30 estudiantes de los 60 que cursan el segundo año de la carrera Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica en el curso 2016-2017 para conocer el equipamiento que tienen disponible para la realización de las prácticas simuladas contenidas en el manual diseñado. También se tiene en cuenta el uso de los dispositivos portátiles inteligentes como tablets y teléfonos móviles que aunque en ellos no se puede instalar el Multisim, sí que se pueden apoyar en el EveryCircuit y los demás software disponibles para Android e iOS descritos en el capítulo 1. Como resultado de la encuesta se obtuvo que: 21 de ellos tienen Laptops, todas usan Windows 7 en adelante; 7 de ellos poseen tablets, una de ellas con iOS 7.1 y los demás con sistema operativo Android con versiones de 4.4.2 en adelante; 20 de ellos poseen móviles inteligentes con sistema operativo Android, 17 de estos con versiones de 4.4.2 en adelante, 4 tienen iPhone y 1 cuenta con un celular inteligente con sistema operativo Windows Phone. Se puede concluir que aproximadamente un 70% de los estudiantes tienen computadoras portátiles y un 80% poseen teléfonos inteligentes para usar al menos uno de los software propuesto para la enseñanza de los temas de osciladores sinusoidales y aplicaciones del CI 555. 2.2. Características del Multisim 14.0. Multisim, cuya interfaz se muestra en el anexo 1, es un entorno de simulación con énfasis en circuitos integrados, Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis (SPICE), avanzado y estándar en la industria, usado por educadores, investigadores e ingenieros en todo el mundo. Con potentes características de aprendizaje e integración de hardware de laboratorio, Multisim enseña a los estudiantes conceptos básicos de electrónica analógica, digital y de potencia a lo largo del plan de estudios de ingeniería y ciencias.[7]. Es el principio.

(32) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 29. básico de la solución para la enseñanza de circuitos para construir experiencia a través de la aplicación práctica del diseño, generación de prototipos y pruebas de circuitos eléctricos. El enfoque de diseño de Multisim ayuda a reducir las iteraciones de prototipos y a optimizar los diseños de tarjetas de circuito impreso (PCB) al inicio del proceso[32]. Algunos de los rasgos más sobresalientes del Multisim son[33]: . Simulación interactiva y análisis de circuitos. Los modos de simulación AC, DC y transitorio son combinados con LEDs interactivos, interruptores, focos, potenciómetros y puntas de prueba para visualizar el rendimiento del circuito al igual que en el laboratorio.. . Resultados precisos y de alta fidelidad en análisis SPICE. La simulación SPICE estándar en la industria está disponible para simular dispositivos electrónicos de diversa complejidad.. . Entorno de diseño intuitivo. Un entorno completamente nuevo que ofrece una interfaz sencilla para que los usuarios diseñen circuitos y visualicen el comportamiento.. . Exporta diseños fácilmente por Dropbox o correo electrónico. Los circuitos pueden ser compartidos con otros usuarios de Multisim Touch o Multisim de escritorio a través de Dropbox o correo electrónico, permitiendo que sea posible la colaboración o el análisis avanzado de circuitos[26].. La versión 14.0 de Multisim mejora la ya potente tecnología de simulación con la habilidad de analizar electrónica de potencia, analógica y digital en la educación, investigación y diseño. La funcionalidad añadida incluye nuevo análisis de parámetros, integración con nuevos objetivos embebidos y diseño simplificado con plantillas definidas por el usuario. Los clientes del Programa de Servicio Estándar (SSP) de Multisim también tienen acceso a formación/capacitación autodidacta en línea. Esta versión cuenta con varios ejemplos de circuitos electrónicos como: oscilador puente de Wien, oscilador Colpitts, Modulador de Amplitud, preparados para ser simulados y ser utilizados para el análisis de su funcionamiento en clases; dispone también de la herramienta Circuit Wizards, cuya interfaz gráfica se muestra en el anexo número 2, que permite diseñar circuitos electrónicos como: amplificadores con BJT, aplicaciones de amplificadores operacionales, 555 en configuración astable y monoestable y filtros[33]..

