Diseño de prácticas de laboratorio de amplificadores de pequeña señal en droid tesla y everycircuit para la enseñanza de la Electrónica Analógica I

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Diseño de prácticas de laboratorio de amplificadores de pequeña señal en DroidTesla y EveryCircuit para la enseñanza de la Electrónica Analógica I” Autor: Liarenis Ibarra Orama 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 “Diseño de prácticas de laboratorio de amplificadores de pequeña señal en DroidTesla y EveryCircuit para la enseñanza de la Electrónica Analógica I”. Autor: Liarenis Ibarra Orama E-mail: [email protected]. Tutor: Ing. Osmar Gómez César E-mail: [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. 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) i. PENSAMIENTO. La razón teme la derrota, pero la intuición disfruta la vida y sus desafíos. Paulo Coelho..

(5) ii. DEDICATORIA. A mi familia..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres Jesús, Gustavo y Nidia por todo el amor y esfuerzo que han dedicado para guiarme por el camino correcto y porque sé que lo seguirán haciendo toda la vida. A: mis hermanos Eli y Yordanki, mi sobri Anita, mis abuelos Paulina y Félix, mi prima Lianet, mi tía Nelvis y al Fide por ser la mejor familia del mundo. A Camilo y Pilar por haberme apoyado desde que los conocí y porque son como mi familia también. A mis amigas y compañeras de cuarto que compartieron conmigo estos cinco difíciles pero inolvidables años de mi carrera: Adriana, Grether, Yadira, Ada, Yanet, Claudia, Mónica, Amanda y Sahilí. A todos mis compañeros de aula y a los que conocí fuera de ella. A mi tutor Osmar por toda su atención y sabiduría. A todos mis profesores, quienes constituyen ejemplo a seguir para mí y han contribuido en gran medida en mi formación como futuro profesional. A todos, muchísimas gracias….

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Para lograr la confección del presente trabajo y alcanzar los resultados esperados, se desarrollaron las tareas técnicas siguientes: . Realización de una revisión bibliográfica de las principales tendencias relacionadas con la enseñanza del tema de amplificadores de pequeña señal en universidades del mundo.. . El diagnóstico de las condiciones tecnológicas actuales del laboratorio 104 de la FIE y de los estudiantes.. . Diseño de las prácticas de laboratorio.. . La caracterización de las prácticas de laboratorio diseñadas y la existente.. . Elaboración del informe final del Trabajo de Diploma.. __________________. _________________. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. La necesidad de situarse en el punto actual que ofrecen las nuevas tecnologías a la hora de formar en el área de la Electrónica ha originado la creación de nuevos materiales educativos que sean eficaces sin eliminar la enseñanza tradicional. La presente investigación se dedica al diseño de prácticas de laboratorio de amplificadores de pequeña señal en DroidTesla y EveryCircuit para la enseñanza de la Electrónica Analógica I. Para ello se identificaron tendencias relacionadas con la enseñanza del tema de amplificadores de pequeña señal en universidades del mundo. Se realizó el diagnóstico de las condiciones actuales del laboratorio 104 de la FIE y de los estudiantes. Además, se diseñaron tres prácticas de laboratorio simuladas y se compararon con la práctica existente. Como resultado de la investigación se demostró que los valores obtenidos en la simulación en EveryCircuit y DroidTesla de ejercicios de las prácticas diseñadas son cercanos a los obtenidos en Multisim 14.0 y en el montaje real de estos. Cada práctica incluye: un ejercicio integrador en la tarea preliminar, mayor variedad de ejercicios en la técnica operatoria y un ejercicio de aplicación en correspondencia con el tema de la práctica..

(9) vi. ÍNDICE. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. TENDENCIAS. DE. LA. ENSEÑANZA. DEL. TEMA. DE. AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL ...................................................................... 5 1.1. Tendencias de la enseñanza de la Electrónica Analógica y en particular del tema. de amplificadores de pequeña señal en universidades del mundo ...................................... 5 1.2. Herramientas de software empleadas para la enseñanza del tema de amplificadores. de pequeña señal en la Electrónica Analógica .................................................................. 10 1.2.1. OrCAD ............................................................................................................ 10. 1.2.2. Multisim .......................................................................................................... 11. 1.2.3. Proteus ............................................................................................................ 13. 1.2.4. DroidTesla ...................................................................................................... 13. 1.2.5. EveryCircuit .................................................................................................... 14. 1.2.6. Electronic Toolbox ......................................................................................... 16. 1.2.7. Electronics Reference ..................................................................................... 16. 1.3. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 17.

(10) vii CAPÍTULO 2.. RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DE LAS PRÁCTICAS. DE LABORATORIO ........................................................................................................... 18 2.1 Diagnóstico de las condiciones tecnológicas de la FIE y los estudiantes ................... 18 2.1.1. Situación tecnológica en el laboratorio 104 de la FIE .................................... 18. 2.1.2. Diagnóstico de la situación tecnológica que poseen los estudiantes y sus. posibilidades para el uso de las herramientas de simulación en Android ..................... 19 2.2. Comparación de las herramientas de simulación en Android: EveryCircuit y. DroidTesla. ....................................................................................................................... 20 2.3. Características de los amplificadores de pequeña señal con BJT y JFET.............. 26. 2.3.1 Características de los amplificadores BJT ........................................................... 27 2.3.2 Características de los amplificadores JFET ......................................................... 30 2.4. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 33. CAPÍTULO 3.. CARACTERÍSTICAS DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE. AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL .................................................................... 34 3.1. Características de la práctica de laboratorio simulada existente ............................ 34. 3.2. Características de las prácticas de laboratorio simuladas diseñadas ...................... 35. 3.3. Comparación de los resultados obtenidos de la simulación en las herramientas de. Android con la simulación en Multisim 14.0 y el montaje real de los circuitos .............. 37 3.3.1. Resultados de la práctica de laboratorio diseñada: “Configuraciones básicas. amplificadoras con transistores bipolares” ................................................................... 38 3.3.2. Resultados de la práctica de laboratorio diseñada: “Configuraciones básicas. amplificadoras con JFET” ............................................................................................ 42 3.3.3. Resultados de la práctica de laboratorio diseñada: “Amplificadores de. pequeña señal en cascada” ............................................................................................ 43 3.4. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 47. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 48.