(33) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 30. Instituciones de todo nivel, desde centros de formación con programas básicos hasta instituciones tan prestigiosas como el MIT utilizan con éxito Multisim. Su completa GUI personalizable permite que los instructores puedan diseñar sus propias interfaces de usuario y configurarlas para que puedan ser utilizadas en el proceso de enseñanza y evaluación. Multisim es la herramienta que se utiliza en la Universidad de Texas A&M. En el curso 2009 se introdujo por primera vez Multisim en el curso de Análisis de Circuitos II durante el segundo año, en el cual fue usado para cerrar el abismo entre la teoría en el salón y la práctica en el laboratorio[35]. 2.3. Características de osciladores sinusoidales.. Los osciladores involucran uno o más elementos almacenadores de energía. En forma general se pueden clasificar según el tipo de almacenadores: osciladores LC, que utilizan capacitores e inductores y los osciladores RC, que utilizan capacitores y resistores[36]. 2.3.1 Osciladores RC . Oscilador desplazador de fase. Consiste en utilizar un elemento activo inversor y una cascada de redes RC que producen rotaciones de fase que sumadas proporcionan los 180⁰ requeridos por el criterio de Barkhausen. Dado que una red RC produce un máximo desfasaje de 60⁰, se requieren al menos tres redes para que en alguna frecuencia se alcancen los 180⁰. En la figura 2.2 se presenta dicho oscilador implementado con amplificador JFET en configuración fuente común[36].. Figura 2.2 Oscilador desplazamiento de fase con amplificador JFET[36]. . Oscilador puente de Wien.

(34) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 31. Un oscilador de puente de Wien es un oscilador electrónico que genera ondas sinusoidales, mediante un amplificador realimentado por un puente compuesto de cuatro resistencias y dos condensadores, originalmente desarrollado por el físico alemán Max Wien en 1891. Su aplicación más conocida es la medición de impedancias. La Figura 2.3 a representa un oscilador de puente de Wien en el que la red de realimentación es un puente equilibrado. El puente se muestra en la Figura 2.3 b. Las cuatro ramas del puente son Z1, Z2, R1 y R2. La entrada al puente es la salida (Vo) del amplificador operacional y la salida del puente entre 1 y 2 proporciona la entrada diferencial del amplificador operacional en la figura 2.3 a. En la Figura 2.3 a existen dos vías de realimentación: la realimentación positiva a través de Z1 y Z2 cuyos componentes determinan la frecuencia de oscilación y la realimentación negativa a través de R1 y R2 cuyos componentes afectan a la amplitud de oscilación y fijan la ganancia de la etapa del amplificador operacional[37].. a). b). Figura 2.3 a) Oscilador Puente de Wien implementado con Amplificador Operacional en otra configuración b) Red del puente[37]. . Oscilador doble T con BJT.. En la figura 2.4 se muestra un oscilador en doble T. La realimentación positiva se realiza a través del divisor de tensión a la entrada no inversora. La realimentación negativa se lleva a cabo a través del filtro en doble T. Cuando inicialmente se conecta la alimentación, la resistencia de la lámpara R1 es pequeña y la realimentación positiva es máxima. A medida que las oscilaciones se incrementan aumenta la resistencia de la lámpara y la realimentación positiva disminuye. Según va decreciendo la realimentación las oscilaciones se nivelan y se hacen constantes de manera que la lámpara estabiliza el nivel de tensión de salida..