(11) viii RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 50 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 51 ANEXOS .............................................................................................................................. 54 Anexo 1 Encuesta realizada a los estudiantes de 2do año del curso 2016-2017 de la carrera Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica ................................................. 54 Anexo 2 Práctica de laboratorio: “Configuraciones básicas amplificadoras con transistores bipolares” ....................................................................................................... 54 Anexo 3 Práctica de laboratorio: “Configuraciones básicas amplificadoras con JFET” .. 58 Anexo 4 Práctica de laboratorio: “Amplificadores de pequeña señal en cascada” .......... 61 Anexo 5 Resultados de la simulación de los ejercicios de la práctica de laboratorio: “Configuraciones básicas amplificadoras con transistores bipolares” ............................. 67 Anexo 6 Resultados de la simulación de los ejercicios de la práctica de laboratorio: “Configuraciones básicas amplificadoras con JFET” ....................................................... 75 Anexo 7 Resultados de la simulación de los ejercicios de la práctica de laboratorio: “Amplificadores de pequeña señal en cascada” ............................................................... 84 Anexo 8 Tabla: Ecuaciones de una etapa amplificadora FET. ......................................... 97 Anexo 9 Tabla: Ecuaciones de una etapa amplificadora BJT. ......................................... 98 Anexo 10 Resultados de la simulación en Multisim 14.0 del ejercicio 1 de la práctica de laboratorio: “Configuraciones básicas amplificadoras con transistores bipolares” .......... 98 Anexo 11 Resultados de la simulación en Multisim 14.0 del ejercicio 5 de la práctica de laboratorio: “Configuraciones básicas amplificadoras con transistores bipolares” ........ 100 Anexo 12 Resultados de la simulación en Multisim 14.0 del ejercicio 1 de la práctica de laboratorio: “Configuraciones básicas amplificadoras con JFET” ................................. 101 Anexo 13 Resultados de la simulación en Multisim 14.0 del ejercicio 1 de la práctica de laboratorio: “Amplificadores de pequeña señal en cascada” .......................................... 103 Anexo 14 Resultados de la simulación en Multisim 14.0 del ejercicio 5 de la práctica de laboratorio: “Amplificadores de pequeña señal en cascada” .......................................... 104.

(12) INTRODUCCIÓN. El empleo de las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TICs) en la formación de la enseñanza superior aporta múltiples ventajas en la mejora de la calidad docente, materializadas en aspectos tales como el acceso desde áreas remotas, la flexibilidad en tiempo y espacio para el desarrollo de las actividades de enseñanza‐aprendizaje o la posibilidad de interactuar con la información por parte de los diferentes agentes que intervienen en dichas actividades[1]. La necesidad de situarse en el punto actual que ofrecen las nuevas tecnologías a la hora de formar en el área de la Electrónica ha originado la creación de nuevos materiales educativos que sean más eficaces y mejoren su calidad sin eliminar la enseñanza tradicional como: simuladores, multimedias, plataformas interactivas y herramientas virtuales para optimizar la adquisición del conocimiento. Tras varios años de estudio y que aún continúan, se ha analizado y contrastado que la integración de la simulación en esta área implica mejorar los conocimientos técnicos tanto en la Electrónica como en general. La formación en Electrónica utilizando la simulación, además de proporcionar al alumno conocimientos sobre los programas de actualidad de diseño electrónico utilizados en el mundo laboral, tiene otras ventajas desde el punto de vista formativo: favorece la adquisición de capacidades a la hora de resolver un problema, ofrece mecanismos de rutina para conseguir que la respuesta a un problema sea cada vez más inmediata y muestra las dificultades que un diseño complejo puede conllevar[2]. En la Facultad de Ingeniería Eléctrica (FIE) de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) 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. Dicha tesis realiza un análisis de.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. los Planes de estudio de las diferentes carreras que se cursan en la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la UCLV y de los diferentes softwares de simulación electrónica existentes, con el fin de establecer una estrategia pedagógica que permita emplear la simulación de circuitos eléctricos y electrónicos, en la formación, y como herramienta de trabajo, de los futuros ingenieros electricistas[3]. También es el caso de la tesis de grado, realizada el pasado curso para obtener el título de Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica, de Julio Antonio Pérez la cual brinda una propuesta de actualización de las herramientas de simulación para la enseñanza y aprendizaje de la Electrónica Analógica, en la que se incluye el empleo de la herramienta de simulación en Android: EveryCircuit[4]. La asignatura Electrónica Analógica I, que se imparte durante el segundo semestre de segundo año de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, es una de las disciplinas complejas de la carrera, en la que los. estudiantes presentan mayor dificultad a la hora del aprendizaje. En esta asignatura uno de los contenidos abordados y que es evaluado en el examen final es el dedicado a amplificadores de pequeña señal, de este tema se imparten dos conferencias, dos clases prácticas, un seminario y dos prácticas de laboratorio, una real y otra simulada. En ésta última en cursos anteriores se ha usado el software OrCAD 9.0 para la simulación, con la dificultad de que este requiere de la instalación de una máquina virtual en XP. En el presente curso escolar se ha comenzado a utilizar Multisim 14.0 como simulador para las prácticas de laboratorio, aunque este software requiere una alta capacidad de cómputo (2 GB de espacio libre en disco). Además, en la práctica simulada se utilizan componentes que no se corresponden con valores comerciales de los componentes que se disponen y no existen ejemplos de aplicaciones reales de los circuitos que se abordan en ellas. La difusión de la tecnología hace posible encontrar, con más frecuencia en la sociedad, dispositivos móviles (laptops, teléfonos inteligentes, tabletas), que ayudan al proceso de aprendizaje de los estudiantes. Hoy en día esta posibilidad constituye una alternativa para complementar la limitada infraestructura de los laboratorios de computación existente en dicha institución y a su vez demanda nuevas herramientas, en este caso, aplicaciones para simular circuitos electrónicos en Android como EveryCircuit y DroidTesla para dar cobertura a los dispositivos tecnológicos con tal sistema operativo que presentan la mayoría de los estudiantes de la facultad..

(14) INTRODUCCIÓN. 3. A partir de los aspectos abordados anteriormente se define como problema de investigación el siguiente: ¿Cómo abordar el contenido de amplificadores de pequeña señal de la Electrónica Analógica I de acuerdo a las capacidades tecnológicas de los estudiantes? Esta investigación tiene como objeto de estudio la Electrónica Analógica I y el campo de estudio lo constituyen las prácticas de laboratorio simuladas. Para dar cumplimiento al problema de investigación se plantea como objetivo general: Diseñar prácticas de laboratorio de amplificadores de pequeña señal en DroidTesla y EveryCircuit para la enseñanza de la Electrónica Analógica I. Para resolver el problema de investigación y dar cumplimiento al objetivo general, se plantean los siguientes objetivos específicos: . Identificar tendencias relacionadas con la enseñanza de la Electrónica Analógica en el mundo, en particular el tema de amplificadores de pequeña señal.. . Diagnosticar las condiciones tecnológicas actuales del laboratorio 104 de la FIE y de los estudiantes.. . Identificar esquemas seleccionados de circuitos amplificadores de pequeña señal con BJT y JFET.. . Caracterizar las prácticas de laboratorio diseñadas.. . Comparar los resultados de ejercicios de las prácticas diseñadas simulados en EveryCircuit y DroidTesla con la simulación en Multisim 14.0 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 relacionadas con la enseñanza de la Electrónica Analógica en el mundo, en particular el tema de amplificadores de pequeña señal?. . ¿Qué condiciones tecnológicas presentan actualmente el laboratorio 104 de la FIE y los estudiantes?. . ¿Cuáles son los esquemas de amplificadores de pequeña señal con BJT y JFET a utilizar para el diseño de las prácticas de laboratorio?.

(15) INTRODUCCIÓN. 4. . ¿Cuáles son las características de las prácticas de laboratorio diseñadas?. . ¿Cómo comparar los resultados obtenidos de la simulación en EveryCircuit y DroidTesla con el punto de vista real y simulado?. La presente investigación será de gran importancia para la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) y por ende para el departamento de Telecomunicaciones y Electrónica de la Facultad de Ingeniería Eléctrica, dado que se confeccionarán prácticas de laboratorio de amplificadores de pequeña señal que contienen ejercicios de diseño y que se comprobará su funcionamiento utilizando las herramientas de simulación en Android: DroidTesla y EveryCircuit, para aprovechar las posibilidades tecnológicas de los estudiantes y facilitar el aprendizaje de este tema de la asignatura Electrónica Analógica I. Estos ejercicios diseñados pueden ser incluidos como otros de estudio independiente correspondiente a la clase práctica donde se abordan estos temas. El informe de la investigación se estructura en introducción, capitulario, conclusiones, referencias bibliográficas y anexos. En la introducción se deja definida la importancia, actualidad y necesidad del tema que se aborda y se dejan explícitos los elementos del diseño teórico. En el capítulo 1 se exponen las principales tendencias relacionadas con la enseñanza de la Electrónica Analógica en el mundo, en particular el tema de amplificadores de pequeña señal y las características de herramientas de software empleadas para el apoyo de esta enseñanza. En el capítulo 2 se realiza un diagnóstico de las condiciones tecnológicas actuales de la FIE y de sus estudiantes, se realiza una comparación de las herramientas de simulación en Android: EveryCircuit y DroidTesla, mencionando sus ventajas y desventajas y por último se identifican esquemas seleccionados de circuitos amplificadores de pequeña señal con BJT y JFET, destacando algunas de sus aplicaciones. En el capítulo 3 se caracterizan la práctica de laboratorio existente en el presente curso escolar y las prácticas diseñadas destacando sus principales ventajas, además se validan los resultados de los simuladores en Android respecto a Multisim 14.0 y el montaje real de algunos de los circuitos de las prácticas de laboratorio diseñadas..

(16) CAPÍTULO 1.. TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL. Con el auge e incorporación del uso de las TIC en la Educación entre otros ámbitos, existen varias formas de educar y de utilizarlas para apoyar los procesos de enseñanza-aprendizaje, como son: el E-Learning, que es la educación mediada un 100 % por las tecnologías; el BLearning, que es la mezcla de la educación tradicional y el E-Learning; y se encuentra también una modalidad innovadora, que es una extensión del E-Learning pero con la versatilidad y características que da la movilidad, la ubicuidad e incluso la pertinencia que es el M-Learning o Móvil Learning[5]. M- Learning es el término que se eligió para designar el E-Learning mediante dispositivos móviles. Se ha venido incursionando en esta tendencia desde los años noventa, pero actualmente con el cada vez más creciente auge de los dispositivos móviles en la sociedad (Smartphone, Tablet, Laptop, etc.) es que se ha considerado que pueden ser estos los que marquen una nueva era en el proceso de enseñanza-aprendizaje[6]. En el presente capítulo se abordan principales tendencias de la enseñanza de la Electrónica Analógica en la Educación Superior en universidades del mundo, destacando el tema de amplificadores de pequeña señal y las características de herramientas de software empleadas para el apoyo de esta enseñanza. 1.1 Tendencias de la enseñanza de la Electrónica Analógica y en particular del tema de amplificadores de pequeña señal en universidades del mundo A pesar del indiscutible avance y desarrollo de la electrónica y los sistemas digitales, la Electrónica Analógica sigue siendo uno de los pilares fundamentales sobre los que se asientan los modernos planes de estudio para estudiantes de electrónica en diferentes.

(17) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL. 6. ámbitos de la Ingeniería[7]. La Electrónica moderna se apoya en la disponibilidad de dispositivos fiables para la amplificación de señales. Constituye una ciencia que ha evolucionado aceleradamente en el transcurso de los años, por lo que los métodos de enseñanza de esta a nivel mundial han ido transformándose a la par de estos adelantos[8]. El Departamento de Ingeniería Eléctrica, Automática, Electrónica y Comunicaciones de la Universidad de Castilla-La Mancha y el Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Control (DIEEC) en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) han creado varios materiales educativos que resuelven la necesidad de adaptación a la estructura actual y futura de la educación y, en especial, en la educación a distancia. Estos materiales se encuentran disponibles en la actualidad para las personas que deseen iniciarse en el mundo de la Electrónica y profundizar en el área de la Electrónica Analógica. Dispone de un material dedicado a la Electrónica General, que se compone de un libro y un disco compacto (CD). El libro se divide en dos partes fundamentales: en su primera parte, se realiza un estudio teórico resumido en el cual se recogen aspectos esenciales y prácticos, sirviendo de nexo entre un libro únicamente teórico y un libro de problemas como estudio y refuerzo para concluir los diferentes temas estudiados; y en su segunda parte, contiene problemas resueltos que tratan todas las partes de la electrónica general. El libro comienza inicialmente con el estudio de los fundamentos generales de la electrónica y la teoría de circuitos, a continuación, sigue con el estudio de los diferentes componentes electrónicos entre los que se encuentran los transistores bipolares y de efecto de campo y finalmente se estudian, entre otros, los circuitos amplificadores de pequeña señal que incluyen estos componentes. Estos libros realizados, en colaboración con alumnos distribuidos por toda España y profesores de otras universidades, integran la simulación electrónica en cada área de forma consecuente para realizar un buen trabajo de análisis y diseño de circuitos[2]. En la Universidad de Alicante, España, la Electrónica Analógica es una asignatura obligatoria del segundo curso de la titulación de Grado de Ingeniería en Sonido e Imagen en Telecomunicación. En la asignatura se profundiza el estudio de circuitos y subsistemas electrónicos de aplicación en amplificadores de señal, filtros y fuentes de alimentación. Para la realización de pequeños experimentos en el aula que ponen de manifiesto la utilidad de los correspondientes circuitos en el día a día, se ha pensado en la utilización de videos.