(35) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 32. En el filtro en doble T la resistencia R/2 es variable ya que el circuito oscila a una frecuencia ligeramente diferente de la frecuencia de resonancia teórica de la ecuación. Para asegurarse de que la frecuencia de oscilación sea muy cercana a la frecuencia del filtro de ranura, el divisor de tensión debe tener una R1 mucho mayor que R2[38].. Figura 2.4 Oscilador doble T[38]. 2.3.2 Osciladores LC Los osciladores LC se aplican en general para frecuencias mayores de 100 kHz, ya que, a frecuencias menores, el factor de calidad Q de las bobinas es bajo y, por lo tanto, la estabilidad de frecuencia es pobre. Por otra parte, las bobinas resultan de elevado tamaño y peso, por lo que se vuelven poco prácticas. Entre las aplicaciones se encuentran la generación de frecuencia intermedia y de portadoras para transmisión de radiofrecuencia[36]. . Oscilador Colpitts. El oscilador de Colpitts es un oscilador de tipo LC sintonizado, como se muestra en la figura 2.4. Los osciladores LC tienen la ventaja de usar elementos reactivos relativamente pequeños. Exhiben un factor de calidad (Q) más elevado que los osciladores RC, pero en un rango amplio son difíciles de sintonizar. Básicamente es un oscilador que trabaja bajo la influencia de un circuito LC. Consta de un circuito amplificador y un circuito tanque LC, el cual permite usar un rango de frecuencias alto, entre 1 y 500 MHz. Por medio del amplificador se realimenta una señal con amplitud al circuito y por medio del circuito tanque permite tener fases para poder producir la oscilación. Se utiliza por lo general como medio de amplificador un transistor bipolar o un FET. La bobina por lo general tiene una alta reactancia inductiva, la cual en el análisis en señal se abre. La conexión básica para este tipo de osciladores es la conexión emisor común, que es la más usada para el amplificador[27],[10]..

(36) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 33. Figura 2.4 Oscilador Colpitts implementado con BJT[27]. . Oscilador Hartley. Si el inductor y los capacitores de un oscilador de Colpitts construido con un amplificador se intercambian, éste se convierte en un oscilador de Hartley, según se muestra en la figura 2.5. En vista de que los inductores son más costosos que los capacitores, este oscilador es menos deseable que el de Colpitts[39].. Figura 2.5 Oscilador Hartley implementado con amplificador BJT[40]. 2.4 Características del CI 555. El circuito integrado 555, mostrado en la figura 2.6, es utilizado en el mundo de la electrónica por su bajo costo, su gran fiabilidad y es capaz de producir pulsos de temporización (modo monoestable) muy precisos y que también puede ser usado como oscilador (modo astable). Fue desarrollado y construido en el año 1971 por la empresa Signetics con el nombre: SE555/NE555 y se le llamó:”The IC Time Machine" ("Circuito integrado la máquina del.

(37) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 34. tiempo"). Tiene como características principales la necesidad de muy pocos componentes auxiliares y la facilidad del cálculo y diseño de sus circuitos asociados[41],[42]. Sus principales aplicaciones son: . Oscilador.. . Temporizador: Se usa para medir el tiempo en múltiples aplicaciones, por ejemplo, el encendido de una lámpara, intermitentes de los coches, semáforo parpadeando, semáforos que cambian de color.. . Modulador de frecuencia.. . Divisor de frecuencia.. . Generador de señales rectangulares y triangulares.. . Multivibrador monoestable prolongador de pulsos.. . Multivibrador monoestable detector de pulso faltante.. a). b). Figura 2.6 Circuito integrado 555 (a) y su distribución de pines (b)[43]. Modos de funcionamiento del CI 555: 2.4.1 Astable: El multivibrador astable es un circuito de generación de ondas rectangulares. Debido a que este circuito no requiere un disparador externo para modificar el estado de la salida, a menudo se le denomina multivibrador libre. En la figura 2.7 se muestra un temporizador 555.

(38) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 35. conectado como multivibrador astable. La duración de la salida en alto o en bajo queda determinada por los resistores RA y RB, así como por el capacitar C[27].. Figura 2.7 CI 555 en modo astable[27]. 2.4.2 Monoestable: El multivibrador monoestable es un circuito generador de pulsos de un disparo. Normalmente, su salida es cero esto es, en el nivel bajo del estado estable. Este circuito sólo tiene un estado estable en la salida, baja de ahí el adjetivo monoestable. La configuración del circuito del temporizador 555 para su funcionamiento monoestable aparece en la figura 2.8. Las terminales de descarga y de umbral se conectan juntas. El pulso externo v1 se aplica a la terminal de disparo. Si el pulso externo v1 es alto, la salida v0 es baja; esto es, la salida del temporizador es baja[27].. Figura 2.8 CI 555 en modo monoestable[27]. Entre las aplicaciones del CI 555 en modo astable están:.