(18) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL. 7. públicos de YouTube que no sólo muestran experimentos prácticos de interés relacionados con la asignatura, sino también tutoriales que sirven de apoyo al estudiante en el trabajo no presencial y que aportan enfoques diferentes de un mismo tema. El objetivo es incrementar la motivación del alumno por conocer más en detalle el funcionamiento de dichos circuitos y por tanto incrementar el interés por aprender los contenidos teóricos asociados[9]. Dentro de la oferta de asignaturas troncales de la titulación de Grado de Ingeniería en Electrónica Industrial y Automática (EIA) de la Escuela de Ingeniería Técnica Industrial de Barcelona (EUETIB) de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), dentro del Espacio Europeo de Educación Superior (EEES), se imparte la asignatura Electrónica Analógica que permite al estudiante adentrarse en los conocimientos de esta materia. En esta asignatura además de profundizar en las leyes básicas (leyes de Kirchhoff, teoremas de Thevenin y Norton, etc.) y el comportamiento de las redes pasivas RLC, se estudian en detalle los componentes discretos básicos (diodos, transistores bipolares y transistores de efecto de campo), así como sus circuitos de aplicación, entre ellos, amplificadores de pequeña señal. En las actividades dirigidas de la asignatura interviene una primera parte de actividades donde el estudiante, de forma individual o por parejas, debe analizar y simular diferentes circuitos haciendo uso del programa OrCAD-PSpice. La segunda parte de las actividades dirigidas propone al estudiante la realización física de un proyecto, utilizando técnica de aprendizaje de trabajo cooperativo, en el que se implementa un sistema analógico utilizando circuitería electrónica de bajo coste[7]. En la Universidad de Sevilla, España, como parte de la titulación “Grado en Ingeniería Electrónica Industrial” se imparte la asignatura Electrónica Analógica con carácter obligatorio. La asignatura se centra en el estudio de los circuitos analógicos, empleando para ello los componentes de partida como los transistores, analizando estos a nivel de elemento de circuito y en sus configuraciones amplificadoras como las de pequeña señal, se enfoca hacia el análisis de estos circuitos tanto en continua como en alterna, en régimen sinusoidal estacionario. Además, se realizan prácticas de laboratorio donde se plantea a los alumnos un circuito electrónico sobre el que tienen que trabajar antes de acudir al laboratorio y una vez en este debe montar o simular el circuito y realizar las medidas que se le exijan[10]..

(19) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL. 8. En la “University of Manchester” de Gran Bretaña, se ofrecen las titulaciones “Electrical and Electronic Engineering” y “Electronic Engineering”, en esta última, específicamente en la titulación de 4 años, una de las asignaturas impartidas de manera obligatoria en el primer año es “Electronic Circuit Design I”, la cual cubre, entre otros temas: características del transistor de efecto de campo (FET), características del transistor de unión bipolar (BJT) y circuitos amplificadores, temas distribuidos en seis conferencias. Dentro de estos temas se realiza la práctica de laboratorio experimental: “Análisis de pequeña señal en transistor BJT” donde, utilizando el transistor bipolar 2N2222A, se simula e implementa un amplificador en emisor común con resistencia de emisor parcialmente desacoplada. En los laboratorios una de las herramientas utilizadas es Multisim, para diseñar y simular circuitos electrónicos básicos[11]. Además se imparten las asignaturas “Microcontroller Project” y “Embedded Systems Project” centradas en integrar conceptos descritos en otras materias. El objetivo de la asignatura es que cada grupo construya un robot capaz de navegar sobre una pista. La construcción del sistema completo incluye la fabricación de la electrónica. Este tipo de experiencia se repite en numerosas universidades asociado a metodologías de Aprendizaje Orientado a Proyectos (Project Oriented Learning, POL)[12]. En Gran Bretaña, en la Universidad de Southampton se ofrece un “Master of Engineering” (MEng) de cuatro años en “Electronic Engineering”, en el primer año se imparte el módulo “TT Electronic Labs Yr1”, donde el objetivo es dar a los estudiantes la oportunidad de aplicar la teoría que aprenden en sus otros módulos y se simulan circuitos de señal mixta. Además, en la asignatura “Electronic Systems” se proporciona una gama de técnicas de teoría de circuitos para su análisis y uno de los temas abordados es: “Análisis de señal pequeña de circuitos de transistor FET y bipolar”[13]. También se imparte una asignatura de segundo año y primer trimestre de título “Electrical Engineering Design” que persigue desarrollar las habilidades de los estudiantes en la gestión de proyectos de diseño y la comunicación. Como parte de un trabajo en grupo se debe diseñar, construir y comprobar un vehículo autónomo[12]. En el currículo de Ingeniería Eléctrica en Stanford, Estados Unidos, se imparten las asignaturas “Circuitos I”, donde se introduce el modelado y análisis de circuitos. Los temas incluyen la creación de modelos de componentes típicos en circuitos electrónicos y la.

(20) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL. 9. simplificación de modelos no lineales para rangos restringidos de operación (modelo de señal pequeña). En la práctica de laboratorio referente al tema de amplificadores de pequeña señal se realizan ejercicios prácticos usando el transistor bipolar 2N3904, ejercicios que han sido adaptados de algunos del libro T.C. Hayes, P. Horowitz, “Student Manual for the Art of Electronics”, Cambridge University Press, 1989, libro recomendable porque contiene muchos detalles teórico-prácticos. Hay una nueva edición del libro con los mismos autores, “Learning the Art of Electronics”, Cambridge University Press, 2016. También se imparte “Circuitos II”, donde se da introducción al diseño de circuitos para sistemas electrónicos modernos y fundamentos de la simulación de circuitos[14]. Además se ofertan cursos bajo el título: “Special Studies or Projects in Electrical Engineering”, con un programa de actividades que incluye el diseño e implementación de dispositivos y sistemas electrónicos. En estos cursos se trabajan las competencias prácticas del diseño electrónico y fabricación de circuitos. El proceso es aprendido siguiendo las fases de propuesta, diseño, simulación, construcción y testeo demostrando durante el mismo la capacidad de trabajar en grupo[12]. En el “Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT)”, Estados Unidos, en el “Course 6: Electrical Engineering and Computer Science”, en el Pregrado básico se imparte la asignatura “Circuits and Electronics”, donde se estudia temas como: “Fundamentos de la abstracción de circuitos agrupados”, “Elementos y redes resistivas”, “Fuentes independientes y dependientes”, “Amplificadores”, “Diseño en los dominios de tiempo y frecuencia; analógicos y digitales y aplicaciones”. Se realizan ejercicios de diseño, pero los laboratorios son ocasionales, de estos, uno es: “Amplificadores monoetapa con BJT”, donde el objetivo de la práctica es comprobar experimentalmente la amplificación de dos monoetapas con un transistor BJT (emisor común y colector común) y caracterizar ciertos parámetros de estos transistores[15]. En el currículo de Ingeniería Eléctrica en el MIT se incluyen una serie de cursos de laboratorio denominados genéricamente “Project Laboratory”, entre los que se mencionan los siguientes: “Electronics project laboratory”, “Microcomputer Project Laboratory” y “Modern Optics project Laboratory”. En estos cursos se incluyen una secuencia de proyectos definidos seguido por un proyecto final propuesto por los estudiantes. Los proyectos abarcan las fases de diseño, implementación y presentación en un entorno de trabajo similar al de los grupos de diseño de ingeniería[12]..