(39) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO. . 36. Generador de rampa. Utilizando un 555 como multivibrador astable puede utilizarse como generador libre de rampa. Lo anterior se hace cargando el capacitor con una fuente de corriente constante y descargándolo a través del circuito interno del temporizador. Esto es, los resistores RA y RB se remplazan por una fuente de corriente, como se muestra en la figura 2.9 (a). Las formas de onda de los voltajes de salida, así como la del voltaje del capacitor, se muestran en la figura 2.9 (b)[27].. a). b). Figura 2.9 Generador de rampa con 555[27]. . Modulador de frecuencia. Los moduladores FSK a menudo se utilizan en transmisores AM/FM. El multivibrador astable 555 puede utilizarse como generador FSK; la conexión se muestra en la figura 2.10. El estado activo o inactivo del transistor Q1 dependerá de la señal de entrada. La frecuencia de la salida depende del estado lógico de la señal digital de entrada. En general, para la transmisión de datos se utiliza una frecuencia de señal de 150 Hz[27]..

(40) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 37. Figura 2.10 Modulador FSK con CI 555[27]. Entre las aplicaciones del CI 555 en modo monoestable están: . Multivibrador monoestable prolongador de pulsos. No es deseable un pulso angosto para encender un LED, ya que el centelleo del LED no es visible para los ojos si el tiempo de encendido es muy pequeño, en comparación con el tiempo de apagado. Un pulso angosto puede ser prolongado utilizando un multivibrador monoestable. Esta aplicación es posible debido al hecho de que el intervalo de temporización es más largo que el ancho del pulso negativo de la entrada de disparo[27]. En la figura 2.11 se observa la arquitectura de este circuito, las formas de onda del voltaje de entrada (VI) y voltaje de salida (VO).. Figura 2.11 Multivibrador monoestable prolongador de pulsos[27]..

(41) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO. . 38. Divisor de frecuencia. Si se conoce la frecuencia de la señal de entrada, el ajuste de la longitud del ciclo de tiempo tp permitirá que se utilice un multivibrador monoestable como divisor de frecuencia. La configuración del circuito para un divisor de frecuencia aparece en la figura 2.12 a. Esta aplicación aprovecha el hecho de que el multivibrador monoestable no puede volver a dispararse durante el intervalo de temporización[27].. a). b). Figura 2.12 Multivibrador monoestable como divisor de frecuencia[27]. 2.5 Conclusiones parciales En este capítulo se describieron las condiciones tecnológicas de los laboratorios 104 y 308 de la FIE, donde se imparten las prácticas de laboratorio de la asignatura Electrónica Analógica III, así como de los dispositivos con los que cuentan los estudiantes; se caracterizó la herramienta Multisim 14.0 la cual cuenta con la opción Circuit Wizards que permite el diseño de configuraciones monoestables y astables del CI 555 y posee también ejemplos de muestra de circuitos osciladores; se describieron los circuitos osciladores sinusoidales y arquitecturas de aplicaciones de 555 como el divisor de frecuencia, detector de pulsos faltantes y prolongador de pulsos, que serán incluidos en el manual de prácticas cuyas características serán abordadas en el siguiente capítulo..

(42) CARACTERÍSTICAS DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DISEÑADO. CAPÍTULO 3.. 39. CARACTERÍSTICAS DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DISEÑADO. En el capítulo anterior se expusieron las principales arquitecturas de circuitos a emplear en las prácticas del manual, tanto del tema de osciladores sinusoidales como de CI 555. Se describió la herramienta de software a utilizar, Multisim 14.0, y sus ventajas fundamentales para la realización de las prácticas. En el presente capítulo se describen las prácticas de laboratorio impartidas este curso y del manual de prácticas de laboratorio propuesto para contribuir a la enseñanza del tema de osciladores sinusoidales y aplicaciones del CI 555. Se exponen los resultados obtenidos en algunas de las prácticas de este manual tanto reales como simuladas, realizando así una comparación entre los mismos. 3.1 Características de las prácticas de laboratorio existentes. En el presente curso la asignatura Electrónica Analógica III, impartida en el tercer año de la Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, consta de dos prácticas de laboratorio simuladas y dos reales correspondientes a los temas de osciladores sinusoidales y CI 555: La práctica de laboratorio simulada número 2 tiene como tema “Generadores de señales sinusoidales” y está compuesta por un total de 5 ejercicios. En el ejercicio 1 se pide a los estudiantes que modifiquen un oscilador para que su frecuencia de oscilación sea de 60 Hz. En el segundo ejercicio deben realizar el diseño de un oscilador puente de Wien que entregue una señal de 1 kHz y 5 V de amplitud pico, y como tercer ejercicio se le orienta a los estudiantes modificar un oscilador sinusoidal por desplazamiento de fase implementado con un amplificador operacional para lograr que este oscile a una frecuencia de 300 Hz. En el cuarto ejercicio se debe modificar un oscilador Colpitts de manera que este oscile a 70 kHz..

(43) CARACTERÍSTICAS DEL MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DISEÑADO. 40. Finalmente, en el ejercicio 5 se debe diseñar un oscilador trifásico que entregue señales de 60 Hz. Para todos los ejercicios es necesario justificar tanto las modificaciones realizadas como los criterios de diseño utilizados. La práctica de laboratorio simulada número 3 tiene como tema “CI 555” se destaca como objetivo diseñar y evaluar el funcionamiento de circuitos que constituyen aplicaciones típicas del CI 555. Esta práctica cuenta con una tarea preliminar, en esta se debe identificar las características fundamentales del CI 555, o sea, trabajar con su hoja de datos; así como resolver ejercicios indicados en clases prácticas y estudiar las facilidades para el diseño que ofrece el programa 555 Designer. El primer ejercicio consiste en diseñar un monoestable con duración del estado cuasi estable de 200 ms utilizando el CI 555. En el segundo ejercicio se orienta diseñar un circuito astable con frecuencia de oscilación de 60 Hz y ciclo útil del 20 % y la tarea número 3 consiste en diseñar utilizando el CI 555, un circuito que genere rampas de 5 V de amplitud con pendiente de 5 V/ms. Al final de esta práctica se encuentran como conclusiones comentar los criterios que se utilizó para el diseño en cada caso, así como la correspondencia entre los parámetros solicitados y los que presenta el circuito que se diseñó. El título de la práctica de laboratorio real número 2 es “Osciladores sinusoidales”, que tiene como objetivo diseñar circuitos osciladores sinusoidales básicos y comprobar en la práctica los parámetros de diseño. Está conformada por 3 ejercicios. Para el primero se orienta construir un oscilador puente de Wien que entregue una señal de 1 kHz y 5 V de amplitud pico y hacer las pruebas que demuestren que se cumple con la tarea indicada. En la segunda tarea de la práctica se debe construir un oscilador de desplazamiento de fase que entregue una señal de 300 Hz y hacer las pruebas que demuestren que se cumple con la tarea indicada. En el ejercicio número 3 el estudiante debe construir un oscilador trifásico que entregue señales de 60 Hz y hacer las pruebas que demuestren que se cumple con la tarea indicada. Es necesario justificar sus criterios en cada uno de los ejercicios antes mencionados. La práctica de laboratorio real que tiene como tema “CI 555” es la número 4, el objetivo de esta es diseñar circuitos que constituyen aplicaciones típicas de CI 555.y comprobar en la práctica, los parámetros de diseño. Se tiene como tarea preliminar resolver los ejercicios de la práctica simulada 3. El desarrollo de la misma consiste en la realización de un total de 3 ejercicios: el primero de estos consiste en construir un circuito monoestable con duración del.