(21) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL. 10. En la Universidad de Sao Paulo, Escuela de Ingeniería de Sao Carlos, Brasil, una de las titulaciones ofrecidas relacionadas con la Electrónica es la Ingeniería Eléctrica e Informática. En el tercer período se imparte “Circuitos Electrónicos I” donde se proporciona al estudiante una sólida base en el análisis y diseño de circuitos analógicos bipolares y simulación de circuitos analógicos como los amplificadores de pequeña señal. Se hace hincapié en el contenido de diseño y los estudiantes utilizan SPICE como una herramienta de simulación[16]. En el diseño del currículo se puede observar la correlación habitual entre las diferentes disciplinas electrónicas y sus correspondientes asignaturas, dejando para dos asignaturas de último curso la integración de todas ellas en lo que es el equivalente al proyecto fin de grado: Proyecto de Formatura I y II[12]. 1.2 Herramientas de software empleadas para la enseñanza del tema de amplificadores de pequeña señal en la Electrónica Analógica En el campo de la enseñanza de la electrónica se emplean diferentes herramientas de software que permiten el apoyo de esta enseñanza en contenidos propios de la disciplina, algunas de estas herramientas son: 1.2.1 OrCAD OrCAD es una herramienta de software propietaria que se usa primordialmente para la automatización de diseño electrónico. El software es usado principalmente por ingenieros, diseñadores y técnicos electrónicos para crear esquemas e impresiones electrónicas para confeccionar placas de circuito impreso. Su nombre proviene del lugar de procedencia donde se creó, el cual fue Oregón (Or) y la otra parte es por la forma que desarrolla su software, es decir, basado en el diseño asistido por computadora (CAD)[17]. La versión de estudiante que es la más ampliamente usada por ser de libre difusión, tiene ciertas limitaciones en sus funcionalidades y en las librerías que es capaz de gestionar. En concreto las limitaciones más importantes son: . Referentes al editor gráfico de esquemas:  El espacio está limitado a una única hoja de tamaño DIN A4.. . Referente al simulador:  Está limitado a 64 nodos..

(22) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL. 11.  10 transistores. . Referente a las librerías:  No permite guardar librerías con más de 15 componentes.. . Otras limitaciones:  La caracterización de dispositivos está limitada al diodo.  El generador de estímulos está limitado a ondas sinusoidales y relojes digitales.. Pese a estas limitaciones, la versión de estudiante es lo suficientemente potente para aprender con ella sobre simuladores y ser una gran ayuda para comprender mejor el funcionamiento de los circuitos y facilitar su proceso de aprendizaje[18]. OrCAD es empleado en proyectos de investigación y en la docencia ya que es una herramienta muy potente que ofrece muchas ventajas a la hora de realizar cálculos precisos y representaciones gráficas certeras. Ejemplo de esto yace entro 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 se utiliza en actividades dirigidas de esta para analizar y simular circuitos electrónicos[7]. También es utilizado con este fin en la Universidad Carlos III de Madrid, donde fue realizada una guía de introducción al OrCAD 10.0[19]. 1.2.2 Multisim Multisim es un entorno de simulación 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, con Multisim se enseña a los estudiantes conceptos básicos de electrónica analógica, digital y de potencia a lo largo del plan de estudios de ingeniería y ciencias. El software de simulación y diseño de circuitos de Multisim brinda a los ingenieros habilidades avanzadas de análisis y diseño para optimizar el rendimiento, reducir los errores de diseño y acortar el tiempo para generar prototipos. Las herramientas intuitivas reducen iteraciones de tarjeta de circuito impreso (PCB) y producen significativos ahorros en costo. Algunos de los rasgos más sobresalientes de Multisim se muestran a continuación: . Simulación interactiva y análisis de circuitos..

(23) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL. 12. 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[20]. La utilización de este programa contribuye al aprendizaje de la electrónica por parte del alumno debido a que este puede desarrollar un aprendizaje autónomo en un doble sentido: por una parte, aprende los mecanismos de funcionamiento de los circuitos electrónicos mediante la implementación de diversos esquemas y el análisis de los resultados de simulación y, por otro, profundiza en el conocimiento de la instrumentación del laboratorio. Además, posee la ventaja de poder obtener resultados realistas, aprendiendo a usar los instrumentos del laboratorio, sin requerir la presencia física del alumno en el laboratorio de Electrónica Analógica[21]. 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[22]. Es uno de los simuladores más usados en la carrera de Ingeniería Eléctrica en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad.

(24) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL. 13. Profesional “Adolfo López Mateos” (ESIMEZ), utilizándose en la materia de “Análisis de Circuitos Eléctricos I”[23]. 1.2.3 Proteus Proteus es un software de simulación para circuitos electrónicos tanto analógicos como digitales, además de que permite crear el layout del PCB y visualizarlo en 3D. Se compone de cuatro módulos: ISIS, encargado de realizar el modelo esquemático del circuito y para ello cuenta con una librería de más de 6000 dispositivos tanto analógicos como digitales; ARES, encargado de hacer la placa de circuito impreso (PCB), además de que puede posicionar automáticamente los componentes y hacer las pistas; Prospice, el cual se encarga de simular el comportamiento del circuito; y VSM, que permite simular el comportamiento de un microcontrolador de las familias PIC, AVR, y otras, además puede interactuar con diferentes periféricos[24]. Su motor de simulación ProSPICE está construido basándose en el estándar industrial de simulación SPICE desarrollado por la Universidad de Berkeley, California[25]. Es utilizado en un proyecto de grado de la Universidad de Valladolid para la fabricación de placas de circuito impreso[26]. 1.2.4 DroidTesla DroidTesla es un sencillo y potente motor de SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), adecuado para los estudiantes nuevos en el diseño y la construcción de circuitos electrónicos, para aficionados e incluso para profesionales experimentados que desean una rápida herramienta útil para realizar cálculos de diseño de circuitos electrónicos[27]. El simulador DroidTesla soluciona circuitos resistentes básicos usando la Ley de Kirchhoff 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 Gaussiana y otras técnicas de matrices. Para los componentes no lineales como el diodo y el transistor BJT, DroidTesla está equipado con una máquina en busca de la solución aproximada haciendo una suposición inicial en una respuesta y entonces, mejorando la solución con cálculos sucesivos construidos sobre esta suposición, utiliza un proceso iterativo. DroidTesla usa el algoritmo iterativo de Newton-Raphson para solucionar circuitos con la relación no lineal.

(25) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL. 14. corriente/voltaje (I/V). Para elementos reactivos, capacitores e inductores, DroidTesla usa métodos numéricos de integración para aproximar el estado de los elementos reactivos como una función de tiempo. Ofrece los métodos trapezoidales de integración para aproximar el estado de los elementos reactivos como una función de tiempo ya que son más rápida y precisa. Su avanzada simulación de SPICE, como se muestra en la figura 1.1, puede maniobrar ambos circuitos analógicos y digitales. También dispone de circuitos digitales, simulando las compuertas lógicas básicas y también el circuito de temporización 555. DroidTesla es simple, fácil para usar, aplicación de Android con muchos ejemplos y opciones. Los usuarios en DroidTesla pueden fácilmente conectar dos elementos con un par de clics en el final de un elemento y en el principio de otro. DroidTesla está constantemente actualizado y mejorado. Cada actualización trae un nuevo componente y una nueva característica y los fallos o problemas que han sido reportados se solucionan[28].. Figura 1.1. DroidTesla Pro: captura de pantalla[28]. 1.2.5 EveryCircuit EveryCircuit es una herramienta para el diseño de circuitos que posee un simulador interactivo que permite visualizar cómo se comportan los componentes cuando están conectados entre sí. Entre los componentes que se pueden agregar se encuentran.

(26) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL. 15. resistencias, condensadores, transistores, transformadores, interruptores, lámparas, entre otros. Mientras que la simulación está en funcionamiento se pueden ajustar los parámetros del circuito con mando analógico, como se muestra en la figura 1.2, y el circuito responde a sus acciones en tiempo real. Se puede incluso generar una señal de entrada arbitraria con el dedo. Con la misma jerarquía que una aplicación de ordenador de escritorio muy cara, esta aplicación para Android puede mostrar formas de onda o valores de tensión y corriente a partir de un circuito armado por un usuario minutos antes. Dado a la disponibilidad de la mayoría de los componentes habituales, diagramar un circuito, dibujarlo y ensayarlo en forma dinámica es un trabajo que se puede realizar sin inconvenientes. Cuando la aplicación se inicia se observa un área de trabajo de color negro; en la parte superior se encuentran los diferentes componentes que se pueden agregar al circuito y en la parte de abajo una barra con ajustes del objeto seleccionado. EveryCircuit está disponible para dispositivos iOS y Android de manera completamente gratuita. Además, EveryCircuit permite sincronizar los diseños en todos los dispositivos para editarlos desde cualquier lugar y cuenta con una Comunidad de ayuda donde se pueden resolver las dudas o publicar los diseños. Por otro lado, posee un buscador que permite encontrar proyectos específicos para ayudar a construir los propios[29]. 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 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[30]..

(27) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL. 16. Figura 1.2. EveryCircuit: captura de pantalla[31]. 1.2.6 Electronic Toolbox Calculadora de electrónica para ingenieros: es una aplicación que permite hacer la mayoría de los cálculos habituales cuando se está diseñando un circuito. Preparada para técnicos y/o. estudiantes de ingeniería, esta aplicación puede ayudar a calcular atenuadores tipo PI o T, circuitos LCR serie o paralelo, calcular figuras de ruido (Noise Figure, Nf) en un amplificador de RF, diseñar y calcular filtros pasabanda y calcular tensiones de pico, RMS y promedios. Facilita además el cálculo de ganancias en amplificadores configurados en cascada o en forma unitaria, además de tener todas las características elementales como Ley de Ohm o cálculos de impedancias[32]. 1.2.7 Electronics Reference Electronics Reference es una aplicación para Android que caracteriza y muestra en imágenes el aspecto físico que presenta un diodo, un transistor, una resistencia, un.

(28) TENDENCIAS DE LA ENSEÑANZA DEL TEMA DE AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL. 17. capacitor, un inductor y la mayoría de los componentes que se encuentran en cada placa. Esta es una de las grandes ventajas que posee esta aplicación. Aquí se puede ver y asociar a un componente con su símbolo. La aplicación está en inglés y es fácil de usar[32]. 1.3 Conclusiones del capítulo En este capítulo fueron expuestas las principales tendencias de la enseñanza de la Electrónica Analógica, en particular del tema de amplificadores de pequeña señal y de forma general tomando como referencia algunas universidades del mundo en las cuales se incluye el uso de libros de texto, CD, videos tutoriales de YouTube, herramientas para la simulación de circuitos electrónicos y proyectos de curso que se basan en el montaje real de estos. Además, fueron abordadas las características y ventajas de algunas de las herramientas de software empleadas para el apoyo de esta enseñanza como: OrCAD, Multisim y Proteus, que son las más utilizadas. Las demás herramientas: EveryCircuit, DroidTesla, Electronic Toolbox y Electronics Reference son aplicaciones de Android que contribuyen de igual manera en la enseñanza, el diseño y simulación de circuitos electrónicos y que además son simples, fáciles de usar y de gran utilidad tanto para estudiantes como para aficionados y profesionales del mundo de la electrónica..

(29) CAPÍTULO 2.. RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO. En este capítulo se exponen las condiciones tecnológicas actuales del laboratorio 104 de la FIE y de sus estudiantes, se comparan las herramientas de software en Android: EveryCircuit y DroidTesla, a utilizar para la simulación de los circuitos de las prácticas de laboratorio diseñadas de amplificadores de pequeña señal con BJT y JFET para la asignatura de Electrónica Analógica I y se describen las características de estos amplificadores, identificando esquemas seleccionados de etapas configuradoras de estos circuitos y algunas de sus aplicaciones. 2.1 Diagnóstico de las condiciones tecnológicas de la FIE y los estudiantes En este epígrafe se expone la situación tecnológica que presentan el laboratorio 104 donde los estudiantes de 2do año de la carrera Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica reciben las clases de prácticas de laboratorio simuladas de Electrónica Analógica I y las características y resultados de una encuesta aplicada a una muestra de 30 de estos estudiantes, con el objetivo de conocer los dispositivos electrónicos que presentan. 2.1.1 Situación tecnológica en el laboratorio 104 de la FIE El laboratorio 104 está equipado con 17 computadoras (PC) disponibles, de las cuales: 5 de ellas tienen un procesador Core i3 de cuarta generación, una frecuencia de reloj de 3.10 GHz y cuentan con 4 GB de RAM; 2 tienen un procesador Core i5 de cuarta generación con semejantes características; y los 10 restantes cuentan con un procesador Intel Celeron de cuarta generación con idénticas propiedades a las anteriores. Una limitante consiste en que estos recursos son los únicos existentes para desarrollar las prácticas de laboratorio simuladas, pues las PC utilizadas pueden sufrir afectaciones por determinados factores:.

(30) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 19. falta de mantenimiento, por subidas y bajadas del voltaje, entre otras. La masividad de los estudiantes es otra limitante a la hora de desarrollar los laboratorios, dado que una computadora debe ser compartida por 2 o 3 de ellos y el desenvolvimiento de cada uno, a la hora de interactuar con las tareas orientadas en estas prácticas, queda limitado y no le permite afianzar adquirir las habilidades necesarias y suficientes en cuanto a la temática que se le imparte. Aquí es donde es necesario explotar las posibilidades tecnológicas que cada estudiante presenta y encontrar una solución de dicho problema con la utilización de herramientas auxiliares, que permitan complementar tanto la formación del alumno en el laboratorio como en el estudio independiente. 2.1.2 Diagnóstico de la situación tecnológica que poseen los estudiantes y sus posibilidades para el uso de las herramientas de simulación en Android Para dicho diagnóstico se realizó una encuesta a una muestra de 30 de los estudiantes de 2do año, de una matrícula de 60, del curso 2016-2017 de la carrera Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica para conocer cuántos dispositivos electrónicos con Sistema Operativo Android poseen y a partir de aquí tener una idea de cuan factible puede llegar a ser el uso de herramientas de simulación en dicho Sistema Operativo. La encuesta realizada se muestra en el Anexo 1. Los resultados de esta encuesta revelaron que en dicha muestra de 30 integrantes: 8 de ellos poseen Tabletas, una de ellas con iOS 7.1 y los demás con sistema operativo Android con versiones de 4.4.2 en adelante; 21 de ellos poseen móviles inteligentes con sistema operativo Android, 17 de estos con versiones de 4.4.2 en adelante, 4 tienen iPhone y 3 cuentan con celulares inteligentes con sistema operativo Windows. Según estos resultados se evidencia que la mayoría posee dispositivos electrónicos Android debido a su amplia difusión y comercialización a nivel mundial, por lo que este es un elemento a considerar para llevar a cabo la utilización de las herramientas de simulación en Android para resolver ejercicios y simular circuitos electrónicos de las prácticas de laboratorio simuladas de la Electrónica Analógica I, así como para su utilización en el estudio independiente..

(31) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 20. 2.2 Comparación de las herramientas de simulación en Android: EveryCircuit y DroidTesla. Para la comparación de estas herramientas se tomó un ejemplo sencillo ya que no son herramientas tan potentes como Multisim, OrCAD o Proteus debido a que solamente permiten efectuar el análisis transitorio de un circuito, aunque sí tienen características que permiten incluirlas en la docencia de la Electrónica Analógica I y contribuyan a facilitar el aprendizaje del estudiante. El circuito seleccionado constituye una sencilla etapa de amplificación basada en un transistor NPN con configuración de emisor común que forma parte de un vúmetro, un medidor gráfico de intensidad de señal de audio, pero en este caso se tomó como ejemplo el amplificador de manera independiente para realizar la comparación entre las herramientas de simulación EveryCircuit y DroidTesla, compuesto por componentes con los valores del circuito real como: resistencias, capacitores, fuentes de voltaje tanto alterna (AC) como directa (DC) y el transistor de unión bipolar 2N3904. El circuito montado en el área de trabajo de ambas aplicaciones se puede observar en las figuras 2.1 y 2.2 que se muestran a continuación.. Figura 2.1. Circuito montado en el workspace de DroidTesla..

(32) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 21. Figura 2.2. Circuito montado en el workspace de EveryCircuit. En las figuras anteriores se puede observar que en la aplicación EveryCircuit, a diferencia de DroidTesla, solo aparece el valor de los componentes, sin embargo, mientras que la simulación está en funcionamiento se pueden ajustar los parámetros del circuito con mando analógico, como se muestra en la figura 2.3 y el circuito responde a sus acciones en tiempo real; en la aplicación DroidTesla es necesario detener la simulación para realizar cualquier modificación en el circuito.. Figura 2.3. Ajuste de la frecuencia de la fuente sinusoidal con el mando analógico en EveryCircuit..

(33) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 22. En ambas aplicaciones los componentes inicialmente tienen un valor por defecto que debe ser editado según el circuito diseñado. En el caso de los transistores BJT se editan los parámetros que se muestran en la figura 2.4, de acuerdo a la información contenida en su hoja de datos, ventaja que permite trabajar en el circuito con el transistor real disponible; mientras que en DroidTesla los parámetros a editar son los que se muestran en la figura 2.5.. Figura 2.4. Parámetros a editar en el transistor bipolar de EveryCircuit.. Figura 2.5. Parámetros a editar en el transistor bipolar de DroidTesla..

(34) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 23. A diferencia de EveryCircuit, DroidTesla permite colocar instrumentos de medición como el osciloscopio, lo cual se muestra en la figura 2.6. La forma de la onda representada por dicho instrumento carece de detalles como se muestra en la figura 2.7, por lo que EveryCircuit presenta una mayor ilustración en la representación de las señales en cuanto al detalle debido a que muestra los valores mínimos y máximos de la señal, además de su frecuencia, como se puede apreciar en la figura 2.8.. Figura 2.6. Circuito amplificador simulado en DroidTesla con el osciloscopio conectado.. Figura 2.7. Señal de salida del circuito amplificador vista desde el osciloscopio de DroidTesla..

(35) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 24. Figura 2.8. Voltaje de salida del circuito amplificador simulado en EveryCircuit. Además del osciloscopio, DroidTesla cuenta con amperímetros y voltímetros individuales, unos para medir corrientes y voltajes alternos y otros para medir corrientes y voltajes directos, como se puede apreciar en la figura 2.9, mostrando siempre el valor pico. EveryCircuit también cuenta con estos instrumentos, pero, a diferencia de la anterior, solo tiene un voltímetro y un amperímetro que ante corriente alterna no miden corrientes y voltajes directos y para realizar estas mediciones es necesario desconectar la fuente de señal alterna. No obstante, EveryCircuit tiene como ventaja que ante corriente directa indica los valores de corriente y voltaje que existe en cada rama del circuito, como se muestra en la figura 2.10, sin necesidad de utilizar los instrumentos de medición..

(36) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 25. Figura 2.9. Circuito amplificador simulado en DroidTesla con instrumentos de medición.. Figura 2.10. Circuito amplificador simulado ante CD en EveryCircuit. Una ventaja de EveryCircuit frente a DroidTesla es que proporciona animaciones de los voltajes y las corrientes directamente sobre el circuito, lo cual visualmente ayuda al estudiante al entendimiento de este. Otra de las ventajas de EveryCircuit es que puede mostrar la representación de las señales, ya sea de voltaje o de corriente, en cuatro puntos del circuito al mismo tiempo como se muestra en la figura 2.11 y basta con seleccionar uno.

(37) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 26. de ellos para mostrar sus características. Para ello DroidTesla necesita conectar dos osciloscopios. Una desventaja de EveryCircuit ante DroidTesla es que ninguna de sus versiones hasta el momento cuenta con transistores JFET.. Figura 2.11. Circuito amplificador simulado en EveryCircuit. Estas aplicaciones pueden simular circuitos con un mayor grado de complejidad y cuentan con una biblioteca de ejemplos y aplicaciones de diversos circuitos, tanto analógicos como digitales. Por todo lo expuesto anteriormente, a pesar de las diferencias, ventajas y desventajas entre EveryCircuit y DroidTesla, estas constituyen potentes simuladores SPICE en el móvil y es justificable el uso de ambas para facilitar y apoyar el aprendizaje de la Electrónica Analógica en las prácticas de laboratorio simuladas y estudios independientes de los estudiantes, sobresaliendo las simulaciones interactivas de circuitos animados que presentan estas aplicaciones y el fácil manejo de sus elementos para los estudiantes. 2.3 Características de los amplificadores de pequeña señal con BJT y JFET A continuación se describen principales características de etapas amplificadoras construidas con transistores BJT y JFET..

(38) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 27. 2.3.1 Características de los amplificadores BJT El transistor de unión bipolar (BJT) fue el primer dispositivo utilizado para amplificar señales. Consiste en un cristal de silicio o germanio al cual se le han agregado impurezas, de modo tal que queda intercalada una capa de silicio tipo p o tipo n entre dos capas de silicio tipo n o tipo p. Existen dos tipos de transistores: npn y pnp. Un BJT puede verse como dos uniones pn conectadas una contra otra. Se le llama bipolar porque la carga en el dispositivo es transportada por dos portadores de diferente polaridad, huecos y electrones. El BJT es un dispositivo controlado por corriente y su corriente de salida depende de la corriente de base. Dispone de tres terminales: emisor (E), base (B) y colector (C). Puede operar en tres zonas de trabajo: corte y saturación, cuando se emplea el dispositivo en aplicaciones de conmutación y región activa, si se utiliza como amplificador. Existen tres tipos de configuraciones posibles de amplificadores[33]: Emisor Común (EC), en el cual el emisor es la terminal común, con entrada por el terminal base y salida por el terminal colector. Presenta una ganancia de voltaje mucho mayor que uno, resistencia de entrada media (inferior a 10 kΩ) y una resistencia de salida alta (unidades de kΩ). Un ejemplo de aplicación de esta configuración lo constituye un circuito amplificador de audio, mostrado en la figura 2.12.. Figura 2.12. Amplificador básico de audio montado en el workspace de EveryCircuit..

(39) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 28. Emisor Común con resistencia en el emisor (EC con Re), presenta una ganancia de voltaje mayor que la unidad, resistencia de entrada alta (decenas a centenas de kΩ) y una resistencia de salida alta (unidades de kΩ). Esta configuración se muestra en la figura 2.13, con la arquitectura de un circuito autopolarizado.. Figura 2.13. Circuito equivalente de corriente alterna del emisor común con Re. Colector Común o seguidor de emisor (CC), en la que el colector es la terminal común, entrada por el terminal base y salida por emisor. Presenta ganancia de voltaje aproximadamente unitaria, una resistencia de entrada Ri alta (decenas a centenas de kΩ) y una resistencia de salida Ro baja (orden de los Ω). Esta configuración se muestra en la figura 2.14. Un ejemplo de aplicación de esta configuración está presente en la etapa final del preamplificador de radiofrecuencia mostrado en la figura 2.15, circuito que forma parte del contenido de la asignatura Radioelectrónica I de la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica..

(40) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 29. Figura 2.14 Amplificador colector común.. Figura 2.15. Preamplificador de radiofrecuencia montado en el workspace de DroidTesla. Base Común (BC), en la cual la base es la terminal común, entrada por emisor y salida por colector. Presenta una ganancia de voltaje mucho mayor que la unidad, una resistencia de entrada muy baja (unidades de Ω) y una resistencia de salida alta (unidades de kΩ). Esta configuración se muestra en la figura 2.16..

(41) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 30. Figura 2.16. Amplificador base común. En el Anexo 9 se muestran las fórmulas correspondientes para el cálculo de los parámetros de señal para cada una de las configuraciones anteriormente descritas. 2.3.2 Características de los amplificadores JFET Un transistor de efecto campo (FET) típico está formado por una barrita de material p o n, llamada canal, rodeada en parte de su longitud por un collar de otro tipo de material que forma con el canal una unión p-n. En los extremos del canal se hacen sendas y conexiones óhmicas llamadas respectivamente sumidero (d-drain) y fuente (s-source), más una conexión llamada puerta (g-gate) en el collar. Existen dos tipos de tales dispositivos, los MOSFET y JFET, siglas correspondientes a Transistores Metal-Óxido-Semiconductor, y Unión (junction) Efecto Campo respectivamente. Los FET tienen la particularidad de ser de fabricación más simple y de ocupar menos espacios en chip que un BJT. El FET es un dispositivo de portadores mayoritarios. Su funcionamiento se basa en la aplicación de un campo eléctrico para gobernar la corriente. Es una fuente de corriente de tensión controlada. Sus zonas de funcionamiento son: zona óhmica, saturación y corte. En la zona óhmica el transistor se comporta como una resistencia variable dependiente del valor del voltaje drenador fuente (VDS) e IDSS. En la zona de saturación es donde el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente gobernada por el voltaje gate fuente.

(42) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 31. (VGS). La zona de corte es donde la corriente del drenador es nula. Presenta las siguientes configuraciones amplificadoras[33]: Fuente común (CS), presenta entrada por el terminal gate y salida por el drenador y el terminal fuente es el terminal común, con una ganancia de voltaje mucho mayor que la unidad, una resistencia de entrada Ri alta (aproximadamente de unidades de MΩ) y una resistencia de salida Ro alta (unidades de kΩ). Un ejemplo de aplicación de esta configuración es el circuito de la figura 2.17, que muestra un mezclador fuente común inyectado por fuente, abordado en la asignatura Radioelectrónica I de la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica. Un mezclador es un circuito no lineal capaz de mezclar dos señales de entrada a frecuencias diferentes, produciendo a su salida una mezcla de señales de diferentes frecuencias igual a la combinación lineal de las dos frecuencias de entrada y se utiliza habitualmente para hacer una conversión de frecuencias en sistemas de transmisión o recepción de señal, en todas las bandas de frecuencia[34].. Figura 2.17. Mezclador montado en el workspace de DroidTesla. Fuente común con resistencia en la fuente (CS con Rs), presenta entrada por el terminal gate y salida por el drenador, con una ganancia de voltaje mayor que uno, una resistencia de entrada Ri alta (aproximadamente de unidades de MΩ) y una resistencia de salida Ro alta (unidades de kΩ). Esta configuración se muestra en la figura 2.18..

(43) RECURSOS EMPLEADOS PARA EL DISEÑO DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO. 32. Figura 2.18. Amplificador Fuente común con Rsr. Drenador común (CD), presenta terminal de entrada por el gate, terminal de salida por el terminal fuente y el drenador es el terminal común, con una ganancia de voltaje inferior a uno, una resistencia de entrada Ri alta (aproximadamente de unidades de MΩ) y una resistencia de salida Ro baja (orden de los Ω). Esta configuración se muestra en la figura 2.19.. Figura 2.19. Amplificador drenador común..